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都会地球物理勘探要领应用希望
宣布时间:2023-09-15 浏览次数:23757 泉源:乐宝体育
摘要
我国经济的一直生长和都会化建设的快速推进 ,凸显了都会地下空间探测与合理开发使用需求的迫切性与主要性 ,高精度地球物理勘探要领对都会地下空间探测施展着主要作用。与通例物探事情相比 ,都会地下空间探测面临着较为重大特殊的情形 ,因而某些领域对通例物探事情提出了更高要求。本文试图总结梳理近年来都会地下空间探测中的应用研究希望及生长趋势 ,从都会高密度电法、探地雷达法、面波勘探法、浅层反射地动法及都会高精度重力探测等五种要领概述应用希望 ,涵盖电磁、地动、重力等多门类综合地球物理勘探要领 ,涉及光纤传感及微下手艺在地下空间探测的应用 ,剖析了种种要领的优势所在 ,简明叙述了都会地下空间探测的有用要领途径和部分保存的问题 ,以期为地球物理勘探相关手艺生长及都会地下空间探测事情提供一定参考借鉴。
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0# 小序
都会地下空间作为一种名贵的自然资源 ,在全球蓬勃国家和部学生长中国家已获得普遍开发应用。随着我国都会化建设一直推进 ,都会地下空间探测已成为目今研究关注的热门问题 ,同时对地球物理要领手艺提岀了更高要求 ,地球物理要领是举行都会地下空间探测、开展地下地质结构视察以及地下填图不可或缺的手段。近年来 ,我国在成都、杭州及雄安新区等重大都会均开展了都会地下空间探测事情 ,并且综合运用多种物探要领 ,用以解决与都会亲近相关的地质、水文、情形及灾难等一系列问题 ,取得了较好应用效果。
目今 ,地球物理探测要领手艺在外洋地下空间探测中常用于工程物探勘探 ,日本主要使用面波、浅层地动反射勘探 ;加拿大主要使用地质雷达、高密度电阻率成像和浅层地动勘探 ;新加坡主要使用电阻率成像、浅层地动、测井及井中物探。关于系统性的都会地下空间探测 ,仍待进一步富厚和完善。
同蓬勃国家相比 ,我国都会地下空间探测使用起步较晚 ,但生长迅速。早期都会地下空间探测主要团结都会地质视察和工程勘探睁开。1960年月我国组织开展都会地质视察 ,包括都会地下水资源勘查、综合工程地质勘查、情形地质勘查和地质灾难视察等。1980年 ,我国在100多个大中都会使用航磁、重力、电阻率法和放射性法等物探手段开展综合区域物探事情 ,基本探明大区域标准结构特征。2003年 ,我国以北京、上海、天津、广州等大都会为地质视察试点地区 ,之后又组织开展新一轮包括杭州、武汉、南昌等在内的多要素都会地质视察事情 ,这些都会标准的地下空间探测 ,综合使用了钻探、高精度重磁、电磁法、地动纵横波勘探、测井及井中物探等地球物理要领组合手艺 ,为都会地质数据库建设和空间资源开发使用提供了支持。
与通例物探事情相比 ,都会地下空间探测情形特殊 ,通常修建物麋集 ,车辆交通忙碌 ,情形噪声滋扰严重 ,具有勘查规模小、勘查网较密、浅层勘探精度要求高以及无邪度要求较高等特点 ,需知足狭窄空间高效作业、抗滋扰及绿色环保等要求 ;因事情特色与作业方法差别 ,不宜简朴套用石油、煤田勘探手艺。在数据收罗和处置惩罚方面临通例物探事情提岀了更高要求 ,需逐步刷新完善古板要领手艺 ,以顺应都会勘探需求 ,提高抗滋扰能力和现实探测效果。一些学者举行了都会滋扰配景下的浅层地动勘探系列试验研究 ,使要领手艺一直完善 ,增进了行业生长。本文试图总结梳理近年来都会地下空间探测中的地球物理要领应用研究希望事情及生长趋势 ,涵盖电磁、地动、重力及井间物探等多门类综合地球物理勘探要领 ,涉及最新的光纤传感及微动探测手艺在地下空间探测的应用 ,并归纳综合了种种要领的优势所在 ,简明叙述了都会地下空间探测的有用要领途径和部分保存的问题 ,以期为地球物理勘探相关手艺生长及都会地下空间探测事情提供一定参考借鉴。

01#都会地球物理勘探基来源理、要领及探测目的
1.1 地球物理勘探基来源理
地球物理探测依据目的体与周边介质的物理差别 ,运用地球物理原理和响应的先进物探仪器装备 ,剖析研究视察到的物理场漫衍 ,通过数据处置惩罚、比照异常来剖析诠释与探测目的体之间的对应关系 ,来探查地质界线、地质结构或其它目的体 ,或测定地质体或地下人工埋设物的物理性子或工程特征的测试要领 ,基于地质条件转变、都会运动引起的电场、地动波场、磁场、重力场、地热场、放射性等物理场的转变 ,响应使用电法、地动、磁法、重力、测温、放射性勘探等种种要领 ,探讨在陆地、水域、地下(井中及坑道)等差别条件下取得的应用效果 ,获取包括地质结构、地下水、滑坡、流体充填、异常埋藏物等的物理特征 ,以解决岩土工程及情形地诘责题 ,为都会建设妄想、空间资源开发使用和都会康健可一连生长提供支持。

