武廣高鐵路基巖溶電測深反射系數(shù)法勘探應(yīng)用研究

2014-07-25 11:29:01崔德海

鐵道勘察 2014年5期

崔德海

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

崔德海

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

介紹電測深反射系數(shù)法的應(yīng)用原理。通過對武廣高鐵路基巖溶勘探的野外工作實踐，選出具有代表性的電測深曲線來論述電測深反射系數(shù)分析法的實際應(yīng)用效果，認為利用反射系數(shù)法解釋電測深曲線，能突出弱異常，取得較好的勘探效果。

電測深反射系數(shù) 路基巖溶

武廣高鐵為我國第一條設(shè)計時速350 km的高速鐵路客運專線，由于線路較長，需要跨越許多不良地質(zhì)路基段。如DK1631+400～DK1637+450段，通過前期地質(zhì)測繪全部為巖溶路基，巖溶極度發(fā)育。為達到高速鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，確保安全運營，需要徹底查清不良路基巖溶發(fā)育情況。在路基巖溶勘探中的初勘階段，電測深法無疑是探測地下巖溶的有效方法，但單純使用對稱四極或三極電測深法，雖然在某些地段取得一定的效果，但在對其視電阻率ρs曲線進行解釋時，由于地形地質(zhì)條件、覆蓋層厚的影響，一些規(guī)模不大但危害不能忽視的巖溶空洞或溶洞及其充填物所引起的視電阻率異常較弱，在電測深曲線上反映不明顯，通過數(shù)據(jù)處理、解釋過程中可能將其圓滑或忽略掉，造成解釋失誤。這種情況在初勘期間出現(xiàn)得比較多，反映情況為：從實測曲線上基本看不到異常，或異常相當(dāng)微弱，但在鉆孔揭示的實際地層中巖溶相當(dāng)發(fā)育，特別是在武廣高鐵的第一測段(烏龍泉-蒲圻)、第六測段(耒陽-韶關(guān))都有類似的情況反映，其他段內(nèi)因為鉆孔資料沒有收集，情況不明。

為了突出異常，采用反射系數(shù)電法勘探(也稱K剖面法)可以取得較好的結(jié)果，前人也曾經(jīng)使用K剖面法非常成功地判斷巖溶發(fā)育的實際情況，使用視電阻率ρz做出的電阻率斷面圖，真實反映了實際的地質(zhì)情況。

1 反射系數(shù)K法的基本原理及其優(yōu)越性

關(guān)于反射系數(shù)法的理論最早在上世紀(jì)60年代末由我國長辦物探水聲組孫經(jīng)榮同志提出。

基于波動方程

(1)

(2)

式中，U為電位。

解上式，可得對稱四極裝置半空間二層結(jié)構(gòu)條件下的解為

(3)

式中：ρs為視電阻率；ρ1為第一層電阻率；ρ2為第二層電阻率；λ=AO/h為極距深度比；AO為供電極距；h為第一層深度；K12=(ρ2-ρ1)/ (ρ2+ρ1)為反射系數(shù)。

通過(3)式對λ微分，得到

(4)

對于ρ2>ρ1時，曲線(雙對數(shù)坐標(biāo)中)，一次微分在λ=2.0～λ=3+0.16[(1+K12)/(1-K12)]段獲得極值，且有

(5)

當(dāng)ρ2<ρ1時，采用負值校正后，亦可以獲得上升ξ曲線一致的結(jié)果。故定義斜率K

(6)

由此，將ξ曲線的斜率與反射系數(shù)K12聯(lián)系起來，且可由已知斜率求得反射系數(shù)K12，從而讓原斜率的意義發(fā)生了質(zhì)的變化，奠定了反射系數(shù)法的基礎(chǔ)，也為實際問題的資料解釋開辟了一條新的捷徑。

在實際應(yīng)用中，可用下式差分形式代替微分形式，從野外視電阻率曲線中求得K

(7)

當(dāng)K為負數(shù)(即ρn<ρ(n-1))時，需要進行校正

(8)

引入視真電阻率ρz，通過換算，可以獲得與真電阻率相接近的似真電阻率ρz，ρz可由下式求得

(9)

視真電阻率ρz與真電阻率極為相似，在一定厚度下(h1>h2)可以替代層電阻率。因此，在野外勘探中，ρz剖面圖與地質(zhì)剖面極為相似，常用于提供半定量的解釋資料。

