胡曉娟,黃 燃,鄭宗檳,游敬密

(1.福建省地質(zhì)工程勘察院,福州 350002;2.自然資源部 丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350002)

斜坡表層受到強(qiáng)烈的物理風(fēng)化作用,自上而下巖土的風(fēng)化程度依次降低,表面覆蓋殘積土、強(qiáng)風(fēng)化巖石等風(fēng)化帶,具有結(jié)構(gòu)疏松、裂隙發(fā)育等特點(diǎn),當(dāng)受到降雨影響時(shí)容易誘發(fā)多種地質(zhì)災(zāi)害。采用綜合物探技術(shù)探測(cè)并劃分出斜坡坡面以下上覆土層與下伏基巖的分布情況,對(duì)于斜坡災(zāi)害的防治工作具有重要意義。目前,針對(duì)斜坡探測(cè)采用的物探技術(shù)主要有地震勘探、面波探測(cè)、高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法、井間地震波層析成像等。上述方法雖然取得了一定的探測(cè)效果,但也存在許多不足,特別是探測(cè)結(jié)果的分辨率及精確度還有待提高[1],因此需要進(jìn)一步對(duì)各種物探技術(shù)進(jìn)行綜合研究,得出更有效的數(shù)據(jù)采集方法和資料解譯方法,并歸納總結(jié)經(jīng)驗(yàn),提高物探方法的探測(cè)效果。

1 場(chǎng)地概況

探測(cè)場(chǎng)地為一自然邊坡,坡腳位置發(fā)生過(guò)崩塌,場(chǎng)地表層覆蓋為第四系更新統(tǒng)崩坡積、殘積層(Qel-dl),成分以砂質(zhì)黏性土為主。下伏地層為白堊系下統(tǒng)石帽山群下組(K1shb1)英安質(zhì)晶屑凝灰熔巖、流紋巖類(lèi)。場(chǎng)地各巖土層特征自上而下分別為:殘坡積砂質(zhì)黏性土,砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖,碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖,中風(fēng)化凝灰熔巖。在該場(chǎng)地相同測(cè)線(xiàn)位置同時(shí)采用地震波折射法、瑞雷面波法以及高密度電法進(jìn)行中風(fēng)化基巖面埋深探測(cè),并采用鉆探進(jìn)行驗(yàn)證,探測(cè)場(chǎng)地示意圖,如圖1所示。

圖1 探測(cè)場(chǎng)地示意圖Fig.1 Detection site

2 方法原理

2.1 地震波折射法原理

人工激發(fā)的地震波在地下傳播的過(guò)程中,遇到下伏介質(zhì)波速大于上覆介質(zhì)波速的速度界面時(shí),當(dāng)波的入射角等于臨界角時(shí),其傳播方向發(fā)生改變且沿界面向下滑行,從而在界面的上覆介質(zhì)中產(chǎn)生折射波[2]。圖2為水平二層結(jié)構(gòu)地質(zhì)模型,設(shè)水平界面深度為h,沿激發(fā)點(diǎn)O至地面某一點(diǎn)D的距離為x,壓縮波在入射層速度為v1,入射角為θ1,透射層的壓縮波速度為v2(v2>v1),透射角為θ2,根據(jù)施奈爾定律可得:

(1)

圖2 水平二層結(jié)構(gòu)的折射波時(shí)距曲線(xiàn)Fig.2 Refraction wave time-distance curves of horizontal two-layer structure

當(dāng)θ2=90°時(shí),對(duì)應(yīng)的入射角θi=sin-1(v1/v2),稱(chēng)為臨界反射角。當(dāng)入射角大于或等于臨界角時(shí),才會(huì)產(chǎn)生折射波[3],折射波的時(shí)距方程為:

(2)

其時(shí)距曲線(xiàn)是直線(xiàn),直線(xiàn)斜率的倒數(shù)為波速v2,則直線(xiàn)在t軸上的截距時(shí)間t0為:

(3)

則水平界面深度h為:

(4)

