隆尧地裂缝调查中的物探关键技术
引用本文
郭淑君, 任政委, 龙慧, 侯延华, 雷鸣. 隆尧地裂缝调查中的物探关键技术[J]. 物探与化探, 2015,39(2): 401-407.
GUO Shu-Jun, REN Zheng-Wei, LONG Hui, HOU Yan-Hua, LEI Ming. Research on key geophysical technologies for ground fissure survey in Longyao area[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(2): 401-407.
Doi:10.11720/wtyht.2015.2.32
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GUO Shu-Jun, REN Zheng-Wei, LONG Hui, HOU Yan-Hua, LEI Ming. Research on key geophysical technologies for ground fissure survey in Longyao area[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(2): 401-407.
Doi:10.11720/wtyht.2015.2.32
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隆尧地裂缝调查中的物探关键技术
作者简介: 郭淑君(1984-),女,工程师,主要从事水文地质环境地质地球物理勘查研究。
摘要
针对华北平原地裂缝的调查工作已有多年,而隆尧地裂缝发育规模大、灾害程度严重。为剖析其所在地层的结构,揭示其成生发展的主控因素,研究对其有最优响应特征的物探关键技术,在有地裂缝出露的东店马村开展了可控震源地震法、α杯累积测氡法、电磁波探地雷达法、多道瞬态瑞利面波法。优选出前三种调查隆尧地裂缝的物探关键技术。此类以关键技术组合为主的综合物探手段,为研究隆尧地裂缝成因机制提供了确凿的地球物理论证资料和科学依据。
关键词:
隆尧地裂缝; 可控震源地震; α杯累积测氡; 探地雷达
中图分类号:P631
文献标志码:A
文章编号:1000-8918(2015)02-0401-07
Research on key geophysical technologies for ground fissure survey in Longyao area
Abstract
Ground fissures are extensively developed in Longyao area,and cause serious geohazard.Based on previous ground fissure investigation which has lasted for many years in the North China Plain and aimed at analyzing the structure of the existing ground fissures and revealing the factors controlling the development of ground fissures,the authors employed geophysical technologies to conduct ground fissure survey in Dongdianma Village where the ground fissures are exposed. The vibraseis method,α-cup cumulative radon detection method,geological radar method and multi-channel transient Rayleigh wave method were utilized to perform the investigation,and the good exploration results show that