地震物探方法在珠江三角洲水资源配置工程中的应用
作者简介：李军 （1976—），硕士，高级工程师，主要从事水利水电工程勘测设计工作。
摘要：珠江三角洲水资源配置工程是国家重大水利工程之一，工程地处珠三角发达地区，人口密集，输水线路跨越较多大江大河、道路、管线、城镇街道等，地质钻探工作开展困难。地震物探方法对场地要求低、对环境影响小，针对珠三角覆盖层深厚的特点，采用综合物探的方法，结合地质钻探，完成勘察任务。对于该项目典型工点狮子洋深沟段的水域物探工作，采用了多道地震、单道地震、浅地层剖面法三种物探方法进行同线综合勘探，并得到了可靠的数据成果。该工点为今后的物探工作积累了经验。
关键词：珠三角 地震反射波法 综合物探 水资源配置工程 地层
1 引言
珠江三角洲水资源配置工程是从珠江三角洲西部佛山市境内的西江取水，将优质西江水经管道穿过珠江三角洲，向东输送至广州南沙区、东莞市、深圳市，解决这些地区经济和社会发展用水矛盾，使单一水源变为多水源，同时为香港、番禺、顺德等地区提供应急备用水源，工程总引水流量为80m/s3，为Ⅰ等大（1）型水利工程。该工程是国务院要求加快建设的全国172项节水供水重大水利工程之一。
工程地处我国最发达地区之一，珠江三角洲腹地，输水线路大多经过人口密集、富裕的村镇，地上、地下交通繁忙，网河密织，鱼虾塘密布，跨越多条大江大河、高速公路、地铁、高铁等，地下管线密集，地表城镇街道纵横密布，地质钻探受限很多，工作困难。物探方法快速、对场地要求低、对环境影响小，容易开展。在可行性研究和初步设计勘察工作中，采取地质勘探加物探综合勘察方法，查明场地工程地质条件。综合地形、地质条件、外界影响等因素考虑，物探主要采用地震反射波法作为主要手段，其在探查水下地形、覆盖层分层、基岩面起伏及地质构造情况等工程实践中均取得了较好效果。地震反射波法主要基于地震波在弹性介质中的传播规律，由人工激发的地震波在向地下传播过程中，遇到弹性分界面时发生反射，通过检波器接收地震波反射信号，并由浅层工程地震仪记录，获得浅层地震反射资料。对采集的地震反射记录进行频谱分析、滤波、反褶积、速度分析、动校正叠加及时深转换等处理，以获得反映地下地质结构的地震剖面，达到近地表地质勘察的目的。
为保证勘察结果的可靠性，在部分地段采用了多道地震、单道地震、浅地层剖面法三种物探方法进行同线综合勘探，按测线对各种方法的时间剖面进行综合解释，并综合了压线钻孔的资料，采用综合解释成果绘制综合地质解释剖面图，最终取得了较好的结果。
2 工程概况
本工程经过顺德区、南沙区、番禺区、东莞市和深圳等地，穿过多条珠江出海口河流，河道宽阔，交通繁忙，行船如织，难以封航钻探，在这些部位，采取物探加辅助钻探方式。
取典型工点——珠江口狮子洋深沟段桩号GS14+760～GS17+000段物探方法的应用进行介绍。该段采用水域地震反射法查明地层分布及断裂分布情况，布置测线2条，每条测线长1km。
2.1 场区工程环境
该地段在区域构造上属于广州—番禺断块区，以升降运动为主，周边抬升为主，平原区沉降为主，地表为第四系覆盖，褶皱构造不发育，断裂构造走向以早期近东西向，晚期北西向、北东向三组最为发育，区内有些断裂至晚第四纪仍有不同程度的活动。根据前期狮子洋段钻探资料，本工点内均为第四系覆盖，基岩为白垩系下统（K1b）泥岩、泥质粉砂岩。
2.2 场地地球物理条件
狮子洋桩号GS14+760～GS17+000段区域内各岩土层的物性参数归纳于表1中。
表1 工作区各岩土层物性参数表
分析研究上表可见本区具有开展水域地震反射波法工作较好的地球物理前提：
