賈慧濤，廖圣柱，盛勇，徐子橋

（安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院， 安徽合肥 230022）

0 引言

城市地質(zhì)是應(yīng)對(duì)世界城市化加速發(fā)展的一門新興學(xué)科，主要是研究人類賴以生存的自然環(huán)境，包括地質(zhì)結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、地質(zhì)過(guò)程及其與人類生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)的相互影響。合理地開展城市地質(zhì)調(diào)查工作，能夠有效地查明城市地質(zhì)條件、地質(zhì)問(wèn)題與地質(zhì)資源，引導(dǎo)城市地質(zhì)資源合理利用，規(guī)避城市地質(zhì)安全風(fēng)險(xiǎn)，全面支撐城市規(guī)劃、建設(shè)和管理，開發(fā)城市地下空間，促進(jìn)人地和諧。近些年來(lái)，在黨和中央的大力倡導(dǎo)下，全國(guó)都對(duì)城市地質(zhì)調(diào)查高度重視，各省市都將做好城市地質(zhì)工作作為重要戰(zhàn)略任務(wù)來(lái)抓。但我國(guó)相較于其他發(fā)達(dá)國(guó)家而言，城市地質(zhì)調(diào)查及城市地下空間開發(fā)起步較慢，經(jīng)驗(yàn)不足，需要進(jìn)一步加強(qiáng)方法研究和新方法推廣應(yīng)用。

1 我國(guó)城市地質(zhì)總體情況

1.1 城市地質(zhì)環(huán)境

進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，城市環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題越來(lái)越突出。中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局為了摸清我國(guó)城市環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題狀況，組織開展了大量的地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題調(diào)查，調(diào)查發(fā)現(xiàn)我國(guó)很多城市遭受過(guò)包括滑坡、崩塌、泥石流威脅，巖溶塌陷影響，地面沉降，土壤與地下水污染，活動(dòng)斷裂或地震影響。這些影響隨著城市建設(shè)進(jìn)一步加強(qiáng)，也逐步變得更加頻繁[1]。

1.2 城市地質(zhì)資源

城市地質(zhì)資源是對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)具有重要意義的地下水、地?zé)?、淺層地溫能、礦泉水、地質(zhì)遺跡、天然建筑材料、渣土等資源的統(tǒng)稱。國(guó)內(nèi)針對(duì)地?zé)豳Y源、地下水資源和地質(zhì)遺跡資源開展了調(diào)查工作，發(fā)現(xiàn)地?zé)豳Y源量十分豐富，開發(fā)潛力大。我國(guó)地下水資源南北差異大，一些北方城市地下水資源超采嚴(yán)重，急需加強(qiáng)勘查并加以合理利用。

1.3 城市地下空間

城市地下空間資源量需要考慮城市規(guī)模及發(fā)展需求、城市地質(zhì)條件、適宜開發(fā)利用強(qiáng)度等因素?，F(xiàn)階段，我國(guó)地下空間開發(fā)深度較淺，多數(shù)城市開發(fā)深度在30m以內(nèi)，僅上海局部地區(qū)達(dá)到70m。相比較于日本、加拿大、美國(guó)、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)城市地下空間利用程度有待進(jìn)一步提高。

2 常規(guī)物探方法在城市地質(zhì)調(diào)查中的局限性

常規(guī)的物探方法包括重力勘探、磁法勘探、電法勘探和地震勘探，還有鉆探。由于城市勘察環(huán)境限制和眾多人文環(huán)境噪聲干擾，常規(guī)物探方法受到眾多不利條件限制，制約了它們?cè)诔鞘械刭|(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用。

重力勘探、磁法勘探因?yàn)檐嚵?、人流和?fù)雜城市環(huán)境的影響，無(wú)法發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì)。鉆探法，雖然能夠準(zhǔn)確的得到地下地層巖性、深度等信息，但因工作開展時(shí)，會(huì)造成環(huán)境破壞、產(chǎn)生噪音干擾，且費(fèi)用高昂，因此無(wú)法廣泛應(yīng)用于城市地質(zhì)調(diào)查中。

