地球物理勘查技術在巖溶發(fā)育區(qū)的應用

高 攀， 王 奪， 陳 晨

(安徽省地質環(huán)境監(jiān)測總站，安徽 合肥 230001)

在巖溶發(fā)育地區(qū)，地下水長期侵蝕可溶性巖石，流水的作用使得巖層的完整性受到破壞，巖石的強度下降，巖層不穩(wěn)定，無法為上部建筑物提供可靠的承載力。根據(jù)勘查區(qū)已知溶洞特點和對地質資料分析得出，主要巖溶分布為沿裂隙節(jié)理發(fā)育的溶蝕帶和溶洞。結合項目目標任務及勘查區(qū)特點，選擇高密度電阻率法、重力勘探和淺層地震三種地球物理勘查方法查明巖溶塌陷區(qū)地質問題。

1 勘查區(qū)地質概況與地球物理特征

勘查區(qū)地處江淮波狀平原，區(qū)內地勢較平坦，地表自然標高21.8～38.7 m。

區(qū)域地層由老到新有：寒武系上統(tǒng)，主要巖性為白云巖；奧陶系中下統(tǒng)，主要巖性為白云巖、灰質白云巖和白云質灰?guī)r；石炭系上統(tǒng)，主要巖性為灰?guī)r、粉砂巖；第四系，主要巖性為亞黏土、黏土、粉質黏土和粉砂。勘查區(qū)地層自上而下有兩層：上覆地層巖性為黏土、粉質黏土；下伏地層為灰?guī)r、白云巖。

地球物理勘探是利用相適應的儀器采集工作區(qū)域的各種物理現(xiàn)象的信息，根據(jù)巖(礦)體或構造和圍巖的物性差異，結合地質條件進行地質解釋，從而解決地質問題。

勘查區(qū)地球物理參數(shù)見表1。

表1 勘查區(qū)地球物理參數(shù)一覽表

2 地球物理勘查方法與參數(shù)選擇

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法以巖(礦)石電性差異為基礎，一次布設多根電極同時排列在測線上，通過對電極自動轉換器的控制，實現(xiàn)電阻率法中各種不同裝置、不同極距的自動組合，從而一次布極可測得多種裝置、多種極距情況下多種視電阻率參數(shù)的方法。在巖層面或者裂隙節(jié)理交匯處，形成溶蝕帶、溶洞，其電阻率會大大降低，電性特征變化明顯。

儀器使用塞盈地脈GD-10分布式系統(tǒng)，裝置選擇溫納裝置，點距為3 m，96根電極，數(shù)據(jù)采集剖面33層，供電電壓400 V，變斷面連續(xù)滾動掃描測量。

2.2 重力勘探

重力勘探是測量與圍巖有密度差異的地質體在其周圍引起的重力異常﹐以確定這些地質體存在的空間位置﹑大小和形狀。

儀器選擇CG-5重力儀，點距5 m，在勘查區(qū)均勻布設。

2.3 地震勘探

地震勘探是指人工激發(fā)所引起的彈性波利用地下介質彈性和密度的差異，通過觀測和分析人工地震產生的地震波在地下的傳播規(guī)律，推斷地下巖層的性質和形態(tài)的地球物理勘探方法。

儀器選擇WZG-48A工程地震儀，采用縱波反射波法觀測,道間距3 m；檢波器主頻為38 Hz；單邊激發(fā)，偏移距為30 m，24道接收；采用多次疊加采樣，6次覆蓋觀測系統(tǒng)；單道數(shù)據(jù)的采樣間隔0.2 ms，記錄長度819.2 ms。

3 資料處理與解釋

3.1 高密度電阻率法

(1)資料處理。數(shù)據(jù)處理前先進行預處理(突變點剔除、平滑數(shù)據(jù))，然后使用RES2DINV數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行二維反演和地形校正，二維反演是最小二乘法的計算機反演計算，最后使用專業(yè)物探軟件繪制成圖進行資料解釋。(2)資料解釋特征。上覆第四系地層電阻率一般不大于40 Ω·m；下覆基巖電阻率較高，一般在1×102～2×104Ω· m。根據(jù)勘查區(qū)視電阻率特征，巖溶異常呈高阻包圍低阻閉合圈，或呈“U”或“V”字形延伸的低阻區(qū)。

