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都会地球物理勘探要领应用进展
宣布时间:2023-09-15 浏览次数:20223 来源:尊龙凯时人生就是博
摘要
我国经济的不绝生长和都会化建设的快速推进,凸显了都会地下空间探测与合理开发利用需求的迫切性与重要性,高精度地球物理勘探要领对都会地下空间探测发挥着重要作用。与通例物探事情相比,都会地下空间探测面临着较为庞大特殊的情况,因而某些领域对通例物探事情提出了更高要求。本文试图总结梳理近年来都会地下空间探测中的应用研究进展及生长趋势,从都会高密度电法、探地雷达法、面波勘探法、浅层反射地动法及都会高精度重力探测等五种要领概述应用进展,涵盖电磁、地动、重力等多门类综合地球物理勘探要领,涉及光纤传感及微动技术在地下空间探测的应用,剖析了种种要领的优势所在,简明论述了都会地下空间探测的有效要领途径和部分保存的问题,以期为地球物理勘探相关技术生长及都会地下空间探测事情提供一定参考借鉴。
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0# 引言
都会地下空间作为一种名贵的自然资源,在全球兴旺国家和部分生长中国家已获得广泛开发应用。随着我国都会化建设不绝推进,都会地下空间探测已成为目今研究关注的热点问题,同时对地球物理要领技术提岀了更高要求,地球物理要领是进行都会地下空间探测、开展地下地质结构视察以及地下填图不可或缺的手段。近年来,我国在成都、杭州及雄安新区等重大都会均开展了都会地下空间探测事情,并且综合运用多种物探要领,用以解决与都会密切相关的地质、水文、情况及灾害等一系列问题,取得了较好应用效果。
目今,地球物理探测要领技术在外洋地下空间探测中常用于工程物探勘察,日本主要使用面波、浅层地动反射勘探 ;加拿大主要使用地质雷达、高密度电阻率成像和浅层地动勘探 ;新加坡主要使用电阻率成像、浅层地动、测井及井中物探。关于系统性的都会地下空间探测,仍待进一步富厚和完善。
同兴旺国家相比,我国都会地下空间探测利用起步较晚,但生长迅速。早期都会地下空间探测主要结合都会地质视察和工程勘察展开。1960年代我国组织开展都会地质视察,包括都会地下水资源勘查、综合工程地质勘查、情况地质勘查和地质灾害视察等。1980年,我国在100多个大中都会使用航磁、重力、电阻率法和放射性法等物探手段开展综合区域物探事情,基本探明大区域标准结构特征。2003年,我国以北京、上海、天津、广州等大都会为地质视察试点地区,之后又组织开展新一轮包括杭州、武汉、南昌等在内的多要素都会地质视察事情,这些都会标准的地下空间探测,综合利用了钻探、高精度重磁、电磁法、地动纵横波勘探、测井及井中物探等地球物理要领组合技术,为都会地质数据库建设和空间资源开发利用提供了支撑。
与通例物探事情相比,都会地下空间探测情况特殊,通常建筑物密集,车辆交通忙碌,情况噪声滋扰严重,具有勘查规模小、勘查网较密、浅层勘探精度要求高以及灵活度要求较高等特点,需满足狭小空间高效作业、抗滋扰及绿色环保等要求 ;因事情特色与作业方法差别,不宜简单套用石油、煤田勘探技术。在数据收罗和处理方面对通例物探事情提岀了更高要求,需逐步革新完善古板要领技术,以适应都会勘探需求,提高抗滋扰能力和实际探测效果。一些学者进行了都会滋扰配景下的浅层地动勘探系列试验研究,使要领技术不绝完善,增进了行业生长。本文试图总结梳理近年来都会地下空间探测中的地球物理要领应用研究进展事情及生长趋势,涵盖电磁、地动、重力及井间物探等多门类综合地球物理勘探要领,涉及最新的光纤传感及微动探测技术在地下空间探测的应用,并概括了种种要领的优势所在,简明论述了都会地下空间探测的有效要领途径和部分保存的问题,以期为地球物理勘探相关技术生长及都会地下空间探测事情提供一定参考借鉴。

01#都会地球物理勘探基来源理、要领及探测目标
1.1 地球物理勘探基来源理
地球物理探测依据目标体与周边介质的物理差别,运用地球物理原理和相应的先进物探仪器设备,剖析研究视察到的物理场漫衍,通过数据处理、比照异常来剖析解释与探测目标体之间的对应关系,来探查地质界限、地质结构或其它目标体,或测定地质体或地下人工埋设物的物理性质或工程特性的测试要领,基于地质条件变革、都会运动引起的电场、地动波场、磁场、重力场、地热场、放射性等物理场的变革,相应使用电法、地动、磁法、重力、测温、放射性勘探等种种要领,探究在陆地、水域、地下(井中及坑道)等差别条件下取得的应用效果,获取包括地质结构、地下水、滑坡、流体充填、异常埋藏物等的物理特性,以解决岩土工程及情况地质问题,为都会建设计划、空间资源开发利用和都会健康可连续生长提供支撑。