電法勘探中高密度電阻率法和探地雷達(dá)法已成為城市地下管線探測(cè)和淺層地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)的主要手段之一，但其容易受到測(cè)區(qū)電阻率、人文噪聲水平等因素的干擾，實(shí)際效果也是差強(qiáng)人意。

常規(guī)地震需要借助大能量震源才能確?？碧缴疃饶軌蜻_(dá)到所需要的深度，而往往這類震源很大且笨重，需要專門設(shè)備搬運(yùn)，且會(huì)對(duì)城市環(huán)境造成污染，因而在城市地質(zhì)調(diào)查中難以登場(chǎng)。

3 微動(dòng)勘探的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

微動(dòng)勘探無(wú)需人工場(chǎng)源，屬于被動(dòng)源勘探，即不同于常規(guī)地震勘探需要人工震源，它是利用地球無(wú)時(shí)無(wú)刻都存在的微動(dòng)提取面波信號(hào)的一種勘探手段[2]。微動(dòng)信號(hào)微弱，其振幅在10-4～10-2mm 量級(jí)之間，人類難以感知，只有靈敏的地震計(jì)才可以記錄到。微動(dòng)信號(hào)來(lái)源廣泛，但主要分為兩類：一類是頻率低于1Hz的微動(dòng)，源于各種自然現(xiàn)象，例如大氣洋流、海陸作用及火山地震等，這類微動(dòng)信號(hào)通常也被稱作長(zhǎng)波微動(dòng)；另一類是頻率高于1Hz的微動(dòng)，源于人類活動(dòng)，例如工廠、汽車及日常活動(dòng)等，這類微動(dòng)通常也被稱作常時(shí)微動(dòng)。這些微動(dòng)信號(hào)通過(guò)地下介質(zhì)不斷散射再到達(dá)接收點(diǎn)被記錄，攜帶了大量地下結(jié)構(gòu)信息和震源信息，因此可以利用微動(dòng)信號(hào)提取面波信息，成像地下結(jié)構(gòu)。

圖1 高精度微動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（圖中共11套）Figure 1. High-precision microtremor data acquisition system（11 sets in total）

在勘探時(shí)，微動(dòng)勘探主要通過(guò)將儀器形成特定的臺(tái)陣來(lái)進(jìn)行微動(dòng)信號(hào)收集。臺(tái)陣主要選用三重圓臺(tái)陣、“＋”或直線形。微動(dòng)勘探儀器相比較于常規(guī)地震勘探儀器，小巧輕便的多，單人即可攜帶使用，如安徽省物化探院使用的微動(dòng)儀器（如圖1），輕便小巧，擺放方便，數(shù)據(jù)采集時(shí)間短，只需數(shù)人即可完成數(shù)據(jù)采集工作。

數(shù)據(jù)采集后，便可從微動(dòng)信號(hào)中提取面波（瑞雷波）頻散曲線，通過(guò)對(duì)頻散曲線反演獲得地下介質(zhì)的S波速度結(jié)構(gòu)，以探查地質(zhì)構(gòu)造[3]。安徽省物化探院自主經(jīng)過(guò)多年研究探索，編制開發(fā)了有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的處理軟件，處理高效快捷，能夠在數(shù)據(jù)采集完成的數(shù)小時(shí)內(nèi)完成處理成圖工作，軟件界面如圖2所示。

圖2 MicroSWP微動(dòng)處理軟件主界面Figure 2. Main interface of MicroSWP microtremor processing software

