劉現(xiàn)鋒，姜文龍，王旭明，馬若龍，胡文哲

(黃河勘測規(guī)劃設計研究院有限公司,河南 鄭州 450003)

0 前言

隨著我國水電資源開發(fā)的深入，天然的優(yōu)良地基正逐步減少，我們不得不在深厚覆蓋層上建設水利水電工程。然而，覆蓋層中復雜地質情況的存在嚴重影響和制約了工程的選址和運行期的安全分析評價，也極大地提高了前期勘察的成本，因此，有效查明工程地質情況的重要性不言而喻。

獲取工程場地的覆蓋層厚度和地下巖體完整性參數(shù)是水利水電工程勘察的重要問題之一，直流電阻率法、大地電磁法、地震折射法和面波法是工程地質勘察常用的物探方法。在某些地質條件復雜的區(qū)域，如上覆鐵帽地層的存在，致使地表含水率低、導電性差，直流電阻率探測技術在此地層探測中應用受到極大的限制；電磁類方法由于其頻率較低，對地層分辨能力較差；常規(guī)地震折射方法受到震源的限制，也無法有效地解決深厚覆蓋層厚度等問題。

近幾十年來，隨著地球物理探測技術的發(fā)展，瑞利面波(以下簡稱面波)憑借其快速、經濟、易激發(fā)和受場地條件限制小等優(yōu)點，迅速成為工程地質勘察中一種常用的工程物探技術[1]。面波法主要分被動源面波法和主動源面波法兩大分支[2]，主動源面波勘探受制于震源的影響，其探測深度一般在30 m范圍之內；而被動源面波法探測深度較深，但其具有采集時間較長、勘探效率低等缺陷[3]。

被動源和主動源面波法有各自的優(yōu)缺點，將二者優(yōu)點有機結合的面波勘探方法在近幾年才出現(xiàn)。王振東[4]于1998年提出有機結合被動源和主動源面波法進行勘探的方法，使其優(yōu)勢互補。Park C B等[5]用實例證實了聯(lián)合勘探法能有效地增加探測深度和提高頻散數(shù)據(jù)精度。姜文龍等[6]研究證實了人為場源補償之后的天然源面波有效信號更為豐富，整個頻散譜趨于收斂，連續(xù)性變得更好，尤其是和淺層相關的高頻信息。席超強等[7]采用偽隨機震源作為面波數(shù)據(jù)采集的信號源，彌補了人工源面波法有效勘探深度不足，也解決了天然源面波法采集時間長、勘探效率低的缺點。

筆者以復雜地質問題入手，通過對比分析不同物探方法的應用效果，重點對采用場源補償情況下的大深度面波勘探技術在解決復雜地質問題中能力問題進行了研究。

1 場源補償情況下的面波可靠性分析

人工源面波勘探的基本原理是通過震源(錘擊、落重等)激發(fā)地震波，根據(jù)地震波波場中不同頻率面波傳播的速度來確定地層的速度分布，推斷地下構造的性質、部位和埋深[8]。

圖1所示，在激發(fā)面波后，面波沿著一定方向傳播，通過在固定方向布置檢波器來采集激發(fā)的面波信號。由于不同頻率的面波傳播深度的不同，所以不同的頻率可以帶來不同深度的速度信息。通過傅里葉分析等方式可提取面波中不同頻率的速度，進而得到一個面波記錄在不同深度中的速度信息[9]。

圖1 面波勘探原理示意Fig.1 Schematic diagram of surface wave exploration principle

如圖1所示，無論人工源或者天然源面波，其實質是一種直達波。在震源激發(fā)后，面波以震源為中心產生的是一個柱面波，通過兩個檢波器之間的相位差，則可有效獲取不同頻率在兩個檢波器之間的傳播時間，并結合兩個檢波器的距離計算相關的地層波速。

兩個檢波器觀測到不同頻率波長的相位差可以利用互相關方式計算，如式(1)所示：

φ(r,ω)=cor(d1,d2) 。

(1)

在平面狀態(tài)下，面波的傳播可認為是直射線，如圖2所示。在平面方向布置檢波器R1、R2等接收面波信號。根據(jù)面波傳播的理論，其檢波器布置應該與面波傳播方向一致，即應在S1面波傳播方向布置，然后分別在不同頻率計算兩道信號之間的相位差Δt1，不同頻率面波的相速度V1=L/Δt1。

