图1 二维高密度电阻率法温纳α布极方式

数据处理采用Res2dinv软件，按照数据编辑一地形校正一初始设置一正演设置一反演设置一反演结果输岀一Surfer成图的处理流程进行。

通过对测区0-200m深度反演的电阻率值进行三维建模，得到水平向为主、任意向为辅的电阻率深度切片(如图2)，认为：在-65m以上深度，电阻率值范围为5〜70Q・m，高值较多。推测有大层段含水的细、中砂，即存在多个连续互通的大型“砂层透镜体”；而-65m以下深度，电阻率值范围为10〜50Q・m，高值减少，推测粘土、亚粘土、亚砂土与粉细砂、粉砂等频繁交互沉积，形成不等厚互层。

图2 电阻率深度切片图

图3 雷达图像

陈思静等(2021)介绍了当前地下管线探测的主流地球物理方法，认为电磁感应法探测金属管线优势较明显，能保证小口径电力、通讯电缆较高探测精度，而探测非金属管线首 选探地雷达法，两种方法互为补充，但抗干扰能力和仪器探测精度仍有待进一步提高。李博等(2022)提岀基于哈希算法的地下管线探地雷达图像智能识别新方法，充分发挥哈希算法简易快捷的优势，并结合约束矢量的K均值聚类分析，实现了探地雷达剖面中管线的快速识别；并提岀一种基于亮度函数的管线材质判别方法，解决难以从探地雷达剖面区分管线材质的难题。

郭士礼等(2019)探讨了探地雷达法采集参数设置及数据质量评判方法，对比研究了正常道路、典型干扰源和典型道路隐性病害的探地雷达波组特征，认为空中电缆线的绕射波双曲线曲率小、两翼缓而长，而地下管线绕射波双曲线曲率大、两翼陡而短(图4)，从而圈定其位置及埋深等，为采取修复措施、消除塌陷隐患提供了指导依据。

图4 空中电缆线和地下管线探地雷达波组特征

探地雷达法具有精度高、效率快、连续无损、实时成像等优点，目前在城市地下空间探测中多用于地下管线探测、地下不良地质体探测、考古及地下水探测等，其主要问题是受城市复杂电磁波干扰及探测深度较浅等。

2.3 面波勘探法

按激发方式面波勘探包括主动源面波勘探和被动源面波勘探法。

2.3.1 主动源面波勘探

主动源面波勘探通常使用直线阵列，可分为稳态法和瞬态法。稳态法面波勘探通过不断移动检波器来接收由震源激发的单频正弦波。而瞬态法面波勘探，通常利用多道面波分析技术，由瞬态震源激发较宽频带脉冲，不同频率面波以脉冲形式在地下传播，通过测线上按固定道间距均匀布设的检波器接收，在频域分析面波数据，通过对频散曲线反演，得到近地表各频率面波相速度，从而获取横波速度模型，常用方法包括表面波谱分析法和多道瞬态分析法。

多道面波分析方法自上世纪末提岀以来，国内外学者进行了大量研究，近年来广泛用于工程勘查领域。李远林(2020)联合主、被动源面波对渭河盆地进行了地层分层调查研究，提高了成像精度。宋政宏等(2020)采用分布式光纤传感器进行主动源面波勘查试验，利用多道面波分析技术提取频散曲线，获取浅层速度，为面波勘探提供了新的数据采集仪器设备。陈淼等(2022)利用多道面波分析方法开展趵突泉边界地质结构探测，综合初至波层析与面波频散分析方法，建立了纵波速度、横波速度和纵横波速度比值模型，获得了浅层0-80m地层结构特征，推测了泉水边界径流通道方向，为济南轨道交通建设和地下空间资源开发利用提供了新的技术支撑。

2.3.2 被动源面波勘探(微动探测)