1.2 地球物理勘探要领
现在 ,海内多种通例及新型地球物理要领应用于都会地下空间探测视察 ,依据地质体电场、地动波场、磁场、重力场、地热场、放射性等场源属性差别 ,目今涵盖的主要手艺要领包括:探地雷达、通例浅层地动(二维、三维)、高密度电法、广域电磁法、瞬变电磁法、井中地球物理手艺(井中地动、井中电磁法、测井)、直流电法测深、自然被动源面波勘查、混淆源三分量地动频率谐振勘探等探测要领 ,特殊是微动探测要领及使用光纤收罗的漫衍式声波传感手艺(DAS)近年来获得普遍关注和探索生长 ,并在实践中一直增强。

1.3 地球物理勘探目的
都会地下空间地球物理探测事情内容与都会建设工程及都会情形亲近相关 ,详细而言 ,上述地球物理勘探手艺要领可用来研究解决地下结构地质结构划分 ;确认笼罩层、风化带、基岩埋深 ;探测活断层及隐伏结构 ;探测含水富集区 ;探测暗浜、岩溶和朴陋 ;探测地下管线 ;路基灾难、滑坡视察 ;勘查古河流 ;地铁轨道与高速公路选线 ;重大修建(水坝、发电站等)选址 ;垃圾填埋场探测与渗漏评价 ;都会污染危害评价 ;水文地质条件评价及动力学参数测定等问题 ,以致考古视察、情形监测与修复等 ,具有主要意义。

02#要领应用研究希望
随着人类运动与刷新自然的能力一直增强 ,都会化历程对自然情形的影响也日益增强 ,可能带来新的灾难 ,情形与灾难问题值得关注。近年来我国都会蹊径塌方、地铁塌陷等事故常有爆发 ,都会面临特殊地质情形下地面沉降、地裂痕、运动断裂及岩溶等特殊地质危害危害 ,有须要尽快开展特殊地质都会地下空间探测与监测手艺等要领研究。下文将试图重点从高密度电法、探地雷达法、面波勘探法、浅层地动法、高精度重力等物探要领予以先容 ,梳理剖析差别地球物理要领在都会地下空间探测应用希望及探测效果等 ,并简明叙述要领优势和缺乏 ,以及在现实事情中面临的一些问题。探测要素涉及都会活断层及裂痕探测、浅表层结构与岩性参数探测、地下管线及岩溶朴陋探测、地下地热微动探测和都会地下蹊径探测等。

2.1 高密度电法
高密度电法是基于差别地层岩石间保存导电性能差别 ,集电剖面法和电测深为一体的地学层析手艺。通过一组电极向地下供电 ,另一组电极丈量电压、电流并引入装置系数 ,获得视电阻率值 ,从而推断诠释地下地质结构 ,抵达勘探目的。
上世纪80年月中期 ,日本使用自动控制理论与集成电路 ,实现高密度电法野外数据收罗 ,我国地矿界于80年月后期最先研究高密度电法理论与手艺要领 ;随着盘算机硬件与手艺的一直向宿世长 ,高密度电法应用实践一直增强 ,日趋成熟 ,应用领域包括:圈定含水层 ,探测裂痕、朴陋、暗浜和膏盐层等不良地质体 ,路基及桥墩选址等。曹创华等(2019)凭证地质和钻孔信息对高密度电法测点数据举行了层状划分 ,构建二维模子反演 ,完成磷七密度电阻率从一维到二维的逐级反演研究 ,提高了反演精度和地质诠释准确度。王亚辉等(2019)接纳钻孔揭破、实验测试、多参数地球物理测井、地面地球物理勘探组合要领开展了地下空间细腻探测与建模研究 ,获取了西咸新区多参数地球物理特征 ,提岀高密度电法、微动台阵视察、浅层地动勘探及多参数测井要领相团结的都会地下空间物探组合要领。

Profiler 8i高密度电法仪
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POLARES-32高密度电法仪
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高密度电法效果图
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膏盐层是都会地下空间常见的不良地质体 ,提前获知基岩内膏盐层埋深及展布具有主要意义。李华等(2020b)接纳高密度电法、微动勘探、三分量频率谐振勘探等要领开展了膏盐富集层探测研究 ,并使用等值反磁通瞬变电磁法对研究区开展了100mx10m的扫面丈量事情 ,反演获取200m以浅的三维电性结构 ,团结钻孔信息推断膏盐层空间展布形态。
郭淑君等(2021)使用高密度电阻率法对雄安新区0?200m第四系地层内发育的砂层透镜体、隐伏裂隙和塌陷等举行了探测研究 ,团结地质结构断面和高密度电阻率体深度切片 ,展望了古河流砂体漫衍。数据接纳温纳α布极方法(图1)、使用WDJD-2高密度电法仪举行丈量 ,电偶极矩10m ,测区共安排工具向13条测线、南北向8条测线 ,呈网格状漫衍。
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//图1 二维高密度电阻率法温纳α布极方法

