0 引言
乌鲁木齐地处亚洲大陆地理中心,从地质构造角度上看,市区正处于天山北麓与准噶尔盆地接壤的山前冲洪积倾斜平原上,古河道发育,低山丘陵地貌散布,同时又处在山前坳陷活动构造带中,区内分布有多条活动断裂,对城市建设和生产生活产生一定影响。随着乌鲁木齐经济社会的快速发展和“建设丝绸之路经济带核心区”战略的实施,乌鲁木齐城市范围不断扩大,由此带来的城市地下空间规划设计所需的地质资料不能满足需要。为系统查明区内水文地质、工程地质、环境地质及制约城市发展的地质问题,亟需开展城市地质综合调查工作。
城市地质调查工作中,开展城市范围内全要素(地质结构、地质参数以及既有地下空间等)地质调查是全部工作的基础[1]。地球物理方法作为一项效果显著的地下空间探测技术,可为城市地质资源评价及信息系统的建立提供诸多信息。目前,多项传统物探技术在城市建设中取得了良好的应用成效,包括:浅层地震、高密度电法、探地雷达法、高精度重力等[2]。上述四类方法各有所长,又各有所短:①浅层地震勘探主要存在震源能量不足造成的勘探深度有限的问题。城区范围内炸药的使用受到严格管控,大型可控震源易对已有建筑物产生震动损伤;同时,在数据采集时,对场地条件及周围噪声环境具有严格要求,大大限制了方法的应用范围。②高密度电法具有野外施工方便、分辨力高效率高的优势,但是方法对场地长度要求较高,勘探深度与剖面长度呈正相关,一般探测深度为剖面长度1/4~1/6,并且需要保证电极接地电阻符合规范要求。③探地雷达勘探的分辨力较高,野外操作使用便捷,但是探测深度有限,此方法多用于地下空洞灾害检测、管线探测等工程领域。④高精度重力勘查除了完成正常的数据改正外,还需进行近仪重力改正,以改正测点周围建筑物对重力测量值的影响;在交通、人文及建筑施工的震动干扰环境下,易出现采集数据不稳定的情况,且勘探成本较高[3]。
1 工作区概况
调查区为新疆乌鲁木齐市1:5万地质图米东区图幅,面积约为420 km2。在大地构造上,调查区位于南准噶尔北天山地层分区,区内出露地层包括上古生界、中生界和新生界。上古生界在调查区内主要以二叠系为主,石炭系零星出露;中生界侏罗系地层在区内广泛出露;新生界主要分布在调查区北部,以冲积卵砾石层为主。
调查区在区域构造上处于几个不同方向的构造交汇斜接部位:乌鲁木齐山前坳陷的东南部、博格达复背斜的西部(NE向),它连接依连哈比尔尕复向斜、博格达复背斜和乌鲁木齐山前坳陷三个四级构造单元。区内次一级褶皱、断裂十分发育,复杂多样,对该区各类突发性地质灾害的空间分布和发育产生影响。区域内活动断裂有多组方向,其走向以NWW—近EW向为主,NE—NEE向次之。NWW—近EW向断裂主要以南倾的逆断裂、逆冲断裂,断裂切割第四纪不同时代地层[9]。区域内活动断裂多沿古老断层发育,规模较大。同时,新老断裂控制现代地震活动,区内多次发生5级以上地震,表明断裂的活动时代持续到近代。
为了能够合理控制整个测区的地层横波速度结构,并使得物探资料与水文地质调查资料相互验证,天然源面波测点按照先期已经确定的水文地质勘探线布置。本次工作测点间距设置在200~400 m(北部第四系覆盖区点距较大,南部基岩出露区点距为200 m),南北向主测线5条,东西向联络测线3条,共布置测点465个,各测点控制有效探测深度为100 m。
测区内的主要地层岩性为冲洪积卵砾石层和侏罗系砂岩、泥岩,根据场区波速测井实验测定的参数值并结合已有的地质资料,确定了工作区内不同地层岩性的横波速度范围(表1)。
表1 调查区内不同地层横波速度范围
Table 1
| 地层 | 岩性 | 横波速度/(m·s-1) |
|---|---|---|
| Q | 第四系冲积砂或土 砂砾石 砂卵砾石 卵砾石(深部) | <400 400~600 600~1200 >1200 |
| J | 砂岩 泥质砂岩 泥岩 | 400~700 700~1300 >1300 |
由表1可见,场区内主要为地表砂土、卵砾石层和基岩,各地层之间的横波速度差异明显,地层之间可形成有效的速度界面,有利于识别不同物性的地层。在波速等值线图中,由于断裂破碎带与围岩之间存在明显物性差异,一般将等值线明显变化、连续升高(降低)的梯度带区域划分为断裂破碎带。综上,场区内不同地质体之间具有明显的物性差异,符合开展地球物理勘探工作的前提条件。
2 天然源面波技术原理
