曾文光

（廣州市地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510000）

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)和對(duì)自然資源的利用，人類生存環(huán)境日趨惡化，同時(shí)在地下水位下降的共同作用下，巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害不斷發(fā)生，因此，對(duì)巖溶塌陷現(xiàn)象進(jìn)行研究意義重大。物探法能夠有效利用地下物質(zhì)的物性差異，對(duì)不同地物之間的空間位置進(jìn)行區(qū)分和甄別。雖然單一的物探方法在巖溶塌陷勘察中效果很好，但容易受到噪聲或者電磁的干擾，數(shù)據(jù)畸變的現(xiàn)象較普遍，而且存在成果多解性的問題。聯(lián)合多種物探法進(jìn)行應(yīng)用，可以彼此驗(yàn)證和補(bǔ)充，探測(cè)效果顯著提升。盡管綜合物探法比單一物探法有更好的探測(cè)效果，但存在不能直觀呈現(xiàn)的問題，因此需要利用三維可視化技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。三維可視化技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以網(wǎng)格化處理探測(cè)得到的數(shù)據(jù)，在測(cè)量區(qū)域空白范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，而且可以對(duì)存在的異常在空間中的特征和形態(tài)進(jìn)行合理推斷。

1 研究區(qū)域概況

2015 年10 月26 日，廣東省廣州市某鎮(zhèn)周邊農(nóng)田發(fā)生大量地面裂縫及塌陷，部分房屋開裂變形，有些井泉干枯。截至2015 年11 月15 日，已發(fā)現(xiàn)28 個(gè)塌坑，最大塌陷坑面積大約為24.6 m×20.0 m，深度為7.0 m。有一棟房屋局部倒塌，多棟房屋受損嚴(yán)重，比鄰的公路和道路開裂，影響了交通。該災(zāi)害發(fā)生后，某水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院采用綜合物探法及三維可視化技術(shù)，迅速查明了塌陷區(qū)為第四系巖性，確定了其厚度、透水性、含水性以及相關(guān)的工程特征；同時(shí)確定了50 m 走向、5 m 寬度、40 m埋深之內(nèi)土洞發(fā)育帶和淺部巖溶的空間分布和相關(guān)特征，查明了該處巖溶發(fā)育的隱伏斷層構(gòu)造，奠定了該地質(zhì)災(zāi)害處理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急治理效果明顯。

2 勘探方法的選擇

2.1 綜合物探法

通常情況下，環(huán)境與工程勘探所利用的物探法主要包括放射性、重力、地震、磁法、電法等，每一種方法都是建立在地下不同介質(zhì)地球物理屬性差異的基礎(chǔ)上。本文研究的災(zāi)害區(qū)域的塌陷主要為覆蓋型巖溶塌陷，這就要求需要利用綜合的物探組合方式，對(duì)上覆蓋層和下部基巖實(shí)施縱向結(jié)合探測(cè)，主要包括覆蓋層土洞物探法、巖溶孔洞物探法、微動(dòng)勘探法、等值反磁通瞬變電磁法等。具體來說，又分為直流電法、地震、電磁勘探等方法。根據(jù)研究區(qū)域概況及周邊存在的震動(dòng)、電磁等干擾因素，本研究選擇應(yīng)用微動(dòng)勘探法、等值反磁通瞬變電磁法進(jìn)行探視。

2.2 三維可視化技術(shù)

三維可視化技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以網(wǎng)格化處理探測(cè)得到的數(shù)據(jù)，在測(cè)量區(qū)域空白范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，而且可以對(duì)存在的異常在空間中的特征和形態(tài)進(jìn)行合理推斷。借助對(duì)瞬變電磁反演資料重建的模擬，能夠直接展示塌陷的腔體立體結(jié)構(gòu)特征，以完成利用三維超淺層瞬變電磁進(jìn)行熔巖災(zāi)害區(qū)域勘探的模擬；同時(shí)利用等值反磁通瞬變電磁法，通過三維成像展示城市巖溶發(fā)育區(qū)狀況，可清晰地反映出地下巖溶的規(guī)模、形態(tài)、位置，以及巖土的界面，并在巖溶塌陷區(qū)應(yīng)用三維高密度探測(cè)法，利用三維可視化技術(shù)對(duì)空間位置、對(duì)象體的形態(tài)以及走向?qū)嵤┱故?，使反演解釋的可靠性和精?zhǔn)性顯著提升[1]。