根據(jù)直達(dá)波和折射波時(shí)距曲線(xiàn)的斜率可求出v1、v2和時(shí)間t0[4],再求出震源點(diǎn)下方界面深度h。

2.2 瑞雷面波法原理

瑞雷面波是一種彈性波,沿介質(zhì)自由表面?zhèn)鞑?其傳播規(guī)律反映了傳播介質(zhì)的彈性參數(shù)。面波在地表傳播時(shí)表現(xiàn)出的頻散特征,反映了其與波長(zhǎng)相應(yīng)的深度范圍內(nèi)的地層彈性分布情況[5-6]。

瑞雷波沿地層傳播時(shí),地層層厚約為一個(gè)波長(zhǎng),因此,同一波長(zhǎng)的瑞雷波的傳播特性反映了地質(zhì)條件在水平方向的變化情況,不同波長(zhǎng)的瑞雷波的傳播特性反映著不同深度的地質(zhì)情況[7-8]。在地面上順沿瑞雷波的傳播方向,以固定道間距Δx設(shè)置N+1個(gè)檢波器,便能檢測(cè)到NΔx長(zhǎng)度范圍內(nèi)瑞雷波的波場(chǎng)。設(shè),瑞雷波的頻率為fi,相鄰檢波器記錄的瑞雷波的時(shí)間差為Δt或相位差為Δφ,則相鄰道Δx長(zhǎng)度內(nèi)瑞雷波的傳播速度為:

vRi=2πfiΔx/Δφi.

(5)

或在滿(mǎn)足空間采樣定理的條件下,測(cè)量范圍NΔx內(nèi)的平均波速為:

(6)

在同一測(cè)點(diǎn)測(cè)量出一系列頻率fi的vRi值,就可以得到一條vR-f曲線(xiàn),即所謂的頻散曲線(xiàn)或轉(zhuǎn)換為vR-λR曲線(xiàn),λR為波長(zhǎng):

λR=vR/f.

(7)

vR-f曲線(xiàn)或vR-λR曲線(xiàn)的變化規(guī)律與地質(zhì)條件相互關(guān)聯(lián),反演解釋頻散曲線(xiàn),可得到相應(yīng)的地層信息和瑞雷波傳播速度vR。另外,介質(zhì)的物理特性決定了vR的大小,據(jù)此可以通過(guò)vR的大小分析巖土的物理性質(zhì)。

2.3 高密度電法原理

高密度電法采用陣列勘探的思想,可以同時(shí)反映地下空間介質(zhì)的電阻率在橫向和縱向的變化情況,綜合了電測(cè)深法與電剖面法。在野外勘測(cè)時(shí)將電極(幾十至上百根)埋設(shè)在一定間隔的測(cè)點(diǎn)上,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集,再利用相關(guān)軟件,生成地下空間二維、三維反演斷面圖,最后結(jié)合地質(zhì)資料和反演結(jié)果,對(duì)所測(cè)量的地電斷面進(jìn)行解釋,將解釋結(jié)果應(yīng)用于解決相關(guān)地質(zhì)問(wèn)題。

實(shí)際地形存在起伏變化,地下空間介質(zhì)不均勻,且具有各向異性,故所測(cè)得的電阻率并非實(shí)際電阻率,而是通過(guò)公式轉(zhuǎn)換得到的視電阻率:

(8)

式中:ρs為視電阻率,Ω·m;K為裝置系數(shù),m;UMN為電極M、N間的電位差,V;I為供電電流,A。

視電阻率綜合反應(yīng)了地下介質(zhì)電性的不均勻性以及地形的起伏,通過(guò)視電阻率變化規(guī)律可以勘探地下空間介質(zhì)的不均勻性,從而適用于各種地質(zhì)問(wèn)題的探測(cè)。

