肖坤林，閆國(guó)鈺，賈小杰，張 揚(yáng)

（中國(guó)冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071000）

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重心逐步向西南轉(zhuǎn)移，巖溶發(fā)育、構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)地質(zhì)特征對(duì)公路、鐵路路基橋隧建設(shè)影響巨大。因此，對(duì)上述地區(qū)開(kāi)展針對(duì)性的物探技術(shù)有效性試驗(yàn)研究迫在眉睫[1]。

目前，由于西南山脈縱橫，構(gòu)造發(fā)育，水量充沛，溶洞不規(guī)則且連片發(fā)育，構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致的裂隙帶和構(gòu)造破碎帶進(jìn)一步貫通了不同深度、時(shí)期的地下水，進(jìn)一步加劇了上述地區(qū)巖溶發(fā)育程度，使得該地區(qū)巖溶具有縱向呈現(xiàn)串珠狀、橫向連片，形態(tài)上不規(guī)則的特點(diǎn)。鑒于此種特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)意義上依靠鉆探、地質(zhì)調(diào)查和單一物探手段輔助的勘察方案難以準(zhǔn)確描述地下巖溶發(fā)育特征，而云貴高原山脈縱橫、切割劇烈的地貌特征，也極大的限制了眾多物探技術(shù)手段在該地區(qū)的應(yīng)用，進(jìn)一步增加了物探勘察的難度[2]。

為此，本文選擇可控源音頻大地電磁法、高密度電測(cè)深法作為試驗(yàn)技術(shù)，在該區(qū)域巖溶發(fā)育典型地區(qū)開(kāi)展物探勘察作業(yè)，通過(guò)工程實(shí)例，論證兩種電法技術(shù)的適應(yīng)性和有效性，為后續(xù)工程勘察的順利進(jìn)行提供科學(xué)依據(jù)。

1 工作原理及方法

1.1 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁（CSAMT）法是利用人工場(chǎng)源激發(fā)地下巖石，在電流流過(guò)時(shí)產(chǎn)生的電位差，接收不同供電頻率形成的總場(chǎng)電位，由于不同頻率的場(chǎng)在地層中的傳播深度不同，所反映深度也就與頻率構(gòu)成一個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系，不同電導(dǎo)率的巖石在電磁場(chǎng)的激勵(lì)下產(chǎn)生的二次場(chǎng)是不同的[3]。本次物探工作采用標(biāo)量測(cè)量方式，選用V8 System 2000 系統(tǒng)開(kāi)展數(shù)據(jù)采集工作。

1.2 高密度電法

高密度電法是傳統(tǒng)直流電阻率測(cè)深法和剖面法的綜合應(yīng)用。高密度電法即高密度電阻率法，是以巖、土導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)，通過(guò)一次布設(shè)電極，可實(shí)現(xiàn)多種電極排列方式的掃描測(cè)量，從而獲得較豐富的關(guān)于地電斷面結(jié)構(gòu)特征的地質(zhì)信息[4，5]。本次采用賽盈地脈技術(shù)有限公司生產(chǎn)的分布式高密度電法系統(tǒng)，以常用溫納—斯倫貝謝爾排列方法進(jìn)行。

2 綜合物探剖面探測(cè)應(yīng)用及討論

2.1 工區(qū)地層特征

本次工區(qū)位于云貴高原西南云貴兩省交界處，第四系覆蓋層以紅色黏土為主，厚度大致在10m ～40m 之間，基巖為二疊系下統(tǒng)梁山-棲霞組、茅口組灰、深灰色中至厚層狀灰?guī)r，燧石團(tuán)塊灰?guī)r，局部夾雜泥巖，偶含有煤線。工區(qū)灰?guī)r溶蝕普遍發(fā)育，裸露于地表的天然溶洞隨處可見(jiàn)，且該地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，斷層裂隙發(fā)育，導(dǎo)致地下水系發(fā)達(dá)，進(jìn)一步促進(jìn)灰?guī)r溶蝕發(fā)育同時(shí)，也導(dǎo)致工區(qū)基巖破碎，完整性較差。

測(cè)線沿線共有四個(gè)已知鉆孔，其中K3、K4 錄井資料及聲波測(cè)井曲線資料如圖1 所示，從圖中可看出，聲波測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)和已知鉆孔資料吻合度很好，本地區(qū)溶蝕比較發(fā)育，巖體完整性較差。

