三維高密度電法在淺表溶洞探測(cè)中的應(yīng)用研究

摘要：為了研究三維高密度電法在淺表溶洞探測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用效果，采用該方法對(duì)河南省焦作市云臺(tái)山自然風(fēng)景區(qū)內(nèi)云臺(tái)山世界地質(zhì)公園30.0 m×27.5 m范圍內(nèi)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)勘察。此次勘察共采集12 090個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，使用帶地形的真三維反演數(shù)據(jù)處理方法獲得研究區(qū)地下0～26 m深度的電性結(jié)構(gòu)特征，并分析了不同方向的水平切片和不同高程的垂直切片。結(jié)果表明：三維高密度電阻率成像效果明顯好于二維剖面成像效果；站房地基20 m深度范圍內(nèi)未見(jiàn)溶洞發(fā)育。

關(guān)鍵詞：溶洞探測(cè)； 三維高密度電法； 三維反演； 云臺(tái)山

中圖法分類號(hào)：TV221.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.S1.003

文章編號(hào)：1006-0081（2024）S1-0007-03

高密度電阻率法作為一種經(jīng)濟(jì)高效的物探技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于覆蓋層厚度、巖溶探測(cè)等方面［1-3］。本文開(kāi)展了三維高密度電阻率法在淺表溶洞探測(cè)中的應(yīng)用研究。研究區(qū)位于河南省焦作市云臺(tái)山自然風(fēng)景區(qū)內(nèi)，受到構(gòu)造、流水侵蝕和風(fēng)化作用影響，云臺(tái)山世界地質(zhì)公園發(fā)育有相當(dāng)數(shù)量的巖溶洞穴。調(diào)查資料顯示：全區(qū)溶洞分布主要集中分布在海拔1 100～1 200 m，750～850 m和450～500 m范圍。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)內(nèi)分布有太古代-早元古代片麻巖基底、中元古界薊縣系云夢(mèng)山組-石炭統(tǒng)太原組地層。大地構(gòu)造處在華北陸塊新生代東亞裂谷系的華北裂谷帶與西安-鄭州-徐州近東西向裂谷轉(zhuǎn)換帶的交匯部位，受太行山前深大斷裂控制。云臺(tái)山地區(qū)在遠(yuǎn)古時(shí)代是一片汪洋，隨著時(shí)間的推移，地殼運(yùn)動(dòng)，逐漸升起抬高形成平原。在距今十幾億年前的造山運(yùn)動(dòng)時(shí)期（奧陶紀(jì)和震旦紀(jì)），該區(qū)域地貌景觀發(fā)生了很大的變化。在燕山期，該地區(qū)北部上升，形成高山，南部下降，形成平原。在喜馬拉雅造山運(yùn)動(dòng)影響下，山體急劇上升，河流迅速下切，形成又深又陡的峽谷。其后，地下水沿裂隙對(duì)巖石產(chǎn)生溶蝕，再

加上地質(zhì)作用的影響，形成了如今的山地雛形。距今2 300萬(wàn)年前，云臺(tái)山區(qū)進(jìn)一步抬升，形成了峽谷幽深、群山聳峙、飛瀑清泉的地質(zhì)景觀。

工作區(qū)地表主要出露灰?guī)r和白云巖，局部巖石相對(duì)破碎。根據(jù)沉積巖常見(jiàn)電阻率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，灰?guī)r和白云巖電阻率范圍分別為60～10 000 Ω瘙簚m和150～9 000 Ω瘙簚m。未填充的溶洞理論電阻率值趨于無(wú)窮大，與圍巖的電阻率值就存在明顯的差異，為采用高密度電阻率法探測(cè)提供了地球物理基礎(chǔ)。

2 三維正演模擬

為充分認(rèn)識(shí)溶洞異常在高密度電阻率法探測(cè)結(jié)果的異常形態(tài)特征，輔助開(kāi)展后續(xù)探測(cè)成果解釋工作，采用長(zhǎng)方體來(lái)模擬地下溶洞特征。模擬結(jié)果（圖1）表明：溶洞與周圍介質(zhì)具有明顯的電阻率異常差異，異常形態(tài)表現(xiàn)為似圓柱體形狀。

3 三維高密度數(shù)據(jù)采集及解釋

3.1 三維高密度數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集工作采用美國(guó)AGI公司生產(chǎn)的SuperSting R8/IP高密度電法儀，通過(guò)AM二級(jí)排列裝置、三維觀測(cè)方式，共采集高密度電阻率法數(shù)據(jù)點(diǎn)12 090個(gè)。采用天寶R10 差分GPS測(cè)量物理點(diǎn)156個(gè)（圖2）。

