综合物探技术在城市地下空间探测中的应用

陈 挺，余 舟，庞有炜，严 迪，武 斌，冯化鹏，郑福龙，张 鸥

综合物探技术在城市地下空间探测中的应用

陈 挺1,2,3，余 舟1,2,3，庞有炜1,2,3，严 迪1,2,3，武 斌1,2,3，冯化鹏1,2,3，郑福龙1,2,3，张 鸥1,2,3

（1.四川省地质矿产勘查开发局物探队，成都 610072；2.四川省地球物理勘查研究院，成都 610072；3.武斌劳模专家创新工作室，成都 610072）

通过对以往开展的“成都市城市物探”项目电测深原始资料进行二次开发利用，同时结合“成都市城市地下空间资源地质调查Ⅳ标段”在中心城区开展的地震工作成果，为构建成都市中心城区300m以浅地层分层结构模型提供依据。首先对收集的钻孔资料及对应物性特征进行对比分析，第四系以及基岩共划分为5个电性层、7个波速层；然后利用K剖面法，对测深点的视电阻率曲线和K值曲线与对应的钻孔岩性进行定性分析，建立不同形态电测深曲线与地层层位的对应关系；最后利用AGI1D反演软件，将反演解释的不同电性标志层位与钻探成果进行对比分析，认为电测深定量反演解释结果可靠，能准确的识别富水砂砾卵石层厚度和膏盐（石膏）层的顶界面。在对电测深资料定性和定量分析的基础上，结合地质钻孔、测井资料、二维浅震解译成果，综合解译地质层位。从而实现以电测深成果作为存量物探数据建立概略地质模型，以二维浅震勘探成果和钻孔资料作为增量物探数据，在部分地段对地质模型进行精细化分层，从而弥补二维浅震和钻探空白区地质模型精度不足的缺陷。

综合物探；二次利用；电测深；二维浅震

随着城市建设快速发展，城区面积急速扩张，人流、车流急剧增加，电（磁）法勘探在城市施工时，电磁波、金属电缆、金属管线等强干扰不可回避，遇到的诸多干扰因素导致采集的资料精度受到影响，因此对以往采集的区域电测深资料的二次开发利用就显得尤为重要。成都市城市物探项目电测深工作开展于上个世纪九十年代，当时已建城区范围、人文干扰均小于现今，工作比例尺1∶5万（测网1km×1km），覆盖了成都市中心城区东南部，包括双流、新都、龙泉大部分范围，控制面积1200km2。

地下岩土体地球物理特征各向异性，使得精确识别特定地质体具有很大的难度。电测深法以岩石的电阻率为研究对象，能反映出测点地下各深度岩石电性变化情况，但所测得的电阻率既不是浅部某岩层的电阻率，也不是深部某层的电阻率，而是AB两电极内一定深度范围多岩层电阻率的综合反映。利用电测深资料进行地层划分，其关键还在于电性的差异性。电性差异明显时划分精度高，当电性差异不明显时，需要多种方法的综合解释。二维地震从弹性的角度去反映地下的情况，反射波法则主要利用反射波相位的时空特性来推测解释地下构造。由上可知，地震和电测深法各有优缺点，二者结合起来，则能优势互补。恰当的运用这两种方法，能从不同物性角度研究工区地质层位的空间的分布特征（邓起东等，2003；赵成斌，刘保金，1998;段佳松，1999；赵国敏等，1993；曾国等，2009；凌丹丹，薛胜利，周少伟，2019；田少兵等，2019；刘多朝，赵聚林，2005；刘则制，1988；吴子泉等，2005；龙作元，2006；刘则制，张秉书，1990；曹莉苹等，2019）。因此重新开发利用存量电测深数据资料，并结合现今开展的地质、钻探、地震勘探成果构建地质模型，有利于提高勘探空白区地质模型精度。

