【类型】期刊

【作者】朱首峰，盛君（江苏省地质调查研究院）

【作者单位】江苏省地质调查研究院

【刊名】江苏科技信息

【关键词】 第四系；重力；电法；地震勘探

【资助项】中国地质调查局项目，项目名称江苏1∶5万港口、泰县、张甸公社、泰兴县、生祠堂镇幅平原区填图试点项目，项目编号12120114042901

【ISSN号】1004-7530

【页码】P70-75

【年份】2019

【期号】第3期

【摘要】第四系松散地层成因复杂,岩性多变,各岩性层之间物性参数差异不大。文章以第四系研究为主,并涉及与第四系相关的基岩浅部的岩溶、断层及基岩埋深等地质问题。针对不同的地质问题,采用的物探方法也有所不同,文章对不同物探方法适用的地质问题进行了详细的研究,并且对多种物探方法的组合应用也给出了很多例子。往往运用多种物探方法才能相互验证,减少局限性或多解性。

【全文】 文献传递



第四系覆盖区地质调查中的物探方法研究

朱首峰，盛君
（江苏省地质调查研究院，江苏南京210049）

摘要：第四系松散地层成因复杂，岩性多变，各岩性层之间物性参数差异不大。文章以第四系研究为主，并涉及与第四系相关的基岩浅部的岩溶、断层及基岩埋深等地质问题。针对不同的地质问题，采用的物探方法也有所不同，文章对不同物探方法适用的地质问题进行了详细的研究，并且对多种物探方法的组合应用也给出了很多例子。往往运用多种物探方法才能相互验证，减少局限性或多解性。

关键词：第四系；重力；电法；地震勘探

0　引言

进行第四系松散层区域调查，遇到的地质问题有：地层结构划分、地下水分布、隐伏构造等。最主要的还是地层结构的划分，也就是第四系分层。由于第四系以松散地层为主，岩性多变，空间延续性差，透镜体、地层尖灭现象发育，尤其是各岩性层之间物性参数虽有一定差异但不大且相互重叠，因此第四系分层困难较大，往往只能确定第四系厚度，或者是查明与第四系相关的地下水、断裂构造等问题，本文以研究解决第四系分层的物探方法为主，同时研究解决岩溶、断层及基岩埋深等地质问题的物探方法。

针对上述问题，目前常用物探方法基本上涵盖了基于地层密度、弹性、电性、电磁性等差异的多种物探手段，如高精度重力、电测深法、地震波法、高密度电法、探地雷达等。这些方法各有其适用范围，在工作中要根据任务要求、地质特点等运用多种物探方法进行勘探，相互验证，消除任何单一物探方法因其方法本身的局限性或多解性等引起的误差，以便于更加客观、真实地反映测区地质情况。

1　高精度重力

高精度重力调查的物性条件是有一定规模的密度差异。由于第四系大部分为松散的堆积物，因此在密度上与基底的岩石有较明显的密度差，并且若在第四系内存在塌陷或土洞、溶洞等空洞，而且形成一定的规模，那么在高精度重力调查中会有一定的异常出现。因此其多用于岩溶塌陷地区、基底起伏明显（盆地或隆起）地区，可解决基底埋深等问题，在第四系分层方面基本不起作用。

在第四系覆盖区中确定岩溶塌陷的调查方面，如在某岩溶塌陷发育的第四系覆盖区，由于岩溶内填充物与周围第四系与围岩有较明显的密度差异，可采用高精度重力进行测量（李刚等，2002）。通过测量得出，溶洞是明显的质量亏损部位，在高精度重力异常剖面上溶洞的标志表现为相对负重力异常，并且进行了重力异常反演模拟，结合高密度电法，最后得出结论：地下存在着岩溶洞穴，第四系覆盖层厚17～25m。

2　电法

从勘探手段上看，电法是最常用的方法之一。根据不同的电性（或电磁性）特征，又可具体分为几种方法：电阻率测深法、大地电磁测深法、瞬变电磁法、高密度电法。

电法测量的物性前提是不同的岩石之间的导电性、导磁性、激发极化效应等电磁参数有一定的差异。而电性参数主要受到岩石的成分、孔隙度、含水性、矿化度等因素影响，而且不同地区的相同岩性由于成岩时的温度、压力等影响也会有差异。因此在进行电法测量前要对调查区的电性参数进行研究。

2.1　电阻率测深法

电阻率测深是电阻率法的一种，其物性前提就是不同岩石间的电阻率差异。利用电法相关软件计算得到视电阻率ρs绘制等值断面图，并进行定性解释，可以划分地层，探测隐伏构造。该方法在水平方向上分辨率较高，在垂直方向上分辨率较差。因此该方法在第四系分层上有一定的局限性。