在三維測(cè)量施工中，一次性把上百道采集站布好，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可大幅增加數(shù)據(jù)采集時(shí)間。在常規(guī)二維勘探中，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的默認(rèn)測(cè)量時(shí)間是1.2 s，當(dāng)有噪聲干擾時(shí)，數(shù)據(jù)質(zhì)量無(wú)法保證。三維勘探可將觀測(cè)時(shí)間延長(zhǎng)3～12倍，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。而且，在二維勘探中，通常只對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行1～2次重復(fù)觀測(cè)，以獲取計(jì)算相對(duì)誤差。在三維勘探中，可將重復(fù)觀測(cè)次數(shù)提高至3～16次。經(jīng)過(guò)均值疊加，隨機(jī)噪聲干擾將被壓制。三維同步采集的電法勘探數(shù)據(jù)，信號(hào)和噪聲都滿足一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。除了在數(shù)據(jù)采集時(shí)提高信噪比外，還可在后期引入非線性信號(hào)處理方法，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行信噪分離。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和相關(guān)分析是常用的兩種方法，計(jì)算道間相關(guān)度可對(duì)噪聲干擾及壞點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行定位。利用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解可將信號(hào)分為多個(gè)尺度，噪聲通常表現(xiàn)為劇烈變化的小尺度分量，從而可對(duì)其進(jìn)行識(shí)別和剔除，提高數(shù)據(jù)采集質(zhì)量和信噪比。

3.2 高密度電阻率探測(cè)成果解釋

在實(shí)際數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換，以1號(hào)測(cè)點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，加載高程數(shù)據(jù)后，經(jīng)數(shù)據(jù)處理及反演獲得了研究區(qū)地表至地下26 m深度的三維電性結(jié)構(gòu)（圖3）。

3.3 地表電性結(jié)構(gòu)特征

研究區(qū)地表電性特征整體表現(xiàn)為北西西-南東東方向、高低電阻相間排列分布。在測(cè)區(qū)西北、東北、東南和西南4個(gè)方向以及東部的高阻異常區(qū)對(duì)應(yīng)巖體出露區(qū)或挖掘面，受到地表風(fēng)化和大氣降水侵蝕作用影響，局部巖石破碎，結(jié)構(gòu)和含水性發(fā)生較大變化，巖石表現(xiàn)為低阻特性。

3.4 水平方向切片電性結(jié)構(gòu)特征

水平方向切片顯示地下電性結(jié)構(gòu)具有垂向分層特征，在地表至地下7 m左右的深度范圍內(nèi)，電阻率一般大于2 000 Ω瘙簚m，表現(xiàn)為高阻特征；地下7 m至地下26 m深度范圍內(nèi)電阻率約為1 000 Ω瘙簚m，分布較為集中，地下結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。在測(cè)區(qū)西南邊界，電阻率在1 000 Ω瘙簚m，高、低電阻分布規(guī)律與地表高程?hào)|北高、西南低（圖4）呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

3.5 垂直方向切片電性結(jié)構(gòu)特征

通過(guò)制作不同高程對(duì)應(yīng)的電阻率切片（圖5）發(fā)現(xiàn)：在高程0～5 m處，由于近地表巖石結(jié)構(gòu)和構(gòu)造差異，電阻率自東北向西南呈現(xiàn)高、低相間分布特征；在高程-10～-5 m處，受到地形影響，電阻率表現(xiàn)為西南高、東北低的分布特性；在高程-20～-15 m處，電阻率分布較為均勻，地下巖石結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)與圖1溶洞正演模擬結(jié)果對(duì)比，在不同高程對(duì)應(yīng)的電性結(jié)構(gòu)切片中均未識(shí)別出于“似溶洞”產(chǎn)生的電性結(jié)構(gòu)異常。

4 結(jié)論與建議

本次勘察采用高精度地球物理勘探技術(shù)，即三維高密度電阻率測(cè)量方法對(duì)30.0 m×27.5 m范圍內(nèi)地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)勘查，勘探線距和電極均為2.5 m，水平分辨率可到1.25 m，共采集12 090個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。通過(guò)使用帶地形的真三維反演數(shù)據(jù)處理方法獲得研究區(qū)地下0～26 m深度的電性結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)對(duì)不同方向的水平切片和不同高程的垂直切片分析，獲得的結(jié)論如下：

（1） 三維高密度電阻率法在成像效果方面較二維剖面成像效果更好，加入地形約束的三維反演結(jié)果，能夠獲得更加真實(shí)的成像結(jié)果。

（2） 地表以下電阻率變化較小，結(jié)合對(duì)地表幾處已開(kāi)挖地區(qū)的巖石特征分析，這些巖石完整性較好、硬度較大，向下具有一定的延伸。

（3） 通過(guò)對(duì)水平方向和垂直方向電阻率切片進(jìn)行掃描，尚未發(fā)現(xiàn)具有由溶洞產(chǎn)生的電性異常特征。本區(qū)海拔高度變化范圍在1 029～1 042 m之間，地下30 m處，高程變化范圍在1 000～1 012 m之間，不在溶洞集中分布范圍（1 100～1 200 m，750～850 m，450～500 m）。

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