綜合物探方法在巖溶裂隙勘查中的應用
——以貴州某化工廠區地下巖溶裂隙勘查為例

嚴易會，李小東，王 洪，劉 松，曾 杰

貴州省有色金屬和核工業地質勘查局物化探總隊，貴州 黔南 558000

貴州某化工廠下游存在一溶洞出水口，出水量約3萬t/d，為了查明該溶洞水路在廠區及其上游的分布特征，為后期工程設計和施工提供技術依據，文章提出可在廠區及其上游采用充電法、高密度電法、瞬變電磁法（TEM）等綜合物探方法進行勘查。

1 物探方法原理簡介

（1）充電法。根據充電體和圍巖電性差異，在良導電性地質體的天然或人工露頭接上供電電極進行充電，另一供電電極置于遠離充電體的地方，供電時充電體為一等位體或似等位體，電流由充電體流入危巖形成穩定電流場，該電場的分布特征與充電體的形態、大小和產狀有關[1]。在地面、鉆井或坑道中對其電場的空間分布進行觀測和研究，以了解礦體或其他良導體的賦存情況，獲得所需要的地質資料。

（2）瞬變電磁法。利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。簡單而言，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應定律。衰減過程一般分為早、中和晚期，早期的電磁場相當于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度小；而晚期成分則相當于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規律，可得到不同深度的地電特征[2]。

（3）高密度電法。高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，它以巖、土導電性的差異為基礎，研究人工施加穩定電流場的作用下地中傳導電流分布規律[3-4]。

2 勘查區概況

2.1 地形地貌

勘查區為典型的丘陵地貌，地勢起伏較大，總體上東高西低，北部和南部高中間低，沿河流地區地勢較為平坦。勘查區地處烏江流域，有兩條河流從勘查區中部穿過，河流自南東流向北西。

2.2 地質概況

（1）地層。勘查區地層為三疊系茅草鋪組（T1m）、三疊系下統夜郎組（T1y）。巖性：上部為淺灰色、肉紅色中至厚層白云巖、白云質灰巖夾泥晶灰巖；中部部為色薄至中厚層粉晶灰巖；下部為灰綠色、紫紅色頁巖，偶夾薄層灰巖。

（2）構造。勘查區位于向斜軸部，向斜軸部東側三疊系茅草鋪組地層，走向為南西至北東向。

（3）水文地質。勘查區內巖層主要為茅草鋪組、夜郎組碳酸鹽巖及碎屑巖，巖性主要為灰巖，間夾砂巖、砂質泥巖、泥巖及頁巖等，碳酸鹽巖富含巖溶水，富水性強，但水體分布極為不均勻，往往在裂隙巖溶通道形成大的地下暗河。地下水賦存于風化帶、基巖裂隙、巖溶構造之中，為巖溶水、基巖裂隙水及少許孔隙水，一般沿巖層傾向徑流，向斜軸部匯集，在地勢低洼處、河流、溪流或壓力減少處排泄。

2.3 地球物理特征

此次物探工作主要是在廠區南側干擾較小的地段展開，該區主要出露地層巖性為第四系黏土、茅草鋪組一、二段白云巖，夜郎組一段頁巖、二段薄層灰巖及三段厚層狀灰巖，對各地層巖性與地下水體的典型視電阻率對比如表1所示。由表1可知，其上覆第四系黏土視電阻率呈中低阻反映，茅草鋪組一、二段視電阻率呈高阻反映，下伏夜郎組一、二段視電阻率呈中～中高阻反映，而地下水視電阻率呈低阻反映，圍巖與水體的電阻率差異較大，為利用充電法、瞬變電磁法、高密度電法探測地下水的通道和埋深提供了較好的電性前提。

表1 勘查區巖樣電阻率特征

3 工作布置與資料整理

經過踏勘，在勘查區布置垂直于地下水走向的物探測線若干條。

充電法充電點布置在溶洞出水口（A極），無窮遠極（B極）在垂直地下水徑流（暗河）通道且距離大于1.2km，在測線上移動觀測電極M、N逐點進行觀測。充電電位梯度測量點距10m，異常地段加密到5m。

瞬變電磁裝置為重疊回線裝置，回線邊長為5～10m，點距10～20m。在野外生產中采用1匝發送、1匝接收，發送頻率為25Hz，疊加次數為128次，發送電壓為12V。采集數據后進行復核和平滑處理后，使用MSD-1數據處理軟件計算視電阻率值，利用跨平臺金維地學信息處理研究應用系統形成視電阻率斷面圖。

高密度電法采用四極裝置或三極裝置排列。測量時采用串聯布極法，電極方向與測線方向一致，電極距3～5m，布設電極時確保電極與土壤接觸良好。先剔除野外所測得的數據中的壞點，然后用二維高密度電法反演軟件（2DRES）反演，最終形成高密度視電阻率色度圖和反演圖。

