综合物探在岩溶调查中的应用

陆益伟|文

岩溶是建筑、公路、铁路等基础设施建设的重大地质隐患，利用地球物理方法对岩溶进行探测是岩溶地质调查的重要手段。本文论述了综合应用地质雷达法、高密度电阻率法和地震映像法的物探方法对安徽池州某建筑工地进行岩溶地质调查的工程实例。结果表明，综合应用多种物探方法，能有效查明灰岩地区岩溶的分布范围、埋藏深度和发育情况。

岩溶是灰岩地区较为典型的不良地质结构，它往往给基础工程的勘察和施工安全带来极大的隐患，甚至危及上部建筑的工程安全。由于岩溶构造本身的特殊性，以往常用的勘察手段很难查明岩溶存在的空洞形态及分布范围。一般说来，岩溶洞穴与其围岩之间存在较明显的密度、速度和导电性等物理性质的差异。因此，可利用综合物探方法从不同的地球物理特征场对地下介质体提供可靠的有效信息，从而调查出岩溶的分布范围、埋藏深度和发育情况等。

工作方法及原理

1.地质雷达法

地质雷达是利用广谱电磁波技术确定地下介质分布情况。在雷达主机控制下，脉冲源产生周期性的毫微秒信号，由地质雷达系统中的窄脉冲发射源通过发射天线向地下发射高频宽频域单脉冲，该地下脉冲在向探测物体内部传播过程中，遇到不同电性介质界面产生不同强度的反射，产生反射信号。位于地面上的接收天线在接收到地下回波后，直接传输到接收机，信号在接收机经过整形和放大等处理后，经电缆传输到雷达主机，经处理后，传输到微机。在微机中对信号依照幅度大小进行编码，并以伪彩色电平图、灰色电平图或波形堆积图的方式显示出来，再经数据处理，用来判断地下目标的深度、大小和方位等特性参数。

2.高密度电阻率法

高密度电阻率法的理论基础是静电场理论。它是基于在地面下供垂向电测深点与电测剖面两个基本原理的基础上，在同一条多芯电缆上布置了64个电极，通过计算机硬软件的有机控制供电极和测量电极，自动组成多个垂向测深点，通过不同电极排列装置的控制程序实现了自动布点、自动跑极、自动供电、自动观测、自动记录、自动计算、自动成图成像的全过程。

图1 L2测线地质雷达法探测成果剖面图（截图）

图2 L2测线高密度电阻率法探测成果剖面图

图3 L2测线地震映像法探测成果剖面图（截图）

探测目标体和周围介质存在明显的电阻率差异是高密度电法的物理前提。通过分析地层中的土洞、岩溶的地球物理特征，不难发现，地层中的土洞、岩溶与围岩在电性上普遍存在差异：相对背景而言，或为明显的高阻异常（如被空气充填的空洞灰岩体）或为明显的低阻（被低阻物所填充，如水和淤泥充填的岩溶洞），如果采空区大小相对埋深具有一定的规模，就容易被发现。但由于其平均效应大，在确定异常体边界方面精度不高，且受表层低阻干扰严重，在工程勘察中，一般需要其他高精度物探方法的辅助。

3.地震映像法

地震映像法，又称地震共偏移距法，是以相同的小偏移距逐步移动测点接收地震信号，在地面或水面对地下地层或地下目的物进行连续扫描，利用多种地震波信息来探测地下介质变化的浅层地震勘探方法，其前提是地下介质密度、速度、泊松比具有差异。

在地震映像测量过程中，激发后在接收点用单个检波器接收。仪器记录后，激发点和接收点同时向前移动一定的距离 (称为点距)，重复上述过程可获得一条地震映像时间剖面。对采集数据作各种处理后，通过分析反射波，折射波、面波变化信息进行综合地质解释。

