城市地下空间探测的地球物理方法研究-欧美大地仪器

随着我国城镇化的推进，对城市地下空间开发利用的需求愈发迫切，准确定位地下空间的地质状况，对于后续地下空间的开发利用非常重要，因此，在地球物理探测技术解决地下空间探测问题方面开展了大量研究探索。本文将对雄安新区城市地下空间探测技术研究成果进行介绍。

近年来, 我国城镇化建设取得较大的发展, 围绕适用于城市地下空间探测的地球物理探测技术研究取得一系列成果, 但总体而言在城市地质结构综合地球物理探测方面存在技术方法适用性不明确、技术方法组合使用不系统等问题，在0–200m浅表地层结构精细分层方面问题尤其突出。结合实际需求的高效、经济、可行性等方面综合考量和应用仍有亟待探索解决的问题，迫切需要开展城市地下空间地球物理探测方法技术的评价工作，以建立适用于城市地质调查的地球物理探测技术方法体系(文冬光和刘长礼，2006；高亚峰和高亚伟，2007； 张茂省等，2018；彭建兵等，2019)。

图1 雄安新区地质简图

通过对已有雄安新区地层分布和地质结构研究成果的研究，雄安新区工程地质条件总体较好，地面沉降较小，地裂缝较少，但不同程度地存在砂土液化、不良地基等问题(郝爱兵等，2018)，迫切需要围绕工程建设开展与工程地质调查结合的浅层高分辨地球物理调查，构建工程建设层三维地质结构模型，建立适用于雄安新区地下空间精细成像的地球物理探测技术体系。

地下空间物性特征

通过对雄安新区300余口工程地质钻孔的测井参数进行统计分析(主要包括：自然伽马、自然电位、视电阻率、声波速度、剪切波速度、温度、井斜等参数)，得到了200m以浅地层物性参数表(表1)，建立了测区物性结构模型(图2)，为雄安新区第四系内部层位划分、有利含水层识别及场地适宜性评价等提供了数据支撑。

表1 雄安新区第四系岩石物性参数统计表

图2 基于雄安新区工程孔测井资料建立的第四系物性参数综合柱状图

数据分析表明，不同岩性的测井响应特征差异明显。从黏土到粗砂，岩石粒度逐渐变粗，视电阻率逐渐升高，自然伽马逐渐降低，声波速度、密度、磁化率、极化率整体升高。同时，声波速度和密度又受埋深的影响；磁化率受砂类岩石中磁性矿物含量的影响；极化率受砂类岩石中含水饱和度的影响。

RG测井探头

第四系地层整体表现为中低伽马、低阻、低波速、低密度、中低磁、低极化的特征。各地层间物性相近，差异不大。黏土、粉土、砂等不同岩性的自然伽马、电阻率等物性参数差异明显。测区砂层、黏土层的视电阻率差异明显，具备岩性地层划分前提。砂层粒度较粗，呈现高电阻率特征，平均值主要分布在35~70Ω·m之间；黏土层颗粒较细，呈现低电阻率特征，平均值主要分布在15~30Ω·m 之间。

地下空间探测技术

VOL.1 地下速度结构探测

地下速度结构探测从浅到深探测方法依次为：主动源面波(0–40m)、微动探测(30–100m)、浅层反射地震(50–200m)。

探测的目标是研究控制钻孔之间的岩性层层厚、尖灭等横向变化。针对反射地震在近地表成像盲区和低信噪比特征，为了获得可靠浅层地下结构，采用国际先进的微动探测技术弥补100m以浅的地下结构，其中0–40m深度是城市地下空间规划和开发的关键，为进一步佐证微动探测结果和获得高精度的近地表结构，同时开展同测线的主动源面波探测，获得高精度0–40m地下结构,指导城市地下空间规划开发。基于地球物理测井对探测结果的标定，通过主动源面波、微动探测、浅层反射地震联合获得自地表到地下200m的地下空间结构。

主动源面波

主动源面波由于其具有分辨率高、分层能力强、施工方便、受高速层影响小等优点，该技术已广泛应用于近地表地下介质成像，土壤压实控制和路面评估等，并取得可靠效果。

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主动源面波其能量主要集中于距离自由地表约一个波长范围内传播的弹性波，它是体波与自由界面或分层介质的弹性分界面相互作用产生的一种弹性波。利用面波获得剪切波速度是面波勘探的主要目的之一，剪切波速度也是工程勘察、地震安全评价、地基处理效果评价的重要参数。

在雄安新区核心区主动源面波测试实验使用接收点距2m、激发点距4m、排列长度192m的数据采集参数。根据主动源面波频散曲线反演测点的剪切波速度结构表明(刘庆华等, 2015)，0–50m深度范围内可识别5套岩性层(如图3)，分别为粉土层、粉土夹粉砂层、粉质黏土层、粉质黏土与细砂互层、黏土层。垂向可识别2–4m的薄层，横向分辨率取决于测点距(该区点距离2 m)。但由于主动源面波激发能量有限，雄安新区主动源面波探测可靠深度在40m以浅。

