综合物探方法在城市地质调查中的应用研究：以湖南省常德市鼎城区隐伏基岩探测为例

贺转利，何 禹

（1. 湖南省水文地质环境地质调查检测所，湖南 长沙 410014；
2. 湖南省地质调查所，湖南 长沙 410114）

自2017年自然资源部发布《关于加强城市地质调查工作的通知》以来[1]，从国家层面的自然资源部和中国地质调查局到省级层面的自然资源厅以及地质行业管理部门部署和开展了一系列城市地质调查相关工作。2017年底自然资源部发布了城市地质调查规范[2]，涉及到的地球物理探测工作主要有以下几个方面：城市基础地质条件探测、城市自然资源调查与评价、城市地质环境调查与评价、城市地质灾害调查等内容。

城市地质调查是城市开发的先行工作，是城市空间有效综合利用规划的基础。自1999年开展国土资源大调查以来[3]，城市地质工作从粗到细，呈现出快速发展趋势，由国土资源部、中国地质调查局牵头先后试点完成了全国主要城市（群）环境地质调查评价，以及与上海、北京、天津、广州、南京、杭州等市政府合作，开展三维城市地质调查，系统建立了城市地下三维结构，建立了三维可视化城市地质信息管理决策平台和面向公众的城市地质信息服务系统。2004—2012年，国土资源部和中国地质调查局统一规划和部署，完成了全国主要城市环境地质调查，初步查明了滑坡崩塌泥石流、地面沉降、水土污染、活动断裂、矿山地质环境问题等各类城市环境地质问题，摸清了地下水、地热、矿泉水、地质景观等地质资源状况。2009年开始，在国土资源部的统一部署下，采用部、省、市多方合作模式，完成了福州、厦门、泉州、苏州、镇江、嘉兴、合肥、石家庄、唐山、秦皇岛、济南等28个城市地质调查工作。2010年以来，为服务国家区域战略和主体功能区划的需求，组织开展了京津冀、长三角、珠三角、海峡西岸、北部湾、长江中游、关中、中原、成渝等重点城市群综合地质调查工作。2008年7月以来，湖南省地质调查院承担了长株潭城市群地质环境综合调查与区划、长株潭城市群水工环地质调查等项目，目前，正在实施的有常德市城市地质环境调查、益阳市城市地质环境调查和岳阳市城市地质调查项目[3]。

随着城市地质调查工作逐渐深入，地球物理探测技术也取得了一定科技成果。吴仪芳等[4]以铜陵市长江路大面积出现的地裂缝及塌陷为例，利用电法、磁法、人工地震等方法进行多方法探测试验，得出采用浅层地震勘探为主的方法是有效探测手段；
陈相府等[5]以广州市城市地质调查为例，指出利用地震横波勘探结合波速测井进行第四纪松散层层序划分及厚度探测是可行的；
李晓斌等[6]对常见的重、磁、电、震、放射性勘探实例进行论证，证实了物探方法在城市地质调查中具有良好的应用前景；
杨歧焱等[7]采用夯源为人工震源的浅层地震勘探方法对日喀则城市活断层进行了评价；
韩术合等[8]利用三维地震、可控源音频大地电磁法和瞬变电磁法对赤峰市煤矿采空区进行了综合探测，效果良好；
陈实等[9-10]利用高密度电阻率法和天然源面波微动勘探法在乌鲁木齐进行了调查应用研究，对后期的城市地下空间资源探测工作具有指导意义；
蒋波等[11]利用可控源音频大地电磁、高密度电阻率、瞬变电磁和地质雷达等方法技术对徐州城市主要断裂带分布位置和古河道等进行了探测；
王亚辉等[12]对大西安西咸新区利用综合物探方法对城市地下空间进行了探测和建模；
周磊等[13]在湖南郴州市某城区进行了利用等值反磁通瞬变电磁法对城镇有限场地条件下物探方法找水试验研究。以上成果都不同程度推动了城市区物探方法应用的进步，本文针对湖南特有的湖湘盆地城市电性的低阻覆盖层下伏基岩结构进行探测试验，以期为城市地质调查工作中的物探应用工作提供经验。

