綜合物探在河北省自然資源地表基質層示范性調查中的應用

黃子瑩 魏 芳

(河北省水文工程地質勘查院(河北省遙感中心) 石家莊 050021)

1 前言

依據自然資源部印發的《自然資源調查監測體系構建總體方案》定義的“地表基質層”概念,即地球表面孕育和支撐森林、草原、水、濕地等各類自然資源的基礎物質,包括巖石、礫質、土質等。由此可見,地表基質層是地球關鍵帶的主要物質組成部分。

河北省地形地貌復雜多樣,高原、盆地、山地、丘陵、平原、灘涂(海島)等地貌類型齊全。地表基質類型多樣且齊全,具有很好的代表性。

河北省自然資源地表基質層示范性調查項目選取典型示范區7處、典型剖面帶1處;調查深度30 m以淺,重點調查深度3～5 m以淺。

2 物探技術方法的選用

在已有成果資料、遙感解譯、地質測量的基礎上,物探選用地震折射波法、探地雷達、微動技術、高密度電法、電測深、綜合測井聯合開展外業工作。

依據不同地貌類型與場地條件,有針對性地選取物探技術方法,并分段布設。如,在基巖裸露區,以地震折射波法為主,意在查明并劃分基巖的風化等級及對應厚度;在基巖淺覆蓋區,以高密度電法為主,查明土巖界線、地表基質層的類型及其厚度;在溝谷、平原區,以探地雷達與高密度電法為主,探地雷達重在對淺表層10 m以淺進行精細分層,見圖1。

圖1 物探技術方法的選用與測線布設示意圖

3 已知物性參數的提取

開展外業之前,對各示范區開展了充分的資料收集,掌握各片區的物性特征;外業中,對新施工的43個鉆孔開展了綜合測井,提取了各地表基質層的物性參數;并針對不同物探方法、不同的采樣參數等開展了大量的孔旁測試,進行了方法對比與有效性分析。

4 物探的布設原則

物探測線應垂直地質界線、或垂直盆地邊緣布設,應盡可能過已有的鉆孔,或與設計的典型地質剖面、鉆探剖面線相一致。

物探測線、測點的布設應兼顧典型地貌點、地面調查難以判斷的地段、鉆探試驗地段或鉆探工作困難地段等;測線長度、點間距、線距以能控制被探測對象為原則;主要物探技術方法的有效探測深度應大于項目設計的控制深度、大于鉆探控制深度。

5 典型案例分析

5.1 松散層的探地雷達剖面特征

由圖2各剖面對比可知,各層間處的反射波信號明顯、同相軸界面清晰、連續性好或較好;但各界面處振幅強弱差異明顯,說明地層間物性差異明顯不同。對比鉆孔可知,對于第四系松散層,地層近水平展布連續、上下界面清晰,對應性較好。

圖2 松散層探地雷達典型剖面

如圖2A、圖2B、圖2C,粗骨土、礫石的底界面處反射面清晰、振幅強,為粗顆粒與粘土界面反映;粗骨土與礫石間、細砂土與粗砂土間界面處反射面較清晰、振幅相對較弱(圖2D)。由對比可知,物性差異明顯的,反射界面清晰;反之亦然。

5.2 山前洪積扇與濱海區的電性特征

山前沖洪積扇地段,地下水的礦化度低,松散層的電阻率與地層顆粒大小及其含量、孔隙大小等因素有關,即隨松散層顆粒粒徑的增大與含量增高而電阻率會明顯增高。

圖3為平原區地表基質層的電阻率剖面圖,由圖3可知,電阻率等值線近水平狀展布,而垂向上高低變化明顯。由圖3a可知,電阻率值整體較高且垂向上呈低—高—低狀,是砂土夾礫質的電性反映。

圖3 山前與濱海地帶地表基質層的電阻率特征對比

在沖積平原區,地下水的礦化度變化大,影響地層電阻率的因素較多。咸水區的電阻率一般小于12 Ω/m。由陸域到濱海,電阻率值變化明顯。

在濱海地段,地表基質層的電阻率值整體低,一般為1～3 Ω/m,且礦化度越高則電阻率值越低。如圖3b,垂向上電阻率值的高低變化是礦化度變化所致。

6 典型地表基質層的地球物理特征

6.1 典型界面的電磁波動力學特征

對于電磁波而言,同一界面的反射波同相軸特征相近且連續性好,而界面上下地層因介電差異會出現振幅強弱差異、相位的轉化及電磁波周期的變化等現象。

(1)松散層

對于松散層而言,各反射波同相軸連續性好,說明地層展布連續性好、上下界面清晰。如,壤土、粘土等細顆粒層位;反射波同相軸連續性差,說明地表基質層狀特征差。如,礫石、粗骨土等洪積物層狀特征差。