the first three geophysical methods have the optimal response characteristics and hence are the key technologies to investigate Longyao ground fissures.The integrated geophysical method based on these key technologies provides not only conclusive geophysical data but also scientific basis for the mechanism of Longyao ground fissures.
Keyword:
Longyao ground fissure; vibroseis; α-cup radon detection; ground penetrating radar
我国地裂缝发育广泛, 灾害严重, 地裂缝灾害引发环境问题, 危及人类生活。几十年来, 我国地球物理学家对华北平原、汾渭盆地等地区的地裂缝展开系统研究, 在地裂缝成因及力学机制、地裂缝灾害评估、地裂缝灾害预测等方面硕果累累。
不同地区的地裂缝具有特殊性和差异性, 要根据探测目的、地裂缝发育深度、环境因素、地下介质与地下水情况, 以及不同探测手段和技术对地裂缝的不同地球物理响应特征, 进行综合探测, 以准确、有效、快速、经济地进行地裂缝的探测。可用的技术方法有:深、浅层反射地震法、地震宽角反射/折射方法、层析成像探测方法、宽频带流动地震台阵观测方法、大地电磁测深、瞬变电磁法、电磁波层析成像、高密度直流电法、探地雷达等[1]。
隆尧地裂缝是华北平原地裂缝的典型, 受控于隆尧断裂, 就其发育规模和灾害程度来看, 属于巨型地裂缝。其在河北邢台市隆尧县周边的西店子村、东店马村等地均有显性出露, 其整体上有很强的线性方向延展性、张扭性、主体向地表深部直立、曲折延伸、上宽下窄、折线分布、正断错动、左旋走滑等特征, 且具有周期特征, 在区域构造、地貌等孕裂环境下, 与应力作用、地表水入渗、地下水抽采持续破坏作用等息息相关[2]。
在隆尧地裂缝发育复杂区, 如隆尧县东店马村, 笔者采用可控震源浅层地震勘探法、多道瞬态瑞利面波法、α 杯累积测氡法、电磁波探地雷达法等地球物理探测方法进行综合性、无干扰、同步探测, 互为验证、对比和补充, 优选出适用于隆尧地裂缝探测的关键地球物理方法组合, 不仅对地裂缝无破坏, 且适应地裂缝发育的隐蔽性和不确定性, 具有直观、准确、快速有效、成本低廉等特点[3]。此类以关键技术为主的综合物探方法近年来被广泛采用, 在地裂缝地质灾害调查与防治评价、造福当地农业生产、工程建设、减少人们生活经济损失等方面有重要科学意义。
1 隆尧地裂缝简介
隆尧地裂缝位于河北省邢台市隆尧县, 西起东良乡北寺庄村, 折线经过十几个村镇, 东至莲子镇南吴瞳村, 地理长度达20 km, 其中东店马村段为本次研究段, 该村地势相对平坦, 海拔在20~30 m之间[4]。发育区所属的地貌单元是山前倾斜平原, 西侧属太行山脉隆起区, 东侧属华北平原坳陷区, 在两者之间的过渡断陷盆地南部, 构造展布方向多为NNE。
隆尧县莲子镇东店马村区域沉积有第四系全新统、上更新统、中更新统、下更新统、新近系等地层。第四系松散地层岩性地表以冲湖积、冲洪积为主, 往下以黄土状亚黏土、亚沙土为主、沙土互层。第四系厚度为340~400 m。新近系伴有第三系半胶结砾岩、粗砂岩、黏土岩。
据王景明统计的隆尧地裂缝活动历史来看, 其从裂端分别沿NWW、SEE向向中心扩展, 或隐或现, 经过长期、缓慢的发育过程, 汇集到西店子— 东店马附近, 形成了新的裂点。
据此, 在进行大量区域地质调查、水文地质、槽探和物探前人资料的基础上, 对隆尧蠕滑地裂缝重点区实施了物探勘查[2, 5, 6, 7]。
2 地裂缝地球物理响应特征及判定依据
2.1 可控震源近地表浅层纵波反射地震勘探
可控震源地震勘探采用小能量、长时间的频率可控的震源, 激发地震信号, 具有较高分辨率、较强抗干扰能力, 可避免对地面建筑和设施的破坏[8]。
不同形态(埋深、延深、倾角和几何形态等)地裂缝在浅震记录上有不同的响应特征和识别标志。
