综合物探及三维可视化处理技术在岩溶塌陷调查中的应用分析——以连州镇某小区塌陷为例

邱 波， 王斌战， 周世昌， 刘 城， 卢 军， 郭光宇， 田成富， 方 程

(湖北省地质局 地球物理勘探大队，湖北 武汉 430056)

中国可溶岩面积为340万km2，约占国土面积的36%[1]，为岩溶地面塌陷发育提供了必要的物质基础。近年来，随着城市化进展的加快、人类活动对环境的改造，在地下水的相互作用下，导致建成区岩溶塌陷灾害频繁发生，因此对岩溶塌陷进行研究具有重要的意义。

物探方法可利用地下介质的物性差异来区分和甄别不同地质体之间的空间分布位置[2]。陈贻祥等[3]利用微重力探测定位浅部土洞、溶洞等，并将该方法普及成为岩溶塌陷详查的重要方法之一；陈玉玲等[4]利用可控源音频大地电磁法对岩溶塌陷分布特征进行研究，预测部分隐伏断层—管道型岩溶塌陷隐患，为寻找该类岩溶塌陷提供可靠依据；张伟等[5]采用微动技术对岩溶塌陷重点调查区进行大尺度测量，并结合钻孔资料快速反演覆盖层厚度，为岩溶塌陷地质调查提供了新的技术方法；郑智杰等[6]采用高密度电法对塌陷区进行调查，圈定了地下岩溶裂隙带的发育位置；谢嘉等[7]采用等值反磁通瞬变电磁法对岩溶塌陷强发育区进行调查，在周围环境因素干扰强等常规物探方法无法开展的情况下，有效查明了地下溶蚀发育情况。

上述单一的物探方法虽在岩溶塌陷调查中取得了一定成果，但都有其应用的前提条件。同时单一的物探方法容易受到电磁或噪声干扰，数据容易出现畸变且成果存在多解性；而综合物探方法具有互相补充、互相印证的优势，因此具有更好的探测效果[8-16]。刘伟等[8]采用高密度电法和微动技术综合研究岩溶塌陷的形成机制，准确地圈定出引起塌陷的溶洞、地下河、断层破碎带及软土的分布范围。彭超等[9]采用地震映象法和高密度电法对岩溶塌陷进行探测，前者能更精细地反映岩溶塌陷的异常范围，后者能更全面地揭露岩溶塌陷的发育形态；郑智杰等[10]选取高密度电法、主动源面波法和微动法对岩溶塌陷区进行综合研究，研究表明这三种物探方法相结合才能有效查明塌陷区内岩土层结构、确定岩溶发育带位置，并预测划分出塌陷危险区、潜伏区和相对稳定区；赵杨杉[16]将高密度电法的浅部数据及等值反磁通瞬变电磁法的中深部数据按照其变化规律进行整合拼接，扬长避短，形成一张探测成果图，实现了对岩溶塌陷快速、精细化探测的目的，为该区岩溶塌陷成因机理分析提供了科学的依据。

即使采用综合物探方法进行勘探，但若使用传统的处理方式，当调查区存在多条平行或相交的剖面时，也只能够分别展示测线下方的断面成果；即使将断面成果对应放置在测线实际的空间位置上，由于测线间存在未测量区域，其异常在空间上的分布特征也难以得到直观呈现，因此还需要采用三维可视化处理技术。通过三维可视化处理技术，不仅可以对数据网格化处理，生成测量范围内空白区域的拟合数据，而且可以推断异常在空间中的展布特征和形态。赵思为等[17]通过拟三维数据重建瞬变电磁反演资料，直观准确地展示塌陷腔体立体结构特征，成功实现中国西南岩溶地区拟三维超浅层瞬变电磁勘探。王斌战等[18]采用等值反磁通瞬变电磁法对城市岩溶发育区进行三维成像展示，准确地反映出岩土界面、地下岩溶的位置、形态和规模；王洁[19]将三维高密度电法应用于岩溶塌陷区探测，三维可视化的成果直观展示了目标体的走向、空间位置及形态，大大地提升了反演解释的可靠性和精度。

