物探技术在岩溶勘察中的应用

王庆江,李聪然

(华北有色工程勘察院有限公司, 河北 石家庄 050021)

岩溶又称喀斯特(Karst),是指可溶性岩体的结构面在水的物理和化学作用下不断发育,形成裂隙、沟槽、空洞、落水洞和地下暗河等,最终在自然或人工作用下发生塌陷[1]。岩溶会给工程建设带来安全隐患。为减小岩溶不良地质作用对工程建设的影响,需对岩溶进行专项勘察和评价,相关建设规范对此也作了详细要求。

岩溶发育在空间具有不确定性、隐蔽性和不均一性,常规钻探存在漏探的可能性。岩溶体与围岩之间存在的一种或多种物性差异,为物探方法的使用奠定了基础,具有方便快捷、成本低、效果好等优势[2]。当前岩溶勘察常用物探方法有直流电法、电磁波法、弹性波法及其它物探技术。本文通过查阅文献,对岩溶勘察常用物探方法进行了总结,为今后岩溶地区勘察提供一定的借鉴。

1 岩溶探查的地球物理特征

岩中岩溶可被水体、空气、沉积物等充填,不同充填介质与围岩的物理性质存在差异,是物理探查的基础条件。岩溶地球物理特性主要体现在电磁场、弹性波场、重力场和放射性等[3]方面。

1.1 电磁场异常

完整岩体电阻率一般较高,岩溶为不同物质充填时,电阻率会发生变化。当溶洞为空气充填,则充填体较围岩呈现高电阻率;当溶洞为地下水或沉积物充填,则充填体较围岩呈现低电阻率。利用充填体与围岩电磁场的差异,可以圈定岩溶发育范围。

1.2 弹性波场异常

岩溶与围岩的波阻抗存在明显差异,导致弹性波在岩层中传播速度发生变化,岩体中裂隙、空洞会使弹性波的传播方向发生改变。弹性波在致密完整岩体中传播速度大,能量损失小,信噪比高;当岩溶充填水体、空气、沉积物时,传播速度减小,能量吸收增加,形成各种低频杂乱信号,是岩溶发育的判定标志。

1.3 重力场异常

地层岩溶发育使得部分岩体为地下水溶解,岩溶空间为不同介质(水、空气、沉积物)充填,形成低密度区,发生质量亏损。空气充填岩溶体时,质量亏损最大;水体或沉积物充填时,可一定程度补偿岩溶造成的质量亏损。可用重力计对岩溶与围岩的重力差异进行测量,实现岩溶的识别和定位。

1.4 放射性异常

放射性元素(如放射性氡)广泛存在于岩土体中,自然条件下致密岩体中的含量保持相对稳定。地层中岩溶的发育会形成各种裂隙、空洞,成为水体和气体的运移通道和积聚空间,使得其上部土壤中放射性元素浓度大于周围土体中浓度,经一定技术测定这种差异,实现地下岩溶的探查。

2 地球物理探测技术

2.1 电法勘探

2.1.1 常规电法

常规电法主要包括电测深法和电测剖面法,电法技术以介质导电性、介电性、电化学活性差异作为探测的物性条件,向地下介质提供电流,分析测量电极间电位差,得到介质视电阻率的分布,通过反演分析实现目标体的识别和定位。常规电法因观测方式和仪器设备限制,需要人工不断布设电极,成本高、效率低。陈灿华等[4]分析了电测深曲线、反射系数与溶洞发育情况的关系,经实测证明电测深法能够准确探查岩溶的规模和分布。

2.1.2 高密度电法

高密度电法集电测深和电测剖面为一体,探测的物性基础是地下介质的电性差异。通过供电电极向地下介质供电,获得测量电极间电位差,得出记录点的视电阻率值。变换电极排布方式,得到视电阻率剖面,得出岩层地质体及其界面的分布情况。

