城市地下空间地球物理探测技术与应用

城市地下空间开发利用是缓解土地资源紧张、解决"城市病"的重要途径,合理开发利用地下空间资源的关键问题是如何实现城市下方地质体"透明化".受施工场地、安全等因素的制约,传统地质填图调查方法难以获取城市地下精细结构信息,地球物理方法具有无损探测的特点,已成为开展城市地下空间精细地质结构探测的主要技术手段.然而地球物理方法种类较多,不同方法应用前提、范围和效果差别较大,为给城市地下空间资源探测选择适合的地球物理方法,本文结合实际案例,系统分析了微重力、高密度电法、浅层反射地震、面波勘探、探地雷达等不同地球物理方法在城市地下空间探测中的应用效果和适用前提.在此基础上,对比了不同方法探测深度、分辨率及其在城市地下空间开发探测的适用阶段,并对未来城市地下空间探测技术发展做了展望.     

微动探测方法研究进展与展望

微动探测方法是在背景噪声成像理论的基础上发展起来的一种新型地球物理探测手段,其根据获取野外数据的观测台站方式分为微动阵列方法和微动单台方法.本文综述了前人对微动探测方法的研究进展,并对目前该方法存在的问题及研究的发展趋势进行了展望.微动阵列方法采用频率波数法或空间自相关法从微动信号中提取频散曲线,进而反演获得地下横波速度结构.微动单台方法即H/V谱比法以三分量台站为观测基础,对水平分量信号与垂直分量信号进行傅里叶谱比,以此估算沉积层厚度、获得共振频率以及场地放大因子等.目前微动探测发展还有诸多问题需要进行深入研究,例如瑞雷波与勒夫波浅层探测理论方法、同时考虑基阶和高阶面波的影响进行多阶面波反演方法研究以及H/V谱比曲线与频散曲线联合反演方法研究等,从而提高微动探测方法浅层探测精度以满足城市地下空间精细探测的需求,加深探测深度为透明地壳、地下第三空间的精细探测提供一种新型地球物理手段.     

用面波联合勘探技术探测浅部速度结构

瑞雷面波勘探技术以其快速经济、受场地条件限制小等优点广泛应用于浅部横波速度结构探测.人工源面波勘探方法对浅部地层的探测精度高,但探测深度较浅;天然源面波勘探方法探测深度较深,但对浅部速度结构的探测精度不高.本文在夏垫和玉溪两地分别开展了人工源和天然源面波联合探测试验,尝试采用不同排列和相同排列两种方法,采集人工源和天然源面波信息,联合处理数据并提取频散曲线,反演得到浅部地层的横波速度结构.探测结果表明:人工源和天然源面波联合勘探,尤其是采用相同排列的方法,可以在几乎不增加常规面波勘探工作量的条件下,既能保证浅部地层的探测精度,又明显拓展探测深度,大大提升了面波勘探能力,有望在工程勘察领域中推广应用.     

山区公路微动探测方法应用试验研究

复杂山区的公路建设运营对地球物理探测提出了巨大挑战.非侵入式微动探测方法无需主动震源,作为地震类方法的一种,其独特的优势已经体现在地热资源探测、城市地下空间精细探测等领域.针对目前山区公路建设运营中对地球物理探测的重大需求,本文研究微动探测方法的应用效果.首先,根据研究区地形设计了十字形与直线型进行野外微动数据的采集,进而利用空间自相关法从微动信号中提取瑞雷波频散曲线,最后获得视S波速度剖面.通过与高密度电法探测结果对比发现微动探测方法在山区可以有效的识别隐伏构造和不同的岩性层、刻画高速异常地质体等.在灵活改变观测系统的情况下,针对山区公路建设对地质信息的要求,该方法可以提供关键的精细地质结构信息.通过本研究,初步证实了微动探测方法在山区探测的有效性,为后续复杂条件下的地球物理探测提供了新的有效探测手段.     

利用瞬态瑞雷面波法探测浅层玄武岩三维分布——以沙特Sabkhah Ad Dumathah地区为例

沙特Sabkhah Ad Dumathah地区浅层玄武岩的分布影响着该区钙结岩型铀矿的发育空间和分布范围,然而常规钻探、(电)磁法、重磁法等技术手段,对于该区浅层(约30 m以浅)玄武岩,存在探测难度.本文提出了利用瞬态瑞雷面波法开展浅层玄武岩探查试验研究,首先通过面波数据采集技术的系统试验研究,获取了较适用的面波数据采集方法,其次经过面波资料处理得到用于解释的面波速度映像图,最后基于该处理的三维面波速度映像图,解释了浅层玄武岩的三维分布范围和形态特征,通过与测区内已知钻孔资料进行对比,探测结果与地质认识相吻合.可见本文使用的面波勘探法能够较好地探测浅层玄武岩的三维空间分布规律特征,为今后类似工作提供重要参考和借鉴.     

