综合物探方法在地质遗迹开发中的应用

任卫波

综合物探方法在地质遗迹开发中的应用

任卫波

（广东地下管网工程勘测公司，广州 510080）

本项目为历史遗址勘察工程，主要任务是利用专业物探设备对某古采石场遗址进行地质勘察，调查某古采石场采掘历史、矿业遗迹类型与分布，查明该古采石场遗址地质环境条件和地下采石坑、采石矿洞等空间分布、埋深及规模，为后期古采石场遗址的日常维护和开发利用提供科学依据。

高密度电阻率；地震映像；地质雷达；地质遗迹

本次勘察工作的古采石场遗址位于东江南岸丘陵中段，东江南岸丘陵东起石排镇横山村下宝潭自然村北，西至茶山镇京山村，长约8km，宽约0.3～0.5km，海拔高度20～50m，NEE-SWW走向，组成岩石为第三纪棕红色细砂质粉砂岩，间夹有少量梭角状砾石，结构紧密，硬度大。遗址处于此丘陵石排镇，海拔40m以上，主峰高山城达51.8m。本项目为历史遗址勘察工程，主要目的是利用专业物探设备对古采石场遗址进行综合地质勘察，通过综合物探方法（高密度电法、地震映像法、地质雷达法等）查明古采石场遗址地质条件和地下旧采石坑的空间分布、埋深及规模，并对整个区域已回填采石坑分布情况进行评价，为后期燕岭古采石场遗址的日常维护和开发利用提供科学依据。

1 高密度电阻率法

高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，也称自动电阻率系统，是直流电法的发展，其功能相当于四极测深与电剖面法的结合。通过电极向地下供电形成人工电场，其电场的分布与地下岩土介质的电阻率ρs的分布密切相关，通过对地表不同电极位置人工电场的测量，得到地下介质视电阻率ρs的数值，根据岩土介质视电阻率的分布推断解释地下地质体结构（曾琳等，2021；高树全等，2021；蔡勤波等，2021）。

2 地震映像法

地震映像法是利用人工激发地震波在岩土介质中的传播规律，探测浅部地质构造或测定岩土物理力学参数、进行物性分层、寻找构造、破碎带等低速区的一种较成熟的地球物理勘探方法。地震反射波法是国内外公认的具有较高精度的一种物探方法（梁志宇和张玉池，2021；占文锋等，2015）。

3 地质雷达法

地质雷达法是一种以探测被测体内部不同介质的介电常数差异为基础的勘探方法，它通过发射天线向被测体内部发射高频电磁波脉冲，此脉冲在向被测体内部传播过程中遇到介质的介电常数变化的界面时会产生反射，反射波传播回表面后被接收天线所接收，并将其传入主机进行记录和显示，再经过资料的后处理，进行反演解释便可得到被测体内部不同介质的分布情况及介电常数变化面的深度位置等参数（张宗辉和喻璀璨，2020；孟庆旺，2020；陈挺等，2022）。

4 数据采集

4.1 测线布置

本次勘察工作共布置高密度电法测线15条，测线剖面总长3353m，测点距为3m，测点1151个；地质雷达测线48条，测线剖面总长4596m，测点距为0.5m，测点11486个；地震映像法测线35条，测线剖面总长2696m，测点距为1m，测点2696个。部分物探测线平面布置示意图（图1）。

图1 部分物探测线布置布置示意图

4.2 仪器设备

设备投入只要有DUK-3A型高密度电法仪、美国产Geode 24高分辨地震仪、加拿大产EKKO-PRO型地质雷达及配套100MHz天线。

4.3 外业数据采集

4.3.1 高密度电阻率法

通过方法试验工作，确定了本次高密度电法的工作参数：对称四极测深装置，电极距3m，电极数60个，最小隔离系数n=1，最大隔离系数n=22，供电时间t=0.5s。

4.3.2 地震映像法

通过方法试验工作，确定本次地震映像法的工作参数为：最佳偏移距为20m，单道接受，采样间隔0.125ms，时窗256ms，18磅锤击震源。

4.3.2 地质雷达法

地质雷达法采用100MHz天线连续扫描的方式进行数据采集,测点距为0.5m。本次地质雷达采集的数据图像信噪比较高，同相轴连续性好，图像信息丰富。

5 数据处理及典型图像分析

5.1 高密度电阻率法数据处理及典型图像分析

处理步骤为：数据格式转换→坏点数据剔除→数据滤波处理→测点高程输入→生成视电阻率剖面图→物探解释→地质解释剖面输出。

旧采石坑内一般为回填的杂填土（松散、稍湿、含水），其在视电阻率剖面图上异常特征主要为浅部局部低阻异常，一般为长方形状、椭球状异常等，且等值线间隔较密，城一定规模，其下部为基岩，电阻率较高，且等值线间隔较疏（任卫波，2021；张湘桂等，2021）。