一般将地层界面反射波的以下特征变化作为识别地裂缝的标志, 据此确定地裂缝。①反射波同相轴明显中断与错位; ②反射波同相轴数目明显增减或消失; ③反射波同相轴相位反转; ④上下反射波组的相互依赖关系; ⑤上下断点绕射波位置、距离等判定垂直断距小的地裂缝; ⑥左右断点绕射波位置、距离等判定水平断距小的地裂缝; ⑦下绕射点的绕射波和下底面的反射波可大致判定地裂缝的延深; ⑧左右断点绕射波的曲率可大致判定地裂缝倾伏方向等[9]。
近地表浅层纵波反射地震勘探法一直是研究地裂缝最主要、最有效的方法, 对浅部精细结构反映清晰, 分辨率高、工作效率高, 适用于地裂缝详细勘查, 可多测线互相印证。浅震结果可以给出场地内有无地裂缝、裂缝的产状、性质等, 结合地面出露, 可给出其在地表的准确位置[10]。
2.2 α 杯累积测氡法
20世纪70年代初, 出现了放射性累积测氡法。α 杯累积测氡法是α 卡测氡法后发展起来的放射性累积测氡勘探方法。80年代, 成都地质学院研制出CD-1型土壤中氡及其子体探测装置。
用探杯收集土壤中的氡及其固态子体, 用专用仪器探定探杯表面氡衰减产生的α 射线, α 射线的强弱反映氡气浓度的分布高低, 断裂上一般产生α 高值异常。α 杯累积测氡法简单实用, 但测得的资料有自身多解性, 受一定的地质条件限制, 即便在地裂构造有较明显的放射性氡异常时, 也需与其他物探、地质指标组合应用。
2.3 电磁波探地雷达地裂缝精细探测法[11]
该方法是利用人工发射的高频电磁波的反射回波探测地下地质体。毫微秒级脉冲电磁波在介质中传播时, 其路径、速度和波形随介质的介电性质及几何形态而变化, 根据反射电磁波的旅行时、信号强弱、波形特征等可确定目标地质体的位置、形态和发育规模。收发天线在贴地面或与地面很近距离内平稳移动, 采用连续时间剖面法、距离剖面法等得到双程旅行时雷达实测图像, 对质量好的图像直接解释, 不清晰的图像经处理后才能解释。用探地雷达进行地裂缝精细探测时, 裂隙部位充填松散物, 密实度低于围岩, 电性差异大, 经现场试验测定测区内地下介质的物性参数是保证探测结果质量的关键, 常见材料的介电值在1~81之间(表1)[12]。不同频率的天线测深、测程不同, 所见最小目标体的尺寸大小与天线频率高低呈反比。探测地裂缝用到的频率有400 MHz(最大测深4 m、测程20~100 ns)、100 MHz(最大测深20 m、测程300~500 ns)、40 MHz等。
 | 表1 常见材料的介电值和术语集 |
探地雷达方法依据介质介电性质差异进行地层划分和地质目标体判定。介电常数与介质含水量有关, 当地层岩性或含水率发生变化时, 就会形成反射界面。线形地质异常体电磁波异常特征为双曲线绕射弧, 不规则异常体会引起电磁波局部扰动异常, 这是探地雷达方法用于地裂缝判定的解释依据。地裂缝对应的雷达电磁波图像特征有。
(1)同相轴明显错动。错动程度代表纵向地裂缝发育程度。
(2)同相轴局部缺失。局部缺失说明横向地裂缝对电磁波有吸收、衰减作用。
(3)同相轴局部波形畸变及频率改变。地裂缝由小裂隙、裂缝群组成时, 对电磁波有衰减作用, 造成局部波形畸变。
低频探地雷达法具有较高的分辨率, 适用于精细地裂缝勘探, 完美解释地裂缝在近地表50 m内的位置、产状、性质等。
2.4 多道瞬态瑞利面波法
瑞利面波是压缩波与SV型剪切波在地层界面附近的干涉叠加产生的, 具有能量大、速度低、频率低、衰减慢等特点, 在非均匀介质中, 其波速随频率变化而变化。为减小探测误差, 要求实际探测地层是层状或似层状介质, 地表平坦。可探测隐伏裂缝的位置、产状。
野外勘探采集瞬态瑞利面波时, 是在地面上由震源产生一瞬时冲击力, 以此产生一定频率范围的瑞利面波, 由不同震源距的多道检波器接收(一般不少于12道), 仪器记录瑞利面波信号。将一个排列的中间位置等效为瑞利面波勘探点, 一个排列的勘探数据则是反映测点下方的地层介质物性参数的加权响应[13, 14, 15]。
地裂缝是一个常见的浅地表异常构造, 均匀地表条件和有地裂缝存在的地形条件对比, 瑞利面波传播特征有如下不同。