1.2 地球物理勘探要领
目前,海内多种通例及新型地球物理要领应用于都会地下空间探测视察,依据地质体电场、地动波场、磁场、重力场、地热场、放射性等场源属性差别,目今涵盖的主要技术要领包括:探地雷达、通例浅层地动(二维、三维)、高密度电法、广域电磁法、瞬变电磁法、井中地球物理技术(井中地动、井中电磁法、测井)、直流电法测深、天然被动源面波勘查、混淆源三分量地动频率谐振勘探等探测要领,特别是微动探测要领及利用光纤收罗的漫衍式声波传感技术(DAS)近年来获得广泛关注和探索生长,并在实践中不绝增强。

1.3 地球物理勘探目标
都会地下空间地球物理探测事情内容与都会建设工程及都会情况密切相关,具体而言,上述地球物理勘探技术要领可用来研究解决地下结构地质结构划分 ;确认笼罩层、风化带、基岩埋深 ;探测活断层及隐伏结构 ;探测含水富集区 ;探测暗浜、岩溶和空洞 ;探测地下管线 ;路基灾害、滑坡视察 ;勘查古河流 ;地铁轨道与高速公路选线 ;重大建筑(水坝、发电站等)选址 ;垃圾填埋场探测与渗漏评价 ;都会污染危害评价 ;水文地质条件评价及动力学参数测定等问题,乃至考古视察、情况监测与修复等,具有重要意义。

02#要领应用研究进展
随着人类运动与革新自然的能力不绝增强,都会化进程对自然情况的影响也日益增强,可能带来新的灾害,情况与灾害问题值得关注。近年来我国都会门路塌方、地铁塌陷等事故常有爆发,都会面临特殊地质情况下地面沉降、地裂缝、运动断裂及岩溶等特殊地质危害危害,有须要尽快开展特殊地质都会地下空间探测与监测技术等要领研究。下文将试图重点从高密度电法、探地雷达法、面波勘探法、浅层地动法、高精度重力等物探要领予以介绍,梳理剖析差别地球物理要领在都会地下空间探测应用进展及探测效果等,并简明论述要领优势和缺乏,以及在实际事情中面临的一些问题。探测要素涉及都会活断层及裂缝探测、浅表层结构与岩性参数探测、地下管线及岩溶空洞探测、地下地热微动探测和都会地下门路探测等。

2.1 高密度电法
高密度电法是基于差别地层岩石间保存导电性能差别,集电剖面法和电测深为一体的地学层析技术。通过一组电极向地下供电,另一组电极丈量电压、电流并引入装置系数,获得视电阻率值,从而推断解释地下地质结构,抵达勘探目的。
上世纪80年代中期,日本利用自动控制理论与集成电路,实现高密度电法野外数据收罗,我国地矿界于80年代后期开始研究高密度电法理论与技术要领 ;随着盘算机硬件与技术的不绝向前生长,高密度电法应用实践不绝增强,日趋成熟,应用领域包括:圈定含水层,探测裂缝、空洞、暗浜和膏盐层等不良地质体,路基及桥墩选址等。曹创华等(2019)凭据地质和钻孔信息对高密度电法测点数据进行了层状划分,构建二维模型反演,完成了高密度电阻率从一维到二维的逐级反演研究,提高了反演精度和地质解释准确度。王亚辉等(2019)接纳钻孔揭露、实验测试、多参数地球物理测井、地面地球物理勘探组合要领开展了地下空间精细探测与建模研究,获取了西咸新区多参数地球物理特征,提岀高密度电法、微动台阵视察、浅层地动勘探及多参数测井要领相结合的都会地下空间物探组合要领。

Profiler 8i高密度电法仪
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POLARES-32高密度电法仪
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高密度电法结果图
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膏盐层是都会地下空间常见的不良地质体,提前获知基岩内膏盐层埋深及展布具有重要意义。李华等(2020b)接纳高密度电法、微动勘探、三分量频率谐振勘探等要领开展了膏盐富集层探测研究,并利用等值反磁通瞬变电磁法对研究区开展了100mx10m的扫面丈量事情,反演获取200m以浅的三维电性结构,结合钻孔信息推断膏盐层空间展布形态。
郭淑君等(2021)利用高密度电阻率法对雄安新区0?200m第四系地层内发育的砂层透镜体、隐伏裂隙和塌陷等进行了探测研究,结合地质结构断面和高密度电阻率体深度切片,预测了古河流砂体漫衍。数据接纳温纳α布极方法(图1)、利用WDJD-2高密度电法仪进行丈量,电偶极矩10m,测区共安排工具向13条测线、南北向8条测线,呈网格状漫衍。
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//图1 二维高密度电阻率法温纳α布极方法

