單極 偶極時間域激電測深在建筑場地地下巖溶勘查中的應(yīng)用

李紹波，劉媛媛，張 健，祝迎華

（中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北保定071051）

單極 偶極時間域激電測深在建筑場地地下巖溶勘查中的應(yīng)用

李紹波，劉媛媛，張 健，祝迎華

（中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北保定071051）

灰?guī)r區(qū)的溶蝕現(xiàn)象不僅會導(dǎo)致基巖面起伏很大，還會產(chǎn)生溶蝕帶、溶洞、土洞等地質(zhì)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到該地區(qū)工程建設(shè)。近年來，根據(jù)溶洞、土洞與其圍巖電性的差異，使用電法勘探尋找溶洞、土洞取得了較好的效果。單極 偶極時間域激電測深方法在建筑場地巖溶勘查中的應(yīng)用表明，該方法對于查明建筑場地巖溶、土洞的存在以及分布范圍是一種有效的地球物理勘探方法。

單極 偶極；時間域；激電測深；巖溶；勘查

0 引言

灰?guī)r發(fā)育的地區(qū)經(jīng)常產(chǎn)生溶蝕地貌，不僅會形成復(fù)雜的基巖面，還會有較多的溶蝕帶、溶洞、土洞等地質(zhì)現(xiàn)象，給工程建設(shè)造成嚴(yán)重影響。近年來使用電法勘探，根據(jù)溶洞、土洞與其圍巖電性差異來尋找溶洞、土洞取得了較好的效果。

我國巖溶地區(qū)分布廣泛，巖溶地基基礎(chǔ)設(shè)計是工程建設(shè)的重要內(nèi)容，它直接關(guān)系到工程建設(shè)的可行性、安全性及工程造價［12］。常規(guī)工程地質(zhì)勘查很難查明巖溶存在的空洞形態(tài)及分布范圍，遇到巖溶及不良地質(zhì)環(huán)境時，常采用電法、地質(zhì)雷達、面波、淺震等地球物理探測手段［3］。由于不同地質(zhì)體及特征介質(zhì)對應(yīng)不同的地球物理場特征，可從中提取可靠的有效信息。本文介紹南方某建筑工地采用單極-偶極時間域激電測深方法對場地內(nèi)基巖巖溶成功探測的實例。

1 工區(qū)地質(zhì)概況

南方某建筑場地屬長江沖淤積、沖積及洪積形成的一級階地地貌單元，主要為農(nóng)田、水溝（塘）、樹苗圃，未整平，場地高程一般為5．39～7．26 m。地層自上而下為：①層素（雜）填土：雜色，松散不均，主要為農(nóng)田的耕作土（黏性土），表層含植物根系、磚塊，在水溝及水塘分布區(qū)域為塘泥，其富含有機質(zhì)，層厚0．5～3．7 m；②層粉質(zhì)黏土：灰 灰黃色，呈可塑狀態(tài)，層厚30～35 m；③層卵石：灰色，呈中密狀態(tài)，卵石含量＞50%，直徑一般2～4 cm，呈圓狀，主要成分為砂巖、灰?guī)r，充填物為中細砂，層厚0～10 m；④層碎石土：主要成分為構(gòu)造角礫巖，充填物為粉質(zhì)黏土，呈可塑狀態(tài)，零星分布，主要分布在場地北部，層厚0～4．0 m；⑤中風(fēng)化構(gòu)造角礫巖：淺灰色—淺灰紅色，角礫成分主要為灰?guī)r和少量砂巖，以硅質(zhì)膠結(jié)和鈣質(zhì)膠結(jié)為主，該層完整程度較好，屬較硬巖石。厚度未揭穿，最大揭示厚度≥5．0 m。層頂標(biāo)高一般為－35～－20 m。

2 測區(qū)地球物理特征

測區(qū)內(nèi)地層成分主要為黏土、卵石、灰?guī)r，地表覆蓋層為層素（雜）填土。黏土、卵石與角礫灰?guī)r的導(dǎo)電性差異明顯，電阻率存在較明顯的差異?；?guī)r中有溶洞發(fā)育，有些溶洞內(nèi)充水、泥、碎石等雜物，相對背景而言，為低電阻率反映；有些溶洞未充填，為高電阻率反映。無論溶洞充填或未充填，溶洞內(nèi)的介質(zhì)與灰?guī)r在成分、結(jié)構(gòu)上都存在較大差異，它們之間的電阻率差異明顯［4］。這些地層之間電阻率的差異為物探探測溶洞的地球物理前提。

圖1 單極 偶極時間域激電測深裝置觀測示意圖Fig．1 Schematic diagram of the device of pole-dipole time-domain IP sounding

