淺層地震和高密度電法在城市規(guī)劃調(diào)查中的綜合應(yīng)用

吳曲波，徐貴來，柯 丹，王繼全，宋景煥

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2.北京惠友達(dá)勘察有限公司，北京 102300；3.遼寧省物測勘查院，遼寧 沈陽 110121）

淺層地震和高密度電法在城市規(guī)劃調(diào)查中的綜合應(yīng)用

吳曲波1，徐貴來1，柯 丹1，王繼全2，宋景煥3

（1.核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，中核集團(tuán)鈾資源勘查與評價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2.北京惠友達(dá)勘察有限公司，北京 102300；3.遼寧省物測勘查院，遼寧 沈陽 110121）

探明斷層位置、摸清第四系覆蓋層厚度是新區(qū)規(guī)劃前期需要解決的地質(zhì)問題；旨在為新區(qū)可持續(xù)發(fā)展及減少地質(zhì)災(zāi)害提供基礎(chǔ)地質(zhì)資料。利用地震反射波法和高密度電阻率法進(jìn)行聯(lián)合測量；采用兩種方法的優(yōu)勢綜合解釋異常特征，優(yōu)化解釋效果，準(zhǔn)確反映研究區(qū)可能存在的地質(zhì)問題。表明地震反射波法和高密度電阻率法在調(diào)查斷層位置和第四系覆蓋層厚度方面，是可行有效的。

地震反射波法；高密度電阻率法；新城規(guī)劃

城市斷層與地質(zhì)災(zāi)害對于城市工程安全是個(gè)隱患，因此在一個(gè)城市新規(guī)劃區(qū)建設(shè)前，必須查明該區(qū)的斷裂位置、走向和活動(dòng)性以及覆蓋層厚度，旨在為城市新規(guī)劃區(qū)的性質(zhì)劃分、科學(xué)發(fā)展和功能分區(qū)，以及各項(xiàng)建設(shè)的總體部署提供地質(zhì)依據(jù)［1-3］。本項(xiàng)目研究區(qū)位于良鄉(xiāng)—前門—順義斷裂南段（分為良鄉(xiāng)北斷裂和良鄉(xiāng)南斷裂）、八寶山和黃莊—高麗營斷裂南段（圖1），區(qū)內(nèi)地表被松散第四系沉積物覆蓋，傳統(tǒng)的地質(zhì)方法在該條件下受到限制。在干擾背景不強(qiáng)的情況下，地震反射波法能查明斷層分布［4-5］，并根據(jù)基巖斷層摸清向第四系地層的延伸情況，從而研究斷層的活動(dòng)性［6］。研究隱伏斷層，較早使用的是聯(lián)合剖面電法［7］，認(rèn)為斷層為相對低阻體，在聯(lián)合剖面曲線上表現(xiàn)為正交點(diǎn)。但正交點(diǎn)產(chǎn)生的原因多樣，沒有足夠的先驗(yàn)信息很難根據(jù)聯(lián)合剖面正交點(diǎn)就判定為斷層。高密度電法具有觀測精度高、數(shù)據(jù)采集量大、地質(zhì)信息豐富和操作智能化程度高等優(yōu)勢，為斷層探測提供了較好的途徑［8-10］。在調(diào)查城市斷層的研究中，淺層地震方法是重要的手段之一［11-13］，在斷層落差較大的情況下地震勘探能取得好的效果［14-15］，然而在斷裂不很明顯的情況下，電法勘探則更能區(qū)分?jǐn)嗔褜?dǎo)致的電性差異。因此，在不了解研究區(qū)斷層性質(zhì)的情況下，根據(jù)工區(qū)地球物理前提條件，采用地震反射波法和高密度電法進(jìn)行聯(lián)合測量，由兩種方法得到豐富的地下信息，進(jìn)而綜合解釋斷層位置及覆蓋層厚度，以便較為清楚地反映工區(qū)存在的地質(zhì)問題。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