4 推斷解釋成果分析

4.1 異常推斷解釋

通過開展物探工作，在工作區布置的18條物探剖面上推測巖溶裂隙發育區域有65處。對各異常進行對比解譯發現，物探異常埋深中心大都在6～45m，與該地區的河面及出水點埋深較為吻合，經綜合分析及驗證該類物探，發現異常大都為溶洞、裂隙中充填泥漿或充水所引起。以14線、17線物探剖面為例分析異常特征。

14線：根據充電法歸一化零值點、瞬變電磁法的視電阻率異常特征、高密度電法測深的視電阻率異常特征，結合區域內水文地質信息推測認為，低阻異常位置為巖溶填充泥漿、水或為裂隙含水。14線充電法歸一化曲線如圖1所示，14線TEM、高密度視電阻率斷面圖分別如圖2、圖3所示。其中，14～118號點為充電法零值點，在45～50m瞬變電磁法低阻異常和高密度低阻異常位置反映較好，推測為巖溶裂隙發育，并且推測該巖溶裂隙和溶洞出水口連通；14～130號點為充電法零值點，在10～16m瞬變電磁法低阻異常和高密度低阻異常位置反映較好，推測該低阻異常為巖溶裂隙發育，并且該巖溶裂隙和溶洞出水口連通。經過鉆探和井下電視驗證結果如圖4所示。該剖面上覆地層依次為耕土、黃黏土、少許白云巖團塊，厚度在0～10.3m；下伏地層為三疊系下統茅草鋪組（T1m），巖性為淺灰、灰白色含肉紅色中厚層塊狀白云巖，巖溶裂隙發育，巖溶填充水或者泥。ZK14-118鉆孔45～49.1m，巖溶裂隙發育，抽水試驗水量大于4.17L/s；ZK14-130鉆孔9～11m為溶洞，抽水試驗水量大于4.17L/s。經連通試驗表面，該水路和出水口水路連通。

圖1 14線充電法歸一化曲線

圖2 14線TEM視電阻率斷面圖

圖3 14線高密度視電阻率斷面圖

圖4 14線鉆孔驗證圖

17線：根據高密度電法測深的視電阻率異常特征，結合區域內水文地質信息推測認為，低阻異常位置為巖溶填充泥漿、水或為裂隙含水。17線高密度視電阻率斷面如圖5所示。經過鉆探和井下電視驗證結果表明：該剖面上覆地層依次為耕土、雜填土、黃黏土、少許白云巖團塊，厚度在0～6.5m；下伏地層為三疊系下統茅草鋪組（T1m），巖性為淺灰、灰白色含肉紅色中厚層塊狀白云巖，巖溶裂隙發育，巖溶填充水或者泥漿。ZK17-106鉆孔18～18.4m為裂隙巖溶裂隙發育；ZK17-117鉆孔32.5～47.0m為溶洞。經連通試驗表面，該水路和出水口水路連通，17鉆孔驗證圖如圖6所示。

圖5 17線高密度視電阻率斷面圖

圖6 17鉆孔驗證圖

4.2 綜合成果分析

通過綜合分析充電法、瞬變電磁法（TEM）、高密度電阻率法、水文地質鉆探等結果認為：

（1）工作區位于3條水系的交匯區域、區域內巖性為富水性強的白云巖、灰巖，巖溶裂隙十分發育，地下巖溶裂隙呈網狀、串珠狀分布，地下水主要由向斜兩翼往向斜軸部集中徑流，主通道主要沿向斜軸部自南西至北東方向分布。

（2）該區上覆地層為淺灰色至肉紅色中至厚層白云巖、白云質灰巖夾泥晶灰巖，淺灰色薄至中層狀灰巖，巖溶裂隙發育、巖溶裂隙中心埋深6～45m；下伏地層為隔水層頁巖。

（3)該區地下水系發育，僅物探剖面上就推測巖溶裂隙發育區域65處，物探剖面控制區域共推測地下水系24條。地下水沿地層傾向、巖溶裂隙、F2斷層向向斜軸部匯集，最終在溶洞出露，主要水路上鉆孔抽水試驗最大水量約為20.83L/s。

5 結論與建議

（1）充電法在追索巖溶區的地下暗河時，應將充電點選在地下暗河的出露處，然后在垂直于地下暗河的可能走向上布設測線，并沿測線一側進行電位和梯度測量，并將全部測量剖面上電位曲線的極大點及梯度曲線的零值點連接起來，這個異常軸就是地下暗河在地表的投影。

（2）高密度電法和瞬變電磁法的低阻異常均能較好的反映巖溶情況。在充電法零值點連接線布置高密度電法和瞬變電磁法，兩種方法可以取長補短，相互驗證，減少了物探解釋的多解性，提高了物探解釋的準確度。

（3）充電法、高密度電法、瞬變電磁法三種物探方法相結合，可取得良好的地下巖溶裂隙勘查應用效果。