鄒浩 鄧子清 徐學(xué)貴

四川省核工業(yè)地質(zhì)局二八二大隊(duì) 四川 德陽(yáng) 618000

隨著工程建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的需要，越來越多的工程從平原、盆地逐漸向周緣山區(qū)轉(zhuǎn)移，以四川省為例，四川南部的道路建設(shè)和頁(yè)巖氣資源勘探開發(fā)在該區(qū)正加速建設(shè)和發(fā)展，而該區(qū)廣泛分布的灰?guī)r、泥灰?guī)r等可溶巖地層為發(fā)展帶來了新的挑戰(zhàn)，川南地區(qū)地雨水充沛、水系發(fā)達(dá)，加之地形起伏較大、為地表和地下水對(duì)巖石的溶蝕提供了充分條件，不可避免的引發(fā)了許多與巖溶相關(guān)的工程地質(zhì)和環(huán)境地質(zhì)問題。

在巖溶地區(qū)開展工程建設(shè)僅僅依賴于地表地質(zhì)調(diào)查和大間距調(diào)查鉆孔往往無(wú)法滿足勘察工作精度的需要，此時(shí)便需要一種相對(duì)便利快捷、準(zhǔn)確度高、適應(yīng)性好的勘察手段來探測(cè)不良地質(zhì)體。高密度電法具有分辨率高、成本低、施工快速、獲取的地質(zhì)成果直觀等特點(diǎn)，通過利用巖溶發(fā)育區(qū)與周邊圍巖存在的典型物性差異，能夠高效地探測(cè)出地表覆蓋物下的基巖面起伏和巖溶發(fā)育情況，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防和工程治理奠定基礎(chǔ)[1]。本文通過結(jié)合在川南巖溶地區(qū)管道線路勘察中的應(yīng)用實(shí)例，探測(cè)了該地區(qū)基巖面與巖溶的發(fā)育情況，取得了良好的探測(cè)效果。

1 方法原理

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，其工作原理與普通電阻率法基本一樣，仍然是以巖、土導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)，研究人工施加穩(wěn)定電流場(chǎng)的作用下地中傳導(dǎo)電流分部規(guī)律的一種電探方法。采用了多電極高密度一次布極并實(shí)現(xiàn)了跑極和數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化，通過程控式多路電極轉(zhuǎn)換器選擇不同的電極組合方式和不同的極距間隔，從而完成野外數(shù)據(jù)的快速采集。通過在供電電極A與B向地下輸入電流強(qiáng)度為I的供電電流，在測(cè)量電極M與N上測(cè)量電流I在介質(zhì)（地下土壤、巖石等）中產(chǎn)生的電位差ΔU來計(jì)算地下介質(zhì)的視電阻率ρs（如圖1所示）。

圖1 高密度電法勘探電極排列和擬斷面觀測(cè)序列示意圖

高密度電阻率法中不同裝置對(duì)地質(zhì)體的異常反映具有不同的特點(diǎn)，工作中常用的溫納裝罝受地形起伏、地表不均勻等干擾影響較小，雖然分辨力較低，但是該裝置勘探深度較大、異常形態(tài)簡(jiǎn)單、能有效的壓制干擾增強(qiáng)信噪比，實(shí)際應(yīng)用中綜合優(yōu)勢(shì)明顯[2]。

溫納裝置是一種特殊的四極裝置，工作模式見圖2，

圖2 溫納裝置跑極示意圖

供電電極內(nèi)側(cè)為測(cè)量電極，四個(gè)電極依次順序的距離相等，同一隔離系數(shù)所對(duì)應(yīng)的電極距相等，隨著隔離系數(shù)的增加，電極距也等間隔增加，該數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)量也隨之減少，該測(cè)量方式為剖面測(cè)量方式，所得斷面成果為倒梯形。

2 巖溶勘察實(shí)例

2.1 地質(zhì)背景與電性特征

2.1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

勘察區(qū)屬川南褶皺帶東西向構(gòu)造體系，地處鎮(zhèn)雄穹隆構(gòu)造之北，長(zhǎng)寧～雙河背斜東段末端，構(gòu)造線自北而南呈斜列形式，是“川黔東西向構(gòu)造體系”的組成部分。區(qū)內(nèi)未見活動(dòng)斷裂發(fā)育，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定[3]。

2.1.2 地層巖性

區(qū)內(nèi)地層主要為：第四系耕作土、素填土、粉質(zhì)粘土和塊石，三疊系下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)地層。其中嘉陵江組巖性要為灰色、灰黑色厚層狀灰?guī)r，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，夾白云巖、石膏、巖鹽、鈣質(zhì)頁(yè)巖等，主要為碳酸鹽礦物，巖體較破碎～完整，多分布于低山、中山、巖溶基巖出露區(qū)。

