单极 偶极时间域激电测深在建筑场地地下岩溶勘查中的应用

李绍波，刘媛媛，张 健，祝迎华

（中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北保定071051）

单极 偶极时间域激电测深在建筑场地地下岩溶勘查中的应用

李绍波，刘媛媛，张 健，祝迎华

（中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北保定071051）

灰岩区的溶蚀现象不仅会导致基岩面起伏很大，还会产生溶蚀带、溶洞、土洞等地质现象，严重影响到该地区工程建设。近年来，根据溶洞、土洞与其围岩电性的差异，使用电法勘探寻找溶洞、土洞取得了较好的效果。单极 偶极时间域激电测深方法在建筑场地岩溶勘查中的应用表明，该方法对于查明建筑场地岩溶、土洞的存在以及分布范围是一种有效的地球物理勘探方法。

单极 偶极；时间域；激电测深；岩溶；勘查

0 引言

灰岩发育的地区经常产生溶蚀地貌，不仅会形成复杂的基岩面，还会有较多的溶蚀带、溶洞、土洞等地质现象，给工程建设造成严重影响。近年来使用电法勘探，根据溶洞、土洞与其围岩电性差异来寻找溶洞、土洞取得了较好的效果。

我国岩溶地区分布广泛，岩溶地基基础设计是工程建设的重要内容，它直接关系到工程建设的可行性、安全性及工程造价［12］。常规工程地质勘查很难查明岩溶存在的空洞形态及分布范围，遇到岩溶及不良地质环境时，常采用电法、地质雷达、面波、浅震等地球物理探测手段［3］。由于不同地质体及特征介质对应不同的地球物理场特征，可从中提取可靠的有效信息。本文介绍南方某建筑工地采用单极-偶极时间域激电测深方法对场地内基岩岩溶成功探测的实例。

1 工区地质概况

南方某建筑场地属长江冲淤积、冲积及洪积形成的一级阶地地貌单元，主要为农田、水沟（塘）、树苗圃，未整平，场地高程一般为5．39～7．26 m。地层自上而下为：①层素（杂）填土：杂色，松散不均，主要为农田的耕作土（黏性土），表层含植物根系、砖块，在水沟及水塘分布区域为塘泥，其富含有机质，层厚0．5～3．7 m；②层粉质黏土：灰 灰黄色，呈可塑状态，层厚30～35 m；③层卵石：灰色，呈中密状态，卵石含量＞50%，直径一般2～4 cm，呈圆状，主要成分为砂岩、灰岩，充填物为中细砂，层厚0～10 m；④层碎石土：主要成分为构造角砾岩，充填物为粉质黏土，呈可塑状态，零星分布，主要分布在场地北部，层厚0～4．0 m；⑤中风化构造角砾岩：浅灰色—浅灰红色，角砾成分主要为灰岩和少量砂岩，以硅质胶结和钙质胶结为主，该层完整程度较好，属较硬岩石。厚度未揭穿，最大揭示厚度≥5．0 m。层顶标高一般为－35～－20 m。

2 测区地球物理特征

测区内地层成分主要为黏土、卵石、灰岩，地表覆盖层为层素（杂）填土。黏土、卵石与角砾灰岩的导电性差异明显，电阻率存在较明显的差异。灰岩中有溶洞发育，有些溶洞内充水、泥、碎石等杂物，相对背景而言，为低电阻率反映；有些溶洞未充填，为高电阻率反映。无论溶洞充填或未充填，溶洞内的介质与灰岩在成分、结构上都存在较大差异，它们之间的电阻率差异明显［4］。这些地层之间电阻率的差异为物探探测溶洞的地球物理前提。

图1 单极 偶极时间域激电测深装置观测示意图Fig．1 Schematic diagram of the device of pole-dipole time-domain IP sounding

3 勘查技术方法

3．1 工作原理及仪器

单极 偶极时间域激电测深的工作原理与常规电法一致，是以岩土介质的导电性差异为基础，向大地供正反向脉冲电流［5-7］，地下岩土介质电阻率不均一，溶洞内充水、黏土、碎石杂物，其电阻率较低；完整灰岩电阻率较高，引起地下电流密度分布不均，流经高阻体中电流密度相对较小，相应表现为高阻区；流经低阻体中电流密度相对较大，相应表现为低阻区［8-10］。通过研究电阻率横、纵向激发极化效应的变化，以查明与溶洞有关的地质问题。这一方法的优点是对圈定横、纵向不均匀地质体有良好的分辨、探测能力；且探测深度大、工作效率高。

本次工作采用法国IRIS公司Elrec Pro数据采集系统和VIP10 000大功率发射系统。微机采集数据，实时显示视电阻率。

3．2 勘查方法及工作参数

勘查工作采取双边采集观测的数据记录方式，该观测方式较单边观测方式具有测量的数据量大、电性断面分辨率高和真实可靠的特点。发射点距10 m，接收极距10 m，最小供电极距5 m，最小的间隔系数n＝0．5，供电周期8 s，供电电流1～5 A，无穷远极距测线＞600 m［8，11］。图1为装置的电极布设示意图。代运算，当相邻两次迭代结果相对误差满足要求时，输出反演模型，最终反演成图［5］。处理流程见图2。