本文以连州镇某小区岩溶塌陷为例，根据场地的具体情况，有针对性地部署综合物探工作，并辅以钻孔验证。通过微动勘探和等值反磁通瞬变电磁法的相互结合、优势互补，查明物探测线控制范围内基岩埋深和起伏情况、岩溶空间发育特征。在此基础上，对反演数据进行三维可视化处理，通过体渲染图、等值面图、切片图等深入挖掘物探数据所蕴含的岩溶发育信息，在空间上展示基岩界面的起伏变化、岩溶或溶蚀发育区的空间展布特征，从而能够从面到体，从局部到整体掌握研究区地下岩溶发育特征全面、丰富的基础资料。

1 研究区概况

1.1 地理、地形地貌

连州镇属灰岩山区，地貌为丘陵、冲积盆地，以红、黄壤为主。星子河自东北而来，东陂河从西北而来，两河在鸬鹚嘴村汇合后称连江，并向南流经镇区;三江河由西向东在镇南注入连江。三河汇成湟川，经小北江南去。连州镇某小区塌陷区东侧距该镇番禺路约40 m，南侧距星子河约100 m，北、东侧均为居民住宅区(大多为多层和小高层)。研究区住宅楼于2000年前后相继建成，现状地面标高99.90～100.50 m。微地貌为星子河一级阶地。

1.2 岩溶塌陷现状

2021年4月研究区发现地面塌陷坑洞现象，塌陷直径约2 m，深度约2.5～3.0 m，坑中心处可轻松插入水管至11～12 m深。在此之前2021年1月，区内6号房屋也发生1处塌陷，长约4 m，宽约3 m，深度3～4 m，积水深度约1.2 m(照片1)。

照片1 地面塌陷现象

1.3 工程地质条件

研究区内一共布置9个钻孔(图1)，孔深不一(11～21 m)，在场地最大控制深度21 m的范围内，其岩土层结构及特征见表1。

表1 研究区地层岩性表

图1 钻孔ZK1-ZK9分布图

据钻孔地质剖面(图2)显示，由北到南基岩埋深逐渐变浅，高程从89 m到95 m。土洞顶、底板高差为0.90 m。溶洞顶板深度为7.6～17.2 m，高度为0.70～4.3 m，溶洞顶板岩石破碎，最薄处只有0.40 m，最厚处为4.10 m，反映溶洞基本上属于开口型溶洞，同时部分溶洞相连，岩层薄且破碎。开口型溶洞实质上是半土洞、半溶洞，其充填物和上部土层极易受地下水侵蚀，在顶板岩石破碎的情况下，一旦充填物被带走，顶板破碎岩石容易塌落而形成新的土洞。土、溶洞与地下水活动关系密切(土、溶洞基本相互连通)，土、溶洞提供了地下水储存场所，一旦地下水水位升降或水力梯度变化时会侵蚀洞周土体，使土、溶洞继续发展扩大。

图2 钻孔地质剖面图

2 数据采集

研究区处于临街，由于场地限制只能在楼道间进行岩溶塌陷测量工作。现场为水泥硬化路面，楼道间牵有电线，且存在车辆震动、电磁等干扰因素，测量采用近年来在城市地质调查中广泛应用的微动勘探和等值反磁通瞬变电磁法。

微动勘探无需人工场源，汽车及日常活动等频率高于1 Hz的微动信号通过地下介质不断散射后被记录，其携带的大量地下结构和震源信息，可以用于从中提取面波信息，成像地下结构[20]。等值反磁通瞬变电磁法消除了常规瞬变电磁盲区，可以获得早期二次场随时间的增加而衰减的规律，并接收到浅层地下介质的地电信息。由于等值反磁通瞬变电磁法特殊的双线圈结构特征，其较常规瞬变电磁法有更好的指向性，不易受到水平方向的干扰[21]。