圖2 面波傳播方向分析Fig.2 Analysis of Surface wave propagation direction

由于采用被動源面波分析，所以面波傳播方向復雜。當與測線方向呈一定角度的S2面波傳播到R1與R2時，計算可得R1、R2之間的相位差為Δt2，按照式(1)所示，面波相速度V2=L/Δt2。在同等地層速度下，Δt2是大于Δt1的，由于面波屬于柱面波，在平面上呈同心圓傳播，因此根據(jù)波實際傳播的路徑，實際速度V2′=L′/Δt2=L×cosα/Δt2。而理論上從S3方向傳播的信號獲取的相位差將會是0，即S3方向獲取的速度將是無窮大。綜上可得：

V1?V2?V3=∞ 。

(2)

因此，在被動源面波分析中，最小的速度為最接近真實地層的速度。

為了獲取不同方向面波傳播特征，面波需布置為三角形狀等其他形狀，對各個方向的面波速度進行疊加，由于真實地層速度只有一個，而錯誤的地層速度隨機分布，在頻散譜的疊加中，其他錯誤方向的能量將被壓制，以突出真實速度。而場源補償?shù)姆绞?，即考慮觀測系統(tǒng)的布置，有效地對信號主傳播方向的能量進行補償，以壓制其他錯誤方向的信號傳播，從而增加信號信噪比，提高觀測精度。

圖3和圖4所示為同一測點未做補償和進行補償后的頻散曲線對比。結合式(2)分析，最小的速度才是最接近地層的真實速度。由于未進行場源補償?shù)那闆r下，被動源中的面波傳播方向不固定，因此在其觀測速度很可能比實際速度是偏大的，這也導致了獲得的深度等均與實際有較大偏差。在進行場源補償后，相關頻散譜也獲得收斂，速度也變小，表明其速度分析精度更高。后期驗證數(shù)據(jù)表明，其測量波速與實際波速接近，即在進行場源補償后，信號的信噪比和速度精度將極大提高。

圖3 未做場源補償情況下的頻散曲線Fig.3 Dispersion curve without field source compensation

a—頻散譜;b—頻散曲線a—dispersion spectrum;b—dispersion curve圖4 場源補償情況下的頻散分析Fig.4 Dispersion analysis under field source compensation

結合上述理論，本文將重點針對面波在復雜地質條件下與各方法的應用效果進行對比分析。

2 在鐵帽覆蓋區(qū)的應用

某水利工程壩址區(qū)，下伏基巖主要為輝綠巖，上覆地層為非均勻介質的第四系松散層，其主要由紅褐色細砂、粉質黏土及磨圓度高的巖石和鐵角礫巖細礫組成，厚度約10～40 m不等，兩岸山坡頂部地表有一層厚度約1～2 m的鐵帽層。由于表層鐵帽主要呈現(xiàn)為導電性差和波速高等特征，因此鐵帽的存在成了制約電法探測技術在本工程進行勘察工作的一大難題。

圖5為現(xiàn)場采集的高密度電阻率法數(shù)據(jù)成果圖。由于右岸山坡頂部為鐵帽覆蓋區(qū)域，其含水率低、導電性差，相當于一高阻屏蔽體，導致相關電流無法有效向下傳播，在坡頂部形成 “上高下低”的電阻率分布；而在無鐵帽覆蓋的斜坡上，則對覆蓋層厚度有一定反映。

為了消除電法的“高阻屏蔽”效應，另采用面波方法對覆蓋層進行探測。由于瞬態(tài)面波探測技術在探測深度上有一定限制，而天然源面波在工作效率及現(xiàn)場工作場地需求方面要求較高，常規(guī)擬線性排列獲取波速的精度存在一定問題。因此，對面波探測進行人工場源補償，可極大提高探測精度和工作效率，同時探測深度也將獲得極大的保障。

圖5 高密度電阻率剖面Fig.5 High-density resistivity profile

如前文圖4所示即為本測區(qū)壩軸線右岸河床段面波勘探側線上鉆孔附近測點經場源補償后的面波探測結果。上部第四系松散層主要為紅褐色細砂、黏土及磨圓度高的巖石和鐵角礫巖細礫組成，以連續(xù)分布為特點，下部為強～弱風化的輝綠巖。經與已知鉆孔對比，第四系松散層及全風化輝綠巖面波波速在320 m/s以下，強—弱風化程度的輝綠巖面波波速在320 m/s以上，并以此原則判定覆蓋層與下伏基巖的分界面。