在城市物探工作中,传统的人工地震勘探方法需要使用人工重锤或者炸药作为能量源,往往会因勘探深度有限、炸药管控、场地限制等条件难以开展地震勘探工作,电磁法技术又因城市电磁环境复杂而无法获得有效数据。由于天然源面波技术利用自然界和人类活动产生各类振动,记录不同频率的振动信号并从中提取面波频散曲线以推测地下地层结构。与人工源地震法及其他电磁类方法相比,此方法具有勘探深度大、野外施工简捷、无需人工震源、无损探测、场地要求条件低等优点,是为数不多的能有效应用于城市复杂工作环境中的物探技术[10]。
地球表面无论何时何地都处在一种微弱的震动状态下,地球表面的这种连续微弱震动可成为天然源面波的信号场源。天然震动源信号根据来源不同可分为两类:低频信号(≤1 Hz)和高频信号(>1 Hz)。其中,低频信号由潮汐、海浪、气压变动及风动等自然条件变化引起;高频信号为人类生产、车辆行驶及机器运行等活动产生的机械震动[14]。根据面波频散原理,波速会随着频率和波长的变化而变化,一般来说,频率越低传播深度越大。天然源面波勘探方法就是从这些天然场的微动信号中提取出瑞雷面波的频散特性,最后通过反演频散曲线来推测地下的横波速度分层模型。
图1
图1
调查区天然源面波工作部署
Fig.1
Working deployment map of natural source surface wave in investigation area
图2
图2
天然源面波技术测站布设方法
Fig.2
Layout method of natural source surface wave technology station
对提取出的频散曲线应用遗传算法进行反演获得地下横波速度结构,最后结合当地的地质资料对横波速度结构作出地质解释,具体数据处理流程如图3所示。
图3
图3
天然源面波技术数据处理流程
Fig.3
Data processing flow of natural source surface wave technology
3 应用成果
本次天然源面波技术数据采集使用的是北京水电物探研究所自主研制生产的WD-1型智能天然源面波数据采集系统。数据采集主机采用24位模数转换,动态范围120 dB,其动态范围完全满足天然源面波的记录要求,所以未使用前置信号放大等信号增强手段,避免了录入干扰信号,为天然源面波勘探广泛应用于工程勘查提供了科学的技术保障[16]。
WD-1型智能天然源面波数据采集系统共配备高频2 Hz和低频1 Hz两种检波器,以满足不同勘探深度的需求。根据任务要求和场地试验结果,本次工作确定技术采集参数为:2 Hz检波器10通道接收,最大边长48 m、采样间隔5 ms、迭代次数500次。
3.1 单点解释
地层岩性差异是天然源面波技术划分岩性层的物理前提。在本次天然源面波解释工作中,始终按照钻探确定的“标准地层”识别曲线岩性。以ZK13为例,测点位于低矮丘陵地区,钻探控制深度40 m。在反演后的面波频散曲线中,40 m以浅深度可分为3个主要层位:浅地表0~1.7 m范围为检波器频带范围有限产生的“勘探盲区”;深度1.7~10.6 m 内频点密实,为浅地表粉砂、粉土层;深度 10.6~18.3 m内频点疏密不均,上下分界面拐点变化幅值大,推断为第四系冲洪积碎石层,其形成过程与构造发育有关;深度18.3~33.9 m内推断为侏罗系齐古组砂岩,速度随着深度变化梯度较大,是地层泥质含量增大的主要表现;深度33.9~45.6 m内为侏罗系齐古组泥质砂岩,本段频散曲线频散点密度一般,地层岩性表现为泥质含量逐渐升高。以上地质分层情况符合调查区内的地质岩性特征。
与该测点钻探结果相比(表2),天然源面波技术可确定岩性差异较大的地层分界面,频散曲线解释深度误差<5%。当反演初始模型有已知资料约束时,可进一步提高反演精度,并可提高岩性差异较小地层或“薄”地层的“检出率”。
表2 ZK13测点天然源面波与钻探结果对比
Table 2
| 地层 | 岩性 | 底界深度/m | 深度误差 /% | |
|---|---|---|---|---|
| 钻孔 | 天然源面波 | |||
| 第四系 | 粉砂、粉土 | 11.00 | 10.60 | 3.64 |
| 碎石 | 19.20 | 18.30 | 4.69 | |
| 侏罗系齐古组 | 砂岩 | 33.20 | 33.90 | 2.11 |
| 泥质砂岩 | — | — | — | |
图4
图4
ZK13点天然源面波技术频散曲线解释与钻孔柱状图