根据研究区内楼栋分布情况，在楼道间布设了3条微动测线(W1、W2、W3)和4条等值反磁通瞬变电磁法测线(S1、S2、S3、S4)，测线均经过钻孔ZK1-ZK9，基本与地质剖面重合。微动勘探施工采用中地装(重庆)地质仪器有限公司生产的EPS系列一体化三分量数字地震仪(图4、照片2)。等值反磁通瞬变电磁法采用湖南五维地质科技有限公司生产的HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统(图5、照片3)。

照片2 微动勘探数据采集

图3 物探测线布设

照片3 等值反磁通瞬变电磁法数据采集

图4 EPS系列一体化三分量数字地震仪

图5 HPTEM-18型高精度瞬变电磁系统

为提高测量分辨率，采用了小点距进行数据采集，其参数见表2、表3。

表2 微动勘探测量参数设置

表3 等值反磁通瞬变电磁法测量参数设置

3 解释推断

3.1 微动剖面成果解释

从横波速度等值线断面图(图6)可知，3条测线的速度响应特征相似，均存在明显的速度界面，可划分为浅部低速层(50～480 m/s)和中深部中、高速层(480～1 000 m/s)。根据钻孔揭露的岩性资料，浅部低速层为第四系素填土、红黏土，中深部中、高速层为石炭系灰岩。基岩界面埋深从北东往西南向上呈现抬升趋势，与钻孔ZK1-ZK9揭露情况吻合。其中1#低速区对应钻孔ZK1岩溶发育部位，同时通过类比，圈定和推断了其他低阻异常，推断解释详见表4。

表4 横波速度异常推断成果表

图6 微动W1、W2、W3线横波速度等值线断面及地质推断图

3.2 等值反磁通瞬变电磁法剖面成果解释

从视电阻率等值线断面图(图7)可知，4条测线存在相似的电性响应特征，可划分为浅部低阻层(40～140 Ω·m)和深部中、高阻层(140～320 Ω·m)。根据钻孔揭露的岩性资料，视电阻率断面图中电性界面与钻孔岩性分界面相吻合。推断低阻层为第四系素填土、红黏土，中、高阻层为石炭系灰岩。钻孔ZK1的灰岩破碎和钻孔ZK7的岩溶发育，均与视电阻率断面图中的低阻异常相对应，同时通过类比，圈定和推断了其他低阻异常，推断解释详见表5。

表5 视电阻率异常推断成果表

图7 S1、S2、S3、S4线视电阻率等值线断面及地质推断图

3.3 综合物探成果分析

由于采用不同物探方法测量的物理参数不相同(微动勘探反演的物理参数为横波速度(m/s)，等值反磁通瞬变电磁法反演的物理参数为视电阻率(Ω·m))，物理参数本身所代表的地层物理量的不同，又造成其反映异常的大小、形态、范围会有一定的差异。单一的物探方法可能会漏掉存在的异常区域，因此通过综合物探成果，可以提高对异常推断的准确性。

对比横波速度等值线断面图(图6)和视电阻率等值线断面图(图7)可以发现如下异同：

(1) 微动勘探横波速度异常集中在基岩界面附近和基岩内部，等值反磁通瞬变电磁法电阻率异常集中在基岩界面附近。前者基岩内部的异常均为范围较小的圈闭异常(4#、5#、7#等)，后者基岩内部的异常反映较少，主要是范围较大的圆形或椭圆形异常(1#、5#、9#)。

(2) 两者对钻孔ZK1揭露的岩溶发育区有共同反映(如图6中1#、图7中1#)，也对钻孔ZK7揭露的岩溶发育区有不同反映(微动勘探未有明显反映，等值反磁通瞬变电磁法是对两个小岩溶的综合反映，范围较大)。作为两种测量原理不同的物探方法，各自推断的异常可以相互补充，有助于查明区内岩溶发育情况。