3 數(shù)據(jù)采集

為全面了解廣州市某鎮(zhèn)周邊的農(nóng)田道路塌陷空洞的空間分布，本研究利用綜合物探法和三維可視化技術(shù)對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行三維探測(cè)。在區(qū)域的道路表面設(shè)置一個(gè)1.0 m×0.5 m 的三維測(cè)網(wǎng)，將12 條測(cè)線布置在平行路面，測(cè)線間距為0.5 m，布置11 條垂直于路面的測(cè)線，間距為1.0 m，見圖1。采用的探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)為意大利IDS 公司生產(chǎn)的RIS-K2 型探地雷達(dá)設(shè)備。為了做到分辨率和探測(cè)深度的兼顧，本工程探測(cè)利用400 MHz 屏蔽天線，設(shè)置513 個(gè)采樣點(diǎn)，設(shè)計(jì)100 ns 的時(shí)窗長(zhǎng)度。為了達(dá)到采集數(shù)據(jù)的高精度，利用50 m 皮尺進(jìn)行定點(diǎn)并且自動(dòng)疊加和進(jìn)行連續(xù)掃描，設(shè)置標(biāo)記間隔為1 m，可以有效修正不均勻天線移動(dòng)速度導(dǎo)致的記錄道的位置錯(cuò)位[2]。

4 探測(cè)成果與分析

4.1 綜合物探成果分析

因?yàn)樵跍y(cè)量過程中采用了不同物理參數(shù)的物探方式，例如微動(dòng)勘探反演可以利用橫波速度(m/s)為物理參數(shù)，等值反磁通瞬變電磁法反演作為視電阻率(Ω·m) 為物理參數(shù)，所以不同的地層物理量對(duì)應(yīng)不同的物理參數(shù)，又導(dǎo)致了異常反應(yīng)的范圍、形態(tài)、大小產(chǎn)生差異。由于采用單一的物探法極易將異常區(qū)域漏掉，因此要根據(jù)綜合物探的數(shù)據(jù)，讓異常判斷的準(zhǔn)確性大幅度提升。通過對(duì)比視電阻率等值線斷面圖與橫波速度等值線斷面圖，表現(xiàn)出如下的異同。

1） 通過微動(dòng)勘探得知，在基巖內(nèi)部和基巖界面附近聚集著橫波速度異常；通過等值反磁通瞬變電磁法探測(cè)得知，在基巖界面附近聚集電阻率異常。前者都表現(xiàn)為很小范圍的基巖內(nèi)部的異常，后者表現(xiàn)為只有極少的基巖內(nèi)部的異常，但橢圓形或者圓形的異常范圍比較大。

2） 兩者能夠產(chǎn)生共同反應(yīng)的是鉆孔ZK1 揭露的巖溶發(fā)育區(qū)，兩者產(chǎn)生不同反應(yīng)的是鉆孔ZK7 揭露的巖溶發(fā)育區(qū)（反應(yīng)不明顯的是微動(dòng)勘探法，對(duì)兩個(gè)小巖溶的綜合反應(yīng)表現(xiàn)在等值反磁通瞬變電磁法上，而且是很大范圍）。本研究利用不同原理的探測(cè)手段，使其能夠彼此補(bǔ)充各自的異常推斷，并且更容易掌握塌陷區(qū)巖溶發(fā)育狀態(tài)。

3） 在基巖界面深埋變化情況上，兩種探測(cè)方式反應(yīng)一致，只是局部略微有差異[3]。

4.2 三維可視化技術(shù)處理及成果分析

4.2.1 數(shù)據(jù)處理的三維網(wǎng)格化實(shí)施

將微動(dòng)勘探測(cè)線與電磁法測(cè)線反演數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，即將W1、W2、W3 分別與S1、S2、S3、S4 合并。網(wǎng)格化的重新處理可通過Golden Software Voxler 軟件完成，設(shè)定0.8 m×0.8 m×0.5 m 規(guī)格的網(wǎng)格，通過三維可視化技術(shù)將數(shù)據(jù)成圖。

