综合电法勘探在岩溶勘查中应用研究——以安徽池州市为例

王康东

安徽省勘查技术院,安徽合肥,230031

岩溶是一种常见的不良地质作用，在一定的条件下可能会发生地质灾害，例如，城市建设中大量的抽采地下水，可导致土洞的发展和地面塌陷的发生，严重威胁建设工程的安全。因此，利用物探方法查清拟建工程场地下方岩溶洞隙的分布、形态和发育规律是十分必要的。

目前常用于岩溶勘察的物探方法主要有高密度电法、瞬变电磁法、浅层地震法、地质雷达法[1-3]。浅层地震方法震源一般采用锤击，探测深度较浅；用炸药作为震源，成本高且安全没有保障；城市中人类活动产生的噪声对采集的数据质量影响也比较大[4]。探地雷达探测的精度较高，但是在地下水位较浅的地区，水位以下探测效果较差，探测深度一般不超过10 m，对场地平整度要求也较高[5-6]。目前，高密度电法在岩溶勘查中应用较为广泛，具有一次可以布设多个电极和快速的采集数据，对复杂场地抗干扰能力强；缺点是对体积较小的溶洞和覆盖层较厚的地区探测效果较差，场地范围容易限制探测深度[7]。瞬变电磁法不受地形限制，探测深度较深，且可以探测出较小的低阻异常体，但是容易受附近高压电线和地下管线干扰。因此在城市开展岩溶探测工作，在具有良好的经济效益和保障安全的前提下，如何取得较好的探测效果，是工程技术人员所急需解决的问题[8-9]。考虑利用高密度电法在城市岩溶勘查中具有较强的抗干扰优点和瞬变电磁法具有不受场地范围限制及探测分辨率较高的优点，两者综合使用可以提高岩溶勘探结果的准确性和可靠性，而多方法综合电法探查岩溶的地球物理勘探研究鲜见报道。以池州市贵池区某地块的岩溶勘察为例，选择了地层电阻率纵向分辨能力较强的高密度电法和地层电阻率横向分辨能力较强的瞬变电磁法，开展该地块内的岩溶综合勘查工作。结合钻孔验证，证实了综合勘查方法在岩溶地区勘查的实用性和可靠性，该方法适用于类似的岩溶工程地质条件的场地勘察。

1 勘查区概况

1.1 工程概况

研究区位于池州市，属于长江中下游冲积平原地区，中亚热带湿润季风气候区，气候温和，光照充足，四季分明，降水充沛。区域内三叠系殷坑组至南陵湖组等地层岩性以灰岩为主，岩溶较发育[10]。 勘查地块位于沿江路与九华山大道交叉口，为本次岩溶勘查重点区域。据现有钻探资料，区内覆盖层厚度约30 m，下伏地层是灰岩，地层内岩溶发育。

1.2 地质概况

池州大地构造上位于扬子地台东北部，根据地层、构造、岩浆活动的差异，可分别归属于三个次级构造单元，即东至县南部为江南台隆；贵池区和青阳县以北为下扬子台坳；中部为皖南浙台坳。在地壳运动影响下形成一系列褶皱与断裂，地层发育齐全，自太古界至新生界均有出露。池州市内印支期、燕山期岩浆活动强烈，导致一系列基底断裂发生，频繁的岩浆侵入活动，形成了以构造岩浆岩带为主干的成岩成矿系列。勘查区主要地层如图1a所示，覆盖层由第四系冲—洪积黏性土、淤泥质土、中粗砂、砾砂和砂卵石层构成，基岩地层为：①灰、灰白、灰红色三叠系殷坑组至南陵湖组的角砾状灰岩，②晚侏罗世的石英闪长岩。探查区域位于向斜的核部，向斜核部地层为三叠系角砾状灰岩，且有晚侏罗世的石英闪长岩脉侵入(图1b)。

图1 研究区地质图及地质剖面图

1.3 地球物理特征

根据收集的钻孔资料，研究区地块覆盖层主要为耕植土、淤泥质粉土、卵石层等，区内钻孔旁侧的电测深结果表明：耕植土和卵石层的电阻率在25～50 Ω·m之间，中间的淤泥质粉土电阻率在5～25 Ω·m之间，下伏灰、灰白、灰红色三叠系角砾状灰岩电阻率较高，大约分布在50～200 Ω·m之间，岩溶发育区域电阻率则小于50 Ω·m。由此可见，不同的地层存在着明显的电性差异，为该区高密度电法和瞬变电磁法的应用奠定了良好的地球物理基础。

2 物探工作方法和技术

2.1 工作原理

(1)高密度电阻率法实质上是一种直流电法，一个排列的电极数可无限扩展，一般为60～120根电极，电极距在1～10 m。布设完测线后由电脑控制采集，采集效率相当高，而且电极装置形式多样，通过简单设置可获得多种电极组合方式，并兼有测深和剖面测量的双重功能，信息量大，纵横向分辨率较高，野外施工方便，速度快。数据处理软件成熟，采集的数据可在现场处理，及时指导野外生产。

(2)瞬变电磁法是在导电率为σ、磁导率为μ0的均匀各向同性大地表面铺设面积为S的矩形发射回线，在回线中供以阶跃脉冲电流Ⅰ(t)。在电流断开之前，发射电流在回线周围的大地和空间中建立起一个稳定的磁场。在t=0时刻，将电流突然断开，由该电流产生的磁场也立即消失。一次磁场的这一剧烈变化在地下感应产生涡流场，涡流场在大地中激发出感应电流产生二次磁场。二次场中包含了地下异常体的电性信息。通过线圈对二次场进行接收，然后进行处理分析可得到地下异常体的信息。

