综合物探方法在垃圾填埋场选址勘查中的应用

胡俊杰，彭青阳，徐洪苗

(安徽工程勘察院，安徽 合肥 230011)

1 引 言

在垃圾填埋场建设的过程中,填埋场的选址是最为关键的步骤，必须对选址区域的工程地质、水文地质及环境地质等进行详细的勘查和综合评价。垃圾填埋场场址应选在渗透性弱的岩、土层区域，场地基础岩性应对有害物质的运移、扩散具有一定的阻滞力，场地应避开断层活动带、构造破坏带、地震活动带、石灰岩岩溶发育带及含矿带等区域；因此，需要查明选址区域是否有断裂构造、岩溶等不良地质体分布。物探因其高效、经济、无损等优点得到了广泛的应用。在垃圾填埋场选址勘查中采用综合物探方法，利用多物性基础、多参数成果进行综合分析，可减小物探解译的多解性，提高物探成果的准确性。

本次垃圾填埋场选址勘查中投入高密度电阻率法、瞬变电磁及微动三种方法，每一种方法都有各自的优缺点。高密度电法采用阵列布极，同时完成纵、横双向二维勘探过程，工作效率高，数据量丰富[1,2]，对断裂构造反映较好，因体积勘探效应，对规模较小的裂隙及岩溶分辨率较差；瞬变电磁法(TEM)属于时间域电磁感应法，体积效应小、对低阻良导体反映敏感、纵横向分辨率高等特点[3]，弥补了高密度电阻率法分辨率不足的短板；微动，无需震源，频率成分丰富，受场地限制小，抗干扰能力强，以横波速度差异为基础，区分地层的速度结构，圈定低速异常[4]。

2 地质概况及地球物理条件

2.1 地质概况

勘查区地层由志留系及奥陶系组成，部分前第四系地层隐伏于第四系地层之下，少量零星出露，具体描述为：①第四系上更新统洪坡积，岩性为粉质黏土、黏土、碎石土，含少量铁锰结核及高岭土团块，局部夹少量全-强风化白云石灰岩碎屑及碎块。②志留系下统高家边组，岩性为千枚状粉砂泥质板岩夹千枚状页岩、页岩、硅质页岩、板岩。③奥陶系下统仑山组，岩性为灰岩，前期钻探揭露，该层岩溶发育，地下以溶蚀裂隙、晶洞、溶洞为主。

图1 区域地质及物探工作布置示意图Fig.1 The map of regional geological and geophysics work layout

2.2 查区物性特征

根据物性参数，第四系地层相对于志留系下统高家边组的千枚状板岩及奥陶系下统仑山组(O1l)的灰岩表现为低电阻率、低弹性波速特征。视电阻率值及弹性波速值由大到小依此为：石灰岩、白云岩、千枚状板岩、第四系。完整基岩的电阻率较高，在构造裂隙或岩溶发育的地段，由于基岩破碎或岩溶发育充填黏土、碎石土或水时，其物性特征表现为低电阻率、低弹性波速。这是本次开展综合物探方法的前提条件。

表1 主要介质物性参数

3 综合物探方法

3.1 高密度电法

高密度电法与常规电阻率法的基本工作原理相同，以地下介质的电性差异为基础，研究人工源施加电场的作用下，地下传导电流的变化分布规律，以达到探测地下导电地质体的特性及分布特征[3-6]。它具有一次阵列布极，完成纵、横双向高分辨率二维勘探过程，既能反映地下某一深度沿水平方向岩土体的电性变化，同时又能提供地层岩性沿纵向的电性变化情况，具有数据量丰富，分辨率高等特点[7]。本次高密度电法采用温纳-施伦贝尔装置，兼顾纵向分辨率及深部一次电位信号，点距5 m，隔离系数1～39，电极数120根，长剖面采用滚动测量方式进行。