研究区位于洞庭盆地西南缘[14]，地理位置位于常德市鼎城区工业开发区，试验剖面东部为太阳山隆起，西部为武陵隆起，南部为沅江，研究区内水系较为发育，出露地层较为简单。

1.1 地层

根据区域地质资料，本次工作研究区地表出露的地层主要为前第四纪基岩（包括青白口系Qb～古近系E）、第四系下更新统常德组、第四系中更新统马王堆组、第四系全新统（图1）。主要地层情况如下所述。

图1 研究区地质及物探试验剖面位置图Fig. 1 Location map of geological and geophysical test sections in the study area

1）前第四纪基岩（Qb-E）。因常德市区及外围大面积被第四系覆盖，本次研究把元古界、古生界、中生界和新生界的古近系统一为前第四系基岩。其中，青白口系为研究区内出露的最老地层，包括冷家溪群、板溪群，集中分布于研究区北侧常德鼎城区太阳山一带。南华系和震旦系仅分布于太阳山呈带状展布。寒武系为研究区内分布最广泛的地层，分布于研究区北西侧，集中于石板滩镇以东的连台-槐树岗-铁家咀-观狮堰、灌溪镇以西的马头寺-冯家桥-樟树湾、太平-龚家湾-李家-南堰，陬市镇刘家坡一带亦有少量分布。奥陶系分布于研究区内北西角，主要呈北西向带状分布于石板滩镇以西的金鸡山-赵家湾、灌溪镇周家-寨子山-长岭岗水库。白垩系集中于研究区内西侧灌溪镇北西的桫木塘-福家山、吴家湾-宝钲湾一带，局部第四系分布区也有零星露底。古近系集中于研究区北侧常德柳叶湖北北东侧黄家冲-十字湾-肖伍铺一带。

2）第四系下更新统常德组（Qp1cd）。主要分布于丘岗-岗状平原地貌区，呈面状或带状展布，具体分布于河伏-灌溪镇和丁家港-斗姆湖-草坪地区。地层出露标高一般60～120 m，沉积物一般厚10～30 m，最厚可达70 m。岩性主要为砾石层夹少量透镜状砂层、黏土层等。由下往上沉积物粗细变化频繁，内部冲刷充填、侵蚀切割等现象十分普遍，为以辫状河沉积为主的冲洪积扇状体，内部偶夹少量泥石流沉积。

3）第四系中更新统马王堆组（Qp2mw）。在丘陵地貌，岗状平原、波状平原等地区都有分布，出露标高40～150 m，地层厚度横向变化较大，厚度3～20 m，一般在地貌发生截变处厚度变大。岩性主要为棕红色、棕黄色网纹状黏土、含（弱）网纹状含铁锰质黏土，底部常见网纹状砾质黏土。其与下部地层（常德组、白砂井组等）为不整合接触关系，常呈小角度披覆或大角度斜切下部砂砾石层。

4）第四系全新统（Qh）。发育于地势相对较低的现代河流冲沟中，地层分布较为局限，厚度较小，厚2～9 m；
多具河流二元结构，下部为砾石层，上部为粉砂质黏土层。

研究区内深部有奥陶系白水溪组和寒武系探溪组、污泥塘组、牛蹄塘组等地层，主要地层情况如下所述。

1）奥陶系白水溪组（O1bs）。本组岩性简单，以灰黄-浅灰绿色薄-中层状粉砂质泥岩为主，局部夹含粉砂质泥岩、泥岩、条带状泥岩，底部夹泥质灰岩透镜体，中部夹粉砂质页岩。体，中部夹粉砂质页岩。

2）寒武系探溪组（∈3-4t）。以砂屑灰岩、粉屑灰岩、泥晶含泥质灰岩、微晶灰质白云岩、板状页岩等为主要岩性组合，整合于下伏地层污泥塘组之上。

3）寒武系污泥塘组（∈2-3w）。该组以中层状、薄层状条带泥晶泥质灰岩、条带状粉晶灰岩、粉屑灰岩夹钙质泥岩、泥岩和钙质页岩为特征，与下伏牛蹄塘组呈整合接触，在灌溪镇廖家湾偶见星点露头。

