張金純，王海燕，廖海吉

(1.桂林市勘察設計研究院，廣西 桂林 541002；2.桂林理工大學博文管理學院，廣西 桂林 541006；3.廣西壯族自治區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測總站，廣西 桂林 541004)

地球物理方法在巖溶勘察區(qū)中的綜合應用

張金純1，王海燕2，廖海吉3

(1.桂林市勘察設計研究院，廣西 桂林 541002；2.桂林理工大學博文管理學院，廣西 桂林 541006；3.廣西壯族自治區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測總站，廣西 桂林 541004)

[摘要]以喀斯特地貌著稱的桂林隨著“特大城市”的建設，巖溶的地基問題必然成為工程建設中的突出問題。為探明場地內巖溶或者破碎帶的位置、走向、規(guī)模等不良地質現(xiàn)象的存在狀況，我們使用高密度電阻率法、地震反射波映像法、瑞利面波法相結合的綜合地球物理勘查，達到相互驗證、相互補充的作用，并經過鉆探驗證，為建筑的設計及施工提供參考價值，同時為消除建設工程隱患提供一定的依據(jù)。

[關鍵詞]地球物理；高密度電阻率法；地震反射波映像法；瑞利面波法；巖溶勘察

享有山水甲天下之美譽的“風景如畫的山水古城”—桂林，在保護漓江的同時，多方面實現(xiàn)了歷史性的跨越，而“十二五”規(guī)劃綱要中“特大城市”建設的提出，更是給這片承東啟西、貫通南北、集聚天然優(yōu)勢的宜居之地，注入了新的血液，使桂林市的“城市建設、交通基礎設施建設、園區(qū)建設、城鄉(xiāng)風貌建設”為重點的“四大建設”得以大力推進。

然而桂林在地貌單元上屬于喀斯特地貌，地質構造上處于北東向、南北向構造復合部位，受壓、扭性擠壓構造作用，節(jié)理裂隙發(fā)育，是典型的巖溶峰林平原和峰叢谷地洼地，下伏巖溶強烈發(fā)育，所以常常造成地基沉降、滑動和塌陷等巖溶地質危害[1-3]。隨著“特大城市”的建設，越來越多的工程建設就不可避免的落基于巖溶發(fā)育的地段上，那么巖溶的地基問題就成為工程建設中的突出問題。為探明場地內的覆蓋層厚度，巖溶發(fā)育情況和分布規(guī)律，可能存在的斷層或破碎帶的位置、產狀、走向、規(guī)模等不良地質現(xiàn)象的存在狀況，采用高密度電阻率法[4-6]、地震反射波映像法[7-8]、瑞利面波法[9]相結合的綜合地球物理方法進行勘查，并經過鉆探驗證，為消除建設工程隱患提供一定的依據(jù)。

1巖溶地區(qū)的物性特征

桂林熱帶巖溶地貌分布面積達2 452 km2， 還綿延至區(qū)外，其巖溶地貌可分二大類， 即純巖溶和半巖溶地貌，以純巖溶地貌為主。純巖溶地貌又可分為峰叢洼地、峰林( 叢) 谷地二個類型和多個亞類，它們發(fā)育都非常深化而典型、齊全而配套，是我國乃至全世界熱帶巖溶的典型代表，被稱為“中國式”或“桂林式”巖溶。

巖溶地區(qū)的巖土體電阻率隨巖性、風化程度及巖石破碎程度的不同存在一定差異。第四系覆蓋層由于松散富水，電阻率一般較低，而基巖視電阻率較高，所以溶洞、巖溶裂隙與基巖之間存在明顯的電性差異，見表1；第四系、粘土和被充填的溶洞、裂隙等共同構成了低速層， 低速層與中風化(微風化)基巖之間形成了良好的速度分界面，根據(jù)表1可知，溶洞、巖溶裂隙與基巖之間存在明顯的波阻抗差異。

表1　測區(qū)部分巖石物理參數(shù)常見值

2地球物理方法

2.1高密度電阻率法

高密度電阻率法是集電剖面和電測深為一體采用高密度布點，進行二維地電斷面測量的一種電阻率法勘查技術。實際上是一種陣列布置、以巖土電性差異為基礎的一類電法勘探，通過電極向地下供電形成人工電場，測量時，AM=MN=NB=AB/3為一個電極間距，A、B、M、N同步向右移動，得到第一層深度的剖面線如圖1；AM、MN、NB增大一個電極距，A、B、M、N同步向右移動，得到第二層深度的剖面線；以此類推，隨著隔離系數(shù)的增大，測點數(shù)逐漸減少，測點在斷面上的分布呈倒三角形。通過對地表不同部位人工電場的掃描測量，得到視電阻率斷面圖像，推斷地下介質的情況。其提供的數(shù)據(jù)量大、信息多，并且觀測精度高、速度快，近年來應用越來越廣泛，尤其在灰?guī)r地區(qū)尋找土洞、溶洞及構造破碎帶相當有效。