1 研究区地质概况

研究区包括成都市中心城区、高新西区、高新南区。

区内地层由老至新如下：

（1）前第四系地层：有中生代侏罗系蓬莱镇组及白垩系天马山组、夹关组、灌口组。其出露受地质构造控制，为一套红色、紫色细粉砂岩与泥岩呈不等厚互层。

（2）第四系地层：分布于龙泉山以西广阔的台地和平原区，全新统至下更新统地层齐全，厚度由西向东变薄，温江地区厚达300余米，东部台地一般数米至20余米。

下更新统为一套冰积—冲积杂色砂砾卵石层，密实至半胶结，内含半胶结砂层透镜体和半胶结砾岩透镜体；中更新统上段为一套冰水冲积层，其上部为网纹红土，含少量砾石及铁锰结核，下部为泥砂砾卵石层；上更新统为一套冰水冲积层，上部覆盖l～4m厚的粘质砂土，砂质粘土，其余为砂砾卵石层；全新统沿河道两侧分布，构成漫滩及一级阶地。平原区为冲积、冲洪积成因，上部为粘质砂土，有铁质侵染，下部为砂砾石层，夹砂层透镜体。台地区主要分布于龙泉山山前平坝，沟槽河道，以坡冲积为主，表层为砂质粘土，粘质砂土，下部为泥砂夹卵石层。

2 工作方法

2.1 电测深

电测深勘探方法是在地面的一个测深点上(即MN接收电极的中点)，通过逐次加大供电电极AB，测量同一点、不同AB极距的视电阻率值，研究这个测深点下不同深度的地质断面情况。电测深勘探使用的观测仪器是DDC-2A、DWJ-1型电法仪，采用对称四级装置，供电、测量极距见表1。

表1 电阻率测深装置电极排列 单位：m

本区电测深曲线类型主要有K型、KQ型、G(A)型、H型、HA型等。不同类型电测深曲线，是地质层位的客观反映，根据电测深曲线类型、特征点可判断地层的迭置层序、岩性、厚度。通过电测深曲线与对应钻孔的分析，认为成都平原电测深曲线所显示的电性层与地质层位对应关系好、规律性强。

2.2 二维浅层反射地震

浅层反射地震法是在地表测线上或浅井中人工激发地震波，地震波向地下传播的过程中，遇到波阻抗不同的地层或构造界面时，产生反射波、折射波、透射波，地震波传播路径、振动强度和波形等将随所通过的介质的结构和弹性性质的不同而变化，反射波在波阻抗界面处将按照反射角等于入射角的规律返回地面，在地面按照一定的测线接收并记录反射波引起的地面振动的情况以及波从震源出发至地面各接收点的传播时间，根据反射波的旅行时、振幅、频率、相位、速度等参数，可对地层结构和地质构造进行推断解释。

本次工作在中心城区布置的反射地震剖面共计236.85km。为合理选择施工方法和采集参数，项目组在生产前进行了严格的施工参数试验。中东部浅覆盖区点距为2m，西部深覆盖区选择点距3m，炮点距9m。二维浅层地震工作采用共中心点多次叠加法，中间激发，两侧接收，其中满覆盖次数为40次，接收道数为241道。

3 地球物理特征

3.1 物性资料分析

从物性参数统计表（表2）来看，第四系及白垩系中以上更新统上段的含泥砂砾卵石层和富含膏岩层泥岩电阻率幅值最高，影响其电性差异的主要颗粒大小和松散程度，中深部的泥质砂砾卵石层由于泥质含量的增大，压实程度加大，导电性有所上升，电阻率略呈下降趋势。基岩中风化层视电阻率较低，随风化程度不同幅值有所上升。

表中电阻率参数来源于以往的孔旁电测深、电测井、电测深曲线平坦段的渐近线值以及电性特征明显的电测深曲线的定量解释成果，从上述途径获得的电参数值，通过统计得各岩性层电阻率均值及常见变化范围值。波速随深度增加整体呈逐渐上升的趋势，只有中下更新统地层波速略有下降，但该层位的波速在近地表所测，当其处于埋藏型且上覆第四系厚度较大时，结构的压实程度会与地表有较大的区别，波速可能会较大，因此推测第四系的波速整体呈逐渐升高的特征。

表2 物性参数统计表

3.2 物性标志层划分

通过对物性统计表分析，在基岩面以上，共划分为5个电性层，其详细对比分析如表3所示。其中第一、第二与第五电性层均表现为低阻特征，与测井资料对比分析认为的浅表填土，粉砂质粘土以及深部风化基岩相对应，第三、第四电性层主要表现为中高阻特征，Qp1-2al、Qp1均为砂砾卵石土地层，在电阻率上差异较小，主要通过钻孔与测井资料进行标定校正。