3 勘查技術(shù)方法

3．1 工作原理及儀器

單極 偶極時間域激電測深的工作原理與常規(guī)電法一致，是以巖土介質(zhì)的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，向大地供正反向脈沖電流［5-7］，地下巖土介質(zhì)電阻率不均一，溶洞內(nèi)充水、黏土、碎石雜物，其電阻率較低；完整灰?guī)r電阻率較高，引起地下電流密度分布不均，流經(jīng)高阻體中電流密度相對較小，相應(yīng)表現(xiàn)為高阻區(qū)；流經(jīng)低阻體中電流密度相對較大，相應(yīng)表現(xiàn)為低阻區(qū)［8-10］。通過研究電阻率橫、縱向激發(fā)極化效應(yīng)的變化，以查明與溶洞有關(guān)的地質(zhì)問題。這一方法的優(yōu)點是對圈定橫、縱向不均勻地質(zhì)體有良好的分辨、探測能力；且探測深度大、工作效率高。

本次工作采用法國IRIS公司Elrec Pro數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和VIP10 000大功率發(fā)射系統(tǒng)。微機采集數(shù)據(jù)，實時顯示視電阻率。

3．2 勘查方法及工作參數(shù)

勘查工作采取雙邊采集觀測的數(shù)據(jù)記錄方式，該觀測方式較單邊觀測方式具有測量的數(shù)據(jù)量大、電性斷面分辨率高和真實可靠的特點。發(fā)射點距10 m，接收極距10 m，最小供電極距5 m，最小的間隔系數(shù)n＝0．5，供電周期8 s，供電電流1～5 A，無窮遠極距測線＞600 m［8，11］。圖1為裝置的電極布設(shè)示意圖。代運算，當(dāng)相鄰兩次迭代結(jié)果相對誤差滿足要求時，輸出反演模型，最終反演成圖［5］。處理流程見圖2。

4．2 異常解釋及分析

單極 偶極大功率激電測深法可獲得巖（土）層的視電阻率參數(shù)。不同巖（土）層由于成因、成分、巖石顆粒大小、致密程度、含水量等因素的不同，從而在縱向和橫向上產(chǎn)生視電阻率的相應(yīng)變化。通過分析巖溶區(qū)電阻率縱、橫向的變化特征，明確巖溶在圖像上的特征，進而推測巖溶的位置［12-14］。

圖2 激電測深資料處理流程圖Fig．2 Flow chart of IP sounding data processing

4 資料處理與分析

4．1 資料處理

首先將外業(yè)采集數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，對原始數(shù)據(jù)進行噪音剔除、平均，轉(zhuǎn)換成本軟件處理格式；然后應(yīng)用GEOTOMO公司的RES2DINV反演程序進行二維地電模型處理，反演方法采用有限元方法，根據(jù)最小二乘原理自動修正模型進行多次迭

圖3 L1線激電測深視電阻率二維反演成果解釋圖Fig．3 2D inversion interpretation map of apparent resistivity of IP sounding for Line 1

（1）L1剖面：整個剖面自上而下分為4個電阻率帶，分別對應(yīng)層素（雜）填土、黏土、卵石層和灰?guī)r。在測線100—130點位之間，對應(yīng)深度35～45 m附近的電阻率曲線下凹畸變，反映該處地質(zhì)體為低阻體，推測為充水或淤泥的溶洞，該溶洞高5～8 m，寬約4 m（圖3）。

分析鉆探資料得知，該處分別于120和125點位布置鉆孔ZK10-1和ZK10，ZK10-1孔未見溶洞，ZK10孔見溶洞，溶洞高度達10 m，溶洞內(nèi)充有水、土或碎石，與物探成果較吻合。此外，鉆孔揭露的卵石層頂標(biāo)高（－27 m）和灰?guī)r層頂標(biāo)高（－36 m）與物探成果基本一致，驗證了該物探方法的有效性（圖4）。

圖4 鉆孔ZK10，ZK10 1工程地質(zhì)圖Fig．4 Engineering geological map of drill hole ZK10 and ZK10-1

（2）L6剖面：整個剖面自上而下分為4個電阻率帶，分別對應(yīng)層素（雜）填土、黏土、卵石層和灰?guī)r。在測線50—80點位之間，對應(yīng)深度35～45 m處附近的電阻率曲線下凹畸變，反映了該處地質(zhì)體為低阻體，推測為充水或淤泥的溶洞，該溶洞高5～8 m，寬約4 m；在測線244—260點位之間，對應(yīng)深度35～45 m處的電阻率曲線下凹畸變，反映該處地質(zhì)體為低阻體，推測為充水或淤泥的溶洞，結(jié)合曲線下凹程度相對較小，分析該溶洞高2～3 m，寬約3 m（圖5）。