4）寒武系牛蹄塘组（∈1-2n）。该组总体为一套深灰色、灰黑色（含）炭质页岩、条带状含炭质页岩、炭质泥岩，薄层-中厚层状含炭质泥岩、含炭质硅质泥岩、含硅质炭质泥岩，夹粉砂质泥岩，局部夹钙质页岩和透镜状、似层状硅质岩。

1.2 地质构造

研究区前第四纪断裂构造主要分布于北西部太阳山-马头山一带，主要生成于印支期、燕山期和古近纪。鉴于前第四纪地层分布在研究区北部，所有前第四纪断裂都分布在研究区北部，其中，北北东向断裂主要分布在太阳山凸起的两侧，具有规模大，构造行迹醒目，多期活动的特征，为不同时期区域应力场或局限应力场作用的产物；
北东东-北东向断裂规模较小，被北北东断裂切割、限制较明显。试验剖面附近的主要以研究区内F3断裂为代表（图1）。河伏-石板滩断裂（F3断裂）为太阳山西侧规模较大的断裂，大体沿渐河延伸于河伏至石板滩一带，研究区内延伸长度18.5 km，走向NE10°～15°，断面向南东倾斜，倾角50°～70°，呈正断裂兼具走滑特征。断裂在地貌上表现为平直的深沟或谷地，两侧地形及地层存在明显差异，断裂东侧为太阳山西麓残坡积物，水系不发育，断裂西侧为丘岗地貌，为早更新世砂砾石层组成的冲积扇体，发育垂直断裂走向的羽状水系。

2.1 地球物理方法技术

本次应用试验研究工作在前期调研的基础上，遵循“由表及里、由浅入深、循序渐进”的工作思路，首先，进行高密度电阻率法浅部探测；
其次，在其基础上进行可控源音频大地电磁法中深部探测；
然后，为了对比试验增加了广域电磁法进行大深度探测；
最后，利用天然场面波微动新方法在拟布设钻探位置从地震波速物性层面进行了多参数探测分析。

2.1.1 高密度电阻率法

众所周知，高密度电阻率法值阵列布设电极的高效率电法探测方法，是传统电法测深的改良，具有较高的野外数据采集效率，目前，在城市地质调查工作中应用最为广泛。本次研究中，为了探测近地表浅层100 m以内的地层结构，点距选取10 m，一个排列共布设60个电极，共计590 m，实行连续滚动方式，采集的参数为视电阻率，因视电阻率是地层信息的整体反应，采用Res2Dinv反演软件对其反演，其中，正演利用有限差分法进行计算，反演利用基于圆滑约束的最小二乘法进行计算，利用重庆奔腾数控技术研究所研制的WGMD-4电阻率数据采集系统。本次研究是以探测地层分层为主要目的，因此，选择纵向分辨率较高的温纳装置[15]。

2.1.2 可控源音频大地电磁法

因探测深度未穿透低阻覆盖层，在高密度电法完成的基础上，在探测剖面基础上完成了可控源音频大地电磁法。可控源音频大地电磁法（以下简称“CSAMT法”）是在大地电磁探测基础上发展而来的一种人工源频率域测深方法，其信号强度较大，探测深度最深可达1.5 km，但其目前处理野外实测数据时一般采用“远区”数据，因此，收发距的布设是方法有效使用的前置条件之一。剖面与高密度电阻率法一致，点距20 m，利用曹创华等[16]以长株潭城市群地质调查项目成果的新认识，把供电源AB布设在测线剖面的西南部陬市镇杨家巷村附近，供电线AB长1.04 km，AB线与测线剖面平行，收发距为9.8 km，观测装置为TM模式，采用仪器是美国Zonge公司研发的GDP32系列多功能电法工作站，发电机发射功率为30 kW，发射电流呈现出高频低电流，低频高电流的特点，电流最大为16 A，最小为3.5 A，采集数据频率为0.125～8192 Hz。数据处理软件Scs2D，具体处理过程有飞点剔除、静态校正、地形改正和反演等步骤，采用以一维Bostick反演结果为初始模型的二维Occam反演方法进行反演。

