蔣偉

贛中南地質(zhì)礦產(chǎn)勘查研究院 江西南昌 330029

地球物理探測(cè)[2]是利用目標(biāo)體與圍巖介質(zhì)存在地球物理性質(zhì)差異，運(yùn)用適當(dāng)?shù)目碧椒椒ê拖鄳?yīng)的儀器設(shè)備，通過(guò)分析研究采集到的地球物理場(chǎng)，探明地層界線、斷層構(gòu)造及其他目標(biāo)物的勘探手段。各種物探方法就是通過(guò)不同的城市地質(zhì)條件變化引起的電磁場(chǎng)，彈性波場(chǎng)、重力場(chǎng)、放射性場(chǎng)的變化得以在實(shí)際勘查中探明異常。在陸地、水域、地下等不同勘探背景條件下獲得較好的勘查效果，不僅達(dá)到了許多環(huán)境地質(zhì)勘查目的，而且在一些城市地質(zhì)問(wèn)題中有較好的應(yīng)用效果，包括滑坡、城市活斷層、斷裂構(gòu)造、地?zé)崴偷叵滤?、巖石物性等勘探。綜上，適用于城市地質(zhì)調(diào)查的地球物理勘查方法將迎來(lái)廣闊的發(fā)展空間，為城市地質(zhì)調(diào)查工作提供有效的勘查指導(dǎo)意義。

1 研究現(xiàn)狀

盡管工程地球物理方法取得了較好的應(yīng)用效果，但是，在城市特定環(huán)境條件下，上述方法易受到強(qiáng)干擾及施工條件有限等客觀因素制約，因而對(duì)設(shè)備性能、資料處理和反演解釋技術(shù)提出了更高的要求。隨著這幾年各個(gè)城市城鎮(zhèn)化進(jìn)度加速，應(yīng)用于城市工程地球物理勘探技術(shù)得到快速發(fā)展。地球物理勘探領(lǐng)域提出了許多物探技術(shù)方法并獲得不錯(cuò)的應(yīng)用效果，同時(shí)一些物探勘探設(shè)備的創(chuàng)新和升級(jí)推動(dòng)著物探技術(shù)的應(yīng)用和推廣。

1.1 地球物理數(shù)據(jù)處理技術(shù)

在數(shù)據(jù)處理和反演解釋方面，最小二乘法[3]及由J.T.Smith和JohnR.Booker提出的快速松弛反演方法是過(guò)去應(yīng)用較多的反演方法之一，但反演精度不高，當(dāng)實(shí)測(cè)剖面較長(zhǎng)或進(jìn)行三維反演時(shí)，隨著未知量的增加，反演建立的稀疏矩陣維數(shù)呈幾何式增加，導(dǎo)致了解的多解性，對(duì)成果資料解釋造成了一定的困難。

