基于探地雷达技术的点坝浅部地层分布分析

张 昊， 杨 进， 李胜利， 王天意， 张 玮， 闫天龙

(1. 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院， 北京 100083； 2. 中国地质大学(北京)能源学院， 北京 100083；3. 河北地质大学 勘查技术与工程学院， 河北 石家庄 050031)



基于探地雷达技术的点坝浅部地层分布分析

张 昊1， 杨 进1， 李胜利2， 王天意3， 张 玮1， 闫天龙1

(1. 中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院， 北京 100083； 2. 中国地质大学(北京)能源学院， 北京 100083；3. 河北地质大学 勘查技术与工程学院， 河北 石家庄 050031)

分析点坝砂体浅部地层分布可以为曲流河亚相油气储集层的研究提供依据. 利用探地雷达的高分辨率和高效的特点， 对北运河点坝浅部地层分布情况进行调查， 分别采用SIR-3000和GR-IV探地雷达系统， 对测区三纵两横5条测线勘探测量， 数据处理后结合当地条件及试验剖面上的探测效果， 以400 MHz天线的细节高分辨图像为主， 辅以200 MHz天线的整体探测结果做讨论. 结果表明， 测区内近地表4 m内地层的分布由上至下依次为第四系粘土及植被层， 粉细砂层， 砂夹粘土层， 平行层理砂层细砂与中粗砂层， 部分表现出一定的倾向结构. 结果与区内地质断面基本对应.

探地雷达； 点坝； 近地表勘探

0 引 言

河流相储层是我国陆相油田中最普遍的油气储集层类型， 占现有开发油田储层的半数以上[1-2]， 而曲流河亚相在河流相储层中又占据了相当大的比例， 因此点坝砂体作为曲流河中最重要的储层， 其研究意义十分重大[3-4]. 而在其浅部又会表现出相类似的地层分布特征， 所以对其浅部地层分布的研究也具有重要意义.

大多数物探方法在地层分布上的应用主要集中在深部和大尺度的探测上， 而对浅部地层分布的研究通常在环境与工程领域， 属于近地表勘探， 主要方法有高密度电阻率法， 浅层地震方法(包括反射波、 折射波、 面波等)， 探地雷达法等[5]. 高密度电法虽然经济高效， 但存在电极供电不平衡和电极极化问题， 此外地形和场地条件对探测结果影响也较大[6]； 面波勘探是浅层地震在近地表探测中主要使用的一种方法， 近几年来使用日趋广泛， 在地层划分， 地下空洞及掩埋物的检测中都取得了不错的效果， 但其易受干扰， 并且在数据处理方面还需要进一步完善[7]； 探地雷达法具有高分辨率和高效性的特点， 并且能够抗干扰， 在深度较小的情况下探测效果极佳， 优势明显[8].

对于点坝浅层构造的研究报道并不多见， 本文是利用探地雷达对北运河点坝浅部地层分布情况进行调查， 通过对不同层位的追索， 勾画出点坝测区地下各层分布形态及相互关系， 从而识别测区的层序及沉积特点， 为点坝的进一步研究提供依据.

1 研究区域

1.1 区域位置与地质概况

本次研究区域选定北京北运河. 北京地处华北平原北部， 地形西北高、 东南低， 西部和北部山脉属太行山脉和燕山山脉， 市区位于向东南倾斜的冲洪积平原上. 北京地区从太古宙以来经历了前吕梁期的地台结晶基底形成发展、 后吕梁期—印支期的地台盖层发育和燕山—喜马拉雅板滨太平洋大陆边缘活动3个构造发展阶段， 区域构造格架表现为早期的东西向或近东西向隆起坳陷或褶皱断裂为后期北东、 北北东或近南北向褶皱、 断裂的交切复合的特点. 在北京平原区近代古河道内的堆积物多具有以下特点： 一是土质多以广泛分布的砂土及粉土为主， 粘聚力低， 含水条件好， 但渗透性不良； 二是土体沉积年代短， 土体结构疏松， 密实度较差， 处于欠固结状态； 三是土层埋藏浅(接近地表)， 而蕴藏有较丰富的地下水， 地下水位高(或地区的历史水位高)[9-11].

