岩土工程勘察中地球物理方法的综合利用

　　摘    要：　地球物理方法具有成本低、效率高、无损性的优点被广泛用于岩土工程勘察中, 但单一方法的多解性问题, 常导致解释结果难以满足勘察精度要求。鉴于高密度电阻率法和瑞雷波法对于相同几何参数的地质体, 具有不同的地球物理响应特征, 提出了利用高密度电阻率法和瑞雷波法的综合地球物理方法开展岩土工程勘察工作。通过2种方法的相互对比验证, 减少解释结果的多解性, 从而提高地球物理方法在岩土工程勘察中的勘察精度。

　　关键词：　综合地球物理; 岩土工程勘察; 高密度电阻率法; 瑞雷波法;
 

　　地球物理方法作为高效、经济、无损的勘探方法, 成为岩土工程勘察的重要补充手段。地球物理方法以地下岩土层或地质体的物性差异为基础, 通过自然或人工建立的地球物理场对地下地质体不同的地球物理响应, 来确定地质体的空间几何参数 (大小、形状、埋深等) , 并可获取岩土体的物性参数, 达到解决相关地质问题的目的。然而单一地球物理方法仅是对应某种物理属性, 如电法对应电阻率、地震方法对应速度等, 在应用中, 不可避免地存在多解性问题。为了减少多解性的影响, 就需要考虑不同方法的特点, 开展综合地球物理方法研究, 提高地球物理方法在岩土工程勘察中的解释精度。

　　1、 高密度电阻率法

　　1.1、 方法原理

　　高密度电阻率法, 是基于直流电阻率法的基本原理, 利用微机控制技术, 集电剖面法和电测深法于一体, 在多路转换器的程序控制下, 实现在剖面上一次性布极, 获取多种装置类型的地电断面分布信息, 是目前探测精度较高的工程地球物理探测方法。高密度电法野外工作装置形式较多, 总电极数与点距可根据场地条件及勘察深度任意选择, 而且对同一断面可选用多种装置多次测量, 获取多种装置的不同数据, 减少仅用一种装置类型测量所造成的多解性, 图1是常用的几种装置类型。其中单位电极距a决定高密度电阻率法的分辨率, 电极距越小, 分辨率越高, 但探测深度相对降低。隔离系数n决定了勘探深度和浅层的覆盖次数。n值越大, 采集的数据就越多, 获取信息就更丰富, 但工作效率低。

　　图1 高密度电阻率法常用排列示意图

　　1.2、 数据预处理

　　高密度电阻率法数据预处理内容主要包括数据拼接、突变点剔除、曲线圆滑、地形数据预编辑等几项内容。

　　受仪器采集道数限制, 在完成一条剖面测量后, 需要将各段剖面数据拼接, 形成完整的剖面数据。在数据采集过程中, 由于工业游散电流干扰、电极接地条件、人工脉冲、电极断电、激化补偿不稳和人为操作误差等相关因素存在, 必定存在个别数据明显为不符合真实地下信息的“突变点”, 这些点具有明显的数值偏大或偏小, 或与邻近数据没有形成连续的变化, 发生突然跳跃等特点。为此, 需对这些“畸点”进行剔除, 如有必要, 还应进行插值补点。为了压制高频干扰, 突出整体异常, 还需对实测曲线进行了低通滤波“圆滑”处理。在工区内地形起伏较大时, 为了避免地形因素的影响, 应对地形数据进行编辑, 使地形数据参与视电阻率异常的反演, 以确保反演结果精度, 而不受地形影响。预处理后的数据方可进行后续视电阻率图件绘制和反演解释。

　　2、 瑞雷波法

　　2.1、 方法原理

　　瑞雷波是地震中面波的一种, 瑞雷波在致密弹性体中人工激发产生并以柱面波前方式传播, 在传播过程中, 遇到岩石的物理力学性质发生明显改变时, 在频散曲线上会发生畸变, 而在瑞利波频散曲线上易于识别这些异常。瑞雷波法就是利用瑞雷波这一特性进行勘察的一种地球物理方法。

　　瑞利波探测方法分为稳态和瞬态, 目前多采用瞬态瑞雷波法。瞬态瑞利波采用瞬态冲击震源, 一次激发和接收, 可以获得宽频带的瑞雷波振动信号, 这相当于稳态成百上千次激发的信息, 如图2所示。仪器记录同一瑞雷波列在传播方向上的不同位置的2个时间域信号, 经离散傅里叶变换 (DFT) 转换为一系列不同频率的正弦分量。由此可以得到信号的频谱分布、相应频率的相关程度和相移大小Δφ (f) , 由式 (1) 和式 (2) 可以计算出相邻不同频率成分的滞后时间Δt (f) 和平均速度-vR (f) 。

　　根据平均速度 和频率 (f) , 利用式 (3) 可以得到波长λR。

　　通过 关系曲线可知, 同一波长的瑞雷波传播特性反映了地质条件在水平方向的变化情况, 不同波长的瑞雷波传播特性则反映不同深度的地质情况。如果探测的对象是非均匀介质, 不同频率的振动按不同的速度传播, 一定的频率对应一定的波长, 即一定的地层深度, 这就是瑞雷波的频率 (深度) ——速度分散特性。通过对频散曲线进行反演, 即可得到某一深度范围内的地质构造情况和不同深度的瑞雷波传播速度vR值;vR值的大小与介质的物理力学特性有关, 据此可对探测对象 (围岩) 的物理力学性质做出评价。

　　图2 瑞雷波法勘探原理示意图

　　2.2、 数据预处理

　　瑞雷波预处理主要包括以下几方面内容: (1) 原始资料进行整理核对、编录; (2) 分析纵波与面波以及各阶面波的时空域分布特征; (3) 根据面波在时间—空间域中的分布特征确定面波时间—空间窗口; (4) 根据上述确定窗口, 在频率—波数域内提取面波; (5) 面波进行频散分析, 形成频散数据。