智能微动勘探技术无须人工震源，具有无损、高效、便捷、安全、经济、环保、勘探深度大等特点，在城市地下空间探测具有明显优势及良好应用前景。

目前微动台阵技术以平稳随机过程理论为依据，通过特定观测系统获取天然垂直向下的微动信号，从中提取面波频散曲线，对频散曲线进行属性反演。微动台阵技术因其采取采集长周期微震信号后再从平稳信号中提取频散曲线的策略，天然具有抗干扰能力，这点适宜于复杂城市环境勘探。但是，由于微动信号中高频能量较弱，因此对浅部地层结构的分辨能力较差；由于该方法通常是基于不规则方向多个观测点间信号计算的平均频散谱，导致频散谱收敛性欠缺或整体速度偏大，所获取的频散曲线速度值与真实面波速度差距较大，并且所用装置布置空间越大误差越大，最终导致探测精度降低。图5为微动台阵法不同观测系统类型，其中直线型和内嵌三角型最为常用。

图5 微动台阵法不同观测系统类型

微动测深方法主要包括原始数据采集、相速度频散曲线提取和横波速度反演三个部分。空间自相关法(SPAC)法通常快捷有效，被动源勘探中SPAC方法和背景噪声互相关方法(NCF)物理本质上是一致的，一个在频率域中的描述，一个在时间域的描述，SPAC方法得到的是排列下方整个区域的平均频散曲线，而由NCF通过互相关函数得到的频散曲线是任意两个台站之间路径上的平均效应。

SPAC方法要求比较规则的圆形阵列采集，在城市采集条件受限，难以采用规则圆形阵列时，可采用扩展空间自相关法(ESPAC)。李巧灵等(2019)在北京通州布设45个微动测深点，采用扩展空间自相关法(ESPAC)从垂向分量中提取Rayleigh波频散曲线，利用遗传算法获得S波速度结构，有效探测新生界覆盖层厚度，为地质灾害防控和地热资源利用提供了科学依据。

李洪丽(2020)通过短周期地震仪连续记录15小时地震背景噪声数据(三重圆形采集台阵如图6所示)，采用微动空间自相关法(SPAC)，对50m、100m和200m台阵孔径大小对应频散低频部分相速度进行了测试，通过拟合提取岀观测点瑞雷面波频散曲线(图7)，并利用面波层析法反演得到该区域S波速度结构剖面。通过剖面上两个低速异常带划分富含水区(图8)，为地热探测研究提供了参考。

图6 微动单点观测系统（三重圆形台阵）示意图

图7 瑞雷波相速度频散曲线

图8 研究区地壳浅层二维S波速度剖面

许多古建筑由于地基发生形变存在倾斜、坍塌等严重安全问题，需探测古建筑地基，进行安全性评价。刘旭等(2022)利用背景噪声成像方法对河南省登封观星台地基情况进行超 高密度无损探测，在观星台周围布设6条测线采集24h数据进行互相关计算，叠加结果显示观星台地基成层性良好，无低速异常，与探槽情况吻合，推测地基结构坚实稳固。

城市地面沉降极易导致地面裂缝甚至塌陷，引发安全事故。徐浩等(2021)以合肥市谢岗小学为研究场地，尝试利用微动方法探究地面沉降原因，将采集的微动数据利用F-K法进行频散曲线提取，反演得到地下横波速度结构，结合地质钻探进行验证，探测地下不密实土体的位置、规模等信息，成功排除了沉降区二次事故的发生。

随着城市发展，地表河浜因碎石、黏土及垃圾等填埋而形成暗浜，属不良工程地质现象，需消除地质隐患。翟法智等(2017)针对宁波轨道交通暗浜勘查问题，分别研究了微动剖面探测法、瞬态瑞雷波法及高密度电法三种物探方法探测暗浜的有效性，三种方法推测的暗浜位置及埋深较一致。图9为1线微动探测视S波速度剖面及推测范围，图10标示2线瞬态瑞雷波视速度图及解释区域。

图9 1线微动探测视S波速度剖面

图10 2线瞬态瑞雷波视速度图及解释

李华等(2020a)将混合源面波与三分量频率谐振的浅震勘探技术用于成都生物城浅层地质结构探测，该方法兼具主动源面波探测精度高和被动源面波探测深度大的优点，获取了60m以浅地层结构的三维S波速度特征，提高了探测的分辨率和准确性，实现了对地层结构的精细划分。姜文龙等(2020)分析了城市复杂环境干扰的振动噪声特征，利用汽车振动噪声进行面波成像，获取了地下合理的地层波速结构，认为合理观测系统、有效信号合理分析及观测时长至关重要。

