综合物探方法技术在岩溶塌陷防治工程中的应用

王长风

（安徽省地质矿产勘查局326地质队， 安徽安庆 246003）

0 引言

岩溶是灰岩地区常见的不良地质现象，岩溶塌陷也是一种严重的地质灾害。怀宁县黄岭村位于灰岩区段内，历史上有几处多次发生塌陷，导致田地陷落，房屋开裂，居民的生产和生活安全受到威胁，灾害防治刻不容缓。为做好防治工程设计，采用综合物探方法对岩溶塌陷程度严重地段进行详细勘查。

1 地质概况

勘查区内地层较简单，下伏基岩地层为三叠系下统南陵湖组，主要为灰岩，由于受热接触变质作用的影响，局部变质为大理岩。上覆第四系是全新统冲洪积层及上更新统坡洪积层，岩性主要为粉质粘土、细砂、中粗砂、砾石及卵石。工区附近有一些近南北向压扭性断层及北西向张扭性断裂。

2 地球物理特征

第四系岩性为粉土、粉质粘土、砂及砾卵石，含水量大时电阻率较低，约在30～50Ω.m之间。基岩是南陵湖组（T1n）石灰岩，强风化层电阻率在一般在100～400Ω.m；中风化层电阻率在一般在600Ω.m左右；微风化及完整的基岩电阻率可达1000Ωm以上。它们与含碎石粘性土存在明显的电性差异。溶洞及土洞内无充填物时阻值较高，有充填物时电阻率较低，一般在40～100Ω.m之间。这些电性差异是高密度电法和瞬变电磁法勘探的前提条件，通过测量并对比电性差异，推断地下地质结构。

电磁波在不同的介质中传播的速度不一样，覆盖层与下伏风化程度不等的基岩、溶洞洞壁以及破碎带与完整围岩之间，波阻抗存在明显的差异性，电磁波在这些岩性界面或物性突变点将产生反射和绕射，在地质雷达剖面影像中产生波形上的变化，显示出与背景波形影像不同的异常特征，这些为地质雷达勘探提供了地球物理前提。

地震波在不同的介质中传播速度是不一样的，井间透射测井就是通过测量波速差异来划分不同的岩性层；以及测量岩溶区域波速在钻孔注浆前后发生的变化。

3 工作方法技术

3.1高密度电阻率法

这种方法是集电阻率测深和电阻率剖面法为一体的电法，一次性布极，密集采样，减少了野外观测误差，同时数据采集量大。

仪器采用重庆地质仪器厂生产的DUK-2型高密度电阻率测量系统；观测装置：施贝2；极距3m；隔离系数：1～24；电极数：1～120。这种装置测量具有分辨率高和生产效率高的特点，室内数据处理时，利用专门的反演软件（骄佳）进行二维电阻率反演。

3.2地质雷达法

这种方法是基于不同的介质对电磁波反射程度不同的特点，通过特制的天线向地下发射短脉冲电磁波，再利用接收天线接收反射回来的电磁波，通过记录的相关参数（如反射时间、波形、频率及幅度等），来推断目标物的形状、深度及介质的内部结构。

仪器选用加拿大的EKKO PRO型地质雷达系统，使用中心频率为100MHz的天线系统；记录长度：T=300.0ns和600.0ns；采样间隔：dt=0.8ns和1.6ns；道间距：dx=0.25m；天线间距：L=2.0m和1.0m；天线频率：f=50MHz；脉冲电压：1000V；叠加次数：N=64次。野外数据经过信号校正、信号增益、中值滤波、平滑滤波、一维频率滤波和二维频率滤波处理后成像。

3.3瞬变电磁法

是利用专门的天线（不接地回线）向地下发送脉冲磁场，产生一次场信号，再利用相应的天线接收因感应产生的二次磁场信号，该二次磁场是是非稳定磁场。不同介质受脉冲磁场激发产生的二次磁场信号特性不一样。瞬变电磁法就是利用该原理，它主要观测感应电动势、磁场和电场3种参数。

仪器采用EMRS-2B型微机电磁勘探仪（西安强源物探研究所生产），用随机配备的48V可充电电池提供电源，发射电流350A，脉冲宽度4ms，分辨率0.1μv，抗干扰能力强（大于60db），点距5m。采集回来的数据也用该厂配置的处理软件进行数据处理，获得可供解释的电阻率断面图。

3.4井间透射测井

井间透射测井是在相邻的两口井中，分别放置震源和检波器，在要勘查的目的层内部或目的层附近激发地震波，在另一口井同样的层位观测接收地震波，记录地震波的频率、走时和振幅等信息，再结合钻井等地质资料进行综合分析，推断地下两井之间地质体的地质结构和有关物性的空间分布。

震源采用湖南岳阳奥成科技有限公司生产的大功率“电火花陆地测井震源（组合式）”，检波器采用该公司的12道串式检波器，相邻道间距2m，频率范围：10Hz～60KHz；地震仪也是该公司生产的的“多道数字高分辨率地震仪”，每通道最高采样间隔8us，以24道为一个基站。

