胡俊杰，彭青陽，徐洪苗

(安徽工程勘察院，安徽 合肥 230011)

1 引 言

在垃圾填埋場建設(shè)的過程中,填埋場的選址是最為關(guān)鍵的步驟，必須對選址區(qū)域的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及環(huán)境地質(zhì)等進行詳細的勘查和綜合評價。垃圾填埋場場址應(yīng)選在滲透性弱的巖、土層區(qū)域，場地基礎(chǔ)巖性應(yīng)對有害物質(zhì)的運移、擴散具有一定的阻滯力，場地應(yīng)避開斷層活動帶、構(gòu)造破壞帶、地震活動帶、石灰?guī)r巖溶發(fā)育帶及含礦帶等區(qū)域；因此，需要查明選址區(qū)域是否有斷裂構(gòu)造、巖溶等不良地質(zhì)體分布。物探因其高效、經(jīng)濟、無損等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用。在垃圾填埋場選址勘查中采用綜合物探方法，利用多物性基礎(chǔ)、多參數(shù)成果進行綜合分析，可減小物探解譯的多解性，提高物探成果的準確性。

本次垃圾填埋場選址勘查中投入高密度電阻率法、瞬變電磁及微動三種方法，每一種方法都有各自的優(yōu)缺點。高密度電法采用陣列布極，同時完成縱、橫雙向二維勘探過程，工作效率高，數(shù)據(jù)量豐富[1,2]，對斷裂構(gòu)造反映較好，因體積勘探效應(yīng)，對規(guī)模較小的裂隙及巖溶分辨率較差；瞬變電磁法(TEM)屬于時間域電磁感應(yīng)法，體積效應(yīng)小、對低阻良導(dǎo)體反映敏感、縱橫向分辨率高等特點[3]，彌補了高密度電阻率法分辨率不足的短板；微動，無需震源，頻率成分豐富，受場地限制小，抗干擾能力強，以橫波速度差異為基礎(chǔ)，區(qū)分地層的速度結(jié)構(gòu)，圈定低速異常[4]。

2 地質(zhì)概況及地球物理條件

2.1 地質(zhì)概況

勘查區(qū)地層由志留系及奧陶系組成，部分前第四系地層隱伏于第四系地層之下，少量零星出露，具體描述為：①第四系上更新統(tǒng)洪坡積，巖性為粉質(zhì)黏土、黏土、碎石土，含少量鐵錳結(jié)核及高嶺土團塊，局部夾少量全-強風(fēng)化白云石灰?guī)r碎屑及碎塊。②志留系下統(tǒng)高家邊組，巖性為千枚狀粉砂泥質(zhì)板巖夾千枚狀頁巖、頁巖、硅質(zhì)頁巖、板巖。③奧陶系下統(tǒng)侖山組，巖性為灰?guī)r，前期鉆探揭露，該層巖溶發(fā)育，地下以溶蝕裂隙、晶洞、溶洞為主。

圖1 區(qū)域地質(zhì)及物探工作布置示意圖Fig.1 The map of regional geological and geophysics work layout

2.2 查區(qū)物性特征

根據(jù)物性參數(shù)，第四系地層相對于志留系下統(tǒng)高家邊組的千枚狀板巖及奧陶系下統(tǒng)侖山組(O1l)的灰?guī)r表現(xiàn)為低電阻率、低彈性波速特征。視電阻率值及彈性波速值由大到小依此為：石灰?guī)r、白云巖、千枚狀板巖、第四系。完整基巖的電阻率較高，在構(gòu)造裂隙或巖溶發(fā)育的地段，由于基巖破碎或巖溶發(fā)育充填黏土、碎石土或水時，其物性特征表現(xiàn)為低電阻率、低彈性波速。這是本次開展綜合物探方法的前提條件。

表1 主要介質(zhì)物性參數(shù)

3 綜合物探方法

3.1 高密度電法

高密度電法與常規(guī)電阻率法的基本工作原理相同，以地下介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，研究人工源施加電場的作用下，地下傳導(dǎo)電流的變化分布規(guī)律，以達到探測地下導(dǎo)電地質(zhì)體的特性及分布特征[3-6]。它具有一次陣列布極，完成縱、橫雙向高分辨率二維勘探過程，既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化，同時又能提供地層巖性沿縱向的電性變化情況，具有數(shù)據(jù)量豐富，分辨率高等特點[7]。本次高密度電法采用溫納-施倫貝爾裝置，兼顧縱向分辨率及深部一次電位信號，點距5 m，隔離系數(shù)1～39，電極數(shù)120根，長剖面采用滾動測量方式進行。

