綜合物探法在城市地下巖溶探測中的應(yīng)用

王囅囡

（廣東省有色金屬地質(zhì)局九三五隊）

隨著城市化進程的加速，城市地下空間的利用越來越受到重視，然而，城市地下空間的開發(fā)與利用也面臨著諸多挑戰(zhàn)，例如地下巖溶的存在。地下巖溶是指在地下巖石中形成的溶洞、裂隙、坑穴等空洞結(jié)構(gòu)，是一種特殊的地質(zhì)現(xiàn)象。在城市化進程中，地下巖溶常常會給城市建設(shè)和地下工程帶來不利影響，因此對其進行調(diào)查與評價顯得尤為重要。

城市地下巖溶調(diào)查需要采用科學(xué)的方法和技術(shù)手段，在進行調(diào)查前，需要對調(diào)查區(qū)域的前期勘探成果進行充分地了解。常用城市地下巖溶調(diào)查方法主要有地質(zhì)勘探法與地球物理勘探法［1-10］兩類。其中，地質(zhì)勘探是最基礎(chǔ)的方法，其通過鉆探、露頭觀察、地表地質(zhì)測繪等手段來獲取巖溶空間分布信息，此方法優(yōu)點在于直觀準(zhǔn)確，但調(diào)查精度嚴(yán)重依賴鉆孔的數(shù)量與平面分布。地球物理勘探是根據(jù)巖溶區(qū)與附近完整巖體導(dǎo)電性、密度或波阻抗的差異性，通過觀測各類地球物理場的分布規(guī)律，間接推測地下巖溶空間分布的探測方法，物探法無損高效，對環(huán)境影響小，且能提供測線剖面上的完整信息，但其反演問題存在多解性，探測成果受外業(yè)數(shù)據(jù)采集質(zhì)量影響較大。考慮到地下隱伏巖溶分布復(fù)雜，單一調(diào)查方法難以滿足精度要求，本文將瞬變電磁法、微動面波法及高密度電法用于惠州市龍門永漢片區(qū)地下巖溶調(diào)查，并在電阻率剖面低阻區(qū)以及速度剖面低速區(qū)布設(shè)鉆孔驗證，以期能節(jié)約城市地下巖溶調(diào)查的周期與成本，提高勘測精度，為后期城市規(guī)劃和建設(shè)提供重要依據(jù)。

1 測區(qū)工程地質(zhì)概況

1.1 測區(qū)巖性分布

調(diào)查區(qū)內(nèi)及周邊出露的地層主要以寒武系與泥盆系的砂巖、粉砂巖及石炭系灰?guī)r為主，梅州水庫附近有大量早白堊世花崗巖出露。巖石呈灰白色，中細粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要由鉀長石、石英、斜長石組成，局部亦見有中粗粒花崗巖、花崗偉晶巖出露，出露面積不大；巖體與圍巖多呈侵入接觸，部分地段接觸界線明顯，區(qū)內(nèi)部分地段巖體與圍巖亦見有斷層接觸，接觸面見有構(gòu)造角礫巖、黃鐵礦化、輝鉬礦化、螢石礦化等現(xiàn)象。

1.2 測區(qū)構(gòu)造情況

調(diào)查區(qū)內(nèi)區(qū)域性斷裂構(gòu)造為東西向佛岡—豐良深斷裂帶，斷層性質(zhì)為壓性，出露長30 km，寬20～70 m，整體走向近東西，傾向北，主要為壓性。沿斷裂帶有一系列成群的沖斷裂，傾向北、傾角較陡，發(fā)育糜棱巖化、片理巖化、角礫巖化帶。永漢斷裂組位于永漢鎮(zhèn)—油田村一帶，貫穿調(diào)查區(qū)域，由一系列平行斷裂組成，走向25°～30°，傾向北西為主，傾角多在70°以上，以張性為主，為調(diào)查區(qū)巖溶裂隙發(fā)育提供了良好的條件，巖溶裂隙發(fā)育與斷裂方向相同，主要呈北東向。

1.3 測區(qū)巖溶情況及危害

龍門永漢片區(qū)為地?zé)崴虚_采區(qū)，同時也是龍門縣地?zé)峒泄┧闹匾?guī)劃區(qū)，根據(jù)收集134個前人的工勘孔和勘查孔資料顯示，溶洞（溶溝、溶槽）分布不均勻，調(diào)查區(qū)溶洞發(fā)育標(biāo)高為-115.37～14.35 m，溶洞發(fā)育埋深為13.60～148.03 m，洞高為0.2～16.05 m，少部分未充填及全充填，大部分為半充填，充填物主要為黏性土、砂及灰?guī)r碎塊。溶洞發(fā)育埋深為0～50 m 的溶洞占60.6%，發(fā)育埋深為50～100 m占18.2%，發(fā)育埋深為100～150 m 占22.2%。調(diào)查區(qū)屬于地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)，地質(zhì)災(zāi)害類型主要以地面沉降為主，周邊大量抽采地?zé)崴浇迓渚l(fā)生多次地面沉降地質(zhì)災(zāi)害，主要表現(xiàn)為當(dāng)?shù)胤课輭w開裂、房屋天花板開裂、房屋大門變形或房屋室內(nèi)外地坪下沉或開裂。