　　首先对多道地震数据记录文件中的坏道数据剔除, 采取低通滤波处理技术, 消除高频干扰信号;而后, 基于面波在地震记录剖面内具有振幅大、频率低、速度慢等特点, 在记录的时间—距离 (X-T) 域设置有效面波时—距窗口范围, 如图3所示, 以排除其它波的干扰影响;利用二维傅里叶变换解释将选取的多道面波数据转换成频率—波数 (F-K) 能谱, 如图4所示。在频率—波数 (F-K) 域的能谱图上, 圈定各阶面波的能量峰脊, 采取追索拾取的方式, 获取频散数据, 组成频散数据文件, 记录好的频散数据作为后面反演解释的基础。

　　3、 工程应用实例

　　3.1、 工程概况

　　该工程开展地球物理勘探的主要目的是配合地质调查和钻探工作, 查明研究区覆盖层、风化带厚度及岩层面起伏形态以及破碎带的分布情况, 为研究区开展土建工作提供参考依据。

　　3.2、 研究区岩土体类型

　　研究区岩石类型主要为坚硬块状、中厚层状碳酸盐岩建造;坚硬中厚层状碎屑岩建造;较坚硬薄层状碎屑岩建造;软弱层状碎屑岩建造;软硬相间中厚层状碎屑岩建造;坚硬块状岩浆岩建造;坚硬块状岩浆建造和较坚硬薄层状变质岩建造。土体类型主要为冲积、洪积、风积及各种混合堆积等。

　　3.3、 研究区地球物理特征

　　通过对前人资料收集整理和标本物性参数测定, 研究区内各种岩石的电性参数及剪切波速度分别如表1和表2所示。

　　图3 原始记录图

　　由表中各类岩石的电阻率参数及剪切波速度可知, 研究区内第四系坡积物呈现中低阻和低速特性, 风化带呈现中高阻和中速特性, 基岩则均呈现为相对高阻和高速性特征。由于工作过程中, 研究区降水较多, 因此破碎带由于雨水的影响, 反映为低阻特性。因此, 研究区各类岩石间的导电性和波阻抗存在着明显的差异, 从而为开展直流电阻率法和瑞雷波法查明研究区覆盖层、风化层厚度、基岩界面形态以及破碎带位置提供了必要的地球物理前提条件。

　　图4 频率—波数域图

　　3.4、 典型异常分析

　　表1 岩石的电性参数表

　　表2 各种岩性对应的剪切波速度表

　　根据研究区具体情况, 共布设了13条测线。本文仅以6号测线为例来说明综合地球物理方法的有效性。

　　6号测线敷设于研究区中部, 由该剖面反演成果图5a所示, 在地表35~60m、92~112m存在2处高阻异常区, 电阻率不小于170Ω·m, 为基岩出露反映。地表其余部位均为电阻率值不大于70Ω·m的低阻异常区, 平均深度在5m左右, 推断属第四系坡积冲积松散土层。其下部有一层电阻率值介于70~170Ω·m间的中阻区, 平均厚度在3m左右, 推断为风化层。在中阻层之下为电阻率值不小于170Ω·m的高阻层, 推断为下伏基岩。

　　图5b为瑞雷波反演的等速度剖面图, 剖面上部存在一层厚度3~10m, 速度小于300m/s的低速层, 推断为覆盖层;在其下部存在一层厚度1~5m, 速度大于300m/s, 小于500m/s的中速层, 推断为风化岩层;在中速层的下部是波速大于500m/s的高速层, 推断为基岩。

　　对比二者反演解释成果图, 可见高密度电阻率法的横向分辨率要优于瑞雷波法, 而瑞雷波法的纵向分辨率则优于高密度电阻率法。在6号剖面的右端高密度方法解释的覆盖层厚度明显高于瑞雷波法的解释厚度, 是因为高密度方法在边缘位置所获取的信息量少, 反演时, 该部位势必造成较大误差。总体来看2种方法所划分的不同界面对应关系还是较好的, 说明基于不同物性基础的地球物理方法, 在探测对象具有相同几何参数的前提下, 开展综合方法勘察是行之有效的, 2种解释结果可以互相对比印证, 解释结果较单一方法更具有可信度。

　　4、结论

　　图5 6号测线解释成果图

　　a.高密度电阻率法反演解释成果;b.瑞雷波法反演解释成果图

　　地球物理方法具有的诸多优点使其在工程勘察领域中的作用日益突出。但在勘察过程中, 应当认识到地球物理方法从数据采集时存在的干扰噪声到反演解释时的多解性问题, 均可能引入虚假信息, 因此, 有必要开展综合地球物理方法研究工作。同时, 综合地球物理方法不仅仅是多种方法的综合解释, 同时还可以开展多种方法的联合反演, 通过不同的地球物理响应特征, 从多方面验证结果的可靠度, 提高勘察精度。

　　参考文献：

　　[1]侯征, 熊盛青, 杨进, 等.人工蜂群算法的电震非线性联合反演研究[J].地球物理学进展, 2015, 30 (6) :2666-2675.
　　[2]罗银河, 夏江海, 刘江平, 等.基阶与高阶瑞利波联合反演研究[J].地球物理学报, 2008, 51 (1) :242-249.
　　[3]何委徽, 王家林, 于鹏.地球物理联合反演研究的现状与趋势分析[J].地球物理学进展, 2009, 24 (2) :530-540.
　　[4]张慧, 吕彪, 张豫.湿陷性黄土地区的风电场岩土工程勘察案例分析[J].西部资源, 2016 (5) :107-108.