综合物探技术在隐伏岩溶探测中的应用

朱 铭

(湖南省高速公路管理局,湖南长沙 410003)

灰岩为可溶性碳酸盐岩,当灰岩溶蚀发育至一定程度时,在地下水动力条件的改变或工程施工振动等外因诱发下易引起不均匀沉降,乃至地面塌陷,给人民的生命、财产造成重大损失。在岩溶灾害多发区进行灾害地质调查为灾害治理提供必要的基础地质资料,是减灾防灾工作的前提。综合物探方法是岩溶调查中的重要手段,瞬变电磁法和高密度电法则是综合物探的有效方法,特别是在含水的岩溶洞穴探测方面,有非常突出的效果。

1 工区地质与地球物理条件

场地位于张花高速公路2标黄沙泉3号高架桥场区,基岩由奥陶系瘤状(泥质)灰岩和灰岩组成。其中紫红色瘤状灰岩泥质高,可溶性低,浅灰绿色瘤状灰岩泥质含量略低,具弱可溶性,灰岩纯度较好,具强可溶性。瘤状泥质灰岩处在灰岩上方,其本身岩溶不甚发育,构成场地岩溶主要顶板岩石,由于该岩石强度较低,并经受构造影响,岩石节理发育,完整性较差,在下部岩溶洞室发育到一定规模,失去支撑,多形成顶板垮落,造成场地岩溶洞室断面规模庞大。顶板岩石的垮落,在局部形成塌陷,这些塌陷坑又为地表降水向洞内汇聚形成通道。场地岩石构造节理发育,也为地下水运移提供了良好通道,有利于岩溶的发育。由黄沙泉3号高架桥2～3号桩下井,从底侧开挖揭露的岩溶洞穴进入地下溶洞,见一岩溶大厅,其顶板埋深约为18～20m,洞室最大高度约为25m,宽10～16m不等,向大里程方向纵向长约15～25 m不等,洞内石笋、钟乳石发育,洞中多有石柱残留,洞底充填泥质,底板上见有塌陷坑形迹,坑内堆积垮塌石块、黏性土。

区内基岩与第四系松散层、岩溶与基岩之间存在明显的电性差,具备进行电法勘查的地球物理前提。根据现场已知点试验探测,场地土层显示较低电阻率特征,其中土层含水较丰富时,其电阻率更低;岩体总体表现为高阻特征,但浅部瘤状灰岩因风化较为强烈,欠致密,并呈现充填性岩溶发育,电阻率略低,下伏相对较完整的瘤状灰岩电阻率稍高;较完整的灰岩岩石致密,电阻率呈高值。无充填或少充填的岩溶洞穴表现为封闭高阻,被土层充填的岩溶洞隙呈现高阻带中封闭低阻。

2 瞬变电磁法工作原理

瞬变电磁法是一种时间域电磁测量方法,是在没有一次场背景条件下观测研究二次场,大大地简化了对地质对象所产生的异常研究。以其分辨能力强、工作效率高等特点,广泛应用于资源勘探与工程勘查领域,成为引人注目的地球物理勘探手段之一。

仪器野外工作方法及原理见图1。主机通过发射线圈向地下发射烟圈状磁脉冲,当磁脉冲遇到不均匀导电介质时形成涡流场,仪器断电后,涡流场衰减过程中形成的二次场以烟圈状辐射,接收线圈接收到返回地面的二次场信号并将其传输给主机进行处理、显示。

瞬变电磁法的特点表现为可以采用同点组合进行观测,使与探测目的物耦合最紧,取得的异常响应强,形态简单,分层能力强;在高阻围岩区不会产生地形起伏影响的假异常,在低电阻率围岩区,由于是多道观测,早期道的地形影响也较易分辨;线圈点位、方位或接发距要求相对不严格,测地工作简单,工作效率高;有穿透低电阻率覆盖层的能力,探测深度大;剖面工作与测深工作同时完成,提供了更多有用信息。

图1 仪器工作原理图

3 高密度电法工作原理

高密度电法实现电阻率的快速采集,并在现场进行数据处理,从而改变了电法勘探的传统模式,使其和地震勘探的野外作业方式类似,减轻了劳动强度。其工作原理属电阻率的范畴,但与常规电阻率法相比布置了较高的测点密度,一次可以完成纵横二维勘探过程,所以观测精度较高,数据采集可靠,具备较好的成像功能。见图2。

高密度电法在复杂岩溶地区能取得很好的效果,它具有效率高、数据量大、分辨率高、显示直观等特点。使用高密度电法来进行复杂岩溶地区路基勘测工作,不仅省时省力,而且效果很好。