高密度电法较常规电法相比,一次性布极,电脑自动跑极和采集数据,速度快、效率高,能够有效降低电极移动造成故障和干扰的概率。高阳等[5]分析了三维高密度电法的技术特点、优势及施工要求,经实测岩溶发育情况验证了其勘探效果。

2.1.3 充电法

充电法以具有良好导电性地质体电阻率差异为为探测条件,向地层供电得出电场、电位分布差异,实现目标体的探查。将供电电极正极、负极分布放于探测体上和较远位置,测得电位曲线或电位梯度曲线,电位曲线极值点或电位梯度曲线零点处为良导体位置。充填水体或湿润沉积物的溶洞为良导体,为充水体或湿润沉积物的溶洞为良导体,为充电法的使用提供了条件。陈松等[6]介绍了充电法和高密度电法两者的原理、探测条件和优势,并对贵港岩溶发育进行联合探查,验证了联合探测的效果。

2.2 电磁波法

2.2.1 瞬变电磁法

瞬变电磁法也称为时间域电磁法,使用不接地回线或接地回线圈向岩体发射一次脉冲场,岩体感应生成二次涡流,根据二次涡流形成二次电磁场的时空分布,实现目标体的探测。瞬变电磁法具有高阻穿透能力强、低阻含水体灵敏性好、横向分辨率高、指向性好、设备轻便、效率高等优点。杨金凤等[7]采用瞬变电磁法对济南相关道路下方岩层进行了探测,得出了岩溶的发育情况和地下水的埋藏深度,验证了瞬变电磁法探查岩溶的可靠性。

2.2.2 频率域电磁法

(1)大地电磁法。大地电磁法工作原理是电磁波的趋肤效应理论,即不同频率电磁波入射地下时穿透地层的厚度各不相同,频率越低、周期越长,穿透深度越大。通过收发不同频率的电磁波,获得不同深度岩层的视电阻率,实现地下目标体的探查。

常用的大地电磁法有AMT(音频大地电磁法)、CSAMT(可控源音频大地电磁法),区别在于AMT使用自然电磁场,CSAMT使用人工电磁场。AMT方法改进可得到EMAP(电磁排列剖面法)和EH－4(电磁成像系统),EMAP兼顾AMT的轻便性和CSAMT的稳定性,EH－4采用自然场和部分人工场。黄明景等[8]分析了AMT和CSAMT的优缺点,结合其它文献,将AMT和CSAMT技术特点列于表1。

表1 AMT法与CSAMT法技术特点

(2)甚低频电磁法。甚低频电磁法场源电磁波频率范围为15 Hz～25 k Hz,属于被动源电磁法。电磁波在传播过程中遇到电性不同的地质体或界面时,会感应形成二次场,一次场和二次场会耦合形成总场。甚低频仪器通过测量电磁场的空间分布,得出存在电性差异地质体或界面的分布情况。史保连[9]介绍了VLF－EM的原理,并用于岩溶探测,取得了很好效果。

2.2.3 地质雷达

地质雷达也称为探地雷达,是利用发射天线将15 MHz～2 GHz高频及超高频电磁波以宽频带短脉冲形式射入地层,入射信号遇到不同波阻抗地质体或界面时发生反射,反射波可被接收天线测得。反射波的能量与反射系数正相关,反射系数则随着反射界面两侧介电常数差异的增大而变大。分析反射信号的传播时间、频率、振幅和波动状态,实现地下目标体埋藏位置的确定。葛双成等[10]介绍了地质雷达的技术原理、特征及其探测岩溶的物性基础,将其应用于实测,并总结了岩溶探测的反演图像特征。

2.3 弹性波法

弹性波法的物性基础与电磁法不同,是地下介质波阻抗的差异,通过测量和分析弹性波在岩层中传播规律,得到地质体的形态大小和分布范围。岩溶探查常用的弹性波法包括反射波法、折射波法、面波法,同时也将微动法归类于弹性波法。