3 實(shí)例反演分析

3.1 地震波折射法

地震波折射數(shù)據(jù)采集主要采用相遇-追蹤時(shí)距曲線(xiàn)觀(guān)測(cè)系統(tǒng),同時(shí)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況及錘擊能量的強(qiáng)弱,選擇多重相遇時(shí)距曲線(xiàn)觀(guān)測(cè)系統(tǒng)。采集數(shù)據(jù)時(shí),每個(gè)排列設(shè)置24道檢波器接收信號(hào),檢波點(diǎn)距為2 m,排列長(zhǎng)度為46 m;每排列兩側(cè)端點(diǎn)各布置1個(gè)激發(fā)點(diǎn),排列兩端外側(cè)各布置1個(gè)追逐激發(fā)點(diǎn),排列中點(diǎn)(12、13道檢波點(diǎn)之間)布置1個(gè)激發(fā)點(diǎn),具體觀(guān)測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 地震波折射觀(guān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Seismic refraction observation system

地震波折射法測(cè)線(xiàn)共布設(shè)6個(gè)排列,每個(gè)排列長(zhǎng)度為46 m(斜距),測(cè)線(xiàn)剖面長(zhǎng)度為249.871 m(平距),測(cè)線(xiàn)地面高程變化為148.0～161.5 m(該測(cè)線(xiàn)沿順走向布設(shè),測(cè)線(xiàn)高程變化較小),相鄰排列間首尾相接。地震波折射法測(cè)線(xiàn)剖面圖,如圖4所示,測(cè)線(xiàn)位置基巖面起伏變化較小,基巖界面波速為4 908～5 785 m/s,從界面速度上判斷,該連續(xù)速度界面為中至微風(fēng)化基巖頂界面?；鶐r面的埋深(覆蓋層厚度)變化范圍為5.4～9.1 m,測(cè)線(xiàn)位置覆蓋層厚度分布較均勻、基巖面起伏變化較小。

圖4 地震波折射法測(cè)線(xiàn)剖面圖Fig.4 Survey line profile of seismic refraction method

3.2 瑞雷面波法

瑞雷面波數(shù)據(jù)采集時(shí)采用落重方式錘擊地面激發(fā)地震波。其中面波資料采集,利用多道采集系統(tǒng),在時(shí)間域中充分識(shí)別面波成分,瑞雷面波探測(cè)采用24道檢波器接收,檢波點(diǎn)距為2 m,相鄰測(cè)點(diǎn)間距6 m,每個(gè)面波測(cè)點(diǎn)偏移距為7 m,瑞雷面波觀(guān)測(cè)系統(tǒng)示意圖,如圖5所示。

圖5 瑞雷面波觀(guān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.5 Observation system of Rayleigh wave technique

瑞雷面波探測(cè)成果剖面圖,如圖6所示。瑞雷面波剖面長(zhǎng)度為285.4 m,探測(cè)范圍內(nèi)地層介質(zhì)視速度隨深度增加而增大,視速度變化范圍為100～540 m/s。依據(jù)瑞雷面波法測(cè)線(xiàn)剖面圖上視速度的大小及其變化情況推斷,視速度小于200 m/s的介質(zhì)為殘坡積砂質(zhì)黏性土層,視速度變化范圍為200～300 m/s的介質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化層,視速度大于300 m/s的地下介質(zhì)為中風(fēng)化基巖。探測(cè)范圍內(nèi)中風(fēng)化基巖面的埋深變化范圍為4～24 m,剖面樁號(hào)0～250 m范圍內(nèi)中風(fēng)化基巖面埋深整體較淺,剖面樁號(hào)大于250 m范圍內(nèi),中風(fēng)化基巖面埋深較深。

