杨成

(核工业西南勘察设计研究院有限公司,四川成都 610061)

地球物理勘探方法在岩溶勘察中的组合应用浅析

杨成

(核工业西南勘察设计研究院有限公司,四川成都 610061)

岩溶是可溶性岩石在水的溶蚀作用下,产生的各种地质作用、形态和现象的总称。对于现阶段的岩溶勘察工作而言,各种地球物理勘探方法发挥着非常重要的作用,本文则以碳酸盐岩地区为例,结合工程实例浅析了地球物理勘探方法与其他勘察手段的组合应用、以及不同地球物理勘探手段之间的组合应用,从而对地球物理勘探方法在岩溶勘察中的组合应用在提升岩溶勘察工作的质量上的意义进行了总结。

岩溶 地球物理勘探 高密度电阻率法 勘察 组合应用

在目前的众多岩溶勘察方法中，地球物理勘探方法凭借着自身快速、低成本的优势占据着十分重要的地位，然而不管是哪种地球物理勘探方法，均受到了一定的应用要求约束，同时还有一定的不确定性和多解性，正是因为如此，地球物理勘探方法的应用才会受到影响，造成其应用结果的精度与准确度都有多偏低。基于此，若在岩溶勘察中采用物探与工程地质调查测绘以及钻探进行组合应用，或者采用不同地球物理勘探方法组合应用，即根据实际进行多种地球物理勘探方法技术的组合，通过组合应用，使其优势互补，对提升地球物理勘探资料的精度，提高岩溶勘察质量，有着十分重要的意义。

1 地球物理勘探方法的组合应用的工作基础和组合方式

1.1 地球物理勘探方法的工作基础

岩溶发育的最重要前提条件就是具有可溶性的岩层，在我国各类可溶性岩石中，碳酸盐岩类岩石的分布范围占有绝对优势[1]。本文主要在分析碳酸盐岩地区各种地质体的物性差异的基础上，结合工程实例浅析了地球物理勘探方法与其他勘察手段的组合应用、以及不同地球物理勘探手段之间的组合应用。各类地质体视电阻率参数和电磁参数及弹性波速度参数统计如图1、图2所示。

图1 视电阻率参数统计

图2 电磁参数及弹性波速度参数统计

通过上图1、图2可知，粘土、灰岩与岩溶裂隙带间存在着较大的电阻率、电磁波速度与弹性波速度差异，这给电法、浅层地震勘察及地质雷达等地球物理勘探方法的应用奠定了良好的物理基础[2]。

物探方法具有勘探范围大、对地层扰动小、简单、方便、适应性强、简单快捷、成本低等优点，特别是最近几年，我国新兴了一个新直流电法勘察方法，即高密度电阻率法，并在全国范围内得到了广泛的应用，这种地球物理勘探方法和其他电法相比，其优势在于效率高、采集信息量大以及解译精度高等方面。所以，高密度电阻率法是岩溶勘察工作中一项突出的地球物理勘探方法，隐伏土洞的出现与发展是引发岩溶地地表塌陷的导火索，能够危及到人的生命安全与财产安全，而在解决这一问题上，多波地震映像、瞬态而波等手段有着非常明显的效果，且测线不会受到地形地物的影响。因此不同物探方法具有各自的优势，同时工程地质测绘与调查、工程钻探等勘察手段具有勘察精度高、并具有综合功能(取样、水文地质试验、灌浆试验等)，因此，不同勘察手段的不同特点，通过组合，可达到良好的优势互补，这为地球物理勘探方法在岩溶勘察中的组合应用奠定了良好的配合基础。

1.2 地球物理勘探方法的组合方式

图3 高密度电法剖面与地质剖面查明的地质界线对应关系图

图4 瞬态面波频散曲线

通过工程实例发现，地球物理勘探方法在岩溶勘察中的组合应用主要包括物探与其他勘察受段的组合，以及不同地球物理勘探方法的组合，通过相互配合、矫正、释疑，达到劣势互补、映证，减弱多方面干扰所带来的负面影响，最终实现物探解释精度的提升，同时由于地球物理勘探方法相对成本较低，因此通过组合应用，对优化了工程钻探工作量，节约勘察工期和成本，提高勘察质量具有十分重要的意义。

2 工程实例

2.1 地球物理勘探方法与其他勘探方法的组合应用工程实例

国内某民用机场位于碳酸盐岩地区，由于机场建设场地范围较大，2014年1月，为查明工程范围及有影响地段的地表岩溶和隐伏的地下岩溶的形态及分布特征，同时采用了地球物理勘探、工程地质调查与测绘以及工程钻探等多种勘察方法进行组合勘察，通过地球物理勘探方法与其他勘探方法的相互配合、矫正、释疑，查明了场地的工程地质条件和岩溶发育特征，同时还大大优化了工程钻探工作量，节约了勘察工期和成本，提高了勘察质量。