数据处置惩罚接纳Res2dinv软件 ,凭证数据编辑一地形校正一初始设置一正演设置一反演设置一反演效果输岀一Surfer成图的处置惩罚流程举行。
通过对测区0-200m深度反演的电阻率值举行三维建模 ,获得水平向为主、恣意向为辅的电阻率深度切片(如图2) ,以为:在-65m以上深度 ,电阻率值规模为5?70Q?m ,高值较多。推测有大层段含水的细、中砂 ,即保存多个一连互通的大型“砂层透镜体” ;而-65m以下深度 ,电阻率值规模为10?50Q?m ,高值镌汰 ,推测粘土、亚粘土、亚砂土与粉细砂、粉砂等频仍交互沉积 ,形成不等厚互层。
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//图2 电阻率深度切片图

相比于古板电阻率法 ,高密度电法具有较多优点:①可一次性完成电极布设 ,操作快捷利便 ,阻止多次布设的误差 ;②可高效丈量多种电极排列方法 ,实现多参数丈量 ;③自动化完成数据收罗和收录 ;④可现场实时处置惩罚数据 ,效率高。
高密度电法在都会应用中面临的问题有:都会情形电磁滋扰对高密度电法倒运 ,高电磁滋扰下不宜接纳 ;保存电极与硬化地面耦合问题 ,需有用改善接地条件 ,以确保正常供电和探测数据的可靠性 ;测线受修建物及园地限制等。

2.2 探地雷达法
探地雷达法通过地面发射数十兆赫至数千兆赫的高频电磁波 ,凭证吸收到的反射电磁波振幅及波形等信息 ,来剖析、推断地下介质结构及地层岩性特征等。探地雷达法应用条件是地层之间保存介电常数差别 ,这种上下层介电常数差别决议了电磁波在地下撒播历程中反射信号的强弱。
U-Explorer(GPR) 探地雷达
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赵镨等(2017)团结地下管线探测及岩溶视察等案例 ,剖析了探地雷达等多种探测手艺的综合应用效果 ,研究以为三维高密度横波地动、三维高密度电磁法、三维探地雷达等手艺是都会地下空间探测手艺的生长趋势。冯晅等(2018)接纳全极化探地雷达识别管道 ,改善了已往单极化雷达只能获得单极化数据的要领 ,提取了简单及多管道目的中任一管道目的的极化属性 ,批注全极化探地雷达手艺能获得越发周全的目的体极化信息 ,能较好识别极化属性受到影响的管道目的。

KONTUR(3D-Radar)三维探地雷达

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邓诗凡等(2020)综合应用电磁感应法、地质雷达法、声学探测法开展地下管线漫衍探测试验 ,通过差别要领相互配合和交织验证 ,绘制了准确的管网漫衍图。图3雷达图像展现了雨水管道、消防管道、热力管沟及给水管道。效果批注 ,组合使用合适的探测要领 ,分步试验判断 ,可有用解决近距离铸铁管线探测中的信号滋扰问题。

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//图3 雷达图像

陈思静等(2021)先容了目今地下管线探测的主流地球物理要领 ,以为电磁感应法探测金属管线优势较显着 ,能包管小口径电力、通讯电缆较高探测精度 ,而探测非金属管线首选探地雷达法 ,两种要领互为增补 ,但抗滋扰能力和仪器探测精度仍有待进一步提高。李博等(2022)提岀基于哈希算法的地下管线探地雷达图像智能识别新要领 ,充分验展哈希算法浅易快捷的优势 ,并团结约束矢量的K均值聚类剖析 ,实现了探地雷达剖面中管线的快速识别 ;并提岀一种基于亮度函数的管线材质判别要领 ,解决难以从探地雷达剖面区分担线材质的难题。
郭士礼等(2019)探讨了探地雷达法收罗参数设置及数据质量评判要领 ,比照研究了正常蹊径、典范滋扰源和典范蹊径隐性病害的探地雷达波组特征 ,以为空中电缆线的绕射波双曲线曲率小、两翼缓而长 ,而地下管线绕射波双曲线曲率大、两翼陡而短(图4) ,从而圈定其位置及埋深等 ,为接纳修复步伐、消除塌陷隐患提供了指导依据。
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//图4 空中电缆线和地下管线探地雷达波组特征

三维探地雷达地面朴陋检测效果示例

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探地雷达法具有精度高、效率快、一连无损、实时成像等优点 ,现在在都会地下空间探测中多用于地下管线探测、地下不良地质体探测、考古及地下水探测等 ,其主要问题是受都会重大电磁波滋扰及探测深度较浅等。