Fig.4
Dispersion curve interpretation and borehole column map of natural source surface wave technology at ZK13 point
3.2 剖面解释
WT6线位于调查区中部,为南北走向的主测线,测线长19 km,共布设数据采集点45点,以完成调查区内地层分布及断层识别工作。
在WT6线横波速度等值线图中(图5),低速层与高速层过渡连续,分析总结剖面异常分布特征为:①剖面中随着深度增加,介质横波速度逐渐增大。其中浅部低速层主要为杂填土及含砂砾石层,深部高速层为卵砾石或上侏罗统砂岩、泥岩。②在18号点、31号点及53号点附近存在局部横向的高低速过渡异常带,其中低速带推断为断层中破碎岩石引起的低速效应。在测线WT6+1 900 m、WT6+9 800 m及WT6+11 050 m三处有以往钻孔资料,经对比分析面波地层分层结果与钻孔资料相符。
图5
图5
WT6线横波波速等值线解释成果
Fig.5
Interpretation results of S-wave velocity contour of WT6 line
综合WT6线横波速度等值线特征和钻孔信息(图6),第四系与侏罗系地层以八钢——石化(F1)断裂带为界,测线北部(断层下盘)为第四系冲积卵砾石层,向下砾石直径增大直至变为卵石层,且地层含沙量逐渐降低,反映了不同地层的形成时间;南部(断层上盘)为侏罗系泥砂岩,向南延伸覆盖层厚度逐渐变浅,随深度增加泥质含量逐渐增多。
图6
区内主要存在的地质构造有:八钢——石化(F1)断裂、碗窑沟(F2)断裂及乌鲁木齐河(F5)隐伏断裂。由WT6横波速度等值线剖面图可以看出,在测线WT6+2200m处碗窑沟(F2)断裂断面北倾,倾角约为70°,逆冲运动性质,处于第四系覆盖的隐伏状态;在测线WT6+4600m处有一处于隐伏状态的乌鲁木齐河断裂,倾向SE,倾角陡达80°,断层运动性质为正断层;在测线WT6+8800m存在八钢——石化断裂带,八钢——石化断裂带倾向南或南东,倾角陡达75°,断层运动性质为逆冲为主,断层两侧第四系厚度差异巨大,断层运动错断了浅表第四系,推断此属晚更新世活动断裂。
3.3 等效剪切波速与场地类别
在工程建筑的安全性评价中,等效剪切波速是划分场地类别的重要工程参数。根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)中第4.1.5条的规定,土层的等效剪切波速度计算公式如下:
表3 按等效剪切波速划分场地类别
Table 3
| 土的类型 | 等效剪切波速 /(m·s-1) | 场地类别 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Ⅰ0 | Ⅰ1 | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | ||
| 岩石 | vse>800 | 0 | ||||
| 坚硬土或软质岩石 | 800≥vse>500 | 0 | ||||
| 中硬土 | 500≥vse>250 | <5 | ≥5 | |||
| 中软土 | 250≥vse>150 | <3 | 3~50 | >50 | ||
| 软弱土 | vse≤150 | <3 | 3~15 | >15~80 | >80 | |
根据式(4)计算各个测点的等效剪切波速,并绘制调查区内的等效剪切波速等值线图(图7)。上图表明,调查区内剪切波速整体呈现“中间高南北低”特征,低值区主要分布在南部浅覆盖区和西北部细粒冲积地层区,调查区东部存在一个低速带,推测与浅地表煤矿采空区有关。经统计计算不同场地类别的面积,可知调查区内中硬土或坚硬区域占比93.72%,绝大部分地区属于工程建设稳定区,局部区域由于地层性质(中软土)或地下不良地质体存在使得场地类别降低至II类场地。
图7
图7
调查区等效剪切波速等值线
Fig.7
Contour map of equivalent S-wave velocity in survey area
表4 调查区不同场地类别面积统计
Table 4
| 土的类型 | 等效剪切波速/(m·s-1) | 面积/km2 | 比例/% |
|---|---|---|---|