2.1.1 场地工程地质条件概述

在勘察区域内，地表土层主要为人工填土和耕土，下覆基岩主要为白云岩，地表土层电阻率主要受含水率的影响，当含水率较高时，在电阻率相对较低，当含水率较低时，电阻率相对较高；白云岩溶蚀发育或破碎区域，溶蚀沟壑或洞穴等被填充后，电阻率相对较低，当未被填充，电阻率相对较高，这些地下岩土电性差异为用高密度视电阻率法进行勘察创造了条件，为确定地层的分布状况提供了地球物理测量前提。

2.1.2 高密度视电阻率法工作方法及效果

工作方法：为了发挥物探工作在工程勘察中的作用，更好、更快、更准确地了解场地工程地质条件，该勘察工作选用了高密度视电阻率法，仪器选用WGMD-3型高密度视电阻率法测量系统(包括WDZJ-3多路电极转换器)，通过在地表剖面线上同时布设30或60根电极，并在一组或两组电极上供电，快速高效地完成多种电极模式、不同电极距的设置，以采集到地下不同地点、不同深度的视电阻率值，再对蕴含有各种地质体信息的视电阻率值，用计算机进行数据处理、解释及成图，从而推演出地质体的范围、形状和分布特征。

地质效果：对于本次勘察工作而言，通过高密度视电阻率法，并结合工程地质调查与测绘，基本查明场地地表视电阻率变化较大，与地表阶地、岩石风化后形成的复盖层厚度、地下水及岩体完整性程度有关，地下无深大隐伏性岩溶，这同时为下一步的钻探工作优化提供了基础，并提高了钻探工作的针对性。

2.1.3 高密度视电阻率法异常的复核验证

本次勘察中，在结合工程地质调查与测绘，并进行高密度视电阻率法测试后，物探班组提出以下三点异常：

(1)有三条物探剖面发现局部地段存在明显视电阻率变化分界线，推测该界限两侧岩体电学性质发生变化，同时局部地表的显示低阻异常，应查明其原因；

(2)局部地表显示低阻异常，应查明其原因；

(3)有一条剖面部分地段30m深度范围均内视电阻率均较低，且通过钻孔波速测试显示，岩体完整性较差，应查明其原因。

根据该情况，勘察班组再次进行了工程地质调查与测绘，并补充了部分位置的工程钻探工作，并对以上两点做出以下分析解释：

(1)有三条物探剖面发现局部地段存在明显视电阻率变化分界线，主要是由于两边分别为两个时代的地层，地层性质不同所致(图3)；

(2)局部地表的低阻异常根据已有钻孔和补充钻孔验证，主要是由于地表局部覆盖层厚度较大以及地表岩溶裂隙发育，充填红粘土导致；

(3)根据已有钻孔和补充钻孔验证，某剖面部分地段30m深度范围均内视电阻率均较低，且通过钻孔波速测试显示，岩体完整性较差，主要是由于该段地表岩溶相对发育，地表覆盖较厚的红粘土和耕土导致，下伏岩体钻探结果均较完整，无明显溶蚀现象。

综上所述，通过补充钻探和补充调查的复核验证查明：物探高密度视电阻率法测试结果与补充钻探、补充调查结果相符，物探高密度视电阻率法测试提出的两点异常主要是由于场地实际地质条件造成，高密度视电阻率法测试正确反应了场地实际的地质情况。

2.2 不同地球物理勘探方法组合应用的工程实例

2013年12月，国内某煤矿出现矿坑突水事故，造成煤矿附近的大量农田出现地面干裂、下陷以及房屋断裂等多种问题。截止到2014年1月，已发现62个塌坑，而规模最大的为21.3×20m，塌坑深度最深达6.8米[3]。地质灾害发生后，当地某勘测部门在第一时间内展开了勘察工作，通过采用高密度电阻率法、瞬态面波以及地质雷达等不同地球物理勘探方法的组合应用，详细获得了该区域地层岩性、厚度、分布特征以及透水性等相关资料，同时还掌握了影响岩溶发展的隐伏断层构造。

