三维高密度电法在城市地下岩溶塌陷区探测中的应用

王 洁

(湖北煤炭地质物探测量队，湖北 武汉 430200)

1 引 言

岩溶地面塌陷是指覆盖在溶蚀洞穴之上的松散土体，在外动力或人为因素作用下产生的突发性地面变形破坏，其结果多形成圆锥形塌陷坑[1]。武汉市所处的地质环境复杂，降雨充沛，加之人类经济工程活动强烈，岩溶地面塌陷、滑坡、崩塌等地质灾害时而发生，其中岩溶地面塌陷已成为武汉市影响最大、危害性最大的地质灾害类型，严重影响了人民群众生命财产安全和城市运行秩序。

岩溶探测，对切实解决工程难题、指导工程实践、发展岩溶地区工程地质研究理论均有重要的理论和现实意义。为查清岩溶的空间分布和隐伏情况，除需开展岩溶及岩溶洞穴发育规律的研究外，还应辅以地球物理探测等相关手段，对岩溶发育进行研究[2]。因此，如何提高地下空间岩溶探测有效性及精确性显得尤为重要。

本文利用三维高密度电法应用于武汉某岩溶塌陷区，结合其岩溶发育特征及规律，实现岩溶探测成果三维可视化，直观地展示了目标体的走向、空间位置及形态，取得了较好的应用效果。

2 三维高密度电法基本原理

地层结构实质上相当于是一个复杂的三维物体，地下各种场的分布均受到来自所有方位的介质影响。二维探测无法接收来自波场、磁场、重力场、电场等全空间信息，易产生扩展效应和旁侧效应，导致解译出现异常、平面定位不准、深度分辨率不足等问题。

三维高密度电法是在二维高密度电法基础上发展起来的一种新方法，其基本原理与二维高密度电阻率法相似，都是以介质导电性的差异为基础，研究在人工施加稳定的电流场的作用下，地层中传导电流的分布规律[3]。它是在整个测区或局部测区完成一次布极，利用分布式串/并行采集方式，将地下空间剖分成大量的矩形棱柱，通过缩小实测电阻率与计算电阻率的差值差异，从而实现模拟地下实际情况的过程[4]。与二维高密度电法相比，采用多方向测量，测量的数据为一个三维阵列网格，从而使显示的地层信息更加丰富立体，更能反映现实中地下地质体的真实赋存状态。

图1 电场在介质中的二维和三维分布示意图

3 应用实例

3.1 场地地质特征

武汉某岩溶塌陷区位于扬子准地台下扬子台坪的大冶台褶带之梁子湖凹陷西侧的石炭系—二叠系隐伏可溶性碳酸盐岩条带。覆盖层为第四系黏性土、砂土组成的“上土下砂”二元结构，基岩为石炭系—三叠系灰岩。溶洞以浅埋型为主，基岩面以下10 m范围内溶洞最为发育。溶洞高度0.20～14.80 m不等，少部分为空洞，多被含砾黏性土或砾砂半—全充填[5]。

3.2 场地地球物理条件

该岩溶塌陷区不同层位对应的物性参数见表1。塌陷区地层主要分成三层。即：覆盖层为“上土下砂”的二元结构；基岩为灰岩；溶洞多被含砾黏性土或砾砂半填充，溶洞本身所处部位围岩为灰岩。

表1 相关介质物性参数

从表1中可以看出，各物质、地层总体阻值大小为：灰岩电阻率>砂性土电阻率>黏性土、软弱土电阻率。电阻率剖面(高密度)中灰岩与上覆地层界面间，存在明显的电阻率差异(电阻率梯度变化大)。从以上分析可以看出，本区地层不管从横向上还是纵向上均有明显的电性差异，具有良好的地球物理特征。