綜上所述可見，反射系數(shù)K法是對實測的電測深ρs曲線進行一階微分處理，亦即進行一次高通濾波，反映了ρs沿AO方向的梯度變化，可放大、突出局部異常，壓制低頻背景異常。利用K曲線特征點對應(yīng)的橫坐標(biāo)(AB/2)與層參數(shù)之間的關(guān)系，從而進行反問題的解釋，數(shù)據(jù)處理后的電測深曲線，能較明顯地反映出地下溶洞的存在。

2 反射系數(shù)K法應(yīng)用實例

由(7)、(8)、(9)式可以看出，K、ρz手工實現(xiàn)較為困難，筆者結(jié)合前人研究成果，編制了電測深反射系數(shù)法數(shù)據(jù)處理解釋軟件，可實時進行數(shù)據(jù)處理解釋及AUTOCAD自動化成圖，實現(xiàn)了對既有電測深資料進行反射系數(shù)法的應(yīng)用效果研究。

2.1 電測深H形曲線異常

電測深ρs曲線的類型反映了地電斷面的性質(zhì)，通過類型圖的分布和變化，可以了解地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)。由于溶洞的規(guī)模和埋深變化復(fù)雜，從而會與起ρs曲線類型的變化不明顯甚至較復(fù)雜。因此，單純依靠ρs曲線類型的變化來發(fā)現(xiàn)地下溶洞的存在有時是十分困難的，如圖1、圖2分別為某電測深點的視電阻率曲線及反射系數(shù)曲線，鉆孔資料顯示在埋深7.5～13 m處存在充填型溶洞發(fā)育。圖1中ρs曲線為H形，粗看難以從曲線上判溶洞異常反應(yīng)，反射系數(shù)Ks曲線(圖2)中則可較明顯地看出，AB/2極距約為8～10 m左右的下凹部分放大了ρs曲線上的巖溶異常，與鉆探結(jié)果對應(yīng)性良好。

圖1 H形視電阻率曲線

圖2 H形視反射系數(shù)Ks曲線

圖3 KH形ρs曲線與Ks曲線對比

2.2 電測深KH形曲線異常

如圖3為某巖溶地層一個電測深點的ρs曲線與反射系數(shù)曲線對比分析圖，圖中ρs曲線呈比較明顯的KH形，K形部分稍弱，若進行數(shù)值圓滑處理時很容易被圓滑成G形曲線，在曲線上淺部僅在AB/2=4.5 m處向上微凸，而中部則在AB/2=10 m處就開始以45°漸近線上升，表明覆蓋層比較淺，基巖埋深不大，從曲線特征上還是可以分析出該點下面有溶洞存在的可能。K形部分的ρs曲線幅值寬度比較寬，但下凹的幅度并不太大，表明引起該溶洞異常的頂板埋藏較淺，且H形部分的ρs曲線幅值寬度也比較大，但下凹的幅度也不大，說明溶洞的發(fā)育規(guī)模可能較小，其中的充填物沒有引起明顯的低阻異常。而在反射系數(shù)Ks曲線上，ρs曲線弱異常地段同樣對應(yīng)地存在著明顯的K值異常，只是K值異常幅度較之ρs曲線異常反應(yīng)劇烈得多，即放大了原來的ρs異常。且該Ks值異常的特點較之圖2而言表現(xiàn)為梯度大，范圍稍寬，呈漸變狀。實質(zhì)反映出巖溶頂板與覆蓋層之間及溶洞填充物之間的電流反射變化的關(guān)系。最后經(jīng)鉆孔驗證揭示，該點地下8 m鉆見溶洞，覆蓋層厚5 m，溶洞頂板僅3 m左右。

圖4為一段巖溶路基的ρs剖面及Ks剖面的等值線色塊圖，從ρs剖面的分布規(guī)律僅能大致反映出淺部浮土覆蓋層剖面的電性變化，而未能把溶洞所在部位的局部高低、阻ρs異常體現(xiàn)出來，而從Ks剖面圖來看，其等值線分布規(guī)律無疑突出了溶洞引起的局部異常，使得溶洞的分布范圍在K等值線斷面圖上直接表現(xiàn)出來，并有很好的形態(tài)相似性。