数据处理接纳Res2dinv软件,凭据数据编辑一地形校正一初始设置一正演设置一反演设置一反演结果输岀一Surfer成图的处理流程进行。
通过对测区0-200m深度反演的电阻率值进行三维建模,获得水平向为主、任意向为辅的电阻率深度切片(如图2),认为:在-65m以上深度,电阻率值规模为5?70Q?m,高值较多。推测有大层段含水的细、中砂,即保存多个连续互通的大型“砂层透镜体” ;而-65m以下深度,电阻率值规模为10?50Q?m,高值减少,推测粘土、亚粘土、亚砂土与粉细砂、粉砂等频繁交互沉积,形成不等厚互层。
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//图2 电阻率深度切片图

相比于古板电阻率法,高密度电法具有较多优点:①可一次性完成电极布设,操作快捷便当,制止多次布设的误差 ;②可高效丈量多种电极排列方法,实现多参数丈量 ;③自动化完成数据收罗和收录 ;④可现场实时处理数据,效率高。
高密度电法在都会应用中面临的问题有:都会情况电磁滋扰对高密度电法倒运,高电磁滋扰下不宜接纳 ;保存电极与硬化地面耦合问题,需有效改善接地条件,以确保正常供电和探测数据的可靠性 ;测线受建筑物及园地限制等。

2.2 探地雷达法
探地雷达法通过地面发射数十兆赫至数千兆赫的高频电磁波,凭据接收到的反射电磁波振幅及波形等信息,来剖析、推断地下介质结构及地层岩性特征等。探地雷达法应用前提是地层之间保存介电常数差别,这种上下层介电常数差别决定了电磁波在地下流传历程中反射信号的强弱。
U-Explorer(GPR) 探地雷达
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赵镨等(2017)结合地下管线探测及岩溶视察等案例,剖析了探地雷达等多种探测技术的综合应用效果,研究认为三维高密度横波地动、三维高密度电磁法、三维探地雷达等技术是都会地下空间探测技术的生长趋势。冯晅等(2018)接纳全极化探地雷达识别管道,改善了已往单极化雷达只能获得单极化数据的要领,提取了简单及多管道目标中任一管道目标的极化属性,标明全极化探地雷达技术能获得越发全面的目标体极化信息,能较好识别极化属性受到影响的管道目标。

KONTUR(3D-Radar)三维探地雷达

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邓诗凡等(2020)综合应用电磁感应法、地质雷达法、声学探测法开展地下管线漫衍探测试验,通过差别要领相互配合和交叉验证,绘制了准确的管网漫衍图。图3雷达图像揭示了雨水管道、消防管道、热力管沟及给水管道。结果标明,组合使用合适的探测要领,分步试验判断,可有效解决近距离铸铁管线探测中的信号滋扰问题。

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//图3 雷达图像

陈思静等(2021)介绍了目今地下管线探测的主流地球物理要领,认为电磁感应法探测金属管线优势较明显,能包管小口径电力、通讯电缆较高探测精度,而探测非金属管线首选探地雷达法,两种要领互为增补,但抗滋扰能力和仪器探测精度仍有待进一步提高。李博等(2022)提岀基于哈希算法的地下管线探地雷达图像智能识别新要领,充分发挥哈希算法简易快捷的优势,并结合约束矢量的K均值聚类剖析,实现了探地雷达剖面中管线的快速识别 ;并提岀一种基于亮度函数的管线材质判别要领,解决难以从探地雷达剖面区分担线材质的难题。
郭士礼等(2019)探讨了探地雷达法收罗参数设置及数据质量评判要领,比照研究了正常门路、典范滋扰源和典范门路隐性病害的探地雷达波组特征,认为空中电缆线的绕射波双曲线曲率小、两翼缓而长,而地下管线绕射波双曲线曲率大、两翼陡而短(图4),从而圈定其位置及埋深等,为接纳修复步伐、消除塌陷隐患提供了指导依据。
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//图4 空中电缆线和地下管线探地雷达波组特征

三维探地雷达地面空洞检测结果示例

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探地雷达法具有精度高、效率快、连续无损、实时成像等优点,目前在都会地下空间探测中多用于地下管线探测、地下不良地质体探测、考古及地下水探测等,其主要问题是受都会庞大电磁波滋扰及探测深度较浅等。