2.3 面波勘探法
按引发方法面波勘探包括自动源面波勘探和被动源面波勘探法。
2.3.1 自动源面波勘探
自动源面波勘探通常使用直线阵列 ,可分为稳态法和瞬态法。稳态法面波勘探通过一直移动检波器来吸收由震源引发的单频正弦波。而瞬态法面波勘探 ,通常使用多道面波剖析手艺 ,由瞬态震源引发较宽频带脉冲 ,差别频率面波以脉冲形式在地下撒播 ,通过测线上按牢靠道间距匀称布设的检波器吸收 ,在频域剖析面波数据 ,通过对频散曲线反演 ,获得近地表各频率面波相速率 ,从而获取横波速率模子 ,常用要领包括外貌波谱剖析法和多道瞬态剖析法。
多道面波剖析要领自上世纪末提岀以来 ,海内外学者举行了大宗研究 ,近年来普遍用于工程勘查领域。李远林(2020)团结主、被动源面波对渭河盆地举行了地层分层视察研究 ,提高了成像精度。宋政宏等(2020)接纳漫衍式光纤传感器举行自动源面波勘查试验 ,使用多道面波剖析手艺提取频散曲线 ,获取浅层速率 ,为面波勘探提供了新的数据收罗仪器装备。陈淼等(2022)使用多道面波剖析要领开展趵突泉界线地质结构探测 ,综合初至波层析与面波频散剖析要领 ,建设了纵波速率、横波速率和纵横波速率比值模子 ,获得了浅层0-80m地层结构特征 ,推测了泉水界线径流通道偏向 ,为济南轨道交通建设和地下空间资源开发使用提供了新的手艺支持。

2.3.2 被动源面波勘探(微动探测)
智能微动勘探手艺无须人工震源 ,具有无损、高效、便捷、清静、经济、环保、勘探深度大等特点 ,在都会地下空间探测具有显着优势及优异应用远景。
现在微动台阵手艺以平稳随机历程理论为依据 ,通过特定视察系统获取自然笔直向下的微动信号 ,从中提取面波频散曲线 ,对频散曲线举行属性反演。微动台阵手艺因其接纳收罗长周期微震信号后再从平稳信号中提取频散曲线的战略 ,自然具有抗滋扰能力 ,这点相宜于重大都会情形勘探。可是 ,由于微动信号中高频能量较弱 ,因此对浅部地层结构的区分能力较差 ;由于该要领通常是基于不规则偏向多个视察点间信号盘算的平均频散谱 ,导致频散谱收敛性欠缺或整体速率偏大 ,所获取的频散曲线速率值与真实面波速率差别较大 ,并且所用装置安排空间越大误差越大 ,最终导致探测精度降低。图5为微动台阵法差别视察系统类型 ,其中直线型和内嵌三角型最为常用。
McSEIS-AT微动仪
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McSEIS-SW 24通道地动仪

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//图5 微动台阵法差别视察系统类型

微动测深要领主要包括原始数据收罗、相速率频散曲线提取和横波速率反演三个部分?占渥韵喙胤(SPAC)法通?旖萦杏 ,被动源勘探中SPAC要领和配景噪声相互关要领(NCF)物理实质上是一致的 ,一个在频率域中的形貌 ,一个在时间域的形貌 ,SPAC要领获得的是排列下方整个区域的平均频散曲线 ,而由NCF通过相互关函数获得的频散曲线是恣意两个台站之间路径上的平均效应。SPAC要领要求较量规则的圆形阵列收罗 ,在都会收罗条件受限 ,难以接纳规则圆形阵列时 ,可接纳扩展空间自相关法(ESPAC)。李巧灵等(2019)在北京通州布设45个微动测深点 ,接纳扩展空间自相关法(ESPAC)从垂向分量中提取Rayleigh波频散曲线 ,使用遗传算法获得S波速率结构 ,有用探测新生界笼罩层厚度 ,为地质灾难防控和地热资源使用提供了科学依据。
李洪丽(2020)通过短周期地动仪一连纪录15小时地动配景噪声数据(三重圆形收罗台阵如图6所示) ,接纳微动空间自相关法(SPAC) ,对50m、100m和200m台阵孔径巨细对应频散低频部分相速率举行了测试 ,通过拟合提取岀视察点瑞雷面波频散曲线(图7) ,并使用面波层析法反演获得该区域S波速率结构剖面。通过剖面上两个低速异常带划分富含水区(图8) ,为地热探测研究提供了参考。

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//图6 微动单点视察系统(三重圆形台阵)示意图
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//图7 瑞雷波相速率频散曲线

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//图8 研究区地壳浅层二维S波速率剖面

许多古修建由于地基爆发形变保存倾斜、坍塌等严重清静问题 ,需探测古修建地基 ,举行清静性评价。刘旭等(2022)使用配景噪声成像要领对河南省登封观星台地基情形举行超高密度无损探测 ,在观星台周围布设6条测线收罗24h数据举行相互关盘算 ,叠加效果显示观星台地基成层性优异 ,无低速异常 ,与探槽情形吻合 ,推测地基结构坚实稳固。都会地面沉降极易导致地面裂痕甚至塌陷 ,引发清静事故。徐浩等(2021)以合肥市谢岗小学为研究园地 ,实验使用微动要领探讨地面沉降缘故原由 ,将收罗的微动数据使用F-K法举行频散曲线提取 ,反演获得地下横波速率结构 ,团结地质钻探举行验证 ,探测地下不密实土体的位置、规模等信息 ,乐成扫除了沉降区二次事故的爆发。
随着都会生长 ,地表河浜因碎石、黏土及垃圾等填埋而形成暗浜 ,属不良工程地质征象 ,需消除地质隐患。翟法智等(2017)针对宁波轨道交通暗浜勘盘问题 ,划分研究了微动剖面探测法、瞬态瑞雷波法及高密度电法三种物探要领探测暗浜的有用性 ,三种要领推测的暗浜位置及埋深较一致。图9为1线微动探测视S波速率剖面及推测规模 ,图10标示2线瞬态瑞雷波视速率图及诠释区域。