圖6 瑞雷面波法測(cè)線(xiàn)剖面圖Fig.6 Survey line profile of Rayleigh wave technique

3.3 高密度電法

高密度電法采用電極間距為2 m,電極數(shù)為173個(gè),測(cè)線(xiàn)剖面圖如圖7所示。剖面總長(zhǎng)為340.5 m(平距),探測(cè)范圍內(nèi)地下介質(zhì)電阻率值隨探測(cè)深度的增加而增大,電阻率值變化范圍為10～2 000 Ω·m。根據(jù)高密度電法剖面圖上的介質(zhì)電阻率值及其變化情況推斷,電阻率值大于200 Ω·m的地下介質(zhì)為中至微風(fēng)化基巖,電阻率值小于200 Ω·m的地下介質(zhì)為上覆風(fēng)化層。由圖7可知,剖面有效探測(cè)范圍內(nèi),中風(fēng)化基巖面的埋深變化范圍為0～14 m,剖面樁號(hào)大于245 m范圍內(nèi)基巖面埋深較深,剖面樁號(hào)158～178 m范圍內(nèi),地表介質(zhì)電阻率值大于200 Ω·m,實(shí)地查證為基巖出露。剖面兩側(cè)探測(cè)深度受限,無(wú)法探明剖面兩側(cè)地層的完整分布情況。

圖7 高密度電法測(cè)線(xiàn)剖面圖Fig.7 Survey line profile of high-density resistivity method

4 綜合分析

同一條測(cè)線(xiàn)位置分別采用了地震波折射法、瑞雷面波法、高密度電法進(jìn)行了基巖面埋深探測(cè)。在該測(cè)線(xiàn)位置布設(shè)了5個(gè)鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證,鉆孔編號(hào)分別為ZK2、ZK3、ZK5、ZK6、ZK15,每個(gè)鉆孔位置不同方法的探測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示,鉆探結(jié)果和3種物探方法的探測(cè)結(jié)果對(duì)比分析如下。

表1 物探、鉆探探測(cè)覆蓋層厚度結(jié)果Table 1 Detection of overburden thickness by geophysical exploration and drilling exploration

1)ZK5、ZK15鉆孔位置地震波折射探測(cè)結(jié)果與鉆探結(jié)果較接近,差值范圍為0～1 m,而ZK2、ZK3鉆孔位置地震波折射探測(cè)結(jié)果與鉆探結(jié)果相差較大,相差約3.7～4.3 m;

2)ZK3、ZK5、ZK6、ZK15鉆孔位置瑞雷面波法探測(cè)結(jié)果與鉆探結(jié)果較接近,差值范圍為0.2～1.3 m,ZK2鉆孔位置瑞雷面波法探測(cè)結(jié)果與鉆探結(jié)果相差較大,相差約4.9 m;

3)ZK2、ZK3、ZK6鉆孔位置高密度電法探測(cè)結(jié)果與鉆探結(jié)果較接近,差值范圍為0.2～1.1 m;而ZK5、ZK15鉆孔位置高密度電法探測(cè)結(jié)果與鉆探結(jié)果相差較大,相差約1.5～1.7 m。

3種物探方法探測(cè)結(jié)果以及鉆探探測(cè)的基巖面高程曲線(xiàn)如圖8所示,綜合對(duì)比分析結(jié)果如下。

1)ZK2、ZK3孔位置地震波折射法探測(cè)結(jié)果與鉆探結(jié)果相差較大,推測(cè)地震波折射法的理論模型是建立在水平層狀模型的基礎(chǔ)上,并采用平均法求取覆蓋層波速的平均值,進(jìn)而計(jì)算界面的深度,計(jì)算所得的界面深度亦為法線(xiàn)(垂直界面)深度。當(dāng)?shù)匦伟纪蛊鸱兓^大時(shí),凹地形計(jì)算所得深度相對(duì)偏淺,凸地形計(jì)算所得深度相對(duì)偏深[9],使得實(shí)際解譯界面趨于平緩,盡管會(huì)采取相應(yīng)的校正方法,但地震波場(chǎng)為連續(xù)場(chǎng),在折射界面的劇烈突變位置不可避免存在誤差。因此,ZK2、ZK3孔位置基巖起伏變化較大處,地震波折射法探測(cè)與鉆探結(jié)果存在差異;ZK6孔附近缺少地震波折射探測(cè)結(jié)果,主要是由于ZK6孔位置土層偏厚,覆蓋層厚度大于14 m,人工錘擊激發(fā)的地震波能量較小,在表層土較松散、覆蓋層厚度較厚位置,地震折射波衰減較多,無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別地震折射波的初至及拐點(diǎn),探測(cè)效果較差,故此區(qū)域缺乏地震波折射探測(cè)結(jié)果。