当浅地表横向均匀, 无地裂缝或活断层发育时, 所采集到的各种波都很清晰, 横波与瑞利面波能量较强, 纵波能量最弱, 在近震源处, 瑞利面波与横波叠加在一起, 随横向距离增加, 瑞利面波与横波分离开, 呈扫帚状发散; 当浅地表横向不均匀, 如有地形起伏、地裂缝时, 从采集到的各种波的能量和波形来看, 直达横波振幅变小, 或被中断, 纵波能量增强, 绕射波增多, 瑞利面波能量被以上这些波掩盖。
当地裂缝深度不变而宽度增加时, 频散曲线上的基阶曲线在中低频出现截断, 瑞利面波能量集中于高频; 当地裂缝宽度不变而深度增加时, 瑞利面波受其他波形影响, 变得难以分辨, 基阶的能量变弱在低频就跳入高阶。因此, 地裂缝深度影响比宽度影响更大, 如果地裂缝向下有一定延深, 地层信息特别是浅部将不能很好地分辨[16]。
此方法勘探深度在30~50 m左右, 需与其他方法组合解释。
3 综合物探方法选取及关键技术组合
工作地遍布农田和村镇, 部分地段地表可见地裂缝出露, 因此尽量沿乡间路采用线性方式布设测线(图1)。
 | 图1 工区测线布置 |
经过上文对地裂缝地球物理响应特征的论述, 对隆尧地裂缝采用以上方法进行探测与验证, 选取物探关键技术组合。
3.1 可控震源近地表浅层纵波反射地震勘探
可控震源采用Minivib车载可控震源T15 000, 可控震源扫描长度8 s, 扫描频率20~200 Hz, 垂直叠加1~2 次, 震源能量8; 多次覆盖, 双边激发, 道间距5 m, 定排列接收, 偏移距为-125~120 m, 覆盖次数为13~36 次。
获得的地震剖面形象直观, 完全能够解释地裂缝或其孕裂断层在浅地表的裂距、倾角、形态等, 见图2。因此判定可控震源近地表浅层反射地震勘探对隆尧地裂缝等有很好的诠释, 该方法可取。
 | 图2 LY01地震断层解释剖面 |
3.2 α 杯累积测氡法
开展α 杯累积测氡工作时, 首先进行仪器标定, 将误差归零。按照测量打标、取土样、读数、复查的步骤, 进行数据采集。本次研究采用3 min测量值。
从获得的观测曲线图上看, 代表氡气及子体浓度衰减的α 射线数值在地裂缝疑似处达到高峰异常, 充分体现该方法的可靠、直接特点。
3.3 电磁波探地雷达地裂缝精细探测法
采用美国地球物理测量系统公司生产的便携式透地雷达SIR-3000、低频100 MHz接发一体天线进行时间域连续测量。设定发射天线主频100 MHz、采样长度200 ns、16 bitA/D、采样率20 scan/m、天线移动速率0.5 m/s匀速。
探地雷达数据处理以突出地裂缝特征为主要目的, 处理手段包括二维滤波、反褶积滤波等, 最终输出电磁波时间剖面。剖面上地层界限明显, 内部已知、推断地裂缝构造清晰、特征明显, 说明探地雷达法值得选取。
3.4 多道瞬态瑞利面波法
开展瑞利面波工作时, 大锤震源, 单端激发, 单端接收, 共炮点记录, 一次叠加, 单次覆盖, 采集排列与激振点组合, 全排列移动, 其中地裂缝附近半排列移动, 道间距2 m, 偏移距6 m, 24道接收。
本次获得的瑞利面波等速度剖面(图3)。定性来讲, 地裂缝的附近地层均以低速带状出现。但地裂缝具体位置、上下盘、总体走向、倾向、倾角均不能定量判定, 能看到地裂缝已出露到地表, 地裂缝主控因素与地震推测的F1-2正断层有关。
 | 图3 MB101瑞利面波等速度剖面 |
仅依据图解释很粗略, 不能完全确定地裂缝的走向、位置及其他要素。
将各物探方法的理论研究与实际测试相结合, 认为本次隆尧地裂缝调查的综合物探法由可控震源近地表浅层纵波反射地震勘探、α 杯累积测氡法、电磁波探地雷达地裂缝精细探测法三种关键技术组成。
4 成果及方法重要性分析
4.1 可控震源近地表浅层纵波反射地震勘查成果
(1)根据地震剖面反褶积后的频谱分析可以清晰判别第四系地层中反射波主频在与来自剖面下方二叠系地层的反射波主频有明显的差异, 划分两系地层更容易。在震法探测范围内, 经过层位追踪、平行测线(LY01与LY02近平行, LY03、LY04与LY05近平行)对比分析(图2, 图4), 得出隆尧地震反射标准层与年代地层的对应关系, 见表2。
 | 图4 LY05地震解释剖面 |
| 表2 隆尧地震反射标准层与年代地层对应关系 |
(2)推断出两条正断层, 见图1。断层和微破裂节理的反射波场特征明显。反射界面的产状变化、反射波组中断、错动、扭曲、三角形空白段是断层反映。
