基于地球物理与分形理论的地下工程地质结构预测新方法及其在海水入侵防治中的应用

《International Journal of Coal Science & Technology》：A novel geophysics and fractal-based approach for predicting engineering geological structures in subsurface underground engineering

本刊编辑推荐：为解决海岸带地下工程中海水入侵防治难题，研究团队创新性集成反射地震数据、钻孔超声成像与岩心照片等多源数据，结合分形理论建立了节理面密度与节理信息维数、断层信息维数与钻孔节理面密度的函数关系。研究提出以节理信息维数>1.775为阈值识别小尺度构造，成功预测15个构造发育区，岩心验证表明该方法对地下工程稳定性评估具有重要指导意义。

　　

随着沿海地区城市地下空间开发强度的不断提升，海底储油库、地下交通隧道等工程面临着海水入侵的严峻挑战。海水通过地质构造裂隙渗入地下工程内部，不仅会腐蚀支护结构，更可能引发灾难性突水事故。传统地球物理探测技术虽能识别大型断层，但对控制渗流路径的小尺度构造（如微裂隙、节理密集带）的预测精度不足，成为制约海岸带地下工程安全建设的瓶颈问题。

发表于《International Journal of Coal Science & Technology》的最新研究，提出了一种融合地球物理探测与分形理论的创新方法。该研究以某海岸带地下储油库工程为背景，通过反射地震剖面识别出控制区域构造格局的14条主要断层（如F1、F16等），发现V形凹槽构造与混沌高振幅反射特征指示了深部破碎带发育。值得注意的是，地震相分析揭示了冲积层（V_p≈1500 m/s）至基岩（V_p≈6000 m/s）的波速分异特征，其中糜棱岩化区域的高振幅杂乱反射为小尺度构造预测提供了地球物理依据。

研究团队创新性地将钻孔超声成像技术与分形理论结合，建立了节理面密度(k)与节理信息维数(D_j)的定量关系：D_j=1.829-0.873×0.496^k。通过引入"钻孔辐射带"概念重构网格划分方案，进一步构建了断层信息维数(D_f)与节理面密度的分段函数模型：在断层直接影响区满足k=30.400D_f-24.500，而间接影响区符合k=-0.008D_f^24.555+7.088。这种分段关系揭示了构造影响程度对裂隙发育的非线性控制规律。

关键技术方法包括：采用SEG-Y格式地震数据（采样间隔2 ms）进行方差属性和RMS振幅属性分析；利用Petrel软件开展地震反演；基于1:1000断层构造图进行网格化分形计算（网格尺度7.813-125 m）；对23个钻孔（总进尺6789.62 m）开展超声成像与岩心照片的节理统计；运用Kriging插值法生成信息维数等值线图。

研究结果方面：

区域地震分析表明，QZA-1和QZB-3剖面揭示的V形构造与高方差值带吻合，验证了F2、F3等断层控制的断块结构。方差属性突出显示了射点41-81区间的裂缝网络，RMS振幅则清晰刻画了断层两侧岩性差异。

分形维数计算显示，174个网格中有111个网格的断层信息维数拟合优度R²>0.95，证明断层分布具有显著自相似性。等值线图显示高维数区（D_f>1.7）与已知断层带空间耦合良好。

小尺度构造预测模型通过D_j>1.775的阈值设定，成功圈定15个预测区（P1-P15）。岩心验证表明，BK1钻孔61.3-61.9 m段、ZK5钻孔164.5-165.1 m段等预测区均可见60 cm以上的破碎带，且破碎程度与信息维数呈正相关。例如P2区（BK2孔）岩心呈现网状裂隙，而P15区（ZK7孔）可见多组贯穿性节理，证实了预测模型的可靠性。

该研究的突破性在于将分形理论的无标度特性与地球物理场的空间连续性有机结合，实现了从米级断层到厘米级裂隙的多尺度预测。提出的双段函数模型有效解决了构造影响域的非均质性问题，为地下工程渗流路径精准预报提供了新范式。这项技术不仅适用于海岸带地下储库建设，在CO₂地质封存、地热开发等能源地下工程领域同样具有广阔应用前景。