综合物探技术在海域岩溶勘察中的应用

2023-10-14夏天游

铁道勘察 2023年5期

王侨熊锋夏天游商祥

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司,武汉 430056)

引言

在海域岩溶勘察中,传统钻探方法成本较高,且存在“一孔之见”的局限性,单凭钻探资料难以对海底岩溶发育规模与分布情况做出整体判断。因此,选取合适的物探方法进行岩溶勘察显得尤为重要。近年来,综合物探技术在工程勘察中得到广泛应用。李耐宾等将微动技术应用于大连地铁岩溶勘察中,验证微动技术在城市复杂环境下的地下岩溶勘察中的应用效果[1];沈磊在厦门湾海底隧道工程中,利用海域地震反射法确定基岩上覆盖层的厚度及起伏情况,发现浅层地震反射波法在水底隧道勘查中具有良好的效果[2];袁伟等将瞬变电磁法等综合物探方法应用于煤田采空区和溶岩发育区的隧道勘察中,认为多种方法组合物探有助于提高勘探结果的精度和可靠性[3];邱锴等将高密度电法、瞬变电磁法等综合物探方法应用于某陆地公路隧道岩溶地质勘察中,认为结果表明综合物探方法可以有效圈定溶岩发育位置和分布范围[4];吴军国等研究跨孔弹性波CT 层析成像法在隧道岩溶勘察中的应用,从理论上证实该方法的可行性[5]。然而受海域场地及海水特殊介质影响,这些方法在海域岩溶勘察中的应用效果还有待验证。结合大连地铁5 号线某区间海域岩溶勘察实例,采用海域地震反射技术及海域瞬变电磁技术对场区岩溶发育程度进行分区,掌握场区岩溶发育大致趋势,再采用跨孔弹性波CT 方法查明单个岩溶发育特征、规模,以期取得良好的勘察效果。

1 物探各方法原理简介

1.1 海域地震反射法

海域地震反射法是一种利用海底各岩土介质的弹性差异探测地下目标物的物探方法[6],其原理示意见图1。在离震源较近的若干观测点上,测定从震源经各弹性地层界面反射回检波器的地震波旅行时间,测线不同位置上的法线反射时间变化反映地下地层的构造状态,从而达到划分地质层位或断裂破碎带、岩溶等地质情况的目的。与陆地地震反射法相比,海域地震反射信号受海底及水面多次反射波干扰严重,需要复杂的后期滤波处理[7]。

1.2 海域瞬变电磁法

海域瞬变电磁法是一种时间域人工源电磁感应类物探方法[8],其原理示意见图2。瞬变电磁仪利用发射线圈发射强大的周期性电磁脉冲信号(一般为方波的上升沿或下降沿),脉冲电磁波信号在地下导电介质中感应出周期性变化的涡旋电流场,这些涡流场在扩散过程中由于受到不同电性介质的散射作用,产生随时间变化的二次感生电磁场。通过接收线圈接收这些二次场,并对其中包含的地电信息进行提取和解释,从而达到探测地下不同电性介质的目的[9]。

图2 瞬变电磁观测示意

1.3 跨孔弹性波CT 法

跨孔弹性波CT 法(亦称跨孔地震CT)是一种在不同钻孔中开展的地震层析成像技术,其原理示意见图3。在一个钻孔的不同深度激发地震波信号,另一钻孔中通过检波器阵列接收穿透孔间地质体的地震波信号,利用计算机对接收信号的初至波走时、能量(振幅)及波形变化进行层析成像处理,从而重建出孔间地质体内部的结构图像[10],这项技术是计算机技术与现代地震数字观测技术相结合的产物,其优点为分辨率高、原理简单、图像直观等,主要用于地下精细结构和目标的探测。其穿透能力取决震源激发能量的大小、岩层节理裂隙发育情况、岩溶发育情况等[11]。

图3 弹性波跨孔CT 观测示意

跨孔弹性波CT 所利用的地震层析成像方法,其数学基础是Radon 变换[12],根据地震波传播理论,地震波传播时间t由其传播慢度(速度的倒数)沿着传播路径的线积分表示,即

式中,s为地震波传播的速度;l为地震波传播路径;可将式(1)离散为

式(2)可简写为Lx=t,对其进行求解,就是层析成像计算的过程[13],已知介质速度分布计算初至时间的过程称为正演,已知初至时间计算介质速度分布的过程称为反演。常见的正演算法有直射线追踪和弯曲射线追踪[14],反演算法有代数重建法、联合迭代重建法、阻尼最小二乘法等[15]。

