強(qiáng)干擾條件下高密度電法結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)探測溶洞分布

阮娟，岑超,2，崔健,2，曹彥榮,2，韓紅慶,2

（1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局， 江蘇南京 210007； 2.江蘇華東八一四地球物理勘查有限公司，江蘇南京 210007）

溶洞是巖溶地區(qū)工程建設(shè)中一種潛在的地質(zhì)災(zāi)害，它們規(guī)模不一，形狀各異，溶洞易引起地面塌陷，危及建筑物、水庫和礦山等的安全［1-4］。建筑施工前，利用地球物理方法探測場地內(nèi)溶洞分布以采取相應(yīng)措施，對保證建筑物安全具有重要意義。

探測溶洞的方法包括高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)測量、重力測量、淺層地震發(fā)射法、微動(dòng)測量等［4］。已見利用高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)探測溶洞相關(guān)文獻(xiàn)資料，孫茂銳等［2］開展了高密度電法與低頻雷達(dá)天線同位置巖溶區(qū)實(shí)測分析。劉振宇等［4］在某城鎮(zhèn)山心村地質(zhì)環(huán)境調(diào)查評價(jià)工作中，應(yīng)用高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)探測巖溶及土洞。阿發(fā)友［5］以貴州省關(guān)嶺縣永寧隧道為例，驗(yàn)證了高密度電法在溶洞探測中的應(yīng)用效果，并利用地質(zhì)雷達(dá)做了探測對比，總結(jié)了兩種方法的優(yōu)缺性。于清水等［6］在廣西柳州地區(qū)使用高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)聯(lián)合探測地下溶洞，說明了區(qū)分充氣溶洞和石灰?guī)r的方法。姚偉等［7］應(yīng)用高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)在昆明長水國際機(jī)場開展巖溶勘查，采用地質(zhì)雷達(dá)對高密度電法異常部位進(jìn)行驗(yàn)證。此外還有于江龍等［1］、閉遺山［3］報(bào)道的案例等。

但上述案例均為自然地貌下的探測實(shí)例，僅見一例鉆探驗(yàn)證。本文以某施工中的強(qiáng)干擾條件下建筑場地的溶洞探測工作為例，結(jié)合鉆探驗(yàn)證成果，說明了強(qiáng)干擾條件下高密度電法結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)能有效探測溶洞分布。

1 工區(qū)概況

1.1 場地概況

本次工作位于正在實(shí)施場地平整的建筑工地上，場地內(nèi)施工車輛較多且有卡車穿梭；地表碎石、雜土堆積，平整度仍較差，總體施工條件為強(qiáng)干擾、地表情況復(fù)雜。另受地形限制，場地及周邊可實(shí)施物探工作的范圍較小。

場地尚未開挖平整前，實(shí)施了數(shù)個(gè)間距較大的勘察鉆孔，結(jié)果顯示場地內(nèi)巖溶發(fā)育。由于地下情況較復(fù)雜，鉆孔成果無法顯示地下溶洞的整體分布及聯(lián)通情況。因此投入高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)物探工作，目的是查明20m以淺的溶洞分布及連通性。物探工作實(shí)施時(shí)不掌握鉆孔資料，物探成果完成后，將物探推測溶洞范圍與前期鉆探成果進(jìn)行了對比，兩者基本吻合。由于物探工作是在場地平整進(jìn)行到后期階段開展的，所以鉆探工作與物探工作的地表高程不同。

1.2 地質(zhì)概況

根據(jù)前期勘察鉆探揭露，場地內(nèi)基巖為震旦系上統(tǒng)陡山沱組上段（Z2d2）燧石質(zhì)-灰?guī)r質(zhì)角礫巖，上覆人工填土層（Q4ml）、第四系全新統(tǒng)坡殘積層（Qdl+el）。各地層巖性特征為：

（1）人工填土（Q4ml）：為褐黃、褐灰色素填土，主要為角礫，夾少量黏性土，角礫成分為山體巖石經(jīng)加工后的碎屑，局部為黏性土夾約20%～40%的巖石風(fēng)化碎塊，呈松散狀態(tài)，局部稍密狀態(tài)，堆填年限小于3年，密實(shí)度不均勻，稍濕～濕，呈松散～稍密狀態(tài)，層厚0.2m～12.9m。

（2）第四系坡殘積（Qdl+el）黏土：黃褐色、褐灰色，主要由粉黏粒含量約10%～30%的巖石風(fēng)化碎屑組成，碎屑粒徑1cm～2cm，稍濕～濕，呈可塑，局部硬塑狀態(tài)，層厚0.8m～7.3m。

（3）震旦系下統(tǒng)陡山沱組上段（Z2d2）燧石質(zhì)-灰?guī)r質(zhì)角礫巖：褐灰、深灰色，碎裂結(jié)構(gòu)，角礫狀構(gòu)造，巖石中含角礫75%，角礫次圓狀，顆粒直徑數(shù)毫米至數(shù)厘米，角礫成分以灰?guī)r為主，含約30%的燧石質(zhì)角礫。局部可見囊狀風(fēng)化體及溶蝕裂隙、溶蝕孔洞。本次勘察主要揭露為中風(fēng)化帶。

受溶蝕作用影響，燧石質(zhì)-灰?guī)r質(zhì)角礫巖風(fēng)化帶中巖溶現(xiàn)象發(fā)育，其主要表現(xiàn)形態(tài)為溶蝕溝槽、溶蝕裂隙或溶洞，溶蝕溝槽、溶蝕裂隙均被溶蝕充填物全充填。溶蝕充填物呈褐灰、褐黃色，主要為黏土夾約30%的風(fēng)化巖碎屑組成，呈可塑狀態(tài)，局部軟塑狀態(tài)。視厚度約1m～20m。

