綜合物探方法在地質遺跡開發中的應用

任衛波

綜合物探方法在地質遺跡開發中的應用

任衛波

（廣東地下管網工程勘測公司，廣州 510080）

本項目為歷史遺址勘察工程，主要任務是利用專業物探設備對某古采石場遺址進行地質勘察，調查某古采石場采掘歷史、礦業遺跡類型與分布，查明該古采石場遺址地質環境條件和地下采石坑、采石礦洞等空間分布、埋深及規模，為后期古采石場遺址的日常維護和開發利用提供科學依據。

高密度電阻率；地震映像；地質雷達；地質遺跡

本次勘察工作的古采石場遺址位于東江南岸丘陵中段，東江南岸丘陵東起石排鎮橫山村下寶潭自然村北，西至茶山鎮京山村，長約8km，寬約0.3～0.5km，海拔高度20～50m，NEE-SWW走向，組成巖石為第三紀棕紅色細砂質粉砂巖，間夾有少量梭角狀礫石，結構緊密，硬度大。遺址處于此丘陵石排鎮，海拔40m以上，主峰高山城達51.8m。本項目為歷史遺址勘察工程，主要目的是利用專業物探設備對古采石場遺址進行綜合地質勘察，通過綜合物探方法（高密度電法、地震映像法、地質雷達法等）查明古采石場遺址地質條件和地下舊采石坑的空間分布、埋深及規模，并對整個區域已回填采石坑分布情況進行評價，為后期燕嶺古采石場遺址的日常維護和開發利用提供科學依據。

1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，也稱自動電阻率系統，是直流電法的發展，其功能相當于四極測深與電剖面法的結合。通過電極向地下供電形成人工電場，其電場的分布與地下巖土介質的電阻率ρs的分布密切相關，通過對地表不同電極位置人工電場的測量，得到地下介質視電阻率ρs的數值，根據巖土介質視電阻率的分布推斷解釋地下地質體結構（曾琳等，2021；高樹全等，2021；蔡勤波等，2021）。

2 地震映像法

地震映像法是利用人工激發地震波在巖土介質中的傳播規律，探測淺部地質構造或測定巖土物理力學參數、進行物性分層、尋找構造、破碎帶等低速區的一種較成熟的地球物理勘探方法。地震反射波法是國內外公認的具有較高精度的一種物探方法（梁志宇和張玉池，2021；占文鋒等，2015）。

3 地質雷達法

地質雷達法是一種以探測被測體內部不同介質的介電常數差異為基礎的勘探方法，它通過發射天線向被測體內部發射高頻電磁波脈沖，此脈沖在向被測體內部傳播過程中遇到介質的介電常數變化的界面時會產生反射，反射波傳播回表面后被接收天線所接收，并將其傳入主機進行記錄和顯示，再經過資料的后處理，進行反演解釋便可得到被測體內部不同介質的分布情況及介電常數變化面的深度位置等參數（張宗輝和喻璀璨，2020；孟慶旺，2020；陳挺等，2022）。

4 數據采集

4.1 測線布置

本次勘察工作共布置高密度電法測線15條，測線剖面總長3353m，測點距為3m，測點1151個；地質雷達測線48條，測線剖面總長4596m，測點距為0.5m，測點11486個；地震映像法測線35條，測線剖面總長2696m，測點距為1m，測點2696個。部分物探測線平面布置示意圖（圖1）。

圖1 部分物探測線布置布置示意圖

4.2 儀器設備

設備投入只要有DUK-3A型高密度電法儀、美國產Geode 24高分辨地震儀、加拿大產EKKO-PRO型地質雷達及配套100MHz天線。

4.3 外業數據采集

4.3.1 高密度電阻率法

通過方法試驗工作，確定了本次高密度電法的工作參數：對稱四極測深裝置，電極距3m，電極數60個，最小隔離系數n=1，最大隔離系數n=22，供電時間t=0.5s。

4.3.2 地震映像法

通過方法試驗工作，確定本次地震映像法的工作參數為：最佳偏移距為20m，單道接受，采樣間隔0.125ms，時窗256ms，18磅錘擊震源。

4.3.2 地質雷達法

地質雷達法采用100MHz天線連續掃描的方式進行數據采集,測點距為0.5m。本次地質雷達采集的數據圖像信噪比較高，同相軸連續性好，圖像信息豐富。

5 數據處理及典型圖像分析

5.1 高密度電阻率法數據處理及典型圖像分析

處理步驟為：數據格式轉換→壞點數據剔除→數據濾波處理→測點高程輸入→生成視電阻率剖面圖→物探解釋→地質解釋剖面輸出。

舊采石坑內一般為回填的雜填土（松散、稍濕、含水），其在視電阻率剖面圖上異常特征主要為淺部局部低阻異常，一般為長方形狀、橢球狀異常等，且等值線間隔較密，城一定規模，其下部為基巖，電阻率較高，且等值線間隔較疏（任衛波，2021；張湘桂等，2021）。