分析鉆探資料得知，該處分別于74，76和250點位布置鉆孔ZK11-1，ZK11和ZK12，其中ZK11和ZK12孔見溶洞，ZK11所見溶洞總高度達6 m，溶洞內(nèi)充有水、土或碎石；ZK12所見溶洞高度達2 m，溶洞內(nèi)充有水、土或碎石，與物探成果基本吻合。此外，3個鉆孔所揭露的卵石層頂標(biāo)高（－30 m）和灰?guī)r層頂標(biāo)高（－40 m）與物探成果基本一致，驗證了該物探方法的有效性（圖6）。

5 結(jié)論

單極 偶極大功率激電測深方法具有信息量豐富、探測深度大、橫縱向分辨能力高、探測能力強的特點，應(yīng)用單極 偶極大功率激電測深法，可以查明灰?guī)r地區(qū)巖溶裂隙發(fā)育情況，確定建筑場地內(nèi)土洞和溶洞的分布狀況，為工程建設(shè)中地質(zhì)災(zāi)害的勘察和處理提供重要依據(jù)。

圖5 L6線激電測深視電阻率二維反演成果解釋圖Fig．5 2D inversion interpretation map of apparent resistivity of IP sounding for Line 6

圖6 鉆孔ZK11-1，ZK11和ZK12工程地圖Fig．6 Engineering geological map of drill hole ZK11-1，ZK11 and ZK12

［1］ 劉之葵，梁金城．巖溶區(qū)溶洞及土洞對建筑地基的影響［M］．北京：地質(zhì)出版社，2006．

［2］ 齊朝華，李世峰，李錦鑫，等．高密度電法在建筑地基溶洞勘察中的應(yīng)用［J］．礦業(yè)工程研究，2010，25（4）：69-71．

［3］ 劉傳正，王振東，連克．地質(zhì)災(zāi)害勘查指南［M］．北京：地質(zhì)出版社，2000．

［4］ 傅良魁．應(yīng)用地球物理教程：電法 放射性地?zé)幔跰］．北京：地質(zhì)出版社，1991：119-125．

［5］ 雒志鋒，高明程，朱向泰．時域激電法單極－偶極裝置在鉛－鋅礦勘查中的應(yīng)用效果［J］．地質(zhì)與勘探，2006，42（4）：75-80．

［6］ 溫佩琳，趙秋梅．大深度激發(fā)極化法初步探討［J］．物探與化探，1996，20（5）：329-330，344．

［7］ 趙聚林，薛斌義，馮軍，等．直流激發(fā)極化法中的視電阻率參數(shù)及二次場采樣［J］．物探與化探，2009，33（1）：46-48．

［8］ 李金銘．激發(fā)極化法方法技術(shù)指南［M］．北京：地質(zhì)出版社，2004：10-70．

［9］ 王愛國，馬巍，王大雁．高密度電法不同電極排列方式的探測效果對比［J］．工程勘察，2007（1）：72-75．

［10］ 丁榮勝，張殿成，王仕昌，等．高密度電阻率法和地震映像法在采空區(qū)勘察中的應(yīng)用［J］．物探與化探，2010，34（6）：732-736．

［11］ 史炎培，王式銘，夏治平，等．時間域激發(fā)極化法技術(shù)規(guī)定［S］．北京：地質(zhì)礦產(chǎn)部，1993．

［12］ 李樹文，郝旭，金瞰昆．激電異常的形態(tài)解釋方法及其應(yīng)用研究［J］．地質(zhì)與勘探，2000，36（1）：48-50．

［13］ 李金銘．地電場與電法勘探［M］．北京：地質(zhì)出版社，2005：16 -23．

［14］ 王步清，彭恩生，汪勁草，等．桂北古丹礦區(qū)雙頻激電異常的地質(zhì)解釋［J］．大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2001，25（2）：205-209．

The application of the Pole Dipole time domain IP sounding to underground karst survey at the construction site

LI Shaobo，LIU Yuanyuan，ZHANG Jian，ZHU Yinghua
（Institute of Geophysical Ex ploration，China Metallurgical Geology Bureau，Baoding 071051，Hebei，China）

Dissolution of limestone dose not only lead to tremendous undulation of the bed rock surface but also the bad engineering geological phenomenon，such as dissolution zone，karst and soil caves that would influence construction of many projects．According to difference of electric property between the dissolution zone，karst and soil caves and their surrounding rocks Pole-Dipole high power IP method has been applied to detection of them and good result achieved in recent years．

Pole-Dipole；Time-Domain；IP Sounding；Karst；prospecting

P631．3；TU195．1

： A

10．6053／j．issn．1001-1412．2014．01．018

2013-07-01； 責(zé)任編輯： 趙慶

李紹波（1976 ），男，工程師，2000年畢業(yè)于長安大學(xué)水工系水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，主要從事地質(zhì)、物探勘查工作。通信地址：河北省保定市陽光北大街139號，中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院物探工程院；郵政編碼：071051；E-mail：173460159＠qq．com