鑒于城市建設(shè)工程中，涉及地質(zhì)與檢測(cè)問(wèn)題“小、淺、精”的特點(diǎn),對(duì)地球物理反演技術(shù)提出了更高的要求，部分設(shè)備廠家提供的解釋軟件也不能完全滿足生產(chǎn)需求。首先通過(guò)前期地質(zhì)、鉆探、地球物理數(shù)據(jù)等成果資料轉(zhuǎn)換為后期約束大地電磁資料處理所需要的先驗(yàn)電阻率分布模型，在OCCAM反演算法迭代過(guò)程中不斷向先驗(yàn)電阻率模型靠攏，形成OCCAM約束反演算法，提高大地電磁的解釋精度。具有較好的推廣價(jià)值。非線性共軛梯度（NLCG）通過(guò)求解非二次的極小化問(wèn)題，突破了線性化迭代反演的框架。非線性共軛梯度算法采用非線性共軛梯度的Polak-Ribiere變種求取目標(biāo)函數(shù)，非線性共軛梯度的模型序列由一系列的一元極小化或沿著計(jì)算的搜索方向的線性搜索所確定，屬于全局最優(yōu)問(wèn)題；在未來(lái)的城市地質(zhì)工程物探勘查發(fā)展方向上，通過(guò)地球物理多波理論的創(chuàng)新和應(yīng)用，地球物理波場(chǎng)的頻譜范圍會(huì)越來(lái)越寬，其中電磁波譜[7]將由純直流擴(kuò)展到雷達(dá)波，彈性波譜將由瑞雷波擴(kuò)展到超聲波頻率。新的技術(shù)方法將會(huì)隨應(yīng)用試驗(yàn)的成功而得到更進(jìn)一步的推廣,探地雷達(dá)、陸地聲納法、地震映像法、高密度電阻率法、大地電磁電導(dǎo)率剖面法、微動(dòng)勘探法、等值反磁通瞬變電磁剖面法等探測(cè)數(shù)據(jù)快速連續(xù)自動(dòng)采集技術(shù)將會(huì)日益活躍[1]。研究城市活動(dòng)對(duì)物理場(chǎng)的影響以推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用將會(huì)得到進(jìn)一步重視。為了進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，城市地質(zhì)工程綜合物探技術(shù)[8]的改進(jìn)和室內(nèi)物探數(shù)據(jù)處理方法的優(yōu)化將是應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境背景條件下的研究發(fā)展趨勢(shì)。作為地球物理技術(shù)方法的研究?jī)?nèi)容，發(fā)揮各勘探方法的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和分析復(fù)雜環(huán)境下的地球物理背景特征不僅將有利于物探技術(shù)方法本身的升級(jí)和改進(jìn)，同時(shí)也能提高工程物探為城市地質(zhì)調(diào)查的勘探精度和水平。

1.2 物探儀器設(shè)備研發(fā)

高密度電阻率儀器從過(guò)去的集中式發(fā)展到分布式，諸如重慶儀器廠、重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所、重慶精凡科技等一大批廠商都推出了新一代分布式高密度電法儀，以重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WGMD-9超級(jí)高密度電法系統(tǒng)為例，在采集方式、輕便性、防水性及高壓供電和數(shù)據(jù)精度上面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其勘探效果也比較明顯，圖1為成都市雙流某區(qū)域高密度電法效果圖，從1圖可以看出對(duì)地層有較好的分辨效果。

圖1 高密度電法剖面圖

表1 WD智能微動(dòng)勘探技術(shù)與常規(guī)物探方法特點(diǎn)對(duì)比表

探地雷達(dá)國(guó)產(chǎn)儀器應(yīng)用比較少，主要是美國(guó)勞雷公司的sir系列設(shè)備、俄羅斯OKO-3地質(zhì)透視儀和瑞典MALA公司ProEx系列，新一代sir4000探地雷達(dá)發(fā)射率、掃描速率等性能指標(biāo)全面提升

為解決過(guò)去地震儀受噪聲干擾影響嚴(yán)重的問(wèn)題，北京水電物探所生產(chǎn)的WD智能微動(dòng)勘探儀應(yīng)用各種噪聲作為信號(hào)源，智能微動(dòng)勘探在技術(shù)上有一定優(yōu)勢(shì)，其與常規(guī)物探手段相比較的優(yōu)勢(shì)見(jiàn)表1。圖2是地質(zhì)滑坡調(diào)查效果圖，從圖中可以看出這種技術(shù)得到了比較好的應(yīng)用。

圖2 微動(dòng)勘探技術(shù)綜合解釋圖

由北京水工資環(huán)新技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司研發(fā)的地質(zhì)勘查新技術(shù)“極小震-檢距超寬頻帶彈性波反射單點(diǎn)連續(xù)剖面法”（簡(jiǎn)稱“陸地聲納法”）有效的應(yīng)用于城鄉(xiāng)建設(shè)和地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警防治針對(duì)多發(fā)的地陷、巖溶、滑坡等地址災(zāi)害和隧道地鐵、城鐵等施工中多見(jiàn)的引起坍方、涌水涌泥等地質(zhì)隱患，解決了0-200米淺層地質(zhì)勘查、城市軌道交通、道路和地質(zhì)災(zāi)害隱患精細(xì)探查難的技術(shù)難題。可在城市強(qiáng)干擾下進(jìn)行面積性工作，到建筑物中作探查。鐘世航[10]等認(rèn)為陸地聲納法可用于探測(cè)較小的溶洞，甚至直徑在1米之內(nèi)也能取得較好的效果。