用人工源和天然源面波联合探测浅层速度结构.

本文在简要介绍天然源与人工源瑞雷面波勘探基本原理、数据采集和资料处理方法的基础上,结合3个不同场地的探测实例,阐述了天然源和人工源瑞雷面波方法在浅部速度结构探测中的应用效果.结果表明,根据不同的场地条件和探测目的要求,分别采用天然源、人工源瑞雷面波方法提取瑞雷波频散曲线,再用遗传算法反演得到工程场地浅部地层横波速度结构的技术方法是有效和可行的.该方法对于类似工程的浅部横波速度结构探测具有经济适用、简便快捷的优点.     

超短时线性台阵背景噪声成像技术在浅层地质结构探测中的应用

背景噪声地震成像方法已被广泛应用于探测壳幔深部结构;近些年来,该方法在浅地表结构成像中的应用研究也在蓬勃发展,然而近地表场源不均匀等因素导致高频面波信号往往难以准确恢复,以牺牲时间来提高信噪比的观测方式会极大限制其在工程勘查中的应用.本文尝试讨论超短时背景噪声成像技术在浅层地质结构探测中的应用效果.笔者利用湖北应城地区超短时(1 h)线性台阵地震背景噪声记录,使用被动源面波多道分析法从虚拟炮集中提取相速度频散曲线,通过反演获取了浅地表二维横波速度结构.结果表明,利用本文方案可以恢复高信噪比面波信号、获取高信噪比的频散能量以及拾取高精度相速度;反演速度结构与实际测井数据吻合度好,成像结果有效揭示了测区150 m以浅的地层结构,证明了超短时背景噪声成像技术在浅层地质结构调查中具有很大的应用潜力．     

基于柱坐标系的隧道空间溶洞探测全波场数值模拟

溶洞作为碳酸盐岩地区常见的一类局部不良地质体,其波场特征常常与形态、填充物、空间方位等因素相关,而受此影响地震类方法对溶洞的探测效果往往不理想.因此,要想实现地震类方法对溶洞的准确探测,首先需要明确不同状态下溶洞的波场特征.针对上述问题,考虑到实际隧道空间形态,本文首次采用柱坐标系下的一阶速度-应力弹性波动方程对隧道空间进行数值模拟,通过通量矫正技术压制频散,同时对已开挖段隧道与围岩的边界采用自由边界条件处理.对不同半径、不同填充物、不同方位的溶洞以及复杂溶洞模型的数值模拟结果及波场特征分析表明:本文提出的方法可实现隧道空间全波场高精度数值模拟,波场特征符合波的运动学与动力学特征;不同情况下溶洞波场特征的差异可有效的指导溶洞的探测与识别.     

基于微动技术的综合探测体系在乌鲁木齐城市地下空间精细化探测中的应用研究

城市地下空间的安全、合理利用对城市发展和地质环境保护具有重要的战略意义.乌鲁木齐市位于天山北部山前冲积扇,区内以卵砾石为主的覆盖层厚度变化范围大,第三系基岩受区域构造控制,空间形态复杂,区域断层多呈现隐伏形态.同时,乌鲁木齐市煤炭资源丰富,由此产生的“老、乱、小”采空区严重威胁城市地质安全.为查明区内各类地层、构造及不良地质体的空间位置,需采取地球物理多方法联合勘探以实现地下空间的精细化探测.本文以乌鲁木齐市四类典型地质体为探测目标,综合应用多种地球物理探测技术,结合地质先验信息分析评价了每种探测方法的有效性和局限性,建立了乌鲁木齐城市地下空间精细化探测体系,为其他内陆型城市地质调查工作提供依据和借鉴．     

长三角地区地壳P、S波速度结构模型

利用收集到的瑞利面波频散数据和区域地震台网震相数据,分别采用面波层析成像和体波走时层析成像方法反演了长三角地区地下速度异常分布,获得了该区地壳P、S波速度结构.层析成像结果表明速度结构模型与地质特征基本一致,研究结果有助于深化对长三角地区沉积盖层和地壳结构以及强震活动深部环境的认识.     