| 坚硬土或软质岩石 | 800≥vse>500 | 63.19 | 14.46 |
| 中硬土 | 500≥vse>250 | 346.27 | 79.26 |
| 中软土 | 250≥vse>150 | 27.43 | 6.28 |
根据计算等效剪切波速时每个测点所确定的覆盖层厚度,绘制调查区内覆盖层厚度等值线图(图8)。调查区内覆盖层厚度特征为:以八钢——石化断裂带为界,北侧基岩面埋深突降至150 m以下,南侧基岩埋深逐渐变浅直至在东南部出露,符合调查区内的地质构造特征。
图8
图8
调查区基岩顶界面埋深等值线
Fig.8
Contour map of bedrock top interface depth in survey area
3.4 卓越周期与场地土类型
卓越周期是地脉动(微动)的一项动力学特性参数,反映场地的结构特征。此项参数可用于防止发生特殊的地震效应(共振)、场地类别划分、场地土类型划分以及估算地震动峰值加速度。大量资料表明:软弱场地上的长周期和硬场地上的短周期建筑物易遭到地震时的共振破坏。因此,测试场地上土层的卓越周期特征,对地基土层场地评价以及提高建筑物抗震设计具有重要的理论及实际意义。
在WD-1型智能天然源面波数据采集系统中,可以记录每个测点的卓越周期,进而汇总绘制调查区的卓越周期等值线(图9)。在调查区内,卓越周期呈现“整体低,局部高”的特征。低值条带基本沿NE—SW走向,局部高值区域分布在调查区WN侧。
图9
根据《场地微震动测量技术规程(CECE74-1995)》的规定,按照场地卓越周期可将场地土分为4类,与《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)中的分类相一致。经统计计算各类场地的面积,结果表明(表5):在调查区内,绝大部分区域的场地土类型属于“坚硬土”的区域,局部区域由于地层性质场地土属于软厚类型,需要在具体工程建设中加以关注并开展进一步检测工作。
表5 调查区不同场地土类型面积统计
Table 5
| 场地土类型 | 卓越周期T/s | 面积/km2 | 比例/% |
|---|---|---|---|
| Ⅰ——坚硬场地土 | 010≤T<0.20 | 116.59 | 26.69 |
| Ⅱ——硬而厚场地土 | 0.20≤T<0.40 | 301.48 | 69.01 |
| Ⅲ——软而较厚场地土 | 0.40≤T<0.60 | 18.82 | 4.30 |
| Ⅳ——异常松场地土 | T≥0.60 | 0 | 0 |
汇总以上每个测点的等效剪切波速和卓越周期值,并根据相关行业规范,可进一步统计完成各个测点局部区域的场地类别和场地土类型的划分工作,部分测点场地评价结果见表6。
表6 天然源面波测点场地评价
Table 6
| 测点编号 | 地脉动卓越周期 /s | 等效剪切波速 vse/(m·s-1) | 覆盖层厚度 dov/m | 土的类型 | 测点所在位置 建筑场地类别 |
|---|---|---|---|---|---|
| WT6-14 | 0.285 | 412.12 | 23.15 | 中硬土 | Ⅱ |
| WT6-62 | 0.41 | 530.94 | 4.5 | 软质岩石 | Ⅰ1 |
4 讨论
本文以乌鲁木齐城市地质调查项目中的天然源面波技术工作为例,详细介绍了天然源面波技术在城市地质调查中的主要成果。为总结应用经验并指导开展后期城市物探工作,本文对天然源面波技术在城市地质调查中的方法特点和应用方面进行了探讨,取得了新的认识:
1)外业工作中获取高质量物探数据是资料解释准确性的重要保证。城市环境复杂,干扰大震动多,非常不利于开展城市物探工作。在本项目天然源面波台阵的布设中,所有台阵均采用同一组(10道)主频为2 Hz的垂向检波器接收信号。为了增强检波器与地面的耦合,在软土地区域,检波器在埋设时均将12 cm长的尾椎拧紧并全部插入密实的地面;在部分硬化路面,拆除检波器尾椎后在地面铺垫一层约2 cm厚的石膏泥,将检波器垂直按置于石膏泥上,静置三分钟待石膏泥硬化后便可开始数据采集工作。在数据采集时,为了减少人类活动对地震波采集的不利影响,需在台阵周围设立警戒圈,通过阻止汽车和行人进入测试圆圈,提高采集资料的信噪比。