工作區(qū)位于華北斷坳、北京迭斷陷、坨里—豐臺迭凹陷與琉璃河—涿縣迭凹陷交匯部位。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及鉆孔揭露情況，工作區(qū)內(nèi)地層自下而上依次為太古界、長城系、薊縣系、青白口系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、古近系和第四系。區(qū)內(nèi)一般斷裂主要包括NE向斷裂、NNE向斷裂和 NW向斷裂 （圖1）。工作區(qū)內(nèi)主要的NNE向斷裂有八寶山斷裂南段、黃莊—高麗營斷裂（本區(qū)內(nèi)黃莊斷裂）。次一級的斷裂有石樓斷裂、琉璃河斷裂和交道斷裂等，均在燕化組團(tuán)東南側(cè)；NW向斷裂主要有公義莊斷裂，該斷裂穿越良鄉(xiāng)工作區(qū)，北起黃莊斷裂，經(jīng)青龍湖、良鄉(xiāng)和公義，走向NW，長26 km，傾向WS，傾角小于60°，屬平推斷層。

圖1 工作區(qū)斷裂分布圖及測線布置圖Fig.1 Distribution map of faults and measuring lines in working area

2 地球物理參數(shù)特征

2.1 電性特征

工作區(qū)內(nèi)第四系埋藏深度為10～50 m，主要巖性為黏性土和砂卵礫石互層，黏性土反映為低阻，砂卵礫石電性反映為高阻，工作區(qū)主要巖層電阻率見表1。

由電阻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，工作區(qū)將基巖電阻率分為3個(gè) “阻別”，即高、中和低3組。區(qū)內(nèi)第四系電阻率變化較大，隨巖性的顆粒度變化而變化，又與濕度、溫度密切相關(guān)。例如：砂礫石電阻率一般為100～500 Ω·m。而不含水時(shí)電阻率可達(dá)1 000 Ω·m，黏性土電阻率一般小于20 Ω·m。從上述分析可以看出，不同地層巖性存在明顯電性差異，本工作區(qū)基本具備高密度電法勘探的地球物理前提條件。

表1 工作區(qū)巖層電阻率、巖石密度和波速Table 1 Statistics of resistivity，density and wave velocity of the rock in working areas

2.2 波阻抗特征

根據(jù)波速測孔和工程勘察取樣測試地層密度的資料，區(qū)內(nèi)主要巖層波速和密度值見表1；該區(qū)第四系為黏性土和砂卵礫石互層，下伏基巖為白堊系泥巖和礫巖，燕化組團(tuán)部分地區(qū)第四系下伏為灰?guī)r或花崗巖。

區(qū)內(nèi)第四系密度變化不大，其規(guī)律是：第四系巖層密度隨巖性的顆粒度變化而變化。隨黏性土、砂和砂礫石密度逐漸增大，縱波波速增大明顯；因此可以看出，不同地層巖性存在明顯的波阻抗（密度與波速的乘積）差異，工作區(qū)具備淺層地震勘探的地球物理前提條件。

3 方法原理及實(shí)施方案

高密度電阻率法是集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測量，提供的數(shù)據(jù)量大，并且觀測精度高、速度快，是解決斷裂帶、溶洞等工程地質(zhì)問題有效的地球物理方法之一［16］。本次野外工作采用了溫納裝置模式，數(shù)據(jù)采集及排列方式見圖2。圖中C1、C2為供電電極，P1、P2為測量電極，電極組合位置1、2、3分別對應(yīng)1、2、3號剖面深度測點(diǎn)。溫納裝置模式具有最小的裝置系數(shù)值，最大的信號強(qiáng)度系數(shù)，對介質(zhì)垂向變化反應(yīng)靈敏，抗噪能力最強(qiáng)。本次工作采用30～60個(gè)電極組合，點(diǎn)距：5～10 m，排列長度：290～470 m。最大探測深度為62.7 m。采集的數(shù)據(jù)需經(jīng)壞點(diǎn)剔除、校正等預(yù)處理，然后進(jìn)行反演解釋。

