楊成

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司,四川成都 610061)

地球物理勘探方法在巖溶勘察中的組合應(yīng)用淺析

楊成

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司,四川成都 610061)

巖溶是可溶性巖石在水的溶蝕作用下,產(chǎn)生的各種地質(zhì)作用、形態(tài)和現(xiàn)象的總稱。對于現(xiàn)階段的巖溶勘察工作而言,各種地球物理勘探方法發(fā)揮著非常重要的作用,本文則以碳酸鹽巖地區(qū)為例,結(jié)合工程實例淺析了地球物理勘探方法與其他勘察手段的組合應(yīng)用、以及不同地球物理勘探手段之間的組合應(yīng)用,從而對地球物理勘探方法在巖溶勘察中的組合應(yīng)用在提升巖溶勘察工作的質(zhì)量上的意義進(jìn)行了總結(jié)。

巖溶 地球物理勘探 高密度電阻率法 勘察 組合應(yīng)用

在目前的眾多巖溶勘察方法中，地球物理勘探方法憑借著自身快速、低成本的優(yōu)勢占據(jù)著十分重要的地位，然而不管是哪種地球物理勘探方法，均受到了一定的應(yīng)用要求約束，同時還有一定的不確定性和多解性，正是因為如此，地球物理勘探方法的應(yīng)用才會受到影響，造成其應(yīng)用結(jié)果的精度與準(zhǔn)確度都有多偏低?；诖?，若在巖溶勘察中采用物探與工程地質(zhì)調(diào)查測繪以及鉆探進(jìn)行組合應(yīng)用，或者采用不同地球物理勘探方法組合應(yīng)用，即根據(jù)實際進(jìn)行多種地球物理勘探方法技術(shù)的組合，通過組合應(yīng)用，使其優(yōu)勢互補，對提升地球物理勘探資料的精度，提高巖溶勘察質(zhì)量，有著十分重要的意義。

1 地球物理勘探方法的組合應(yīng)用的工作基礎(chǔ)和組合方式

1.1 地球物理勘探方法的工作基礎(chǔ)

巖溶發(fā)育的最重要前提條件就是具有可溶性的巖層，在我國各類可溶性巖石中，碳酸鹽巖類巖石的分布范圍占有絕對優(yōu)勢[1]。本文主要在分析碳酸鹽巖地區(qū)各種地質(zhì)體的物性差異的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實例淺析了地球物理勘探方法與其他勘察手段的組合應(yīng)用、以及不同地球物理勘探手段之間的組合應(yīng)用。各類地質(zhì)體視電阻率參數(shù)和電磁參數(shù)及彈性波速度參數(shù)統(tǒng)計如圖1、圖2所示。

圖1 視電阻率參數(shù)統(tǒng)計

圖2 電磁參數(shù)及彈性波速度參數(shù)統(tǒng)計

通過上圖1、圖2可知，粘土、灰?guī)r與巖溶裂隙帶間存在著較大的電阻率、電磁波速度與彈性波速度差異，這給電法、淺層地震勘察及地質(zhì)雷達(dá)等地球物理勘探方法的應(yīng)用奠定了良好的物理基礎(chǔ)[2]。

物探方法具有勘探范圍大、對地層擾動小、簡單、方便、適應(yīng)性強、簡單快捷、成本低等優(yōu)點，特別是最近幾年，我國新興了一個新直流電法勘察方法，即高密度電阻率法，并在全國范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，這種地球物理勘探方法和其他電法相比，其優(yōu)勢在于效率高、采集信息量大以及解譯精度高等方面。所以，高密度電阻率法是巖溶勘察工作中一項突出的地球物理勘探方法，隱伏土洞的出現(xiàn)與發(fā)展是引發(fā)巖溶地地表塌陷的導(dǎo)火索，能夠危及到人的生命安全與財產(chǎn)安全，而在解決這一問題上，多波地震映像、瞬態(tài)而波等手段有著非常明顯的效果，且測線不會受到地形地物的影響。因此不同物探方法具有各自的優(yōu)勢，同時工程地質(zhì)測繪與調(diào)查、工程鉆探等勘察手段具有勘察精度高、并具有綜合功能(取樣、水文地質(zhì)試驗、灌漿試驗等)，因此，不同勘察手段的不同特點，通過組合，可達(dá)到良好的優(yōu)勢互補，這為地球物理勘探方法在巖溶勘察中的組合應(yīng)用奠定了良好的配合基礎(chǔ)。

