综合物探在城市地下空间地质调查隐伏断层探测中的应用

周 超，刘 怡，赵思为

(1．中铁二院工程集团有限责任公司 地勘岩土工程设计研究院，四川 成都 610031；2．四川省地质工程勘察院集团有限公司，四川 成都 610031)

1 引 言

随着我国城镇化进程的加快，城市用地需求大幅度提升，地表空间土地资源紧张这一问题日渐严峻，制约着城市的可持续发展，因此许多城市将目光由地表转向了地下空间。然而开发地下空间会面临着各种各样的地质问题，如岩溶、断层等，解决这些地质问题的基础是开展城市地下空间地质调查工作。目前城市地下空间地质调查工作常用的勘探方法主要有地表调查、遥感、钻探、物探、化探等，但是城市强干扰的环境与条件制约了一些勘探方法的适应性和影响了一些勘探方法的有效性，因此针对不同的外部条件选择适宜的勘探手段非常重要。

物探是一种利用勘探对象与周围介质的物性差异引起的相应地球物理场的局部异常来获得勘探对象的地质性状的方法。凭借高效率、低成本、无损等优点，物探方法在城市地质调查工作中逐渐成为了一种不可替代的勘探手段，尤其是一些抗干扰能力强、分辨率高的物探方法备受重视，且取得了良好的应用效果[1-5]。

正是由于城市的快速发展，城区内的许多断层的地面露头几乎都被建筑物、人工填土和绿植等掩盖，地质人员无法通过地面的地质调查来确认这些隐伏断层的确切位置及其走向，因此选择合适的物探方法来查明这些隐伏断层是城市地下空间地质调查中必不可少的一项工作。目前国内物探工作者采用不同的物探手段对隐伏断层探测做了许多研究工作，如采用浅层地震波法、高密度电阻率法、电磁法等查明隐伏断层的位置，都取得了良好的探测效果[6-10]。本研究以成都市地下空间地质调查工作为背景，首先简单介绍了等值反磁通瞬变电磁法(Opposing Coils Transient Electromagnetic Method, OCTEM)与微动勘探法(Microtremor Survey Method, MSM)的原理及特点，然后将OCTEM与MSM结合起来运用到包江桥隐伏断层探测工作中，并将探测成果与以往的地质调查成果进行对比分析，有效地探明了隐伏断层的确切位置及走向，验证了OCTEM和MSM的组合能够满足城市地下空间地质调查工作中隐伏断层探测的需求，并且能够取长补短、相互佐证。

2 方法简介

2.1 OCTEM方法简介

OCTEM是由中南大学席振铢教授于2016年提出的一种新型的瞬变电磁方法，其以相同两组线圈通以反向电流时产生等值反向磁通的电场时空分布规律，采用上下平行共轴两组相同线圈为发射源，且在该双线圈合成的一次场零磁通平面上测量对地中心耦合的纯二次场[11]，二次场表达式如下：

(1)

式(1)中，V为二次场信号；μ0为磁导率(H/m)；M为发射天线的磁矩(emu)；q为接收天线的展开面积(m2)；ρ为电阻率(Ω·m)；t为时间(μs)。

通常感应涡流的扩散速度和感应场的衰减速度与大地电性参数有关，一般在非磁性大地中，主要与电导率有关：大地电导率越大，扩散速度小，衰减得越慢。根据地表接收到的涡流场信号随时间的衰减规律即可获得地下电导率的信息。

(2)

式(2)中，ρ为电阻率(Ω·m)；δ为扩散深度(m)；μ0为磁导率(H/m)；t为衰减时间(μs)。

2.2 MSM简介

微动勘探法(MSM)是基于利用地震台阵微动信号的垂直分量估算面波相速度的理论，通过数据处理技术从地表的微弱振动信号中提取瑞雷波相速度频散曲线，再反演获得地下介质的横波速度结构的地球物理勘探方法[12,13]。获得各微动中心点的面波频散曲线后，用式(3)直接计算视横波速度Vx(m/s)，可将相速度频散曲线(Vr-f曲线)转换成Vx随深度的变化曲线(Vx-H曲线)，再通过插值、光滑计算，最终可获得视横波速度剖面。

(3)