在划分第四系内咸、淡水层的调查方面，如电阻率测深法在阿拉尔盆地划分咸、淡水层时取得了好的成果（龙作元，2006）。阿拉尔盆地第四系堆积物发育良好，厚度可达400～600m。制约该区第四系介质电阻率变化的主导因素是地下水矿化度的高低，其次是松散物粒径及级配。同一岩性介质因含水不同，其电阻率值差异达3倍以上，且水质矿化度越高，差异越大。淡水层视电阻率大于25Ω·m，咸水层视电阻率小于20Ω·m，高矿化度咸水视电阻率小于5Ω·m。利用电阻率测深法能较准确地划分垂直及水平方向的咸、淡水层界线（见图1），并且根据电阻率值，能较好地判断含水层水质矿化度的高、低情况，但是对形成咸、淡水层界线的隔水层介质无明显电性特征反映，故难以解释划分出隔水层厚度，这可能是该方法在垂向的电性分辨能力较弱所致。

在判别第四系底部埋深及断裂构造调查方面，如某测区位于鲁中南山区与黄河冲洪积平原区交界地带（王慧芳，2005），测区内第四系覆盖层视电阻率最小，约为10～30Ω·m，基岩中灰岩视电阻率最大，约为400～600Ω·m，基岩中页岩视电阻率居中，约为70～120Ω·m。电阻率测深法结果表明：基岩埋深约15～85m，起伏变化较大，并且点号280处为一低阻异常，推断为断层，断层两侧基岩岩性不同（灰岩和页岩），具体如图2所示。

在探测河床深厚覆盖层方面，如某水电工程坝址位于新疆南部地区，河谷狭窄且陡，切深达百米，河床覆盖层埋深一般几十米或近百米，在复杂的地形条件下或覆盖层深度变化较大的情况下，采用综合物探方法进行第四系覆盖层厚度勘查（冯彦东，2009）。该测区第四系浅部为含漂石砂卵砾石，视电阻率1000～3000Ω·m，第四系中部为含砂较多的砾石层，视电阻率200～400Ω·m，基岩为灰岩，视电阻率500～800Ω·m。该测区电测深法探测深度较大，要求的工作场地相对也较大，并且电测深曲线易受地形或目的层界面起伏的影响，目的层埋深较大时定性解释效果较好，定量解释准确程度较差。因此，文中结合浅震资料进行了综合解释。电测深曲线（见图3）定量解释覆盖层埋深最大为85m。浅震资料解释覆盖层厚度80～87m，2种方法解释结果较吻合。

2.2　大地电磁测深法

大地电磁测深法是使用人工电磁场与天然电磁场相结合的方式测量大地电阻率，得到深度—电阻率等值图，并以此作为地质、物探综合解释的成果。其物性前提是导电性和导磁性差异，有效勘探深度2～1500m，通常在1000m左右，具有较高的分辨率，为探测某些小的地质体和区分电阻率差异不大的地质体提供了可能。

在调查第四系覆盖层的厚度、基岩顶部埋深、断裂构造等方面，如某研究地处北京东部的顺义二十里长山—平谷盆地（肖骑彬，2006）。地貌为平原区，地表河流发育，有潮白河、泃河和错河，地表水和第四系地下水丰富，在第四系覆盖层之下隐伏有震旦系，盆地区第四系覆盖层之下的地层以蓟县系为主。该区域内，第四系视电阻率小于100Ω·m，局部含水电阻率更低，基岩电阻率普遍大于100Ω·m。进行大地电磁测量，通过反演获得的电性结构模型（见图4），揭示了该区第四系覆盖层的厚度、基岩顶部电性分布特征、断裂构造以及含水岩溶发育情况。结果表明，测区第四系覆盖层普遍富水，二十里长山断裂两侧为2个差异明显的水文地质单元，断裂构造控制了基岩中含水岩溶的发育，在平谷盆地，含水岩溶明显受断裂构造控制。

2.3　瞬变电磁法

瞬变电磁法是用不接地回线或接地导线通以脉冲电流作为场源，向地下发射一次场，在一次场间歇期间观测二次磁场随时间变化及相关剖面曲线的特征，从而判断地下不均匀体的赋存位置、形态和电性特征。与其他方法相比，它具有低阻地质体反应灵敏、纵横向分辨率高、勘探深度大等优势。