如圖2可知，測線DF2里程坐標70～95m、埋深0～7m處呈現示長方形狀低阻異常，推測該區域為一舊采石坑；里程坐標125～184m、埋深0～10m處整體呈現示長方形狀低阻異常，里程坐標145m有中阻異常體，推測該區域為一舊采石坑，里程坐標145m處為房室采坑之間的“房墻”的反映；里程坐標215～264m、埋深0～12m處整體呈現示長方形狀低阻異常，局部橢球狀封閉低阻異常，現場地表有水，水深不均一，最深約1m,推測該區域為一舊采石坑；里程坐標274～315m，埋深0～10m處整體呈現示長方形狀低阻異常，現場地表有淺水坑，深度不均一，最深約1m，結合地質雷達和地震映像數據分析，該處異常為地表水干擾。

圖2 DF2線視電阻率剖面示意圖

5.2 地震映像法數據處理及典型圖像分析

處理步驟為：抽道→坐標參數編輯→預處理→能量均衡→頻率濾波→時深轉換。

舊采石坑內一般為回填的雜填土（松散、稍濕、含水）：地震反射波組首波會出現振幅減弱、不連續，呈凌亂狀或彎曲狀，次波組或后續多波組同相軸出現平緩的“U”字型特征，，異常邊部主要出現同相軸局部不連續或錯斷，異常內部地震波能量、頻率變化不大、波組間隔自異常邊部至異常中心逐漸增大等異常特征。

如圖3可知，測線DF2里程坐標76～95m、視窗0～38ms處呈現示反射波組異常，主要表現為首波組呈現下凹狀、推測該區域為一舊采石坑；里程坐標125～184m、埋深視窗0～76ms處呈現示反射波組異常,首波會出現振幅減弱且不連續，局部呈凌亂狀，次波組及后續多波組同相軸出現平緩的“U”字型特征，異常體內部出現同相軸局部不連續及錯斷，波組間隔自異常邊部至異常中心逐漸增大等異常特征，推測為一舊采石坑，且埋深出現階梯特征，內部有碎石塊；里程坐標125～184m、埋深視窗0～74ms處呈現示反射波組異常,首波會出現振幅減弱且不連續，局部呈凌亂狀，次波組及后續多波組同相軸出現平緩的“U”字型特征，異常體內部出現同相軸局部不連續及錯斷，推測為一舊采石坑，內部有碎石塊。

圖3 DF2線地震映像實測波形圖

5.3 地質雷達法數據處理及典型圖像分析

地質雷達資料采用與儀器配套的后處理軟件進行數據處理，處理步驟為：振幅調整→頻譜分析→垂直濾波試驗與水平濾波試驗→反褶積試驗和偏移試驗等。

舊采石坑內一般為回填的雜填土（松散、稍濕、含水）,其介質不均一，雷達電磁波會發生衍射、反射等，其信號較為雜亂，同相軸連續性差，振幅變化較大。

圖4 DF2線地質雷達實測剖面圖

如圖4可知，測線DF2上橫向位置225～265m，縱向深度0～5m位置處雷達電磁波信號出現同相軸不連續、波形呈現出下凹狀，電磁波能量逐漸衰減變弱，推測該異常為舊采石坑填埋區。

如圖4可知，測線DF2里程坐標216～264m、埋深0～5ms處雷達電磁波信號出現同相軸不連續、波形呈現出下凹狀，電磁波能量逐漸衰減變弱，推測該異常為舊采石坑填埋區。

5.4 綜合圖像分析

圖5 物探綜合地質解釋剖面圖

在測線DF2進行三種物探方法的探測，三種方法相互補充驗證。由圖2可知，測線DF2里程坐標70～95m處高密度電法呈現示長方形狀低阻異常；地震映像反射波組異常，表現為首波組呈現下凹狀。里程坐標125～184m處高密度電法呈現示長方形狀低阻異常且里程坐標145m處為房室采坑之間的“房墻”的反映；地震映像反射波組呈現示反射波組異常,首波出現振幅減弱且不連續，局部呈凌亂狀，多波組同相軸出現平緩的“U”字型特征，局部成階梯狀。里程坐標215～264m處高密度電法呈現呈現示長方形狀低阻異常，局部橢球狀封閉低阻異常；地震映像反射波組呈現示反射波組異常,首波出現振幅減弱且不連續，局部呈凌亂狀，多波組同相軸出現平緩的“U”字型特征，局部成階梯狀；雷達電磁波信號出現同相軸不連續、波形呈現出下凹狀，電磁波能量逐漸衰減變弱。綜合上述三種方法異常位置吻合度高，探測方法相互互補并相互驗證，增加了探測的精準度，預測的古遺跡回填區域內古采石場采石方式為露天明采，以房式、階梯式為主。