北运河位于永定河和潮白河之间， 是京杭大运河的北端. 从温榆河军都山南麓至天津大红桥， 全长238 km， 干流自通州北关节制闸向东南流经河北省香河市至西王庄村北进天津市武清区境， 经筐儿港、 屈家店水利枢纽至天津市新红桥以下汇入西河(子牙河)， 全长148 km. 河道弯曲， 河床较多为细粉沙土壤， 淤积较重， 两岸有堤束水， 堤距100～2 000 m. 北运河水系是海河流域五大支流之一， 流域面积为6 166 km2， 其中山区面积952 km2， 平原面积5 214 km2. 流域上游为山区及丘陵区， 属燕山山脉， 山区海拔一般在500～100 m， 最高峰达1 000 m左右， 山区地质除了震旦纪矽质石灰岩和中生代矽质石灰岩外， 并具有大片的花岗岩和部分火山岩. 中下游平原大部分是易涝地区， 间有封闭式的低洼盐碱地区[12-13].

本文研究测区位于北京市通州区东南23.5 km 的西集镇和合站村以南， 北运河北岸， 距离镇政府西南4.5 km处， 如图 1 所示.

图 1 测区交通位置图Fig.1 Location of the survey area

1.2 物性特征

研究的测区主要介质为中粗砂、 泥质砂、 粘土， 各种介质的相对介电常数如表 1 所示. 由表可以看出， 中粗砂、 粉砂和粘土间存在一定相对介电常数差异， 另外当砂或粘土被空气填充时， 它的电导率、 相对介电常数较小， 而电磁波速度较大； 但其被水充填时， 它的电导率、 相对介电常数较大， 而电磁波速度较小. 当介质均一时， 层内无反射信息、 图像清晰； 当介质均一性差， 特别是介电常数相差很大时， 层内反射增强， 并且规则性差[14]. 因此， 本文研究的测区地下介质存在一定的介电性差异， 从而为开展探地雷达法查明研究区域层位变化提供了必要的地球物理前提条件.

表 1 测区介质相对介电常数

2 数据采集与处理

2.1 测线布置与仪器参数

本文研究共布置了5条测线， 如图 2 所示， 其中近南北向的测线DBSN1长度为350 m， DBSN2长度为700 m， DBSN3长度为600 m， 近东西向的测线DBWE1和DBWE2长度均为450 m， D11～D32为测线交点. 在点(N39°45′36.3″， E116°

51′18.7″)处进行了测区电磁波速度的标定， 在点(N39°45′35.9″， E116°51′19.5″)处进行了地质剖面的验证.

图 2 测线布置图Fig.2 Layout of survey line

测区内各测线起点与终点经纬坐标及测线长度见表 2.

表 2 测线信息表

本次野外工作采用的是SIR-3000和GR-IV探地雷达系统.

SIR-3000是美国地球物理测量系统公司的主要产品. SIR-3000是一种便携式的探地雷达系统， 体积比较小， 质量也比较轻. SIR-3000仪器主要由三部分组成， 即探地雷达主机， 控制与显示单元以及天线.

SIR-3000雷达采用了100 MHz和500 MHz天线进行测量， 参数设置如表 3 所示.

表 3 SIR-3000雷达参数设置表

GR-IV是目前中矿华安和中国矿大联合开发出的样机， 操作灵活轻便， 兼容目前所有天线. GR-IV便携式探地雷达可广泛应用于城建、 交通、 地质、 考古、 油田、 煤炭、 邮电、 机场、 国防、 公安等部门.

GR-IV雷达采用了200 MHz和400 MHz天线进行测量， 参数设置如表 4 所示.