式(3)中：Vr为瑞雷波速度(m/s);ti为周期(s)。

视横波速度Vx是既不同于相速度Vr;也不同于S波速度VS(m/s)的面波物性参数，具有速度量纲。因为避免了反演过程中设置初始模型、反演结果选取等人为因素的影响，微动剖面结果能更客观、直观地反映地层岩性及构造变化。

OCTEM和MSM两种方法主要特点详见表1。

表1 OCTEM和MSM主要特点对比分析

3 工作应用

3.1 工区概况及测线布置

工区位于成都市中心城区的锦江区和成华区，地表为交通道路、居民区和绿化带，处岷江冲洪积扇东南部，上覆地层为第四系松散堆积土，主要由人工填土(杂填土和素填土)、黏土、粉质黏土和卵石土构成，厚度为10～50 m，下伏基岩为白垩纪上统灌口组(K2g)紫红、棕红色、薄至中厚层状泥岩，泥钙质粉砂岩夹薄层细砂岩和夹关组(K2j)棕红、棕黄、紫红色中—厚层块状粉细砂岩、泥质粉砂岩夹薄层泥岩。在《四川成都平原区域地质—水文地质勘察报告(1∶20万)》中显示,包江桥断层南起成都市双流区中和场，经包江桥、琉璃场插入成华区双桥子，走向北东10°～15°，倾向南东，倾角78°左右，宽度约为30～45 m，含钙质结核黏土，网纹红土，黏土砾石层及结构紧密的强风化砾卵石层呈不整合接触覆于基岩之上[14]，随着城市发展，该断层的埋深已有变化。为了查清该隐伏断层的规模、埋深及大致走向，分别沿着通楹街和锦江大道布置了2条测线，分别为WT1-WT1′和WT2-WT2′，测线长度都为700 m。

3.2 数据采集

OCTEM野外数据采集使用的是中南大学席振铢教授团队研发的HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统，采用该系统进行野外数据采集之前，应通过试验选择发射频率和叠加周期的选择。HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统的发射频率一般可选择25 Hz、6.25 Hz和2.5 Hz，频率越低，勘探深度越大。根据本次200 m的探测深度,选择发送频率为2.5 Hz。叠加周期的选择与周围的噪声干扰大小有关，通过现场试验得出，叠加周期选择400既能有效压制外部干扰，又能兼顾工作效率。点距选择为20 m。数据采集时，天线尽量水平放置，主机、操作PC和人员应与天线和保持一定距离，当测点附近存在井盖及电线的时候，应适量调整测点的位置。

MSM勘探采用德国Summit X One地震仪，配合采用西安石油勘探仪器总厂检波器分厂生产的SN4-2 Hz低频检波器作为拾振器。为确保野外数据可靠有效，在进行实质性勘探之前须根据工点情况对微动探测的相关参数(主要包括：台阵类型、台站数目、台阵规模、记录时间和采样间隔)进行野外试验，并优选出合适的采集参数，同时还须进行仪器一致性试验。

根据工区特点和前期参数试验，本次微动法野外数据采集采用最大外接半圆半径为10 m的4层嵌套三角形台阵，台站数为13个，在干扰小的位置记录时长为10 min，干扰大的位置为2 min，采样间隔为2 ms。受工区地面建筑的影响，有时台阵的布设不能保证为一个规则的圆形，为减少干扰，多采取夜间采集。

3.3 数据处理

OCTEM的数据处理采用专用配套软件HPTEM DataProcess，通过对原始数据资料进行预处理、单点编辑、地形校正、拟二维反演等过程，得到带地形的二维反演数据，通过Surfer等成图软件进行编辑修饰，生成二维的视电阻率剖面图，最后综合已知地质及钻探资料得到电学地质断面图。OCTEM数据处理流程详见图1。

图1 OCTEM数据处理流程Fig.1 Flow chart of OCTEM data processing

MSM的数据处理过程主要为3个部分：预处理、提取频散曲线和计算地层速度结构。本次采用骄佳技术公司面波地震数据处理软件Geogiga Surface Plus对采集来的数据进行处理，最后通过反演得到S波速度剖面图。MSM数据处理流程见图2。