多道瞬态瑞雷波技术在公路采空塌陷区探测中应用

地下采空塌陷区岩体结构具有明显的结构不连续、松散、断裂、空洞等异常结构特征,本文在分析公路采空塌陷区地球物理场特征的基础上,详细讨论了应用多道瞬态瑞雷波技术探测采空塌陷区的可行性以及相关技术,深入分析基于瑞雷波波场特征、频谱结构、能量衰减、频散特征、相速度以及多阶模等特征探测和评价地层结构的均匀性、地下空洞及异常结构体等地下障碍物的存在及其空间分布的解释标志.滚动式多道瑞雷波探测技术可以有效地探测地下采空区、软弱结构体等异常结构体的赋存状态及空间分布.     

地下隐蔽水库的高密度电法探测研究

地下空间开发过程中,要尽量避开地下已建成的建筑物和市政设施,然而由于各种原因造成地下已建成的建筑物、市政设施等具体位置不明确,形成为地下空间开发过程中的障碍物,对设计和施工造成不利影响.高密度电法具有成本低,效率高,信息丰富,解释方便等特点,威为解决这些地下障碍物问题的物探方法之一.为了探测在地铁选线过程中遇到的地下隐蔽水库,选用了高密度电法进行探测,并且依据调研到的资料建立了正演模型.模拟结果表明高密度电法可以圈定地下隐蔽水库的边界范围.最终的探测结果和正演结果基本一致.这说明在地下空间开发过程中采用高密度电法探测地下隐蔽水库具有可行性,探测的结果能为设计和施工提供参考依据.同时,在探测实施时根据已知条件进行正演模拟有助于解译高密度电法实测结果.     

HVSR探测方法在城市岩溶勘察中的应用

随着城市空间逐步向地下发展,地下岩溶等不良地质体的存在给城市建设带来较大的安全隐患,常规的地球物理探测方法在城市地下岩溶等不良地质体探测中因人文活动、电磁干扰等因素的影响而受到极大限制．微动探测作为一种被动源勘探方法,因其场地适应能力强、工作效率高等优点被逐渐应用于城市地下岩溶探测．基于微动的HVSR谱比法则具有更好的适应性．为探索该方法在城市岩溶探测的有效性及其特征,选取岩土勘察中的两个工程场地作为探测试验区．试验区内岩溶发育,通过钻探获取了岩溶的空间分布特征及基岩的起伏变化．在试验区的岩溶异常上进行HVSR测试,并利用面波勘探的频散曲线对HVSR谱比曲线进行深度换算,从而代替钻孔信息进行深度换算的方法,来探测地下地质情况．结果表明,利用该方法进行HVSR谱比曲线的深度换算简便有效,能有效的探测出地下岩土分界面和岩溶的分布情况,为后续岩溶区工程勘察提供帮助,减少钻探工程量提高经济效益和时间效率．     

基于MF-J变换的DAS观测高阶面波提取和浅地表结构成像

分布式声波传感(DAS)技术可以将现有城市通信光缆转化为密集宽频带地震观测系统,利用城市通信光缆进行主/被动源面波成像为城市浅地表结构成像和地下空间探测提供了新手段,具有广阔的应用前景.近年来大量研究表明,充分利用高阶面波信息能显著提升面波结构成像效果.为探索DAS记录中的高阶面波提取和利用的可行性,本文推导了适用于DAS系统地震记录提取多模式面波频散曲线的 MF-J变换公式,并成功应用于白家疃光纤实验的主动源观测数据,提取了多模式频散曲线并反演构建了研究区高分辨、高精度的横波速度结构剖面.研究结果表明,MF-J方法能有效地从DAS主动源记录中提取多模态频散曲线,并能去除传统 F-J方法中的交叉假频现象;基于多模式面波频散曲线反演的速度结构分辨率和置信度都明显优于只用基阶模态的反演.本文的研究结果揭示了利用城市通信光缆实现低成本高分辨率地下结构探测的可能性.     