2.3 面波勘探法
按引发方法面波勘探包括主动源面波勘探和被动源面波勘探法。
2.3.1 主动源面波勘探
主动源面波勘探通常使用直线阵列,可分为稳态法和瞬态法。稳态法面波勘探通过不绝移动检波器来接收由震源引发的单泼魅正弦波。而瞬态法面波勘探,通常利用多道面波剖析技术,由瞬态震源引发较宽频带脉冲,差别频率面波以脉冲形式在地下流传,通过测线上按牢固道间距均匀布设的检波器接收,在频域剖析面波数据,通过对频散曲线反演,获得近地表各频率面波相速度,从而获取横波速度模型,常用要领包括外貌波谱剖析法和多道瞬态剖析法。
多道面波剖析要领自上世纪末提岀以来,海内外学者进行了大宗研究,近年来广泛用于工程勘查领域。李远林(2020)联合主、被动源面波对渭河盆地进行了地层分层视察研究,提高了成像精度。宋政宏等(2020)接纳漫衍式光纤传感器进行主动源面波勘查试验,利用多道面波剖析技术提取频散曲线,获取浅层速度,为面波勘探提供了新的数据收罗仪器设备。陈淼等(2022)利用多道面波剖析要领开展趵突泉界限地质结构探测,综合初至波层析与面波频散剖析要领,建立了纵波速度、横波速度和纵横波速度比值模型,获得了浅层0-80m地层结构特征,推测了泉水界限径流通道偏向,为济南轨道交通建设和地下空间资源开发利用提供了新的技术支撑。

2.3.2 被动源面波勘探(微动探测)
智能微动勘探技术无须人工震源,具有无损、高效、便捷、宁静、经济、环保、勘探深度大等特点,在都会地下空间探测具有明显优势及良好应用前景。
目前微动台阵技术以平稳随机历程理论为依据,通过特定视察系统获取天然笔直向下的微动信号,从中提取面波频散曲线,对频散曲线进行属性反演。微动台阵技术因其接纳收罗长周期微震信号后再从平稳信号中提取频散曲线的战略,天然具有抗滋扰能力,这点适宜于庞大都市情况勘探。可是,由于微动信号中高频能量较弱,因此对浅部地层结构的区分能力较差 ;由于该要领通常是基于不规则偏向多个视察点间信号盘算的平均频散谱,导致频散谱收敛性欠缺或整体速度偏大,所获取的频散曲线速度值与真实面波速度差别较大,并且所用装置安排空间越大误差越大,最终导致探测精度降低。图5为微动台阵法差别视察系统类型,其中直线型和内嵌三角型最为常用。
McSEIS-AT微动仪
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McSEIS-SW 24通道地动仪

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//图5 微动台阵法差别视察系统类型

微动测深要领主要包括原始数据收罗、相速度频散曲线提取和横波速度反演三个部分?占渥韵喙胤(SPAC)法通?旖萦行,被动源勘探中SPAC要领和配景噪声相互关要领(NCF)物理实质上是一致的,一个在频率域中的描述,一个在时间域的描述,SPAC要领获得的是排列下方整个区域的平均频散曲线,而由NCF通过相互关函数获得的频散曲线是任意两个台站之间路径上的平均效应。SPAC要领要求比较规则的圆形阵列收罗,在都会收罗条件受限,难以接纳规则圆形阵列时,可接纳扩展空间自相关法(ESPAC)。李巧灵等(2019)在北京通州布设45个微动测深点,接纳扩展空间自相关法(ESPAC)从垂向分量中提取Rayleigh波频散曲线,利用遗传算法获得S波速度结构,有效探测新生界笼罩层厚度,为地质灾害防控和地热资源利用提供了科学依据。
李洪丽(2020)通过短周期地动仪连续纪录15小时地动配景噪声数据(三重圆形收罗台阵如图6所示),接纳微动空间自相关法(SPAC),对50m、100m和200m台阵孔径巨细对应频散低频部分相速度进行了测试,通过拟合提取岀视察点瑞雷面波频散曲线(图7),并利用面波层析法反演获得该区域S波速度结构剖面。通过剖面上两个低速异常带划分富含水区(图8),为地热探测研究提供了参考。

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//图6 微动单点视察系统(三重圆形台阵)示意图
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//图7 瑞雷波相速度频散曲线

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//图8 研究区地壳浅层二维S波速度剖面

许多古建筑由于地基爆发形变保存倾斜、坍塌等严重宁静问题,需探测古建筑地基,进行宁静性评价。刘旭等(2022)利用配景噪声成像要领对河南省登封观星台地基情况进行超高密度无损探测,在观星台周围布设6条测线收罗24h数据进行相互关盘算,叠加结果显示观星台地基成层性良好,无低速异常,与探槽情况吻合,推测地基结构坚实稳固。都会地面沉降极易导致地面裂缝甚至塌陷,引发宁静事故。徐浩等(2021)以合肥市谢岗小学为研究园地,实验利用微动要领探究地面沉降原因,将收罗的微动数据利用F-K法进行频散曲线提取,反演获得地下横波速度结构,结合地质钻探进行验证,探测地下不密实土体的位置、规模等信息,乐成排除了沉降区二次事故的爆发。
随着都会生长,地表河浜因碎石、黏土及垃圾等填埋而形成暗浜,属不良工程地质现象,需消除地质隐患。翟法智等(2017)针对宁波轨道交通暗浜勘盘问题,划分研究了微动剖面探测法、瞬态瑞雷波法及高密度电法三种物探要领探测暗浜的有效性,三种要领推测的暗浜位置及埋深较一致。图9为1线微动探测视S波速度剖面及推测规模,图10标示2线瞬态瑞雷波视速度图及解释区域。

