綜合物探技術(shù)在隱伏巖溶探測(cè)中的應(yīng)用

朱 銘

(湖南省高速公路管理局,湖南長(zhǎng)沙 410003)

灰?guī)r為可溶性碳酸鹽巖,當(dāng)灰?guī)r溶蝕發(fā)育至一定程度時(shí),在地下水動(dòng)力條件的改變或工程施工振動(dòng)等外因誘發(fā)下易引起不均勻沉降,乃至地面塌陷,給人民的生命、財(cái)產(chǎn)造成重大損失。在巖溶災(zāi)害多發(fā)區(qū)進(jìn)行災(zāi)害地質(zhì)調(diào)查為災(zāi)害治理提供必要的基礎(chǔ)地質(zhì)資料,是減災(zāi)防災(zāi)工作的前提。綜合物探方法是巖溶調(diào)查中的重要手段,瞬變電磁法和高密度電法則是綜合物探的有效方法,特別是在含水的巖溶洞穴探測(cè)方面,有非常突出的效果。

1 工區(qū)地質(zhì)與地球物理?xiàng)l件

場(chǎng)地位于張花高速公路2標(biāo)黃沙泉3號(hào)高架橋場(chǎng)區(qū),基巖由奧陶系瘤狀(泥質(zhì))灰?guī)r和灰?guī)r組成。其中紫紅色瘤狀灰?guī)r泥質(zhì)高,可溶性低,淺灰綠色瘤狀灰?guī)r泥質(zhì)含量略低,具弱可溶性,灰?guī)r純度較好,具強(qiáng)可溶性。瘤狀泥質(zhì)灰?guī)r處在灰?guī)r上方,其本身巖溶不甚發(fā)育,構(gòu)成場(chǎng)地巖溶主要頂板巖石,由于該巖石強(qiáng)度較低,并經(jīng)受構(gòu)造影響,巖石節(jié)理發(fā)育,完整性較差,在下部巖溶洞室發(fā)育到一定規(guī)模,失去支撐,多形成頂板垮落,造成場(chǎng)地巖溶洞室斷面規(guī)模龐大。頂板巖石的垮落,在局部形成塌陷,這些塌陷坑又為地表降水向洞內(nèi)匯聚形成通道。場(chǎng)地巖石構(gòu)造節(jié)理發(fā)育,也為地下水運(yùn)移提供了良好通道,有利于巖溶的發(fā)育。由黃沙泉3號(hào)高架橋2～3號(hào)樁下井,從底側(cè)開挖揭露的巖溶洞穴進(jìn)入地下溶洞,見一巖溶大廳,其頂板埋深約為18～20m,洞室最大高度約為25m,寬10～16m不等,向大里程方向縱向長(zhǎng)約15～25 m不等,洞內(nèi)石筍、鐘乳石發(fā)育,洞中多有石柱殘留,洞底充填泥質(zhì),底板上見有塌陷坑形跡,坑內(nèi)堆積垮塌石塊、黏性土。

區(qū)內(nèi)基巖與第四系松散層、巖溶與基巖之間存在明顯的電性差,具備進(jìn)行電法勘查的地球物理前提。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已知點(diǎn)試驗(yàn)探測(cè),場(chǎng)地土層顯示較低電阻率特征,其中土層含水較豐富時(shí),其電阻率更低;巖體總體表現(xiàn)為高阻特征,但淺部瘤狀灰?guī)r因風(fēng)化較為強(qiáng)烈,欠致密,并呈現(xiàn)充填性巖溶發(fā)育,電阻率略低,下伏相對(duì)較完整的瘤狀灰?guī)r電阻率稍高;較完整的灰?guī)r巖石致密,電阻率呈高值。無(wú)充填或少充填的巖溶洞穴表現(xiàn)為封閉高阻,被土層充填的巖溶洞隙呈現(xiàn)高阻帶中封閉低阻。

2 瞬變電磁法工作原理

瞬變電磁法是一種時(shí)間域電磁測(cè)量方法,是在沒有一次場(chǎng)背景條件下觀測(cè)研究二次場(chǎng),大大地簡(jiǎn)化了對(duì)地質(zhì)對(duì)象所產(chǎn)生的異常研究。以其分辨能力強(qiáng)、工作效率高等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于資源勘探與工程勘查領(lǐng)域,成為引人注目的地球物理勘探手段之一。