2 各方法应用效果分析

2.1 研究区地质概况

大连半岛位于千山山脉的西南延伸部分,是辽东半岛的最南端。受到地质构造活动及海水动力对陆地长期作用的双重影响,其在地貌上多表现为低山丘陵,大地构造上位于辽东台背斜中复向斜的南翼,场区构造断裂见图4。

图4 场区构造断裂示意

大连半岛的基岩主要为震旦系千枚岩、硅质板岩、石英砂岩和灰岩等,第四系地层主要为山前倾斜地带堆积的坡洪积物,在沿海地带表层分布有海相与海陆交互沉积物及冲洪积物[16-17]。根据钻探揭示,场区第四系地层主要为全新统人工填土、全新统海相沉积流塑状淤泥或淤泥质粉质黏土、松散-稍密状粉砂,全新统冲洪软塑-可塑状粉质黏土、含碎石黏土及稍密-中密状中砂、卵石层,残坡积粉质黏土;基岩主要有震旦系长岭子组板岩、钙质板岩夹泥灰岩,震旦系南关岭组灰岩,震旦系甘井子组白云质灰岩,局部穿插燕山期辉绿岩岩脉[18]。

2.2 研究区地球物理特征

根据测井及室内试验资料,得到各岩土层纵波速度及视电阻率(见表1、表2),由表1、表2 可知,各岩土层存在明显物性差异,为开展各种物探方法提供了物性前提。

表2 典型地层视电阻率统计

2.3 海域岩溶地球物理探测成果分析

为查清地铁工程影响范围内海底溶洞的分布、形态及发育规律,采取“先宏观后微观”的勘察思路。利用水面物探方法对场区岩溶发育情况进行分区,在不同岩溶发育区段采用不同孔间距的跨孔弹性波CT 法精细探测单个岩溶空间形态分布。盾构海域段长度为2 310 m,其中岩溶发育段长度为1 540 m,沿线位中线、左右边墙及左、右钻孔线布置5 条平行测线,水面物探测线布置见图5。

图5 水面物探测线布置(单位:m)

(1) 海域地震反射法分析

①预处理:数据激发延迟时间校正、剔除噪音道、频谱分析与滤波去噪、等偏剖面、平移叠加增益处理、定义观测系统(抽取共偏移道集)。

②剖面处理:动校正,速度分析、震源颤尾清理、反褶积、海底多次反射波消除、小波道间系数相关法去噪、自动或手动拾取反射波组同相轴、时深转换成图。

③解释处理:不同记录数据频谱对比,分析反射异常;纵横剖面交点道对比,进行解释校正、检测闭合差;结合钻探资料进行剖面地质解释[19]。剖面解释成果见图6。

图6 隧道中轴线地震反射时间剖面

本次地震反射探测发现了2 个物探异常带(岩溶强烈发育区),在几条测线中均有反映,推测物探异常带1 条(板岩与灰岩岩性分界线)及风化槽1 个,后期均得到钻孔验证。

(2)海域瞬变电磁法分析

本次采集的海洋瞬变电磁数据均采用5DTEM系统进行处理。其处理流程为首先进行剔除原始数据突变值、去除噪声信号、数据平滑滤波等处理,接着进行一维数据反演,获取电性随深度变化曲线,最后将各测点曲线进行插值处理形成拟二维剖面图像[20]。

在瞬变电磁法野外测量过程中,可能遇到一些周期性信号的干扰,以及各种气象等自然因素的影响,从而使衰减曲线上的某点产生较大的跃变,造成剖面上曲线的相互交叉。使用曲线拟合的方法可以对数据曲线进行圆滑处理,从而剔除突变点。本次曲线拟合利用最小二乘法,根据已有的数据点,拟合出一条最接近于实际特性的曲线(见图7)。

图7 衰减曲线滤波示意

本次海域瞬变电磁勘探成果示意见图8,测线范围内反演出3 个电阻率异常区, 里程分别为DK11455 ～ DK11525、 DK11530 ～ DK11650 和DK11530～DK11650,表现为横向展布的低阻区域,推测为岩溶强烈发育区。布设3 个验证钻孔,YZK-01 位于推测强烈岩溶发育区5-1-1 上方,钻探揭露为中风化灰岩,裂隙发育,局部裂面溶蚀迹象明显,无溶洞;YZK-02 位于5-1-2 内,钻遇3 个溶洞,呈串珠状排列,与地震勘探成果吻合,为全充填型溶洞,充填物为黏土和风化岩;YZK-03 位于5-1-3 内,钻遇4 个溶洞,呈串珠状排列,为全充填型溶洞,充填物为黏土和风化碎屑等。