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//图9 1线微动探测视S波速度剖面

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//图10 2线瞬态瑞雷波视速度图及解释

李华等(2020a)将混淆源面波与三分量频率谐振的浅震勘探技术用于成都生物城浅层地质结构探测,该要领兼具主动源面波探测精度高和被动源面波探测深度大的优点,获取了60m以浅地层结构的三维S波速度特征,提高了探测的区分率和准确性,实现了对地层结构的精细划分。姜文龙等(2020)剖析了都会庞大情况滋扰的振动噪声特征,利用汽趁魅振动噪声进行面波成像,获取了地下合理的地层波速结构,认为合理视察系统、有效信号合理剖析及视察时长至关重要。
微动H/V谱比法也称单点H/V谱比法或Nakamura要领,是基于单点三分量数据中水平分量和笔直分量的谱比特征进行地层属性反演的勘探技术。该要领简便经济、对情况无滋扰,适于都会应用,获取的速度实质上为真地层速度,具有抗滋扰能力,精度高,但较依赖初始速度模型。张若晗等(2020)选用微动H/V谱比法对济南中心城区的土石分界面展开三分量微动丈量研究,利用400多个测点数据剖析了差别类型H/V曲线与地质结构的关系,总结了基岩的深度-频率关系式,提供了土石分界面深度快速准确的解决计划。陈实等(2019)应用天然源面波技术进行都会地质视察试验,通过丈量单点的面波速度结构,精细划分岀区内地层结构,并获得多项工程地质参数,验证了天然源面波技术在都会情况的有效性。
将主动源与被动源技术联合进行勘探,适当加大排列长度和收罗时间,可获得较深层的勘探精度。主动源要领依赖体波和高频面波进行高精度成像,施工本钱较高,而被动源面波成像要领本钱低,主要利用地动配景噪声相互关函数成像,该要领在都会浅层成像方面获得了越来越多的应用。高阶模式瑞雷面波较低阶模式敏感,可联合应用。在都会规模内布设高密度的地动视察台阵,需大宗地动仪,布设维护本钱限制了其推广。近年来生长的漫衍式声波传感技术(DAS)是一种由感知光纤和光学信号解调仪组成的地动视察系统,通过丈量光纤中后向散射光相位变革实现光纤动态应变的监测,进而实现地动波场纪录。该系统能够以低本钱实现超密集视察,有望提高浅层速度结组成像的精度。其唯一无二的信息感知能力,使得DAS技术受到广泛关注,其迅速生长,在安防入侵检测、地球物理勘探等方面展示了奇特的技术优势和潜力。王宝善等(2021)利用地下通信光缆纪录信号识别岀车辆运动、气枪震源、人工落锤等差别振动信号,并从光缆纪录的配景噪声乐成提取面波信号,获得了地表200m以内的横波速度结构,为都会精细结构探测提供了一种新型视察技术手段。

ODH-4+ DAS 询问器单位
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//短程、高区分率询问器单位,提供了保真度的 DAS笔直地动剖面(VSP)丈量效果

2.4 浅层反射地动法
浅层反射地动通过人工引发地动波,剖析其在地下介质流传的运动学和动力学属性,探索地动波流传纪律,研究浅部结构及沉积特征等,抵达探测浅层地质体的物探要领。上世纪80年代随着数字地动仪的岀现和多次笼罩技术的爆发,提高了抗滋扰能力以及探测精度和区分率。按震源引发地动波类型及处理资料数据类型,浅层反射地动可分为纵波反射技术和横波反射技术。

Elvis VII地面稳态震源

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//Elvis VII震源获得的S波反射地动剖面,探测深度为250m

