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成都城市三维地质结构精细探测技术研究新进展

  • 2020-06-29 14:17:30
  • 来源:中国地质调查成果快讯
  • 作者:李华等
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来源于《中国地质调查成果快讯》

摘要:采用多系列、多属性组合的地球物理探测技术,融合新方法与以往资料重新处理综合解译的成果,重新厘定成都市主要隐伏断裂的空间分布。摸索出西南红层区城市地下富膏盐地层探测的有效方法。克服城市强干扰、施工场地受限等工况条件,以成都市锦城广场三维地质结构精细探测为实践案例,形成一套城市浅层三维地质结构精细探测技术,初步形成成都市地下空间结构地球物理组合探测技术方案。

1.项目概况

“成都市城市地下空间地球物理组合探测技术”子项目,归属于“城市地质调查”工程下设的“成都多要素城市地质调查”项目,由中国地质调查局成都地质调查中心承担。工作周期为2018—2020年。主要目标任务是开展成都市城市地球物理组合探测技术研究,针对成都市不同工况、不同地质条件,利用不同的精细地球物理组合探测技术,解决城市隐伏断裂分布形态、特殊岩土体埋深及厚度、不同地层岩性的精细划分等城市地质问题,最终形成一套成都市城市地下空间资源地球物理组合探测技术体系。

2.成果简介

(1)“旧数新用,新旧互补”,新旧资料结合精细厘定成都市区主要断裂的刻画参数与空间展布。基于最新的处理算法和软件平台,重新解译前人完成的1∶5万成都市电阻率测深扫面和浅震剖面数据,筛查工作空白区,补充部署浅震和高密度电法控制剖面,综合分析新、老资料成果,进一步精细刻画了穿越成都市中心城区的浦江-新津-德阳断裂、苏码头断裂2条主断裂和4条次级断裂的形态参数、断层性质及空间延展特征。

(2)探索出西南红层区城市地下富膏盐地层探测的有效方法。以在建的天府国际生物城2km2为典型探测试验区,在高压电线、施工场地等强干扰条件下,开展高密度电阻率法、微动勘探法、三分量谐振勘探、等值反磁通瞬变电磁法等传统与最新的地球物理勘探工作,并部署2口深度分别为100m、200m验证钻井。对比研究表明,高密度电法由于受人为干扰较大,对含石膏、钙芒硝膏盐层的探测与识别效果不明显;微动勘探法的视S波速度差异虽然对划分膏盐层具有一定效果,但对于明晰含膏盐的砂泥岩互层和膏盐富集层界面不够敏感,且分辨率相对较低;三分量频率谐振勘探获取的波阻抗比值差异对于识别膏盐层效果较好,但探测深度受限(<100m);等值反磁通瞬变电磁法能够有效克服高压电线和施工场地的干扰,快速完成对研究区的扫面探测,可以比较准确地界定膏盐泥岩的空间分布形态,探测结果与钻孔揭示的70~120m含多层薄层状石膏、钙芒硝的砂泥岩,120~200m为膏盐富集层的结果比较吻合(图1)。

成都城市三维地质结构精细探测技术研究新进展

 