4.2.2 三維可視化技術(shù)在微動(dòng)勘探法中的應(yīng)用成果

4.2.2.1 基巖界面與地層特征

將橫波速度體進(jìn)行三維網(wǎng)格化并實(shí)施體渲染，觀察地層橫波速度在不同角度中的變化。在層狀分布中，從淺部到深部橫波速度表現(xiàn)出不斷提高的趨勢(shì)。對(duì)于基巖界面，可以利用剖面圖進(jìn)行位置的大致推斷，所掌握的分布趨勢(shì)為第四系坡殘積、堆積塊碎石土覆蓋層與鉆孔表現(xiàn)的深度吻合。根據(jù)微動(dòng)等值線斷面圖以及鉆孔地質(zhì)剖面圖，可以得出基巖界面位置的橫波速度約為352 m/s，依托該值進(jìn)行橫波速度等值面圖的繪制，讓基巖界面整體起伏變化特征更直觀。通過觀察不難看出，整體的基巖界面光滑度不夠，呈現(xiàn)局部的凹凸?fàn)顟B(tài)，推斷的結(jié)論與巖溶發(fā)育以及基巖淺部風(fēng)化、破碎有關(guān)。例如，有一個(gè)顯著的凹陷區(qū)域呈現(xiàn)在勘探孔H1 下方，推斷可能是鉆孔呈現(xiàn)出的巖溶發(fā)育造成，也可能是破碎灰?guī)r的作用反應(yīng)。基于這些綜合的影響因素，該災(zāi)害區(qū)域基巖界面表現(xiàn)出局部下凹的趨勢(shì)。通過不同深度進(jìn)行橫波速度體渲染圖的切片，其深度在75～98 m 處。經(jīng)過對(duì)比結(jié)論如下：第一，位置相同深度不同的情況下，深度增加會(huì)帶動(dòng)橫波速度提高，恰好對(duì)應(yīng)了災(zāi)害區(qū)地層從松散的紅黏土、素填土向微風(fēng)化石炭系灰?guī)r過渡的現(xiàn)象。第二，深度相同位置不同的情況下，地層不同深度相同分布變化中，表現(xiàn)為第四系覆蓋層從大范圍到小范圍的分布，比如從90 m 高程H2 到H3 位置92 m 的分布，可以反映出起伏性存在于基巖界面上，埋深較淺的是H1，埋深較深的是H3，觀察顯示出基巖內(nèi)部速度的差異性，足以體現(xiàn)基巖局部存在微風(fēng)化、破碎、巖溶發(fā)育現(xiàn)象，導(dǎo)致橫波速度不斷降低；縱觀深部的基巖情況，橫波速度值體現(xiàn)均一性，足以體現(xiàn)完整的基巖深部，見圖2。

圖2 微動(dòng)勘探不同視角橫波速度體渲染圖切片

4.2.2.2 巖溶發(fā)育特征

通過Golden Software Voxler 軟件進(jìn)行等值面繪制，深度范圍控制在75～98 m，按照鉆孔揭露顯示，在基巖內(nèi)部形成該等值面。通過觀察，能夠在不同視角下得到等值面的展布特征，尤其是在凹陷區(qū)域明顯的鉆孔H1 下方，也就是異常存于某等值線斷面中，鉆孔表現(xiàn)的溶洞狀況與其吻合，就可以確定該區(qū)域是巖溶發(fā)育區(qū)。

4.2.3 三維可視化技術(shù)在等值反磁通瞬變電磁法中的應(yīng)用成果

4.2.3.1 基巖界面及地層特征

將視電阻率值利用三維網(wǎng)格化進(jìn)行渲染，表現(xiàn)視電阻值在不同角度下的變化特征。在層狀分布中，視電阻率值從淺部到深部一直在增加。通過對(duì)三維體渲染圖的觀察，將電性界面展示出來，包括低阻層與高、中阻層之間界面，土層速度在橫向和縱向上變化不大，基本小于300 m/s。從里程85 m往大里程方向土層分布較厚，完全對(duì)應(yīng)鉆孔揭露的基巖深度，鉆孔揭露的基巖深度從鉆孔H1—H3 的10 m，逐漸上升到鉆孔H6—H8 的5 m。根據(jù)等值反磁通瞬變電磁法等值線斷面圖不難看出，鉆孔H6、H1 之下的等值面的異常特征為向下凹陷。利用對(duì)鉆孔資料的分析得出，鉆孔ZK7 探測(cè)到的巖溶發(fā)育以及鉆孔H1 存在的灰?guī)r破碎都會(huì)降低灰?guī)r視電阻率值，完全對(duì)應(yīng)了凹陷的等值面變化特征[4]。