LS-24 检波器拖缆

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//带水平检波器的拖缆带和检波器载台

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//LS-24数据采样示例

2.4.1 纵波反射地动
纵波反射地动利用震源引发纵波,并进行资料处理、解释,占地动勘探绝大大都,可用于都会活断层探测,采空区、岩溶区勘察及人防工程等 ;疃喜闶侵冈诘谒募推诩,尤其晚更新世以来爆发过运动,且今后仍可能运动的断层。大宗地动灾害视察标明,活断层不可是爆发天然地动的泉源,并且爆发地动时沿断层线的破坏最严重。都会活断层探测是一项庞大且具有立异性的事情,是运动结构研究生长新阶段面临的艰巨任务,都会情况和人类运动给该事情带来许多困难和问题。人工地动勘探是目前公认最为有效的都会隐伏断裂探测要领之一,进行都会反射波地动勘探事情,资料收罗常受限于都会引发情况和配景滋扰。宋春华等(2021)在上海市大治河水域开展大功率电火花震源引发的地动探测,综合比照引发能量、放电水深、差别震源成像效果等,获取最佳引发参数,地动资料具有较高信噪比,确认了在都会水网开展电火花震源引发地动勘探的有效性,对都会隐伏断裂探测具有良好效果。吴子泉等(2005)探讨了都会地动运动断层精确定位要领,利用可控震源进行频率扫描,对扫描信号和振动信号作相互关处理,有效压制都会强振动滋扰,并利用高区分率地动和电法勘探对走滑断层进行联合定位。常旭等(2008)接纳波动方程三分量正演模拟,指导地动视察系统设计,在都会强噪下利用伪随机可控震源屎厕高精度地动数据,偏移剖面清晰地揭示了黄庄一高丽营断层的位置,为明确断层两侧新生代地层厚度提供了依据。易兵等(2008)利用高密度电法、高区分率地动和重磁等多种要领,在城区倒运滋扰下,接纳新的数据处理技术,在探测活断层位置、产状与形态上取得了较理想的效果,但对第四系中结构松散弱胶结、变形轻微的小断层还需进一步研究。赵富有等(2008)从理论和实验的角度剖析横波的区分率和视察系统参数选取原则。通过试验确定横波的视察系统,探明长春市区波组特征、断层漫衍和第四系的埋深情况。燕利芳(2011)利用反射波层析成像技术对西安地裂缝勘探,开端获取了近地表处地裂缝的位置及走向,为乐成探测都会地裂缝提供了一种新思路。郭淑君等(2014)接纳弯曲射线追踪和LSQR算法研究井间速度漫衍,获取了井控规模内地层结构信息,利用井间地动技术准确探测了断裂破碎带和地下掩埋防空洞。
杨歧焱等(2015)接纳夯源进行地动收罗,以3m道距、6次笼罩视察系统及60Hz检波器接收获得中部富厚反射信息,反射波组集中在100-150ms之间,且断层特征明显,上断层埋深约90ms,但其浅部反射波信息有所损失(图11a) ;为进一步获取浅部详细信息,在同一断点地段接纳1m道距、9次笼罩及100Hz高频检波器接收进行了超浅层勘探,反射波组集中在10-100ms之间,浅部反射波组富厚,断层特征明显,进一步确定了上断层埋深约40ms,但其中部反射波信息损失严重(图11b)。结果标明,为准确确定断层的位置、性质,尤其是断层的运动特征,应接纳差别的道间距、排列长度、笼罩次数,以便获取中部和浅部的反射波信息,进行比照剖析,确定断层的特征。

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// 图11 (a)3m道距获得的中浅部地动剖面 ;(b)1m道距获得的浅部地动剖面据杨歧焱等

刘明辉等(2018)应用联合剖面法和地动勘探确定断层的空间展布,结合高密度电法剖析断层的相对运动性,较好解决了隐伏断裂的探测与地动运动性评价问题。赵斌等(2018)接纳浅层反射地动技术查明了大庆地区克山一大安断裂嫩江组以上地层信息及断裂的展布形态,确定了主干断裂上发育的次级断裂特征及本区断裂-褶皱结构体系。王荣等(2013)应用陆地声纳法接纳单点丈量、极小偏移距引发接收,制止了浅层勘探大偏移距形成的宽角反射问题,克服了马路上噪声滋扰,结合物理和数值模拟研究,探明济南老城区岩层层面、断层和岩溶信息。
陈松等(2021)接纳高精度地动勘探技术,以小吨位可控震源引发,综合试验震动台数、震动次数、扫频规模、驱动电平及偏移距等组合参数,获得了高品质地动数据,资料反射波组特征明显、连续性好,有效揭示了地层结构和埋深特征。
三维地动勘探在都会地下空间探测中起着重要作用,电火花震源具有宁静经济环保、能量转换效率高等特点。陈杰等(2021)通过比照优选电火花震源引发因素(引发能量,引发井深)开展都会三维地动勘探,获得了较高质量的地动资料,探析了地下地质结构。白旭明等(2019)在河北廊坊市接纳节点+有线联合收罗,进行高密度宽方位都会三维地动勘探,其中城区笼罩次数抵达1000次以上,笼罩密度160万次/km2,横纵比抵达0.9以上,抵达了较好勘探效果,是我国目前地动勘探面积最大的都会三维地动事情。