相較于其他常規(guī)地球物理勘探手段，微動(dòng)勘探測(cè)線布置方便靈活、不受城市干擾影響，儀器輕便、數(shù)據(jù)采集效率高、省時(shí)省力，數(shù)據(jù)處理快捷高效，整個(gè)勘探過(guò)程對(duì)環(huán)境友好，無(wú)破壞性和侵入性。微動(dòng)勘探的這些優(yōu)點(diǎn)，決定了它能夠很好地適應(yīng)并完成城市地質(zhì)調(diào)查中的多種勘探工作，如勘查城市排水管道、檢測(cè)工程裂隙、陷落柱、采空區(qū)、巖溶溶洞、尋找斷層破碎帶、地?zé)岬叵滤辈榈萚3]。

4 應(yīng)用實(shí)例

[實(shí)例一] 安慶市月山鎮(zhèn)黃嶺小學(xué)巖溶溶洞勘探

此實(shí)例為安慶月山鎮(zhèn)黃嶺小學(xué)進(jìn)行的巖溶溶洞勘探。該地區(qū)下伏基巖為三疊系下統(tǒng)南陵湖組灰?guī)r，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，均為淺覆蓋巖溶區(qū)，巖溶形態(tài)為溶洞及溶蝕裂隙，以往曾出現(xiàn)坍陷情況，且發(fā)現(xiàn)黃嶺小學(xué)里部分建筑物有不同程度的下沉（圖3）。由于當(dāng)?shù)刈鳂I(yè)環(huán)境和人文環(huán)境限制，決定采用微動(dòng)勘探，勘探成果如圖4所示。

如圖4 所示，6～16 號(hào)點(diǎn)間、29～31 號(hào)點(diǎn)間和36～39號(hào)點(diǎn)均存在低速帶，推斷均存在巖溶發(fā)育，但6～16號(hào)點(diǎn)間巖溶非常發(fā)育，且該地區(qū)正處于學(xué)校內(nèi)，學(xué)校圍墻、食堂墻角均出現(xiàn)很明顯的裂隙，推斷可能與下部巖溶發(fā)育的空洞有關(guān)。

圖3 月山黃嶺小學(xué)沉降照片F(xiàn)igure 3. Photo showing subsidence of the Huangling Primary School, Yueshan

圖4 月山黃嶺小學(xué)微動(dòng)勘探線速度-深部斷面和推斷地質(zhì)斷面Figure 4. Microtremor exploration line velocity-depth section across the Huangling Primary School, Yueshan

圖5 連云港工區(qū)物探剖面布置示意圖Figure 5. Schematic layout of geophysical profiles in the Lianyungang working area

圖6 微動(dòng)勘探與音頻大地電磁勘探結(jié)果對(duì)比Figure 6. Comparison of results of microtremor exploration and audio magnetotelluric exploration

[實(shí)例二] 連云港市海州區(qū)采空區(qū)勘探

連云港市政府決定在海州區(qū)劉志州山建立體育公園。該地區(qū)以前處于錦屏磷礦開采范圍內(nèi)，以往曾發(fā)生地表塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，因此，在公園建設(shè)之前，需要對(duì)該地區(qū)進(jìn)行采空區(qū)調(diào)查。前期，在該地區(qū)已經(jīng)開展過(guò)CSAMT勘探，但為了加強(qiáng)解釋，彌補(bǔ)CSAMT的不足，建設(shè)單位決定，利用新興的微動(dòng)技術(shù)進(jìn)行勘察。其中勘探線9線微動(dòng)勘探和以往CSAMT勘探成果如圖5、圖6所示。

從成果圖對(duì)比來(lái)看，CSAMT結(jié)果相較微動(dòng)，無(wú)論是在精準(zhǔn)度還是細(xì)節(jié)刻畫上均存在一定的差距，在后期鉆探驗(yàn)證時(shí)，鉆孔ZK5 下鉆到180m 處，鉆孔ZK06下鉆到260m 處均發(fā)現(xiàn)了采空處，在微動(dòng)勘探的結(jié)果上，可以很好地找到相應(yīng)的速率異常區(qū)域，而在CSAMT成果圖上，確實(shí)光滑一片，并無(wú)異常。其余各線成果圖也大致相同，表明微動(dòng)在此區(qū)域采空區(qū)勘探效果更好。