表 4 GR-IV雷达参数设置表

2.2 波速标定与异常特征

本文研究使用了频率为200 MHz和400 MHz 的天线进行测区的电磁波传播速度标定， 分别将铁管打入距离地表0.5 m和1 m的位置， 在地表使用雷达装置探测铁管的反射异常， 读取不同埋深铁管反射异常的时间差， 如图 3 与图 4 所示， 图中铁管的反射异常以黑圈标示. 根据公式v=s/t， 计算得到点坝测区的电磁波速度为0.09 m/ns.

图 3 采用200 MHz的天线波速标定雷达剖面图Fig.3 GPR profile map of wave calibration with 200 MHz antenna

图 4 采用400 MHz的天线波速标定雷达剖面图Fig.4 GPR profile map of wave calibration with 400 MHz antenna

由测区典型地质剖面上的雷达图像(图 5)可以看到， 不同介质的分界面在雷达反射波组和波幅强度上均得到了体现.

对于剖面上四层粘土层与砂层的分界面， 雷达图像上均反映得较为清晰， 其反射波同相轴表现为连续变化的一组较强幅度的同相轴， 在这其中， 由于点坝在沉积过程中， 可能出现由于粒度变化导致沉积层的不均匀性加剧， 而各向异性显著， 雷达信号一般会出现明显的绕射现象以及较弱的反射， 所以表现出局部同相轴不连续的特征. 对于厚层的粘土层或砂层， 雷达波在此界面处产生明显的反射波组和波幅强度改变的现象， 同相轴表现较为连续， 其原因是由于介质比较单一， 密实性强， 因此反射波具有振幅明显增强的特征. 由于该层较厚， 所以雷达图像上表现上下两个反射界面.

图 5 测区露头照片与雷达探测结果对比图Fig.5 Comparison between outcrop and survey results

2.3 数据处理流程

为取得较好的处理效果， 本文探地雷达资料处理解释使用了Reflexw和GR探地雷达处理分析系统两套软件相结合. 为了获取地下真实地电信息， 保证数据的准确性， 便于综合解释， 对野外采集到的数据作了如下处理： 拼接剖面， 剔除坏道， 剖面水平距离归一化， 振幅水平比例归一化、 增益调整、 时域滤波、 频率滤波、 反褶积、 点平均[8,14]等， 最终绘制出探地雷达剖面成果图(见下节结果讨论部分). 由于工作测区部分地段地形切割比较剧烈， 所以在资料处理时加入了地形校正处理， 最后利用地形校正处理后的剖面作为解释依据. 结合当地条件及试验剖面上的探测效果， 本文解释主要以400 MHz天线的细节高分辨图像为主， 辅以200 MHz天线的整体探测结果.

3 结果与讨论

3.1 雷达图像异常特征分析

通过对雷达剖面图像反射电磁波进行波相特征的识别， 赋予异常信号其地质内涵， 包括： 岩性界面、 界面起伏形态、 各层间相互关系等. 基于探地雷达技术的原理， 其异常判定的主要依据有： ① 反射波形的相似性； ② 反射波的同相性； ③ 不同波组间的差异性； ④ 波组特征与地下介电分布特征对应性； ⑤ 地下介质的电性特征与地质属性的相关性[15-16]. 由此初步建立本区地层对应的雷达异常特征相关模型如下：

1) 同相轴连续， 形态规则的异常， 如图 6 所示. 产生该现象的原因是由于介质比较单一， 密实性强等， 使得同相轴连续， 因此推断表现为该异常形态的地层对应的是近似水平层状介质分布， 对应为沉积较好的砂层， 粘土层.

图 6 雷达剖面的同相轴连续规则Fig.6 Regular event of GPR profile

2) 同相轴出现弯曲、 错断、 分叉和紊乱等不连续特征的异常， 如图 7 所示. 产生该现象的原因是由于介质均一性及密实度较差所致， 导致雷达信号出现明显的绕射现象以及较弱的反射， 因此推断表现为该异常形态的地层主要是砂粘土互层. 其中也可能为植物根系影响及局部不均匀粘土层分布或局部透镜砂体所致.