圖1　高密度α裝置測量示意圖

數(shù)據(jù)采集時采用對稱四極α排列裝置，電極距為3 m，隔離系數(shù)(即數(shù)據(jù)測試的層數(shù))為16。根據(jù)場不能突變的原則，相鄰數(shù)據(jù)點不能突變，在數(shù)據(jù)處理過程前先對個別數(shù)據(jù)畸變點進行圓滑處理，但保持電阻率曲線的總體趨勢不變，數(shù)據(jù)處理完后再進行數(shù)據(jù)格式轉換和地形改正，然后利用二維高密度電法反演程序進行反演，繪制高密度電法實測、正反演視電阻率等值線斷面圖。

2.2地震反射波映像法

地震映像探測以地下介質間的波阻抗差異為前提，它是利用人工激發(fā)的地震波在彈性不同的介質內傳播規(guī)律來勘探地下的地質情況。等偏移地震反射波映像探測法是激發(fā)點與接收點的距離保持一定，沿剖面逐點移動進行測試。當界面水平時，反射點的位置正好在記錄點上，每次激發(fā)的反射波傳播時間不變，同相軸為直線。當界面深度發(fā)生變化時，反射波的傳播時間會發(fā)生變化，如在斷層兩側表現(xiàn)為突變；如果是傾斜界面，反射點的位置會偏離記錄點向界面的上傾方向移動。一般根據(jù)反射波同相軸的變化情況定性推斷界面的起伏情況，根據(jù)反射界面上的介質速度計算深度。

根據(jù)在場地內進行的P波信噪調查結果，地震波映像探測采用的等偏移距為10 m，采樣時間為200 μs，采樣長度4 096點/道，點距為2 m，垂直檢波器中心頻率為14 Hz，以22磅的大錘作為震波信號激發(fā)的震源。

該方法對于淺部的橫向地質結構變化反映靈敏，在數(shù)據(jù)處理時采用時頻分析[6]。通過分析反射波的動力學特征、波的到達時間、振幅和頻率特性，可以判定地下不同介質特性的變化，構造的延展范圍，介質松軟狀況等地層、巖性或構造方面的信息。

2.3瞬態(tài)瑞利面波法

瞬態(tài)瑞利面波法是以瑞利波的理論為基礎，即利用瞬態(tài)沖擊力做震源激發(fā)面波。隨著傳播深度的增加，振幅呈指數(shù)規(guī)律衰減，其能量主要耗散在二分之一波長的深度內。瑞利面波具有頻散特征，根據(jù)地面振動的瞬態(tài)相位，能確定瑞利面波傳播的相速度，利用以上特征，在地面沿測線布設檢波器，接收面波信號，運用數(shù)學方法對面波信號進行處理和頻譜分析，可得到其頻散曲線，由頻散曲線就可得到地下不同介質分界面的深度。

面波勘探的共炮點排列選用12個地震道，采用10 m、5 m、2 m的偏移距、1 m的道間距進行探測。采樣時間為500 μs，采樣長度2 048點/道。面波勘探采用中心頻率為4 Hz的垂直檢波器作傳感器，采用22磅的大錘作為震波信號激發(fā)的震源。

圖2(a)　4-4’號線高密度電法反演剖面圖

圖2(b)　4-4’號線反射波映像剖面圖

圖2　(c)45 m處瑞利面波頻散曲線圖

圖2　(d)95 m處瑞利面波頻散曲線圖

3資料分析與成果解釋

從4-4’號測線的高密度電法反演剖面圖2(a)可看出在45～63 m處，視電阻率較低，存在明顯橢圓形的低阻異常特征；從該線反射波映像時間剖面圖2(b)可見，45～60 m處出現(xiàn)同相軸錯斷，波組相位不連續(xù)，能量降低，并有低頻波形出現(xiàn)；而且圖2(c)和圖2(d)顯示，從該線45 m和95 m處兩個面波點頻散曲線圖可知，兩點處均出現(xiàn)“之”字形異常說明中間有低速層存在，而且根據(jù)“之”字形異常出現(xiàn)的深度，可判斷在45 m處位置低速層的深度位置大概在8～24 m，在95 m處位置低速層的深度位置大概在7～13 m。根據(jù)地球物理異常特征進行綜合分析，認為：該異常由溶洞、溶蝕裂隙等引起，該區(qū)溶蝕裂隙、溶洞發(fā)育深度一般在7～25 m之間，覆蓋層厚度一般在7～9 m之間。

圖3(a)　5-5’號線高密度電法反演剖面圖

圖3(b)　5-5’號線反射波映像剖面圖

圖3(c)　瑞利面波頻散曲線圖

根據(jù)鉆孔資料，在該剖面60 m處的CK26號鉆孔自上而下分別為0～3.8 m為細砂、卵石，3.8～7.6為石灰?guī)r，7.6～10.3 m出現(xiàn)溶洞，洞內為卵、礫石或流塑狀態(tài)粉質粘土充填, 10.3 m以下為基巖面石灰?guī)r。

