引调水工程隐伏残丘的地球物理勘探

汤克轩 毛深秋 李国瑞 王杰

在低山丘陵和冲积平原区，引调水工程的输水隧洞、箱涵、渠道等经常会遇到掩埋在地下的孤山残丘，残丘的位置、规模及岩体质量会直接影响输水线路方案设计和工程建筑物选址、施工。

在油气开发领域，深层岩溶或风化残丘作为良好的油气储层被高度重视[1]，其成藏机理和地球物理特征类似于地貌古潜山，以地震波法、重磁法、地球物理测井为代表的物探方法在残丘油气藏勘探领域发挥着重要作用[2]。在工程勘察领域，由于应用范围及其工程影响的局限性，隐伏残丘尚未作为一种典型的地质现象予以研究讨论。然而随着基础设施建设的全面展开，一些工程线路不可避免地通过规模较大的半隐伏孤山、延伸较长的隐伏山脊或串珠状的隐伏残丘带，明渠开挖、管道埋设、浅埋隧洞需尽量避开残丘以减小施工难度；部分穿越江河的水下隧道、跨越大型建筑物和交通设施的倒虹洞室等，有时需要利用残丘核部的坚硬岩体。开展隐伏残丘的地球物理勘探，了解其空间位置及岩体结构，并进行岩体质量评价，对优化工程设计方案、保障施工安全和运行稳定具有重要意义。

1 工程概况

拟建穿河输水隧洞位于孤山残丘地貌单元与冲积平原区的交汇地带，冲积平原系河流多次泛滥形成。河流近东西向，两岸地势开阔。前期勘察资料表明，两岸河底间为一隐伏基岩山脊。3条并行的穿河倒虹隧洞拟从河底隐伏山脊穿过，隧洞埋深40～60 m。

第四系（Q4）松散土层下伏寒武系（∈）上统崮山组（∈3g）和中统张夏组（∈2z）地层。覆盖层成分相对均匀，以冲积粉细砂为主，防浪堤和建筑物区域多为人工筑石土和碎石土。崮山组地层主要为强风化状薄层泥页岩、页岩和灰岩；张夏组地层主要为中-厚层状灰岩，弱风化-新鲜状；岩层产状平缓，倾向北西。隧洞跨河段位于张夏组地层。受北东向区域构造形迹影响，工程区域多发育北东向陡倾角小断层和深切割裂隙。岩溶发育受岩性和构造控制明显，多沿断层和裂隙垂向发育，蜂窝状溶孔多见。

2 探测方法及工作布置

根据场地条件及方法有效性试验结果，选择以高密度法电法、地震折射波层析成像、瑞雷波法为主的综合物探方法，探测隧洞沿线基岩面起伏情况和地层结构特征，初步查明岩体内构造和岩溶发育情况。

2.1 高密度电法

高密度电法是电测深与电剖面方法的组合，可以同时探测水平和垂直方向上的电性变化。通常情况下，高阻围岩中细小的充填性岩孔、裂隙，都有可能极大改变岩体电性结构；低阻岩土体中的孤石、残丘、无充填孔洞，在电性剖面上可能会得到凸显和放大。

高密度电法跨河床作业可利用索道悬挂电缆施测，顺河向采用水上漂浮式方式。

2.2 地震折射波层析成像

地震折射波层析成像技术是一种基于反演理论的地震折射解释方法，方法的关键是对初至波进行射线追踪，对地层速度逐层剖析并绘制层析成像图[3]。弥补了常规折射波解释方法只适用于缓慢变化的层状地层而无法探测地下复杂结构的不足，对横向速度不均匀、基岩面起伏较大、存在透射的地层有更好的适用性[4-5]。

弹性波法适用于地层界面和岩体结构划分。一般情况下，微裂隙和小溶孔等规模和延伸范围有限的岩体缺陷对弹性波速影响程度明显小于电性参数，所以弹性波速不容易反应岩体的细微差异，但可以规避对岩体内部缺陷的放大作用，并缓解物性不均匀对成果解译造成的迷惑[6]。

2.3 瑞雷波法

瑞雷波法是利用面波的频散效应来研究地层结构的一种地震勘探方法。本次采用锤击振源激发在水平方向传播的瞬态复频面波，通过求取地震道记录上瑞雷波频散曲线来分析地层垂向结构特征。瑞雷波相速度频散曲线与介质层厚、密度、纵横波速度有关，且对横波速度最为敏感，通过反演算法或一定的经验换算关系可以求取横波于排列内测线方向上的等效速度[7-8]。通过多点连续测量，可以观测地层弹性参数横向变化特征[9]。