2.1.3 巖溶發(fā)育特征

根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪調(diào)查結(jié)果，擬建線路中段沿線巖溶地貌特征明顯，主要以半裸露-埋藏型的落水洞、漏斗、溶洞、溶溝（槽）等巖溶地貌特征出現(xiàn)，其中落水洞、漏斗、溶洞對(duì)工程的危害主要表現(xiàn)為巖溶塌陷，溶溝和溶槽對(duì)工程危害主要表現(xiàn)為管道埋藏在該區(qū)域內(nèi)會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降、地基滑動(dòng)等。溶蝕裂隙沿巖層傾向發(fā)育，沿垂直于巖層面方向較發(fā)育，基巖面變化起伏大，巖溶發(fā)育密度5～6個(gè)/km2，巖溶為強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。

2.1.4 電阻率特征

勘察區(qū)電阻率分布可分為以下兩層：（1）近地表不均勻?qū)印Ｓ傻谒南导盎鶐r上部強(qiáng)、中風(fēng)化殼構(gòu)成，地表多為粘土和亞粘土，往下有泥砂及碎石，夾巖溶遺留物，如小型石柱、小型巖溶空洞等。由于靠近第四系覆蓋層，巖溶空洞基本被泥、砂所充填。再往下為基巖強(qiáng)、中風(fēng)化殼，此層物質(zhì)組成不均勻，差異較大，孔隙度較大，保水性差，其高、低視電阻率異常大多呈點(diǎn)狀或圓狀雜亂分布，沒有明顯的規(guī)律。此層厚度一般為5-10m[4]。（2）穩(wěn)定基巖層。以灰?guī)r為主的完整基巖構(gòu)成，位于近地表不均勻?qū)右韵?，物質(zhì)組成均勻，巖性較為單一。其視電阻率一般在1000Ω·m以上，基本上表現(xiàn)為逐漸增大的梯級(jí)帶高阻異常。

2.2 異常識(shí)別特征

2.2.1 地表巖溶發(fā)育區(qū)

靠近地表的巖溶發(fā)育區(qū)多被泥、砂充填，其視電阻率特征和第四系相近，一般顯示為低阻特征，單靠視電阻率異常很難準(zhǔn)確區(qū)分，要結(jié)合鉆孔資料和實(shí)際情況具體分析；而在基巖面附近的巖溶發(fā)育區(qū)往往會(huì)被富水的泥、砂、塊石等物質(zhì)充填，上部與第四系的視電阻率特征較類似，但巖溶區(qū)下部所顯示的完整基巖面會(huì)有明顯下凹形態(tài)，大多呈圓狀或橢圓狀形態(tài)，與基巖的視電阻率存在較大差異，在一定程度上可以分辨。

2.2.2 基巖面以下的填充巖溶發(fā)育區(qū)

由于水流的作用也會(huì)大量被低阻物質(zhì)（泥、砂、水等）填充。通過模型正、反演結(jié)果可知（圖3）：被填充的巖溶區(qū)呈低電阻率的電性特征，與周邊圍巖的梯度變化明顯，電阻率峰值明顯低于周圍圍巖。此外延伸至地表的低阻異常，其異常寬度在完整基巖面附近會(huì)有明顯變化（收窄或變寬）[5]。

圖3 填充巖溶發(fā)育區(qū)正演模型

2.2.3 基巖面以下的空洞巖溶發(fā)育區(qū)

通過模型正、反演結(jié)果（圖4）可知：巖溶空洞區(qū)基本呈高電阻率的電性特征，以周邊圍巖在各個(gè)方向上的電阻率梯度變化明顯，有明顯的異常中心，其異常峰值高出圍巖數(shù)倍，異常大多呈封閉的圓形或橢圓形。

圖4 空洞巖溶發(fā)育區(qū)正演模型

2.2.4 完整基巖面

完整基巖面以上為耕植土、素填土、粉質(zhì)粘土、塊石和基巖強(qiáng)—中風(fēng)化殼，物質(zhì)成分較為復(fù)雜，視電阻率異常分布規(guī)律不明顯，電性特征總體呈低阻或相對(duì)低阻異常，局部夾零散點(diǎn)狀高阻區(qū)；完整基巖面以下為以灰?guī)r為主的基巖，物質(zhì)組成相對(duì)簡(jiǎn)單，視電阻率值由淺到深逐漸增大，呈較平緩的梯度變化帶[6]。

2.3 技術(shù)方法

本次使用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DZD-8多功能全波形直流電法儀進(jìn)行高密度電法的數(shù)據(jù)采集，高壓供電系統(tǒng)采用海南荷子科技研發(fā)的HZKJ-630型大容量鋰電池。在實(shí)際工作中，為應(yīng)對(duì)勘察區(qū)地形起伏較大、存在一定干擾等問題，工作中采用溫納四極裝置采集數(shù)據(jù)，此外為兼顧探測(cè)深度和橫向分辨率及施工效率，電極距設(shè)置為5m。