3.5测线布设

勘查区因地制宜布设6条近似平行的物探综合剖面（见图1），每种物探方法相同的点号对应相同的点位，点号间隔对应实际距离（m）。

图1 物探工作实际材料图Figure 1.Map of original data of geophysical exploration

4 成果解译推断

野外资料经过相应的数据处理成图后，以剖面为单元编绘6张综合物探成果图进行解译推断，由于篇幅限制，以1线为例说明，物探综合断面图如图2所示。

从高密度电法断面图上看，该断面电性层明显划分为3个电性层：近地表为低阻层，阻值介于20～40Ω.m之间；剖面最下面一层是高阻层，阻值大于120Ω.m；中间一层厚度不一，是中高阻层，阻值介于40～120Ω.m之间。剖面在点号130～165、195～215及270～290三段，中下部电阻率较低。

结合地质资料进行如下推断：与电性层相对应，该剖面从上到下也划分为3个岩性地层，最上面一层3～7m左右，是第四系的粘土层及砂、砾石层；中间，一般厚4～9m，局部厚度达到20m左右，是强风化及中风化灰岩，在视电阻率曲线畸变下凹处，岩溶发育或存在地质构造；下面是较完整的灰岩。

瞬变电磁法电阻率断面图与高密度电法视电阻率断面图非常相似，曲线形态一致，阻值大小也非常接近，从上到下也是划分为三个电性层，在点号90～170及250～290两处，电阻率曲线畸变下凹，这也是岩溶裂隙及灰岩局部溶蚀的表现。只是该方法表层精度低一点，但勘探深度大，它与高密度电法对应关系良好。

地质雷达断面图上，根据波形的变化也分为三层，最上面一层厚变化基本与高密度电法所反映的同步；中下部有几处影像有明显的异常，如在点号120～160、220～285两处，波形变化较明显，推断有岩溶。该种方法勘探深度稍浅些，但划分浅部岩性层，精度较高。

其他5条剖面解译类似，再结合每条剖面的平面位置、剖面异常的相似性及此处地质构造特点，推断了4条构造破碎带，依次是F1、F2、F3和F4（见图1）。

图2 1线物探综合剖面成果及解译图Figure 2.Comprehensive geophysical profile results and interpretation of line 1

5 井间透射测井成果解译

根据物探综合勘查成果，结合地质及岩溶塌陷发育特征，参考以往该区治理经验，此处拟采用钻孔注浆法进行岩溶塌陷区治理，为了了解该方法的实际效果，采用井间透射测井进行测试。为此选择了三个钻孔（见图1）。注浆前后共测试了5对井，即注浆前井zk01-03、zk02-01和zk02-03及注浆后井zk02-01和zk02-03。注浆前井zk01-03的最小、最大和平均速度分别为17566m/s、26326m/s和2383m/s；zk02-01井注浆前后对应井段的最小、最大和平均速度分别为16266m/s、28156m/s及2339m/s和19476m/s、34066m/s及2795m/s；同一点位速度绝对提高的程度也不一样，速度增量最小值、最大值和平均值分别为2266m/s、8196m/s和466m/s，相对提高的最小、最大和平均速度分别为9.3%、43.8%和23.2%；zk02-03井注浆前后对应井段的最小、最大和平均速度分别为18516m/s、29366m/s及2516m/s和22696m/s、39506m/s及3101m/s，速度增量最小值、最大值和平均值分别为 2176m/s、9396m/s和585m/s，相对提高的最小、最大和平均速度分别为8.7%、35.6%和24.0%（见表1和图3）。说明：注浆前后的速度最小与最大，并不是一一对应关系，表2中的绝对提高值不是对应加减关系。在注浆之前，井区海拔高程高于12m的层位为低速区，其速度为1600～2000m/s之间，推断为第四系；高程低于12m的层位为相对低速区，其速度约为2100～2800m/s，推断为基岩裂隙发育段。注浆后低速区速度提高至约为1900～2500m/s，相对低速区速度提高至约为2500～3400m/s，钻孔注浆后，波速明显地提高了，说明此处原来波速低的松散地层以及存在岩溶、裂隙的灰岩，注浆后胶结在一起，并且地层胶结程度较好，达到了防治工程的预期效果。

表1 岩溶塌陷点注浆前后波速对比表Table 1.Comparison of wave velocity before and after grouting at karst collapse point

6 结语

本次采用高密度电法、瞬变电磁法及地质雷达三种物探方法对岩溶塌陷区进行综合勘查，这三种方法勘查成果互相比较和补充，综合判断解释，有效地减少了物探解译多解性。圈定了塌陷区范围，并对岩溶进行了定性分析。后期进行了验证，钻孔14个，见溶洞孔7个；有的一孔多洞，钻孔见洞17处；洞高0.2～10.25m，平均洞高1.43m；分布在6～15m之间，证明物探勘查效果良好。

通过井间透射测井法，检测岩溶塌陷区注浆效果，注浆前后地层波速发生了明显的变化，说明了这种防治措施有明显的工程效果，为防治工程设计提供了重要参数。

图3 透射测井速度分布曲线Figure 3.Transmission logging velocity distribution curve