灰岩中的岩溶发育区，由于充填物质不同，会形成不同的异常特征。当充填物为软弱土、砂性土、水等低阻体时，电阻率剖面上会在高阻区中形成明显的低阻异常区。

3.3 观测系统设计

塌陷区内水稻田密布，稻田内多处存在积水。经过踏勘发现有一处稻田未进行耕种且积水较少，适合开展工作。考虑场地限制、地面塌陷规模和场地溶洞发育深度等因素，设计16×32网格排列(图2中红色测网)，电极距2 m，采用两极装置进行测量。测线底图为2015年谷歌摄影图，目前塌陷坑已回填，地面恢复原貌。

图2 塌陷区三维高密度电法探测测线布设

3.4 数据处理

三维高密度电法目前常用的反演方法是基于圆滑约束最小二乘法反演，利用正演模型和实测数据构造一个目标函数，并使其达到极小。三维高密度电法反演是将地下空间剖分成大量的矩形棱柱(图3)，确定棱柱的电阻率值，将实测电阻率与计算电阻率的差值减到最小，从而实现模拟地下实际情况的过程。

图3 三维高密度电法反演标准模型

野外数据采用Res3dinv软件进行处理。在对实测场地的地质条件和场地情况进行分析后，对反演参数进行反复尝试，选择了相对合适的阻尼系数及网格剖分系数，取得了较为准确的反演结果。

3.5 成果分析

地质体都具有三维地电结构，从三维的角度出发，综合运用三维反演和三维可视化技术，能够准确直观地认识地下结构，得出的结论也更加合理可信[6-10]。本次三维成果选择采用Voxler软件进行三维可视化展示。

图4为岩溶塌陷三维高密度电法三维立体渲染图。可以看出，电阻率呈低阻→中高阻→高阻变化，电性界面清晰。结合钻孔资料，上部低阻区为黏性土反映，中部深度14～21 m范围高阻区为砂性土反映，深部高阻区为灰岩反映，灰岩面在21 m左右，与测区地质模型吻合。

图4 岩溶塌陷三维高密度电法三维立体渲染图

图5为岩溶塌陷上部回填土体三维等值面图。该等值面推测为上部淤泥质黏土与下部黏性土分界面。对三维数据体进行埋深3.5 mXY平面等值线切片，可以清晰地看出，图中蓝色封闭等值线显示有两处低阻凹陷区，封闭等值线形态与地面塌陷范围基本吻合(图6)，推测两处低阻区为回填土体反映。

图6 上部回填土体三维等值面渲染图与原塌陷坑形态对比

图5 岩溶塌陷上部回填土体三维等值面

图7为岩溶塌陷上部回填区三维立体渲染图。图中可以从多个角度直观地了解淤泥质黏土界面的起伏形态，以及塌陷回填土体的形态展布及规模。

图7 岩溶塌陷上部回填区三维立体渲染图

结合塌陷区地质资料，推测测区灰岩界面在21 m左右。图8中黄色等值面推测为砂性土与灰岩分界面。对三维数据体进行埋深21 mXY平面等值线切片。可以清晰地看出，图中黄绿色封闭等值线显示有两处相对低阻凹陷区，推测为岩溶反映。从空间展布上看，两处岩溶存在导通的可能性。

图8 岩溶塌陷下部岩溶三维成果展示

图9为岩溶塌陷三维切片图。上部为塌陷回填体切片，中间为基岩面岩溶切片，下部为深部基岩切片。3个切片直观地反映了上部土体塌陷与下部岩溶的空间位置关系，可以还原上部砂体运移流失过程及塌陷过程，为岩溶治理提供科学的依据。

图9 岩溶塌陷三维切片

4 结 语

本次探测结果与地质模型基本吻合。相较于常规高密度电法，在成果展示方面，无论是进行断面、切片解释，还是在空间成图软件中进行立体解释，其成果更加丰富，可提供多角度多细节的观察方式，减小了误判和漏判的可能。三维高密度电法减弱了二维高密度电法存在的异常扩展效应及旁侧效应，提高了分辨率，提升了勘探解释精度。建议将三维高密度电法技术在城市地下空间探测工程中推广应用。