地球物理方法在岩溶勘察区中的综合应用

张金纯，王海燕，廖海吉

(1.桂林市勘察设计研究院，广西 桂林 541002；2.桂林理工大学博文管理学院，广西 桂林 541006；3.广西壮族自治区地质环境监测总站，广西 桂林 541004)

地球物理方法在岩溶勘察区中的综合应用

张金纯1，王海燕2，廖海吉3

(1.桂林市勘察设计研究院，广西 桂林 541002；2.桂林理工大学博文管理学院，广西 桂林 541006；3.广西壮族自治区地质环境监测总站，广西 桂林 541004)

[摘要]以喀斯特地貌著称的桂林随着“特大城市”的建设，岩溶的地基问题必然成为工程建设中的突出问题。为探明场地内岩溶或者破碎带的位置、走向、规模等不良地质现象的存在状况，我们使用高密度电阻率法、地震反射波映像法、瑞利面波法相结合的综合地球物理勘查，达到相互验证、相互补充的作用，并经过钻探验证，为建筑的设计及施工提供参考价值，同时为消除建设工程隐患提供一定的依据。

[关键词]地球物理；高密度电阻率法；地震反射波映像法；瑞利面波法；岩溶勘察

享有山水甲天下之美誉的“风景如画的山水古城”—桂林，在保护漓江的同时，多方面实现了历史性的跨越，而“十二五”规划纲要中“特大城市”建设的提出，更是给这片承东启西、贯通南北、集聚天然优势的宜居之地，注入了新的血液，使桂林市的“城市建设、交通基础设施建设、园区建设、城乡风貌建设”为重点的“四大建设”得以大力推进。

然而桂林在地貌单元上属于喀斯特地貌，地质构造上处于北东向、南北向构造复合部位，受压、扭性挤压构造作用，节理裂隙发育，是典型的岩溶峰林平原和峰丛谷地洼地，下伏岩溶强烈发育，所以常常造成地基沉降、滑动和塌陷等岩溶地质危害[1-3]。随着“特大城市”的建设，越来越多的工程建设就不可避免的落基于岩溶发育的地段上，那么岩溶的地基问题就成为工程建设中的突出问题。为探明场地内的覆盖层厚度，岩溶发育情况和分布规律，可能存在的断层或破碎带的位置、产状、走向、规模等不良地质现象的存在状况，采用高密度电阻率法[4-6]、地震反射波映像法[7-8]、瑞利面波法[9]相结合的综合地球物理方法进行勘查，并经过钻探验证，为消除建设工程隐患提供一定的依据。

1岩溶地区的物性特征

桂林热带岩溶地貌分布面积达2 452 km2， 还绵延至区外，其岩溶地貌可分二大类， 即纯岩溶和半岩溶地貌，以纯岩溶地貌为主。纯岩溶地貌又可分为峰丛洼地、峰林( 丛) 谷地二个类型和多个亚类，它们发育都非常深化而典型、齐全而配套，是我国乃至全世界热带岩溶的典型代表，被称为“中国式”或“桂林式”岩溶。

岩溶地区的岩土体电阻率随岩性、风化程度及岩石破碎程度的不同存在一定差异。第四系覆盖层由于松散富水，电阻率一般较低，而基岩视电阻率较高，所以溶洞、岩溶裂隙与基岩之间存在明显的电性差异，见表1；第四系、粘土和被充填的溶洞、裂隙等共同构成了低速层， 低速层与中风化(微风化)基岩之间形成了良好的速度分界面，根据表1可知，溶洞、岩溶裂隙与基岩之间存在明显的波阻抗差异。

表1　测区部分岩石物理参数常见值

2地球物理方法

2.1高密度电阻率法

高密度电阻率法是集电剖面和电测深为一体采用高密度布点，进行二维地电断面测量的一种电阻率法勘查技术。实际上是一种阵列布置、以岩土电性差异为基础的一类电法勘探，通过电极向地下供电形成人工电场，测量时，AM=MN=NB=AB/3为一个电极间距，A、B、M、N同步向右移动，得到第一层深度的剖面线如图1；AM、MN、NB增大一个电极距，A、B、M、N同步向右移动，得到第二层深度的剖面线；以此类推，随着隔离系数的增大，测点数逐渐减少，测点在断面上的分布呈倒三角形。通过对地表不同部位人工电场的扫描测量，得到视电阻率断面图像，推断地下介质的情况。其提供的数据量大、信息多，并且观测精度高、速度快，近年来应用越来越广泛，尤其在灰岩地区寻找土洞、溶洞及构造破碎带相当有效。