图3 雄安新区核心区面波探测地层结构解释图

微动探测

微动探测是利用天然源的微弱震动，通过空间自相关从台阵微动数据中提取瑞雷波频散曲线，再经反演计算获得台阵下方地层介质的横波速度。

该方法具有抗干扰能力强、绿色环保的特点，适用于城市强干扰环境下的地下结构探测，可用于弥补主动源面波在深层的缺失，同时主动源面波也可以用于补充微动探测在超浅层分辨能力的缺失(微动记录的数据主要集中在低频段，中高频缺失)。目前已在城市地质调查、地铁工程中取得较好的工程地质效果(徐佩芬等，2012，2013)。由于微动探测记录的数据主要位于低频段(深层)，缺少中高频信息而不能较好拟合贝塞尔曲线使超浅层不能较好的刻画。雄安新区应用微动主要解决30–100m深度的地下空间分层。雄安新区微动数据采用观测半径0.9m、10m、20m和40m的四重圆形观测台阵，探测点间距100m的观测系统，数据处理采用空间自相关法(SPAC法)，在该区通过实测得到的速度结构，速度结构自上而下可划分8套岩性层，依次是粉质黏土夹粉土层、粉土夹粉砂层、中细砂层、粉质黏土夹粉土层、粉细砂层、粉质黏土夹砂层、粉细砂互层，粉质黏土夹砂层(图4)。该方法垂向分辨率为可达3–5m，横向分辨率取决于测点距。但随着勘探深度的增加，微动探测的横向和纵向分辨率逐渐降低。

图4 雄安新区核心区微动探测资料解释剖面图

随着探测深度的增加，微动探测的成本增大、分辨力逐渐降低，而浅层纵波反射地震是城市地下空间探测常用的勘探技术，通过测井资料约束和振幅属性分析可获取高分辨率的地层界面和地层岩性信息(酆少英等, 2010)。但在常规的反射地震采集中，浅层通常存在数据盲区(采集和处理)，使超浅层不能获得可靠的成像信息，雄安新区反射地震通常可识别第四系中、下更新统的底界、下更新统上下段界面及上更新统局部底界(如图5)。0–200m深度范围内，可以分辨长轴大于5m(点距1–2.5m)，厚度大于等于4m的细砂、中细砂、中粗砂及砂砾透镜体。雄安新区采用浅层反射地震，在深度为0–200m范围内，划分了10~12个岩性层，识别了第四系上、中、下更新统的断裂构造形迹(如图5)。

图5 雄安新区核心区浅层反射地震探测解释剖面图

Qh—全新统；Qp3—上更新统；Qp2—中更新统；Qp1—下更新统；Nm—明化镇组；Ng—馆陶组。

VOL.2 电性结构探测

电性结构探测以高密度电阻率法、抗干扰电测深法及瞬变电磁法等方法为主。高密度电阻率法是一种广泛应用于工程物探的勘探技术，具有自动化程度高、数据信息采集量大、反映地下电性结构直观等特点，是一种明显优于传统工程物探的现代勘察技术(严加永等，2012)。

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在雄安新区采用高密度电阻率法探测了0–100m深度范围内的细砂、中细砂、中粗砂和砂砾与砂质黏土、粉土互层。其横向分辨率取决于测点距，纵向分辨率约为5m。在第四系划分了4个主要电性层，相对高阻段(主要含水层)分布于深度15–30m以及深度40–80m的范围。基于高密度电阻率法探测结果推测的有利含水层如图6所示。但由于雄安新区大量的电磁干扰，使常规的高密度电法不能广泛开展。必须在强干扰区域补充开展抗干扰电法探测。

图6 雄安新区高密度电阻率探测剖面反演解释图

抗干扰电测深法可在信噪比为–20dB(即干扰信号是有用信号10倍)条件下，通过伪随机信号的相关检测特性实现复杂电磁干扰下高精度数据采集，获得地下信息的有效数据。该方法利用电性差异提取地层埋深、层位、构造、软土层、持力层、含水特征等信息(罗先中等，2014)，分辨能力可达1~3 Ω·m。在雄安新区浅部砂层电阻率为25~70 Ω·m条件下，我们采用抗干扰电测深法探测，结合钻孔标定对第四系划分了三个大层和七个小层。其中，大王镇以西至三台镇区块主要含水层(砂层) 在15–35m和40–70m两个深度范围；而大王镇以东至平王乡主要含水层(砂层)变厚变深为10~20m。基于抗干扰电测深法结合测井解释推测的古河道(电阻率大于30 Ω·m)如图7所示。但常规电法探测深度有限，且探测成本高，不能快速、高效的完成区域的扫面测量。而低分辨率瞬变电磁可作为一种有效的补充手段。