表3 地层岩性与电性特征分析表

结合收集的剪切波速度资料，本区第四系波速与卵石层的压实程度有关，总体表现为卵石层结构越密实，波速越高的特征。根据表4所示，第一、第二与第三波速层均表现为低速特征，可以根据测井剪切波速度对层位进行约束和细分，第三、第四与第五波速层主要表现为中速特征，主要根据微动方法探测的波速差异来区分，第六、第七波速层主要表现为高速特征，且埋深较大，主要利用二维浅震来进行识别。

表4 地层岩性与波速特征分析表

4 电测深成果推断解释

4.1 定性分析

电测深数据常用的分析方法主要有视电阻率量板法和K剖面法。K剖面法突破了常规的视电阻率量板法的思路，建立了一整套的数值处理方法，克服了对称四级电测深法的应用受水平层状条件的限制，它是对已有电测深资料进行一次高通滤波，从而放大、突出了局部异常，压制了低频背景异常。K剖面法是视电阻率的二次专用标志，但仍受等值原理的影响（张宏，1996；敬荣中，林剑，肖志强，2002；夏建平，1991；陈树金，1990）。本次电测深资料与钻孔成果的定性分析使用主要使用视电阻率和反射系数K值异常。

图1 钻孔ZK11与点692/95电测深曲线对比分析图

图2 钻孔GC-ZK12 与点708/117 电测深曲线对比分析图

图3 699/096测点不同软件反演结果对比图

据收集的各标段钻孔资料知，膏盐层集中分布于30～120m深度。通过对比钻孔与电测深曲线对应关系图知（图1）。钻孔ZK11对应测深点692/95（K型），钻孔钻遇的膏盐层对应K型电测深视电阻率曲线极大值下降段，K曲线极小值分布区。这是由于K型视电阻率曲线分布区沉积有上更新统Qp3-QhZ地层和下伏Qp1-2al中高阻的泥砂砾卵石层，因此K型视电阻率曲线K极小值点对应了上更新统Qp3-QhZ泥砂砾卵石层。而显示中阻特征的膏盐层位于低阻的灌口组地层中，因此膏盐层的视电阻率曲线呈现出由高值向低值过渡的特征。

钻孔GC-ZK12分布在台地区，其对应电测深点的曲线类型为G型（图2）。通过对比钻孔与电测深资料知，钻孔钻遇的膏盐层对应G型电测深视电阻率曲线极小值上升段，K曲线的缓慢上升段。G型电测深曲线表层低阻层对应了成都粘土，曲线快速上升反映了中高阻的膏盐层沉积特征，深部缓慢升高的曲线反映了基底砂岩的电性特征。通过反射系数法对电测深原始数据进行处理以后，放大了深部异常，结合实际的地质情况可以判断深部高阻层位性质。

4.2 定量分析

（1）一维反演

电测深数据目前常用的反演方法有特征点法、电阻率直接反演法、正演拟合法、电阻率一维自动反演法等。电测深数据的二维反演主要针对高密度测深数据，而对于常规的激电测深则很少涉及（孙仁斌等，2017；刘海飞，阮百尧，吕玉增，2007；李兆祥等，2015；阮百尧，徐世浙，1996；王兴泰，李晓琴，孙仁国，1996）。

本次对电测深资料的处理选择了两种一维反演软件进行了对比分析。图3比较IX1Dv3软件和AGI1D软件对Qp3-QhZ高阻砂砾卵石层的识别效果。尤其是浅部存在Qp3-QhZ地层和Qp1-2al地层时，AGI1D软件分层更精细，能够精确识别Qp3-QhZ的底界面，而IX1Dv3软件将Qp3-QhZ和Qp1-2al地层混成一层，很难有效识别。

图4比较两种软件对含膏盐高阻层位顶界的识别效果。当膏盐上部存在高阻砂岩层时，由于膏盐和砂岩层的电阻率相当，两个软件都显示为高阻层，但AGI1D软件能在高阻层内部进一步细分，能对膏盐层顶部进行有效识别。由于AGI1D反演结果能确定异常体的空间分布范围，反演得到的电阻率更接近真值。因此本次电测深资料定量解释选择分层精度更高的AGI1D软件。