（1）江水与第四系间速度差异明显，密度相差也比较大，两者之间存在明显的波阻抗差异，所以江底面是很好的地震反射界面。
（2）就纵波反射而言，存在明显波阻抗差异的地层界面（强反射界面）海水—淤泥质土之间、第四系—基岩之间界面。
（3）当断裂引起地层垂向错动或明显破碎时，地震时间剖面图将相应地出现反射波组同相轴的错动、缺失或能量减弱等异常特征，可取得明显的地震勘探效果。
（4）基岩内部可视为连续均匀介质，其速度变化不大。但基岩内部地层由于沉积环境或者沉积年代的不同，在层与层之间会产生一定的波阻抗差异；而基岩内部的断裂或者其他构造与正常地层之间有更明显的波阻抗差异。这些差异界线都是良好的物性界面，利于反射波法地震勘探。
3 探测方法
根据现场工作环境，水域地震反射波法适合作为主要勘探方法。
3.1 地震反射波法原理
水域地震反射波法是利用气动机械声波为震源，在水中激发产生地震波，当地震波遇到不同的物体或界面 （密度和波速发生变化）时，便产生反射和透射波，并由固定在船侧或拖曳在船尾的水听器接收反射回波，并经电缆将反射信号传递给仪器进行录制，经过处理，根据反射波的走时，利用波速进行时—深转换，求得不同反射波深度范围，从而达到确定异常体或地层界面的目的，该法依据水中无面波和横波干扰的特点，利用小偏移距与等偏移距、单点高速激发、单道或多道接收，经实时数据处理，以密集显示波阻抗界面的方法形成时间剖面，并再现地下结构形态。水域地震反射波法野外作业示意图见图1。
图1 水域地震反射波法野外作业示意图
3.2 具体勘探方法介绍
本次物探工作采用了多道地震、单道地震、浅地层剖面法三种物探方法，各种物探方法成果对综合解释成果的贡献有所侧重：多道地震主要用于解释风化界面、基岩埋深、基岩面形态和断裂构造，辅助解释覆盖层地层结构、地层岩性；单道地震主要用于解释覆盖土层、风化层分层，基岩埋深，基岩面形态，断裂构造规模、走向和活动性，辅助解释软土层；浅地层剖面主要用于解释浅部（水底以下20m范围）软土层，判断活动性断裂是否错断软塑、可塑粉质黏土以上的界面。
水域多道地震反射波法需要选择合适的震源、GPS定位及水深测量等。经过现场方法试验，最终选定工作方法技术：采用海域变频控制震源系统激发，激发时间间距为3s，基本匀速航行，航速为2.8～3.2节。海域变频控制震源系统发射功率为1200W，发射时长为400ms，发射频率为200～800Hz，仪器采样参数：采样间隔为0.125ms，记录长度为512ms，低切100Hz滤波，接收道数24道。物探测线采用GPS导航定位，采用拖拉式连续匀速航行和定时激发方式施工，接收电缆牵挂在船尾部向后延伸，一般选择平潮期间工作。探测船沿布设测线呈基本匀速航行。为保证完全覆盖设计测线，提前100～200m上线，推迟100～200m下线。
3.3 仪器设备
该工点物探工作采用的仪器设备有美国Geometrics公司生产，外置计算机控制的全数字化信号增强型浅层地震仪、由中科院声学研究所和广东省地质物探工程勘察院联合研制的高灵敏度多道水听器以及广州量米勘探科技有限公司研制，海域（水域）地震勘探专用震源系统,见图2。
图2 数据采集设备
4 成果资料解释
结合钻孔资料和波速测试资料，在时间剖面上找出具有较强振幅、同相轴连续性较好、可在整个场区内追踪的目的反射层作为标准层，对全区各方法时间剖面进行解释、对比。
在本次物探勘察获得的多道地震、单道地震及浅地层剖面法时间剖面上分析识别出3个地震波强反射波组：T1、T2及T4作为标准层。根据标准层，结合钻孔资料，对各测线的地层进行划分。由图3可知钻孔分层与物探分层界面对应较好。