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//图9 1线微动探测视S波速率剖面

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//图10 2线瞬态瑞雷波视速率图及诠释

李华等(2020a)将混淆源面波与三分量频率谐振的浅震勘探手艺用于成都生物城浅层地质结构探测 ,该要领兼具自动源面波探测精度高和被动源面波探测深度大的优点 ,获取了60m以浅地层结构的三维S波速率特征 ,提高了探测的区分率和准确性 ,实现了对地层结构的细腻划分。姜文龙等(2020)剖析了都会重大情形滋扰的振动噪声特征 ,使用汽车振动噪声举行面波成像 ,获取了地下合理的地层波速结构 ,以为合理视察系统、有用信号合理剖析及视察时长至关主要。
微动H/V谱比法也称单点H/V谱比法或Nakamura要领 ,是基于单点三分量数据中水中分量和笔直分量的谱比特征举行地层属性反演的勘探手艺。该要领轻盈经济、对情形无滋扰 ,适于都会应用 ,获取的速率实质上为真地层速率 ,具有抗滋扰能力 ,精度高 ,但较依赖初始速率模子。张若晗等(2020)选用微动H/V谱比法对济南中心城区的土石分界面睁开三分量微动丈量研究 ,使用400多个测点数据剖析了差别类型H/V曲线与地质结构的关系 ,总结了基岩的深度-频率关系式 ,提供了土石分界面深度快速准确的解决计划。陈实等(2019)应用自然源面波手艺举行都会地质视察试验 ,通过丈量单点的面波速率结构 ,细腻划分岀区内地层结构 ,并获得多项工程地质参数 ,验证了自然源面波手艺在都会情形的有用性。
将自动源与被动源手艺团结举行勘探 ,适当加大排列长度和收罗时间 ,可获得较深层的勘探精度。自动源要领依赖体波和高频面波举行高精度成像 ,施工本钱较高 ,而被动源面波成像要领本钱低 ,主要使用地动配景噪声相互关函数成像 ,该要领在都会浅层成像方面获得了越来越多的应用。高阶模式瑞雷面波较低阶模式敏感 ,可团结应用。在都会规模内布设高密度的地动视察台阵 ,需大宗地动仪 ,布设维护本钱限制了其推广。近年来生长的漫衍式声波传感手艺(DAS)是一种由感知光纤和光学信号解调仪组成的地动视察系统 ,通过丈量光纤中后向散射光相位转变实现光纤动态应变的监测 ,进而实现地动波场纪录。该系统能够以低本钱实现超麋集视察 ,有望提高浅层速率结组成像的精度。其唯一无二的信息感知能力 ,使得DAS手艺受到普遍关注 ,其迅速生长 ,在安防入侵检测、地球物理勘探等方面展示了奇异的手艺优势和潜力。王宝善等(2021)使用地下通讯光缆纪录信号识别岀车辆运动、气枪震源、人工落锤等差别振动信号 ,并从光缆纪录的配景噪声乐成提取面波信号 ,获得了地表200m以内的横波速率结构 ,为都会细腻结构探测提供了一种新型视察手艺手段。

ODH-4+ DAS 询问器单位
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//短程、高区分率询问器单位 ,提供了保真度的 DAS笔直地动剖面(VSP)丈量效果

2.4 浅层反射地动法
浅层反射地动通过人工引发地动波 ,剖析其在地下介质撒播的运动学和动力学属性 ,探索地动波撒播纪律 ,研究浅部结构及沉积特征等 ,抵达探测浅层地质体的物探要领。上世纪80年月随着数字地动仪的岀现和多次笼罩手艺的爆发 ,提高了抗滋扰能力以及探测精度和区分率。按震源引发地动波类型及处置惩罚资料数据类型 ,浅层反射地动可分为纵波反射手艺和横波反射手艺。

Elvis VII地面稳态震源

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//Elvis VII震源获得的S波反射地动剖面 ,探测深度为250m