（2）一维反演精度分析

表5 钻探与反演解释结果对比表（Qp3-QhZ砂砾卵石层厚度）

表6 钻探与反演解释结果对比表（膏盐层顶界面）

通过选取钻孔附近的测深点进行反演，将反演解释结果与钻孔揭示结果进行比较，钻探与解释结果接近，其误差多分布在10%以内（表5、表6）。故认为电测深定量反演解释结果可靠。

图4 715/117测点不同软件反演结果对比图

5 井震约束识别含膏盐层

含膏盐层在测井曲线上表现为“三高、一低”的特征，即低自然伽马、高波速、高电阻率、相对高密度，工区内膏盐层厚度较薄，多为白垩系灌口组砂泥岩中的夹层。在自然伽马和视电阻率测井曲线上，表现为低自然伽马、高电阻率、高波速特征。从现有钻孔统计的成果来看，工区内含膏盐层的自然伽马值主要集中在40API左右；纵波可达到4.53km/s之间；密度值主要集中在2.36～2.58g/cm3；电位电阻率46～55Ω·m之间。

通过高波速拾取技术圈定地震剖面含膏岩层，其中纵波速度明显高于其他岩性地层，在地震勘探中高速度层将形成强反射界面，通过钻孔约束标定地震层位，通过高波速拾取技术可有效地在整段剖面中识别出含膏盐层，形成由地质钻孔-物探综合剖面-三维空间分布的一套“点-线-面”膏盐分布范围图。

6 剖面解释

本次解释剖面主要包括沿地震剖面走向抽取电测深点新形成的剖面和地震剖面空白区已完成的电测深剖面。

（1）2号剖面（抽取电测深点新形成的剖面）

2号地震剖面西起武侯区通江试验学校，东至武侯大道三河段中欧奔驰房车专卖店，测线方位近似133°。在外业施工时由于街道路口等限制，分成三段来完成。结合钻孔及区域地质资料解释推测出夹关组、灌口组底界面及地表第四系覆盖层，其中灌口组上段强反射层揭示了膏盐层的存在。

图5 SWZK08钻孔综合测井曲线图

根据地震同相轴错段以及视电阻率高低阻过渡带特征，同时结合反演曲线显示的深部高阻层位的错段标志，推测在电测深测点650/97和690/96附近存在断裂构造，分别为新津-德阳隐伏断裂和簇桥断裂。

从电测深视电阻率断面图来看，650/97号测点中浅部呈大片高阻异常，是砂砾卵石层电性特征响应。702/96号测点附近浅部为串珠状高阻异常，中深部为低阻异常，据该点附近的ZK12钻孔资料显示，深部存在富集的膏盐层位。断面图未能清晰显示这个高阻层位的存在，这可能是由于浅部的高阻屏蔽作用，导致深部的高阻异常较弱，无法在视电阻率断面图上进行区分，但据一维反演结果知，在该点深部存在一层相对高阻层位，这可能是膏盐富集区的反映，可见通过一维反演减小了纵向高阻叠加地质体体积效应的影响，结合地震资料解释成果能够对地下地质体进行精细分层。

由电测深反演结果知，本区的电性在垂向上大致呈低-高-低-高-低的特征，据钻孔资料显示，本剖面浅部为第四系砂砾卵石层，深部基岩地层主要为白垩系灌口组，以泥质粉砂岩为主，夹有粉砂质泥岩，认为浅部高阻体主要是富水砂砾卵石层的电性特征响应，该层厚约20～25m。深部高阻体主要为灌口组膏盐层富集地段的电性特征响应，由于电测深资料深部的供电极距较稀疏，很难对膏盐层富集地段底界面进行精确解释，膏盐层的底界主要结合地震成果来划分。

（2）114号剖面（地震剖面空白区已完成的电测深剖面）

114号剖面西起新都区北星大道一段保利大都汇，东至龙泉驿区太平路烂冲堰，测线方位135°。根据地质和钻孔资料，该剖面地表为一层人工填土，未见基岩地层出露。据视电阻率断面图，在640号测点附近，电阻率在横向上呈现高-低-高的过渡特征，中浅部高阻层发生明显错位，电性特征与两侧有明显差异，推测为毗河断裂的电性响应。

