岩溶塌陷调查中综合物探法及三维可视化技术的应用

曾文光

（广州市地质调查院，广东 广州 510000）

随着城市化进程的推进和对自然资源的利用，人类生存环境日趋恶化，同时在地下水位下降的共同作用下，岩溶塌陷地质灾害不断发生，因此，对岩溶塌陷现象进行研究意义重大。物探法能够有效利用地下物质的物性差异，对不同地物之间的空间位置进行区分和甄别。虽然单一的物探方法在岩溶塌陷勘察中效果很好，但容易受到噪声或者电磁的干扰，数据畸变的现象较普遍，而且存在成果多解性的问题。联合多种物探法进行应用，可以彼此验证和补充，探测效果显著提升。尽管综合物探法比单一物探法有更好的探测效果，但存在不能直观呈现的问题，因此需要利用三维可视化技术进行数据处理。三维可视化技术的应用，不仅可以网格化处理探测得到的数据，在测量区域空白范围进行数据拟合，而且可以对存在的异常在空间中的特征和形态进行合理推断。

1 研究区域概况

2015 年10 月26 日，广东省广州市某镇周边农田发生大量地面裂缝及塌陷，部分房屋开裂变形，有些井泉干枯。截至2015 年11 月15 日，已发现28 个塌坑，最大塌陷坑面积大约为24.6 m×20.0 m，深度为7.0 m。有一栋房屋局部倒塌，多栋房屋受损严重，比邻的公路和道路开裂，影响了交通。该灾害发生后，某水电勘测设计院采用综合物探法及三维可视化技术，迅速查明了塌陷区为第四系岩性，确定了其厚度、透水性、含水性以及相关的工程特征；同时确定了50 m 走向、5 m 宽度、40 m埋深之内土洞发育带和浅部岩溶的空间分布和相关特征，查明了该处岩溶发育的隐伏断层构造，奠定了该地质灾害处理的数据基础，地质灾害应急治理效果明显。

2 勘探方法的选择

2.1 综合物探法

通常情况下，环境与工程勘探所利用的物探法主要包括放射性、重力、地震、磁法、电法等，每一种方法都是建立在地下不同介质地球物理属性差异的基础上。本文研究的灾害区域的塌陷主要为覆盖型岩溶塌陷，这就要求需要利用综合的物探组合方式，对上覆盖层和下部基岩实施纵向结合探测，主要包括覆盖层土洞物探法、岩溶孔洞物探法、微动勘探法、等值反磁通瞬变电磁法等。具体来说，又分为直流电法、地震、电磁勘探等方法。根据研究区域概况及周边存在的震动、电磁等干扰因素，本研究选择应用微动勘探法、等值反磁通瞬变电磁法进行探视。

2.2 三维可视化技术

三维可视化技术的应用，不仅可以网格化处理探测得到的数据，在测量区域空白范围进行数据拟合，而且可以对存在的异常在空间中的特征和形态进行合理推断。借助对瞬变电磁反演资料重建的模拟，能够直接展示塌陷的腔体立体结构特征，以完成利用三维超浅层瞬变电磁进行熔岩灾害区域勘探的模拟；同时利用等值反磁通瞬变电磁法，通过三维成像展示城市岩溶发育区状况，可清晰地反映出地下岩溶的规模、形态、位置，以及岩土的界面，并在岩溶塌陷区应用三维高密度探测法，利用三维可视化技术对空间位置、对象体的形态以及走向实施展示，使反演解释的可靠性和精准性显著提升[1]。

3 数据采集

为全面了解广州市某镇周边的农田道路塌陷空洞的空间分布，本研究利用综合物探法和三维可视化技术对塌陷区进行三维探测。在区域的道路表面设置一个1.0 m×0.5 m 的三维测网，将12 条测线布置在平行路面，测线间距为0.5 m，布置11 条垂直于路面的测线，间距为1.0 m，见图1。采用的探测雷达系统为意大利IDS 公司生产的RIS-K2 型探地雷达设备。为了做到分辨率和探测深度的兼顾，本工程探测利用400 MHz 屏蔽天线，设置513 个采样点，设计100 ns 的时窗长度。为了达到采集数据的高精度，利用50 m 皮尺进行定点并且自动叠加和进行连续扫描，设置标记间隔为1 m，可以有效修正不均匀天线移动速度导致的记录道的位置错位[2]。