[實(shí)例三] 合肥市政務(wù)新區(qū)某供水管道滲漏檢測(cè)

合肥市政務(wù)新區(qū)某道路地下供水管道出現(xiàn)泄漏，泄露地區(qū)在鬧市路邊，路面硬化，下覆地下水管，路周邊有供電線。該環(huán)境嚴(yán)重限制了鉆探、高密度電法、探地雷達(dá)等其他方法手段，為了詳細(xì)弄清泄露范圍、找出泄露部分，有關(guān)部門經(jīng)過(guò)詳細(xì)研究后，決定應(yīng)用微動(dòng)勘探?？碧匠晒鐖D7所示。

結(jié)果如圖7 所示，在1～22 點(diǎn)段，速度較低，在10、15 及19 號(hào)點(diǎn)為局部低速中心，其中19 號(hào)點(diǎn)為前期開挖地段（前期認(rèn)為有漏點(diǎn)），據(jù)成果圖判斷，供水管道泄露區(qū)域應(yīng)在10 號(hào)點(diǎn)至15 號(hào)點(diǎn)之間。后期，有關(guān)部門進(jìn)行工程驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果很好吻合微動(dòng)勘探成果。

圖7 合肥政務(wù)新區(qū)某道路微動(dòng)速度-深度剖面Figure 7. Microtremor velocity-depth profile across a road in the new administrative district of Hefei

圖8 工區(qū)衛(wèi)星影像圖Figure 8. Satellite images of the work area：a. Image of year 2018；b. Image of year 2008

[實(shí)例四] 安慶市迎江區(qū)地質(zhì)調(diào)查

安慶市政府為了更好利用城市土地資源，合理利用城市地下空間，聯(lián)合南京地調(diào)中心開展城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，其中安慶市迎江區(qū)作為調(diào)查區(qū)域之一，需要對(duì)沿河入江的一塊典型區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘查，對(duì)第四系進(jìn)行分層，并探查礫石層界面。因處于市區(qū)內(nèi)，需采用無(wú)損環(huán)境、噪聲污染小的勘探方法，之前南京地調(diào)中心做了一些高密度電法勘探，現(xiàn)增加微動(dòng)勘探加強(qiáng)地質(zhì)解釋。

從圖 8 中可見(jiàn)，剖面上 13～22 號(hào)點(diǎn)在 2008 年屬于水域，在2018年已完成回填，變?yōu)榘典骸?018年衛(wèi)星影像上可見(jiàn)在22～25 號(hào)點(diǎn)處的順安河泵站建有攔水壩。

從圖9 可以分析出，微動(dòng)勘探和高密度電法均能對(duì)第四系分層和礫石層界面進(jìn)行刻畫，且對(duì)巖性的反應(yīng)及層位劃分基本一致，不過(guò)電法剖面深部全部是低阻異常，微動(dòng)剖面在基巖可能存在溶蝕的位置刻畫的更清晰。同時(shí)，兩者在攔水壩人工構(gòu)架的識(shí)別上結(jié)果一致，都表現(xiàn)為高值異常，但是在暗浜的邊界、形態(tài)識(shí)別上，微動(dòng)勘探明顯優(yōu)于電法。

圖9 安慶市迎江區(qū)典型地區(qū)綜合物探推斷圖Figure 9. Comprehensive geophysical inference graph of the typical zone i n the Yingjiang District of Anqing City

5 總結(jié)

本文對(duì)中國(guó)城市地質(zhì)調(diào)查中的總體情況進(jìn)行了概括，對(duì)比分析了多種地球物理勘探方法，提出微動(dòng)勘探在城市地質(zhì)調(diào)查中是具有明顯優(yōu)勢(shì)的一種勘探方法。通過(guò)實(shí)際案例，證實(shí)了微動(dòng)勘探在城市地質(zhì)調(diào)查的各個(gè)方面均有著很好地發(fā)揮，應(yīng)用效果顯著。