1.3 地球物理特征

物性測定結(jié)果表明，本區(qū)黃墟組（Z2h2）燧石質(zhì)-灰?guī)r質(zhì)角礫巖電阻率變化范圍21744Ω·m至9300Ω·m，平均電阻率15534Ω·m，為高阻地層。Q4ml、Qdl+el的電性特征為中高阻。溶洞則由于含水或可塑、軟塑狀態(tài)的溶蝕充填物，表現(xiàn)為高阻背景下的低阻異常，或高低阻梯度帶。

2 探測方法

2.1 方法原理

高密度電法是以地下空間內(nèi)地質(zhì)體之間的電阻率差異為研究對象，按照協(xié)定的觀測系統(tǒng)進(jìn)行供電與測量，把收錄到的地電數(shù)據(jù)體進(jìn)行去噪、計(jì)算、分析以及表達(dá)，從而揭示出地下介質(zhì)的空間分布及變化特征［8］。

高密度電法屬于常規(guī)直流電法序列，其方法基本原理是利用電源經(jīng)AB極向地下供一定強(qiáng)度的直流電，同時(shí)利用MN極（一般為不極化罐或銅棒）接收地電信息，從而研究地下介質(zhì)的電阻率變化規(guī)律，并結(jié)合巖石、土層的物性差異，劃分異常，圈定不同類型的地質(zhì)體。如圖1所示，在高密度電法施工時(shí)，根據(jù)提前設(shè)計(jì)的觀測裝置按照間隔一次性布設(shè)好全部電極，包括AB、MN，根據(jù)探測深度設(shè)置好層數(shù)、裝置類型等關(guān)鍵參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)野外數(shù)據(jù)的全自動(dòng)采集并計(jì)算每個(gè)記錄點(diǎn)的電阻值，室內(nèi)基于儀器采集存儲的電阻率剖面，利用阻尼最小二乘等反演算法完成數(shù)據(jù)處理、反演工作，獲得深度-電阻率剖面，用于地質(zhì)解釋。

地質(zhì)雷達(dá)以快速、無損的探測方式，在工程勘察和地質(zhì)災(zāi)害勘察等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，其方法原理是根據(jù)不同地層或目標(biāo)體的電性（主要是介電常數(shù)）差異，利用發(fā)射線圈（T）發(fā)送寬頻帶的高頻電磁波，電磁波在傳播過程中，遇到電性分界面，經(jīng)反射或折射后返回地面，被布設(shè)的接收天線（R）所接收，傳遞到雷達(dá)系統(tǒng)中顯示、存儲；利用專業(yè)軟件分析雷達(dá)主機(jī)接收的反射波的波形、信號強(qiáng)度、雙程旅時(shí)的變化，推斷出地下目標(biāo)體的空間特征，如位置、形態(tài)和深度等。

如圖1所示，T為發(fā)射天線，R為接收天線，由天線T發(fā)射的高頻電磁波在地下介質(zhì)中傳播遇到目標(biāo)體后發(fā)生反射和折射，反射信號返回到地面被天線R記錄，通過雷達(dá)主機(jī)顯示得到回波曲線。

圖1 高密度電法（上）及地質(zhì)雷達(dá)（下）工作原理圖

2.2 儀器設(shè)備及測線部置

高密度電法儀選用DUK-2A型多功能數(shù)字高密度電法儀。地質(zhì)雷達(dá)采用瑞典進(jìn)口的MALA型高精度地質(zhì)雷達(dá)，雷達(dá)天線中心頻率為40MHZ。

野外數(shù)據(jù)采集共完成高密度電法2條，點(diǎn)距2.5m，其中L1線測線長度115m，電極點(diǎn)47個(gè)；L2線測線長度125m，電極點(diǎn)51個(gè)。探地雷達(dá)采用連續(xù)測量的方式共完成測線2條，其中D1線與高密度電法L1線部分重復(fù)，線長65m；D2線與高密度電法L2線部分重復(fù)，線長40m。

3 溶洞探測效果

選擇典型的高密度電法L1線及地質(zhì)雷達(dá)D1線說明溶洞探測效果。高密度電法L1線電阻率反演剖面圖顯示，剖面電性結(jié)構(gòu)成似層狀，深部電阻率偏高，淺部電阻率偏低。根據(jù)電性異常特征，圈定2個(gè)溶洞。其中：①號溶洞，位于測線33m～105m處，其規(guī)模較大，由東向西逐漸變深，呈條帶狀，同時(shí)，探地雷達(dá)D1剖面也顯示，該溶洞淺部有一層強(qiáng)反射層，推測其內(nèi)部含水。②號溶洞位于測線的45m～60m處，表現(xiàn)為高低阻梯度帶的異常，推測其內(nèi)部為溶蝕充填物（圖2、圖3）。

圖2 高密度電法L1線反演剖面及解釋成果

圖3 探地雷達(dá)D1線處理剖面成果

4 鉆探驗(yàn)證情況

L1沿線共有4個(gè)鉆孔，自東至西分別為ZK1、ZK2、ZK3、ZK4。四個(gè)鉆孔均鉆遇①號溶洞，洞內(nèi)含水；ZK2深部鉆遇②號溶洞，洞內(nèi)主要為溶蝕充填物（圖2），與物探推測結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

（1）強(qiáng)干擾條件下，高密度電法結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)，互為參考，推測了20m以淺含水溶洞和含溶蝕充填物溶洞的分布范圍，與鉆探結(jié)果基本一致。

（2）高密度電法結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)可較準(zhǔn)確查明溶洞分布范圍，指導(dǎo)后期灌漿處理等措施以確保場地安全，是值得推廣的探測溶洞的物探方法組合。