(2)土巖界線處

在土巖界線處,上下層間物性差異明顯,電磁波反射信號強,且反射波同相軸連續性好,土巖界面反映清晰。即土巖界線以上松散層的電磁波同相軸表現為低頻、相對較散亂;相對于上部松散層,基巖層位的反射波頻率高,速度高,反射波同相軸一致性好、連續性好。

(3)完整基巖層

較完整基巖層位的電磁波反射信號弱,但反射波同相軸一致性、連續性好;而基巖頂板風化帶裂隙發育或巖體破碎,反射波強而同相軸較雜亂;在基巖層位的裂隙帶處,會出現明顯的強反射信號,即反射波信號更明顯,能量更強、振幅值更大,且具有一定的規?；蜓由旆较?。

6.2 巖土層的電阻率與自然伽馬的對應性

在綜合測井的曲線對比解譯中,視電阻率曲線與自然伽馬曲線一般呈現反相關性。對于礫石、粗骨土等粗顆粒松散層與基巖,其電阻率值一般呈現高阻特征,而自然伽馬值呈現低值特征;細顆粒松散層的電阻率值一般呈現低阻,而自然伽馬值呈現高值異常。對于礫石、粗骨土、粗砂土等高阻層位,若自然伽馬值高,說明該層段含量相對較高。

基巖層位一般呈現明顯的高阻特征,且隨深度的增加風化減弱,其電阻率也隨深度增大呈現明顯的遞增趨勢(表1);而基巖的電阻率值呈現低阻且自然伽馬值呈現高值特征,說明該層位基巖裂隙發育或該巖類泥質含量高。

表1 隆化示范區典型地表基質層的電阻率特征及電阻率值對比表

6.3 巖土層的地震波動力學特征差異

勘探區內不同巖土層、基巖強弱風化層界面之間存在著明顯波阻抗差異,折射波沿波阻抗界面傳播且傳播速度明顯高于直達波與反射波。

在地震折射波法的相遇時距曲線圖上,不同波速層間存在明顯的斜率拐點;土巖界面的波阻抗差異大,因此土巖界線上下層縱波速差異明顯;松散層縱波速低,基巖層縱波速高,且全強弱風化層波速差異明顯。通過表層剝去法與T0法,可以分別求取基質層的波速值(表2)。

表2 平山示范區典型地表基質層的波速特征及縱波速值對比表

7 山區地表基質層調查中典型的物探標識

7.1 土巖界線的物探標識

在土巖界線的上下,電法的電阻率差異明顯,基巖一般表現為高阻。在電測深曲線上多呈現HA型,拐點H點或A點對應的地層界線及其深度即為土巖界線;在電剖面上,垂向特征表現為電阻率呈現高—低—高、低—高—低等特征的變化(圖3)。

土巖界面的波阻抗差異大。對于微動或面波勘探而言,土巖界線處上下層間面波速度差異大;松散層面波速度低,基巖層面波速度高。在頻散曲線圖上,不同波速層間存在明顯的拐點。

地震折射波法的波速差異明顯,松散層縱波速低,基巖層縱波速高,完整基巖縱波速更高。在地震折射波法的相遇時距曲線圖上,不同波速層間表現出明顯的斜率拐點,說明上下層縱波速差異明顯(表2)。

在土巖界線處,探地雷達的電磁波動力學特征差異明顯。在土巖界面處,電磁波發生反射,反射波信號強,且同相軸一致性好;在土巖界面上下,反射波的同相軸特征與頻率變化明顯,詳見6.1節。

7.2 強弱風化界線的物探標識

在強弱風化界線附近,直流電法的電阻率差異明顯。強風化基巖一般因含水或潮濕而表現為相對低阻;在電測深曲線上多呈現A、HA、AA型,拐點A對應的地層界線及其深度即為風化層界線。