4．2 异常解释及分析

单极 偶极大功率激电测深法可获得岩（土）层的视电阻率参数。不同岩（土）层由于成因、成分、岩石颗粒大小、致密程度、含水量等因素的不同，从而在纵向和横向上产生视电阻率的相应变化。通过分析岩溶区电阻率纵、横向的变化特征，明确岩溶在图像上的特征，进而推测岩溶的位置［12-14］。

图2 激电测深资料处理流程图Fig．2 Flow chart of IP sounding data processing

4 资料处理与分析

4．1 资料处理

首先将外业采集数据进行数据格式转换，对原始数据进行噪音剔除、平均，转换成本软件处理格式；然后应用GEOTOMO公司的RES2DINV反演程序进行二维地电模型处理，反演方法采用有限元方法，根据最小二乘原理自动修正模型进行多次迭

图3 L1线激电测深视电阻率二维反演成果解释图Fig．3 2D inversion interpretation map of apparent resistivity of IP sounding for Line 1

（1）L1剖面：整个剖面自上而下分为4个电阻率带，分别对应层素（杂）填土、黏土、卵石层和灰岩。在测线100—130点位之间，对应深度35～45 m附近的电阻率曲线下凹畸变，反映该处地质体为低阻体，推测为充水或淤泥的溶洞，该溶洞高5～8 m，宽约4 m（图3）。

分析钻探资料得知，该处分别于120和125点位布置钻孔ZK10-1和ZK10，ZK10-1孔未见溶洞，ZK10孔见溶洞，溶洞高度达10 m，溶洞内充有水、土或碎石，与物探成果较吻合。此外，钻孔揭露的卵石层顶标高（－27 m）和灰岩层顶标高（－36 m）与物探成果基本一致，验证了该物探方法的有效性（图4）。

图4 钻孔ZK10，ZK10 1工程地质图Fig．4 Engineering geological map of drill hole ZK10 and ZK10-1

（2）L6剖面：整个剖面自上而下分为4个电阻率带，分别对应层素（杂）填土、黏土、卵石层和灰岩。在测线50—80点位之间，对应深度35～45 m处附近的电阻率曲线下凹畸变，反映了该处地质体为低阻体，推测为充水或淤泥的溶洞，该溶洞高5～8 m，宽约4 m；在测线244—260点位之间，对应深度35～45 m处的电阻率曲线下凹畸变，反映该处地质体为低阻体，推测为充水或淤泥的溶洞，结合曲线下凹程度相对较小，分析该溶洞高2～3 m，宽约3 m（图5）。

分析钻探资料得知，该处分别于74，76和250点位布置钻孔ZK11-1，ZK11和ZK12，其中ZK11和ZK12孔见溶洞，ZK11所见溶洞总高度达6 m，溶洞内充有水、土或碎石；ZK12所见溶洞高度达2 m，溶洞内充有水、土或碎石，与物探成果基本吻合。此外，3个钻孔所揭露的卵石层顶标高（－30 m）和灰岩层顶标高（－40 m）与物探成果基本一致，验证了该物探方法的有效性（图6）。

5 结论

单极 偶极大功率激电测深方法具有信息量丰富、探测深度大、横纵向分辨能力高、探测能力强的特点，应用单极 偶极大功率激电测深法，可以查明灰岩地区岩溶裂隙发育情况，确定建筑场地内土洞和溶洞的分布状况，为工程建设中地质灾害的勘察和处理提供重要依据。

图5 L6线激电测深视电阻率二维反演成果解释图Fig．5 2D inversion interpretation map of apparent resistivity of IP sounding for Line 6

图6 钻孔ZK11-1，ZK11和ZK12工程地图Fig．6 Engineering geological map of drill hole ZK11-1，ZK11 and ZK12

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The application of the Pole Dipole time domain IP sounding to underground karst survey at the construction site

LI Shaobo，LIU Yuanyuan，ZHANG Jian，ZHU Yinghua
（Institute of Geophysical Ex ploration，China Metallurgical Geology Bureau，Baoding 071051，Hebei，China）

Dissolution of limestone dose not only lead to tremendous undulation of the bed rock surface but also the bad engineering geological phenomenon，such as dissolution zone，karst and soil caves that would influence construction of many projects．According to difference of electric property between the dissolution zone，karst and soil caves and their surrounding rocks Pole-Dipole high power IP method has been applied to detection of them and good result achieved in recent years．

Pole-Dipole；Time-Domain；IP Sounding；Karst；prospecting

P631．3；TU195．1

： A

10．6053／j．issn．1001-1412．2014．01．018

2013-07-01； 责任编辑： 赵庆

李绍波（1976 ），男，工程师，2000年毕业于长安大学水工系水文地质与工程地质专业，主要从事地质、物探勘查工作。通信地址：河北省保定市阳光北大街139号，中国冶金地质总局地球物理勘查院物探工程院；邮政编码：071051；E-mail：173460159＠qq．com