2)本次工作将天然源面波技术区域性地应用在城市地质调查项目中,认为在地层波速差异明显的区域,具备开展天然源面波技术的理论基础,应用成果验证了该方法在城市地质调查中具有很好的适用性。由于不需要人工震源,方法可真正实现无损探测,同时降低了场地条件要求。此外,天然源面波技术成果资料类型丰富,可根据面波频散曲线获取等效剪切波速度和卓越周期两项参数,划分场地类别和场地土类型。
3)建立了天然源面波技术在城市地质调查工作中的应用流程(图10)。本次选择天然源面波技术开展城市地质调查工作,详细划分了调查区内的地层结构,识别了断层的地质信息,为建立城市地质信息系统提供地质资料;进一步获取测点的等效剪切波速和卓越周期两类地质参数,根据行业规范划分出场地类别和场地土类型,为城市工程地质评价提供基础数据。
图10
图10
天然源面波技术在城市地质调查工作中的应用流程
Fig.10
Application process of natural source surface wave technology in urban geological survey
综合工程应用成果与讨论结果分析,天然源面波技术在城市地质调查中,可充分发挥其勘探深度大,野外施工简捷,无需人工震源,受震动干扰影响较小及场地要求条件低等技术优势,可完成地质分层、断层识别和覆盖层厚度等地质调查工作,并进行场地类别和场地土类型划分工作,进而为城市基础地质调查、城市工程地质评价和城市地质信息系统提供诸多有效数据。因此,天然源面波技术在城市地质调查工作中具有广阔的应用前景,以后在城市地下空间资源探测时可优先考虑。
5 结论
1)应用结果表明:在调查区内,地层特征以八钢石化断裂为界,呈现南北覆盖层厚度差异明显的地质特征。其中,八钢石化断裂以南区域,第四系冲积卵砾石层厚度约10~50 m,往北第四系厚度逐渐增大,下伏基岩主要为侏罗系砂岩、泥岩等,部分地层为含煤层;八钢石化断裂以北区域,在目标探测深度内,全部为第四系洪冲积卵砾石层,反映出八钢石化断裂极大地影响了本区的地层及构造分布。同时,区内分布有多条的隐伏断裂,通过解释横波速度剖面,认为剖面中的低速带区域为断裂带岩石破碎引起的低速效应,结合钻孔资料准确查明了碗窑沟断裂、雅玛里克断裂及九家湾断层组等隐伏活动断裂的空间位置、性质、活动时期和上下盘地层埋深等构造特征。
2)在天然源面波技术中,根据采集的面波信息提取出测点的频散曲线,进而计算出测点的等效剪切波速和卓越周期值,完成了工程地质评价中场地类别和场地土类型划分工作。据调查,区内绝大多数地区处于中硬土或坚硬土,属于工程建设稳定区,局部区域由于地层性质变化或存在地下不良地质体使得场地类别降低至II类场地、场地土降至软厚类型。
致谢:
本项目在野外作业过程中有新疆地质调查院的多位同事参加。其中,天然源面波技术工作得到了北京水电物探研究所刘云祯教授、金荣杰老师的耐心指导和帮助,在此一致向他们表示衷心的感谢!
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[D].
微动的空间自相关法及其实用技术
[J].<p>本文的前半部分介绍微动的空间自相关法理论基础,后半部分介绍该方法的数据采集与处理技术,讨论了空间自相关系数ρ值的方向性、测点间距和观测时间不同对ρ值的影响,以及由瑞利波相速度推断剪切波速度构造的可行性。</p>
The microtremor spatial autocorrelation method and its practical technique
[J].
WD智能天然源面波数据采集处理系统及其应用试验
[J].
DOI:10.11720/wtyht.2016.5.26
Magsci
[本文引用: 1]
<p>我国自主研发的WD智能天然源面波数据采集处理系统，改变了迄今为止现场仪器只采集天然微振动波形记录的现状。该系统利用大数据计算、筛选、叠加、归一化等技术，创先性研制出现场仪器在采集微震信号的同时，可直接显示勘探成果的面波频散曲线；信号采集过程中，无需震源，无需人工控制；装置系统安置在地面，10~30min可获得上百米深度地层的面波频散曲线，得知土层软硬。在不同岩性地区的试验结果证实，该系统能快速、准确地进行地层划分，操作便捷，适应性强，为天然源面波勘探广泛应用于工程勘查提供了技术保障。</p>
Data acquistion and processing system of WD intelligent natural source surface wave and its application test
[J].
