綜合物探方法在巖溶塌陷隱患識別中的應用

［關鍵詞］高密度電法；地質雷達；巖溶塌陷；隱伏溶洞

巖溶塌陷[1-2]是指地表巖土體受巖溶作用[3]影響向下陷落并在地面上形成塌陷坑（洞）的地質現象。巖溶塌陷的形成必須具備以下3個條件：①巖溶化地層，發育溶洞（溶縫或溶隙）或土洞為地下水補-徑-排和塌陷物質提供儲存場所或通道；②基巖上覆有一定厚度的紅黏土層（或完整性差的巖層）；③產生巖溶塌陷的主導因素——致塌作用力（潛蝕作用、真空吸蝕、振動論及蓋層失托增荷效應等）。若能利用地球物理方法實現巖溶塌陷隱患（溶洞或土洞發育）的早期識別，為制定科學合理的避讓和治理技術措施提供技術支撐，對于廣西乃至全國巖溶地面塌陷的防治具有重要意義。

在巖溶塌陷探測中，大多采用單一的地球物理探測方法，如高密度電法、地質雷達法、地震映像法等。但是，由于地下地質問題的復雜性，單一的地球物理探測方法具有一定主觀性，容易出現多解現象，較難圈定地質災害的規模特征與具體位置。可以適當選取多種地球物理探測方法進行相互配合驗證，增強探測結果解釋的準確性[4-6]。本文以高密度電法和地質雷達綜合應用為例，探討在巖溶塌陷隱患識別[7]中的應用。

1. 工作原理

1.1高密度電法

高密度電阻率法是對常規電法的一種綜合，兼具剖面法與電測深的效果，它是一種陣列勘探方法，野外測量時只需將全部電極置于測點，然后利用程控電極轉換開關和微機工程電測儀實現數據的快速和自動采集。高密度電阻率法同常規電阻率剖面法、測深法相比，既能提供探測地質體在某一深度沿水平方向的電性的變化趨勢，也能反映地質體在沿垂直方向不同深度電性的變化情況，該方法能從二維斷面上反映出探測地質體的電性變化特征。高密度電法溫納裝置野外測量工作過程如圖1所示，測量層數用隔離系數n表示，接電電極用A、B表示，測量電極用M、N表示。

1.2地質雷達

地質雷達[8-10]（又稱探地雷達，Ground Penetrating Ra?dar，簡稱GPR）方法，是利用高頻電磁波（1MHz～1GHz），以脈沖形式通過發射天線被定向送入地下。雷達波在地下介質中傳播時，遇到存在介電常數差異的目標體時，電磁波便發生反射，返回地面后由接收天線接收（圖2）。根據接收到的電磁波波形、振幅強度和時間變化特征推斷目標體的空間位置、結構、形態和埋藏深度。

2. 應用實例

2.1勘查區地球物理概況

巖溶塌陷位于廣西來賓市武宣縣桐嶺鎮石崗村一戶民房附近，塌陷坑近似圓形，直徑約4.0 m，可見深度約6 m，坑內有水，水面深度3.4 m。塌陷周邊地面向塌陷坑中心呈弧狀拉裂下沉，塌陷及周邊變形面積230 m2。塌坑周壁可見灰巖出露，土層厚度2.0～2.5 m。

由于巖溶塌陷區溶洞與灰巖、土洞與周圍土體存在電阻率和介電常數差異（表1），利用高密度電法和地質雷達方法探測隱伏土洞或溶洞的空間分布形態具備物理前提條件。

2.2工作方法

本次探測選用重慶精凡科技有限公司生產的N系列電法測量系統與瑞典MALA 公司生產的地質雷達系統。高密度電法采用施倫貝爾裝置進行采集，為獲得高精度信息，電極間距設為2 m或3 m，各測線剖面的最大測量層數設置為16～22層，野外總共布置5條長度為100～300 m的測線剖面。地質雷達測線剖面與高密度電法測線剖面重合，野外工作時選用中心頻率為50MHz RTA天線，點距為0.5 m，時窗為500 ns。