2.1.3 广域电磁法

广域电磁法由中南大学何继善院士发明，是21世纪初发展起来的电磁探测技术。该方法采用人工场源，从电磁场精确的表达式出发，严格定义了广域电磁法视电阻率参数，改善了非远区的畸变效应，使得测深能在广大的、不局限于“远区”的区域进行，在同等收发距条件下勘探深度更大。该方法继承了可控源音频大地电磁法使用人工场源的优点，以及磁偶源频率测深法（以下简称“MELOS”法）非远区测量的优势；
改良了CSAMT法远区信号微弱的劣势，拓展了观测适用的范围，同时摒弃了MELOS方法的校正办法；
用适合于全域的公式计算视电阻率，保留了计算公式的高次项，大大拓展了人工源电磁法的观测范围，提高了观测速度、精度和野外效率[17]。本次研究利用可控源音频大地电磁法采集数据，而不使用磁道数据，仅利用电场标量和地电场观测参数进行全区电阻率反演，利用频率为0.125～8192 Hz全频。

2.1.4 天然源面波微动

因地球近地表人文活动区域都有一种微弱的连续天然面波信号场源，自从20世纪50年代就有学者利用其探测计算地层的速度结构。目前，主要利用低频信号如由潮汐、海浪、气压变动产生的信号和人文活动产生的机械振动高频信号，根据这些瑞雷面波特性处理反演得到的频散曲线进行推断地下横波速度模型[10]。本次研究利用北京水电物探研究所资助研发的WD-1型智能天然源面波数据采集系统，数据采集利用2 Hz检波器10通道等边三角形内嵌布极方式进行数据采集，最大边长为90 m、采样间距为5 ms、迭代次数为600次。

2.2 研究区地球物理特征

2.2.1 常德市区域地球物理特征

区域1∶50万重力测量资料显示：研究区位于麻阳-常德-湘潭-衡阳弧形重力高的东部和南西边缘，布格重力异常值为（-50～-10）×10-5m/s2。该弧形重力高与相应的中生代红层盆地轮廓基本吻合，相对基底有较大的质量亏损，主要反映了变质结晶基底隆起及莫霍面的抬升。

研究区内航磁背景场为△T正异常，△T异常值在15～40 nT之间变化；
航磁△T异常总体上在北西部和北东部小，从北部往南部，△T异常梯度变化由大变小；
航磁异常等值线由中部向北西方向和北东方向凸出。研究区内航磁异常等值线方向与地层和构造走向线不相协调，反映测区出露的第四纪地层具有低缓磁场或无磁性的特征。

研究区位于常德幔隆区，该幔隆区包括整个洞庭湖地区，常德-安仁转换断裂带将其分为沅江、桃源两个走向完全不同的局部幔隆区。研究区位于两个次级幔隆区之间，常德-安仁转换断裂带从研究区中部呈北西向通过，莫霍面埋深31～32 km，两个幔隆区对应于中生代洞庭盆地。

2.2.2 研究区岩石物理特征

本次试验的四种探测方法涉及到两种参数，即电性参数电阻率和波速。

研究区内的不同地层岩石电阻率统计见表1，其电性特征为：第四系全新统、中更新统马王堆组、下更新统常德组呈相对低阻特征，其均值一般都小于300 Ω·m，若含砾石较多则电阻率相对高一些，而粉砂质黏土成分多一些则呈现较低阻特征；
此地区奥陶系白水溪组粉砂质页岩电阻率均值为1000.3 Ω·m，在此区域埋藏较深，含水量较少呈现出中等电阻率特征；
寒武系探溪组白云质灰岩是本区探测深度范围内电阻率最高的地层，均值为2788.5 Ω·m；
寒武系污泥塘组带泥晶泥质灰岩相对电阻率变低，均值为1757.3 Ω·m，因其含有泥质成分相对探溪组有所降低；
而寒武系牛蹄塘组因含炭质，相比区内寒武系其他地层电阻率急剧降低，均值为798.2 Ω·m；
当隐伏的地层内有断裂构造时，因上部覆盖的第四系具有天然的湖湘盆地地表水渗透通道而呈现局部低阻特征。不同地层的物性具有一定差异，可以通过电阻率参数探测进行研究区内隐伏前第四系基岩的探测，用于圈定构造等地质异常体。

表1 研究区不同地层岩石电阻率特征表Table 1 Resistivity characteristics of different strata in the study area