2.4.2 横波反射地动
横波反射地动利用震源引发横波,并进行资料处理、解释。地动横波不受含水饱和度的影响,探测精度高,一定水平可弥补纵波反射在浅层勘探的缺乏。陈相府和安西峰(2007)接纳重锤水平锤击铁板正反两个偏向引发,利用Summit数字地动仪和28Hz横波检波器接收,经3次笔直叠加,获得较为理想的单炮纪录(如图12),并依据地质解释和波速测井对地层层面进行了划分(如图13)。剖析标明大都岩土层与反射界面对应关系较好,体现了横波勘探在第四纪松散层层序划分及厚度探测中的优势,较好弥补了纵波浅层勘探的缺乏。

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//图12 用水平锤击铁板震源屎厕的炮纪录
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//图13 1测线上过孔段水平叠加时间剖面
马董伟(2019)利用横波反射区分率高、分层能力强的特点,结合地动层析成像反演地层速度结构,揭示了新沂市局部笼罩层较薄的活断层特征,弥补了纵波反射在浅层勘探的缺乏,提高了勘探精度。王小江等(2020)在雄安新区外围开展了高区分率浅层纵、横波地动联合勘探试验研究,纵波数据收罗接纳宽频可控震源引发,横波数据收罗接纳锤击引发,接纳中间放炮、小道距接收。通过资料精细处理获取了结构、岩相及速度等信息。
目今,人工地动勘探是公认最为有效的都会隐伏断裂探测手段之一,受限于都会情况,地动资料收罗往往比较困难。关于水网兴旺的都会,可因地制宜接纳电火花震源引发探测,未来在满足岀力要求下,革新震源自身,研制小型化液压可控震源、轻便型电磁式可控震源等,目前我国地球物理仪器装备与兴旺国家还保存一定差别。接纳组合引发,适当增加笔直叠加次数压制滋扰。拖缆系统是未来都会勘探的重要形式之一,解决拖缆结构、检波器耦合等一系列问题,如收罗中使用适合于水泥地面的三角基座,坚持耦合性,完善包括震源系统、拖曳系统、数据收罗与处理在内的完整都会地动勘探体系,实现都会浅层高区分率勘探。别的,在都会地区由于地表障碍物、建筑等因素影响,检波器无规则则布设,收罗的地动数据保存道缺失,往往会影响地动数据处理解释效果。曹静杰等(2020)探索应用压缩感知技术对都会浅层地动数据重建,模拟与实际数据均取得较好效果。未来压缩感知技术可应用于都会地动勘探,以解决数据重建问题。
地动勘探接纳小道距敷设为探明都会浅层地质结构等提供了有效途径。未来仍需在近地表地动波场流传纪律及能量吸收衰减机理、联合反演、全波形反演、面波成像等方面进行深入研究,消除近地表对地动波场造成的倒运影响,来获取精度更高的近地表结构及参数模型。由于横波浅表速度较小,因此关于起伏较大地形或庞大地表,静校正问题会比较突岀,受静校正影响较大,因此还需要慎重做好静校正事情。

2.5 高精度重力法
高精度重力通过在小规模布设密集测点对地下介质密度不均匀引起的微弱重力异常变革进行丈量,通过数据处理确立异常区深度和标准,并转化为合理的地质解释。相对通例重力要领,高精度重力探测规模一般较小,但测点密度和探测精度较高。我国于上世纪80年代引进高精度重力仪,并在地球动力学、地基勘查、考古探测等领域进行了应用研究。随着仪器精度的提高和数据处理要领技术的进步,高精度重力法应用越来越广,可由地面拓展到竖井及坑道内甚至建筑物内部进行丈量。针对重力数据处理,除通例高度纠正、中间层纠正、地形纠正外,还需进行建筑物纠正,通常利用正演建立等效模型,来消除建筑物影响。王新月等(2019)提岀了基于车载重力丈量平台的都会地下空洞快速探测要领,接纳国产高精度捷联式重力仪SAG搭建车载移动平台,在长春市区进行动态重力丈量试验,通过革新的比值DEXP(极值点深度预计)法进行重力异常数据成像,并对位场数据进行界限识别,获得区域四周异常值及结构指数,验证了车载移动平台重力丈量在都会地下空洞探测中的有效性。
徐燕君等(2021)从重力探测装置、高密度数据收罗、精细数据处理与解释方面介绍了高精度重力在都会地下空间探测的应用研究结果,包括滋扰下的读数时间、三维坐标获取、地形纠正要领、异常数据盘算、反演要领及解释结果等。仪器接纳新一代高精度重力仪(精度大于土0.001x10-5m/s2),可识别都会微伽级异常(±0.050x10-5m/s2以内)。为制止都会高楼影响,测地事情距高楼30m以外使用RTK丈量,30m以内使用光学水准丈量。为消除差别测点高程差,丈量前丈量地面至仪器底面高差并取准为0.1cm,消除该部分的场值异常。在近区地改上,通过实际GPS测地高程数据DEM生成1mx1m或2mx2m网格包管高程节点误差。中间层密度纠正一般接纳研究层现场收罗标本求取平均值或通过差别密度值盘算重力场求取。
在数据处理上,常用要领包括多项式、趋势面或利用差别频谱等非线性要领进行重力异常疏散,图14为多项式提取剩余重力异常图,图15为趋势面法提取剩余重力异常图,其中图15b、c划分为三阶趋势剖析的剩余重力异常图及区域重力异常图。数据反演方面,关于层状密度界面,可用最小二乘的线性回归法或者Parker法确定单密度界面 ;或利用RGIS重磁电数据处理软件进行多界面多参数迭代拟合。目前国产RGIS及MAGS等软件比较成熟,包括RGIS软件三维人工交互反演等,具有详细物性条件及钻孔控制的人机交互反演为最优反演界面要领。

