彭青陽(yáng)，徐洪苗，胡俊杰，段春龍

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局327地質(zhì)隊(duì)，安徽合肥 230011）

0 引言

工程領(lǐng)域中巖溶、裂隙發(fā)育，大部分巖溶、裂隙可視為不良地質(zhì)體，這種不良地質(zhì)體可引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。巖溶、基巖裂隙發(fā)育的存在易引起地基形變、地基不均勻沉降、地基滑動(dòng)和地面塌陷[1-2]。近年來(lái)，隨著國(guó)家的發(fā)展和進(jìn)步，工程建設(shè)不斷發(fā)展和深入，成為了關(guān)系民生的重要項(xiàng)目，而不斷發(fā)生的工程事故已經(jīng)嚴(yán)重威脅到人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全，所以對(duì)于工程災(zāi)害的預(yù)防越來(lái)越重要[3]。但由于在較小特定的范圍內(nèi)，不良地質(zhì)體發(fā)育具有不確定性、隨機(jī)性及隱蔽性，給區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)體的分布及其發(fā)育情況的詳查帶來(lái)很大的困擾，而僅依靠鉆探方法難以達(dá)到理想的效果[4]。

探測(cè)不良地質(zhì)體多以物探為主，結(jié)合鉆探驗(yàn)證。目前，主要方法有高密度電法、瞬變電磁法、探地雷達(dá)法、人工源瞬態(tài)面波及淺層地震勘探。雖然探測(cè)不良地質(zhì)體的物探方法有很多種，但各有優(yōu)缺點(diǎn)，近年來(lái)高密度電阻率法在探測(cè)采空區(qū)及地面塌陷區(qū)方面廣泛應(yīng)用，其顯著特點(diǎn)是施工快捷、節(jié)約成本、數(shù)據(jù)量大、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、圖像直觀，但其探測(cè)深度僅限于中淺部，且對(duì)地形條件要求較高[5]；瞬變電磁法具有探測(cè)成本低、工作效率高、受地形影響小、能穿透高阻覆蓋層等優(yōu)勢(shì)，但存在淺部探測(cè)盲區(qū)[6-7]；探地雷達(dá)法工作效率和精度較高，但探測(cè)深度有限[8]；人工源瞬態(tài)面波對(duì)場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)，主頻一般幾到幾十赫茲，淺層分辨率高，操作簡(jiǎn)單，處理方便，但受能量限制，勘探深度較淺；能量較強(qiáng)的人工震源在城市勘察中不便施工[9-11]。

1 物探方法

1.1 高密度電法

高密度電法的基本工作原理與常規(guī)電阻率法大體相同，以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)，采用一次陣列布極方式，利用程控多路轉(zhuǎn)換器和微機(jī)電位儀組合方式，實(shí)行不同裝置類(lèi)型和不同極距的斷面或立體視電阻率測(cè)量，兼顧了電阻率剖面和電阻率測(cè)深法，達(dá)到斷面或立體勘查的目的。

1.2 人工源瞬態(tài)面波勘探

人工源瞬態(tài)面波勘探是利用瑞雷波的特征進(jìn)行勘探。彈性波理論分析表明，在層狀介質(zhì)中，瑞雷波是由SV 波與P 波干涉而形成，其能量主要集中在介質(zhì)表面附近，能量的衰減與R1/2成正比（R為傳播距離），比體波（P 波和S 波）衰減慢得多。傳播過(guò)程中，介質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為長(zhǎng)軸垂直于地面、逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的極化橢圓，并以高度約1 個(gè)波長(zhǎng)（λR）的圓柱體為波前面向外擴(kuò)散傳播。

1.3 探地雷達(dá)法

探地雷達(dá)法是利用探地雷達(dá)發(fā)射天線向目標(biāo)體發(fā)射高頻脈沖電磁波，由接收天線接收目標(biāo)體的反射電磁波，探測(cè)目標(biāo)體空間位置和分布的一種地球物理探測(cè)方法。其實(shí)際是利用目標(biāo)體及周?chē)橘|(zhì)電磁波的反射特性，對(duì)目標(biāo)體內(nèi)部的構(gòu)造和缺陷（或其他不均勻體）進(jìn)行探測(cè)。