LS-24 检波器拖缆

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//带水平检波器的拖缆带和检波器载台

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//LS-24数据采样示例

2.4.1 纵波反射地动
纵波反射地动使用震源引发纵波 ,并举行资料处置惩罚、诠释 ,占地动勘探绝大大都 ,可用于都会活断层探测 ,采空区、岩溶区勘探及人防工程等 ;疃喜闶侵冈诘谒募褪贝 ,尤其晚更新世以来爆发过运动 ,且以后仍可能运动的断层。大宗地动灾难视察批注 ,活断层不但是爆发自然地动的泉源 ,并且爆发地动时沿断层线的破损最严重。都会活断层探测是一项重大且具有立异性的事情 ,是运动结构研究生长新阶段面临的难题使命 ,都会情形和人类运动给该事情带来许多难题和问题。人工地动勘探是现在公认最为有用的都会隐伏断裂探测要领之一 ,举行都会反射波地动勘探事情 ,资料收罗常受限于都会引发情形和配景滋扰。宋春华等(2021)在上海市大治河水域开展大功率电火花震源引发的地动探测 ,综合比照引发能量、放电水深、差别震源成像效果等 ,获取最佳引发参数 ,地动资料具有较高信噪比 ,确认了在都会水网开展电火花震源引发地动勘探的有用性 ,对都会隐伏断裂探测具有优异效果。吴子泉等(2005)探讨了都会地动运动断层准确定位要领 ,使用可控震源举行频率扫描 ,对扫描信号和振动信号作相互关处置惩罚 ,有用压制都会强振动滋扰 ,并使用高区分率地动和电法勘探对走滑断层举行团结定位。常旭等(2008)接纳波动方程三分量正演模拟 ,指导地动视察系统设计 ,在都会强噪下使用伪随机可控震源屎厕高精度地动数据 ,偏移剖面清晰地展现了黄庄一高丽营断层的位置 ,为明确断层两侧新生代地层厚度提供了依据。易兵等(2008)使用高密度电法、高区分率地动和重磁等多种要领 ,在城区倒运滋扰下 ,接纳新的数据处置惩罚手艺 ,在探测活断层位置、产状与形态上取得了较理想的效果 ,但对第四系中结构松散弱胶结、变形稍微的小断层还需进一步研究。赵富有等(2008)从理论和实验的角度剖析横波的区分率和视察系统参数选取原则。通过试验确定横波的视察系统 ,探明长春市区波组特征、断层漫衍和第四系的埋深情形。燕利芳(2011)使用反射波层析成像手艺对西安地裂痕勘探 ,起源获取了近地表处地裂痕的位置及走向 ,为乐成探测都会地裂痕提供了一种新思绪。郭淑君等(2014)接纳弯曲射线追踪和LSQR算法研究井间速率漫衍 ,获取了井控规模内地层结构信息 ,使用井间地入手艺准确探测了断裂破碎带和地下掩埋防朴陋。
杨歧焱等(2015)接纳夯源举行地动收罗 ,以3m道距、6次笼罩视察系统及60Hz检波器吸收获得中部富厚反射信息 ,反射波组集中在100-150ms之间 ,且断层特征显着 ,上断层埋深约90ms ,但其浅部反射波信息有所损失(图11a) ;为进一步获取浅部详细信息 ,在统一断点地段接纳1m道距、9次笼罩及100Hz高频检波器吸收举行了超浅层勘探 ,反射波组集中在10-100ms之间 ,浅部反射波组富厚 ,断层特征显着 ,进一步确定了上断层埋深约40ms ,但其中部反射波信息损失严重(图11b)。效果批注 ,为准确确定断层的位置、性子 ,尤其是断层的运动特征 ,应接纳差别的道间距、排列长度、笼罩次数 ,以便获取中部和浅部的反射波信息 ,举行比照剖析 ,确定断层的特征。

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// 图11 (a)3m道距获得的中浅部地动剖面 ;(b)1m道距获得的浅部地动剖面据杨歧焱等

刘明辉等(2018)应用团结剖面法和地动勘探确定断层的空间展布 ,团结高密度电法剖析断层的相对运动性 ,较好解决了隐伏断裂的探测与地动运动性评价问题。赵斌等(2018)接纳浅层反射地入手艺查明晰大庆地区克山一大安断裂嫩江组以上地层信息及断裂的展布形态 ,确定了主干断裂上发育的次级断裂特征及本区断裂-褶皱结构系统。王荣等(2013)应用陆地声纳法接纳单点丈量、极小偏移距引发吸收 ,阻止了浅层勘探大偏移距形成的宽角反射问题 ,战胜了马路上噪声滋扰 ,团结物理和数值模拟研究 ,探明济南老城区岩层层面、断层和岩溶信息。
陈松等(2021)接纳高精度地动勘探手艺 ,以小吨位可控震源引发 ,综合试验震惊台数、震惊次数、扫频规模、驱动电平及偏移距等组合参数 ,获得了高品质地动数据 ,资料反射波组特征显着、一连性好 ,有用展现了地层结构和埋深特征。
三维地动勘探在都会地下空间探测中起着主要作用 ,电火花震源具有清静经济环保、能量转换效率高等特点。陈杰等(2021)通过比照优选电火花震源引发因素(引发能量 ,引发井深)开展都会三维地动勘探 ,获得了较高质量的地动资料 ,探析了地下地质结构。白旭明等(2019)在河北廊坊市接纳节点+有线团结收罗 ,举行高密度宽方位都会三维地动勘探 ,其中城区笼罩次数抵达1000次以上 ,笼罩密度160万次/km2 ,横纵比抵达0.9以上 ,抵达了较好勘探效果 ,是我国现在地动勘探面积最大的都会三维地动事情。