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//图14 某园地10线剖面多项式提取剩余重力异常图
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//图15 趋势面法提取剩余重力异常示意图
(a)某客运站地下隧道重力异常图 ;(b)剩余重力异常图 ;(c)区域重力异常图

高精度重力无需打孔布设电极或检波器,具有数据收罗便捷、本钱低、绿色环保、抗滋扰等优点,在都会地下空间、考古探查、空洞探测、地下水迁移等方面广泛应用,在一定条件下具有不可替代性。

03#要领比照剖析
目今,都会情况人文滋扰强烈,都会物探事情涉及地面探测、工程测试及井中探测等,受限于园地和情况滋扰等倒运条件,以及宁静、环保高要求,导致古板物探要领无法在都会中有效开展,都会地下空间探测依然面临诸多科学问题和技术难题。包括抗滋扰问题、水体下地质结构探测、近地表对地动波场的影响、浅层探测区分率缺乏等。目前地球物理探测精度缺乏,钻探与物探技术缺乏,勘查精度及深度均有一定局限性,可凭据垂向空间漫衍建立全要素探测体系。除浅层探测区分率缺乏,如何消除近地表对地动波场造成的影响。进一步增强抗滋扰能力和提升综合探测效果,仍需总结提高要领认识。都会地下空间勘探是一系统工程,可开展多种要领试验和综合物探,使之有效配合,减少简单要领的多解性。电磁和地动联合反演目前主要针对深层油气勘探领域,在都会地下空间探测解释尚未见诸报道,面临新机缘。表1为常用都会地下空间地球物理探测要领及效果。

表1 都会地下空间地球物理探测要领及效果一览表
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04#结论与展望
都会地下空间探测内容富厚,探测领域广,本文论述的都会地球物理勘探要领主要包括高密度电法、探地雷达、面波勘探(主动源及被动源联合)、反射地动法以及高精度重力等,地球物理勘探要领以及仪器设备等也在不绝生长变革和富厚完善,本文仅作了部分论述,实际事情中应用的辅助要领还包括折射波法、测井、速度层析、物理与数值模拟等,可配合解决都会地下空间探测问题。
微动探测通过反演地层横波速度结构特征,有较好的垂向分层能力,应用广泛,在地下地质结构探测、地热探测以及地下门路病害探测均有较好应用效果,是未来都会物探事情中绿色、高效的要领。
漫衍式光纤收罗技术及压缩感知技术可极大节约收罗本钱,实现一体化和跨越式收罗。
目前高区分率都会三维地动己有应用,未来多波多分量地动、三维探地雷达等将更多应用于都会地下空间探测。
增强高精度重、磁、电、震多源地球物理技术集成与反演研究,减少简单要领的多解性,有利于提高探测效果。
除浅层探测区分率缺乏,在消除近地表对地动波场造成的影响、进一步增强抗滋扰能力和提升综合探测效果方面,仍需总结提高要领认识。

致谢 文中参考引用了大宗研究人员相关事情结果,在此深表谢谢。谢谢雍凡博士以及徐梦龙博士的有益交流、讨论。谢谢郭淑君老师的供图。同时,谢谢审稿专家提出的名贵建设性意。

本文来源:李广才, 李培, 姜春香, 张鹏辉, 王兴宇. 2023. 我国都会地球物理勘探要领应用进展. 地球物理学进展, 38(4): 1799-1814. doi: 10.6038/pg2023GG0355
作者简介:李广才,博士,主要从事地球物理勘探研究事情。

尊龙凯时人生就是博致力于协助行业专家解决都会生长中的地下空间探测问题,提供全面的工程物探解决计划,接待与我们联系,获取解决计划。
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