儀器野外工作方法及原理見圖1。主機(jī)通過(guò)發(fā)射線圈向地下發(fā)射煙圈狀磁脈沖,當(dāng)磁脈沖遇到不均勻?qū)щ娊橘|(zhì)時(shí)形成渦流場(chǎng),儀器斷電后,渦流場(chǎng)衰減過(guò)程中形成的二次場(chǎng)以煙圈狀輻射,接收線圈接收到返回地面的二次場(chǎng)信號(hào)并將其傳輸給主機(jī)進(jìn)行處理、顯示。

瞬變電磁法的特點(diǎn)表現(xiàn)為可以采用同點(diǎn)組合進(jìn)行觀測(cè),使與探測(cè)目的物耦合最緊,取得的異常響應(yīng)強(qiáng),形態(tài)簡(jiǎn)單,分層能力強(qiáng);在高阻圍巖區(qū)不會(huì)產(chǎn)生地形起伏影響的假異常,在低電阻率圍巖區(qū),由于是多道觀測(cè),早期道的地形影響也較易分辨;線圈點(diǎn)位、方位或接發(fā)距要求相對(duì)不嚴(yán)格,測(cè)地工作簡(jiǎn)單,工作效率高;有穿透低電阻率覆蓋層的能力,探測(cè)深度大;剖面工作與測(cè)深工作同時(shí)完成,提供了更多有用信息。

圖1 儀器工作原理圖

3 高密度電法工作原理

高密度電法實(shí)現(xiàn)電阻率的快速采集,并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而改變了電法勘探的傳統(tǒng)模式,使其和地震勘探的野外作業(yè)方式類似,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。其工作原理屬電阻率的范疇,但與常規(guī)電阻率法相比布置了較高的測(cè)點(diǎn)密度,一次可以完成縱橫二維勘探過(guò)程,所以觀測(cè)精度較高,數(shù)據(jù)采集可靠,具備較好的成像功能。見圖2。

高密度電法在復(fù)雜巖溶地區(qū)能取得很好的效果,它具有效率高、數(shù)據(jù)量大、分辨率高、顯示直觀等特點(diǎn)。使用高密度電法來(lái)進(jìn)行復(fù)雜巖溶地區(qū)路基勘測(cè)工作,不僅省時(shí)省力,而且效果很好。

本次采用溫納(對(duì)稱四極)電阻率剖面法,其特點(diǎn)是各電極間保持一定距離,同時(shí)沿著測(cè)線移動(dòng),逐點(diǎn)觀測(cè)電位差ΔU,供電電流I,并算出視電阻率Ps,沿測(cè)線繪得的Ps斷面圖是測(cè)線下面一定范圍內(nèi)地電斷面的綜合反映。

圖2 高密度電法數(shù)據(jù)采集布置示意圖

4 綜合物探技術(shù)應(yīng)用成果

本次共布置3條高密度電阻率法測(cè)線,6條瞬變電磁法測(cè)線,下面將選取有代表性的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

4.1 高密度電阻率法探測(cè)結(jié)果

高密度電法野外采集的數(shù)據(jù)需要先進(jìn)行處理,然后再帶地形進(jìn)行反演,這些工作都可以在二維電阻率反演軟件下實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)處理工作主要是剔除一些由接地不好電極影響的壞數(shù)據(jù)和采集系統(tǒng)自帶的隨機(jī)高斯干擾數(shù)據(jù),然后把分段數(shù)據(jù)拼接起來(lái),帶上高程文件,形成反演數(shù)據(jù)。反演結(jié)束后,選擇合適的迭代結(jié)果在Surfer下作出電阻率等值線圖,然后依據(jù)電阻率等值線圖對(duì)該測(cè)試地區(qū)作物性地質(zhì)分析,從而繪制出該工區(qū)的物性地質(zhì)斷面圖。

如圖3所示,測(cè)線A—A′范圍內(nèi)電阻率分層較為明顯,基本上表現(xiàn)為上部呈低阻狀態(tài),下部呈高阻狀態(tài),上下部高低阻接觸面起伏較大。其中測(cè)線64～188m、埋深20～42 m范圍內(nèi)存在明顯高阻異常,與巖溶大廳位置吻合,范圍稍大,應(yīng)為巖溶管道、溶蝕裂隙為輔的巖溶發(fā)育區(qū),經(jīng)鉆探孔WZK7、WZK9揭露巖溶空洞得到驗(yàn)證。