3.2 瞬变电磁法

瞬变电磁法(TEM)的工作原理是通过不接地回线(磁源)或接地长导线(电偶源)向地下发送一次脉冲电磁场，当突然切断发射回路中的稳定电流后，根据电磁感应理论，发射回路中的电流突然变化，必将在其周围产生磁场，该磁场为一次磁场；一次磁场在向周围传播过程中，如遇到地下的良导电的地质体，将向其内部激发产生感应电流，又称涡流或二次电流，由于二次电流随时间变化，因而又在其周围产生新的磁场，为二次磁场，由地面的接收回线接收二次磁场，该二次磁场的变化将反映地下地质体的电性分布情况[8-11]。由于该方法是纯二次场观测，故与其他电性方法相比，体积效应小、纵横向分辨率高、对低阻反映敏感等特点[12-17]。

3.3 天然源面波(微动)

天然源面波，即微动是一种没有特定震源的微弱振动，它是由体波和面波组成的复杂振动，并且面波的能量占比70%以上[4,18-20]。微动中的面波信息与地壳浅部介质密切相关，通过数据分析，提取微动信号中的的频散信息，进而得到地下介质的速度结构分布信息[21-24]。本次微动测量采用三重圆台阵布置，台阵半径5 m、10 m、20 m，采样频率250 Hz，每个点采样时间30～40 min。

4 物探异常特征及分析

4.1 高密度电阻率法异常特征及解释

在测区内布置3条高密度电阻率剖面，目的是了解测区内的电性分布特征及有无断裂构造分布。根据高密度X-Z方向立体成果图(图2)，测区内电性特征整体表现为纵向由浅到深视电阻率值呈低-高的趋势，第四系覆盖层与灰岩的层位反映很清晰；在高程27～12 m深度范围内，电阻率值为20～80 Ω·m，呈低阻反映，解释为第四系覆盖层(Q)的反映；在高程15～-64 m范围内，电阻率值为80～500 Ω·m，呈高阻反映，解释推测为奥陶系下统仑山组(O1l)灰岩的反映；根据高密度电法成果，测区内未发现明显的断裂构造分布。可以看出，高密度电法对本区地层层位反映很清晰，因自身体积勘探效应的影响，对本次规模较小的岩溶分辨率不够，反映较差。

图2 高密度电阻率法X-Z垂直立体图Fig.2 The X-Z vertical diagram of multi-electrode resistivity method

4.2 微动异常特征及解释

测区内又投入微动工作，目的是以波速差异为基础圈定溶洞的分布范围，配合高密度电阻率法、瞬变电磁等工作，进行多方法查证，减少单一物探方法的多解性。根据4条微动剖面的X-Z方向立体成果图(图3)，浅部VS呈低值反映，深部VS呈高值反映，整个断面的层位清晰，反映出了测区内地层的整体变化特点。在高程32～8 m范围内，VS=200～500 m/s呈低速反映，解释为第四系(Q)覆盖层的反映；在高程10～-80 m范围内，VS大于500 m/s呈高速反映，解释为奥陶系下统仑山组(O1l)灰岩的反映。在第四系覆盖层与灰岩接触面附近，出现多个低速闭合圈状异常反映，与瞬变电磁剖面的低阻异常区相吻合，解释推测为溶洞的反映。相对于高密度电阻率法，微动在地层分层方面两者成果相吻合，但在溶洞反映的效果上要明显优于前者。

图3 微动X-Z垂直立体图Fig.3 The X-Z vertical diagram of microtremor

4.3 瞬变电磁法异常特征及解释

测区内投入瞬变电磁法，目的是查明测区内岩溶的分布范围及规模。根据7条瞬变电磁剖面的X-Z方向立体成果图(图4)，测区内电性特征表现为纵向由浅到深视电阻率值呈低-高的趋势，与高密度电阻率成果相吻合，在浅部等值线比较平缓，视电阻率值10～80 Ω·m为低阻反映，解释推测为第四系(Q)覆盖层的反映；在剖面的中深部，视电阻率值为80～300 Ω·m为高阻反映，结合地质资料，解释推测为奥陶系下统仑山组(O1l)灰岩的反映。在第四系覆盖层与灰岩接触面附近(高程14～6 m)，出现多个低阻闭合圈状异常，解释推测为溶洞的异常反映，溶洞平面分布无大面积连通现象，水平方向连通性一般，异常主要影响深度在高程-20 m以上。综合微动、瞬变电磁法成果资料，两者异常位置相吻合，异常类型相一致，对岩溶的勘探效果较好。