4.2.3.2 巖溶發(fā)育、溶蝕區(qū)域特征

根據(jù)不同深度對(duì)視電阻率體渲染圖實(shí)施切片，考慮到在基巖淺部聚集破碎、巖溶、溶蝕的現(xiàn)象，故在淺部高程處實(shí)施密集的切片，分別是H1—H9（75 m—98 m） 高程，同時(shí)常規(guī)切片在H1、H7 的深部高程進(jìn)行。通過鉆孔地質(zhì)刨面圖，準(zhǔn)確推斷出基巖與140 Ω·m 可視為第四系覆蓋層的臨界值，如果地層電阻率＞140 Ω·m，則斷定存在于基巖內(nèi)部。按照ρ=150 Ω·m 有效繪制電阻率等值面圖，可以確定在基巖淺部形成該等值面，基巖界面表現(xiàn)出起伏且伴隨深度變化而變化的趨勢(shì)。但考慮到基巖蝕變、破碎以及巖溶的因素，造成了低于150 Ω·m 的電阻值，因此，該等值面內(nèi)極有可能會(huì)存在局部的基巖破碎、蝕變等現(xiàn)象。

通過圖3 不難看出，異常會(huì)伴隨深度的變化而變化，其中異常趨勢(shì)變化清楚的A1、A3、A4、A5、A6、A7，主要是在H1—H9（75 m—98 m） 高程處聚集了巖溶、溶蝕發(fā)育的異常反應(yīng)，往H9 方向延伸異常特征，可以參考圖3 中劃定的巖溶發(fā)育區(qū)域，灰?guī)r地層片狀主要表現(xiàn)在85 m 高程以下。

圖3 等值反磁通瞬變電磁法不同深度等值線切片圖

綜合分析：借助等值面圖、三維體渲染圖、斷面圖以及深度不同的切片圖，也就是通過局部的面到完全的整體，詳細(xì)而直觀地查明了溶蝕區(qū)域空間展布特征以及研究區(qū)基巖的起伏特征。在H1—H9（75 m—98 m） 高程范圍內(nèi)基巖電阻率較低，主要分布在1 000～1 200 Ω·m，推測(cè)為巖體較破碎、裂隙發(fā)育。小區(qū)H1—H9 范圍內(nèi)風(fēng)化、基巖破碎、巖溶發(fā)育比較集中。

5 結(jié)論

1） 利用多種勘探法的聯(lián)合應(yīng)用，基本掌握了本文研究的巖溶塌陷區(qū)域的巖溶發(fā)育特征以及基巖界面的埋深情況，所獲得的物探數(shù)據(jù)符合鉆孔資料，對(duì)其他異常位置進(jìn)行判斷和圈定，為處理塌陷地質(zhì)災(zāi)害提供了可靠的數(shù)據(jù)。

2） 傳統(tǒng)的反演斷面圖所表現(xiàn)的是異常在縱向上的分布特征，局限性較大，而三維體渲染圖完全可以將空間上的異常分布特征呈現(xiàn)出來。

3） 以三維體渲染圖為基礎(chǔ)，利用相匹配的視電阻率值和橫波速度值提取不同的等值面圖，以滿足解釋的需要。通過鉆孔巖心與斷面圖的對(duì)比分析，獲得基巖界面與覆蓋層的臨界值。如果取值不超過臨界值，說明覆蓋層對(duì)應(yīng)數(shù)值的等值面特征；倘若取值將臨界值突破，說明基巖內(nèi)部對(duì)應(yīng)值擁有等值面特征。

4） 基于三維體渲染圖的切片，深度的選擇可以不同，能夠在切面圖上表現(xiàn)等值面變化特征，在平面上反演異常的展布特征，通過不同深度切片的疊加圖，能夠清晰顯現(xiàn)異常由淺到深的變化現(xiàn)象。

5） 可以根據(jù)目前的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過三維網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，包括測(cè)線間沒有被測(cè)量的區(qū)域，彌補(bǔ)了某些測(cè)量盲區(qū)，例如環(huán)境原因?qū)е碌牟荒塬@取真實(shí)數(shù)據(jù)的盲區(qū)，然后借助三維可視化進(jìn)行盲區(qū)地質(zhì)變化的展現(xiàn)，以及準(zhǔn)確地推斷相關(guān)的地質(zhì)問題。毋庸置疑，合理進(jìn)行三維可視化技術(shù)的應(yīng)用，能夠從二維斷面數(shù)據(jù)中挖掘出更多的信息，并能夠通過三維成圖直觀地表現(xiàn)。