研究区内的不同地层横波波速范围见表2，场地内出露地层主要为第四系，对于百米以内的地表黏土、砾岩和基底的前第四系基岩具有明显的波速差异，特别是第四系内的含砾石层可以有效区分，说明此区内具有开展天然源面波的前提条件。

表2 研究区不同地层岩石横波速度范围Table 2 S-wave velocity range of different strata in the study area

3.1 成果解释

对设计完成的G4剖面高密度电法的原始数据按照Res2Dinv软件的输入格式要求，拼接整理成一个独立的数据文件（图2）。利用基于圆滑约束的最小二乘法进行反演，经过地形校正得到图2（a）中的结果。整个剖面在海拔-50 m以上电阻率值都较低，一般小于2000 Ω·m，结合地表地质填图调查结果，推断大部分为第四系，且低阻特征比较连续，综合表1结果，推断在测点1920前和测点2450后的近地表均为中更新统马王堆组网状黏土，其下伏地层为第四系全新统砾石层。

图2 研究区G4试验剖面探测结果集地质解释Fig. 2 Geological interpretation of G4 test profile in the study area

图2（b）为可控源音频大地电磁法数据处理结果，整体上地层分层较为明显，可分为3层，第一层为海拔-100 m以上的低阻层，电阻率一般小于2000 Ω·m；
第二层为海拔-550 m以上的中阻层，但呈现类似断陷盆地的两个凹陷，第一个位于测点1650～测点2120之间，另一个位于测点2320～测点2920之间，第一个凹陷电阻率无明显的带状分布特征且电阻率梯级带变化较缓，推断其由地层引起，第二个凹陷有一个朝向东东南的低阻带延伸且梯级带变化明显，推断是深部基岩内存在构造，因浅部发育的水系渗漏而形成低阻，深部-650～-950 m海拔之间呈现出高阻特征，推断为寒武系灰岩、白云质灰岩等地层。但值得注意的是可控源音频大地电磁法反演剖面存在若干个“公牛眼”形态的闭合小异常，且分布毫无规律，例如，测点2520～测点2620海拔-200 m处、测点2820～测点2920海拔-150 m处等位置，侧面证实了可控源音频大地电磁法在城区严重受磁场干扰而引起电磁场信号跳变，给解释带来了不便。

为了加强对试验剖面的地质认识，利用GDP32采集的电场数据，由中南大学刘春明老师处理完成得到广域电磁法数据处理结果，如图2（c）所示。由图2（c）可知，成图数据较为圆滑稳定，分层较为明显；
结合上述两种方法对剖面进行了综合解释，如图2（d）所示。由图2（d）可知，浅部-100 m以上为第四系，仅在大号测点3220～测点3720之间存在一个高阻，经实地调查可知，因在工业开发区路边的人文活动密集区采集，可能浅部受到了工业游散电流的干扰；
覆盖于第四系下的白垩系地层呈现出相对中等电阻率特征，电阻率在600 Ω·m左右，中间部位相对缺失，推断在测点2120前和测点2720后存在白垩系地层；
中间测点2120～测点2520之间被剖面的高阻体拱起，推断为寒武系地层，其顶部与第四系呈不整合接触；
在深部的寒武系地层中结合区域地质调查研究结果，推断在测点2520的深部存在一个宽约80 m向东南倾的断层破碎带，其中，寒武系探溪组白云质灰岩和污泥塘组带泥晶泥质灰岩被构造运动改造；
在断裂深部的东南部存在寒武系牛蹄塘组含炭质地层，产状倾向西北，倾角约为30°。

电阻率类探测方法对识别大的地质构造、地层分布具有良好的分辨率，但对于第四系内进行更加细化的分层则效果不佳，这一点在以湖湘盆地的典型水系发育的南方洞庭盆地常德地区显得更为突出。为了更好地为基岩探测提供多参数信息，本次试验在拟选的sk09验证钻孔（测点2120）附近、sk10验证钻孔（测点3700）附近分别完成了天然面波微动探测，验证钻孔探测结果分别如图3和图4所示。