微动H/V谱比法也称单点H/V谱比法或Nakamura方法，是基于单点三分量数据中水平分量和垂直分量的谱比特征进行地层属性反演的勘探技术。该方法简便经济、对环境无干扰，适于城市应用，获取的速度本质上为真地层速度，具有抗干扰能力，精度高，但较依赖初始速度模型。张若晗等(2020)选用微动H/V谱比法对济南中心城区的土石分界面展开三分量微动测量研究，利用400多个测点数据分析了不同类型H/V曲线与地质结构的关系，总结了基岩的深度-频率关系式，提供了土石分界面深度快速准确的解决方案。陈实等(2019)应用天然源面波技术进行城市地质调查试验，通过测量单点的面波速度结构，精细划分岀区内地层构造，并得到多项工程地质参数，验证了天然源面波技术在城市环境的有效性。

将主动源与被动源技术联合进行勘探，适当加大排列长度和采集时间，可获得较深层的勘探精度。主动源方法依赖体波和高频面波进行高精度成像，施工成本较高，而被动源面波成像方法成本低，主要利用地震背景噪声互相关函数成像，该方法在城市浅层成像方面得到了越来越多的应用。高阶模式瑞雷面波较低阶模式敏感，可联合应用。在城市范围内布设高密度的地震观测台阵，需大量地震仪，布设维护成本限制了其推广。

近年来发展的分布式声波传感技术（DAS）是一种由感知光纤和光学信号解调仪组成的地震观测系统，通过测量光纤中后向散射光相位变化实现光纤动态应变的监测，进而实现地震波场记录。该系统能够以低成本实现超密集观测，有望提高浅层速度结构成像的精度。其独一无二的信息感知能力，使得DAS技术受到广泛关注，其迅速发展，在安防入侵检测、地球物理勘探等方面展示了独特的技术优势和潜力。王宝善等（2021）利用地下通信光缆记录信号识别岀车辆运动、气枪震源、人工落锤等不同振动信号，并从光缆记录的背景噪声成功提取面波信号，获得了地表200m以内的横波速度结构，为城市精细结构探测提供了一种新型观测技术手段。

2.4 浅层反射地震法
浅层反射地震通过人工激发地震波，分析其在地下介质传播的运动学和动力学属性，探索地震波传播规律，研究浅部构造及沉积特征等，达到探测浅层地质体的物探方法。上世纪80年代随着数字地震仪的岀现和多次覆盖技术的产生，提高了抗干扰能力以及探测精度和分辨率。按震源激发地震波类型及处理资料数据类型，浅层反射地震可分为纵波反射技术和横波反射技术。

2.4.1 纵波反射地震
纵波反射地震利用震源激发纵波，并进行资料处理、解释，占地震勘探绝大多数，可用于城市活断层探测，采空区、岩溶区勘察及人防工程等。活断层是指在第四纪期间，尤其晚更新世以来发生过活动，且今后仍可能活动的断层。大量地震灾害调查表明，活断层不仅是发生天然地震的根源，而且发生地震时沿断层线的破坏最严重。城市活断层探测是一项复杂且具有创新性的工作，是活动构造研究发展新阶段面临的艰巨任务，城市环境和人类活动给该工作带来许多困难和问题。人工地震勘探是目前公认最为有效的城市隐伏断裂探测方法之一，进行城市反射波地震勘探工作，资料采集常受限于城市激发环境和背景干扰。

宋春华等（2021）在上海市大治河水域开展大功率电火花震源激发的地震探测，综合对比激发能量、放电水深、不同震源成像效果等，获取最 佳激发参数，地震资料具有较高信噪比，确认了在城市水网开展电火花震源激发地震勘探的有效性，对城市隐伏断裂探测具有良好效果。吴子泉等（2005）探讨了城市地震活动断层精 确定位方法，利用可控震源进行频率扫描，对扫描信号和振动信号作互相关处理，有效压制城市强振动干扰，并利用高分辨率地震和电法勘探对走滑断层进行联合定位。常旭等（2008）采用波动方程三分量正演模拟，指导地震观测系统设计，在城市强噪下利用伪随机可控震源采集高精度地震数据，偏移剖面清晰地揭示了黄庄一高 丽营断层的位置，为明确断层两侧新生代地层厚度提供了依据。