從5-5’號測線的高密度電法反演剖面圖3(a)可看出在110 m、132～138 m以及148 m處，視電阻率較低，存在“U”字形的低阻異常特征；從該線反射波映像時間剖面圖3(b)可見，110 m、135 m以及145 m附近出現(xiàn)同相軸錯斷，波組相位不連續(xù)等特征；而且從該剖面132 m處的面波點頻散曲線圖3(c)可知，該處地層中存在低速層，而且根據(jù)“之”字形異常出現(xiàn)的深度，推斷在低速層的深度位置大概在9～12 m。根據(jù)地球物理異常特征進行綜合分析，推斷該異常由溶洞或巖溶裂隙等引起，該區(qū)溶蝕裂隙、溶洞發(fā)育深度一般在10～15 m之間。

根據(jù)鉆孔資料，在該剖面135 m處的CK24號鉆孔自上而下分別為0～7.4 m為細砂、卵石，7.4～11.2 m為石灰?guī)r，11.2～13.8 m出現(xiàn)有礫石及流塑狀態(tài)粉質粘土充填的溶洞, 13.8～30 m為完整的基巖面。

4結語

在工程地球物理方法中，高密度電阻率法是一種快速有效方法，在工程勘察中已廣泛應用，但是由于它的解釋是根據(jù)異常區(qū)與圍巖之間電阻率差異來判斷的，相對整個測線斷面而言，電阻率的變化是一個漸變過程，而鉆探僅僅局限在一個很小的點，所以高密度電阻率法解釋的溶洞深度與鉆探揭露的深度是有一定的差異的。

用地震映像探測溶洞，可得到明顯的異常，而且反射波勘探可以到達較大的深度，但是各種技術參數(shù)的選擇會影響探測效果，關鍵是根據(jù)干擾波調查剖面確定最佳偏移局，必要時要在一個工地上，需要在具有不同地質條件的地方多做幾個試驗剖面。

頻散曲線反映了面波排列范圍內面波相速度隨深度的變化，因此，根據(jù)不同的頻散曲線，可推斷相應的層狀大地模型。而且當存在軟弱夾層時，頻散曲線出現(xiàn)“之”字形異常的深度大致對應軟弱夾層的深度位置。

利用同一地質現(xiàn)象不同方面的物理性質, 采取了不同方法, 通過鉆探驗證取得了一定的效果。綜合地球物理方法的使用, 能夠互相驗證, 克服單一方法的局限性，增大結果的準確度，為消除建設工程隱患提供一定的依據(jù)。

參考文獻

[1]劉金榮,袁道先,梁耀成，等. 桂林熱帶巖溶地貌特點及其科學價值[J].中國巖溶.2001, 20(2): 137-139.

[2]龔克,鄧春風,劉聲偉. 桂林喀斯特區(qū)與世界遺產“中國南方卡斯特”對比分析[J].資源與產業(yè).2010，12(5): 146-152.

[3]周靠山,黃雁洪. 桂林巖溶地區(qū)橋梁巖土工程勘查技術探討[J]. 科技資訊.2010,22: 50.

[4]程志平. 電法勘探教程. 北京: 冶金工業(yè)出版社.2007, 20～32.

[5]丁榮盛,張殿成,王仕昌，等. 高密度電阻率法和地震映像法在采空區(qū)勘查中的應用[J].地球物理與化探.2010, 34(6): 732-736.

[6]劉國興. 電法勘探原理與方法[M].北京: 地質出版社.2005.

[7]單娜林,程志平,劉云禎.北京:冶金工業(yè)出版社.2006,122-150.

[8]單娜琳,程志平,丁彥禮.地震映像數(shù)據(jù)的時頻分析方法及應用[J].地球物理學進展.2007,22(6):1740-1745.

[9]楊成林. 瑞雷波勘探[M]. 北京: 地質出版社.1993.

The Intigrated Application of Geophysical Exploration Methods In the Karst Survey Area

ZHANG Jin-chun1，WANG Hai-yan2，LIAO Hai-ji3

(1.Guilin Research Institute of Reconnaissance Designing, Guilin 541002, China；2.Bowen Management School, Guilin Science and Technology University Guilin 541006, Guangxi；3.General Station Geological Unvironment Monitoring in Guangxi Guilin 541004, Guangxi)

Abstract:With the construction of the “mega-citiy”, Guilin, which is famous for karst, faces the karst hazard. In order to get solution for the problem, we need to position the location, strike, and scale etc. of karst caves or fractured zone by using resistivity imaging, seismic reflection and Rayleigh wave methods，which are complement and supported each other. With the drilling verification, the results from integrated survey can provide a basic data for building design and construction to prevent some potential hazards.

Key words:Geophysics；resistivity imaging；Seismic reflection；Rayleigh wave method and Karst exploration

[收稿日期]2016-03-21

[作者簡介]張金純(1987-)，男，山東鄆城人，助理工程師，主要從事工程地質、水文地質、巖土工程及地質災害方面的工作。

[中圖分類號]P642.25

[文獻標識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)03-0125-03