(3)成果資料解釋。視電阻率反演解釋見圖1，電阻率等值線較密集帶主要以33 Ω·m的等值線為界，上部電阻率低而等值線稀疏，下部電阻率高而等值線密集，33 Ω·m等值線附近即為基巖頂界面，推測基巖面埋深8～12 m。在淺表部出現(xiàn)局部中高阻不均勻體反映特征，主要受地面建筑、硬化路面等人類工程活動影響；在測線160～170 m、深度埋深15～25 m、呈“U”形半封閉低阻異常區(qū)，結合地質資料推斷，發(fā)育有一寬約8 m的溶洞。

圖1 高密度電阻率法反演解釋圖

3.2 重力勘探

(1)資料處理。數(shù)據(jù)處理工作包括重力數(shù)據(jù)處理和改正、固體潮改正、儀器格值改正、儀器漂移改正、自由空間校正、中間層改正、正常場校正、地形校正等。

(2)資料解釋特征。在第四系覆蓋層較厚、基巖為石炭系巖層的區(qū)域，布格重力呈現(xiàn)為重力低；覆蓋層較薄、基巖為奧陶系巖層的區(qū)域，布格重力呈現(xiàn)為重力高；斷層、裂隙、巖溶空腔發(fā)育區(qū)域，布格重力呈現(xiàn)為重力低。

(3)成果資料解釋。布格重力異常解釋見圖2，工作區(qū)覆蓋層約為10 m，厚度變化較小，對布格重力值影響較小，布格重力值的變化主要體現(xiàn)了構造裂隙發(fā)育及基巖巖性變化。工作區(qū)北東部布格重力低值為密度相對較低的石炭系灰?guī)r的反映，南西部及中部布格重力高值為密度相對較高的奧陶系灰?guī)r的反映，推測出奧陶系與石炭系地層接觸位置；布格重力異常等值線存在明顯扭曲，推測發(fā)育斷層F6、F7、F8、F9。

圖2 重力勘探布格重力異常解釋

3.3 地震勘探

(1)資料處理。對原始資料進行靜校正—頻譜分析—振幅恢復—頻率濾波—二維濾波—抽道集—速度分析—動校正—自動剩余靜校正—CDP疊加—偏移歸位等處理，去偽存真，最終獲得能反映地下構造形態(tài)和含有巖性信息的高分辨率反射時距剖面。

(2)資料解釋特征。對地層沉積相與地震相宏觀特征進行對比，確定地震相中各反射波組與地層沉積相中各反射界面的一一對應關系。地震相的異常現(xiàn)象包括同相軸的中斷、錯動、分叉和合并等空間分布特征的變異，以及繞射波、斷面波的出現(xiàn)等，通過對這些異常的分析，確定各種斷層和洞穴的存在，并判別其性質。

(3)成果資料解釋。地震勘探時間剖面圖見圖3，第一層反射波時間為60 ms左右，同相軸能量相對較強，起伏較小，根據(jù)勘查區(qū)內鉆孔資料，推斷該層的厚度相對穩(wěn)定，主要為雜填土、素填土、黏土等第四系覆蓋層，平均波速相對較低，波速為400～500 m/s，對應厚度12～15 m。第二層反射波時間為110 ms左右，該層主要為奧陶系的灰?guī)r、灰質白云巖等基巖，平均波速2 500～3 000 m/s，對應厚度62.5～75 m，溶洞裂隙主要發(fā)育在此層；在50～60點號之間，時間為110 ms位置，反射波同相軸發(fā)生明顯的分叉，結合地質及以往物探資料，推斷該位置異常是由于巖溶裂隙帶引起的；在185～198點號之間，走時在100 ms附近，反射波同相軸的振幅和頻率都出現(xiàn)明顯的變化，在130 ms附近，但同相軸也出現(xiàn)了分叉現(xiàn)象，結合地質及以往物探資料，推斷該位置是由巖溶裂隙帶引起的；在140點號的100 ms位置，反射波同相軸能量出現(xiàn)減弱的現(xiàn)象，但同相軸仍連續(xù)，推斷該位置巖性可能出現(xiàn)變化。

圖3 地震勘探時間剖面圖

4 結論

通過開展地球物理勘查工作，取得主要勘查成果如下：

(1)基巖面起伏不大，呈不規(guī)律特性，厚度7～16 m；(2)在測區(qū)劃出了奧陶系與石炭系地層接觸位置；(3)推斷了2條近東西向構造，分別為F6，F(xiàn)7；2條近南北向構造F8、F9；(4)推測了勘查區(qū)溶洞發(fā)育特征主要沿斷層F6，F(xiàn)7發(fā)育，圈定了巖溶裂隙強發(fā)育帶。

本工程用多種地球物理勘探方法互補驗證，效果顯著，取得了較好的成果資料，查明了地災隱患區(qū)的相關地質問題。