高密度電法及跨孔電磁波CT技術(shù)在粵北某機場隱伏巖溶探測中的聯(lián)袂應(yīng)用

宋 允，鄭 興

核工業(yè)二九〇研究所地質(zhì)環(huán)境中心，廣東 韶關(guān) 512000

為拉動粵北地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，粵北某灰?guī)r地區(qū)建設(shè)了一座綜合性通用機場，飛行等級指標為4C，占地面積為2.2km2。區(qū)域地質(zhì)資料顯示該場地位于泥盆系上統(tǒng)天子嶺組（D3t）灰?guī)r上，初步勘察中隱伏巖溶表現(xiàn)特征差異大，分布廣泛、埋深不一致、充填物性質(zhì)不一，無法判別巖溶分布發(fā)育規(guī)律，通過采取聯(lián)袂應(yīng)用高密度電法和跨孔電磁波CT的勘察方法，取得了較好的效果。

1 場地地質(zhì)條件

該建設(shè)場地主要巖性為灰?guī)r，上部為薄～中厚層灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，下部為中厚～厚層灰?guī)r。建設(shè)場地構(gòu)造位置處于粵北山字形構(gòu)造體系的脊柱東側(cè)，南北向瑤山復(fù)背斜的東翼，北東向的廂廊向斜北西翼；斷裂構(gòu)造主要為北東向犁市斷裂，次為北西向的斷裂構(gòu)造。建設(shè)場地中部有一條推斷的北東向32°斷裂構(gòu)造通過，受區(qū)域構(gòu)造影響，場地內(nèi)巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要有三組節(jié)理發(fā)育，節(jié)理寬0.1～0.5cm，節(jié)理局部充填方解石。受巖性及構(gòu)造的影響，該場地可能發(fā)育隱伏巖溶，發(fā)育強弱及聯(lián)通情況不明[1]。該場地位于剝蝕丘陵地貌區(qū)，地表有多處池塘，距武江河近。地表覆蓋層為耕植土層和粉質(zhì)黏土層。地表地質(zhì)調(diào)查并未發(fā)現(xiàn)溶洞、土洞坍塌的跡象，現(xiàn)狀地質(zhì)災(zāi)害不發(fā)育[2]。

2 高密度電法

2.1 工作原理

高密度電法勘察原理是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)，向研究對象施加電場，根據(jù)地下傳導(dǎo)電流的變化分布規(guī)律判斷研究對象的性質(zhì)。溶洞、殘坡積層、含砂透鏡體電阻率較低，灰?guī)r、砂礫巖電阻率較高。在地表測量接收極之間電壓UMN，利用歐姆定律計算電阻率，根據(jù)不同深度的電阻率變化，推測地下溶洞或土洞分布狀況[3]。

2.2 外業(yè)布線

在場地內(nèi)共布設(shè)6條測線，總長度為13km，跑道區(qū)域3條較長，每條長3.73km，間隔200m，航站樓及辦公區(qū)域布設(shè)3條較短的測線，每條長0.6km，間隔200m。該測線布設(shè)能夠覆蓋整個區(qū)域的巖溶發(fā)育情況，通過測試地下電阻率情況，圈出巖溶發(fā)育異常區(qū)域，測線布設(shè)如圖1所示。

圖1 高密度電法測線布設(shè)圖

2.3 高密度電阻率法解譯

高密度電阻率法的數(shù)據(jù)處理是把所測得的視電阻率經(jīng)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理、地形校正、正演和反演計算，最后得到視電阻率成像色譜圖并對其進行地質(zhì)解釋。通過繪制高密度電法解譯剖面圖及推斷巖溶異常分布圖，推測異常分區(qū)及巖溶發(fā)育情況。6條測線分段解譯之后，以6條測線為剖面線，在地下30m范圍內(nèi)，測得多處電阻異常點，表明在建設(shè)區(qū)域內(nèi)存在大量土洞和溶洞。

2.4 高密度電阻率法成果及缺陷

此次布設(shè)6條測線共13km，圈出巖溶發(fā)育重點區(qū)地段長度共計1672m，巖溶發(fā)育深度為5～25m，較大溶洞36處，較小的溶洞有132處。將168個電阻異常點投射在場地平面圖上，并沿其邊緣將巖溶發(fā)育區(qū)圈定，共圈定巖溶高發(fā)育區(qū)7個，巖溶主要發(fā)育在機場北東部跑道和航站樓左側(cè)地段。

高密度電法表明建設(shè)場內(nèi)局部地段巖溶發(fā)育，特別是跑道東北部及航站樓左側(cè)巖溶發(fā)育程度高。但高密度電法僅大致圈出了巖溶高發(fā)育區(qū)，對于巖溶的發(fā)育程度、發(fā)育規(guī)模及各測線之間的溶洞連通性并未揭示，故該結(jié)果應(yīng)用于工程建設(shè)及巖溶治理是存在缺陷的。