4 探测成果与分析

4.1 综合物探成果分析

因为在测量过程中采用了不同物理参数的物探方式，例如微动勘探反演可以利用横波速度(m/s)为物理参数，等值反磁通瞬变电磁法反演作为视电阻率(Ω·m) 为物理参数，所以不同的地层物理量对应不同的物理参数，又导致了异常反应的范围、形态、大小产生差异。由于采用单一的物探法极易将异常区域漏掉，因此要根据综合物探的数据，让异常判断的准确性大幅度提升。通过对比视电阻率等值线断面图与横波速度等值线断面图，表现出如下的异同。

1） 通过微动勘探得知，在基岩内部和基岩界面附近聚集着横波速度异常；通过等值反磁通瞬变电磁法探测得知，在基岩界面附近聚集电阻率异常。前者都表现为很小范围的基岩内部的异常，后者表现为只有极少的基岩内部的异常，但椭圆形或者圆形的异常范围比较大。

2） 两者能够产生共同反应的是钻孔ZK1 揭露的岩溶发育区，两者产生不同反应的是钻孔ZK7 揭露的岩溶发育区（反应不明显的是微动勘探法，对两个小岩溶的综合反应表现在等值反磁通瞬变电磁法上，而且是很大范围）。本研究利用不同原理的探测手段，使其能够彼此补充各自的异常推断，并且更容易掌握塌陷区岩溶发育状态。

3） 在基岩界面深埋变化情况上，两种探测方式反应一致，只是局部略微有差异[3]。

4.2 三维可视化技术处理及成果分析

4.2.1 数据处理的三维网格化实施

将微动勘探测线与电磁法测线反演数据进行合并，即将W1、W2、W3 分别与S1、S2、S3、S4 合并。网格化的重新处理可通过Golden Software Voxler 软件完成，设定0.8 m×0.8 m×0.5 m 规格的网格，通过三维可视化技术将数据成图。

4.2.2 三维可视化技术在微动勘探法中的应用成果

4.2.2.1 基岩界面与地层特征

将横波速度体进行三维网格化并实施体渲染，观察地层横波速度在不同角度中的变化。在层状分布中，从浅部到深部横波速度表现出不断提高的趋势。对于基岩界面，可以利用剖面图进行位置的大致推断，所掌握的分布趋势为第四系坡残积、堆积块碎石土覆盖层与钻孔表现的深度吻合。根据微动等值线断面图以及钻孔地质剖面图，可以得出基岩界面位置的横波速度约为352 m/s，依托该值进行横波速度等值面图的绘制，让基岩界面整体起伏变化特征更直观。通过观察不难看出，整体的基岩界面光滑度不够，呈现局部的凹凸状态，推断的结论与岩溶发育以及基岩浅部风化、破碎有关。例如，有一个显著的凹陷区域呈现在勘探孔H1 下方，推断可能是钻孔呈现出的岩溶发育造成，也可能是破碎灰岩的作用反应。基于这些综合的影响因素，该灾害区域基岩界面表现出局部下凹的趋势。通过不同深度进行横波速度体渲染图的切片，其深度在75～98 m 处。经过对比结论如下：第一，位置相同深度不同的情况下，深度增加会带动横波速度提高，恰好对应了灾害区地层从松散的红黏土、素填土向微风化石炭系灰岩过渡的现象。第二，深度相同位置不同的情况下，地层不同深度相同分布变化中，表现为第四系覆盖层从大范围到小范围的分布，比如从90 m 高程H2 到H3 位置92 m 的分布，可以反映出起伏性存在于基岩界面上，埋深较浅的是H1，埋深较深的是H3，观察显示出基岩内部速度的差异性，足以体现基岩局部存在微风化、破碎、岩溶发育现象，导致横波速度不断降低；纵观深部的基岩情况，横波速度值体现均一性，足以体现完整的基岩深部，见图2。

图2 微动勘探不同视角横波速度体渲染图切片

4.2.2.2 岩溶发育特征

通过Golden Software Voxler 软件进行等值面绘制，深度范围控制在75～98 m，按照钻孔揭露显示，在基岩内部形成该等值面。通过观察，能够在不同视角下得到等值面的展布特征，尤其是在凹陷区域明显的钻孔H1 下方，也就是异常存于某等值线断面中，钻孔表现的溶洞状况与其吻合，就可以确定该区域是岩溶发育区。

