劉浩，劉燦，孫旭，高鵬，盧向星

【摘要】 通過(guò)對(duì)溶洞異常分布探測(cè)，充分利用各種物探方法的優(yōu)勢(shì)點(diǎn)和互補(bǔ)性，準(zhǔn)確查明巖溶地區(qū)的工程地質(zhì)條件和巖溶發(fā)育規(guī)律。本文以某灰廠巖溶探測(cè)為例，分析評(píng)價(jià)了基于多維度綜合物探方法在巖溶?chē)?yán)重發(fā)育地區(qū)勘察中的應(yīng)用效果。

【關(guān)鍵詞】 綜合物探;巖溶探測(cè);地球物理;應(yīng)用分析

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.06.023

Application Effect Analysis of Multi-dimensional Comprehensive Geophysical Method

LIU Hao，LIU Can，SUN Xu，GAO Peng，LU Xiang-xing

（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250100，China）

Abstract： Through detecting the abnormal distribution of karst caves， we can make full use of the advantages and complementarities of various geophysical methods to accurately identify the engineering geological conditions and karst development rules in karst areas. In this paper， the application effect of multi-dimensional comprehensive geophysical prospecting method in the exploration of karst seriously developed areas is analyzed and evaluated by taking karst exploration in a certain ash factory as an example.

Key words： comprehensive geophysical exploration;karst exploration;geophysics;application analysis

1 引言

巖溶是工程勘查中重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象之一，考慮到單一物探方法具有一定的局限性和多解性，為進(jìn)一步改善探測(cè)效果，采用多維度物探方法對(duì)于實(shí)際探測(cè)具有重要意義[1]。本文以貴州某灰廠巖溶勘查為例，采用高密度電法、瞬變電磁法、地震映像法、充電法和自然電場(chǎng)法進(jìn)行綜合探測(cè)的方法技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)探測(cè)結(jié)果顯示，高密度電法對(duì)地層電阻率的縱向分辨能力強(qiáng)，瞬變電磁法、地震映像法對(duì)地層電阻率的橫向分辨率較好，充電法和自然電場(chǎng)法對(duì)巖溶地下水通道敏感。最后，通過(guò)地質(zhì)鉆探驗(yàn)證結(jié)果，多種方法相互補(bǔ)充，體現(xiàn)了綜合物探的優(yōu)越性。

2 工程概況

研究區(qū)位于貴州某灰場(chǎng)區(qū)，該灰場(chǎng)由東南方向開(kāi)口的手扶椅形山坡洼地組成，上下高差200 m左右?；覉?chǎng)上部第四系覆蓋層較為發(fā)育，地層主要由黏性土組成，混有碎石、角礫，下部巖層包括有頁(yè)巖、灰?guī)r、砂巖等巖層。

3 工程物探勘察方法選擇

場(chǎng)地巖溶主要發(fā)育在灰?guī)r層中，灰?guī)r相比其他巖層，具巖體完整、強(qiáng)度高的特征，相應(yīng)彈性波速度、電阻率高，對(duì)電磁波低吸收;當(dāng)巖體存在溶隙、溶洞、破碎帶、軟弱夾層等不良地質(zhì)體時(shí)，物性特征會(huì)因其影響程度不同而發(fā)生相應(yīng)變化[2]，其主要的地球物理響應(yīng)為：彈性波速度降低、電阻率下降、對(duì)電磁波高吸收。場(chǎng)地內(nèi)的土層、基巖、巖溶等地質(zhì)體之間存在較大的物性差異。這些差異使測(cè)區(qū)具備電法勘探、彈性波勘探的物性條件。

鑒于場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，根據(jù)本場(chǎng)地區(qū)的巖土體地球物理特征，本次勘測(cè)合理選用地球物理探測(cè)方法，通過(guò)高密度電法、瞬變電磁法進(jìn)行掃面工作，地震映像法、充電法和自然電場(chǎng)法進(jìn)行驗(yàn)證追索巖溶發(fā)育分布。根據(jù)不同研究方法取得的基本地質(zhì)資料與物探成果，結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查及鉆探，對(duì)存在的巖溶地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

