综合物探方法在武汉市水域地质调查中的应用效果分析

2023-01-03王斌战刘文光周世昌全浩理郭光宇张祎然

资源环境与工程 2022年6期

王斌战，邱波，刘文光，周世昌，刘磊，全浩理，郭光宇，张祎然

(1.湖北省地质局地球物理勘探大队，湖北武汉 430056； 2.资源与生态环境地质湖北省重点实验室，湖北武汉 430034；3.武汉市测绘研究院，湖北武汉 430022)

武汉市地处长江与汉江交汇处，河港沟渠交织，湖泊库塘密布，形成以长江为干流的庞大水网。武汉境内水面总面积为2 117.6 km2，占全市总面积的25%，水面率居中国各大城市之首[1]。随着武汉市经济社会的快速发展，城市地下空间利用、生态治理、河湖保护等需求大幅增加，探测水域下方的地质情况显得十分必要[2]，而在各种探测手段中，水域物探是其中相对高效、便捷、绿色的一种。

水域物探起步于石油勘查等领域，近年来在工程建设、能源资源勘查等方面的应用得到快速发展，其方法、设备、解译技术等不断更新，应用场景从海域、沿海地区逐渐向内陆水域拓展。水域物探方法较多，根据不用的应用场景，可选择不同的物探方法及其组合。通过对以往水域物探工作的搜集整理，发现应用较多的水域物探方法有水上地震、浅地层剖面法、探地雷达、高密度电法等[3]。水上地震是应用最多的水域物探方法，常用于沿海桥梁、港口等工程勘察工作[4-6]，例如在港珠澳大桥桥隧主体工程勘察中，利用水上地震清晰地揭示了水下地层、风化槽和断层的分布情况[6]。浅地层剖面法在探测水下淤泥层、砂层、风化层等方面具有很好的效果[7-9]，例如在埋藏型海砂勘查中，利用浅地层剖面法排除泥层间接探砂，有效提高了找砂成功率[9]。探地雷达以往主要应用于陆上探测，由于其较高的探测精度，将其应用于水下淤积层、遗址、滑坡等探测也获得了较好的探测效果[10-12]，例如在黄土丘陵山区水库除险加固工程中，利用探地雷达准确获得了水库坝前淤泥层的厚度数据[12]。高密度电法利用地下地质体的电性差异解决各种地质问题，在探测水底低阻构造带、地层界线及基岩面起伏情况上效果显著[13-15]，例如在西气东输管线工程勘察中，利用高密度电法准确显现了水域卵石区基岩面深度及起伏形态[15]。

武汉市水域面积大，水下地质情况较复杂，以往开展的水域探测工作所采用的方法相对单一。在长江桥梁、隧道工程勘察方面，主要采用水上地震探测，用于水下地层、断层等地质情况的推断[16-17]；在广大的湖泊区域，主要采用水上钻探进行水下地质情况的探测[18]。但是，在长江上采用水上地震探测时，由于该方法本身的缺陷，并不能准确划分水下砂层的厚度；同时，靠近长江两岸的区域，由于水深限制等影响，水上地震探测效果也可能不佳。而在湖泊上采用水上钻探时，存在成本高、有污染、可能遗漏水下异常等不足。因此，针对武汉市水域的特点，总结一套适用于不同水域的物探方法(组合)十分必要。

为此，本文通过对水上地震、浅地层剖面法、探地雷达、高密度电法四种方法进行简要总结，选取武汉市代表性的水域开展物探试验，分析这些物探方法在不同水域的适用性和探测效果，最终总结出适用于不同水域的物探方法及其组合，服务于武汉市水域地质调查工作。

1 试验区选择

武汉市水域主要分为江河、湖泊、湿地三类，均有不同的水文特征，如以长江、汉江为代表的河流，其水深较深、水体流速快，其中长江水深一般在十几米左右，航道位置水深能达到20 m以上；以东湖、后官湖为代表的湖泊，其水深较浅、水体平静，平均水深<3 m；湿地主要包括河湖滩头、水田等，其水深浅，一般只有几十厘米，并且随季节发生变化，干旱期会变成陆地。本次试验水域主要考虑江河和湖泊两种类型，选择长江、汉江、后官湖三处水域进行物探方法的研究。

2 水域物探方法介绍

本次选择水上地震(地震映像法)、浅地层剖面法、探地雷达、高密度电法四种水域物探方法进行对比分析。

2.1 水上地震(地震映像法)