图3 sk09天然源面波微动探测频散波速反演岩性分层结果Fig. 3 Lithographic layering results of sk09 natural source surface wave fretting detection of dispersive wave velocity

图4 sk10天然源面波微动探测频散波速反演岩性分层结果Fig. 4 Lithographic layering results of sk10 natural source surface wave fretting detection of dispersive wave velocity

在反演后的面波频散曲线中，利用曲线拐点、曲线的切线突变点、波速变化等信息进行分层，结合表2波速差异信息，综合地质认识sk09可分为5层，sk10可分为8层。其中，sk09推断第一层为在钻孔地下18 m以上，波速在159～446 m/s之间，为粉质黏土和粉砂；
第二层在地表下40～18 m之间，波速在547～581 m/s之间，为土夹卵砾石层；
第三层在地表下75～40 m之间，波速在575～740 m/s之间，为一卵石层；
第四层在地表下145～75 m之间，波速在825～930 m/s之间，为页岩层；
第五层在地表下145 m以下，波速在992～1400 m/s之间，为灰岩层。sk10推断第一层在地表下10 m以上，波速为306 m/s，为粉质黏土层；
第二层在地表下70～10 m，波速为504 m/s，为土夹卵砾石层；
第三层在地表下110～70 m，波速为1093 m/s，为粉砂质泥岩层；
第四层在地表下180～110 m，波速为1400 m/s，为粉砂岩；
第五层在地表下210～180 m，波速为1303 m/s，为泥质粉砂岩；
第六层在地表下270～210 m，波速为1473 m/s，为粉砂岩；
第七层在地表下310～270 m，波速为1510 m/s，为泥岩；
第八层在地表下320～310 m，波速为1653 m/s，为灰岩。

3.2 钻探验证

依据综合探测解释结果，对图1和图2中的sk09和sk10分别进行钻探验证，其中，sk09终孔深度为202.18 m（图5），sk10终孔深度为302.80 m（图6）。sk09地表下89.50 m以上为第四系，其中，3.70 m以上为耕植土，3.70～18.30 m为粉质黏土，18.30～89.50 m为砂卵石层；
89.50～147.80 m为奥陶系白水溪组粉砂质页岩；
147.80～202.18 m为寒武系探溪组白云质灰岩。sk10地表下9.70 m为中更新统马王堆组网状黏土，地表下9.70～71.52 m为第四系全新统砾石层；
地表下71.52～275.74 m为白垩系红层；
275.74 m以下为寒武系污泥塘组晶泥质灰岩。上述钻探结果与微动探测结果对应较好，特别是呈现低阻特征的第四系和白垩系红层的内部分层较为准确。

图5 sk9钻探岩芯编录结果Fig. 5 Cataloging results of sk9 drilling core

图6 sk10钻探岩芯编录结果Fig. 6 Cataloging results of sk10 drilling core

1）高密度电阻率法在湖湘盆地地区利用常规10 m电极距的电缆布极，在常德市区地层结构条件下难以穿透地阻层；
可控源音频大地电磁法探测深度较大，但其视电阻率计算时必须考虑磁场信息，在强干扰环境下会对反演结果造成误差放大，会对深部地层结构信息的判断带来一定的干扰；
广域电磁法具有信号强，利用单个分量进行处理，从根本上降低了信号的干扰，最大限度地提高了信噪比，且可利用处理反演的频带较宽，探测深度较大；
天然面波微动有效地提高了低阻覆盖区近地表探测的分辨率，可对第四系和白垩系红层进行分层反演，探测效果明显。

2）在城市地质调查工作中需结合多种方法优势，利用多参数方法进行综合评价，遵循由宏观到微观，由表及里，仔细分析判别各种异常产生的原因，综合地质调查研究结果进行物探资料解释，是提高城市地球物理勘探效果应遵循的基本思路。

致谢：本次试验研究工作历时近两年，湖南省地质调查院物化遥地质分院和水工环分院（现湖南省地质调查所物化遥地质技术中心和水工环地质研究中心）众多同事参与了野外工作；
天然源面波技术工作得到了北京水电物探研究所范宏强工程师的耐心指导和帮助，在此一致向他们表示衷心的感谢！范宏强工程师的耐心指导和帮助，在此一致向他们表示衷心的感谢！

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