图1 天府新区国际生物城膏盐层三维空间分布图

(3)形成一套城市典型示范区浅层三维地质结构精细化探测技术。以亚洲最大单体建筑成都市环球中心和锦城广场为典型示范区,开展了城市复杂工况条件下三维地质结构精细探测,测区面积约5km2,包含水域、大型商场、大型地下车库、政府办公区、居民小区、地铁、高速公路、大型施工场地等几乎所有的城市元素(图2-a),建筑密集,施工条件极其复杂,协调工作量大、数据采集极其困难。为满足探测精度要求,经过对多种地球物理探测方法的适用性和分辨率等进行深入比较论证后,推荐以三维浅震勘探为主、三分量共振成像为辅的组合探测技术为优选探测方案。建立政府支持,依法组织,科学联动的野外工作机制,解决现场施工协调困难;采用交警协助、夜间施工的方式降低噪声干扰。三维浅震数据采集为满足各种工况需求,激发方式采用可控震源与电火花相结合,接收方式则采用抗干扰强、便携的三角尾椎和尖椎无缆节点仪(图3);同时采用GPS室内覆盖技术克服了地下停车场接收盲区的问题。最终获取了质量良好的全三维数据,目前已完成反演的三分量共振成果(图2-b),基本满足了探测精度要求。结合近两年城市地球物理探测试验成果,形成了一套“便携式震源为主、电火花震源为辅的宽频激发+无缆节点仪绿色宽频接收+三维高密度、多波场观测+高精度浅震资料处理+折射层析、反射、三分量共振、钻孔资料多信息融合解译”的城市浅层三维地质结构精细化探测技术,即可控震源和三角尾椎无缆节点仪用于硬化路面工况,电火花及尖椎无缆节点仪用于草坪、软质泥地或水域等工况,采用接收点距2m,激发点距4m,最大偏移距500m,最小偏移距1m,中间对称接收,128次覆盖的高密度观测系统,同时获取反射波、折射波、面波三种地震波信息,应用针对性的去噪、层析静校正等处理技术提高分辨率,综合利用了反射波、折射波、三分量共振、钻井录井等多种信息综合解释,解决地震勘探多解性问题,最终获取精细、准确、可靠的综合地质解译成果。

成都城市三维地质结构精细探测技术研究新进展

 

图2 成都市锦城广场施工工况(a)及三分量共振成果图(b)

成都城市三维地质结构精细探测技术研究新进展

 

图3 成都市锦城广场三维浅层地震勘探无缆节点仪布设

(4)创新采用一图一表的成果表达方式,初步形成了成都市多元地质条件、复杂工况下条件下0~200m地下空间地球物理组合探测技术方案。按照施工难易程度及干扰强度等因素,可将城市工况分为建筑密集区、在建区和建筑稀疏区3种;依据地质条件可把成都市分为平原区+第四系厚覆盖区+隐伏断裂发育区、台地区+膏盐发育区、丘陵区+第四系覆盖薄区、低山区+地层陡倾+断裂发育区、宽谷中丘区+第四系覆盖簿区、垃圾填埋区或水域区以及典型示范区七类。综合工况与地质条件,明确了成都市地下空间0~200m地球物理探测工作的工况、地质条件组合分区图(图4)。结合各类地球物理探测方法的适用性及33个典型示范点的研究成果,梳理出成都市地下空间地球物理组合探测技术,制定出成都市0~200m地下空间结构地球物理组合探测技术指导方案(表1),采用图表结合、清晰表达的方式,推广应用到成都市域内的地质结构地球物理探测中。

成都城市三维地质结构精细探测技术研究新进展

 

图4 成都市不同工况、不同地质条件分区图

表1 成都市不同工况、不同地质条件下最优探测方法组合表

成都城市三维地质结构精细探测技术研究新进展

 

3.成果意义

(1)通过对不良地质体的探测研究,发现可通过有效的地球物理探测技术查明城市0~200m深度范围内膏盐层等不良地质体的空间分布形态,为地下空间的规划设计、评估不良地质体的危害程度、减少开发成本提供科学的参考依据。

(2)融合新、老资料重新厘定的成都市主要隐伏断裂的空间分布,可为城市地震安全评价、抗震防灾规划、地面地下工程选址、地下空间利用规划等提供重要的评判依据。

(3)锦城广场开展的精细化三维地质结构探测,几乎遇到了开展城市探测能遇到的所有困难,最终通过建立科学的工作机制、采用适当有效的精细化组合探测技术圆满完成探测任务,其成功经验具有重要的引领示范作用,为全国城市开展大面积典型示范区精细化三维地质结构探测提供了重要参考。

(4)针对具有砂岩、泥岩、砂泥岩互层结构特征的红层地区开展的地下空间资源探测研究,引进了当前国内外最新的城市地球物理勘探技术,采用新、老技术结合的方式,取长补短,最终形成的成都市不同工况、不同地质条件的地球物理组合探测技术,对我国红层地区或是具有类似地层结构特征的城市开展地下空间资源探测,具有良好的借鉴意义;同时创新一图一表的表达方式,更利于推广使用。

(中国地质调查局成都地质调查中心 李华 张伟 韩浩东供稿)

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