(3) 两者对基岩界面埋深变化情况的反应基本一致，局部略有差异。

4 三维可视化处理及成果分析

4.1 三维网格化数据处理

将微动勘探测线W1、W2、W3和等值反磁通瞬变电磁法测线S1、S2、S3、S4的反演数据分别进行合并，通过GoldenSoftware Voxler软件重新进行网格化处理，网格大小选择为0.8 m×0.8 m×0.5 m，最后将网格化数据进行三维成图(图8)。

图8 微动勘探三维网格化数据分布图

4.2 微动勘探三维可视化成果

4.2.1地层及基岩界面分布特征

将横波波速的三维网格化数据进行体渲染(图9)，展示不同角度地层横波速度的变化，整体呈层状分布，横波速度从浅部到深部呈现逐渐增加的变化趋势。

图9中蓝色和绿色的分界面，就是剖面图中推断的基岩界面的大致位置，通过不同方向观测基岩界面的变化趋势，可以看出第四系覆盖层呈现南薄北厚的分布规律，与钻孔揭露深度吻合。

图9 微动勘探不同视角横波速度体渲染图

根据微动等值线断面图(图6)以及钻孔地质剖面图(图2)，推断基岩界面处的横波速度大致为480 m/s，因此取该值绘制了横波速度等值面图(图10)，可以更加直观地观察到基岩界面的整体起伏变化特征。由图10可看出，整个界面并不光滑，存在局部的凹陷或凸起，推断与基岩浅部风化、破碎或岩溶发育有关。例如在钻孔ZK1下方存在一个明显的凹陷区域1#，推断是与钻孔揭露的岩溶发育区有关，同时也不排除对破碎灰岩的综合反映，在这些综合因素的影响下，该区域的基岩界面会呈现下凹的局部特征。

图10 基岩界面横波速度等值面图(v=480 m/s)

对横波速度的体渲染图进行不同深度的切片(图11)，切片深度分别为96、93、88、80 m，通过对比可以得出以下结论：

(1) 在同一位置、不同深度情况下，横波速度随深度逐渐增加，其与研究区地层从松散的素填土、红黏土过渡到微风化石炭系灰岩相对应。

(2) 在同一深度、不同位置情况下，不同地层在同一深度的分布变化如图11所示。从图11-a、11-b中反映出第四系覆盖层由大范围分布(96 m高程)到北东部的小范围分布(93 m高程)，也间接反映出基岩界面是存在一定起伏的，其西南部埋深较浅，北东部埋深相对较深；从图11-c中反映出基岩内部存在速度差异，说明局部可能岩溶发育、破碎、微风化，造成横波速度的降低；图11-d中则反映出基岩深部的情况，横波速度值较为均一，说明深部基岩完整性较好。

图11 不同深度横波速度切片图

4.2.2岩溶发育特征

取550 m/s横波波速绘制等值面，其深度范围在86～96 m，根据钻孔揭露，该等值面整体位于基岩内部。图12呈现出等值面不同视角下的展布特征。尤其是在钻孔ZK1下方，存在明显凹陷的区域1#(图12-c、12-d),即W1等值线断面图(图6-a)中的1#异常，其与钻孔揭露的溶洞相对应，笔者认为该区域为岩溶发育区。

图12 基岩内部横波速度等值面图(v=550 m/s)

4.3 等值反磁通瞬变电磁法三维可视化成果

4.3.1地层及基岩界面分布特征

将视电阻率值的三维网格化数据进行体渲染(图13)，展示不同角度下视电阻率值的变化特征，其整体呈层状分布，视电阻率值从浅部到深部呈逐渐增加的变化趋势。三维体渲染图(图13)中可见明显的低阻层与中、高阻层之间的电性界面，电性分界面的深度呈现南薄北厚的分布特征。从高程90 m逐渐上升到高程94 m处，与钻孔揭露的基岩深度变化相对应，钻孔揭露的基岩深度从10 m(钻孔ZK1-ZK3)逐渐上升到5 m(钻孔ZK7-ZK9)。