如图2可知，测线DF2里程坐标70～95m、埋深0～7m处呈现示长方形状低阻异常，推测该区域为一旧采石坑；里程坐标125～184m、埋深0～10m处整体呈现示长方形状低阻异常，里程坐标145m有中阻异常体，推测该区域为一旧采石坑，里程坐标145m处为房室采坑之间的“房墙”的反映；里程坐标215～264m、埋深0～12m处整体呈现示长方形状低阻异常，局部椭球状封闭低阻异常，现场地表有水，水深不均一，最深约1m,推测该区域为一旧采石坑；里程坐标274～315m，埋深0～10m处整体呈现示长方形状低阻异常，现场地表有浅水坑，深度不均一，最深约1m，结合地质雷达和地震映像数据分析，该处异常为地表水干扰。

图2 DF2线视电阻率剖面示意图

5.2 地震映像法数据处理及典型图像分析

处理步骤为：抽道→坐标参数编辑→预处理→能量均衡→频率滤波→时深转换。

旧采石坑内一般为回填的杂填土（松散、稍湿、含水）：地震反射波组首波会出现振幅减弱、不连续，呈凌乱状或弯曲状，次波组或后续多波组同相轴出现平缓的“U”字型特征，，异常边部主要出现同相轴局部不连续或错断，异常内部地震波能量、频率变化不大、波组间隔自异常边部至异常中心逐渐增大等异常特征。

如图3可知，测线DF2里程坐标76～95m、视窗0～38ms处呈现示反射波组异常，主要表现为首波组呈现下凹状、推测该区域为一旧采石坑；里程坐标125～184m、埋深视窗0～76ms处呈现示反射波组异常,首波会出现振幅减弱且不连续，局部呈凌乱状，次波组及后续多波组同相轴出现平缓的“U”字型特征，异常体内部出现同相轴局部不连续及错断，波组间隔自异常边部至异常中心逐渐增大等异常特征，推测为一旧采石坑，且埋深出现阶梯特征，内部有碎石块；里程坐标125～184m、埋深视窗0～74ms处呈现示反射波组异常,首波会出现振幅减弱且不连续，局部呈凌乱状，次波组及后续多波组同相轴出现平缓的“U”字型特征，异常体内部出现同相轴局部不连续及错断，推测为一旧采石坑，内部有碎石块。

图3 DF2线地震映像实测波形图

5.3 地质雷达法数据处理及典型图像分析

地质雷达资料采用与仪器配套的后处理软件进行数据处理，处理步骤为：振幅调整→频谱分析→垂直滤波试验与水平滤波试验→反褶积试验和偏移试验等。

旧采石坑内一般为回填的杂填土（松散、稍湿、含水）,其介质不均一，雷达电磁波会发生衍射、反射等，其信号较为杂乱，同相轴连续性差，振幅变化较大。

图4 DF2线地质雷达实测剖面图

如图4可知，测线DF2上横向位置225～265m，纵向深度0～5m位置处雷达电磁波信号出现同相轴不连续、波形呈现出下凹状，电磁波能量逐渐衰减变弱，推测该异常为旧采石坑填埋区。

如图4可知，测线DF2里程坐标216～264m、埋深0～5ms处雷达电磁波信号出现同相轴不连续、波形呈现出下凹状，电磁波能量逐渐衰减变弱，推测该异常为旧采石坑填埋区。

5.4 综合图像分析

图5 物探综合地质解释剖面图

在测线DF2进行三种物探方法的探测，三种方法相互补充验证。由图2可知，测线DF2里程坐标70～95m处高密度电法呈现示长方形状低阻异常；地震映像反射波组异常，表现为首波组呈现下凹状。里程坐标125～184m处高密度电法呈现示长方形状低阻异常且里程坐标145m处为房室采坑之间的“房墙”的反映；地震映像反射波组呈现示反射波组异常,首波出现振幅减弱且不连续，局部呈凌乱状，多波组同相轴出现平缓的“U”字型特征，局部成阶梯状。里程坐标215～264m处高密度电法呈现呈现示长方形状低阻异常，局部椭球状封闭低阻异常；地震映像反射波组呈现示反射波组异常,首波出现振幅减弱且不连续，局部呈凌乱状，多波组同相轴出现平缓的“U”字型特征，局部成阶梯状；雷达电磁波信号出现同相轴不连续、波形呈现出下凹状，电磁波能量逐渐衰减变弱。综合上述三种方法异常位置吻合度高，探测方法相互互补并相互验证，增加了探测的精准度，预测的古遗迹回填区域内古采石场采石方式为露天明采，以房式、阶梯式为主。