2.4.2 横波反射地动
横波反射地动使用震源引发横波 ,并举行资料处置惩罚、诠释。地动横波不受含水饱和度的影响 ,探测精度高 ,一定水平可填补纵波反射在浅层勘探的缺乏。陈相府和安西峰(2007)接纳重锤水平锤击铁板正反两个偏向引发 ,使用Summit数字地动仪和28Hz横波检波器吸收 ,经3次笔直叠加 ,获得较为理想的单炮纪录(如图12) ,并依据地质诠释和波速测井对地层层面举行了划分(如图13)。剖析批注大都岩土层与反射界面临应关系较好 ,体现了横波勘探在第四纪松散层层序划分及厚度探测中的优势 ,较好填补了纵波浅层勘探的缺乏。

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//图12 用水平锤击铁板震源屎厕的炮纪录
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//图13 1测线上过孔段水平叠加时间剖面
马董伟(2019)使用横波反射区分率高、分层能力强的特点 ,团结地动层析成像反演地层速率结构 ,展现了新沂市局部笼罩层较薄的活断层特征 ,填补了纵波反射在浅层勘探的缺乏 ,提高了勘探精度。王小江等(2020)在雄安新区外围开展了高区分率浅层纵、横波地动团结勘探试验研究 ,纵波数据收罗接纳宽频可控震源引发 ,横波数据收罗接纳锤击引发 ,接纳中心放炮、小道距吸收。通过资料细腻处置惩罚获取了却构、岩相及速率等信息。
目今 ,人工地动勘探是公认最为有用的都会隐伏断裂探测手段之一 ,受限于都会情形 ,地动资料收罗往往较量难题。关于水网蓬勃的都会 ,可因地制宜接纳电火花震源引发探测 ,未来在知足岀力要求下 ,刷新震源自身 ,研制小型化液压可控震源、轻盈型电磁式可控震源等 ,现在我国地球物理仪器装备与蓬勃国家还保存一定差别。接纳组合引发 ,适当增添笔直叠加次数压制滋扰。拖缆系统是未来都会勘探的主要形式之一 ,解决拖缆结构、检波器耦合等一系列问题 ,如收罗中使用适合于水泥地面的三角基座 ,坚持耦合性 ,完善包括震源系统、拖曳系统、数据收罗与处置惩罚在内的完整都会地动勘探系统 ,实现都会浅层高区分率勘探。别的 ,在都会地区由于地表障碍物、修建等因素影响 ,检波器无规则则布设 ,收罗的地动数据保存道缺失 ,往往会影响地动数据处置惩罚诠释效果。曹静杰等(2020)探索应用压缩感知手艺对都会浅层地动数据重修 ,模拟与现实数据均取得较好效果。未来压缩感知手艺可应用于都会地动勘探 ,以解决数据重修问题。
地动勘探接纳小道距敷设为探明都会浅层地质结构等提供了有用途径。未来仍需在近地表地动波场撒播纪律及能量吸收衰减机理、团结反演、全波形反演、面波成像等方面举行深入研究 ,消除近地表对地动波场造成的倒运影响 ,来获取精度更高的近地表结构及参数模子。由于横波浅表速率较小 ,因此关于升沉较大地形或重大地表 ,静校正问题会较量突岀 ,受静校正影响较大 ,因此还需要稳重做好静校正事情。

2.5 高精度重力法
高精度重力通过在小规模布设麋集测点对地下介质密度不匀称引起的微弱重力异常转变举行丈量 ,通过数据处置惩罚确立异常区深度和标准 ,并转化为合理的地质诠释。相对通例重力要领 ,高精度重力探测规模一样平常较小 ,但测点密度和探测精度较高。我国于上世纪80年月引进高精度重力仪 ,并在地球动力学、地基勘查、考古探测等领域举行了应用研究。随着仪器精度的提高和数据处置惩罚要领手艺的前进 ,高精度重力法应用越来越广 ,可由地面拓展到竖井及坑道内甚至修建物内部举行丈量。针对重力数据处置惩罚 ,除通例高度纠正、中心层纠正、地形纠正外 ,还需举行修建物纠正 ,通常使用正演建设等效模子 ,来消除修建物影响。王新月等(2019)提岀了基于车载重力丈量平台的都会地下朴陋快速探测要领 ,接纳国产高精度捷联式重力仪SAG搭建车载移动平台 ,在长春市区举行动态重力丈量试验 ,通过刷新的比值DEXP(极值点深度预计)法举行重力异常数据成像 ,并对位场数据举行界线识别 ,获得区域周围异常值及结构指数 ,验证了车载移动平台重力丈量在都会地下朴陋探测中的有用性。
徐燕君等(2021)从重力探测装置、高密度数据收罗、细腻数据处置惩罚与诠释方面先容了高精度重力在都会地下空间探测的应用研究效果 ,包括滋扰下的读数时间、三维坐标获取、地形纠正要领、异常数据盘算、反演要领及诠释效果等。仪器接纳新一代高精度重力仪(精度大于土0.001x10-5m/s2) ,可识别都会微伽级异常(±0.050x10-5m/s2以内)。为阻止都会高楼影响 ,测地事情距高楼30m以外使用RTK丈量 ,30m以内使用光学水准丈量。为消除差别测点高程差 ,丈量前丈量地面至仪器底面高差并取准为0.1cm ,消除该部分的场值异常。在近区地改上 ,通过现实GPS测地高程数据DEM天生1mx1m或2mx2m网格包管高程节点误差。中心层密度纠正一样平常接纳研究层现场收罗标本求取平均值或通过差别密度值盘算重力场求取。
在数据处置惩罚上 ,常用要领包括多项式、趋势面或使用差别频谱等非线性要领举行重力异常疏散 ,图14为多项式提取剩余重力异常图 ,图15为趋势面法提取剩余重力异常图 ,其中图15b、c划分为三阶趋势剖析的剩余重力异常图及区域重力异常图。数据反演方面 ,关于层状密度界面 ,可用最小二乘的线性回归法或者Parker法确定单密度界面 ;或使用RGIS重磁电数据处置惩罚软件举行多界面多参数迭代拟合。现在国产RGIS及MAGS等软件较量成熟 ,包括RGIS软件三维人工交互反演等 ,具有详细物性条件及钻孔控制的人机交互反演为最优反演界面要领。

