摘要：為了研究三維高密度電法在淺表溶洞探測中的實際應(yīng)用效果，采用該方法對河南省焦作市云臺山自然風(fēng)景區(qū)內(nèi)云臺山世界地質(zhì)公園30.0 m×27.5 m范圍內(nèi)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行了詳細勘察。此次勘察共采集12 090個數(shù)據(jù)點，使用帶地形的真三維反演數(shù)據(jù)處理方法獲得研究區(qū)地下0～26 m深度的電性結(jié)構(gòu)特征，并分析了不同方向的水平切片和不同高程的垂直切片。結(jié)果表明：三維高密度電阻率成像效果明顯好于二維剖面成像效果；站房地基20 m深度范圍內(nèi)未見溶洞發(fā)育。

關(guān)鍵詞：溶洞探測； 三維高密度電法； 三維反演； 云臺山

中圖法分類號：TV221.2

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S1.003

文章編號：1006-0081（2024）S1-0007-03

高密度電阻率法作為一種經(jīng)濟高效的物探技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于覆蓋層厚度、巖溶探測等方面［1-3］。本文開展了三維高密度電阻率法在淺表溶洞探測中的應(yīng)用研究。研究區(qū)位于河南省焦作市云臺山自然風(fēng)景區(qū)內(nèi)，受到構(gòu)造、流水侵蝕和風(fēng)化作用影響，云臺山世界地質(zhì)公園發(fā)育有相當(dāng)數(shù)量的巖溶洞穴。調(diào)查資料顯示：全區(qū)溶洞分布主要集中分布在海拔1 100～1 200 m，750～850 m和450～500 m范圍。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)內(nèi)分布有太古代-早元古代片麻巖基底、中元古界薊縣系云夢山組-石炭統(tǒng)太原組地層。大地構(gòu)造處在華北陸塊新生代東亞裂谷系的華北裂谷帶與西安-鄭州-徐州近東西向裂谷轉(zhuǎn)換帶的交匯部位，受太行山前深大斷裂控制。云臺山地區(qū)在遠古時代是一片汪洋，隨著時間的推移，地殼運動，逐漸升起抬高形成平原。在距今十幾億年前的造山運動時期（奧陶紀和震旦紀），該區(qū)域地貌景觀發(fā)生了很大的變化。在燕山期，該地區(qū)北部上升，形成高山，南部下降，形成平原。在喜馬拉雅造山運動影響下，山體急劇上升，河流迅速下切，形成又深又陡的峽谷。其后，地下水沿裂隙對巖石產(chǎn)生溶蝕，再

加上地質(zhì)作用的影響，形成了如今的山地雛形。距今2 300萬年前，云臺山區(qū)進一步抬升，形成了峽谷幽深、群山聳峙、飛瀑清泉的地質(zhì)景觀。

工作區(qū)地表主要出露灰?guī)r和白云巖，局部巖石相對破碎。根據(jù)沉積巖常見電阻率統(tǒng)計結(jié)果，灰?guī)r和白云巖電阻率范圍分別為60～10 000 Ω瘙簚m和150～9 000 Ω瘙簚m。未填充的溶洞理論電阻率值趨于無窮大，與圍巖的電阻率值就存在明顯的差異，為采用高密度電阻率法探測提供了地球物理基礎(chǔ)。

2 三維正演模擬

為充分認識溶洞異常在高密度電阻率法探測結(jié)果的異常形態(tài)特征，輔助開展后續(xù)探測成果解釋工作，采用長方體來模擬地下溶洞特征。模擬結(jié)果（圖1）表明：溶洞與周圍介質(zhì)具有明顯的電阻率異常差異，異常形態(tài)表現(xiàn)為似圓柱體形狀。

3 三維高密度數(shù)據(jù)采集及解釋

3.1 三維高密度數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集工作采用美國AGI公司生產(chǎn)的SuperSting R8/IP高密度電法儀，通過AM二級排列裝置、三維觀測方式，共采集高密度電阻率法數(shù)據(jù)點12 090個。采用天寶R10 差分GPS測量物理點156個（圖2）。