2.4 剖面異常解釋

2.4.1 L1線解釋推斷

L1線電阻率總體表現(xiàn)為兩層，從地表往下延伸電阻率表現(xiàn)為了中-高，淺部中阻層內(nèi)分布多個(gè)不均的低、高阻體；中部總體平穩(wěn)的高阻層，局部存在兩個(gè)低阻異常區(qū)域，其中DZ1-1低阻異常區(qū)域呈條帶形，埋深較深；DZ1-2低阻異常呈點(diǎn)狀，異常中心埋深約6m，異常半徑約2.9m。

結(jié)合地質(zhì)、地形以及異常形態(tài)進(jìn)行綜合分析解譯（圖5）可知：淺部不均勻電性層為耕植土內(nèi)所含不均勻物質(zhì)所引起，高阻體為塊狀巖石所引起；DZ1-1低阻異常寬約15m，頂部埋深約3～5m，推測(cè)為溶洞或裂隙發(fā)育區(qū)，異常中部為富水的泥、砂等低阻物質(zhì)所充填；DZ1-2低阻異常體推測(cè)為溶洞，經(jīng)過后期水流的作用被泥沙填充[7]。

圖5 L1線電阻率反演斷面與綜合解釋圖

DZ4-1、DZ1-2低阻異常體對(duì)應(yīng)位置與地表發(fā)現(xiàn)的落水洞LSD9、漏斗LD5空間位置較為吻合，且均位于溶洞低處，地勢(shì)具有良好的對(duì)應(yīng)性，推測(cè)該處異常與地表巖溶相連通。經(jīng)鉆探驗(yàn)證與推測(cè)情況較吻合，后期在管道敷設(shè)中采取、灌漿、搭橋等方式跨越該不良地質(zhì)體。

2.4.2 L2線解釋推斷

L2線道距為5m，共80道電極，剖面長(zhǎng)395m，該測(cè)線位于梯田內(nèi)。從測(cè)線反演圖（圖6）可知：電阻率總體表現(xiàn)為兩層，從地表往下延伸電阻率逐漸升高，淺部中阻層內(nèi)分布多個(gè)不均的低、高阻體；中部總體為平穩(wěn)的高阻層，局部存在條帶形低阻體，其中GZ2-1高阻異常呈點(diǎn)狀，異常中心埋深約20m，異常半徑約5.8m；GZ2-2高阻異常呈點(diǎn)狀，異常中心埋深約4.8m，異常半徑約2.3m。

圖6 L2線電阻率反演斷面與綜合解釋圖

結(jié)合地質(zhì)、地形以及異常形態(tài)進(jìn)行綜合分析解譯可知：淺部不均勻電性層推測(cè)為耕植土、粉質(zhì)粘土內(nèi)含有的塊狀灰?guī)r所引起，或?yàn)樗鳑_蝕灰?guī)r的溝槽，GZ2-1、GZ2-2高阻異常為溶洞或塊狀灰?guī)r引起，DZ2-1、DZ2-2低阻異常推測(cè)為裂隙發(fā)育區(qū)[8]。

GZ2-1高阻區(qū)距離北東方向約20m的地表發(fā)現(xiàn)神15m的落水洞LSD08，推測(cè)該異常為此溶洞延伸所引起，同時(shí)南部低阻異常區(qū)地表發(fā)現(xiàn)破碎，結(jié)合線路兩側(cè)分布的落水洞推測(cè)該異常為裂隙發(fā)育區(qū)，后期經(jīng)開挖驗(yàn)證與推測(cè)情況相吻合。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過介紹高密度電法在川南巖溶地區(qū)的工程勘察案例，對(duì)其在探測(cè)基巖面起伏、溶洞形態(tài)及發(fā)育規(guī)模等方面的有效性和適用性進(jìn)行了分析研究和探索，為本方法在類似地區(qū)的工程勘察應(yīng)用提供借鑒和應(yīng)用實(shí)例。

（1）本次高密度電法測(cè)量結(jié)果能直觀地反映淺部覆蓋層、巖溶發(fā)育形態(tài)和規(guī)模及其與基巖之間的視電阻率差異特征，后期的鉆探施工和開挖進(jìn)一步驗(yàn)證了本次選用的方法是行之有效的。

（2）通過本次管線線路高密度電法測(cè)量，圈定了數(shù)個(gè)低阻異常區(qū)域，推測(cè)為充填巖溶區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)；圈出的點(diǎn)狀高阻異常體推測(cè)為巖溶空洞或塊狀灰?guī)r所引起的視電阻率異常，為后續(xù)管道線路設(shè)計(jì)、施工提供工作基礎(chǔ)。

（3）盡管高密度電法具有諸多優(yōu)勢(shì)，但是任何一種工作方法都會(huì)有其自身的局限性，作為一種探測(cè)巖、土體電性差異的地球物理勘察方法，畢竟是間接的物探勘察手段，由于探測(cè)范圍、分辨率、體積效應(yīng)的局限，在探測(cè)較小體積、較弱電性差異的溶洞時(shí)可能存在遺漏或誤報(bào)，仍需借助其他直接或間接手段進(jìn)一步證實(shí)。