图 7 雷达剖面的同相轴错断、 分叉、 紊乱Fig.7 Disordered event of GPR profile

3) 同相轴较为连续， 且规律性出现局部增强和减弱的异常， 如图 8 所示. 该组同相轴反映为一组似平行， 且变化规律明显的同相轴叠加分面， 局部有轻微错动， 因此推断该异常形态地层多为平行层理或局部交错层理的中粗砂与细砂层分布.

图 8 雷达剖面的同相轴较为连续、 局部反射加强Fig.8 Continuous event with partial strong signal of GPR profile

3.2 测区各剖面解释

3.2.1 DBSN1剖面解释

DBSN1剖面位于测区的西侧， 剖面由南向北， 方位为NE12°， 剖面长度350 m. 由剖面成果图 9(a) 所示， 根据剖面异常特征， 可将其由上至下整体划分为四层， 见推断解释图 9(b)， 第一层特征为同相轴连续规则， 厚度10 cm左右， 依据地表所见， 该层主要为地表第四系粘土及植被； 第二层特征整体表现为近似连续， 厚度约为20 cm， 结合地质剖面， 推断其为表层下密实的粉细砂层； 第三层异常形态表现为前半段0～140 m处同相轴整体连续， 反射清晰， 推断为似平行的砂粘互层， 后半段140～270 m同相轴连续性差， 出现分叉和紊乱等现象， 局部地区反射波出现增强， 初步推断该层为局部不连续的砂粘互层不均匀所致. 该层厚度约为120 cm. 第四层主要表现为两种特征， 第一种位于剖面的0～40 m， 140～320 m， 同相轴连续， 层理均匀， 推断为分布平行层理的细砂或中粗砂层互层， 第二种位于剖面50～70 m， 100～120 m处， 异常形态表现为同相轴较具有一定的倾斜性， 连续分布但局部地区反射波减弱， 依据剖面的连续性， 推断这一部分浅部为砂粘互层， 深部为侧积作用而形成交错层理的砂层表现， 第四层厚度在100 cm左右.

图 9 DBSN1剖面综合解释图Fig.9 Integrated interpretation of GPR profile DBSN1

3.2.2 DBSN2剖面解释

DBSN2剖面位于测区的中部， 剖面由南向北， 方位为NE12°， 剖面长度700 m. 由剖面成果图10(a)所示， 根据剖面异常特征， 可将其由上至下划分为四层， 见推断解释图10(b)， 第一层特征表现为同相轴连续规则， 厚度10 cm左右， 依据地表所见， 该层主要为地表第四系粘土及植被； 第二层特征整体表现为近似连续， 厚度约为20 cm， 结合相邻剖面分析知， 推断其为粉细砂层； 第三层主要表现为两种特征， 第一种位于剖面水平位置0～100 m， 600～700 m处， 同相轴连续， 层理均匀， 推断为砂粘互层呈近似平行分布， 第二种位于剖面水平位置130～330 m， 390m～540 m处， 异常形态表现为同相轴较紊乱， 层理不均匀， 有局部尖灭的现象， 推断为不均匀砂粘互层， 该层厚度约为120 cm. 第四层异常形态表现为同相轴较为连续， 总体形态比较规则， 大部分表现为平行层理分布的细砂， 中粗砂层分布， 局部可见低角度板状的槽状交错层理， 该层厚度约为100 cm.