在探测第四系底部砂层和黏土层的分布方面，如在山东某煤矿探测第四系底部砂层（富水层）和黏土层（隔水层）的分布规律，由此提高开采上限等（郭峰伟，2011）。通过钻孔资料得知该区域砂层和黏土层电性差异明显，黏土层电阻率一般在10Ω·m，砂层电阻率一般在30Ω·m。本例采用了V8电磁仪，选择合适的线框大小和频率进行勘探，结合软件处理，最终较准确地划分了砂层、黏土层的分布范围（见图5）。

2.4　高密度电法

高密度电法由常规电法发展而来，也是以岩石的导电性差异为基础，研究人工建立的地下稳定电场的分布规律来解决地质问题。高密度电法兼具剖面法和测深的功能，具有点距小、数据采集密度大的特点，能较为直观、形象地反映电性异常体的形态、产状等。

高密度电法多应用于地下水源勘查、岩溶探测、岩溶地下水分布等地质问题。一系列文章中，均采用高密度电法进行地下水、岩溶等地质调查，均取得了不错的效果（张永海，2008、邵长庆，2011、吴会敏，2011、刘光芝，2011、李艳，2011、蓝星，2012、鲍世才，2013等）。从文献中看，高密度电法的有效勘探深度在10~120m左右。

3　浅层地震

地震勘探的物性前提是各种岩石或介质具有不同的弹性特征，研究地震波在地层中的传播特点，进而查明地下地质情况。地震勘探应用领域广泛，与其他物探方法相比，具有精度高、分层详细和探测深度大等优点。

浅层地震勘探技术在第四系松散地层进行勘探具体方法可分为：反射波法、折射波法、瑞雷波法。一般来说，勘查深度在0～20m范围内可选择面波勘探。勘查深度在20～60m以内时应选择浅层横波反射波或浅层折射波勘探。对于100m以内的勘探深度，横波勘探比纵波勘探更有优势，分层能力更强。当勘查深度大于100m时，应选择纵波反射勘查。

3.1　反射波法

纵波反射波法由于勘探深度较大，在浅层地震勘查中主要用于勘查基岩埋深、起伏及构造破碎带等，但其分辨率不是很高。横波反射波法比纵波反射法具有更高的垂向分辨率，因此其在浅部地层的勘查中得到了广泛的应用，尤其是对松散沉积的分层能力远高于纵波反射波法，但其勘探深度较浅。

通常在进行第四系松散层的勘探时，往往纵波反射波和横波反射波联合勘探，或者纵波反射波和高密度电法联合勘探，或者纵波反射波和横波反射波加上高密度电法联合勘探，这样相互验证，可提高准确率。

在第四系松散层划分地层方面，王彪（2012）应用反射波法为主，折射波、面波法为辅的综合地震勘探方法。布置地震反射剖面目的主要是为了划分岩性分层，了解地下地质构造形态。大折射剖面主要目的是进行岩性分层，提供地层速度资料，了解地下潜水面埋深，与反射资料对比，相互验证。小折射剖面目的是调查工区内低降速带的厚度、速度变化分布情况，并为资料处理提供静校正依据。结果表明，地震方法解释的第四系厚度为240m，钻孔勘探揭露的第四系厚度为241.37m，很好地验证了地震勘探结果（见图6）。

3.2　折射波法

折射波法是一种简便、经济的勘探方法，在精度要求不高的情况下，可为地质勘探提供浅部地层起伏变化和速度横向变化资料及潜水面的变化资料，还可为反射波法勘探提供用于静校正的表层速度和低速带起伏变化资料。缺点在于折射波法要求下覆层速度大于上覆层速度，否则为勘探中的盲区，因此往往勘探深度很浅，基本上多作为反射波勘探的辅助手段。

王彪（2012）在第四系松散层划分地层时，采用的就是以反射波为主，折射波、面波为辅的勘探手段，大折射剖面主要目的是进行岩性分层，提供地层速度资料，了解地下潜水面埋深，与反射资料对比，相互验证。小折射剖面目的是调查工区内低降速带的厚度、速度变化分布情况，并为资料处理提供静校正依据。

3.3　瑞雷波法

瑞雷波法探测的物理前提是瑞雷波在非均匀介质或层状介质中传播时存在频散特性，同一频率的瑞雷波速度在水平方向上的变化反映出地质条件的横向不均匀性，不同频率的瑞雷波速度变化则反映地层在垂向的变化。相对于体波而言，瑞雷波具有更强的能量和更低的频率并且随传播的距离加大其能量衰减较慢，易于分辨，且不受地下地层速度大小排序的限制，但勘探深度较浅。瑞雷波可应用于探查覆盖层厚度，划分松散地层沉积层序，探查基岩埋深和基岩界面起伏形态，划分基岩的风化带，探测构造破碎带等。可应用单一瑞雷波法进行较浅的第四系勘探，但多数情况是综合反射波法、折射波法进行联合勘探。