2.1.1方法特点

地震映像法是一种基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的浅地层探测方法，其利用水中无面波干扰的特点，采用小偏移距或等偏移距、单点高速激发、单点或多点接收等功能，经过实时数据处理，密集显示波阻抗界面，以再现地下地质结构等[4]。该方法是水域物探中应用最多、最广的，其优点是设备结构相对简单、水上施工环境限制少、所受干扰相对较小，而且在野外可以及时了解探测效果，缺点是探测深度受震源、水下物质成分的影响较大。

2.1.2采集技术

本次试验采用电火花震源和定制的串式检波器，其接收频率范围为5～60 kHz。将水听器放置于水下1 m位置，电火花震源置于探测船船尾。考虑到震源对水听器的影响等因素，将偏移距设定为10 m。经野外多次调试，在兼顾激发间隔时间和施工安全的前提下，选择串联4个储能箱，将充电时间设定为4 s，水下激发电压控制在4 000 V左右，输出能量约4 000～5 000 J。

2.1.3数据处理流程

数据采集后，采用骄佳技术公司(Geogiga Technology Corp.)研发的地震数据处理与解释软件包Seismic Pro进行数据处理，主要处理步骤为：预处理→频谱分析→常规滤波处理→静校正→反褶积→绘制地震剖面。

2.2 浅地层剖面法

2.2.1方法特点

浅地层剖面法是一种利用声波反射原理，以连续走航方式对水下浅部地层进行精细探测的方法[7]，主要用来识别水下浅部松散沉积层的结构、分层与地质构造等情况。该方法的工作频率一般为200～4 000 kHz，因此对浅地层的分辨率较高，同时还具有信号高重复性、激发高速率等优点，其局限性在于因高频信号在地层中衰减较快，导致其穿透深度受较大影响。

2.2.2采集技术

开展浅地层剖面法探测时，将浅地层剖面仪声学单元的水下数据采集部分(拖鱼)固定在探测船船侧水下1.5～2 m的位置。将仪器固定好后，打开并调试该仪器，保证仪器各部分工作正常；然后设置好工作参数，当仪器监视屏幕上有清晰的水下反射图像后，再开始采集数据。

2.2.3数据处理流程

数据采集后，采用设备配套的软件进行数据处理，数据处理步骤为：数据预处理→振幅补偿→噪声压制(带通滤波、FK域信号增强、相邻道加权相加)→反褶积→随机噪音衰减→剖面输出。

2.3 探地雷达

2.3.1方法特点

探地雷达是一种能迅速、无损地探测地下地质结构及隐伏目标体的有效方法[10]，在浅部探测中应用非常广泛。应用探地雷达探测水下目标体时，主要采用100 MHz以下的低频屏蔽或非屏蔽雷达天线，可以得到水体表层以下10 m以浅的精细地层结构，有效弥补水上地震等方法在浅水域的探测盲区。

2.3.2采集技术

为完成探地雷达水上数据采集，本次试验定制了PVC板材小船，施工时将天线(100 MHz探地雷达屏蔽天线)置于船体中，并将该船固定在机动船的侧面或后面，进行水上拖动施工。根据现场测定的信号强度和工作所需的探测深度要求，选择雷达探测窗口为600 ns，采样率为1 024，采用连续测量方式施工。施工时机动船行进速度为1 m/s。

在数据采集前，需进行系统自检校验，设置好工作参数；行驶到平静水域后，根据信号强度设置好信号增益，再开始采集数据。

2.3.3数据处理流程

数据采集后，采用设备自带的数据处理软件进行数据处理，数据处理步骤为：去除直达波→带通滤波→偏移归位→增益处理(包括水平增益、平滑增益、自定义增益)→其他处理(消除随机噪声、改善背景等)→图像导出。

2.4 高密度电法

2.4.1方法特点

传统的高密度电法的工作环境是陆地地表，近年来随着高密度电法技术的进步，已经发展到可以在水上、水底和钻孔内采集数据。水上高密度电法是将电缆静置于水上或水底，对水下目标进行测量的方法[13]。该方法有较强的抗干扰能力，但是由于需要布设较长的电缆且采集时间较长，所以对施工环境有较高要求。