图 10 DBSN2剖面综合解释图Fig.10 Integrated interpretation of GPR profile DBSN2

3.2.3 DBSN3剖面解释

DBSN3剖面位于测区的东侧， 剖面由南向北， 方位为NE13°， 剖面长度600 m. 由剖面成果图11(a)所示， 根据剖面异常特征， 可将其由上至下划分为四层， 见推断解释图11(b)， 其中， 第一层特征为同相轴连续规则， 厚度10 cm左右， 依据地表所见， 该层主要为地表第四系粘土及植被； 第二层特征整体表现为近似连续， 厚度约为20 cm， 推断其为粉细砂层， 由于人工挖掘对于地表的破坏， 在该剖面的0～430 m并未保留前两层的分布， 只在430～550 m处见到两层存在； 第三层异常形态表现为两种特征， 第一种为前半段0～60 m， 中间段220～330 m同相轴较为连续， 似层状分布， 第二种表现在90～220 m， 430～570 m处， 特征为同相轴连续性差， 出现分叉和紊乱， 还伴有同相轴尖灭的现象， 局部地区反射波出现增强， 初步推断该层为砂粘互层分布， 其中连续性差的部分为砂泥互层不均匀所致， 该层厚度约为140 cm. 第四层主要表现为两种特征， 一种位于剖面的140～220 m处， 同相轴较紊乱， 层理不均匀， 推断为砂粘层分布不均匀或是局部交错层理分布的砂层表现， 另一种为剖面的其它部分异常的形态均表现为同相轴连续， 层理均匀， 推断为平行层理分布的砂层， 第四层厚度为90 cm左右.

图 11 DBSN3剖面综合解释图Fig.11 Integrated interpretation of GPR profile DBSN3

3.2.4 DBWE1剖面解释

DBWE1剖面位于测区的中部， 剖面由西向东， 方位为NE103°， 剖面长度450 m. 由剖面成果图12(a)所示， 根据剖面异常特征， 可将其由上至下划分为四层， 具体解释见图12(b)， 第一层特征为同相轴连续规则， 自剖面的60 m起至剖面尾端， 厚度10 cm左右， 依据地表所见， 该层主要为地表第四系粘土及植被； 第二层特征整体表现为近似连续， 厚度约为20 cm， 但在剖面水平位置0～50 m 处表现为局部弯曲， 推断其为粉细砂层； 第三层异常形态主要表现为前半段0～160 m处同相轴连续性差， 局部地区反射波出现增强， 同相轴能量不均， 出现分叉和紊乱等现象， 初步推断为不均匀的砂粘互层分布所致， 后半段160～450 m同相轴较为连续， 推断为似平行分布的砂粘土互层. 该层厚度约为160 cm. 第四层主要表现为同相轴连续， 层理均匀， 推断为平行层理分布的细砂及中粗砂层， 第四层厚度在80 cm左右.

图 12 DBWE1剖面综合解释图Fig.12 Integrated interpretation of GPR profile DBWE1

3.2.5 DBWE2剖面解释

DBWE2剖面位于测区的中部， 剖面由西向东， 方位为NE103°， 剖面长度450 m. 由剖面成果图13(a)所示， 根据剖面异常特征， 可将其由上至下划分为四层， 具体划分见图13(b)， 第一层特征为同相轴连续且规则， 厚度10 cm左右， 参考其它剖面及地质剖面， 该层主要为地表第四系粘土及植被； 该剖面0～120 m段地表亦受人为破坏， 未见第一层分布.

图 13 DBWE2剖面综合解释图Fig.13 Integrated interpretation of GPR profile DBWE2

该剖面第二层特征整体表现为近似连续， 厚度约为20 cm， 推断其为粉细砂层； 第三层异常形态表现为两种， 在剖面140～180 m， 380～450 m处， 同相轴连续性较差， 出现了同相轴尖灭现象， 局部地区反射波出现增强， 初步推断该段为不均匀的砂粘互层分布， 在剖面的其它位置处， 雷达图像的异常形态主要表现为同相轴近似连续， 呈层状分布， 推断为平行分布的砂粘互层分布， 该层厚度约为150 cm. 第四层异常形态表现为同相轴较为连续， 部分区域反向振幅增大， 总体形态比较规则， 因此推断该层为砂层， 该层厚度约为80 cm.