图7 基于抗干扰电测深法结合测井解释推测的古河道拟三维图

瞬变电磁法是时间域电磁法，其探测深度与发射电流、发射回线大小等参数密切相关(薛国强等，2007)。瞬变电磁法可进行扫面测量，能够发挥其快速、高效、成本低等优势，可快速掌握浅部三维电性结构特征，圈定地下水有利区，为地下水资源调查提供支撑。综合考虑在雄安新区探测目标及施工效率，通过野外现场试验，采用发射回线边长100m、发射电流17A、发射基频12.5Hz的中心回线装置，采样率4μs，采样窗口31个，固定下降沿0.5ms, 叠加次数128~1024次，在测量剖面的纵向深度上，划分了6个主要电性层位，主要含水层位于100–200m以及350–500m深度范围。

地下空间探测技术体系

在对雄安新区近地表地质特征分析基础上，针对雄安新区地下空间探测的地质目标—浅部沉积物岩性、沉积层结构、砂层、黏土层等空间分布及地下含水层、持力层等地下空间资源评价，在雄安新区核心区同一剖面上开展主动源面波法、微动探测法、浅层反射地震、高密度电阻率法、抗干扰电测深法、瞬变电磁法及多参数测井探测，结合工程钻孔资料，给出了不同探测方法技术结果的地质解释，得出了研究区地下空间基本框架结构。对比不同地球物理方法探测结果与钻孔资料，分析不同地球物理方法对不同地质目标探测的分辨水平、解决地质问题的能力及应用效果，结合地下空间物性数据标定，总结出地球物理方法在雄安新区实际综合探测效果(表2)。

表2 雄安新区0–200m地球物理探测方法及解决地质问题一览表

进一步梳理了工作区地下岩层不同物性参数分布规律，研究了不同地球物理方法解决地质问题的能力，基于地下速度结构探测和电性结构探测的划分和实际探测效果，建立了雄安新区地下结构探测模式，提出了雄安新区开展城市地下空间探测的方法技术体系(图8)。

图8 雄安新区地下空间探测方法技术体系框架图

结论

1. 通过对雄安新区工程钻孔测井物性资料分析研究，建立了雄安新区地下空间的综合物性参数柱子，有助于雄安新区地球物理资料的标定和综合解释；

2. 在雄安新区核心区进行了主动源面波法、微动探测法、浅层反射地震、高密度电阻率法、抗干扰电测深法、瞬变电磁法及多参数测井探测，结合工程钻孔资料，对探测资料进行综合解释，取得了较好的地质效果，同时对这些方法的适用性及解决地质问题的能力进行了检验；

3. 结合实际探测结果，对雄安新区地下空间的地球物理探测方法解决地质问题的能力和分辨效果进行了分析研究，优选出有效的方法技术组合，建立了地下空间探测模式，提出了雄安新区城市地下空间探测技术体系，为雄安新区的规划建设、地下空间开发利用提供了技术支撑。

除针对雄安新区地下空间探测技术进行了系统研究外，成都同样基于地球物理探测方法进行了成都市城市地下空间探测的研究。

成都地下空间探测

结合成都市地层分布、城市建筑物特点，采用成都市城市地下空间探测应用最广泛的应该是反射波法、面波法（主动源和被动源联合勘探）、等值反磁通瞬变电磁法，其次以直流电测深（包括高密度电阻率法）、探地雷达等，辅助手段为折射波法、放射性测量和测井、波速测试等方法，对成都市地下空间三维地质结构开展了探测工作。并得到如下结论：

1. 解决专项地质问题，如膨胀土探测、膏盐（钙芒硝）勘探、地热勘探（包括浅层地热），也应该使用直流电测深法、激发极化测深法、大地电磁法（包括音频大地电磁法和可控源音频大地电磁法）。
   

2. 用力学参数来评价土层性质，当然可以选择使用地震面波法、地震折射波法、综合测井法、声波测试法、垂直地震剖面（VSP）等。
   

3. 解决城市地下空洞、地下古代地下建筑（古墓等）使用高密度电法、探地雷达、电磁波（弹性波）CT 技术、光学钻孔电视成像技术等。
   

4. 解决城市地下空洞、地下古代地下建筑（古墓等）使用高密度电法、探地雷达、电磁波（弹性波）CT 技术、光学钻孔电视成像技术等。
   

5. 解决城市地下水源地问题除了电测深法、激发极化测深法、大地电磁法（包括音频大地电磁法和可控源音频大地电磁法）还需要使用地面核磁共振测深法、甚低频电磁法。
   

参考文献

马岩, 李洪强, 张杰, 等. 雄安新区城市地下空间探测技术研究[J]. 地球学报, 2020, 41(4):535-542.

武斌, 李诗倢, 陈宁, 等. 成都市城市地下空间探测的地球物理方法研究[J]. 四川地质学报, 2019, 39:194-202.

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