2.3.1 反射波法

反射波法的物性基础是弹性波在不同波阻抗地质界面会发生反射,测定地面不同位置反射波的传播时间和振动特征,判断地质构造的发育情况。陈贻祥等[11]联合多种物探方法对道光村岩溶塌陷进行探测,指出电磁波在遇到洞穴、塌陷扰动土时反射波会频率降低、波形变宽,出现波的反射、绕射及多次振荡拖尾现象。

2.3.2 折射波法

弹性波以一定条件遇到地质界面时,会发生折射,通过地震仪接收折射信号,分析其传播时间和振动特征,实现地质体及其界面的探测。与反射波法不同,折射波的形成要满足折射定律：当下层速度大于上层速度时满足折射定律,弹性波会发生折射现象,随着入射角增大,折射角逐渐增大,当其为90°时,弹性波会发生全反射,弹性波将沿界面滑行,基于此规律实现地下岩溶发育情况的探查。何沛田等[12]详述了浅层地震反射波法、折射波法和面波法的原理和施工要求,将其应用于渝黔高速部分路段岩溶发育情况的探查,钻探结果验证了浅层地震波法的应用效果。

2.3.3 瑞雷波法

瑞雷波法也称主动源面波法,基于弹性波在不同地质体及界面中传播速度的差异,实现目标体的探测。瑞雷波由地质体形状和体积对应的横波和纵波在地表耦合生成,可利用其几何频散特性得出在岩层中传播速度。实际应用中采用人工震源向地表进行竖向激振,使地质体表面附近形成不同波长的瑞雷波,改变激振频率获得不同深度的波长和速度,基于瑞雷波与岩土体地球物理特征的关系,反演实现地下空洞、溶洞、塌陷的识别和定位。林承灏等[13]采用多道瑞雷波面法对合福高铁某段路基岩溶进行调查,通过f－k法和相位差法改善提取面波的方法,提高了探测分辨率,对岩溶探查取得了显著效果。

2.3.4 地震映像法

地震映像法由反射波最佳偏移距技术发展而来,根据探测目的可选用反射波、折射波、面波等一种或多种波作为有效波,以相同小偏移距移动测点接收信号,实现地下目标体的连续扫描,基于不同地质体密度、速度及泊松比的差异,对接收到的信号进行反演分析,实现地质体的精准探测。黄霄寒等[14]联合地震映像和探地雷达对隧道岩溶进行了探测,指出未充填溶洞图像波形杂乱,时间剖面有较明显“低频振荡”现象;充填型溶洞图像同向轴反射散乱,波动频率低,振幅变化大,波动能量强;岩溶裂隙图像的同向轴不连续,高频部分吸收明显,波形紊乱,波动振幅增大。

2.3.5 微动法

微动探测技术是一种探测隐伏断裂构造和地层界线的新方法,微动就是地球表面物体一直存在的天然微弱振动,是微动探测技术的波源。微动是包含面波(勒夫波和瑞雷波)和体波(P波和S波)的复杂振动形式,面波能量可占到总能量70%以上。微动信号的振幅和形态随时间和空间不断变化,但可利用平稳随机过程理论,得出地下介质微动信号中面波(瑞雷波)的频散信息,经反演分析得出横波(S波)的速度结构,实现地下隐伏结构的探测。徐佩芬等[15]介绍了微动探测技术,将二维微动剖面技术应用于岩溶陷落柱、断层破碎带等隐伏地质构造的探查,并取得了显著效果。

2.4 微重力法

微重力法也称为高精度重力法,基于地下岩体质量亏损或盈余形成的局部重力异常,实现目标体分布的识别。岩溶发育形成的质量亏损是微重力法应用的物性条件。目前,新型高精度重力仪测试精度为微伽级(10－6Gal,即μGal),可以实现溶洞和空穴的精确定位。微重力法设备仪体积小、质量轻、易操作、速度快、分辨率高、野外作业方便、适用地形条件广,尤其适用于浅埋、大体量溶洞的探查。微重力法较直流电法和电磁波法可不受场地电磁信号、金属材料、接地条件和场地地形条件干扰的优势。唐沛[16]将微重力法应用于隧道溶洞的勘察,探测结果较好,对该方法的应用提出了建议。