3.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法(TEM)的工作原理是通過不接地回線(磁源)或接地長導(dǎo)線(電偶源)向地下發(fā)送一次脈沖電磁場，當(dāng)突然切斷發(fā)射回路中的穩(wěn)定電流后，根據(jù)電磁感應(yīng)理論，發(fā)射回路中的電流突然變化，必將在其周圍產(chǎn)生磁場，該磁場為一次磁場；一次磁場在向周圍傳播過程中，如遇到地下的良導(dǎo)電的地質(zhì)體，將向其內(nèi)部激發(fā)產(chǎn)生感應(yīng)電流，又稱渦流或二次電流，由于二次電流隨時間變化，因而又在其周圍產(chǎn)生新的磁場，為二次磁場，由地面的接收回線接收二次磁場，該二次磁場的變化將反映地下地質(zhì)體的電性分布情況[8-11]。由于該方法是純二次場觀測，故與其他電性方法相比，體積效應(yīng)小、縱橫向分辨率高、對低阻反映敏感等特點[12-17]。

3.3 天然源面波(微動)

天然源面波，即微動是一種沒有特定震源的微弱振動，它是由體波和面波組成的復(fù)雜振動，并且面波的能量占比70%以上[4,18-20]。微動中的面波信息與地殼淺部介質(zhì)密切相關(guān)，通過數(shù)據(jù)分析，提取微動信號中的的頻散信息，進而得到地下介質(zhì)的速度結(jié)構(gòu)分布信息[21-24]。本次微動測量采用三重圓臺陣布置，臺陣半徑5 m、10 m、20 m，采樣頻率250 Hz，每個點采樣時間30～40 min。

4 物探異常特征及分析

4.1 高密度電阻率法異常特征及解釋

在測區(qū)內(nèi)布置3條高密度電阻率剖面，目的是了解測區(qū)內(nèi)的電性分布特征及有無斷裂構(gòu)造分布。根據(jù)高密度X-Z方向立體成果圖(圖2)，測區(qū)內(nèi)電性特征整體表現(xiàn)為縱向由淺到深視電阻率值呈低-高的趨勢，第四系覆蓋層與灰?guī)r的層位反映很清晰；在高程27～12 m深度范圍內(nèi)，電阻率值為20～80 Ω·m，呈低阻反映，解釋為第四系覆蓋層(Q)的反映；在高程15～-64 m范圍內(nèi)，電阻率值為80～500 Ω·m，呈高阻反映，解釋推測為奧陶系下統(tǒng)侖山組(O1l)灰?guī)r的反映；根據(jù)高密度電法成果，測區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的斷裂構(gòu)造分布?？梢钥闯?，高密度電法對本區(qū)地層層位反映很清晰，因自身體積勘探效應(yīng)的影響，對本次規(guī)模較小的巖溶分辨率不夠，反映較差。

圖2 高密度電阻率法X-Z垂直立體圖Fig.2 The X-Z vertical diagram of multi-electrode resistivity method

4.2 微動異常特征及解釋

測區(qū)內(nèi)又投入微動工作，目的是以波速差異為基礎(chǔ)圈定溶洞的分布范圍，配合高密度電阻率法、瞬變電磁等工作，進行多方法查證，減少單一物探方法的多解性。根據(jù)4條微動剖面的X-Z方向立體成果圖(圖3)，淺部VS呈低值反映，深部VS呈高值反映，整個斷面的層位清晰，反映出了測區(qū)內(nèi)地層的整體變化特點。在高程32～8 m范圍內(nèi)，VS=200～500 m/s呈低速反映，解釋為第四系(Q)覆蓋層的反映；在高程10～-80 m范圍內(nèi)，VS大于500 m/s呈高速反映，解釋為奧陶系下統(tǒng)侖山組(O1l)灰?guī)r的反映。在第四系覆蓋層與灰?guī)r接觸面附近，出現(xiàn)多個低速閉合圈狀異常反映，與瞬變電磁剖面的低阻異常區(qū)相吻合，解釋推測為溶洞的反映。相對于高密度電阻率法，微動在地層分層方面兩者成果相吻合，但在溶洞反映的效果上要明顯優(yōu)于前者。

圖3 微動X-Z垂直立體圖Fig.3 The X-Z vertical diagram of microtremor

4.3 瞬變電磁法異常特征及解釋

測區(qū)內(nèi)投入瞬變電磁法，目的是查明測區(qū)內(nèi)巖溶的分布范圍及規(guī)模。根據(jù)7條瞬變電磁剖面的X-Z方向立體成果圖(圖4)，測區(qū)內(nèi)電性特征表現(xiàn)為縱向由淺到深視電阻率值呈低-高的趨勢，與高密度電阻率成果相吻合，在淺部等值線比較平緩，視電阻率值10～80 Ω·m為低阻反映，解釋推測為第四系(Q)覆蓋層的反映；在剖面的中深部，視電阻率值為80～300 Ω·m為高阻反映，結(jié)合地質(zhì)資料，解釋推測為奧陶系下統(tǒng)侖山組(O1l)灰?guī)r的反映。在第四系覆蓋層與灰?guī)r接觸面附近(高程14～6 m)，出現(xiàn)多個低阻閉合圈狀異常，解釋推測為溶洞的異常反映，溶洞平面分布無大面積連通現(xiàn)象，水平方向連通性一般，異常主要影響深度在高程-20 m以上。綜合微動、瞬變電磁法成果資料，兩者異常位置相吻合，異常類型相一致，對巖溶的勘探效果較好。