1.2 地球物理勘探方法的組合方式

圖3 高密度電法剖面與地質(zhì)剖面查明的地質(zhì)界線對應(yīng)關(guān)系圖

圖4 瞬態(tài)面波頻散曲線

通過工程實例發(fā)現(xiàn)，地球物理勘探方法在巖溶勘察中的組合應(yīng)用主要包括物探與其他勘察受段的組合，以及不同地球物理勘探方法的組合，通過相互配合、矯正、釋疑，達(dá)到劣勢互補、映證，減弱多方面干擾所帶來的負(fù)面影響，最終實現(xiàn)物探解釋精度的提升，同時由于地球物理勘探方法相對成本較低，因此通過組合應(yīng)用，對優(yōu)化了工程鉆探工作量，節(jié)約勘察工期和成本，提高勘察質(zhì)量具有十分重要的意義。

2 工程實例

2.1 地球物理勘探方法與其他勘探方法的組合應(yīng)用工程實例

國內(nèi)某民用機場位于碳酸鹽巖地區(qū)，由于機場建設(shè)場地范圍較大，2014年1月，為查明工程范圍及有影響地段的地表巖溶和隱伏的地下巖溶的形態(tài)及分布特征，同時采用了地球物理勘探、工程地質(zhì)調(diào)查與測繪以及工程鉆探等多種勘察方法進(jìn)行組合勘察，通過地球物理勘探方法與其他勘探方法的相互配合、矯正、釋疑，查明了場地的工程地質(zhì)條件和巖溶發(fā)育特征，同時還大大優(yōu)化了工程鉆探工作量，節(jié)約了勘察工期和成本，提高了勘察質(zhì)量。

2.1.1 場地工程地質(zhì)條件概述

在勘察區(qū)域內(nèi)，地表土層主要為人工填土和耕土，下覆基巖主要為白云巖，地表土層電阻率主要受含水率的影響，當(dāng)含水率較高時，在電阻率相對較低，當(dāng)含水率較低時，電阻率相對較高；白云巖溶蝕發(fā)育或破碎區(qū)域，溶蝕溝壑或洞穴等被填充后，電阻率相對較低，當(dāng)未被填充，電阻率相對較高，這些地下巖土電性差異為用高密度視電阻率法進(jìn)行勘察創(chuàng)造了條件，為確定地層的分布狀況提供了地球物理測量前提。

2.1.2 高密度視電阻率法工作方法及效果

工作方法：為了發(fā)揮物探工作在工程勘察中的作用，更好、更快、更準(zhǔn)確地了解場地工程地質(zhì)條件，該勘察工作選用了高密度視電阻率法，儀器選用WGMD-3型高密度視電阻率法測量系統(tǒng)(包括WDZJ-3多路電極轉(zhuǎn)換器)，通過在地表剖面線上同時布設(shè)30或60根電極，并在一組或兩組電極上供電，快速高效地完成多種電極模式、不同電極距的設(shè)置，以采集到地下不同地點、不同深度的視電阻率值，再對蘊含有各種地質(zhì)體信息的視電阻率值，用計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、解釋及成圖，從而推演出地質(zhì)體的范圍、形狀和分布特征。

地質(zhì)效果：對于本次勘察工作而言，通過高密度視電阻率法，并結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查與測繪，基本查明場地地表視電阻率變化較大，與地表階地、巖石風(fēng)化后形成的復(fù)蓋層厚度、地下水及巖體完整性程度有關(guān)，地下無深大隱伏性巖溶，這同時為下一步的鉆探工作優(yōu)化提供了基礎(chǔ)，并提高了鉆探工作的針對性。

2.1.3 高密度視電阻率法異常的復(fù)核驗證

本次勘察中，在結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查與測繪，并進(jìn)行高密度視電阻率法測試后，物探班組提出以下三點異常：

(1)有三條物探剖面發(fā)現(xiàn)局部地段存在明顯視電阻率變化分界線，推測該界限兩側(cè)巖體電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，同時局部地表的顯示低阻異常，應(yīng)查明其原因；