图13 等值反磁通瞬变电磁法不同视角视电阻率体渲染图

根据等值反磁通瞬变电磁法等值线断面图(图7)以及钻孔地质剖面图(图2)，推断140 Ω·m是第四系覆盖层与基岩的临界值，当地层电阻率>140 Ω·m时，可以认为其位于基岩内部。取ρ=150 Ω·m绘制了电阻率等值面图(图14)，则该等值面位于基岩浅部，其反映了整个基岩界面起伏和深度的变化趋势。但是由于岩溶和基岩破碎、蚀变的原因，导致基岩浅部的电阻率值降低到150 Ω·m，因此该等值面也包含了局部基岩破碎、蚀变或岩溶存在的信息。

图14 等值反磁通瞬变电磁法不同角度等值面图(ρ=150 Ω·m)

由图14-a、14-d中可见，钻孔ZK1、ZK7下方等值面呈向下凹陷的异常特征，结合钻孔资料，钻孔ZK1存在灰岩破碎、钻孔ZK7存在岩溶发育，都导致灰岩视电阻率值下降，其与凹陷的等值面变化趋势相对应。

4.3.2岩溶发育、溶蚀区域特征

对视电阻率体渲染图(图13)进行不同深度的切片，由于岩溶、溶蚀、破碎主要集中在基岩浅部，因此在浅部高程95、93、90、85 m处进行了较为密集的切片，在深部高程80、60 m处进行了常规的切片。

由图15可以看出，异常随深度的变化情况，其中对1#、5#、6#、7#、8#、9#异常的变化情况较为清楚，岩溶、溶蚀发育的异常反映主要集中在高程80～95 m，异常特征主要往西南方向延伸(见图15中划定的岩溶发育区)，高程80 m以下主要为灰岩地层的片状反映。

图15 等值反磁通瞬变电磁法不同深度等值线切片平面图

5 综合解释

研究区位于星子河、东陂河交汇的东侧城区，河流较为发育，基岩靠近河流附近埋深在10～15 m。岩溶裂隙水与地表水体(河流)存在相互作用，在岩溶裂隙水下降时，上下两部分水体之间的水力梯度增大，上层或地表水补给岩溶水，对基岩产生溶蚀作用，因此在研究区内形成岩溶或溶蚀区域相对较多。

通过断面图、三维体渲染图、等值面图以及不同深度的切片图，即从面到体，从局部到整体，直观和全面地查明了研究区基岩起伏的特征和岩溶或溶蚀区域的空间展布特征。基岩界面深度从南部5 m埋深到北部10 m埋深。小区内岩溶发育、基岩破碎、风化在西南方向上较为集中。

6 结论

(1) 通过微动勘探和等值反磁通瞬变电磁法的小点距综合勘探，基本查明研究区基岩界面埋深情况以及岩溶发育特征，物探成果与钻孔资料吻合，推断和圈定了其他异常位置，为后期研究区地灾处理提供了有效的物探资料。

(2) 常规反演断面图只反映纵向上异常的分布特征，三维体渲染图能够更加直观地展示异常在空间上的分布特征。

(3) 选择合适的横波速度值或者视电阻率值，可以在三维体渲染图的基础上提取满足解释需要的不同等值面图。通过断面图和钻孔岩心的对比分析，可以确定覆盖层和基岩界面的临界值。当取值小于临界值时，就反映覆盖层中对应数值的等值面特征；当取值大于临界值时，就反映基岩内部对应数值的等值面特征。

(4) 在三维体渲染图的基础上，可以进行不同深度的切片，从切面图上可以看出等值线的变化特征，反演异常在平面上的展布特征，叠加不同深度的切片图可以看出异常从浅到深的变化趋势。

(5) 在现有测量数据的情况下，通过三维网络化处理的方法，生成测线间未测量区域的拟合数据，弥补了因场地原因无法获取真实数据而形成测量盲区的遗憾，再通过三维可视化成果间接反映该盲区的地质变化趋势或推断可能存在的地质问题。因此通过三维可视化处理有助于从二维断面数据中挖掘出更多的信息，并以三维成图这种更加直观的方式呈现出来。