2 工程實(shí)例

江蘇某廢棄礦坑修復(fù)旅游綜合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目用地由目前已廢棄的兩個(gè)礦坑宕口和周邊部分農(nóng)田構(gòu)成。礦區(qū)始建于20 世紀(jì)五六十年代，主要開(kāi)采建筑石材，經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采形成2 個(gè)直徑為500~600 m 的深坑，坑深90 m 左右，2009—2010 年石材礦停止開(kāi)采，礦坑廢棄，坑內(nèi)自然積水。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，本次物探工作擬投入高密度電法、人工源瞬態(tài)面波勘探及探地雷達(dá)法三種方法，查明基巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其完整破碎程度。

2.1 測(cè)區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景

測(cè)區(qū)處于揚(yáng)子地塊下?lián)P子構(gòu)造活動(dòng)帶的東段，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，印支期褶皺和燕山期巖漿、斷裂作用奠定了本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造基本格架。測(cè)區(qū)出露地層，由上到下依次為第四系全新統(tǒng)（Q4）黏土、石炭系上統(tǒng)船山組（C3c）灰?guī)r、石炭系中統(tǒng)黃龍組（C2h）灰?guī)r、石炭系下統(tǒng)高驪山組（C1g）泥質(zhì)砂巖。

2.2 測(cè)區(qū)工程地質(zhì)條件

測(cè)區(qū)巖層巖性為石炭系的中厚層狀灰?guī)r，產(chǎn)狀平緩，平均抗壓強(qiáng)度為120 MPa，工程地質(zhì)條件較好。但由于巖性堅(jiān)脆，時(shí)代較老，歷史開(kāi)采坡面較陡，近地表附近垂直節(jié)理發(fā)育，常形成較多的溶溝、石芽，這些因素影響了山坡的穩(wěn)定性，易發(fā)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

2.3 測(cè)區(qū)地球物理特征

地球物理?xiàng)l件是開(kāi)展物探工作的基礎(chǔ)，場(chǎng)地地形條件是順利開(kāi)展物探工作的保證，不同的物探方法對(duì)地形地質(zhì)條件有不同的要求。

2.3.1 電阻率及電性層

測(cè)區(qū)第四系黏土、粉質(zhì)黏土的電阻率相對(duì)于石炭系上統(tǒng)船山組（C3c）的灰?guī)r及侵入體花崗斑巖表現(xiàn)為低阻特征。視電阻率值由大到小依次為灰?guī)r、花崗斑巖、第四系。完整基巖的電阻率較高，在構(gòu)造裂隙或巖溶裂隙發(fā)育地段，由于基巖破碎或巖溶發(fā)育充填黏性土，電性差異會(huì)比較明顯。

2.3.2 電磁參數(shù)

探地雷達(dá)是通過(guò)脈沖電磁波在地下的輻射、散射和反射所攜帶的地下電磁參數(shù)來(lái)判斷地下目標(biāo)的分布與存在。

表1 列舉的常見(jiàn)地質(zhì)體的電磁波速參數(shù)差異較大，有利于地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)。

表1 常見(jiàn)介質(zhì)物理參數(shù)Table 1. Physical parameter of common medium

2.3.3 剪切波速

根據(jù)測(cè)區(qū)前期的勘察資料，黏土、粉質(zhì)黏土及碎石土的剪切波速Vs值為130~500 m/s，灰?guī)r、花崗斑巖的剪切波速Vs值為700~15 000 m/s。

綜上所述，測(cè)區(qū)具備高采用密度電法、探地雷達(dá)法及人工源瞬態(tài)面波勘探的地球物理?xiàng)l件，為本次利用工程物探手段進(jìn)行巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和圍巖穩(wěn)定性調(diào)查提供了地球物理前提。

2.4 野外工作布設(shè)

本次外業(yè)工作總共布置了：高密度電法剖面共3 條，點(diǎn)距為5 m；面波勘探剖面共4條，主要沿采坑壁周?chē)荚O(shè)；探地雷達(dá)剖面10條，沿采坑壁周?chē)荚O(shè)，局部地段沿著坑壁布設(shè)。