如圖4所示,測(cè)線B—B′范圍內(nèi)電阻率分層較為明顯,基本上表現(xiàn)為上部呈低阻狀態(tài),下部呈高阻狀態(tài),上下部高低阻接觸面起伏較大。其中測(cè)線60～120m、埋深20～40m,測(cè)線160～220m、埋深25～40 m范圍內(nèi)存在明顯高阻異常,推斷為以巖溶大廳為主,巖溶管道、溶蝕裂隙為輔的巖溶發(fā)育區(qū),經(jīng)驗(yàn)證,WZK2揭露深巖溶,洞室較大。

4.2 瞬變電磁法探測(cè)結(jié)果

在對(duì)資料進(jìn)行分析時(shí),首先對(duì)資料逐點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理,即檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量,剔除離差大的不合格數(shù)據(jù),劃分出低于最小可分辨電平的邊界值,再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,以濾除或壓制干擾信號(hào),恢復(fù)信號(hào)的變化規(guī)律,找出信號(hào)總體趨向性,然后根據(jù)探測(cè)任務(wù),利用專用程序轉(zhuǎn)換得到P(視電阻率),S(視縱向電導(dǎo)),h(視深度)等參數(shù),根據(jù)這些參數(shù)繪制出斷面等值線圖和平面等值線圖,這些圖件即成為資料定性與定量解釋的基礎(chǔ)材料。

測(cè)線1—1′起點(diǎn)位置為k8+178左6.4 m,終點(diǎn)位于k8+465左6.5 m。如圖5所示,大致在測(cè)線5m處存在物探高阻異常,推測(cè)為巖溶空洞,埋深約7～35m,洞徑約2.5 m,見圖所標(biāo)示的RD-1;大致在測(cè)線65～80m處存在物探高阻異常,推測(cè)為巖溶空洞,埋深約23～30 m,洞徑約5.0m,見圖所標(biāo)示的RD-2,鉆孔WZK1于24.00～29.20m揭露少量充填溶洞;大致在測(cè)線150～160m處存在物探高阻異常,推測(cè)為巖溶空洞,埋深30～35m,洞徑約10.0 m,見圖所標(biāo)示的RD-3,經(jīng)鉆孔WZK2揭露溶洞。大致在測(cè)線200～205 m處存在物探低阻異常,推測(cè)為溶洞(含充填物)或溶蝕、溶溝、溶槽,經(jīng)WZK 3鉆孔驗(yàn)證巖溶不甚發(fā)育,屬假異常。

圖5 測(cè)線1—1′視電阻率等值線剖面圖

測(cè)線2—2′起點(diǎn)位置為k8+187.6中,終點(diǎn)位于k8+465中。如圖6所示大致在測(cè)線60～70m處存在物探高阻異常,推測(cè)為巖溶空洞,埋深約15～20m,洞徑約2.5m,見圖所標(biāo)示的RD-4;大致在測(cè)線110～145m處存在物探高阻異常,推測(cè)為巖溶空洞,埋深約20 m,洞徑約2～5 m,見圖所標(biāo)示的RD-5,鉆孔WZK5于6.40～7.10m揭露空洞,可能由此引起的異常;大致在測(cè)線155～160m處存在物探低阻異常,推測(cè)為溶洞(含充填物)或溶蝕、溶溝、溶槽,埋深12～20 m,洞徑約1～5m,見圖所標(biāo)示的RD-6。

圖6 測(cè)線2—2'視電阻率等值線剖面圖

通過(guò)本次探測(cè)基本探明了該場(chǎng)地的巖溶發(fā)育情況,探測(cè)結(jié)果在后期處理施工過(guò)程中得到了很好的驗(yàn)證。

5 結(jié)論

野外實(shí)踐表明瞬變電磁法和高密度電阻率法是探測(cè)地下灰?guī)r溶洞的得力的物探方法。如果能結(jié)合鉆探資料及其它物探資料,探測(cè)的準(zhǔn)確度將進(jìn)一步提高。鑒于灰?guī)r區(qū)內(nèi)的基巖起伏較大,不良地質(zhì)體較多,因此建議在灰?guī)r地區(qū)的地質(zhì)勘察中,首先采用高密度電阻率法并輔以其他物探方法進(jìn)行普查,再做鉆探,必能起到事半功倍的效果。

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