2)ZK2鉆孔位置瑞雷面波法探測(cè)結(jié)果與鉆探結(jié)果相差較大,推測(cè)瑞雷面波采用點(diǎn)距為6 m,測(cè)點(diǎn)間距相對(duì)偏大,因此瑞雷面波法探測(cè)成果剖面也相對(duì)較平滑,且瑞雷面波場(chǎng)亦為連續(xù)場(chǎng),同折射波法一樣未能準(zhǔn)確反映出基巖界面劇烈突變的情況[10-12]。但是面波能反映不同風(fēng)化層的波速變化情況,剖面信息較豐富,可用于不同地層的劃分。

3)高密度電法相對(duì)地震波折射法及瑞雷面波法更接近鉆探結(jié)果,能較好地探測(cè)出地形起伏變化情況,探測(cè)結(jié)果更接近實(shí)際地質(zhì)情況。高密度電法探測(cè)能夠根據(jù)電阻值大小及其變化情況推測(cè)出基巖界面(覆蓋層厚度),但受地下水的影響(基巖局部存在裂隙發(fā)育且含水),基巖界面相對(duì)較模糊[13-15],故與實(shí)際結(jié)果存在誤差。若基巖性完整、無(wú)裂隙發(fā)育,使得基巖界面形成較好的隔水層,基巖中不含水,使得基巖界面與覆蓋層存在明顯的電性差異,輔以個(gè)別參數(shù)孔資料進(jìn)行深度轉(zhuǎn)換系數(shù)校正,便能準(zhǔn)確繪制高密度電法探測(cè)的基巖界面埋深及起伏變化情況。但在缺少鉆孔資料進(jìn)行深度轉(zhuǎn)換系數(shù)校正的情況下,且地下水埋深較深時(shí),高密度電法反演解釋的地層深度為視深度,與實(shí)際深度存在差異。

圖8 綜合物探方法及鉆探基巖面高程線(xiàn)Fig.8 Elevation lines of bedrock surface by comprehensive geophysical prospecting methods

5 結(jié)論

1)地震波折射法探測(cè)基巖界面直觀(guān)、現(xiàn)場(chǎng)施工快捷、成本較低,當(dāng)采用人工錘擊震源時(shí),適合探測(cè)基巖面埋深較淺的場(chǎng)地,當(dāng)基巖面埋深較深(大于14 m)時(shí),需采用激發(fā)能量較大的其他形式震源。地震波折射法適用于探測(cè)適當(dāng)深度的定量解釋,當(dāng)探測(cè)區(qū)域基巖界面起伏較平緩時(shí),探測(cè)精度相對(duì)較高。

2)瑞雷面波法探測(cè)剖面信息較豐富,可探測(cè)出地下一定范圍內(nèi)各種地層介質(zhì)的波速變化情況,但不適宜探測(cè)基巖面埋深較淺或地表土層較堅(jiān)硬、局部基巖出露的場(chǎng)地,這類(lèi)場(chǎng)地面波數(shù)據(jù)較差、解譯精度較低;偏移距較小時(shí)影響探測(cè)深度,偏移距較大時(shí)能量衰減較快,探測(cè)工作中需先行實(shí)驗(yàn),選擇合適的激發(fā)偏移距。當(dāng)探測(cè)區(qū)域表層較松散且具有一定厚度時(shí),在偏移距選擇合適時(shí),探測(cè)精度相對(duì)較高。

3)高密度電法探測(cè)剖面信息也較豐富,可探測(cè)出地下一定范圍內(nèi)各種介質(zhì)的電阻率變化情況,但現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)電纜和電極的工作量較大,數(shù)據(jù)采集時(shí)間較長(zhǎng)。同時(shí)受地下介質(zhì)含水的影響,存在多解性,但當(dāng)基巖較完整且不含水時(shí),輔以個(gè)別參數(shù)孔資料進(jìn)行深度轉(zhuǎn)換系數(shù)的校正,能準(zhǔn)確地繪制基巖界面埋深及起伏變化情況,能分辨出地下水位的大致分布情況。