2.2 工作仪器

(1)高密度电法数据采集使用深圳市赛盈地脉技术有限公司生产的GEOMATIVE GD-10分布式高密度电法系统，其具备发射功率范围大、信号精度高、测试功能齐全、野外测试布线简单轻便等优点。

(2)瞬变电磁使用仪器为福州华虹智能科技股份有限公司生产的YCS512瞬变电磁仪，该型瞬变电磁仪对低阻充水区域反应灵敏、体积效应小、纵横向分辨率高，且具有施工方便、快捷、效率高等优点。

2.3 测量装置与数据采集处理

(1)高密度电法采用120道，为了满足0～50 m探深窗口，兼顾浅深部的分辨率，选用2 m的道间距。装置选用温纳法和三极法等。数据处理软件采用res2dinv软件。

(2)瞬变电磁法选择边长为2 m × 2 m的10匝发射线圈，等效面积40 m2，接收线圈边长2 m × 2 m，匝数为10匝，等效面积40 m2。发射电流10 A，采样时窗20 ms，发射机与接收机之间通过GPS卫星同步，测点间距均为2 m。数据处理采用IX1D反演软件。

3 勘探结果

3.1 勘探剖面电性特征分析

现场探测共布置4条高密度电法测线和15条瞬变电磁法测线，限于篇幅，本文从两种方法中各选用1条典型测线的探测结果进行分析。

(1)图2为高密度电法测试结果。结合地层剖面对比可见，该方法对地层的垂向分辨率较高。按照表层耕植土和卵石层的电阻率在25～50 Ω·m、中间的淤泥质粉质黏土小于25 Ω·m、下部灰岩大于50 Ω·m的地层电阻率分布特征，可以较好地分辨出表层的耕植土、淤泥质粉土卵石层及下伏角砾状灰岩界面。另外，在测线的240～260 m之间存在低阻异常，但由于受体积效应和低阻覆盖层等原因，高密度电法测试结果对于深部小异常的横向分辨率低，探测效果较差。

图2 高密度电法电阻率反演图和地质解释图

(2)图3为瞬变电磁法测试结果，对比地层剖面可以看出，表层土和淤泥质粉质黏土电阻率在5～50 Ω·m之间，卵石层电阻率在50～100 Ω·m之间，灰岩在100 Ω·m以上。对比高密度电法测试结果，可知瞬变电磁实测电阻率较高。另外，瞬变电磁测试结果中在测线80～90 m附近存在明显的低阻异常，推断为岩溶发育区，有淤泥等充填物且含水。以上分析表明，相对高密度电法，瞬变电磁方法对地层的横向分辨率较高。

图3 瞬变电磁法电阻率反演图和地质解释图

3.2 勘探的有效性分析和钻探验证

从高密度电法探测结果可以看出，对于浅部20 m范围内地层岩性电阻率分层较好。但是对于深部地层，由于体积效应，电阻率横向的分辨率不是很大，这与该地区覆盖层厚度在30 m左右，地下水位较浅有一定关系。对于20 m以下地层中较小的溶洞，探测较差。而且测线两侧下方由于采集装置的原因，有一定的探测盲区。

瞬变电磁法是一种电磁探测方法。由于是单点测量，采集方便灵活，不受场地限制，对线圈下方低阻异常体较敏感，电阻率横向的分辨率较高。对于体积较小的充水溶洞，具有较好的探测效果，可以拟补高密度电法在这方面的不足。但是瞬变电磁探测时，对于周边的电线和下方的金属管线产生的异常需要辨别，抗干扰能力较差。

为了进一步验证高密度电阻和瞬变电磁法资料的可靠性，将工程场地相对应物探剖面位置的钻孔资料与其进行对比分析。高密度电阻率法对应的钻孔剖面揭示5～18 m范围内分布淤泥质粉质黏土，在剖面230～260 m附近地下30 m左右位置岩溶发育，有掉钻现象(图4)，与高密度电法电阻率剖面图的异常相对应，该处淤泥质粉质黏土的电阻率范围为16～30 Ω·m，岩溶发育区域电阻率小于30 Ω·m。瞬变电磁对应的钻孔剖面揭示在剖面50～100 m附近淤泥质粉质黏土厚度变厚，在剖面80 m附近地下30 m左右位置岩溶发育，溶洞内有充填物(图5)，该溶洞由于充水，电阻率小于20 Ω·m，与瞬变电磁电阻率剖面图的异常一致。

图4 高密度电法剖面钻孔验证联合剖面

图5 瞬变电磁法剖面钻孔验证联合剖面

这两条钻探剖面验证了溶洞的存在及岩溶发育范围。高密度电法和瞬变电磁法结果与钻孔资料相一致，说明本次勘探使用高密度电法和瞬变电磁法是有效和可靠的。

4 结 论

采用高密度电法和瞬变电磁法对池州市岩溶发育区进行了综合探测，并在此基础上进行了钻探验证，获得了以下认识：

(1)现场探测结果表明，高密度电阻率法对探测区地层电阻率的纵向分辨率要高于瞬变电磁方法，而瞬变电磁法对地层电阻率的横向分辨率要高于高密度电法，两者综合应用，可以相互补充，体现了综合物探的优越性。

(2)钻探验证表明，采用高密度电法和瞬变电磁法对池州市贵池区某地块进行综合探测是有效的和可靠的，该方法适用于类似的岩溶工程地质条件的场地勘察。