图1　高密度α装置测量示意图

数据采集时采用对称四极α排列装置，电极距为3 m，隔离系数(即数据测试的层数)为16。根据场不能突变的原则，相邻数据点不能突变，在数据处理过程前先对个别数据畸变点进行圆滑处理，但保持电阻率曲线的总体趋势不变，数据处理完后再进行数据格式转换和地形改正，然后利用二维高密度电法反演程序进行反演，绘制高密度电法实测、正反演视电阻率等值线断面图。

2.2地震反射波映像法

地震映像探测以地下介质间的波阻抗差异为前提，它是利用人工激发的地震波在弹性不同的介质内传播规律来勘探地下的地质情况。等偏移地震反射波映像探测法是激发点与接收点的距离保持一定，沿剖面逐点移动进行测试。当界面水平时，反射点的位置正好在记录点上，每次激发的反射波传播时间不变，同相轴为直线。当界面深度发生变化时，反射波的传播时间会发生变化，如在断层两侧表现为突变；如果是倾斜界面，反射点的位置会偏离记录点向界面的上倾方向移动。一般根据反射波同相轴的变化情况定性推断界面的起伏情况，根据反射界面上的介质速度计算深度。

根据在场地内进行的P波信噪调查结果，地震波映像探测采用的等偏移距为10 m，采样时间为200 μs，采样长度4 096点/道，点距为2 m，垂直检波器中心频率为14 Hz，以22磅的大锤作为震波信号激发的震源。

该方法对于浅部的横向地质结构变化反映灵敏，在数据处理时采用时频分析[6]。通过分析反射波的动力学特征、波的到达时间、振幅和频率特性，可以判定地下不同介质特性的变化，构造的延展范围，介质松软状况等地层、岩性或构造方面的信息。

2.3瞬态瑞利面波法

瞬态瑞利面波法是以瑞利波的理论为基础，即利用瞬态冲击力做震源激发面波。随着传播深度的增加，振幅呈指数规律衰减，其能量主要耗散在二分之一波长的深度内。瑞利面波具有频散特征，根据地面振动的瞬态相位，能确定瑞利面波传播的相速度，利用以上特征，在地面沿测线布设检波器，接收面波信号，运用数学方法对面波信号进行处理和频谱分析，可得到其频散曲线，由频散曲线就可得到地下不同介质分界面的深度。

面波勘探的共炮点排列选用12个地震道，采用10 m、5 m、2 m的偏移距、1 m的道间距进行探测。采样时间为500 μs，采样长度2 048点/道。面波勘探采用中心频率为4 Hz的垂直检波器作传感器，采用22磅的大锤作为震波信号激发的震源。

图2(a)　4-4’号线高密度电法反演剖面图

图2(b)　4-4’号线反射波映像剖面图

图2　(c)45 m处瑞利面波频散曲线图

图2　(d)95 m处瑞利面波频散曲线图

3资料分析与成果解释

从4-4’号测线的高密度电法反演剖面图2(a)可看出在45～63 m处，视电阻率较低，存在明显椭圆形的低阻异常特征；从该线反射波映像时间剖面图2(b)可见，45～60 m处出现同相轴错断，波组相位不连续，能量降低，并有低频波形出现；而且图2(c)和图2(d)显示，从该线45 m和95 m处两个面波点频散曲线图可知，两点处均出现“之”字形异常说明中间有低速层存在，而且根据“之”字形异常出现的深度，可判断在45 m处位置低速层的深度位置大概在8～24 m，在95 m处位置低速层的深度位置大概在7～13 m。根据地球物理异常特征进行综合分析，认为：该异常由溶洞、溶蚀裂隙等引起，该区溶蚀裂隙、溶洞发育深度一般在7～25 m之间，覆盖层厚度一般在7～9 m之间。