在三維測量施工中，一次性把上百道采集站布好，然后進行數(shù)據(jù)采集，可大幅增加數(shù)據(jù)采集時間。在常規(guī)二維勘探中，每個測點的默認測量時間是1.2 s，當(dāng)有噪聲干擾時，數(shù)據(jù)質(zhì)量無法保證。三維勘探可將觀測時間延長3～12倍，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。而且，在二維勘探中，通常只對每個測點數(shù)據(jù)進行1～2次重復(fù)觀測，以獲取計算相對誤差。在三維勘探中，可將重復(fù)觀測次數(shù)提高至3～16次。經(jīng)過均值疊加，隨機噪聲干擾將被壓制。三維同步采集的電法勘探數(shù)據(jù)，信號和噪聲都滿足一定的統(tǒng)計規(guī)律。除了在數(shù)據(jù)采集時提高信噪比外，還可在后期引入非線性信號處理方法，對原始數(shù)據(jù)進行信噪分離。經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解和相關(guān)分析是常用的兩種方法，計算道間相關(guān)度可對噪聲干擾及壞點數(shù)據(jù)進行定位。利用經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解可將信號分為多個尺度，噪聲通常表現(xiàn)為劇烈變化的小尺度分量，從而可對其進行識別和剔除，提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和信噪比。

3.2 高密度電阻率探測成果解釋

在實際數(shù)據(jù)處理過程中，對各測點進行坐標變換，以1號測點作為坐標原點，加載高程數(shù)據(jù)后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理及反演獲得了研究區(qū)地表至地下26 m深度的三維電性結(jié)構(gòu)（圖3）。

3.3 地表電性結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)地表電性特征整體表現(xiàn)為北西西-南東東方向、高低電阻相間排列分布。在測區(qū)西北、東北、東南和西南4個方向以及東部的高阻異常區(qū)對應(yīng)巖體出露區(qū)或挖掘面，受到地表風(fēng)化和大氣降水侵蝕作用影響，局部巖石破碎，結(jié)構(gòu)和含水性發(fā)生較大變化，巖石表現(xiàn)為低阻特性。

3.4 水平方向切片電性結(jié)構(gòu)特征

水平方向切片顯示地下電性結(jié)構(gòu)具有垂向分層特征，在地表至地下7 m左右的深度范圍內(nèi)，電阻率一般大于2 000 Ω瘙簚m，表現(xiàn)為高阻特征；地下7 m至地下26 m深度范圍內(nèi)電阻率約為1 000 Ω瘙簚m，分布較為集中，地下結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。在測區(qū)西南邊界，電阻率在1 000 Ω瘙簚m，高、低電阻分布規(guī)律與地表高程東北高、西南低（圖4）呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

3.5 垂直方向切片電性結(jié)構(gòu)特征

通過制作不同高程對應(yīng)的電阻率切片（圖5）發(fā)現(xiàn)：在高程0～5 m處，由于近地表巖石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造差異，電阻率自東北向西南呈現(xiàn)高、低相間分布特征；在高程-10～-5 m處，受到地形影響，電阻率表現(xiàn)為西南高、東北低的分布特性；在高程-20～-15 m處，電阻率分布較為均勻，地下巖石結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。通過與圖1溶洞正演模擬結(jié)果對比，在不同高程對應(yīng)的電性結(jié)構(gòu)切片中均未識別出于“似溶洞”產(chǎn)生的電性結(jié)構(gòu)異常。

4 結(jié)論與建議

本次勘察采用高精度地球物理勘探技術(shù)，即三維高密度電阻率測量方法對30.0 m×27.5 m范圍內(nèi)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行了詳細勘查，勘探線距和電極均為2.5 m，水平分辨率可到1.25 m，共采集12 090個數(shù)據(jù)點。通過使用帶地形的真三維反演數(shù)據(jù)處理方法獲得研究區(qū)地下0～26 m深度的電性結(jié)構(gòu)特征，通過對不同方向的水平切片和不同高程的垂直切片分析，獲得的結(jié)論如下：

（1） 三維高密度電阻率法在成像效果方面較二維剖面成像效果更好，加入地形約束的三維反演結(jié)果，能夠獲得更加真實的成像結(jié)果。

（2） 地表以下電阻率變化較小，結(jié)合對地表幾處已開挖地區(qū)的巖石特征分析，這些巖石完整性較好、硬度較大，向下具有一定的延伸。

（3） 通過對水平方向和垂直方向電阻率切片進行掃描，尚未發(fā)現(xiàn)具有由溶洞產(chǎn)生的電性異常特征。本區(qū)海拔高度變化范圍在1 029～1 042 m之間，地下30 m處，高程變化范圍在1 000～1 012 m之間，不在溶洞集中分布范圍（1 100～1 200 m，750～850 m，450～500 m）。

參考文獻：

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