2.5 测氡法

氡(222Rn)是放射性元素,存在于岩土体中,以气态或溶解态由浓度高、压力大区域向浓度低、压力小区域扩散、运移。地下空洞是氡气迁移和富集的有利场所,上方土壤中氡的浓度升高,通过测量岩溶发育地区土壤的氡浓度,实现岩溶、裂隙地质体的探查,能避免电磁或振动信号对测试仪器的干扰,不受场地大小影响,快速、方便、经济。胡让全等[17]介绍了土壤氡浓度方法探测岩溶的原理、施工方法和质量保证措施,并将其用于广州市岩溶地面塌陷和地面沉降的探查,取得了很好效果。

2.6 井间层析成像技术

层析成像技术[18](CT,Computed Tomo-graphy)是将物体的物理场参数,通过物理和数学关系进行处理,反演被检物体内部结构,以图像方式呈现的技术。层析成像技术分辨率高、探测范围大、探查图像直观,但不同观测系统的工作效率、成像质量、解释结果有较大差异。井间层析成像技术是在发射井中生成探测信号,接收井中接收探测信号,反演分析得出2个探测井间的构造信息。常用的井间层析成像技术包括弹性波CT和电磁波CT两种。

2.6.1 弹性波 CT

弹性波CT的探测信号是弹性波,其物性条件是不同介质中传播速度的差异。发射孔内施加瞬时激振力,生成弹性波,传播过程中振动状态发生改变,在接收井内对其进行接收。通过层析成像技术,获得探测范围内的构造分布。孟宪波等[19]采用弹性波CT对哈大客运专线岩溶进行了探查,总结了其测试原理、施工方法、干扰因素。

2.6.2 电磁波 CT

电磁波CT的探测信号为电磁波,其物性条件是不同介质吸收电磁波能量的差异。这种差异与岩层性质、裂隙分布和含水状态有关,在2个探测井中发射和接收电磁波,经层析成像技术分析电磁波传播过程中的能量损失,获得探井间构造分布,实现岩溶的探查。向世明等[20]采用电磁波CT对管道工程的岩溶进行了探测,取得了良好效果,并总结了其基本原理、施工过程、解释方法。

3 多方法综合勘探

岩溶探查的地球物理方法较多,不同方法的探测效果良好,但受覆盖层、充填介质、埋深等因素的影响,大多数探测方法均存在一定的局限性,且往往以点面探测为主。基于单一探测方法的评价效果往往不佳,解释具有一定片面性,应用效果不佳。实际工程应用中,往往通过多种物探方法的联合勘探,提高探测精度,减小解释误差。

郑智杰等[21]联合高密度电法、主动源面波法、微动法很好地确定了泗角村土层结构、岩溶分布。程亚平等[22]利用等偏移反射法、高密度电法、自然电场法对平果某场地断裂、岩溶分布探查取得了很好的应用效果。何禹等[23]采用联合剖面法、电测深法、高密度电法、地质雷达4种方法联合探查岳家桥镇隐伏断裂构造、土洞、岩溶和第四系厚度,经钻探验证,两者吻合性可达90%以上。

4 结 语

岩溶勘察对工程建设的安全有重要意义,本文通过查阅文献,总结了常用的物探方法及其优缺点,为今后岩溶场地勘察的物探方法选择提供参考,为提高岩溶探查的准确性,提出以下建议：

(1)选择合适的物探方法。分析已有地质资料,确定场地最突出地球物理特征,据此选择合适的物探方法,可减少探测结果的多解性。

(2)多种探测技术结合。采用多种物探方法联合探测,减少多解性造成的误判结果几率;与钻探相结合,验证物探结果,提高探测效率和准确性。

(3)发展新物探技术。借助物探方法的发展和现有技术的改造,提高探测准确度,降低勘察成本。