地球物理方法在球状风化体中的应用

曾树新

（广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东 广州 510507）

1 基本概况与地球物理条件

1.1 地质概况

某工地位于中山市，勘察外业钻探时发现某区域孤石发育，最大孤石可达8 m。场地内覆盖土层为填土、黏性土和花岗岩残积土，基岩为花岗岩。孤石为微风化花岗岩，孤石下有全、强风化层，全、强风化层下为微风化花岗岩。在现有钻孔孔位的基础上，利用跨孔弹性波CT、电磁波CT和管波探测3种探测方法在孔内进行探测。

1.2 地球物理条件

跨孔弹性波CT法的前提条件是场地内各岩土层的密度和弹性波速度均有一定的差异。土层纵波波速Vp为1 500 m/s～2 500 m/s，全（强）风化花岗岩纵波波速Vp为2 500 m/s～3 500 m/s，中（微）风化花岗岩的纵波波速Vp为3 500 m/s～5 500 m/s。孤石为微风化花岗岩，与土层、全（强）风化岩存在明显的波速差异。这种物性差异的存在，为使用跨孔弹性波CT法探查孤石提供了较好的物性条件，场地具备应用跨孔弹性波CT法的地球物理条件[1]。

电磁波 CT 法的应用与电磁波吸收系数与介质的电阻率、磁导率、介电常数以及电导率的频率有关。不同介质对电磁波的吸收存在差异。土层、全（强）风化岩、中（微）风化岩的电阻率、介电常数、电导率和磁导率等均存在差异。当电磁波穿过土层、全（强）风化岩时，吸收系数就会表现为“高值”异常；当电磁波穿过中（微）风化岩时，吸收系数就会表现为“低值”异常[2]。场地具备应用电磁波CT法的地球物理条件。

管波探测的前提条件是场地内各岩土层的密度和弹性波速度均有一定的差异，即存在明显的波阻抗差异。当岩土层中存在明显的波阻抗差异界面时，管波时间剖面中除存在明显的直达波组外，还存在明显的反射波组，即剖面中的倾斜波组。通过分析反射管波的波幅特征，探测波阻抗差异界面，来对界面的解释，推断孔旁地层情况[3]。场地具备应用管波探测法的地球物理条件。

2 地球物理方法的选用

2.1 物探工作量

其中JC65-1～ JC65-4为探测区域桥墩位置的4个钻孔，4个钻孔的连线组成封闭的四边形，在4个钻孔中进行3种物探方法的探测。这次物探采用的是跨孔弹性波CT法、电磁波CT法和管波探测法。完成工作量如下：1）跨孔弹性波CT法（1 m点距）：6对剖面，共计5 464个检波炮点；2）、跨孔弹性波CT法（0.5 m点距）：6对剖面，15 456个检波炮点；3）电磁波CT法（1 m点距）：6对剖面，3 403对射线；4）电磁波CT法（0.5 m点距）：6对剖面，13 379对射线；5）管波探测法：4孔，共计探测长度103.4 m，点距0.1m，共计1 038个探测点。

2.2 跨孔弹性波CT

跨孔弹性波CT工作时将1个钻孔作为发射孔，在发射孔中按一定间距（0.5 m或1.0 m）发射高频弹性波。将另一个钻孔作为接收孔，在接收孔中按一定间距（与发射点间距相同）接收弹性波。通过发射孔和接收孔之间交叉网状的弹性波观测走时射线，通过读取各发射点发射到各接收点的弹性波（声波）初至走时的数值，反演计算出2个钻孔间的波速影像。通过波速影像结合地质资料进行综合分析，来说明断裂破碎带的边界和产状、岩土分界面以及岩溶的边界、产状、发育与分布情况。

跨孔弹性波CT具有较高的勘探精度，通过采取必要的技术措施，勘探精度可达CT剖面跨孔间距的1/20～1/30 用分数的形式表示。整个采集过程严格遵循相关作业指导书的要求，每对孔的测试开始前，根据2个钻孔的地质情况选择基岩比较完整的钻孔作为发射钻孔，更能激发高频弹性波，提高勘探精度。

该跨孔弹性波CT测量，采样间隔为20.833 μs，记录长度为64 ms。滤波为低切280 Hz。每对剖面按点距0.5 m、1 m进行了2次测量。

2.3 电磁波CT

电磁波CT 利用一定频率的电磁波作为发射源，当其扫描地下地质体所取得的参数被接收机接收后，利用电磁波在不同介质中吸收系数具有差异的特点，通过数学处理后，反演出介质吸收系数的分布情况，从而得到地下地质体的精细结构和性质差异图像[4]。电磁波CT探测时，以1个钻孔为发射孔，另1个钻孔为接收孔。按固定间距设置激发点和接收点。对于每个激发点，接收孔内都有对应的接收点进行接收。电磁波透射观测系统示意图与地震CT观测系统示意图类似。将发射天线放入发射孔底部（记下深度），同时将接收天线放入钻孔底部。

设置仪器参数，仪器进入采集状态时，采集器采集信号后通知接收端技术人员将发射电缆往上提固定距离后，再使用采集器采集信号。循环此操作过程直至接收电缆至孔口位置。当对应同一个激发点的接收孔数据采集完成之后，发射天线上升到固定距离，接收天线依次从孔口按固定间隔下降至孔底并采集数据，重复上述步骤直到发现天线提至孔口，数据采集工作结束。