5.4 三維建模

本項目共完成了高密度電法測線15條，地質雷達測線48條及地震映像法測線35條。為了能夠更好地刻畫出地下舊采石坑等空間分布、埋深及規模，本項目運用圖像識別技術對高密度電法反演結果、地質雷達時間剖面處理結果及地震映像時間剖面處理結果進行模式識別，并結合鉆孔數據，建立三維地下舊采石坑地質解釋模型。具體流程及方法如下：

圖6 三維解釋模型示意圖

根據物探方法的類型，編寫相應的圖像識別程序；

結合工區地質結構特征及地下舊采石坑的物性特征，設定模式識別的波速及視電阻率等與基巖的物性差異大小；

利用7個鉆孔數據對圖像識別的處理過程進行全程約束；

當識別出地下舊采石坑異常后，對其進行賦值；

對圖像識別出的地下舊采石坑異常進行高密度的三維插值，并運用三維成圖軟件建立三維解釋模型。

通過上述方法流程，獲得石排鎮紅石山燕嶺古采石場遺址公園推測舊采石坑異常區三維解釋模型（圖1）。中褐色塊體為圖像識別出的地下舊采石坑異常，能夠比較清晰地刻畫出目標體的空間分布、埋深及規模。

本項目運用圖像識別技術建立的三維地下舊采石坑地質解釋模型與二維綜合地質解釋結果具有較高的一致性。該地質模型較好地反映出整個區域的采石坑分布情況，為設計施工提供基礎勘測資料，也為后期燕嶺古采石場遺址的日常維護和開發利用提供科學依據。

6 結語

通過綜合物探資料解譯并結合場地內地質調查、鉆探驗證及跟蹤實際開挖情況，得到以下結論：

本次綜合物探及地質判別與實際遺址挖掘基本一致，同時物探判別工作，對遺址的挖掘工作提供良好的靶區。

為準確探測古采石場回填采坑規模，采用綜合物探方法，探測方法相互互補并相互驗證，增加了探測的精準度，并良好預測古遺跡回填區域內古采石場采石方式為露天明采，以房式、階梯式為主，未見有隆洞開采遺跡。

結合地質調查及鉆探工作可知遺跡內基巖為泥質粉砂巖，巖體較完整，有利于石材開發，查明了古采石場遺址水文地質條件和地表及地下采石坑、采石洞等三維空間分布、埋深及規模，提升了古采石場遺址日常管理和開發能力建設。

曾琳，鐵永波，管威，茍繼松，孫瑋，戴可人. 2021. 雷達遙感探測甲居滑坡蠕滑變形與潛在失穩因素分析[J]. 四川地質學報，41(01)：140-145.

高樹全，王玉琴，牟元存. 2021. 巖溶隧道地質雷達超前地質預報及圖像分析[J]. 工程地球物理學報，18(05)：642-646.

蔡勤波，王成亮，張雪. 2021. 地質雷達探測城市地下空洞案例分析[J]. 勘察科學技術，(04)：57-61.

梁志宇，張玉池. 2021. 基于不同裝置的高密度電法對低阻填充溶洞探測的對比[J]. 四川地質學報，41(01)：123-130+172.

占文鋒，習鐵宏，王強. 2015. 地質雷達探測技術在地基空洞探測中的應用[J]. 中國煤炭地質，27(11)：70-73+81.

張宗輝，喻璀璨. 2020. 綜合物探技術在兩水滑坡勘察中的應用[J]. 四川地質學報，40(01)：147-151.

孟慶旺. 2020. 綜合物探方法在嘉祥縣青山省級地質公園溶洞勘察中的應用效果[J]. 物探與化探，44(06)：1464-1469.

陳挺，余舟，龐有煒，嚴迪，武斌，馮化鵬，鄭福龍，張鷗. 2022. 綜合物探技術在城市地下空間探測中的應用[J]. 四川地質學報，42(02)：305-312.

任衛波. 2021. 地質雷達在某長江大橋承臺圍堰下放區卵石探測中的應用[J]. 資源信息與工程，36(06)：65-67.

張湘桂，鄒明，劉宗輝，唐甫，藍日彥. 2021. 隧道襯砌后方隱伏洞穴地質雷達響應特征分析[J]. 地下空間與工程學報，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

任衛波（1982— ），男，漢族，河南沁陽人，高級工程師，主要從事地質勘探，城市地下空間探測等工作。