地震折射波法的強弱風化層的波速差異明顯。在地震折射波法的相遇時距曲線圖上,同側不同偏移距的時距曲線多呈現喇叭口狀;全強風化基巖的縱波速偏低,波速一般小于3.5 km/s;微風化基巖的縱波速高,波速一般大于5 km/s,見表2。微動技術的頻散拐點明顯,強風化基巖的橫波速偏低,但大于500 m/s以上。

7.3 礫質與土質的電阻率差異

對于直流電法(包括電測深與高密度電法)而言,礫質與土質間的電阻率值差異大,礫質在電阻率上表現為高阻特征,中粗砂土表現為中高阻,壤土與粘土等土質表現為低阻;這也是憑借物探技術手段區分礫質與土質的最直接方法,見表1。

8 各示范區地表基質層電阻率特征的特殊性

8.1 咸水區的電阻率特點

在張北壩上地區,由于降雨量小而蒸發量大,致使局部地表鹽漬化、地下水礦化度升高。無論壤土與黏土層,還是礫石與粗骨土層等,在電性上均呈現明顯的低阻、中低阻特征,松散層電阻率一般為5～20 Ω/m;礦化度越高,地層電阻值越低。下伏基巖地層的風化層電阻率值也明顯降低。

在贊皇-黃驊剖面的沖積平原區,地下水的礦化度變化大,影響地層電阻率的因素較多。在咸水區,如寧晉泊一帶,其電阻率一般小于12 Ω/m;在滄東至濱海一帶,礦化度更高而電阻率值更低,一般為1～3 Ω/m;而咸水區古河道地帶的電阻率又明顯升高(表3)。

表3 平原區地表基質層的電阻率特征

8.2 噴出巖的電阻率特點

在張北、沽源、塞罕壩一帶,多出露玄武巖、粗面巖、安山巖、安山質熔巖等,為噴出巖。巖體原生裂隙、風化裂隙發育,強風化基巖層的電阻率明顯低于其他示范區;風化層厚度大,且底板起伏也大。

8.3 花崗片麻巖類的電阻率特點

在隆化示范區,花崗片麻巖、閃長巖等巖體發育;巖體完整性好,地層分布較單一?；鶐r電阻率值明顯高于松散層;由淺到深,電阻率呈遞增趨勢,且完整基巖的電阻率值明顯高于噴出巖地區?；鶐r層位的閃長巖、花崗巖、花崗片麻巖的電阻率值明顯高于變粒巖、角閃片麻巖。

8.4 片麻巖區的電阻率特點

在平山示范區,地表基質類別的分布規律性強,物性特征明顯。相對于下伏的強(全)風化基巖,淺表的粗骨土、殘積土呈現相對高阻特征,尤其下伏的風化基巖賦水時,這一現象更加突出;在電阻率剖面上,由淺到深呈高—低—高的電性特征;且可知風化層底板起伏大、厚度差異大。

在平山示范區與沽源示范區,由電阻率成果推斷的強風化基巖的底板起伏較大,說明該區域內風化層發育不均勻,局部厚度大于30 m。

8.5 井陘示范區的電阻率特點

該區碳酸鹽巖發育,地形切割嚴重,地表沖殘積物薄?；鶐r風化層的電阻率值變化梯度大、等值線密集;說明碳酸鹽巖由全強風化到微風化過渡快;推測風化層較薄,厚度一般小于10 m;且微風化基巖的電阻率值明顯高于其它示范區。

9 認識與體會

在布置物探之前,宜開展適量的孔旁或露頭測試;對不同物探技術方法的有效性、可行性應開展適量的試驗工作。試驗點或剖面應布置在有代表性的地區、調查工作程度較高或有鉆孔控制點的剖面上。

進場前,建議充分收集已有的地質、物探資料,總結工作區的地球物理參數。針對不同場地條件,建議因地制宜擇優選用適宜的物探技術手段。

對于單一物探技術方法不易明確判定的或較復雜的地表基質問題,宜選用兩種或兩種以上方法組合的綜合物探,發揮各自的特長。

針對山區的地表基質層調查,對基巖開展全、強、中、微等風化等級的劃分,宜于有效識別地表基質層的類型與厚度。

物探外業經濟、快速、有效,對環境無破壞、無污染;可以有效地指導鉆探工作部署,充分發揮綜合性勘探的優勢。

外業中,建議開展適量的綜合測井或井旁測試,便于利用鉆孔進行對比分析。如:開展地震類探測時,建議配合波速測井;電法探測時,建議配合視電阻率測井等。