圖2 溫納裝置數(shù)據(jù)采集及排列示意圖Fig.2 The sketch map of data acquisition and arrangement based on Wenner setting

圖3 地震反射波法工作原理圖Fig.3 The working principle diagram of seismic reflection method

反射波地震勘探方法的原理及過程如圖3所示［17］，圖 中 的O1～O3為 激 發(fā) 點(diǎn) 、 S1～S3為接收點(diǎn)，x1～x3分別為對應(yīng)的炮檢距；圖3-c和圖3-d分別表示動(dòng)校正和疊加處理過程。其基本思想是對地下反射界面上各點(diǎn)的地質(zhì)信息進(jìn)行多次觀測，對整條反射界面進(jìn)行疊加，以排除由于地面上個(gè)別觀測點(diǎn)受到某種干擾而歪曲地下真實(shí)信息的影響。本次野外采集，震源使用10.1 kg（24磅）大錘；接收通道數(shù)：24道；偏移距：8 m；道間距：1 m；采樣率：0.125 ms；記錄長度：250 ms；覆蓋次數(shù)：6次。儀器采集的野外數(shù)據(jù)經(jīng)編輯、靜校正、濾波、速度分析、動(dòng)校正、疊加和反褶積等處理過程得到疊加剖面，最后進(jìn)行解釋。

4 實(shí)測剖面A、B的成果解釋

工作區(qū)布置了多條測線，每條測線分別采用地震反射波法和高密度電法進(jìn)行測量，布設(shè)情況如圖1所示，以其中兩條剖面進(jìn)行展示。

4.1 剖面A

剖面A為視電阻率反演斷面圖（圖4），其清晰地反映出所測斷面電性變化及不同巖性的物理特征及其形成的電性分布情況，可直觀、定性定量地劃分出各巖層分布及接觸關(guān)系等地質(zhì)形態(tài)。斷面圖顯示淺層15～25 m處有一個(gè)連續(xù)穩(wěn)定的電阻率變化界面，電阻率約為40 Ω·m，推斷是基巖界面。測線由南向北基巖埋深逐漸變淺，深度變化為15～25 m，局部地段基巖埋深可達(dá)30 m。測線0～1 160 m處的第四系表層有一高阻層，推斷為砂卵石層，厚度8 m左右，該層下部為中粗砂夾黏性土層；測線1 160～2 238 m處淺部為0～5 m的砂卵石、中粗砂層，其下部為黏性土層；第四系下伏基巖相對高阻（電阻率約為300 Ω·m）是白堊系砂礫巖，低阻（電阻率約為20 Ω·m）為白堊系泥巖的反映。圖5給出了經(jīng)處理解釋后的該測線地震深度剖面。第四系覆蓋層的下界面如圖中黑線所示，從測線起點(diǎn)到終點(diǎn)（100～2 233 m）蓋層厚度總體趨勢是越來越厚，其底界面埋深為22～37 m。 根據(jù)剖面同向軸的對比追蹤，發(fā)現(xiàn)在445 m和1 780 m處的同向軸出現(xiàn)錯(cuò)斷 （此處也與電法解釋相吻合），具有明顯的斷層波場特征，分析認(rèn)為是斷層破碎帶的影響，即F2、F3斷裂。

因此，由電性異常和波阻抗特征綜合推斷，測線F2斷裂傾向SE，南東盤下降，北西盤上升，為正斷層，推斷是良鄉(xiāng)南斷裂；F3斷裂傾向NW，北西盤下降，南東盤上升，為正斷層，推斷是良鄉(xiāng)北斷裂。