2.4.2采集技术

本次试验选择普通集中式电缆，供电电极60道，供电电源选择电压可调的锂电池电源，电压可调范围为50～450 V。野外施工时，将电缆的接头和电极部位采用防水胶带包扎好，分段捆绑气囊使其浮于水面，并用缆绳进行固定，防止电缆在采集时间段内随水波漂动。

试验时选择温纳β装置、三极装置等多种观测装置进行对比测量。根据现场情况选择150、300 V电压档位供电。数据采集前检查电极接地情况，保证良好的接地效果。野外施工时供电电流>100 mA，保证优异的数据采集质量。

2.4.3数据处理流程

数据采集后，采用高密度电法数据反演软件RES2DINV进行处理，数据处理流程一般为：原始数据的突跳点剔除和数据连接→正反演处理→生成反演数据→数据网格化并制作二维成果图件。

3 武汉市水域物探应用效果分析

3.1 物性特征

收集试验区所涉及的岩土和介质的弹性波速等物性参数，汇总统计于表1。由表1可知，各岩土的密度、弹性波速、介电常数、电阻率均存在显著差异，为物探方法选择和数据解释提供了基础参数。

表1 武汉地区岩土及介质物性参数统计表Table 1 Statistical table of physical parameters of rocks,soils and medium in Wuhan area

3.2 湖泊物探应用效果分析

3.2.1后官湖测线地质特征及测线布设

后官湖位于武汉市蔡甸区境内，属浅水型淡水湖泊。该试验区测线位置的水深一般为2～3 m，最大约5 m；水体下方分别分布厚0～1 m的淤泥层和厚7～20 m的黏土层，再往下为基岩，岩性主要为泥盆系石英砂岩和志留系泥质粉砂岩、泥岩等。

本次在该试验区进行了高密度电法、探地雷达、浅地层剖面法三种物探方法的对比分析。由于所选地质剖面(图1)所在部位为其他设施所占用，无法进行物探测线布设，因此在与地质剖面相距约25 m的位置平行布设测线。地质剖面长530 m，分布有8个已施工钻孔(均打穿基岩)，地质结构较清晰(图1)。物探测线总长445 m，在整条测线上布置探地雷达探测，其0～445 m段对应地质剖面的50～495 m段；在测线中间位置布置高密度电法探测，其0～300 m段对应地质剖面130～430 m段；也在测线中间位置布置浅地层剖面法探测，其0～193 m段对应地质剖面90～283 m段。

3.2.2后官湖测线高密度电法探测成果

将高密度电法测量数据进行处理，得到高密度电法成果解释图(图2)。采用温纳β装置的高密度电法剖面与地质剖面130～430 m段对应，采用三极装置的高密度电法剖面则对应地质剖面的230～323 m段。

结合高密度电法(温纳β装置)成果解释图(图2-a)和地质剖面图(图1)可以看出，剖面上各区域电性特征差异明显，表层的中—低电阻率区域为水体的反映;中部的低电阻率区域为黏土层的反映;下部左侧的中电阻率区域为志留系泥岩、泥质粉砂岩的反映,下部右侧的高电阻率区域为泥盆系石英砂岩的反映，下部两种不同电性区域的接触面应为断层，断层倾向泥盆系石英砂岩一侧。在图2-a表层中间部位存在一处高电阻率区域，是水上塑料浮筏的反映。

图1 后官湖试验区地质剖面图Fig.1 Geological profile of Houguan Lake test area

a.采用温纳β装置；b.采用三极装置图2 后官湖试验区高密度电法成果解释图Fig.2 Interpretation diagram of high density electrical method in Houguan Lake test area

由图2-a可知，采用温纳β装置进行高密度电法探测时，获得了良好的地层分层效果，并且对断层倾向的反演结果与地质剖面一致。而采用三极装置进行高密度电法探测时，地层分层效果较差，尤其是对断层倾向的反演结果与地质剖面存在较大差异(图2-b)。由此可知，温纳β装置探测精度高，而三极装置探测精度较低，但探测深度相对较大，可以弥补前者探测深度不足的问题。因此在湖泊区域开展高密度电法探测时，可采用两种装置相结合的方法，以便同时满足探测精度与深度的要求。

3.2.3后官湖测线探地雷达与浅地层剖面法探测成果

后官湖边部区域水深较浅，浅地层剖面仪的探头几乎处于触底状态，因此仅将浅地层剖面测线(长193 m)布设于探地雷达测线的中间位置，即对应探地雷达测线40～233 m段和地质剖面90～283 m段。将两种方法采集的数据进行处理后，分别得到后官湖测线探地雷达成果解释图(图3)和浅地层剖面法成果解释图(图4)。