易兵等（2008）利用高密度电法、高分辨率地震和重磁等多种方法，在城区不利干扰下，采用新的数据处理技术，在探测活断层位置、产状与形态上取得了较理想的效果，但对第四系中结构松散弱胶结、变形轻微的小断层还需进一步研究。赵富有等（2008）从理论和实验的角度分析横波的分辨率和观测系统参数选取原则。通过试验确定横波的观测系统，探明长春市区波组特征、断层分布和第四系的埋深情况。燕利芳（2011）利用反射波层析成像技术对西安地裂缝勘探，初步获取了近地表处地裂缝的位置及走向，为成功探测城市地裂缝提供了一种新思路。郭淑君等（2014）采用弯曲射线追踪和LSQR算法研究井间速度分布，获取了井控范围内地层构造信息，利用井间地震技术准确探测了断裂破碎带和地下掩埋防空洞。

杨歧焱等（2015）采用夯源进行地震采集，以3m道距、6次覆盖观测系统及60Hz检波器接收获得中部丰富反射信息，反射波组集中在100-150ms之间，且断层特征明显，上断层埋深约90ms，但其浅部反射波信息有所损失（图11a）；为进一步获取浅部详细信息，在同一断点地段采用1m道距、9次覆盖及100Hz高频检波器接收进行了超浅层勘探，反射波组集中在10-100ms之间，浅部反射波组丰富，断层特征明显，进一步确定了上断层埋深约40ms，但其中部反射波信息损失严重（图11b）。结果表明，为准确确定断层的位置、性质，尤其是断层的活动特征，应采用不同的道间距、排列长度、覆盖次数，以便获取中部和浅部的反射波信息，进行对比分析，确定断层的特征。

图11 (a)3m道距获得的中浅部地震剖面；(b)1m道距获得的浅部地震剖面据杨歧焱等

图12 用水平锤击铁板震源采集的炮记录

图13 1测线上过孔段水平叠加时间剖面

马董伟(2019)利用横波反射分辨率高、分层能力强的特点，结合地震层析成像反演地层速度结构，揭示了新沂市局部覆盖层较薄的活断层特征，弥补了纵波反射在浅层勘探的不足，提高了勘探精度。王小江等(2020)在雄安新区外围开展了高分辨率浅层纵、横波地震联合勘探试验研究，纵波数据采集采用宽频可控震源激发，横波数据采集采用锤击激发，采用中间放炮、小道距接收。通过资料精细处理获取了构造、岩相及速度等信息。

当前，人工地震勘探是公认最为有效的城市隐伏断裂探测手段之一，受限于城市环境，地震资料采集往往比较困难。对于水网发达的城市，可因地制宜采取电火花震源激发探测，未来在满足岀力要求下，改进震源自身，研制小型化液压可控震源、轻便型电磁式可控震源等，目前我国地球物理仪器装备与发达国家还存在一定差距。采用组合激发，适当增加垂直叠加次数压制干扰。

拖缆系统是未来城市勘探的重要形式之一，解决拖缆结构、检波器耦合等一系列问题，如采集中使用适合于水泥地面的三角基座，保持耦合性，完善包括震源系统、拖曳系统、数据采集与处理在内的完整城市地震勘探体系，实现城市浅层高分辨率勘探。此外，在城市地区由于地表障碍物、建筑等因素影响，检波器无法规则布设，采集的地震数据存在道缺失，往往会影响地震数据处理解释效果。曹静杰等（2020）探索应用压缩感知技术对城市浅层地震数据重建，模拟与实际数据均取得较好效果。未来压缩感知技术可应用于城市地震勘探，以解决数据重建问题。

地震勘探采用小道距敷设为探明城市浅层地质结构等提供了有效途径。未来仍需在近地表地震波场传播规律及能量吸收衰减机理、联合反演、全波形反演、面波成像等方面进行深入研究，消除近地表对地震波场造成的不利影响，来获取精度更高的近地表结构及参数模型。由于横波浅表速度较小，因此对于起伏较大地形或复杂地表，静校正问题会比较突岀，受静校正影响较大，因此还需要慎重做好静校正工作。