为研究整个测区内岩溶的展布情况，将瞬变电磁成果绘制成X-Y水平切片图(图5)，可以更为清晰地看出岩溶在平面的分布以及不同深度的延展情况。根据瞬变电磁X-Y水平切片图，场地范围内岩溶主要分布在第四系覆盖层与灰岩接触面附近，平面分布无大面积连通现象，局部范围内岩溶成群分布，但水平连通性较差。根据本次探测成果，溶洞呈低阻-低速综合异常类型反映，解释溶洞内有流塑、软塑性物质充填。

4.4 物探综合异常与钻探验证

根据30线综合剖面图，测区地层整体表现为纵向由浅到深视电阻率值、横波速度值呈低-高的趋势。在浅部等值线比较平缓，视电阻率值10～80 Ω·m，横波速度值200～500 m/s呈低电阻率-低速度异常模式反映，厚度7～15 m，解释推测为第四系(Q)覆盖层的反映；在剖面的中深部，视电阻率值为80～220 Ω·m，横波速度值500～2 200 m/s呈高电阻率-高速度异常模式反映，解释推测为奥陶系下统仑山组(O1l)灰岩的反映。在剖面的100、140～148、240～255、270、285～300号点处呈低阻-低速闭合圈状异常反映，解释推测为溶洞的反映，且溶洞内有流塑、软塑性物质充填。

图5 TEM X-Y水平切片Fig.5 The X-Y horizontal slice figure of the TEM

根据30线综合物探成果，在144、294号点布置两个验证钻孔分别为CZK21、CZK27，孔深分别为34.7 m、38.4 m，两孔分别在21.3～25.5 m处、24～29.2 m处揭露到溶洞，且溶洞内有软塑-可塑状黏性土充填，局部含有碎石角砾，与物探解译的低阻-低速闭合圈状异常相吻合。同时可以看出，因体积勘探效应的影响，相比于微动、瞬变电磁法，高密度电法对本次岩溶的分辨率不够，反映较差。

根据物探综合异常，设计9个钻探孔进行验证，将钻探验证成果与物探解释异常进行关联统计、对比分析，由表2可以发现，9个钻探验证孔中，仅CZK14、CZK26孔没有揭露到岩溶，其余7个验证孔均揭露到岩溶，本次钻探验证成果与物探解释成果基本吻合，综合物探异常准确率达77.8 %。

图6 30线综合剖面图与钻探验证成果Fig.6 The comprehensive profile of line 30 and drilling verification results

表2 钻探验证与物探解释异常对比

5 结 论

1)根据本次综合物探成果及钻探验证成果的对比分析，本次综合物探方法直观、准确地揭露出垃圾填埋场选址区内的地层结构及溶洞的发育形态、分布范围，为下一步的设计、施工，提供重要参考价值及指导性意义。

2)本次物探工作中，高密度电阻率法对地层层位反映很清晰，受体积勘探效应的影响，对规模较小的岩溶分辨率较差；瞬变电磁法对低阻反映灵敏，能准确地圈定低阻异常中心，对异常形态反映欠佳；微动受体积效应影响小，纵、横向分辨率高，对溶洞反映的效果较好。

3)在勘探精度要求相对较高的情况下，综合物探方法相比较单一物探方法，具有多物性基础、多参数成果等特点，大大地降低了单一物探方法的局限性及多解性，从不同角度对异常进行综合分析，使探测结果的准确性得到了很大的提高。