2.2.1 地球物理勘探布置

地球物理勘探基本网度为线距50m，高密度视电阻率法点距5m，多波地震映像点距0.5m，瞬态而波点距3m。与此同时，还在房屋密集的区域分布不规律的测网。

在1：5000地形图上设计地球物理勘探测线，每条测线每50m用全站仪实测一个地球物理勘探点位控制点。除此之外，还需要在区域现场进行位置标记，而剩余地球物理勘探点位则通过皮尺、测绳量距加密[4]。

2.2.2 高密度视电阻率法工作方法及效果

工作方法：采用重庆地质仪器厂产DUK- II高密度测量系统，并在岩溶塌陷坑上方布置试验剖面(109线)，同时使用不同的装置与参数与其作对比。最终选定单边三极装置，点距5m，观测18层数据，无穷远极垂直测线方向，极距在500m以上。勘查基本网度为线距50m，点距5m，并在灾情较为严重的区线距加密至20m。室内则把野外搜集的数据信息输入计算机中，和野外记录经核对之后，借助RES2DIV软件开始正反演计算，从而获得彩色正反演视电阻率断面图。

地质效果：对于本次的灾情处理而言，高密度视电阻率法扮演着主要地球物理勘探方法的重要作用，不管是在查清场区岩溶分布特征还是在隐伏断裂断造问题上都获得了良好的效果。

2.2.3 瞬态面波方法及效果

工作方法：采用6道3.5Hz检波器接收，8m偏移距，道间距1m，人工锤击震源，全通滤波。通过使用面波测探映像处理软件对野外所收集的资料信息进行滤波抑制干扰，之后再在时间-空间域提取面波，并在时间-频率域圈出面波基阶模态能量峰，最终合成频散数据文件。

瞬态面波勘察土洞、松散土体效果：土洞上方面波频散曲线被中断，无深部信息，如下图4(a)所示，岩溶裂隙发育部位或松散土体上部，频散曲线在4m以下位置出现速度倒转、离散，如下图4(b)所示，在正常区，面波频散曲线完整且连续，无太大的速度倒转，而波速度较大如下图4(c)所示。

2.2.4 地质雷达方法及效果

工作方法：采用瑞典产RAMAC/GPR地质雷达，50MHz不屏蔽天线与250MHz屏蔽天线，50MHz天线采样率694MHz，250MHz天线采样频率1948MHz，采样长度均为512个样点。50MHz天线设置在拟保护对象外围，在短时间内对浅部隐伏溶沟、溶槽与上部隐伏土洞进行勘查，勘查深度通常为15米[5]。250MHz天线设置在保护对象

············位置内来勘查隐伏土洞，勘查深度保持在5m。地质雷达用于勘查隐伏浅部岩溶与土洞有着良好的效果。

地质雷达勘察效果：岩溶发育段，反射电磁波同相轴不连续，能量衰减较为显著；在正常段，反射电磁波同相轴连续、清晰。这时就能够看到隐伏土洞抛物线状的反射弧，而按照这些特点便可划出岩溶或土洞的边界。与此同时，根据物理知识，将地质雷达观测图像的反射波的时间换算成深度便能够获得岩溶的埋深。

3 结语

综上所示，地球物理勘探是一种间接探测方法，物探设备并不直接反应地下的结构构造和性质，而是利用他们的差异用采集的数据间接的进行推测，从而通过物探测量到的是各种场值的大小，推测地质结构的物理性质。地球物理勘探工作通常都会受到多种因素的干扰，具有很多不确定性和多解性，因此实施切实有效的对策来排除干扰，从而保证地球物理勘探工作的质量十分必要。可采用物探与工程地质调查测绘以及钻探进行组合，或者根据实际进行多种地球物理勘探方法技术的组合，使其劣势互补、映证，减弱多方面干扰所带来的负面影响，最终实现解释精度的提升。同时由于地球物理勘探方法相对成本较低，因此通过采用工程地质调查测绘、物探和钻探综合勘察措施的组合或采用不同地球物理勘探方法的组合，对优化了工程钻探工作量，节约勘察工期和成本，提高勘察质量具有十分重要的意义。

[1]工程地质手册(第四版),2007(02):525-527.

[2]刘春来,度先国,黄连美,等.地下氧气测量推断隐伏断层走向[J].地球物理勘探与化探,2011(02):226-229.

[3]张连伟,唐筱眸,周海滨.跨孔地震CT在井间岩溶勘察中的应用[J].铁道勘察,2011(02):66-69.

[4]汪兴旺,杨勤海,孙党生,等.岩溶探测中井间地震波层析成像的应用[J].地球物理勘探与化探,2008(01):105-108.

[5]邱庆程,李伟和.跨孔地震CT层析成像在岩溶勘察中的应用[J].地球物理勘探与化探,2011(03):236-240.