4.2.3 三维可视化技术在等值反磁通瞬变电磁法中的应用成果

4.2.3.1 基岩界面及地层特征

将视电阻率值利用三维网格化进行渲染，表现视电阻值在不同角度下的变化特征。在层状分布中，视电阻率值从浅部到深部一直在增加。通过对三维体渲染图的观察，将电性界面展示出来，包括低阻层与高、中阻层之间界面，土层速度在横向和纵向上变化不大，基本小于300 m/s。从里程85 m往大里程方向土层分布较厚，完全对应钻孔揭露的基岩深度，钻孔揭露的基岩深度从钻孔H1—H3 的10 m，逐渐上升到钻孔H6—H8 的5 m。根据等值反磁通瞬变电磁法等值线断面图不难看出，钻孔H6、H1 之下的等值面的异常特征为向下凹陷。利用对钻孔资料的分析得出，钻孔ZK7 探测到的岩溶发育以及钻孔H1 存在的灰岩破碎都会降低灰岩视电阻率值，完全对应了凹陷的等值面变化特征[4]。

4.2.3.2 岩溶发育、溶蚀区域特征

根据不同深度对视电阻率体渲染图实施切片，考虑到在基岩浅部聚集破碎、岩溶、溶蚀的现象，故在浅部高程处实施密集的切片，分别是H1—H9（75 m—98 m） 高程，同时常规切片在H1、H7 的深部高程进行。通过钻孔地质刨面图，准确推断出基岩与140 Ω·m 可视为第四系覆盖层的临界值，如果地层电阻率＞140 Ω·m，则断定存在于基岩内部。按照ρ=150 Ω·m 有效绘制电阻率等值面图，可以确定在基岩浅部形成该等值面，基岩界面表现出起伏且伴随深度变化而变化的趋势。但考虑到基岩蚀变、破碎以及岩溶的因素，造成了低于150 Ω·m 的电阻值，因此，该等值面内极有可能会存在局部的基岩破碎、蚀变等现象。

通过图3 不难看出，异常会伴随深度的变化而变化，其中异常趋势变化清楚的A1、A3、A4、A5、A6、A7，主要是在H1—H9（75 m—98 m） 高程处聚集了岩溶、溶蚀发育的异常反应，往H9 方向延伸异常特征，可以参考图3 中划定的岩溶发育区域，灰岩地层片状主要表现在85 m 高程以下。

图3 等值反磁通瞬变电磁法不同深度等值线切片图

综合分析：借助等值面图、三维体渲染图、断面图以及深度不同的切片图，也就是通过局部的面到完全的整体，详细而直观地查明了溶蚀区域空间展布特征以及研究区基岩的起伏特征。在H1—H9（75 m—98 m） 高程范围内基岩电阻率较低，主要分布在1 000～1 200 Ω·m，推测为岩体较破碎、裂隙发育。小区H1—H9 范围内风化、基岩破碎、岩溶发育比较集中。

5 结论

1） 利用多种勘探法的联合应用，基本掌握了本文研究的岩溶塌陷区域的岩溶发育特征以及基岩界面的埋深情况，所获得的物探数据符合钻孔资料，对其他异常位置进行判断和圈定，为处理塌陷地质灾害提供了可靠的数据。

2） 传统的反演断面图所表现的是异常在纵向上的分布特征，局限性较大，而三维体渲染图完全可以将空间上的异常分布特征呈现出来。

3） 以三维体渲染图为基础，利用相匹配的视电阻率值和横波速度值提取不同的等值面图，以满足解释的需要。通过钻孔岩心与断面图的对比分析，获得基岩界面与覆盖层的临界值。如果取值不超过临界值，说明覆盖层对应数值的等值面特征；倘若取值将临界值突破，说明基岩内部对应值拥有等值面特征。

4） 基于三维体渲染图的切片，深度的选择可以不同，能够在切面图上表现等值面变化特征，在平面上反演异常的展布特征，通过不同深度切片的叠加图，能够清晰显现异常由浅到深的变化现象。

5） 可以根据目前的测量数据，通过三维网络技术进行数据拟合，包括测线间没有被测量的区域，弥补了某些测量盲区，例如环境原因导致的不能获取真实数据的盲区，然后借助三维可视化进行盲区地质变化的展现，以及准确地推断相关的地质问题。毋庸置疑，合理进行三维可视化技术的应用，能够从二维断面数据中挖掘出更多的信息，并能够通过三维成图直观地表现。