工程实例

1.工区地质及地球物理条件

安徽池州某建筑工地，拟在场地内兴建多幢居民住宅楼，其地层基本分为：①杂填土；②-1粉质粘土；②-2粉质粘土混砾石；③全风化泥质粉砂岩；④粉质粘土混碎石；⑤强风化砾岩；⑥中风化灰质砾岩。设计基础采用钻孔灌注桩，采用⑥号层中风化灰质砾岩为桩端持力层。由于在地质勘查时个别钻孔发现有灰岩溶蚀裂隙或溶洞（坑、沟）中的粘性土及碎块石充填物，需查明场区内有无土洞及开口溶洞等不良地质条件及岩溶分布的空间形态，为桩基设计及施工采用科学的方案作出合理的决策。

根据前人资料和本次工作的实际测试成果，地下溶洞（含充填物）若为松散堆积物则呈现低电阻率、低纵波传播速度特征，而当地下溶洞为干空洞则会呈现高电阻率、强纵波吸收特征。因此本次地球物理勘探需探测目标体——地下岩溶区与围岩间存在的明显介电特性和地震动力特性差异，为开展地质雷达法、高密度电阻率法、地震映像法工作提供了地球物理前提条件。

2.测线布置及参数设置

根据本次工作场地条件及勘探深度，对所测区域由北往南平行布置3条东西向长测线剖面，依次为L1，L2和L3。每条测线分别采用地质雷达法、高密度电阻率法和地震映像法进行测试，以保证测试成果的有效性和准确性。工作参数上，地质雷达法采用连续测量，使用50MHz非屏蔽天线，时窗600ns，采用点数480个，叠加次数为自动；高密度电阻率法采用温施/泛装置，电极距为3m；地震映像法采用单点测量，测点距1m，偏移距15m，采样间隔0.1ms，记录长度2048点/道，激震源为16磅重锤。

3.岩溶探测成果及解释

对所采集的物探资料进行一系列的数据处理和反演计算后，得到各测线成果解释图。结合已知工程地质勘察成果，推断解释场区内岩溶的存在分布情况。

图1为L2测线地质雷达法探测成果剖面图。在桩号z60至z62段间，出现一段弧状强反射信号（图1中虚线所圈处），怀疑为岩溶上顶面反射电磁波所致。但由于所使用的雷达天线为50MHz非屏蔽天线，无法屏蔽无效干扰信号，此反射信号也有可能是浅部干扰引起，因此暂时还无法下定结论。

再来看L2测线的高密度电阻率法探测成果剖面图（如图2所示），发现同样在z60至z62段，埋深约20～25m处（图2中虚线所圈处），有一明显带状高电阻率异常，结合地质雷达所测成果，推测此处为一干溶洞。由于异常所在位置正好位于解释成果图的边界，所探测到岩溶发育的部分可能并不完整，加上高密度电阻率法本身的平均效应，岩溶的边界尚不能精确划定。

在图3所示的L2测线地震映像法探测成果剖面图中，可以看到桩号z61至z62段（测线28～43m）虚线所圈处，反射波同相轴相位缺失，而顶板和底板的同相轴能量相对较强，推测此处为岩溶发育，根据地震波反射时间和波速计算得出，埋深在16～21m。这与之前两种物探方法探测到的异常大小和位置非常吻合。另外在桩号z60至z61间（测线15～22m）虚线所圈处，埋深18～21m的位置弧形同相轴“眼球形”特征明显，顶板和底板能量也较强，推测为岩溶发育。

至此，三种物探方法综合解释得出：L2测线存在两处岩溶发育，分别位于测线15～22m处和28～43m处，埋深为18～21m和16～21m，可能属串珠状小溶洞，距基岩面的深度为5.0～7.0m，岩溶上部基岩基本完整，部分有向下溶蚀迹象。L1和L3测线基岩较完整 ，未发现溶洞和断裂破碎带等不良地质迹象。

结论

通过安徽池州某建筑工地的场地岩溶构造的探测实例，说明了综合应用地质雷达法、高密度电阻率法和地震映像法等多种物探方法，能够能有效查明灰岩地区岩溶的分布范围、埋藏深度和发育情况，并且具有无损、高效、经济的特点。由于物探资料的多解性，异常的辨认和解释有时是一件非常困难的事情，采用单一的物探手段很难达到较好的探测效果。因此，多种物探方法相互配合，不同解释成果反复比较，取长补短，去伪存真，才能有效地提高异常解释精度，在岩溶调查中取得良好的探测效果。