(2)局部地表顯示低阻異常，應(yīng)查明其原因；

(3)有一條剖面部分地段30m深度范圍均內(nèi)視電阻率均較低，且通過鉆孔波速測試顯示，巖體完整性較差，應(yīng)查明其原因。

根據(jù)該情況，勘察班組再次進(jìn)行了工程地質(zhì)調(diào)查與測繪，并補充了部分位置的工程鉆探工作，并對以上兩點做出以下分析解釋：

(1)有三條物探剖面發(fā)現(xiàn)局部地段存在明顯視電阻率變化分界線，主要是由于兩邊分別為兩個時代的地層，地層性質(zhì)不同所致(圖3)；

(2)局部地表的低阻異常根據(jù)已有鉆孔和補充鉆孔驗證，主要是由于地表局部覆蓋層厚度較大以及地表巖溶裂隙發(fā)育，充填紅粘土導(dǎo)致；

(3)根據(jù)已有鉆孔和補充鉆孔驗證，某剖面部分地段30m深度范圍均內(nèi)視電阻率均較低，且通過鉆孔波速測試顯示，巖體完整性較差，主要是由于該段地表巖溶相對發(fā)育，地表覆蓋較厚的紅粘土和耕土導(dǎo)致，下伏巖體鉆探結(jié)果均較完整，無明顯溶蝕現(xiàn)象。

綜上所述，通過補充鉆探和補充調(diào)查的復(fù)核驗證查明：物探高密度視電阻率法測試結(jié)果與補充鉆探、補充調(diào)查結(jié)果相符，物探高密度視電阻率法測試提出的兩點異常主要是由于場地實際地質(zhì)條件造成，高密度視電阻率法測試正確反應(yīng)了場地實際的地質(zhì)情況。

2.2 不同地球物理勘探方法組合應(yīng)用的工程實例

2013年12月，國內(nèi)某煤礦出現(xiàn)礦坑突水事故，造成煤礦附近的大量農(nóng)田出現(xiàn)地面干裂、下陷以及房屋斷裂等多種問題。截止到2014年1月，已發(fā)現(xiàn)62個塌坑，而規(guī)模最大的為21.3×20m，塌坑深度最深達(dá)6.8米[3]。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生后，當(dāng)?shù)啬晨睖y部門在第一時間內(nèi)展開了勘察工作，通過采用高密度電阻率法、瞬態(tài)面波以及地質(zhì)雷達(dá)等不同地球物理勘探方法的組合應(yīng)用，詳細(xì)獲得了該區(qū)域地層巖性、厚度、分布特征以及透水性等相關(guān)資料，同時還掌握了影響巖溶發(fā)展的隱伏斷層構(gòu)造。

2.2.1 地球物理勘探布置

地球物理勘探基本網(wǎng)度為線距50m，高密度視電阻率法點距5m，多波地震映像點距0.5m，瞬態(tài)而波點距3m。與此同時，還在房屋密集的區(qū)域分布不規(guī)律的測網(wǎng)。

在1：5000地形圖上設(shè)計地球物理勘探測線，每條測線每50m用全站儀實測一個地球物理勘探點位控制點。除此之外，還需要在區(qū)域現(xiàn)場進(jìn)行位置標(biāo)記，而剩余地球物理勘探點位則通過皮尺、測繩量距加密[4]。

2.2.2 高密度視電阻率法工作方法及效果

工作方法：采用重慶地質(zhì)儀器廠產(chǎn)DUK- II高密度測量系統(tǒng)，并在巖溶塌陷坑上方布置試驗剖面(109線)，同時使用不同的裝置與參數(shù)與其作對比。最終選定單邊三極裝置，點距5m，觀測18層數(shù)據(jù)，無窮遠(yuǎn)極垂直測線方向，極距在500m以上?？辈榛揪W(wǎng)度為線距50m，點距5m，并在災(zāi)情較為嚴(yán)重的區(qū)線距加密至20m。室內(nèi)則把野外搜集的數(shù)據(jù)信息輸入計算機中，和野外記錄經(jīng)核對之后，借助RES2DIV軟件開始正反演計算，從而獲得彩色正反演視電阻率斷面圖。

地質(zhì)效果：對于本次的災(zāi)情處理而言，高密度視電阻率法扮演著主要地球物理勘探方法的重要作用，不管是在查清場區(qū)巖溶分布特征還是在隱伏斷裂斷造問題上都獲得了良好的效果。