本次采用温纳(对称四极)电阻率剖面法,其特点是各电极间保持一定距离,同时沿着测线移动,逐点观测电位差ΔU,供电电流I,并算出视电阻率Ps,沿测线绘得的Ps断面图是测线下面一定范围内地电断面的综合反映。

图2 高密度电法数据采集布置示意图

4 综合物探技术应用成果

本次共布置3条高密度电阻率法测线,6条瞬变电磁法测线,下面将选取有代表性的探测结果进行分析。

4.1 高密度电阻率法探测结果

高密度电法野外采集的数据需要先进行处理,然后再带地形进行反演,这些工作都可以在二维电阻率反演软件下实现。数据处理工作主要是剔除一些由接地不好电极影响的坏数据和采集系统自带的随机高斯干扰数据,然后把分段数据拼接起来,带上高程文件,形成反演数据。反演结束后,选择合适的迭代结果在Surfer下作出电阻率等值线图,然后依据电阻率等值线图对该测试地区作物性地质分析,从而绘制出该工区的物性地质断面图。

如图3所示,测线A—A′范围内电阻率分层较为明显,基本上表现为上部呈低阻状态,下部呈高阻状态,上下部高低阻接触面起伏较大。其中测线64～188m、埋深20～42 m范围内存在明显高阻异常,与岩溶大厅位置吻合,范围稍大,应为岩溶管道、溶蚀裂隙为辅的岩溶发育区,经钻探孔WZK7、WZK9揭露岩溶空洞得到验证。

如图4所示,测线B—B′范围内电阻率分层较为明显,基本上表现为上部呈低阻状态,下部呈高阻状态,上下部高低阻接触面起伏较大。其中测线60～120m、埋深20～40m,测线160～220m、埋深25～40 m范围内存在明显高阻异常,推断为以岩溶大厅为主,岩溶管道、溶蚀裂隙为辅的岩溶发育区,经验证,WZK2揭露深岩溶,洞室较大。

4.2 瞬变电磁法探测结果

在对资料进行分析时,首先对资料逐点进行预处理,即检查数据质量,剔除离差大的不合格数据,划分出低于最小可分辨电平的边界值,再对数据进行滤波,以滤除或压制干扰信号,恢复信号的变化规律,找出信号总体趋向性,然后根据探测任务,利用专用程序转换得到P(视电阻率),S(视纵向电导),h(视深度)等参数,根据这些参数绘制出断面等值线图和平面等值线图,这些图件即成为资料定性与定量解释的基础材料。

测线1—1′起点位置为k8+178左6.4 m,终点位于k8+465左6.5 m。如图5所示,大致在测线5m处存在物探高阻异常,推测为岩溶空洞,埋深约7～35m,洞径约2.5 m,见图所标示的RD-1;大致在测线65～80m处存在物探高阻异常,推测为岩溶空洞,埋深约23～30 m,洞径约5.0m,见图所标示的RD-2,钻孔WZK1于24.00～29.20m揭露少量充填溶洞;大致在测线150～160m处存在物探高阻异常,推测为岩溶空洞,埋深30～35m,洞径约10.0 m,见图所标示的RD-3,经钻孔WZK2揭露溶洞。大致在测线200～205 m处存在物探低阻异常,推测为溶洞(含充填物)或溶蚀、溶沟、溶槽,经WZK 3钻孔验证岩溶不甚发育,属假异常。

图5 测线1—1′视电阻率等值线剖面图

测线2—2′起点位置为k8+187.6中,终点位于k8+465中。如图6所示大致在测线60～70m处存在物探高阻异常,推测为岩溶空洞,埋深约15～20m,洞径约2.5m,见图所标示的RD-4;大致在测线110～145m处存在物探高阻异常,推测为岩溶空洞,埋深约20 m,洞径约2～5 m,见图所标示的RD-5,钻孔WZK5于6.40～7.10m揭露空洞,可能由此引起的异常;大致在测线155～160m处存在物探低阻异常,推测为溶洞(含充填物)或溶蚀、溶沟、溶槽,埋深12～20 m,洞径约1～5m,见图所标示的RD-6。

图6 测线2—2'视电阻率等值线剖面图

通过本次探测基本探明了该场地的岩溶发育情况,探测结果在后期处理施工过程中得到了很好的验证。

5 结论

野外实践表明瞬变电磁法和高密度电阻率法是探测地下灰岩溶洞的得力的物探方法。如果能结合钻探资料及其它物探资料,探测的准确度将进一步提高。鉴于灰岩区内的基岩起伏较大,不良地质体较多,因此建议在灰岩地区的地质勘察中,首先采用高密度电阻率法并辅以其他物探方法进行普查,再做钻探,必能起到事半功倍的效果。

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