4 綜合物探成果分析

工程物探數(shù)據(jù)的野外采集是工程物探工作的關(guān)鍵，但如何把野外采集的有關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)業(yè)的分析、計(jì)算、解釋成工程地質(zhì)資料對(duì)技術(shù)人員來(lái)說(shuō)更為重要[3]。只有通過(guò)對(duì)比、驗(yàn)證、積累經(jīng)驗(yàn)，才能促進(jìn)分析、解釋技術(shù)水平的提高。下面以YC-1巖溶區(qū)域各物探測(cè)線為例分析綜合物探方法的應(yīng)用成果。

4.1 高密度電阻率分析

根據(jù)此次巖溶發(fā)育情況和工區(qū)的地質(zhì)地形條件，本次灰場(chǎng)共布設(shè)8條高密度電法測(cè)線，其中L1線呈近東西向橫跨了工區(qū)內(nèi)巖溶洞穴所在的溝谷。圖1a為該測(cè)線的反演結(jié)果。從反演結(jié)果可以看出，測(cè)線所經(jīng)過(guò)區(qū)域巖溶發(fā)育，在剖面上發(fā)現(xiàn)有兩處明顯的低電阻率異常YC-1和YC-2。其中YC-1異常的影響范圍約為5～10 m的寬度，推測(cè)該異常為巖溶洞穴向東南方向延伸所引起。YC-2異常埋深更淺，約在4～5 m，整體規(guī)模更小，推斷為巖溶通道。

4.2 瞬變電磁法分析

本次探測(cè)共布設(shè)18條瞬變電磁法測(cè)線。其中，S2線與高密度電法的L1線位置相對(duì)應(yīng)，走向近于西東。工作時(shí)所使用的有重疊回線和中心回線兩種裝置。具體反演結(jié)果如圖1b所示，兩種裝置所測(cè)得的結(jié)果基本一致，電阻率值分布都不均勻。在測(cè)線45～55 m處有一明顯的低阻封閉異常，這與高密度電法的YC-1低阻異常的位置相吻合，判斷為地下巖溶通道發(fā)育導(dǎo)致。除YC-1異常外，測(cè)線約70～75 m位置還有一規(guī)模略小的異常，該處異常與高密度電法的YC-2號(hào)異常相對(duì)應(yīng)，推測(cè)為主巖溶通道的一個(gè)分支通道。

4.3 充電法分析

利用高密度電法和瞬變電磁法可以從電阻率的分布來(lái)判斷巖溶通道的大體走向。但是，電阻率容易受第四系覆蓋層等其他因素的影響，會(huì)對(duì)巖溶通道的判斷造成一定的干擾。而根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，雨后地表不斷有水流排泄進(jìn)入巖溶洞穴，這為使用充電法形成了有利的條件。根據(jù)導(dǎo)水通道兩側(cè)充電法得到的電位梯度符號(hào)相反的原理，來(lái)判斷地下水流經(jīng)的途徑，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該巖溶洞穴排泄通道的探測(cè)。

本次工作布設(shè)3條近南北向充電法的測(cè)線，與推測(cè)的巖溶通道相垂直。從充電法的結(jié)果來(lái)看（圖2a），正負(fù)電位梯度值的過(guò)渡位置與瞬變電法的低阻圈閉位置基本一致。該結(jié)果既指明了該處地下水排泄通道的位置，也從側(cè)面印證了瞬變電磁法的探測(cè)結(jié)果。