2.2.3 瞬態(tài)面波方法及效果

工作方法：采用6道3.5Hz檢波器接收，8m偏移距，道間距1m，人工錘擊震源，全通濾波。通過使用面波測探映像處理軟件對野外所收集的資料信息進(jìn)行濾波抑制干擾，之后再在時間-空間域提取面波，并在時間-頻率域圈出面波基階模態(tài)能量峰，最終合成頻散數(shù)據(jù)文件。

瞬態(tài)面波勘察土洞、松散土體效果：土洞上方面波頻散曲線被中斷，無深部信息，如下圖4(a)所示，巖溶裂隙發(fā)育部位或松散土體上部，頻散曲線在4m以下位置出現(xiàn)速度倒轉(zhuǎn)、離散，如下圖4(b)所示，在正常區(qū)，面波頻散曲線完整且連續(xù)，無太大的速度倒轉(zhuǎn)，而波速度較大如下圖4(c)所示。

2.2.4 地質(zhì)雷達(dá)方法及效果

工作方法：采用瑞典產(chǎn)RAMAC/GPR地質(zhì)雷達(dá)，50MHz不屏蔽天線與250MHz屏蔽天線，50MHz天線采樣率694MHz，250MHz天線采樣頻率1948MHz，采樣長度均為512個樣點。50MHz天線設(shè)置在擬保護(hù)對象外圍，在短時間內(nèi)對淺部隱伏溶溝、溶槽與上部隱伏土洞進(jìn)行勘查，勘查深度通常為15米[5]。250MHz天線設(shè)置在保護(hù)對象

············位置內(nèi)來勘查隱伏土洞，勘查深度保持在5m。地質(zhì)雷達(dá)用于勘查隱伏淺部巖溶與土洞有著良好的效果。

地質(zhì)雷達(dá)勘察效果：巖溶發(fā)育段，反射電磁波同相軸不連續(xù)，能量衰減較為顯著；在正常段，反射電磁波同相軸連續(xù)、清晰。這時就能夠看到隱伏土洞拋物線狀的反射弧，而按照這些特點便可劃出巖溶或土洞的邊界。與此同時，根據(jù)物理知識，將地質(zhì)雷達(dá)觀測圖像的反射波的時間換算成深度便能夠獲得巖溶的埋深。

3 結(jié)語

綜上所示，地球物理勘探是一種間接探測方法，物探設(shè)備并不直接反應(yīng)地下的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和性質(zhì)，而是利用他們的差異用采集的數(shù)據(jù)間接的進(jìn)行推測，從而通過物探測量到的是各種場值的大小，推測地質(zhì)結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)。地球物理勘探工作通常都會受到多種因素的干擾，具有很多不確定性和多解性，因此實施切實有效的對策來排除干擾，從而保證地球物理勘探工作的質(zhì)量十分必要?？刹捎梦锾脚c工程地質(zhì)調(diào)查測繪以及鉆探進(jìn)行組合，或者根據(jù)實際進(jìn)行多種地球物理勘探方法技術(shù)的組合，使其劣勢互補、映證，減弱多方面干擾所帶來的負(fù)面影響，最終實現(xiàn)解釋精度的提升。同時由于地球物理勘探方法相對成本較低，因此通過采用工程地質(zhì)調(diào)查測繪、物探和鉆探綜合勘察措施的組合或采用不同地球物理勘探方法的組合，對優(yōu)化了工程鉆探工作量，節(jié)約勘察工期和成本，提高勘察質(zhì)量具有十分重要的意義。

[1]工程地質(zhì)手冊(第四版),2007(02):525-527.

[2]劉春來,度先國,黃連美,等.地下氧氣測量推斷隱伏斷層走向[J].地球物理勘探與化探,2011(02):226-229.

[3]張連偉,唐筱眸,周海濱.跨孔地震CT在井間巖溶勘察中的應(yīng)用[J].鐵道勘察,2011(02):66-69.

[4]汪興旺,楊勤海,孫黨生,等.巖溶探測中井間地震波層析成像的應(yīng)用[J].地球物理勘探與化探,2008(01):105-108.

[5]邱慶程,李偉和.跨孔地震CT層析成像在巖溶勘察中的應(yīng)用[J].地球物理勘探與化探,2011(03):236-240.