结合混合源面波与三分量频率谐振的浅震勘探在城市地质结构精细划分中的应用

结合了混合源面波与三分量频率谐振的浅震勘探技术,综合了主动源面波探测精度高和被动源面波探测深度大的优点,同时增加了三分量频率谐振拟波阻抗比值这一参数进行综合推断解释,大大提高了探测的分辨率和准确性.采用该浅震勘探技术在成都天府国际生物城开展了浅层地质结构的精细化探测工作,快速获取了工作区60 m以浅地层结构的三维S波速度及三分量频率谐振拟波阻抗比值分布特征,利用波速与波阻抗的差异性,结合大量的工程钻孔资料标定,实现了对地层结构的精细划分,同时也证明了该浅震勘探技术在城市浅层地质结构精细化探测中的有效性.     

用微动中的面波信息探测地壳浅部的速度结构

本文介绍了利用地脉动中的面波信息探测地壳浅部横波速度结构的观测方法、仪器设备、野外数据采集和用空间自相关方法测定相速度及相关的数据处理方法,并给出了在两个场地的探测实例. 通过与钻探结果对比表明,由该方法推测的地壳浅部1～2 km 深度范围的浅层横波速度结构,对于确定物性差异大的地层界面是有效和可靠的. 由于该方法使用的是地脉动噪声中的面波信息,不需要专门的震源, 因此具有经济快捷、应用范围广泛等优点,将可能成为一种新的具有很好应用前景的地球物理勘探方法.     

地震CT技术在复杂岩溶坝基渗漏探测工程中的应用

地震CT获得的结果是地下介质弹性波速度的空间分布,与电磁波CT相比,弹性波速度与介质力学性质的关系要密切得多,更有利于确定异常性质.以云南文山某水电站大坝为例,介绍了地震跨孔CT技术在复杂岩溶坝基渗漏探测工程中的应用及应注意的问题.     

地球物理方法在城市膏盐富集层探测中的应用效果浅析

膏盐层是红层地区城市地下空间利用过程中常见的不良地质体.提前获知基岩内膏盐层的埋深及空间展布规律,对城市地下空间资源的开发利用以及地基承载力、持力层、基础选型等参数的确定具有重要的参考意义.本文采用高密度电法、微动勘探、三分量频率谐振勘探和等值反磁通等方法在成都市天府新区国际生物城开展了膏盐富集层的探测研究,综合对比分析各种方法的探测效果、施工效率及经济成本后,认为在城市膏盐层的调查应用中,等值反磁通瞬变电磁法是一种相对经济、可行、有效的方法;选择该方法对2 km~2的研究区开展了100 m×10 m的扫面测量工作,通过反演计算建立了研究区200 m以浅的三维电性结构,结合钻孔信息成功推断出膏盐层的空间展布形态,证明了该方法对红层地区城市地下空间膏盐层的探测的有效性.     

利用微动勘察方法探测煤矿陷落柱

陷落柱是危害煤矿安全生产的主要因素之一,如何有效探测陷落柱是实现煤矿安全、高效生产的当务之急.本文首次将微动勘察方法应用于煤矿采区勘探,结果表明,该方法对陷落柱异常区反映敏感.在山西潞安漳村煤矿2002工作面测区已知陷落柱上,无论是单点反演获得的S波速度结构,还是微动视S波速度剖面,均能清晰显示陷落柱.微动剖面确定的陷落柱位置与巷道揭露位置一致,边界误差在10 m左右.微动勘察方法是探测陷落柱的一种行之有效的物探方法,由于其分辨率高、无需人工源、野外施工方法灵活便捷、不受施工场地限制等特点,对探测村庄覆盖区之下的煤层构造、圈定陷落柱等,具有得天独厚的技术优势和应用前景.     

地下工程灾害水源的磁共振探测研究

地面磁共振探测(Surface Magnetic Resonance Sounding,SMRS)是近年来发展起来的一种地球物理新方法,这种在地面直接探测地下介质中氢核丰度的技术,不仅可以用于缺水地区的地下水资源勘查与评价,还可以在地下水引起的堤坝渗漏、滑坡、海水入侵等地质灾害水源的探测预警中发挥独特的作用.本文首次提出了地下磁共振探测方法(Underground Magnetic Resonance Sounding,UMRS),将SMRS方法引入到地下工程领域,实现隧道工程和煤矿开采等地下狭窄空间极端环境的探测.为应用UMRS方法,需要深入研究地下水超前探测理论、准全空间处理与反演方法、旋转多匝小线圈探测模式,强电磁干扰环境自适应噪声压制策略、以及复杂地质环境磁共振与瞬变电磁联合探测关键技术等难题.论文还简要介绍了超导磁探测技术和工程盾构及掘进实时探测等新技术在地下工程生产安全探测预警中的应用前景.