4.2 剖面B

從剖面B視電阻率反演斷面圖 （圖6）分析，深度在20～25 m處有一個(gè)電阻率連續(xù)變化界面，淺處為相對低阻，電阻率值較低，約為30 Ω·m，下面為相對高阻，層間變化不大?？煽闯龅谒南档貙雍穸葹?0～25 m，厚度變化不大，第四系反映為兩層電性結(jié)構(gòu)，淺部高阻層為砂卵石，下部低阻為黏性土；下伏基巖為白堊系礫巖，礫巖下部分布為泥巖地層。在剖面690 m左右有一個(gè)低阻變化帶存在，兩側(cè)地層深度變化不大，地層電阻率很穩(wěn)定，層厚也穩(wěn)定，高阻之間的低阻變化帶處，認(rèn)為是斷層破碎帶的反映，即F1斷裂。圖7為該測線地震反射深度剖面，第四系覆蓋的下界面在圖中反映較為清晰，如圖7中黑線所示，從測線起點(diǎn)到終點(diǎn)蓋層厚度變化平緩，局部變化大，其底界面埋深為18～22 m。根據(jù)剖面同向軸的對比追蹤，發(fā)現(xiàn)在680 m處的同向軸出現(xiàn)錯(cuò)斷，北側(cè)即斷層上盤一側(cè)相位明顯向下拉伸，同相軸呈現(xiàn)典型的 “Y”型特征，說明斷層的上盤下降，推斷認(rèn)為是斷層破碎帶的影響，即F1斷裂，該斷裂北西盤下降，南東盤上升，傾向NW，屬正斷層，推斷其為崇文門斷裂。

5 結(jié)論及建議

通過兩種地球物理方法提供的不同地質(zhì)信息進(jìn)行綜合解釋，準(zhǔn)確定位了研究區(qū)內(nèi)斷裂位置，并結(jié)合其他地質(zhì)資料分析了斷層性質(zhì)；劃分了工作區(qū)內(nèi)的第四系地層厚度及下伏基巖巖性分布規(guī)律，為城市新區(qū)建設(shè)打下良好的地質(zhì)基礎(chǔ)。高密度電阻率法勘探深度較淺，但在第四系厚度較薄的地區(qū)比較適用，對于落差不是很明顯的走滑斷層高密度電法勘探效果比較好。地震反射波法由于受表層低速帶及地表人文干擾的影響，淺層地層劃分較為模糊，但是對于斷裂位置的判定比較準(zhǔn)確，是其優(yōu)勢所在?？梢?，地震反射波法和高密度電法的結(jié)合能為地質(zhì)解釋提供較為豐富的物性信息，優(yōu)勢互補(bǔ)更能準(zhǔn)確地查明斷層位置和覆蓋層厚度，是解決此類地質(zhì)問題的有效方法組合。

如需進(jìn)一步確定工作區(qū)內(nèi)斷裂性質(zhì)、地層地質(zhì)時(shí)代和巖性，可考慮結(jié)合可控源電磁法測量與鉆孔資料進(jìn)行綜合解釋。

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Comprehensive application of shallow seismic method and high density resistivity method in urban planning management

WU Qu-bo1， XU Gui-lai1， KE Dan1， WANG Ji-quan2， SONG Jing-huan3
（1.CNNC Key Laboratory of Uranium Resources Exploration and Evaluation Technology，Beijing Research Institute of Uranium Geology， Beijing 100029， China；2.Beijing Huiyouda Limited Liability Company of Exploration， Beijing 102300， China；3.Liaoning Institute of Measuring Reconnaissance， Shenyang， Liaoning 110121， China）

It is necessary to identify the precise location of fault and the thickness of Quaternary overburden before new district is planned，so as to provide geological data for sustainable development and avoid geological disaster.Seismic reflection method and high density resistivity method are studied and utilized for the exploration，and the abnormal characters are explained synthetically in the way that the effect of each exploration can be optimized with its advantage of two methods.The results indicate that the seismic reflection method and high density resistivity method are effective for detecting the location of fault and the thickness of Quaternary overburden.

seismic reflection method； high density resistivity method； new urban planning

P315.2；P315.3+1

A

1672-0636（2011）03-0173-07

10.3969/j.issn.1672-0636.2011.03.009

2011-03-29；

2011-05-16

吳曲波（1984—），男，湖南衡陽人，碩士，主要從事淺層地震勘探工作。E-mail:wdyqthl@163.com