圖6為面波探測成果。在場源補償情況下，面波探測有效解釋深度約為60 m，自地表往下，面波波速隨深度增加逐漸增大。第一層為覆蓋層，在250～350 m樁號位置，頂部顯示的即為鐵帽覆蓋層位置，面波波速在350～600 m/s之間，其他樁號區(qū)域主要為第四系松散層及全風化輝綠巖，面波波速范圍在120～320 m/s之間；第二層為下伏基巖層，即強—弱風化程度的輝綠巖，面波波速在320 m/s 以上。且與高密度電法相比，在鐵帽覆蓋區(qū)域，基于面波探測出的基巖深度呈增大趨勢，而常規(guī)電阻率探測方法，則無法有效地獲取該區(qū)域的覆蓋層深度。

圖6 面波波速剖面Fig.6 Surface wave velocity profile

3 在黏土覆蓋區(qū)的應用

某水利工程壩址區(qū)覆蓋層主要為碎石土、壤土和黏土，下伏基巖為石灰?guī)r，區(qū)域內有巖溶通道和斷層構造存在。覆蓋層和溶洞、斷層破碎帶因密度低、含水率高等特點，呈現(xiàn)低波速和低阻的特征；完整基巖則呈現(xiàn)相對高波速和高電阻率的特點。因此上覆覆蓋層和下伏基巖之間，溶洞、斷層發(fā)育區(qū)與完整基巖之間這種明顯的物性差異，為探測覆蓋層厚度和地下巖體完整性提供了良好的地球物理前提。

結合探測目的，本次研究主要利用了高密度電阻率法、面波法和大地電磁方法進行綜合研究分析。

圖7所示為測區(qū)內高密度電法獲取的電阻率剖面。在0～110 m樁號范圍內的地表覆蓋層為干黏性土，含水率低，電阻率相對較高，對直流電的向下傳播起到高阻屏蔽作用，無法有效識別覆蓋層厚度。雖然對于黏土覆蓋區(qū)域內的巖溶通道有一定的低阻反映，但受制于地表高阻體屏蔽的影響，整體效果較差。

圖8所示的大地電磁探測成果圖，其有效探測深度約200 m。由于電磁法受高阻屏蔽較小，因此可一定程度上獲取深部信息。但是因其存在探測盲區(qū)，使得淺部50 m范圍內有效信息很少。如圖所示，由于大地電磁法存在一定的探測盲區(qū)，因此無法有效識別覆蓋層厚度；對淺層存在的巖溶通道雖有一定的表征，但由于通道較淺，其反映并不強烈；而對于區(qū)域內較深部位存在的構造，則表征出明顯的低阻異常，可有效地圈定斷層的位置與傾向。

圖9所示的面波成果，在采用場源補償?shù)那闆r下，其有效探測深度約70 m。由于覆蓋層和下伏基巖之間，溶洞、斷層發(fā)育區(qū)與完整基巖之間的波速存在較大差異，因此根據(jù)此特點便可有效分辨出覆蓋層厚度和下伏基巖中存在的巖溶通道及斷層分布。如圖所示，根據(jù)面波速度變化梯度，設置260 m/s波速為覆蓋層與下伏基巖的交界面，且其探測深度與兩端已存在的鉆孔揭示深度相一致；對于50 m樁號位置的巖溶通道具有良好的反映，且這種橫向的分辨能力明顯優(yōu)于高密度電阻率法和大地電磁法；在探測深度范圍內其對較深部位存在的斷層也有一定反映，且其傾向與大地電磁探測出的結果相對一致。綜合面波探測成果與大地電磁成果，可有效地解決覆蓋層厚度、巖溶通道及斷層破碎帶等地質問題。

圖7 高密度電阻率剖面Fig.7 High-density resistivity profile

圖8 大地電磁探測成果Fig.8 Magnetotelluric exploration results

圖9 面波探測成果Fig.9 Surface wave detection results

4 結論

綜合上述分析，對于一些復雜的地質情況，傳統(tǒng)的直流電法應用能力受到了極大的限制，尤其在鐵帽等高阻屏蔽區(qū)域，常規(guī)電法探測技術由于高阻屏蔽效應，導致相關電流無法有效向下傳播，探測效果較差；大地電磁等方法由于其探測盲區(qū)的限制，淺層探測效果不佳，這也是其方法本身所不可避免的。

由于波速具有穩(wěn)定性好、受外界干擾小等因素，在采用了場源補償情況下的面波探測技術，其探測深度、精度均有一定程度的提高，可有效地解決70 m范圍內的地質問題。在面對鐵帽等高速體存在的情況下，大深度的面波探測技術可有效地避免傳統(tǒng)瞬態(tài)面波陷入的高速屏蔽，獲取的地層信息更加豐富。