2.5 高精度重力法
高精度重力通过在小范围布设密集测点对地下介质密度不均匀引起的微弱重力异常变化进行测量，通过数据处理确立异常区深度和尺度，并转化为合理的地质解释。相对常规重力方法，高精度重力探测范围一般较小，但测点密度和探测精度较高。我国于上世纪80年代引进高精度重力仪，并在地球动力学、地基勘查、考古探测等领域进行了应用研究。随着仪器精度的提高和数据处理方法技术的进步，高精度重力法应用越来越广，可由地面拓展到竖井及坑道内甚至建筑物内部进行测量。针对重力数据处理，除常规高度改正、中间层改正、地形改正外，还需进行建筑物改正，通常利用正演建立等效模型，来消除建筑物影响。

王新月等（2019）提岀了基于车载重力测量平台的城市地下空洞快速探测方法，采用国产高精度捷联式重力仪SAG搭建车载移动平台，在长春市区进行动态重力测量试验，通过改进的比值DEXP（极值点深度估计）法进行重力异常数据成像，并对位场数据进行边界识别，得到区域附近异常值及构造指数，验证了车载移动平台重力测量在城市地下空洞探测中的有效性。

徐燕君等（2021）从重力探测装置、高密度数据采集、精细数据处理与解释方面介绍了高精度重力在城市地下空间探测的应用研究成果，包括干扰下的读数时间、三维坐标获取、地形改正方法、异常数据计算、反演方法及解释成果等。仪器采用新一代高精度重力仪（精度大于土0.001x10-5m/s2），可识别城市微伽级异常（±0.050x10-5m/s2以内）。为避免城市高楼影响，测地工作距高楼30m以外使用RTK测量，30m以内使用光学水准测量。为消除不同测点高程差，测量前丈量地面至仪器底面高差并取准为0.1cm，消除该部分的场值异常。在近区地改上，通过实际GPS测地高程数据DEM生成1mx1m或2mx2m网格保证高程节点误差。中间层密度改正一般采用研究层现场采集标本求取平均值或通过不同密度值计算重力场求取。

在数据处理上，常用方法包括多项式、趋势面或利用不同频谱等非线性方法进行重力异常分离，图14为多项式提取剩余重力异常图，图15为趋势面法提取剩余重力异常图，其中图15b、c分别为三阶趋势分析的剩余重力异常图及区域重力异常图。数据反演方面，对于层状密度界面，可用最 小二乘的线性回归法或者Parker法确定单密度界面；或利用RGIS重磁电数据处理软件进行多界面多参数迭代拟合。目前国产RGIS及MAGS等软件比较成熟，包括RGIS软件三维人工交互反演等，具有详细物性条件及钻孔控制的人机交互反演为最 优反演界面方法。

图15 趋势面法提取剩余重力异常示意图

3 方法对比分析

4 结论与展望

城市地下空间探测内容丰富，探测领域广，本文阐述的城市地球物理勘探方法主要包括高密度电法、探地雷达、面波勘探(主动源及被动源联合)、反射地震法以及高精度重力等，地球物理勘探方法以及仪器设备等也在不断发展变化和丰富完善，本文仅作了部分阐述，实际工作中应用的辅助方法还包括折射波法、测井、速度层析、物理与数值模拟等，可共同解决城市地下空间探测问题。

（1）微动探测通过反演地层横波速度结构特征，有较好的垂向分层能力，应用广泛，在地下地质结构探测、地热探测以及地下道路病害探测均有较好应用效果，是未来城市物探工作中绿色、高效的方法。

（2）分布式光纤采集技术及压缩感知技术可极大节约采集成本，实现一体化和跨越式采集。

（3）目前高分辨率城市三维地震己有应用，未来多波多分量地震、三维探地雷达等将更多应用于城市地下空间探测。

（4）加强高精度重、磁、电、震多源地球物理技术集成与反演研究，减少单一方法的多解性，有利于提高探测效果。

（5）除浅层探测分辨率不足，在消除近地表对地震波场造成的影响、进一步增强抗干扰能力和提升综合探测效果方面，仍需总结提高方法认识。

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