由图3可以看出，探地雷达成果图像整体清晰，水底和淤泥层底界面反射明显。按水中电磁波速度为33 500 m/s来计算，推测后官湖在测线方向上的最大探测深度约6 m，湖水深度为2～5.5 m，淤泥层厚度为0～1 m。

由图4可以看出，浅地层剖面法的探测信号以多次波和噪点为主，只能大致分辨出第一个反射界面(即水底界面)的大致变化特征，而地层信息被强烈的多次波所掩盖，无法真实地反映地质情况。按水体弹性波速度为1 500 m/s来计算，推断水深为2～3 m。

图3 后官湖试验区探地雷达成果解释图Fig.3 Interpretation diagram of ground penetrating radar in Houguan Lake test area

图4 后官湖试验区浅地层剖面法成果解释图Fig.4 Interpretation diagram of sub-bottom profiler method in Houguan Lake test area

对比上述两种物探方法的探测成果可知，在水深较浅的湖泊区域，探地雷达可以清晰准确地反映湖底地形起伏、淤泥层厚度变化等浅部地质信息，而浅地层剖面法基本无法获得有效的地质信息。

3.2.4湖泊物探应用效果对比分析

对比后官湖试验区采用高密度电法、探地雷达、浅地层剖面法探测的成果，认为在水深较浅(<6 m)的湖泊区域，探地雷达可以有效反映水下地形和淤泥层厚度变化情况，但是由于水体对电磁波能量的吸收，其最大探测深度受到限制，一般不超过8 m；浅地层剖面法在水深较浅的湖泊区域难以获得有效的地质信息；高密度电法有较大的探测深度，可以获得相对丰富的地质信息，其中温纳β装置对地层分层和构造识别都有较好的探测效果，三极装置的优势在于有较大的探测深度，但探测效果相对较差。因此，在武汉市水深较浅的湖泊区域，宜采用高密度电法进行探测，并采用探地雷达提高浅部的探测精度。

3.3 河流物探应用效果分析

3.3.1汉江测线地质特征及测线布设

汉江在本次试验期间处于枯水期，江面宽约250 m，航道水深约5 m，最大水深约8 m，水体下方存在厚度为0～6 m不等的粉砂层，再往下为厚度不等的黏土层和砂层互层，基岩主要为二叠系灰岩或志留系泥质粉砂岩、泥岩等。

本次在汉江试验区进行探地雷达、浅地层剖面法两种物探方法的对比分析。

3.3.2汉江测线探地雷达与浅地层剖面法探测成果

汉江试验区的探地雷达测线长240 m，而浅地层剖面法测线由于需要保证设备水下安全、避开过往船只等，未能与探地雷达测线重合，而是与探地雷达测线斜交，整体处于江心位置，长度为166 m，该测线投影后对应探测雷达测线60～180 m段。将两种物探方法采集的数据处理后，分别绘制了汉江测线探地雷达成果解释图(图5)和浅地层剖面法成果解释图(图6)。

从图5可以看出，探地雷达探测的反射界面清晰，水底起伏明显。按水中电磁波速度为33 500 m/s来计算，本次试验期间汉江的水深为0～7 m，中间位置的水深为6～7 m。探地雷达测线0～60 m段的水底下方存在明显的层状反射特征，为淤泥层或砂层的反映[19]；该测线180～230 m段的水底下方存在明显的相互叠加的弧形反射特征，为江中抛石的反映[20]；该测线中间位置仅有水底反射，水底下方未出现明显的反射信号，其主要原因为江水对电磁波能量的吸收(图中可见在深度8 m以下位置的噪点信号非常明显)，导致更深位置没有反射信号。

从图6可以看出，浅地层剖面法探测到多个清晰的反射界面，推测上部反射界面为水底与淤泥层或砂层界面，下部比较平缓的反射界面则为淤泥层或砂层底界的反映。另外，在深度15 m左右位置隐约出现一条反射界面，其起伏趋势与水底反射界面相似，应该是由多次波造成的。

图5 汉江测线探地雷达成果解释图Fig.5 Interpretation diagram of ground penetrating radarin Hanjiang River test area

图6 汉江试验区浅地层剖面法成果解释图Fig.6 Interpretation diagram of sub-bottom profiler methodin Hanjiang River test area