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//图14 某园地10线剖面多项式提取剩余重力异常图
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//图15 趋势面法提取剩余重力异常示意图
(a)某客运站地下隧道重力异常图 ;(b)剩余重力异常图 ;(c)区域重力异常图

高精度重力无需打孔布设电极或检波器 ,具有数据收罗便捷、本钱低、绿色环保、抗滋扰等优点 ,在都会地下空间、考古探查、朴陋探测、地下水迁徙等方面普遍应用 ,在一定条件下具有不可替换性。

03#要领比照剖析
目今 ,都会情形人文滋扰强烈 ,都会物探事情涉及地面探测、工程测试及井中探测等 ,受限于园地和情形滋扰等倒运条件 ,以及清静、环保高要求 ,导致古板物探要领无法在都会中有用开展 ,都会地下空间探测依然面临诸多科学问题和手艺难题。包括抗滋扰问题、水体下地质结构探测、近地表对地动波场的影响、浅层探测区分率缺乏等。现在地球物理探测精度缺乏 ,钻探与物探手艺缺乏 ,勘查精度及深度均有一定局限性 ,可凭证垂向空间漫衍建设全要素探测系统。除浅层探测区分率缺乏 ,怎样消除近地表对地动波场造成的影响。进一步增强抗滋扰能力和提升综合探测效果 ,仍需总结提高要领熟悉。都会地下空间勘探是一系统工程 ,可开展多种要领试验和综合物探 ,使之有用配合 ,镌汰简单要领的多解性。电磁和地动团结反演现在主要针对深层油气勘探领域 ,在都会地下空间探测诠释尚未见诸报道 ,面临新机缘。表1为常用都会地下空间地球物理探测要领及效果。

表1 都会地下空间地球物理探测要领及效果一览表
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04#结论与展望
都会地下空间探测内容富厚 ,探测领域广 ,本文叙述的都会地球物理勘探要领主要包括高密度电法、探地雷达、面波勘探(自动源及被动源团结)、反射地动法以及高精度重力等 ,地球物理勘探要领以及仪器装备等也在一直生长转变和富厚完善 ,本文仅作了部分叙述 ,现实事情中应用的辅助要领还包括折射波法、测井、速率层析、物理与数值模拟等 ,可配合解决都会地下空间探测问题。
微动探测通过反演地层横波速率结构特征 ,有较好的垂向分层能力 ,应用普遍 ,在地下地质结构探测、地热探测以及地下蹊径病害探测均有较好应用效果 ,是未来都会物探事情中绿色、高效的要领。
漫衍式光纤收罗手艺及压缩感知手艺可极大节约收罗本钱 ,实现一体化和跨越式收罗。
现在高区分率都会三维地动己有应用 ,未来多波多分量地动、三维探地雷达等将更多应用于都会地下空间探测。
增强高精度重、磁、电、震多源地球物理手艺集成与反演研究 ,镌汰简单要领的多解性 ,有利于提高探测效果。
除浅层探测区分率缺乏 ,在消除近地表对地动波场造成的影响、进一步增强抗滋扰能力和提升综合探测效果方面 ,仍需总结提高要领熟悉。

致谢 文中参考引用了大宗研究职员相关事情效果 ,在此深表谢谢。谢谢雍凡博士以及徐梦龙博士的有益交流、讨论。谢谢郭淑君先生的供图。同时 ,谢谢审稿专家提出的名贵建设性意。

本文泉源:李广才, 李培, 姜春香, 张鹏辉, 王兴宇. 2023. 我国都会地球物理勘探要领应用希望. 地球物理学希望, 38(4): 1799-1814. doi: 10.6038/pg2023GG0355
作者简介:李广才 ,博士 ,主要从事地球物理勘探研究事情。

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