2 物探方法與測線布置

龍門永漢巖溶發(fā)育區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，單一物探方法難以滿足勘探精度要求，故采用高密度電法、瞬變電磁法及微動面波法相結(jié)合的綜合物探方法，其中高密度電法抗干擾能力強，但勘探深度受測線長度制約，主要布設(shè)于場地相對開闊的區(qū)域。瞬變電磁法通過線圈向地下發(fā)射時間域電磁場，通過分析地下二次場的電壓衰減規(guī)律追索溶洞的分布，工作時采用移動天線單點測量的方式采集數(shù)據(jù)，探測效率高，但易受金屬體干擾，適用于弱電磁干擾區(qū)域的面積性探測。微動面波法采用放置于地面的檢波器接收面波信號，并通過分析測線范圍內(nèi)頻散曲線特征了解溶洞的分布規(guī)律，對場地開闊度要求較電法寬松，探測效率適中，可作為城市地下巖溶調(diào)果的首選方法。

根據(jù)前期勘探成果將測區(qū)劃分為一般調(diào)查區(qū)與重點調(diào)查區(qū)兩塊，前者面積27 km2，后者面積3.4 km2。龍門永漢區(qū)地下巖溶調(diào)查起初設(shè)計采用瞬變電磁法探測為主，實際探測發(fā)現(xiàn)諸多測線位置區(qū)域鄰近欄桿、鐵門、電線等電磁干擾源，對瞬變電磁法數(shù)據(jù)采集質(zhì)量造成較大影響，故對瞬變電磁法存在低阻異常區(qū)但無法判別異常由干擾或巖溶引起的測線均補充了微動面波探測工作，并根據(jù)測區(qū)地質(zhì)測繪資料，后期存在電磁干擾的區(qū)域采用微動面波法替代，以提高物探成果解釋精度。本次微動測量采用線性臺陣方式，利用皮尺量距進行臺陣布設(shè)，最后用RTK 將臺陣各點坐標(biāo)進行記錄，采用5～150 Hz 三分量封裝型檢波器，面波法單點數(shù)據(jù)采集時長為30 min。圖1為龍門永漢調(diào)查區(qū)地質(zhì)平面圖，可知，典型瞬變電磁法剖面位于調(diào)查區(qū)南側(cè)，編號為S5，典型微動面波法測線位于調(diào)查區(qū)西部、南部，分別編號SW8、SW5。東部區(qū)域因場地相對開闊，布設(shè)高密度電法測線一條，長630 m，編號L11。北部區(qū)域多為山區(qū)，房至建筑物相對稀少，且受地形地貌條件制約，面波與瞬變電磁工作開展不便，調(diào)查區(qū)北部區(qū)域巖溶調(diào)查以地表地質(zhì)測繪為主。

3 物探成果分析與解釋

3.1 測線L11高密度電法成果

圖2 為測線L11 高密度電法探測成果，可以看出，高程大于20 m 的大部分區(qū)域地下介質(zhì)電阻率大于600 Ω·m，局部大于1 500 Ω·m，測線區(qū)域淺表介質(zhì)電阻率較高，大于500 Ω·m。前期水文地質(zhì)資料顯示此區(qū)域地下水位相對較深，第四系土層含水率較低，故電阻率反而呈現(xiàn)高阻特性。高程小于20 m 范圍內(nèi)地下介質(zhì)電阻率多為150～300 Ω·m，相對偏低，對應(yīng)風(fēng)化基巖的電性反應(yīng)，在測線1 040～1 120 m、標(biāo)高小于18 m 區(qū)域以及測線1 410～1 430 m、標(biāo)高22～28 m 區(qū)域，均存在明顯的低阻異常，電阻率低于100 Ω·m，推斷異常為巖石局部破碎引起。