4.4 自然電場(chǎng)法結(jié)果分析

為了能進(jìn)一步輔助分析地下水進(jìn)入巖溶洞穴之后的流向和分布特征，在場(chǎng)區(qū)內(nèi)開(kāi)展了3條自然電場(chǎng)法的探測(cè)工作。圖2b所示結(jié)果為自然電位分布。自然電場(chǎng)法的L1線的觀測(cè)結(jié)果顯示自然電位在地下巖溶通道的兩側(cè)有較大的差別。而L2和L3線所得的自然電位分布規(guī)律雖然與L1線基本相同，呈現(xiàn)北側(cè)電位更高的趨勢(shì)，整體電位變化更趨于平緩，推測(cè)這是由于隨著遠(yuǎn)離巖溶洞穴口，地下排水通道逐漸加深所致。

4.5 地震映像法

地震映像法D1線與瞬變電磁法的S2線、高密度電法的L1線位置相對(duì)應(yīng)，走向近于西東，穿過(guò)山溝和后期驗(yàn)證孔ZK17。具體反演結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，與上述方法所測(cè)得的結(jié)果基本一致，溶洞附近彈性波速度分布都極不均勻。在測(cè)線26～30 m處有明顯的低速封閉異常，這與YC-1低阻異常的位置相吻合，判斷為地下巖溶通道發(fā)育導(dǎo)致。

4.5 綜合解釋

1）根據(jù)上述物探資料綜合分析，圈定巖溶異常，通過(guò)工程鉆探與綜合物探驗(yàn)證，場(chǎng)區(qū)灰?guī)r層巖溶發(fā)育，其他巖層未見(jiàn)洞穴及大裂隙發(fā)育。

2）現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)到較大溶洞為兩處，往下游方向合成一個(gè)主洞室，主洞室存在多層空腔，主洞室長(zhǎng)約10 m，寬約11 m，洞室上頂部呈楔子狀穹頂，上頂處層基巖及覆蓋層厚度約為0.6～7.6 m，主洞室洞底深度約10～15 m，洞底沿下游方向以坡角30度左右逐漸向下變深。并且在主巖溶通道旁發(fā)現(xiàn)有一些分支通道。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)物探數(shù)據(jù)的分析、處理、解釋?zhuān)Y(jié)合現(xiàn)場(chǎng)已有地質(zhì)資料，查明的勘察區(qū)內(nèi)巖溶空間分布形態(tài)和位置。在異常體埋深范圍的確定上，物探手段得到的異常體范圍較大，鉆探手得出的異常體范圍較小，這一數(shù)值差異是由于測(cè)區(qū)巖層的體積效應(yīng)所致[4]。但鉆探揭露的異常體位置大多在物探手段圈定的范圍之內(nèi)。

綜合比較這幾種方法的應(yīng)用效果：

1）高密度電法斷面結(jié)果反映的是灰?guī)r與上覆第四系地層的平均電性反映，當(dāng)灰?guī)r表面溶蝕發(fā)育而呈鋸齒狀時(shí)，斷面測(cè)量資料能反映灰?guī)r面總體起伏狀況。

2）地震映像法需要提高數(shù)據(jù)的信噪比，處理中要分析、編輯不正常的炮道，并特別注意異常層段的數(shù)據(jù)是否正常，這樣才能獲得更真實(shí)反映巖溶的地質(zhì)剖面資料。

3）瞬變電磁法對(duì)于近似水平層狀介質(zhì)下的電性層探測(cè)與劃分有良好的效果。

4）充電法的不足之處在于電流在地下流經(jīng)的距離有限。

5）自然電場(chǎng)法的觀測(cè)效果對(duì)地形起伏較大的場(chǎng)地并不理想。

巖溶及巖溶管道勘察是一項(xiàng)循序漸進(jìn)的工作，需要由面到線，最后落實(shí)到點(diǎn)上，是勘察工作逐步精細(xì)化的過(guò)程。在巖溶地區(qū)重大工程建設(shè)項(xiàng)目工程地質(zhì)勘察采用工程物探方法，對(duì)下一步進(jìn)行工程施工具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義，避免了工作的盲目性。

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【作者簡(jiǎn)介】

劉浩，男，1989年出生，工程師，碩士，研究方向?yàn)閹r土工程勘測(cè)。