為研究整個測區(qū)內(nèi)巖溶的展布情況，將瞬變電磁成果繪制成X-Y水平切片圖(圖5)，可以更為清晰地看出巖溶在平面的分布以及不同深度的延展情況。根據(jù)瞬變電磁X-Y水平切片圖，場地范圍內(nèi)巖溶主要分布在第四系覆蓋層與灰?guī)r接觸面附近，平面分布無大面積連通現(xiàn)象，局部范圍內(nèi)巖溶成群分布，但水平連通性較差。根據(jù)本次探測成果，溶洞呈低阻-低速綜合異常類型反映，解釋溶洞內(nèi)有流塑、軟塑性物質(zhì)充填。

4.4 物探綜合異常與鉆探驗證

根據(jù)30線綜合剖面圖，測區(qū)地層整體表現(xiàn)為縱向由淺到深視電阻率值、橫波速度值呈低-高的趨勢。在淺部等值線比較平緩，視電阻率值10～80 Ω·m，橫波速度值200～500 m/s呈低電阻率-低速度異常模式反映，厚度7～15 m，解釋推測為第四系(Q)覆蓋層的反映；在剖面的中深部，視電阻率值為80～220 Ω·m，橫波速度值500～2 200 m/s呈高電阻率-高速度異常模式反映，解釋推測為奧陶系下統(tǒng)侖山組(O1l)灰?guī)r的反映。在剖面的100、140～148、240～255、270、285～300號點處呈低阻-低速閉合圈狀異常反映，解釋推測為溶洞的反映，且溶洞內(nèi)有流塑、軟塑性物質(zhì)充填。

圖5 TEM X-Y水平切片F(xiàn)ig.5 The X-Y horizontal slice figure of the TEM

根據(jù)30線綜合物探成果，在144、294號點布置兩個驗證鉆孔分別為CZK21、CZK27，孔深分別為34.7 m、38.4 m，兩孔分別在21.3～25.5 m處、24～29.2 m處揭露到溶洞，且溶洞內(nèi)有軟塑-可塑狀黏性土充填，局部含有碎石角礫，與物探解譯的低阻-低速閉合圈狀異常相吻合。同時可以看出，因體積勘探效應(yīng)的影響，相比于微動、瞬變電磁法，高密度電法對本次巖溶的分辨率不夠，反映較差。

根據(jù)物探綜合異常，設(shè)計9個鉆探孔進行驗證，將鉆探驗證成果與物探解釋異常進行關(guān)聯(lián)統(tǒng)計、對比分析，由表2可以發(fā)現(xiàn)，9個鉆探驗證孔中，僅CZK14、CZK26孔沒有揭露到巖溶，其余7個驗證孔均揭露到巖溶，本次鉆探驗證成果與物探解釋成果基本吻合，綜合物探異常準確率達77.8 %。

圖6 30線綜合剖面圖與鉆探驗證成果Fig.6 The comprehensive profile of line 30 and drilling verification results

表2 鉆探驗證與物探解釋異常對比

5 結(jié) 論

1)根據(jù)本次綜合物探成果及鉆探驗證成果的對比分析，本次綜合物探方法直觀、準確地揭露出垃圾填埋場選址區(qū)內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)及溶洞的發(fā)育形態(tài)、分布范圍，為下一步的設(shè)計、施工，提供重要參考價值及指導(dǎo)性意義。

2)本次物探工作中，高密度電阻率法對地層層位反映很清晰，受體積勘探效應(yīng)的影響，對規(guī)模較小的巖溶分辨率較差；瞬變電磁法對低阻反映靈敏，能準確地圈定低阻異常中心，對異常形態(tài)反映欠佳；微動受體積效應(yīng)影響小，縱、橫向分辨率高，對溶洞反映的效果較好。

3)在勘探精度要求相對較高的情況下，綜合物探方法相比較單一物探方法，具有多物性基礎(chǔ)、多參數(shù)成果等特點，大大地降低了單一物探方法的局限性及多解性，從不同角度對異常進行綜合分析，使探測結(jié)果的準確性得到了很大的提高。