3 跨孔電磁波CT

為徹底探明巖溶的發(fā)育，特別是平面上的巖溶發(fā)育聯(lián)通情況，在高密度電法圈定的巖溶發(fā)育區(qū)域內(nèi)，使用跨孔電磁波CT可進一步查明巖溶發(fā)育情況。

3.1 工作原理

跨孔電磁波CT是通過測量透過兩鉆孔的電磁波能量的吸收衰減量，并通過計算機對觀測數(shù)據(jù)進行層析成像處理，重建兩孔間介質(zhì)電磁吸收系數(shù)圖像，根據(jù)介質(zhì)電磁特性與地下介質(zhì)的地層、構(gòu)造的相關(guān)關(guān)系，重構(gòu)地下結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的地質(zhì)剖面圖[4]。

3.2 野外工作

跨孔電磁波CT測量工作使用儀器為EWCT-3型孔間電磁波層析成像系統(tǒng)。根據(jù)高密度電阻率法的成果，在機場建設(shè)區(qū)內(nèi)圈定的7個巖溶高發(fā)育區(qū)進行重點勘測，勘測區(qū)分布及勘測孔分布示意圖如圖2所示。

圖2 電磁波CT工作區(qū)布設(shè)圖

3.3 資料解譯

由于不同介質(zhì)對電磁波的吸收存在差異，當(dāng)電磁波穿越不均勻地下介質(zhì)，或者層析介質(zhì)中存在不均勻?qū)踊蛄严镀扑榈犬惓r，其吸收系數(shù)就會呈現(xiàn)異常，利用這些差異來推斷目標體位置及其幾何形狀[5]。

一般而言，完整灰?guī)r吸收系數(shù)較低，電磁波強度數(shù)值在0.18～0.3dB，泥質(zhì)膠結(jié)、巖溶裂隙發(fā)育、黏土充填溶洞、黏土介質(zhì)對電磁波吸收較強，反演圖上電磁波吸收系數(shù)較高，一般大于0.4dB/m。在此次資料解譯中，將大于0.4dB/m的區(qū)域推斷為巖溶發(fā)育異常區(qū)域。其典型的觀測剖面圖如圖3所示。

圖3 電磁波CT觀測剖面圖

3.4 跨孔電磁波CT成果

通過利用跨孔電磁波CT技術(shù)，共圈定物探異常210處，推測溶洞異常106處，推測巖溶發(fā)育區(qū)104處。工作區(qū)內(nèi)推斷巖溶發(fā)育區(qū)垂向深度主要是標高為5～45m，推斷溶洞的垂向深度主要是標高為66～73m；在平面分布上推斷的巖溶異常主要是分布在跑道東北側(cè)和航站樓東北側(cè)，具體分布如圖4所示。利用跨孔電磁波CT技術(shù)，可詳細探明高密度電法圈定的巖溶高發(fā)育區(qū)內(nèi)，巖溶的聯(lián)通情況和發(fā)育規(guī)模，基本能夠滿足巖溶治理的工作需求。

圖4 電磁波CT工作區(qū)溶洞分布平面圖

4 鉆探驗證

在聯(lián)袂使用高密度電法及跨孔電磁CT技術(shù)查明巖溶異常區(qū)后，采用鉆探驗證的方法，證實了巖溶發(fā)育及聯(lián)通的準確性。在鉆孔驗證中，采用對比方案，分別在高密度電法圈定的異常區(qū)范圍外、異常區(qū)范圍內(nèi)、CT圈定的發(fā)育區(qū)內(nèi)外布置驗證鉆孔。

經(jīng)鉆孔驗證，發(fā)現(xiàn)串珠狀的連續(xù)發(fā)育溶土洞，基本沿區(qū)域內(nèi)的斷裂帶分布，分布方向也沿斷裂方向延續(xù)。

5 結(jié)束語

在機場建設(shè)區(qū)隱伏巖溶勘探中，高密度電法可以在整個建設(shè)區(qū)域中圈出巖溶高發(fā)育區(qū)，但不能確定在高發(fā)育區(qū)中的各巖溶聯(lián)通情況，而利用跨孔電磁波CT技術(shù)可在巖溶高發(fā)育區(qū)內(nèi)布設(shè)測線，能夠很好地解決巖溶聯(lián)通的問題，同時向下延伸了巖溶發(fā)育深度情況。經(jīng)過鉆孔對比驗證，高密度電法及跨孔電磁波CT法聯(lián)袂應(yīng)用可較準確地查明巖溶的分布情況及發(fā)育程度。