(3)断层与裂缝关系:反射波组T1、T2、T3在断层处被错断, 推测断层深在50~520 m之间, 且地表出露地裂缝的位置与F1-2正断层处破碎带在垂向上具有对应关系, 或说明该破裂带的存在为地裂缝的孕育提供了破裂基础。并可以推测深部断层的长期缓慢活动造成了浅部地层的破碎, 在自然和人为活动的共同作用下, 最终在地表显现成地裂缝[2, 14]。孕裂断层均已断至第四系上更新统(Q3)内部, 断层西段及东段走向、倾向有轻微变化, 其断层要素见表3。
| 表3 隆尧地裂缝孕裂断层要素 |
(4)对浅震剖面剖析认为, 浅地表50 m以下深地层反射波组清晰, 解释可靠。50 m以上浅的地层需α 杯累积测氡法、电磁波探地雷达探测与验证。
4.2 α 杯累积测氡成果
测线α 101与α 201、α 301、α 401近平行、南北向, α 501与α 601近平行、东西向。平行测线之间有相似的氡气及子体浓度变化趋势, 不平行测线浓度趋势有异, 对比图5、图6。
 | 图5 α 201测氡曲线 |
 | 图6 α 501测氡曲线 |
图5中标示的地裂缝走向与地震推断的F1-2正断层处破碎带在垂向上具有对应关系, 与地表出露地裂缝情况吻合。但同测线还有多个峰值, 因此不排除有其他地裂缝存在的可能。
受α 501测线方向影响, 图6中标示的地裂缝处整体趋势呈中间高、两边低趋势, 解释为该处氡气及子体扩散范围大, 表明该区域存在断裂破碎带, 与之前得出的F1-2正断层处破碎带在垂向上具有对应关系。
可见, α 杯累积测氡解释的地裂缝与断层F1-2推断的地裂缝对应关系良好, 证实了该方法的有效性。
4.3 电磁波探地雷达勘查成果
为显示探地雷达局部精细结果, 从雷达映像图中直接提取10 m以上深度电磁波信息, 见图7。6m以上深度地层层序清晰, 地层呈水平层状分布, 根据电磁波反射振幅衰减情况, 分层结果为:0~0.2 m高亮反射层为表土, 0.2~3 m强反射层为土层, 3~4.4 m低反射层为黏土层。
 | 图7 RD02线0~400 m雷达时间剖面 |
图8是图7局部放大示意。从图中可知, 196~201 m出现了规则电磁波绕射弧(白框所示), 地裂缝异常特征明显, 从电磁波扰动宽度推断地裂缝宽度大于2 m, 裂缝中心位置为199 m处, 发育深度约8 m。230 m处也出现电磁波绕射弧, 为雷达测线垂直穿过一近圆形目标体之表现, 推断可能为地下管线, 或水井, 也可能为地裂缝, 需加以查明并防范。
 | 图8 RD02线190~230 m雷达时间剖面 |
4.4 关键技术重要性分析
以上三种方法的综合应用, 客观准确地推断出F1-1、F1-2两条断层及F1-2主控的隆尧地裂缝, 完成了剖析地裂缝所在地层的结构、揭示地裂缝成生发展的主控因素的目的。
可控震源近地表浅层纵波反射地震勘查起“ 追根溯底” 的作用, 最为重要; 电磁波探地雷达勘查给出了浅地表50 m以内地裂缝的图像, 最为精细; α 杯累积测氡以统计学角度, 用氡衰减射线α 脉冲数定量侧面描述了地裂缝的影响范围, 较为准确。
5 结论
(1)通过四种勘探手段在隆尧地裂缝区进行的无破坏性调查研究, 可知近地表浅层纵波反射地震法能确定宏观地质构造、电磁波探地雷达法探测地表更精细、α 杯累积测氡法能划定地裂缝影响范围, 这三种方法打出了物探“ 综合拳” , 是探测隆尧地裂缝的关键技术。
(2)在探测范围内, 隆尧东店马村有两条主断层穿过, 与在地表形成地裂缝有关的主控因素是F1-2断层, 同时地裂缝的活动在一定程度上反映了断层的活动性, 目前该断层带活动比较强烈, 地裂缝规模不断扩大, 地裂缝上盘地面沉降比较明显。今后一段时间, 在隆尧开展活断层、地裂缝调查、监测工作仍很有科学意义。
(3)在开展隆尧地裂缝调查, 查明其分布规律、成因时, 综合物探可以认识和揭示其成生发展的主控因素, 为其成因机制研究提供地球物理论据, 而在关键技术选取时, 要敢于舍弃可靠性较差的方法, 以保证探测结果合理有效。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献
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