圖1 K3 和K4 錄井柱狀圖及聲波測(cè)井曲線

2.2 工區(qū)地質(zhì)、地形及人文干擾條件

本區(qū)地質(zhì)、地形及人文條件對(duì)物探勘察存在如下不利條件：①表層局部地段基巖出露或多為孤石，不利于電極的埋置，影響接收效果。②地形切割嚴(yán)重也會(huì)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致假異常的產(chǎn)生或真異常的消失，給解釋工作帶來(lái)較大困難。③局部地區(qū)線路上方或附近有高壓線，會(huì)造成電磁干擾，給大地電磁外業(yè)采集和解釋工作帶來(lái)較大的困難。

研究以上地質(zhì)、地形與地球物理?xiàng)l件，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定應(yīng)對(duì)措施如下：①在遇到表層不利于電極埋置的地方，通過(guò)采取措施，如在電極位置放置黃土，保證電極與地面耦合好；②此次物探工區(qū)大部分為山地地貌，地形起伏大且坡度陡，為保證成果的解釋精度，應(yīng)保證水平距離的精度同時(shí)記錄地形的突變的情況，以用作地形校正。③此次物探測(cè)線部分地段會(huì)穿過(guò)公路和高壓線，為保證成果得解釋精度，應(yīng)記錄好可能干擾段的具體位置，以便后面分析數(shù)據(jù)時(shí)能綜合解譯。

2.3 斷面解釋

2.3.1 解釋依據(jù)

根據(jù)電阻率正演模擬結(jié)果可知，電阻率等值線的變化反映了地下電性層變化特征，是實(shí)際巖層電阻率特性的宏觀響應(yīng)。地下溶洞由于成因環(huán)境不同，同時(shí)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，從而在縱向和橫向上產(chǎn)生視電阻率的變化；此外，溶洞視電阻率值不僅與地層構(gòu)成成分、成因有關(guān)，還與其巖石顆粒大小、致密程度、含水量有關(guān)，研究這些物性特征，可以推斷地下溶洞的展布規(guī)律、斷層構(gòu)造、富水性等。

在反演電阻率斷面圖上，電阻率等值線密集陡直（橫向梯度變化較大），彎曲變形，說(shuō)明在該處存在不均勻地質(zhì)體，此區(qū)域往往是溶洞發(fā)育區(qū)所在。密集帶往往是斷層、節(jié)理裂隙帶等構(gòu)造或不同電性地層的分界處。應(yīng)注意到同一巖石的電阻率值會(huì)隨著巖石自身的破碎程度、富水程度等有不同的變化，所以實(shí)際情況會(huì)比較復(fù)雜。

綜合電阻率等值線斷面圖以及地調(diào)資料，對(duì)巖體的破碎、軟弱、風(fēng)化程度或含水情況進(jìn)行判釋。

（1）根據(jù)電阻率值大小，并考慮地層巖性等因素，將低阻異常判釋為破碎、軟弱或溶洞發(fā)育區(qū)的反映；高阻背景值中的條帶狀相對(duì)低阻異常則被判釋為斷層破碎帶；電阻率值較高且分布較均勻的高阻區(qū)域則對(duì)應(yīng)為較完整巖體。

（2）依據(jù)電阻率斷面圖上電阻率異常的等值線型態(tài)及走向趨勢(shì)確定地下溶洞，斷裂帶的邊界。

2.3.2 剖面解釋

高密度電法解釋剖面圖如圖2 所示，剖面整體以中低阻為主，地表分布有連片高阻，應(yīng)為地表基巖裸露所致。剖面形態(tài)整體呈現(xiàn)中低阻相間、低阻區(qū)呈團(tuán)狀發(fā)育。依據(jù)以往解釋經(jīng)驗(yàn)，全封閉的低阻異常區(qū)為地下巖溶連片發(fā)育導(dǎo)致，密集過(guò)渡帶則顯示為構(gòu)造裂隙帶發(fā)育，往往也是溶洞發(fā)育邊界所在。其中，里程號(hào)2070 點(diǎn)附近為K1 鉆孔的位置，藍(lán)色圈內(nèi)為溶蝕發(fā)育區(qū)，電性特征為明顯的低阻圈閉，鉆孔資料顯示，在深度21m ～26m 范圍內(nèi)發(fā)育有溶洞。里程號(hào)2270 點(diǎn)附近為K2 鉆孔的位置，電性特征為明顯的等值線密集過(guò)渡帶，其左右兩邊為明顯的低阻圈閉，鉆孔資料顯示在深度14m ～17m 范圍內(nèi)為裂隙密集帶。