对比汉江试验区两种物探方法的探测成果，可以看出探地雷达在水深相对较浅的汉江近岸区域，可以清晰准确地反映水下淤泥层、抛石的厚度及赋存状况，但是在汉江中间位置(水深超过约6 m)，由于江水对电磁波能量的吸收作用，导致探地雷达仅能探测到水底起伏情况，无法获得淤泥层或砂层的厚度信息。而浅地层剖面法在汉江中间位置能够探测到多个清晰的反射界面，可以准确获得水底起伏和淤泥层或砂层的厚度信息。因此，浅地层剖面法与探地雷达在水域探测方面能够形成良好的互补，即在深水区域(水深>6 m)可以采用浅地层剖面法进行探测，而在其探测盲区的浅水区域(水深<6 m)，可以采用探地雷达进行探测。

3.3.3长江测线地质特征及测线布设

长江在本次试验期间处于枯水期，江面宽约1 300 m，江水流速为2～3 m/s，靠近两岸附近流速较低，靠近江中航道位置流速较高。长江航道水深8～20 m，最大水深可能>20 m。主航道以西水体下方存在厚度为8～15 m的砂层，主航道以东由于水流冲刷作用，导致砂层较薄且基岩出露水底，基岩主要为二叠系、三叠系灰岩。

本次在长江试验区进行水上地震、浅地层剖面法两种物探方法的对比分析。

3.3.4长江测线水上地震与浅地层剖面法探测成果

为避免长江试验区两侧抛石区域和浅滩的影响，布设的水上地震测线长1 200 m，浅地层剖面法测线长950 m，两测线大致重合，浅地层剖面法测线0～950 m段对应水上地震测线250～1 200 m段。将两种物探方法采集的数据处理后，分别绘制了长江测线水上地震成果解释图(图7)和浅地层剖面法成果解释图(图8)。

由图7可以看出，水上地震探测显示出两个明显的反射界面，上部反射界面为水底的反映，下部反射界面应为砂层底界的反映。按水中地震波速为1 500 m/s、水底反射时长为10～20 ms来计算，推测本次试验期间的长江水深为7.5～15 m；按饱水砂层中地震波速平均值为2 150 m/s、砂层上下界面反射时长间隔为0～16 ms来计算，推测砂层的厚度为0～17 m，与已知地质资料相吻合。另外，在测线250 m处的砂层下方，地层反射波同相轴错动，存在明显的绕射现象，推测该处存在断层[21]。

由图8可以看出，浅地层剖面法探测显示出多个明显的反射界面，上部反射界面分布特征与水上地震探测的结果一致，为水底的反映，对水底起伏细节的刻画明显优于水上地震探测。该测线400～600 m段的水底下方存在一不太明显的反射界面，结合地质资料推测为砂层的反映；而当该段砂层厚度达到8 m左右时，反射界面消失，表明砂层对浅地层剖面法探测有降效影响。上部反射界面下方存在多条与其形态几乎一致的反射界面，明显为多次波的反映。

图8 长江测线浅地层剖面法成果解释图Fig.8 Interpretation diagram of sub-bottom profiler methodin Yangtze River test area

对比长江试验区两种物探方法的探测成果，可以看出水上地震的探测深度大于浅地层剖面法，但由于地震波的频率低于浅地层剖面法的工作频率，导致其在地层厚度、水底地形起伏特征的刻画精度上低于浅地层剖面法；浅地层剖面法对水底的刻画精度较高，但在砂层和淤泥层中的探测深度受到限制。因此，在水深相对较大的水域进行探测时，如果条件允许，可同时开展水上地震和浅地层剖面法探测，以便同时满足探测深度和浅部探测精度的要求。

3.3.5河流物探应用效果对比分析

对比汉江、长江试验区采用水上地震、浅地层剖面法、探地雷达探测的成果，认为在河流区域，水上地震可以勾勒出水下整体的地层结构；浅地层剖面法可以提供更加详细的水底地形起伏特征和准确的地层厚度变化信息，但是其探测深度相对较小；探地雷达可以弥补上述两种方法的不足，在河流两侧近岸水深较浅(6 m以浅)位置具有良好的探测效果。因此，在武汉市长江、汉江等水深相对较大的河流区域，宜采用水上地震、浅地层剖面法为主、探地雷达为辅的方法组合，可以相对完美地解决河流水域对探测深度和精度的需求问题。