3.2 測線S5及SW5物探成果

圖3、圖4 分別為測線S5 瞬變電磁探測成果及測線SW5 微動面波法探測成果，兩者測線相互重合。由圖3可以看出，電阻率剖面縱向上隨高程減小電阻率總體呈逐漸增大的趨勢，電阻率為50～2 800 Ω·m，高程-15～17 m 區(qū)域電阻率多小于200 Ω·m，推測200 Ω·m 附近為弱風(fēng)化基巖面的位置。高程小于-30 m區(qū)域電阻率多大于500 Ω·m，推測為較完整灰?guī)r的電性反應(yīng)，高阻區(qū)域范圍內(nèi)局部存在電阻率介于200～300 Ω·m 封閉狀相對低阻區(qū)域，依以往探測經(jīng)驗，瞬變電磁法小規(guī)模低阻異常區(qū)并非全對應(yīng)于有效地質(zhì)薄弱區(qū)（如溶洞、斷層），推測規(guī)模相對較大的區(qū)域為巖溶發(fā)育區(qū)（圖3虛線標(biāo)注）。此外，測線40～60 m、高程-5～-18 m 區(qū)域電阻率小于200 Ω·m，推測此區(qū)域發(fā)育溶洞。由圖4可知，高程大于10m 區(qū)域橫波波速低于500 m/s，推測為弱風(fēng)化基巖面的下限，測線15～31 m、測線55～75 m 及測線255～315 m 在高程小于10 m區(qū)域局部存在速度曲線向下凹陷的低速異常帶，推測為巖溶發(fā)育區(qū)。測線大于315 m 的巖面下部區(qū)域橫波速度較高，大于600 m/s，結(jié)合地質(zhì)測繪資料，推測此位置附近存在灰?guī)r和砂巖的分界（圖4 虛線標(biāo)注）。

根據(jù)2 種物探方法成果分析，考慮到淺部溶洞對地表建筑物的影響更大，在測線60 m 位置開展了地質(zhì)鉆探工作，編號ZKY12，鉆探成果顯示第四系土層厚度約12.4 m，覆蓋層底高程約10.9 m，高程-13.8～8 m 區(qū)域局部發(fā)育溶洞或部分充填、半充填溶洞，高程-52.3～-13.8 m 區(qū)域為微風(fēng)化灰?guī)r，2 種物探方法橫向上均體現(xiàn)了溶洞異常的存在，但對比鉆探成果可知，微動面波法縱向精度高于瞬變電磁法。

3.3 測線SW8微動面波法成果

圖5 為測線SW8 微動面波法探測成果，與圖3 類似，以橫波波速500 m/s 為界繪制了第四系與下伏灰?guī)r的分界線，基巖面以下橫波波速偏低且速度等值線向下凹陷的區(qū)域推斷為強溶蝕帶。考慮到測線86～116 m、高程-4～-15 m 區(qū)域存在較大范圍的低速異常帶，其橫波速度小于400 m/s，故在異常正上方布設(shè)鉆孔驗證，編號ZKY11。鉆探成果顯示第四系覆蓋層底高程約11.7 m，高程-16.4～11.7 m 為全風(fēng)化砂巖，高程小于-16.4 m 為強溶蝕灰?guī)r段，在溶蝕帶內(nèi)，局部發(fā)育溶洞或部分充填、半充填溶洞，鉆探成果與面波分析解釋較吻合，再次驗證了微動面波法在巖溶調(diào)查中的有效性。

以上分析成果表明，高密度電法低阻區(qū)可清晰反映巖體破碎區(qū)域的分布特征，當(dāng)探測場地地下水位較深時，表部覆蓋層導(dǎo)電性亦明顯降低，有時會出現(xiàn)電阻率值高于下伏基巖的情況。瞬變電磁法探測成果易出現(xiàn)零星分布的小規(guī)模低阻異常區(qū)，橫縱向具有一定寬度的低阻區(qū)域發(fā)育溶洞的可能性更大。對于瞬變電磁法局部異常解釋困難的情況，可在異常位置附近布設(shè)微動面波法，通過速度剖面低速帶的特征分析，兩者相互佐證，可進一步提高溶洞調(diào)查的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論與建議

微動面波法、瞬變電磁法及高密度電法為基礎(chǔ)，在物探異常區(qū)輔以鉆探驗證的綜合勘探手段可實現(xiàn)城市地下巖溶的高精度快速調(diào)查，物探成果較好地反映了地下百余米深度范圍內(nèi)灰?guī)r完整性情況。高密度電法抗干擾能力強，采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定，異常可靠性高，但其探測深度取決于電法測線長度，適用于場地開闊地帶的地下巖溶探測；瞬變電磁法橫向分辨率較高，但縱向分辨率偏低，且易受電線及鄰近金屬體的電磁干擾影響，其成果解譯相對較復(fù)雜；微動面波法抗干擾能力強，可較好地顯示地下具有一定規(guī)模巖溶區(qū)的低速異常，可作為城市區(qū)百余米深度范圍內(nèi)地下巖溶探測首選的物探方法。