圖2 高密度電法解釋剖面圖

可控源音頻大地電磁法解釋剖面圖如圖3 所示，紅色圈內(nèi)為溶蝕發(fā)育區(qū)，藍(lán)色圓圈內(nèi)為裂隙發(fā)育區(qū)，剖面整體呈現(xiàn)由淺入深、電阻由低到高的趨勢(shì)，部分地區(qū)低阻和高阻區(qū)相間分布。其中，里程號(hào)4660 點(diǎn)附近為K3 鉆孔的位置，鉆孔資料顯示在深度8m ～30m，75m ～85m 范圍內(nèi)發(fā)育有溶洞；在深度90m ～110m 范圍內(nèi)為裂隙密集帶。里程號(hào)4850 點(diǎn)附近為K4 鉆孔的位置，鉆孔資料顯示在深度26m ～33m，135m ～138m 范圍內(nèi)發(fā)育有溶洞；在深度80m ～100m，115m ～130m 范圍內(nèi)為裂隙密集帶，K3，K4 井鉆遇溶洞充填物多為粉砂、碎石，部分無(wú)充填，且含水性不均一。如解釋剖面圖所示，斷裂密集帶的電性特征為電阻率等值線密集發(fā)育帶，溶洞的電性特征則顯示為較大范圍的半封閉的低阻異常區(qū)。通過(guò)綜合分析鉆遇溶洞充填特征及此類方法特點(diǎn)，認(rèn)為形成這類異常的原因有兩條：一、是溶洞內(nèi)部充填物質(zhì)不均一，含水性不同導(dǎo)致其內(nèi)部上下層電性特征不統(tǒng)一，二、則是由于該類方法為一單點(diǎn)測(cè)深類方法，所以其對(duì)溶洞水平發(fā)育特征的刻畫(huà)能力受限于其點(diǎn)距，難以以全封閉的低阻異常區(qū)刻畫(huà)溶洞。

圖3 可控源音頻大地電磁資料解釋剖面圖

2.4 綜合討論

從圖2、圖3 來(lái)看，由于高密度法和可控源音頻大地電磁法在基本原理、數(shù)據(jù)采集方式有較大的區(qū)別，二者的反演結(jié)果也存在明顯不同。

從探測(cè)深度來(lái)看，可控源音頻大地電磁法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，對(duì)地表以下300m 處電性異常體也有反映，而高密度電法則由于電極最大間距的限制而難以開(kāi)展深部電性異常體探測(cè)作業(yè)。從勘察分辨率來(lái)看，高密度電法在淺部明顯優(yōu)于可控源音頻大地電磁法，然而隨著勘察深度的增加，其縱向、橫向分辨率明顯下降。而可控源音頻大地電磁法除去對(duì)深部電性異常體反映靈敏，對(duì)淺部電性異常體也有一定的分辨力，尤其在基巖裸露的山區(qū)開(kāi)展的電性勘探，使用該技術(shù)可以有效的穿透地表高阻層，準(zhǔn)確探測(cè)地下電性異常特征。

綜合以上分析，高密度電法和可控源音頻大地電磁法解釋研究區(qū)內(nèi)覆蓋型地下巖溶發(fā)育（溶洞）、裂隙發(fā)育帶和構(gòu)造破碎帶，其電性反應(yīng)為低阻異常，高密度電法對(duì)于淺地表電性異常體反映明顯，但受限于地表高阻層及地表起伏的影響，為保障電極接地條件，實(shí)際工作量巨大?？煽卦匆纛l大地電磁法則具有穿透高阻層的優(yōu)勢(shì)，更加適合在基巖裸露、構(gòu)造復(fù)雜的灰?guī)r地區(qū)開(kāi)展勘察工作，其對(duì)淺、中和深部電性異常體均有良好的反映。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）結(jié)合高密度電法和可控源音頻大地電磁法資料來(lái)看，研究區(qū)內(nèi)地下溶洞主要表現(xiàn)為低阻異常，其電阻率等值線形態(tài)以陡峭直立過(guò)渡帶和彎曲變形為主。

（2）結(jié)合鉆孔資料，分析對(duì)比兩種方法對(duì)不良地質(zhì)體反映程度表明：高密度電法對(duì)于劃分第四系覆蓋層厚度、地質(zhì)界面的分辨率要比可控源音頻大地電磁法高。可控源音頻大地電磁法對(duì)于深部的異常區(qū)，巖性分界線反映更清晰，且對(duì)淺、中深度范圍內(nèi)電性異常體也較為靈敏。但當(dāng)工區(qū)巖體的電阻率差異很大時(shí)，高密度電測(cè)深法對(duì)于埋深稍大的不良地質(zhì)體也有明顯的反映。

（3）綜合高密度電法和可控源音頻大地電磁法勘察結(jié)果而言，認(rèn)為在構(gòu)造復(fù)雜、基巖裸露的山區(qū)開(kāi)展地下溶洞勘察，可控源音頻大地電磁法可穿透高阻層、單點(diǎn)測(cè)量、探測(cè)深度大的優(yōu)勢(shì)使其更適合在此類地區(qū)開(kāi)展作業(yè)。