该电磁波CT法对每对剖面都按点距0.5 m、1 m进行了2次测量。

2.4 管波探测

管波探测法一般采用自激自收观测系统，其收发探头间距0.6 m，测点间距为0.1 m，测试方式按从下向上进行。野外数据采集过程中，对采集的管波信号进行实时监控，所采集的波形要求图质清晰、波形正常，发现波形畸变立即进行重复观测，2次观测相对误差小于2%。并填写好野外班报表。该工作采用14 J发射能量、采样频率50 kHz、前放增益1倍。

3 成果分析

3.1 跨孔弹性波CT

图1、 图2分别为JC65-1～JC65-2～JC65-4～JC65-3～JC65-1点距1 m、0.5 m时的反演波速影像图。可以看出：覆盖土层主要为素填土和粉质黏土等。跨孔弹性波CT剖面范围内覆盖层总厚度为12.5 m～17.5 m，覆盖土层波速为1 500 m/s～2 500 m/s；基岩面存在明显起伏；孤石周边为全（强）风化岩，其纵波波速为2 000 m/s～3 500 m/s；孤石为微风化花岗岩，其纵波波速为4 000 m/s～5 000 m/s；孤石在图中表现为高速异常；点距0.5 m和点距1 m的弹性波CT成果反映的基岩埋深和孤石分布范围基本吻合，但点距为0.5 m时，弹性波CT反映的孤石形态更清晰，对细节的反映更好。

图1 1 m点距反演波速影像图

图2 0．5 m点距反演波速影像图

相对于微风化基岩，孤石波速较低，且波速分布不均，在波速映像图中表现为出现条带状的颜色分布不均的区域，且分布较凌乱，孤石完整性相对于基岩较差，推测由节理裂隙发育引起。

3.2 电磁波CT

图3、图4 分别为JC65-1～JC65-2～JC65-4～JC65-3～JC65-1点距1 m、0.5 m时的反演吸收系数等值线图。结论如下：电磁波CT吸收系数等值线图中，基岩的吸收系数最低，为0～5 dB/m，分布在高程为-18 m以下的区域；孤石的电磁波系数相对较低，为4 dB/m～8 dB/m，分布在高程为-12 m～-16 m的区域，如图中该区域两侧；土层、全强风化岩的电磁波系数系数相对较高，为5 dB/m～10 dB/m，分布在高程为-12 m以上的区域；点距0.5 m和点距1 m的电磁波CT成果反映的基岩埋深和孤石分布范围基本吻合，但点距0.5 mCT反映的岩面、孤石形态更清晰，对细节的反映更好。

图3 1 m反演吸收系数等值线图

图4 0．5 m反演吸收系数等值线图

与微风化基岩相比，孤石吸收系数较高，且分布不均，在吸收系数等值线图中表现为出现颜色深浅不一、凌乱且不均的区域，孤石的完整性比基岩差，推测由节理裂隙发育引起。

3.3 管波探测

管波探测法可有效查明孔内直径2 m范围内的孤石分布情况。管波探测结果如下：孤石表现为直达波能量强、存在振幅较小的倾斜反射波组或者无倾斜反射波组，解释为节理裂隙发育段、完整基岩段；强风化花岗岩表现为直达波能量弱、解释为软弱岩层；微风化花岗岩表现为直达波能量强、存在振幅较小的倾斜反射波组、或无倾斜反射波组，解释为完整基岩段。

对比钻孔柱状图和管波成果，管波探测法具有更精细的分层能力。如JC65-3钻孔标高-14.99 m～-19.29 m段，钻探揭露为“强风化夹中风化花岗岩：青灰色，粗粒花岗结构，块状构造，岩石的节理裂隙很发育，岩芯多呈碎块状、短柱状，多为强风化土状，不均匀夹中微风化岩芯，岩质较硬，岩芯采取率约为10%”。管波成果将标高-14.99 m～-15.39 m段解释为软弱岩层、标高-15.39 m～-15.99 m段解释节理裂隙发育段、标高-15.99 m～-17.29 m段解释为软弱岩层、标高-17.29 m～-18.09 m段解释节理裂隙发育段、标高-18.09 m～-19.29 m段解释为软弱岩层。管波探测法可有效查明薄夹层的分布。

4 结论与建议

4.1 探测方法对比

该物探采用的是跨孔弹性波CT法、电磁波CT法和管波探测法等物探方法查明了场地内的岩面孤石分布情况。跨孔弹性波CT能查明岩面埋深及起伏情况、孤石的分布范围及形态；电磁波CT能查明基岩面埋深及其起伏情况，但是对孤石的反映较差；管波探测法可有效查明孔内直径2 m范围内的孤石分布情况。点距0.5 m比点距1 m的弹性波CT、电磁波CT反映的孤石形态更清晰，对细节的反映更好。综合对比各物探方法，跨孔弹性波CT法和管波探测法对孤石的探测最有效。

4.2 场地结果划分

场地内全（强）风化岩埋深约为12 m～18 m、标高约为-6.5 m～-13 m，微风化花岗岩埋深约为22 m～26 m、标高约为-16.5 m～-21 m。场地孤石为微风化花岗岩，在跨孔弹性波CT和电磁波CT剖面中分别表现为“地震波高波速”、“电磁波低吸收系数“特征。孤石的纵波波速为4 000 m/s～5 000 m/s、电磁波系数吸收为4 dB/m～8 dB/m。综合各物探方法成果及钻探资料，推断孤石顶埋深约为12.5 m～17m、标高约为-7 m～-12 m，孤石底埋深约为21 m～23 m，标高约为-16 m～-18 m，孤石区厚度约为3 m～11 m。

4.3 建议

孤石下卧全（强）风化岩，且孤石的完整性比微风化基岩差。评估桩基持力层的安全性，建议以微风化基岩作为桩基持力层进行评估。