综合物探资料及压线钻孔资料，本次物探采用统一的时—深转换方法，即每两个界面之间采用统一的波速，见表2。
在本次物探勘察获得的多道地震、单道地震及浅地层剖面法时间剖面上分析识别出3个地震波强反射波组，作为标准层。标准层的波组编号，以T1、T2、T4命名。根据标准层，结合钻孔资料，对各测线的地层进行划分。
另外，时间剖面上还分析、解释了1个分层界面T3作为标准层。T3界面在多道地震、单道地震时间剖面上较为清晰，界面上下的地震相决然不同，是地震相差异界面，而不是波阻抗差异界面，所以没有同相轴。界面以上存在较多能量强、近于水平的同相轴，为层状地层的地震相。界面以下仅存在能量很弱的杂乱波组，或为几乎没有能量的空白区。
图3 物探时间剖面与钻孔压线关系
表2 时—深转换波速表
根据4个地球物理界面及钻孔资料，结合场区附近海域第四系沉积环境和地层特征，地震层位与地层分层有以下对应关系：
（1）水体：T1界面以上。
（2）淤泥层：T1界面与T2界面之间，全区可见。反射波组以水平层状连续反射为主，为全新统桂州组海陆交互相沉积物（Q4g），以淤泥为主；从浅剖数据上看，该层可划分为两层，表层为流泥状淤泥（该层集中在水底以下1.0~2.0m，物探未进行划分），下层为流塑状淤泥。
（3）砂层、黏性土层：T2界面与T3界面之间，存在较多能量强、近于水平的同相轴，但难于全区追踪，全区可见。主要为桂州组（Q4g）的砂层与礼乐组（Q3l）粉质黏土层。
（4）全、强风化层：T3界面与T4界面之间，全区可见；仅存在能量很弱的杂乱波组，或为几乎没有能量的空白区。根据其地震相，推断为全强风化层。
（5）弱风化层：T4界面以下，全区可见。反射能力强、连续性好、起伏强烈。部分测段存在较多绕射波、回转波等，推断为中等风化基岩顶面。
根据上述分层对应关系，对物探解释的各界面的双程时间进行时深转换，求取各界面的深度，结合压线钻孔，绘制综合地质解释剖面，具体成果如图4所示。
图4 地质解释剖面图（部分）
图4对场区及近区断裂物探测线的物探地震层位进行了划分，识别出3个地震波强反射界面和一个地震相界面，从上到下为T1、T2、T3和T4。其中，T1为海底反射面，T2为淤泥、淤质黏土、淤质粉细砂底界，T3为中粗砂层、黏性土层底界，T4为弱风化层顶界。其中T2、T3均为不整合剥蚀面，T4为风化界面。根据上述界面，结合钻孔资料，将场地地层划分为：淤泥层、中粗砂混黏性土互层、全强风化层和弱风化（中等）风化层。
5 结语
经过对物探工作取得的数据进行处理、解释、综合分析，得出了物探测线位置及平面成果图、各测线的综合地质解释剖面图、各测线时间剖面图及钻孔波速测试成果图，对该区域的水下地形、地层划分、断裂构造、不良地质作用以及波速测试与场地类别都有详尽的了解。经过该次物探，主要有以下的认识：
（1）本次物探工作，投入了导航、观潮、多道地震反射法等方法的多台套仪器设备。主要的导航及物探仪器均为国内外当今最先进的仪器设备。开始前、结束后的校验说明，仪器设备性能指标达到相关规范要求。工作期间，所有设备工作正常、性能稳定。在本次物探勘察过程中，得到众多成果图件，可为今后的物探工作累积经验。
（2）综合勘探的方法大大提高了物探工作成果的可靠性。本次工作采取了多道地震、单道地震、浅地层剖面法三种物探方法，各种方法侧重不同，按测线对各种方法的时间剖面进行综合解释。钻孔资料与物探成果相互验证，提高物探工作的精度。
参考文献
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