淺層地震儀國(guó)內(nèi)外廠家比較多，重慶地質(zhì)儀器廠、重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所及美國(guó)勞雷公司生產(chǎn)的ESS系列地震儀，新一代基于MEMS技術(shù)制造的寬頻帶、大動(dòng)態(tài)反饋地震計(jì)和高分辨數(shù)字化記錄器地震儀指數(shù)指標(biāo)提升很大。

目前基于等值反磁通原理的HP-TEM瞬變電磁儀已在湖南五維地質(zhì)科技有限公司量產(chǎn)，該儀器采用的雙線圈源比傳統(tǒng)瞬變電磁法采用的單線圈源對(duì)地中心耦合場(chǎng)能量更集中，有利于壓制城市噪音、提高探測(cè)的橫向分辨率，但對(duì)其應(yīng)用效果沒(méi)有進(jìn)一步的資料佐證?；趶?fù)雜的城市勘探背景條件下，其中包括城市浮塵大、潮濕、人文干擾等，要求地球物理勘探儀器能更加智能化的捕捉到高信噪比的有效信號(hào)。儀器也將從單一化轉(zhuǎn)向多功能平臺(tái)化[2]。這將有利于各種方法進(jìn)行自由組合，提高勘探的整體精度。適用于城市地質(zhì)調(diào)查中的地球物理設(shè)備和物探技術(shù)方法將是未來(lái)的發(fā)展方向，未來(lái)應(yīng)用前景巨大。

2 技術(shù)難點(diǎn)和問(wèn)題

限于城市施工條件，眾多物探方法可能不再遵循二維裝置模式，對(duì)實(shí)測(cè)資料的反演解釋有可能不能用現(xiàn)有大多數(shù)軟件實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行大量的反演軟件測(cè)試工作。而三維分布式采集的數(shù)據(jù)，市場(chǎng)上成熟的反演解釋軟件較少，并且要滿足精細(xì)化探測(cè)要求，部分算法需要科研人員研發(fā)實(shí)現(xiàn)，技術(shù)難度很大。城市環(huán)境條件復(fù)雜，特別是在建筑物密集，電磁和車輛震動(dòng)等人文干擾嚴(yán)重，探測(cè)場(chǎng)地可能是水泥地或?yàn)r青路面等復(fù)雜地質(zhì)條件下，試驗(yàn)出最佳的勘探裝置及方法技術(shù)組合，需要做大量的試驗(yàn)工作，并總結(jié)有效的壓制噪聲和不規(guī)則裝置形式下高分辨率的反演解釋方法，才能總結(jié)出一套為今后城市地質(zhì)物探勘查工作能借鑒的有效方法[3]。

3 結(jié)語(yǔ)

上述物探方法盡管在應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查中取得了一定的效果，但是仍然存在諸多的問(wèn)題，比如適應(yīng)城市環(huán)境的建筑物密集、施工場(chǎng)地可能是水泥路面或?yàn)r青路面、人文干擾嚴(yán)重的條件下，如何發(fā)揮各方法的優(yōu)勢(shì)，選取合理的組合方法、有效的勘探裝置，獲取精細(xì)化勘探效果。這方面的資料和研究成果仍然十分缺乏，或者缺乏第三方資料佐證。建議通過(guò)城市地球物理主流技術(shù)：高密度電阻率法、探地雷達(dá)、二維淺層地震反射勘探、微動(dòng)勘探、陸地聲納和等值反磁通瞬變電磁法的組合技術(shù)試驗(yàn)，總結(jié)各方法應(yīng)用條件、探測(cè)深度、分辨率、抗干擾能力等特征，提出各方法最佳的勘探裝置，評(píng)價(jià)勘探效果，探索得出最有效的城市環(huán)境條件下的不同探測(cè)目標(biāo)、不同探測(cè)環(huán)境下的城市物探方法技術(shù)組合，對(duì)今后的城市工作部署提供直接的指導(dǎo)意義。