2.4 工作布置

综合考虑隐伏山脊及区域构造走向、水上物探作业难度、场地大小和测试条件，共布置平行的顺河近EW向测线18条（南岸隧洞进口R1～R6、河床隧洞段S1～S8、北岸隧洞出口L1～L4），测线间距25～45 m，3条隧洞轴向跨河床测线H1～H3（NW342°）和一条斜向验证测线L5（左岸SE104°）。测试以高密度电法为主，两岸隧洞进出口辅以地震折射波法（加大炮点密度，数据处理采用地震折射波层析成像技术）和瑞雷波法。

3 探测成果

通过密集的网状测量，从高密度电法、地震折射波和瑞雷波法测试成果中，分别提取地层的电阻率、地震波纵波速度和视横波速度。工程区域典型线的物性剖面如图1所示。

图1 南岸隧洞进口R6线物探成果图

从图1可知，工程区域地层主要表现为3层物性结构：

表层低阻低波速层，电阻率为5～65Ω·m，地震波纵波速度为200～1 000 m/s，视横波速度为100～300 m/s，厚度0.5～56.7 m，大致以隧洞轴线为中心，两侧厚、中间薄，主要为壤土和冲积粉细砂的反映。在高程32 m以上分布着一层厚度不一，电阻率差异大（25～1 800Ω·m）的高阻薄层，主要为水位以上及附近各种成因、成分、密实度和含水量不同的地表土体的综合反映。

中间物性不均匀层，电阻率5～5 400Ω·m，地震纵波速度为1 000～3 000 m/s，视横波速度为300～750 m/s，底界面埋深为35～45 m，局部缺失，电阻率色谱分布多呈团块状，或表现为相对高阻地层被陡倾角不规则低阻条带切割，主要为崮山组地层和部分溶蚀风化的张夏组地层的综合反映。

底部高阻高波速层，电阻率为65～6 200Ω·m，地震纵波速度为800～6 000 m/s，视横波速度为700～2 200 m/s，主要为张夏组弱～微风化灰岩的反映。物性分布相对均匀，局部有低阻或低波速深切割条带。

依据各测线剖面成果图上物性参数大小和分布特征，结合前期地质和钻孔资料，可以划分工程区域地层结构，如图2、3所示。

图2 工程区域地层界面展示图

图3 基岩面展示图

从图2、3可知，两岸覆盖层下分别有一凸起残丘，河流从两残丘中间穿过。若以张夏组为底界，残丘高度35～38 m，坡度总体为10°～25°，主要为崮山组地层，岩体风化和完整性差异大。张夏组顶底界面相对平缓，迎水面和河边坡附近略有起伏。

从电阻率剖面图上看，隧洞沿线密集发育多条断层或裂隙带。断层走向以北东向为主，少数近南北向或北西向，倾角多为陡倾角。从图1物性参数剖面图上看，多数断层和破碎带影响宽度有限，残丘两翼局部发育深切割裂隙或影响深度较大的断层。断层影响带附近或伴生岩溶发育。

4 成果分析

4.1 覆盖层厚度与物性参数的关系

工程区域物性层与地质层对应关系并不是绝对的，受隐伏山脊形态和埋深影响，覆盖层胶结和密实程度在纵向上变化较大，物性层与地质层的对应关系较复杂。

对于高密度电法，大致可用30Ω·m电阻率等值线作为基岩面划分标准，由于覆盖层厚度及下伏基岩完整性不同，划分标准整体在20～65Ω·m间波动。在崮山组地层较薄或缺失段，划分标准差异很大，当张夏组完整、覆盖层较厚时，界面附近电阻率可达630Ω·m，当覆盖层较薄、基岩岩体破碎或岩溶发育时，界面附近电阻率约15Ω·m。

覆盖层电阻率随埋深的变化规律如图4所示。工程区域覆盖层主要表现ρ1＞ρ2<ρ3的“H”型电性结构，地表以下3～4 m主要为地下水位以上比较松散的砂壤土或冲积粉细砂，表现为高阻；水位以下，随着埋深增加，覆盖层电阻率先减小后增大，在埋深15 m附近达到最小值；随着埋深进一步加大，覆盖层密实度和胶结程度变大，孔隙率及含水率降低，电阻率在埋深大于28 m后急剧增大。部分浅滩或地表潮湿区域，表层较薄的高阻层缺失，表现为ρ1<ρ2<ρ3的“A”型电性结构，如图4中L4线桩号150 m位置的电性曲线。基岩面附近岩土体电阻率随埋深变化规律如图5所示，随着埋深增大，基岩面附近岩土体电阻率先减小后增大，埋深10～30 m内变化幅度有限，部分测段受风化槽和溶蚀坑影响，埋深很大电阻率却很小。

图4 典型测点覆盖层电性结构图

图5 典型测线基岩面电阻率随埋深变化曲线

对于弹性波法，从图1中可以看出不考虑地表较薄的物性不均匀层，覆盖层表现为较均匀的层状弹性结构，浅部地震波纵波速度约160 m/s，视横波速度约125 m/s，随着深度增加，不考虑水位影响（水位附近纵波速度波速有一个阶变），覆盖层弹性波速度近似呈线性增长（如图6所示），埋深50 m时覆盖层地震波纵波速度可达2 800 m/s，视横波速度700 m/s，此时覆盖层密实度和胶结度很高，与风化基岩波速相近，当覆盖层物性与全强风化或溶蚀发育的基岩接近时，将很难通过物性参数大小加以区分，需考虑物性分布特征。