常伟（2003）在坝址地基勘探中，应用瑞雷面波勘测成果较直观地反映了覆盖层在三度空间上分布不均匀的特性和不同物质组成的洪积物的面波速度特性，并显示出它们的对应关系，由此来判断较松散堆积体的分布位置。

彭发芽（2004）、王彪（2012）均采用反射波、折射波、瑞雷波相结合的综合地震勘探方法，这样可以相互验证，相互补充，以达到最佳的勘探效果。

4　其他物探方法及国外研究现状

4.1　地质雷达

地质雷达是一种用于解决浅层工程地质问题的高新物探技术。由于其采用了高频、宽频带、短脉冲和高速采样技术，因而其探测的分辨率被公认为高于其他地球物理勘测手段。与此同时，因高频电磁波的衰减吸收快，使其探测深度较浅，但结合其他物探方法综合分析能够满足第四系地质勘查的要求，尤其是在对浅部地层作精细划分时，往往在工程选址等方面应用较为广泛。

王清玉（2000）应用地质雷达在管道探测、第四系分层、坝体“散浸”勘察以及堤防质量探测等方面具有较强的勘察功效。王慧芳（2005）在勘探过程中结合地震、高密度电法、地质雷达等多种手段进行综合勘探，也同样取得了很好的效果。

4.2　国外研究现状

国外在第四系地质调查方面，也做了很多物探工作，同样也是运用重力、电法、地震、地质雷达等手段。

Pugin, A.J.M.等人综合分析了测井、电法电磁法、重力、地质雷达、地震折射波、地震横波反射、地震纵波反射的横向分辨率、垂向分辨率，以及各种方法的优缺点。

Eirik Mauring等人早在1995年就应用高分辨率地震反射波法进行第四系分层的填图工作。

Koichi Suzuki等人在2002年进行了电法及电磁法应用于第四系厚覆盖层下隐伏断层的研究。

Xavier M. Pellicer等人在2011年、2012年相继应用电阻率法和探地雷达研究第四系沉积物的内部结构特征，以及用时间延时电阻率成像法分析第四系沉积物。

Robert P. Lyons等人在2011年结合钻探和地震反射波数据划分晚第四系地层。

5　结语

从收集到的国内外文献来看，针对研究第四系不同的地质任务，所采用的物探手段也不同。总的来说，运用电法、电磁法以及地震反射波法较多，地质雷达、重力方法运用较少。勘探深度以及分辨率也随着使用的方法以及每种方法所采用的参数不同而不同，由于不同方法有不同的局限性，同时运用多种物探方法技术可在一定程度上提高解释结果的可信度。

在岩溶塌陷、土洞位置判别等地质调查中，可应用高精度重力、高密度电法相结合的方法进行调查；在判别咸淡水、含水层等地质调查中，可应用电阻率测深、瞬变电磁法的方法进行调查；在确定第四系埋深、断裂构造等地质调查中，可应用电阻率测深、高密度电法、浅震相结合进行判别；在研究河床、厚第四系覆盖层厚度时，可应用大地电磁测深方法；在第四系内部进行分层、结构调查时，浅震和高密度电法相结合是比较有效的方法。总之，针对不同的地质调查目的以及不同的探测深度，所选择的方法也有所不用，要针对当地的地质、物性条件合理地选择不同的方法。

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（责任编辑　胡峰）

Research on Geophysical Prospecting Methods Used in Geological Survey of the Quaternary Coverage Area

Zhu Shoufeng, Sheng Jun
（Geological Survey of Jiangsu Province, Nanjing 210049, China）

Abstract: Causes and lithology of Quaternary system loose strata are complex and varied. The difference between physical parameters of each layer is not obvious. This article mainly researches the quaternary, and involves geologic issues including shallow karst of bedrock, faults and buried depth of bedrock. For different geological issues are matched with different geophysical prospecting methods. The paper detailedly ananlyzes different geophysical methods applied to different geological problems. The author also gives many examples about the combined application of various geophysical methods. The paper points out that using a variety of geophysical methods to verify each other can reduce the limitations.

Key words: quaternary; gravity exploration; electrical exploration; seismic exploration

作者简介：朱首峰（1982-），男，浙江鄞县，硕士；研究方向：物探方法。

基金项目：中国地质调查局项目；项目名称：江苏1∶5万港口、泰县、张甸公社、泰兴县、生祠堂镇幅平原区填图试点项目；项目编号：12120114042901。