图6 2号剖面综合解释结果图

由电测深反演结果知，本区西部电性在垂向上大致呈低-高-低-高的特征，东部电性在垂向上大致呈低-高-高-低的特征。结合钻孔和地质物性资料，西部高阻层主要为富水砂砾卵石层和灌口组膏盐层富集地段的电性特征响应，富水砂砾卵石层厚约10～20m。东部高阻层主要为深部灌口组膏盐层富集地段的电性特征响应，膏盐层上顶埋深约50～60m。

图7 114号剖面综合解释结果图

7 结论

通过对研究区内2 条剖面进行分析，在二维浅震剖面处，结合电测深浅部精细解释成果，推断出二维地震剖面所在位置300m以浅地层岩性结构；在二维浅震剖面空白区，电测深资料受到极距增大，数据量减少，且灌口组与其下伏地层岩性均为砂泥岩，电阻率差异较小，深部反演层位较粗略，实际推断出200m以浅地层岩性结构，弥补了二维浅震空白区地质模型精度不足的缺陷。另外，部分钻孔电测深反演误差较大，主要是由于膏盐层上部沉积的密实卵石层厚度较大，密实卵石层和膏盐层均表现为高阻特征，降低了电测深数据的纵向分辨率。同时由于膏盐层埋藏较深，深部界面解释精度受反演纵向剖分层数和AB/2极距间隔大小的影响较大。在今后工作中，可以根据研究目标层的埋深范围，选取合适的AB/2极距间隔，以提高反演解释的精度。

总的来说，通过将电测深反演结果与钻孔资料进行对比分析，认为电测深定量反演解释结果可靠，从而实现以电测深成果作为存量物探数据建立概略地质模型，以二维浅震勘探成果和钻孔资料作为增量物探数据，实现了对地下地质体的精细化分层。

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The Application of Integrated Geophysical Exploration Technology in Urban Underground Space Exploration

CHEN Ting1,2,3YU Zhou1,2,3PANG You-wei1,2,3YAN Di1,2,3WU Bin1,2,3FENG Hua-peng1,2,3ZHENG Fu-long1,2,3ZHANG Ou1,2,3

(1-Geophysical Exploration Team, SBGEEMR, Chengdu 610072; 2-Sichuan Institute of Geophysical Exploration, Chengdu 610072; 3-WU Bin Labor model expert Innovation Studio, Chengdu 610072)

The secondary development and utilization on the original data of electric sounding of “urban geophysical exploration of Chengdu” project and the results of seismic work of block Ⅳ of “geological survey of urban underground space resource of Chengdu” project lay the foundation for the construction of 300 m shallow stratified structure model in downtown Chengdu. Firstly, the Quaternary and bedrock are divided into 5 electric layers and 7 wave velocity layers based on the borehole data and corresponding physical characteristics. Secondly, the corresponding relationship between different morphologic sounding curves and stratigraphic horizon is established by the use of K section method on the basis of the apparent resistivity curve and K value curve of sounding point and qualitative analysis of the corresponding borehole lithology. Finally, the inversion interpretation of different electrical markers and drilling results are compared and analyzed by means of the AGI1D inversion software. The inversion interpretation results of electric sounding can accurately identify the thickness of water-rich sand gravel layer and the top interface of gypsum layer. Comprehensive interpretation of geological horizon is carried out on the basis of qualitative and quantitative analyses of electric sounding data in combination with geological drilling, logging data and two-dimensional shallow seismic interpretation results. A general geological model is established by the use of the results of electric sounding as the data of stock geophysical exploration. The geological model in some area is refined and stratified by means of the results of two-dimensional shallow seismic exploration and borehole data as incremental geophysical data which makes up for the deficiency of precision of two-dimensional shallow earthquake and drilling blank area.

comprehensive geophysical prospecting; secondary utilization; electrical sounding; two dimensional shallow earthquake

P631.3+4

A

1006-0995（2022）02 -0305-08

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.02.024

2021-05-12

中国地质调查局项目（DD20189210）；成都市国土资源局采购项目（5101012018001004）联合资助

陈挺（1984— ），男，四川绵阳人，硕士研究生，高级工程师，从事地球物理调查工作