3.3 小 结

综上所述， 北运河点坝测区地下层位大致可分为四层. 第一层由地表向下约10 cm范围内为第四系粘土及植被. 第二层厚约20 cm， 同相轴整体形态连续， 表现一致， 局部偶见同相轴弯曲或错断， 推断主要为粉细砂层分布， 局部分布不连续泥质团块或条带. 由于人工开采的破坏， 致使部分剖面的局部第一层或第二层缺失. 第三层厚度为120～160 cm， 雷达图像的异常主要表现为两种特征， 一种为同相轴连续， 变化趋势一致， 同相轴能量稳定， 推断为似平行分布的砂粘互层； 另一种为同相轴弯曲或错断， 出现局部反射较强， 主要为不均匀分布的砂粘互层所致. 第四层厚度为80～120 cm， 反映同相轴多为连续， 层理均匀， 为平行层理较为发育的细砂及中粗砂层， 局部亦出现砂粘互层或交错层理发育的砂层地段. 其中三条沿点坝纵向布置的剖面在前半段均发育有不均匀的砂粘互层， 后半段总体主要表现为平行分布的砂粘互层， 两条横向布置的剖面中， DBWE1剖面在剖面开始的0～40 m处表现为不均匀分布的砂粘互层分布， DBWE2剖面整体表现为两侧近似对称的平行砂粘互层分布特征， 如图 14 所示. 对于雷达图像所做的解释也得到了区内地质断面的佐证， 实际地质剖面及柱状描述如图15 所示.

图 14 测区雷达剖面综合成果图Fig.14 Integrated result of GPR profiles

图 15 测区地质剖面及柱状描述图Fig.15 Stratigraphic section photo and histogram depiction

4 结 论

通过对北运河点坝测区三纵两横5条测线的探地雷达探测工作， 基本查明区内近地表4 m内地层的分布情况， 研究区垂向上可分为四层， 由上至下依次为第四系粘土及植被层， 粉细砂层， 砂夹粘土层， 平行层理砂层细砂与中粗砂层， 综合分析后可得到如下结论：

1) 探地雷达具有高效、 便捷、 直观等特点， 在此次北运河点坝浅部探测中， 数据经过处理后， 雷达剖面层位边界分辨清晰， 并与测区地质断面基本对应吻合， 探测效果令人满意.

2) 测区5条剖面均出现不均匀分布的砂粘互层分布， 其中3条还表现出一定的倾向结构， 这是否与油气储集分布相关， 需要在更多的点坝砂体上探测实验， 并结合沉积学进一步分析.

3) 探地雷达属性技术可以将探测到的信息中蕴藏的细节信息进一步挖掘出来， 提高解释的质量和效率， 下一步可以将此技术运用在点坝浅层勘探上， 寻找与油气储集之间的细节联系， 为点坝的进一步研究提供依据.

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Analysis of Shallow Strata Distribution in Point Bar Area Using Ground Penetrating Radar Technology

ZHANG Hao1,YANG Jin1, LI Sheng-li2, WANG Tian-yi3, ZHANG Wei1, YAN Tian-long1

(1. School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083， China; 2. School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China; 3. Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China)

Analysis of shallow strata distribution in point bar area can provide basis for the research on oil and gas reservoirs of meandering fluvial facies. Using the SIR-3000 and GR-IV ground penetrating radar (GPR) system with high resolution and high efficiency, the investigation of the shallow strata distribution in the North Canal area was carried on. The survey area covered 5 lines, including two vertical and three horizontal lines. The data surveying process combined with local conditions and the detection results on the test profile, based on the details of the high resolution image of 400 MHz antenna, supplemented by the overall detection results of 200 MHz antenna. The results show that the measured distribution of the stratum within 4 meters near the surface from top to bottom are in the order of quaternary clay and vegetation layer, fine sand layer, sand with clay layer, parallel bedding sand fine sand and coarse sand layer, some of which showing a certain tendency of the structure. The stratigraphic section corresponds to the results approximately.

ground penetrating radar; point bar; near-surface exploration

1673-3193(2016)06-0638-10

2016-08-29

张 昊(1986-)， 男， 博士生， 主要从事地球物理正反演算法研究.

P631

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10.3969/j.issn.1673-3193.2016.06.015