图2 MSM数据处理流程 Fig.2 Flow chart of MSM data processing

4 探测结果及解析

4.1 WT1—WT1′测线

WT1-WT1′测线物探成果见图3。图3(a)为OCTEM反演电阻率断面图，图3(b)为MSM反演S波速度断面图。

由图3(a)可知，OCTEM反演电阻率断面图横向上连续性较好，且垂向上电性分层明显，电阻率随着深度的增加呈由低到高的规律性变化。在344～395 m位置存在一个向下延伸的低阻异常带，为岩性破碎的电性反映。由图3(b)可知，MSM反演S波速度断面图横向上差异较大，S波速度随着深度的增加而变大，在341～393 m位置存在一个向下延伸的低速带。比较2种物探方法的成果图，可以看出2种方法的岩性反应基本吻合，都符合成都地区由第四系覆盖层—强风化层—弱风化层的地层组合的结构特征。综合以上物探结果，判释WT1-WT1′测线341～395 m处为包江桥断层破碎带位置，埋深约20 m。

图3 WT1-WT1′测线物探成果Fig.3 Geophysical prospecting results of WT1-WT1′line

4.2 WT2—WT2′测线

WT2-WT2′测线物探成果见图4，图4(a)为OCTEM反演电阻率断面图，图4(b)为MSM反演S波速度断面图，因为周围环境影响MSM勘探只做了180～700 m段。

图4 WT2-WT2′测线物探成果Fig.4 Geophysical prospecting results of WT1-WT1′line

由图4(a)可知，OCTEM反演电阻率断面图横向上连续性较好，且垂向上电性分层明显，电阻率随着深度增加呈由低到高的规律性变化。在350～390 m位置存在一个向下延伸的低阻异常带，电阻率值小于600 Ω·m，相较于周围岩体，该处岩体破碎。由图4(b)可知，MSM反演S波速度断面图横向上差异较小，S波波速基本呈层状分布，且随着深度增加而变大，在350～390 m位置存在一个向下延伸的低速带。综合分析2种物探方法的成果图，可以看出2种方法在同等深度内的岩性反应较吻合，符合成都地区由第四系覆盖层—强风化层—弱风化层的地层组合的结构特征，判释WT2-WT2′测线350～390 m处为包江桥断层破碎带位置，上断点埋深约20 m。

4.3 综合物探结果分析

综合分析2条测线的综合物探成果，与以往地质资料[14]进行对比分析得出包江桥隐伏断层参数(表2)。

表2 包江桥隐伏断层参数

图5中物探测线垂直或大角度相交断裂布置，蓝色为以往地质调查断裂的走向，红色为本次物探勘探确定断层走向，断层走向基本一致。本次探测成果显示包江桥隐伏断层倾向南东，倾角为72°～80°，破碎带宽度为25～48 m，与以往地质调查的结果基本吻合。

图5 包江桥隐伏断层新旧资料对比Fig.5 Comparison of new and old data of Baojiangqiao hidden fault

5 结 论

1)在成都市地下空间地质调查包江桥隐伏断层探测中，应用OCTEM和MSM这2种物探方法，探测成果反映的断层位置基本一致。 结合2条测线的成果，确定了包江桥断裂的确切位置、破碎带宽度、埋深、倾向和走向，通过与以往地质调查资料对比，各项参数基本吻合。验证了OCTEM和MSM联合探测城市隐伏断层的组合方式是有效的。

2)对比2条测线的OCTEM和MSM成果断面图，断层破碎带的物性反映都为向下延伸的低阻带或低速带。相较于OCTEM的成果，MSM的浅部信息更丰富，更能有效地反映实际地质情况。

3)OCTEM和MSM在城市地质调查工作中，施工方便，工作效率高，是城市地质调查工作中值得应用的无损、绿色、高效的物探方法。

4)MSM的探测深度与台阵的外接圆半径密切相关，半径越大，探测深度越大，但是在复杂城区环境下，台阵的布设会遭遇许多地面建筑的阻碍，因此应用MSM在城区施测时探测深度往往会受到抑制而大打折扣。

5)OCTEM野外施测灵活，但是城区强电磁干扰还是会引起衰减曲线畸变，在野外需做好记录，室内处理时将因电磁干扰的畸变点进行剔除或编辑，以得到真实的地质反映。