5.4 三维建模

本项目共完成了高密度电法测线15条，地质雷达测线48条及地震映像法测线35条。为了能够更好地刻画出地下旧采石坑等空间分布、埋深及规模，本项目运用图像识别技术对高密度电法反演结果、地质雷达时间剖面处理结果及地震映像时间剖面处理结果进行模式识别，并结合钻孔数据，建立三维地下旧采石坑地质解释模型。具体流程及方法如下：

图6 三维解释模型示意图

根据物探方法的类型，编写相应的图像识别程序；

结合工区地质结构特征及地下旧采石坑的物性特征，设定模式识别的波速及视电阻率等与基岩的物性差异大小；

利用7个钻孔数据对图像识别的处理过程进行全程约束；

当识别出地下旧采石坑异常后，对其进行赋值；

对图像识别出的地下旧采石坑异常进行高密度的三维插值，并运用三维成图软件建立三维解释模型。

通过上述方法流程，获得石排镇红石山燕岭古采石场遗址公园推测旧采石坑异常区三维解释模型（图1）。中褐色块体为图像识别出的地下旧采石坑异常，能够比较清晰地刻画出目标体的空间分布、埋深及规模。

本项目运用图像识别技术建立的三维地下旧采石坑地质解释模型与二维综合地质解释结果具有较高的一致性。该地质模型较好地反映出整个区域的采石坑分布情况，为设计施工提供基础勘测资料，也为后期燕岭古采石场遗址的日常维护和开发利用提供科学依据。

6 结语

通过综合物探资料解译并结合场地内地质调查、钻探验证及跟踪实际开挖情况，得到以下结论：

本次综合物探及地质判别与实际遗址挖掘基本一致，同时物探判别工作，对遗址的挖掘工作提供良好的靶区。

为准确探测古采石场回填采坑规模，采用综合物探方法，探测方法相互互补并相互验证，增加了探测的精准度，并良好预测古遗迹回填区域内古采石场采石方式为露天明采，以房式、阶梯式为主，未见有隆洞开采遗迹。

结合地质调查及钻探工作可知遗迹内基岩为泥质粉砂岩，岩体较完整，有利于石材开发，查明了古采石场遗址水文地质条件和地表及地下采石坑、采石洞等三维空间分布、埋深及规模，提升了古采石场遗址日常管理和开发能力建设。

曾琳，铁永波，管威，苟继松，孙玮，戴可人. 2021. 雷达遥感探测甲居滑坡蠕滑变形与潜在失稳因素分析[J]. 四川地质学报，41(01)：140-145.

高树全，王玉琴，牟元存. 2021. 岩溶隧道地质雷达超前地质预报及图像分析[J]. 工程地球物理学报，18(05)：642-646.

蔡勤波，王成亮，张雪. 2021. 地质雷达探测城市地下空洞案例分析[J]. 勘察科学技术，(04)：57-61.

梁志宇，张玉池. 2021. 基于不同装置的高密度电法对低阻填充溶洞探测的对比[J]. 四川地质学报，41(01)：123-130+172.

占文锋，习铁宏，王强. 2015. 地质雷达探测技术在地基空洞探测中的应用[J]. 中国煤炭地质，27(11)：70-73+81.

张宗辉，喻璀璨. 2020. 综合物探技术在两水滑坡勘察中的应用[J]. 四川地质学报，40(01)：147-151.

孟庆旺. 2020. 综合物探方法在嘉祥县青山省级地质公园溶洞勘察中的应用效果[J]. 物探与化探，44(06)：1464-1469.

陈挺，余舟，庞有炜，严迪，武斌，冯化鹏，郑福龙，张鸥. 2022. 综合物探技术在城市地下空间探测中的应用[J]. 四川地质学报，42(02)：305-312.

任卫波. 2021. 地质雷达在某长江大桥承台围堰下放区卵石探测中的应用[J]. 资源信息与工程，36(06)：65-67.

张湘桂，邹明，刘宗辉，唐甫，蓝日彦. 2021. 隧道衬砌后方隐伏洞穴地质雷达响应特征分析[J]. 地下空间与工程学报，17(05)：1598-1605.

Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Method in the Development of Geological Relics

REN Wei-bo

(Guangdong Underground Pipe Network Engineering Survey Company, Guangzhou 510080)

This project is a historical site survey project, the main task is to use professional geophysical prospecting equipment to carry out geological survey of an ancient quarry site, investigate the mining history of an ancient quarry, the type and distribution of mining relics, and find out the geological environment conditions of the ancient quarry site and the spatial distribution, burial depth and scale of underground quarry pits and caves. It provides scientific basis for the daily maintenance, development and utilization of the ancient quarry site in the later period

high density resistivity; seismic image; geological radar; remains of geology

P319

A

1006-0995（2022）04-0690-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2022.04.029

2022-04-22

任卫波（1982— ），男，汉族，河南沁阳人，高级工程师，主要从事地质勘探，城市地下空间探测等工作。