图6 弹性波速度与基岩面埋深关系图

4.2 水流侵蚀对古地形和物性参数的影响

水流的冲刷和侧向侵蚀作用会改造古地形。图7为顺河向测线基岩面的轮廓线，大体表现出上游陡下游缓的趋势，且上游明显向山脊核部凹陷，下游相对平滑，山脊顶部多有侵蚀平台，越靠近河床的测线，平台越缓。

受水流冲刷和下蚀作用影响，迎水面更容易发育低阻低波速侵蚀槽，如图3所示，隐伏山脊上游段（图3中左半部分）在河床和南岸均有一侵蚀坑发育，侵蚀坑开口大深度小，微向下游端凹陷。下游北岸的深槽推测与水流侧向侵蚀和岩溶塌陷有关。其他部位物性界面和基岩面的起伏，主要受构造和岩溶发育影响。

古山脊迎水面受水流冲刷作用更强，表层风化层或薄弱层被剥蚀，覆盖层与完整基岩间缺乏物性过渡层，在无构造裂隙或岩溶发育影响情况下，覆盖层到基岩直接由低阻低波速变为高阻高波速，物性差异明显。但另一方面，迎水面的孔缝空间更容易被水流扩大而后充填，形成倾向下游的低阻或低波速条带。

4.3 岩性、构造和岩溶对物性参数的影响

图7 顺河向隐伏残丘基岩面轮廓线

崮山组地层主要表现为相对低阻低波速泥页岩、页岩和高阻高波速灰岩的互层发育，岩性分布和厚度不同，都会造成物性的差异。泥页岩、页岩、灰岩抗风化能力差异显著，岩体差异分化很大程度上造成物性分布的不均匀性，且电性参数比弹性参数表现更为明显。泥页岩和页岩属相对隔水层，其完整性会影响崮山组内和张夏组表层灰岩岩溶发育程度。同时，受边坡卸荷和构造应力影响，工程区域内陡倾角小断层和裂隙密集带发育，在破碎带附近伴生岩溶发育。种种因素，造成了崮山组地层和张夏组表层地层物性分布的复杂性，增加了依据物性参数对岩体定性和结构划分的难度。

从整体上看，崮山组为电性不均匀电性层，中浅部团块状高阻异常下界的连接线大致可作为其底界面；当崮山组较薄或缺失时，张夏组上界面灰岩往往会伴随岩溶发育，高阻和高波速基底起伏的上界面的趋势线，大体可作为张夏组的顶界面。

4.4 古地形对反演结果影响

很多时候物探数据处理都是基于均匀近层状介质模型。当地下存在隐伏凸起地貌时，不再是层状地层结构，覆盖层在垂向上的差异压实也加大了物性分布的不均匀性，仍沿用传统算法，必然会带来计算偏差，可靠性和分辨率会大打折扣。

如采用高密度电法测试时，隐伏凸起地貌会造成电流密度线的分散，数据在反演迭代时，容易造成高阻或低阻向一处聚集，形成团块状或不规则的假异常；地震折射波遇凸起地层时，会产生绕射和透射，用相遇互换时法解释时，不再满足地层倾角近水平的假设前提，计算出来的折射界面倾角较实际偏低，且会造成多个连续剖面成果的不连续性，地震折射波层析成像解释技术，虽在一定程度上解决了物性横向不均性带来的影响，但从本次处理结果上看并不能完全消除。探地雷达法、水声勘探（浅剖面法）等采用回波原理在作业时，如果将覆盖层设层成单层的速度模型，而不考虑波场速度随地层的渐变性，探测出的残丘埋深和坡角会偏离实际值。

5 结语

（1）本次测量中，电性剖面对岩土体内部结构刻画更加清晰，但对岩体缺陷范围和程度有所放大；弹性剖面图上能够描绘出基岩面的整体形态，但对岩土体内部结构分辨率欠佳。

（2）覆盖层的厚度差异使得基岩面附近岩土体物性参数表现出渐变规律，不能将覆盖层看成均一层，划分隐伏残丘基岩面上时应充分考虑物性参数的渐变性。

（3）隐伏残丘区域古地形和物性分布与水流作用相关，物探资料解译应予以重视。

（4）岩体差异风化、构造和岩溶发育会增加物性分布的复杂性，要想对物性剖面进行定性和解译，应充分结合地质和钻孔资料，分析岩体物性参数大小和分布规律。

（5）针对隐伏凸起地貌探测，应选择合适的地球物理方法和能够补偿校正的解释手段。