2.3數據處理

高密度資料解釋主要依靠高密度電法二維反演處理軟件Res2dinv分析獲得的剖面視電阻率反演成果圖。在視電阻率反演成果圖中，縱向坐標表示巖土層探測深度，橫向坐標為測線剖面長度，而色標則代表反演視電阻率。測區內隱伏溶洞或裂隙發育帶在視電阻率反演成果圖上表現為低阻現象。

地質雷達測量數據使用Reflexw軟件處理，包括以下步驟：①一維濾波，去直流漂移；②靜校正，移動開始時間；③增益，能量衰減；④二維濾波，抽取平均道；⑤一維濾波，巴特沃斯帶通濾波；⑥二維濾波，滑動平均。通過處理，獲得地質雷達探測時域波形剖面影像圖。根據反射波形、振幅大小以及反射波同相軸的連續性對地下異常體進行推斷解釋。

2.4資料解釋

根據區域資料，勘查區地下水總體自西北往東南方向徑流。物探測線垂直于地下水流向布置，沿西南至東北方向總共布設了5條測線，考慮文章篇幅原因，僅選擇其中3條測線進行推斷解釋。

圖3為測線1－1'兩種物探方法探測成果圖。由高密度電阻率反演圖可知，在里程樁號135～175 m，深度5～20 m范圍處，存在低阻異常區；在地質雷達時域波形剖面影像圖上，該區域反射波同相軸錯段，波形雜亂，存在散射現象。綜合兩種探測方法，推測異常處為溶蝕裂隙發育區。

圖4為測線3－3'兩種物探方法探測成果圖，可見在高密度電阻率反演圖上，在里程樁號80～110 m，深度5～30 m范圍處，存在低阻異常區處；在地質雷達時域波形剖面影像圖上，該區域顯示為發射波同相軸錯段，振幅變大，能量增強，頻率較低。據此推測異常處為溶蝕裂隙發育區。

圖5為測線5－5'兩種物探方法探測成果圖，在高密度電阻率反演圖上，在里程樁號40～55 m，深度3～15 m范圍處，存在低阻異常區。由于測線5－5'周圍民房較多，地質雷達探測受外界干擾影響較大，但在地質雷達時域波形剖面影像圖上，在里程樁號44-52 m段，仍然有雙曲線強反射波組異常顯示。兩種方法相互印證對比，推測異常處為溶洞發育。

本次探測在巖溶塌陷區總共布設了5條測線，根據高密度電法和地質雷達兩種方法的探測結果，總共發現5處較明顯破碎帶或溶洞異常區，據此推斷巖溶塌陷區內存在一條東南至西北向的巖溶發育帶（圖6）。后期在物探推斷的5 處異常點展開鉆探驗證。在測線5－5'里程樁號49 m 處的驗證鉆探揭露出深度8.1～9.3 m、11.2～13.3 m、14.2～14.8 m為充水溶洞；其余測線鉆探驗證孔揭露的地質情況亦與物探前期推斷基本吻合。可見在巖溶塌陷區，高密度電法和地質雷達的聯合探測，有效地圈定隱伏巖溶的空間分布形態，為發現、預防和治理塌陷隱患提供了可靠的信息。

3. 結論

（1）巖溶塌陷區場地巖土體電阻率和介電常數存在差異，使利用高密度電法與地質雷達成功探測隱伏巖溶具備良好的地球物理前提條件。

（2）在巖溶塌陷區，僅采用高密度電法探測，資料推斷解釋難免存在多解性；而地質雷達容易受外界干擾，使探測精度降低。

（3）通過采用高密度電法與地質雷達兩種探測方法的有效結合，資料解釋的互相驗證與補充，能較好地排除干擾，對異常的分辨能力和探測精度明顯提高，是一種值得推廣的綜合物探法。