2.5 高密度電法6線異常特征及地質(zhì)解釋

根據(jù)6 線高密度反演斷面圖（圖1）可以看出，斷面整體縱向電阻率表現(xiàn)為由低向高的變化趨勢(shì)。在淺部0~15 m深度范圍內(nèi)，ρs=50~150 Ω·m，根據(jù)地質(zhì)資料，解釋推斷為第四系覆蓋層（Q4）的反映；下伏基巖主要為石炭系上統(tǒng)船山組（C3c）灰?guī)r；在剖面250~330 號(hào)點(diǎn)的中深部及330~415 號(hào)點(diǎn)中上部，ρs=150~500 Ω·m，呈低阻半閉合狀異常反映，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料，解釋推斷為花崗斑巖的反映。

圖1 6線高密度電法綜合斷面圖Figure 1. Line 6 high-density electrical composite cross-section

在剖面的385號(hào)、415號(hào)點(diǎn)附近布置了2個(gè)物探驗(yàn)證孔G7、G8，其鉆孔分層分別如下：

G7：0.0～5.6 m，雜填土；5.6～14.0 m，中風(fēng)化灰?guī)r。

G8：0.0～0.4 m，雜填土；0.4～6.8 m，花崗斑巖殘積土；6.8～43.5 m，花崗斑巖；43.5～49.0 m，中風(fēng)化灰?guī)r。從鉆孔編錄可以看出，物探解譯與鉆孔資料吻合度較高。

在G7、G8 兩孔上做了2 個(gè)面波勘探點(diǎn)，現(xiàn)將面波驗(yàn)證對(duì)比如下：

從G7 面波反演分層圖（圖2）上看，Vs分層與鉆孔分層基本一致，Vs反演分層較詳細(xì)，Vs值從淺到深依次遞增，解釋推測(cè)淺部低速層為雜填土的反映，深部為石炭系上統(tǒng)船山組（C3c）灰?guī)r，基巖較完整。

圖2 G7鉆孔面波反演分層圖Figure 2. Borehole G7 surface wave inversion layered diagram

從G8 面波反演分層圖（圖3）上看，Vs分層與鉆孔分層基本一致，Vs反演分層較詳細(xì)，Vs值從淺到深逐漸增加，淺部低速層為雜填土的反映；在深度6.45～35.87 m 范圍內(nèi)，部分層位呈相對(duì)低速反映，結(jié)合地質(zhì)及鉆孔資料，解釋為花崗斑巖巖體不均勻性引起的反映；深部Vs值依次遞增，解釋為石炭系上統(tǒng)船山組（C3c）灰?guī)r，基巖較完整。

圖3 G8鉆孔面波反演分層圖Figure 3. Borehole G8 surface wave inversion layered diagram

2.6 探地雷達(dá)剖面異常特征及地質(zhì)解釋

本次探地雷達(dá)主要是在采坑壁的周邊實(shí)施，局部地段沿著坑壁布設(shè)，主要目的是查明采坑壁附近圍巖的穩(wěn)定性狀況。

從L11線探地雷達(dá)剖面圖（圖4）來(lái)看，在剖面0～15 m中上部雷達(dá)信號(hào)出現(xiàn)信號(hào)異常反映，根據(jù)地質(zhì)資料，解釋推斷為基巖裂隙較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差；在剖面14～16 m 及38～39 m 中深部雷達(dá)信號(hào)出現(xiàn)信號(hào)異常反映，根據(jù)地質(zhì)資料，解釋推測(cè)為基巖裂隙較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差。

圖4 L11線地質(zhì)雷達(dá)剖面Figure 4. Line 11 geological radar profile

3 結(jié)論與建議

（1）通過(guò)研究總結(jié)，高密度電法、人工源瞬態(tài)面波勘探及探地雷達(dá)法在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中是較有效、便捷的地球物理方法。

（2）高密度電法對(duì)查找地質(zhì)構(gòu)造、巖性變化效果較好，且快速、便捷，但對(duì)規(guī)模較小的裂隙難以區(qū)分；面波勘探對(duì)基巖裂隙發(fā)育及不均勻巖體分辨率較好，但難以區(qū)分巖性變化；探地雷達(dá)對(duì)淺表部基巖裂隙分辨率較高，異常形態(tài)清晰，但勘探深度有限。建議后期此類(lèi)項(xiàng)目，應(yīng)根據(jù)目的任務(wù)及現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇合適的物探手段。