图3(a)　5-5’号线高密度电法反演剖面图

图3(b)　5-5’号线反射波映像剖面图

图3(c)　瑞利面波频散曲线图

根据钻孔资料，在该剖面60 m处的CK26号钻孔自上而下分别为0～3.8 m为细砂、卵石，3.8～7.6为石灰岩，7.6～10.3 m出现溶洞，洞内为卵、砾石或流塑状态粉质粘土充填, 10.3 m以下为基岩面石灰岩。

从5-5’号测线的高密度电法反演剖面图3(a)可看出在110 m、132～138 m以及148 m处，视电阻率较低，存在“U”字形的低阻异常特征；从该线反射波映像时间剖面图3(b)可见，110 m、135 m以及145 m附近出现同相轴错断，波组相位不连续等特征；而且从该剖面132 m处的面波点频散曲线图3(c)可知，该处地层中存在低速层，而且根据“之”字形异常出现的深度，推断在低速层的深度位置大概在9～12 m。根据地球物理异常特征进行综合分析，推断该异常由溶洞或岩溶裂隙等引起，该区溶蚀裂隙、溶洞发育深度一般在10～15 m之间。

根据钻孔资料，在该剖面135 m处的CK24号钻孔自上而下分别为0～7.4 m为细砂、卵石，7.4～11.2 m为石灰岩，11.2～13.8 m出现有砾石及流塑状态粉质粘土充填的溶洞, 13.8～30 m为完整的基岩面。

4结语

在工程地球物理方法中，高密度电阻率法是一种快速有效方法，在工程勘察中已广泛应用，但是由于它的解释是根据异常区与围岩之间电阻率差异来判断的，相对整个测线断面而言，电阻率的变化是一个渐变过程，而钻探仅仅局限在一个很小的点，所以高密度电阻率法解释的溶洞深度与钻探揭露的深度是有一定的差异的。

用地震映像探测溶洞，可得到明显的异常，而且反射波勘探可以到达较大的深度，但是各种技术参数的选择会影响探测效果，关键是根据干扰波调查剖面确定最佳偏移局，必要时要在一个工地上，需要在具有不同地质条件的地方多做几个试验剖面。

频散曲线反映了面波排列范围内面波相速度随深度的变化，因此，根据不同的频散曲线，可推断相应的层状大地模型。而且当存在软弱夹层时，频散曲线出现“之”字形异常的深度大致对应软弱夹层的深度位置。

利用同一地质现象不同方面的物理性质, 采取了不同方法, 通过钻探验证取得了一定的效果。综合地球物理方法的使用, 能够互相验证, 克服单一方法的局限性，增大结果的准确度，为消除建设工程隐患提供一定的依据。

参考文献

[1]刘金荣,袁道先,梁耀成，等. 桂林热带岩溶地貌特点及其科学价值[J].中国岩溶.2001, 20(2): 137-139.

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[4]程志平. 电法勘探教程. 北京: 冶金工业出版社.2007, 20～32.

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[7]单娜林,程志平,刘云祯.北京:冶金工业出版社.2006,122-150.

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[9]杨成林. 瑞雷波勘探[M]. 北京: 地质出版社.1993.

The Intigrated Application of Geophysical Exploration Methods In the Karst Survey Area

ZHANG Jin-chun1，WANG Hai-yan2，LIAO Hai-ji3

(1.Guilin Research Institute of Reconnaissance Designing, Guilin 541002, China；2.Bowen Management School, Guilin Science and Technology University Guilin 541006, Guangxi；3.General Station Geological Unvironment Monitoring in Guangxi Guilin 541004, Guangxi)

Abstract:With the construction of the “mega-citiy”, Guilin, which is famous for karst, faces the karst hazard. In order to get solution for the problem, we need to position the location, strike, and scale etc. of karst caves or fractured zone by using resistivity imaging, seismic reflection and Rayleigh wave methods，which are complement and supported each other. With the drilling verification, the results from integrated survey can provide a basic data for building design and construction to prevent some potential hazards.

Key words:Geophysics；resistivity imaging；Seismic reflection；Rayleigh wave method and Karst exploration

[收稿日期]2016-03-21

[作者简介]张金纯(1987-)，男，山东郓城人，助理工程师，主要从事工程地质、水文地质、岩土工程及地质灾害方面的工作。

[中图分类号]P642.25

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)03-0125-03