武廣高鐵路基巖溶電測(cè)深反射系數(shù)法勘探應(yīng)用研究

崔德海

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

武廣高鐵路基巖溶電測(cè)深反射系數(shù)法勘探應(yīng)用研究

崔德海

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)

介紹電測(cè)深反射系數(shù)法的應(yīng)用原理。通過(guò)對(duì)武廣高鐵路基巖溶勘探的野外工作實(shí)踐，選出具有代表性的電測(cè)深曲線來(lái)論述電測(cè)深反射系數(shù)分析法的實(shí)際應(yīng)用效果，認(rèn)為利用反射系數(shù)法解釋電測(cè)深曲線，能突出弱異常，取得較好的勘探效果。

電測(cè)深反射系數(shù) 路基巖溶

武廣高鐵為我國(guó)第一條設(shè)計(jì)時(shí)速350 km的高速鐵路客運(yùn)專線，由于線路較長(zhǎng)，需要跨越許多不良地質(zhì)路基段。如DK1631+400～DK1637+450段，通過(guò)前期地質(zhì)測(cè)繪全部為巖溶路基，巖溶極度發(fā)育。為達(dá)到高速鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，確保安全運(yùn)營(yíng)，需要徹底查清不良路基巖溶發(fā)育情況。在路基巖溶勘探中的初勘階段，電測(cè)深法無(wú)疑是探測(cè)地下巖溶的有效方法，但單純使用對(duì)稱四極或三極電測(cè)深法，雖然在某些地段取得一定的效果，但在對(duì)其視電阻率ρs曲線進(jìn)行解釋時(shí)，由于地形地質(zhì)條件、覆蓋層厚的影響，一些規(guī)模不大但危害不能忽視的巖溶空洞或溶洞及其充填物所引起的視電阻率異常較弱，在電測(cè)深曲線上反映不明顯，通過(guò)數(shù)據(jù)處理、解釋過(guò)程中可能將其圓滑或忽略掉，造成解釋失誤。這種情況在初勘期間出現(xiàn)得比較多，反映情況為：從實(shí)測(cè)曲線上基本看不到異常，或異常相當(dāng)微弱，但在鉆孔揭示的實(shí)際地層中巖溶相當(dāng)發(fā)育，特別是在武廣高鐵的第一測(cè)段(烏龍泉-蒲圻)、第六測(cè)段(耒陽(yáng)-韶關(guān))都有類似的情況反映，其他段內(nèi)因?yàn)殂@孔資料沒(méi)有收集，情況不明。

為了突出異常，采用反射系數(shù)電法勘探(也稱K剖面法)可以取得較好的結(jié)果，前人也曾經(jīng)使用K剖面法非常成功地判斷巖溶發(fā)育的實(shí)際情況，使用視電阻率ρz做出的電阻率斷面圖，真實(shí)反映了實(shí)際的地質(zhì)情況。

1 反射系數(shù)K法的基本原理及其優(yōu)越性

關(guān)于反射系數(shù)法的理論最早在上世紀(jì)60年代末由我國(guó)長(zhǎng)辦物探水聲組孫經(jīng)榮同志提出。

基于波動(dòng)方程

(1)

(2)

式中，U為電位。

解上式，可得對(duì)稱四極裝置半空間二層結(jié)構(gòu)條件下的解為

(3)

式中：ρs為視電阻率；ρ1為第一層電阻率；ρ2為第二層電阻率；λ=AO/h為極距深度比；AO為供電極距；h為第一層深度；K12=(ρ2-ρ1)/ (ρ2+ρ1)為反射系數(shù)。

通過(guò)(3)式對(duì)λ微分，得到

(4)

對(duì)于ρ2>ρ1時(shí)，曲線(雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中)，一次微分在λ=2.0～λ=3+0.16[(1+K12)/(1-K12)]段獲得極值，且有

(5)

當(dāng)ρ2<ρ1時(shí)，采用負(fù)值校正后，亦可以獲得上升ξ曲線一致的結(jié)果。故定義斜率K

(6)

由此，將ξ曲線的斜率與反射系數(shù)K12聯(lián)系起來(lái)，且可由已知斜率求得反射系數(shù)K12，從而讓原斜率的意義發(fā)生了質(zhì)的變化，奠定了反射系數(shù)法的基礎(chǔ)，也為實(shí)際問(wèn)題的資料解釋開(kāi)辟了一條新的捷徑。

在實(shí)際應(yīng)用中，可用下式差分形式代替微分形式，從野外視電阻率曲線中求得K

(7)

當(dāng)K為負(fù)數(shù)(即ρn<ρ(n-1))時(shí)，需要進(jìn)行校正

(8)

引入視真電阻率ρz，通過(guò)換算，可以獲得與真電阻率相接近的似真電阻率ρz，ρz可由下式求得

(9)

視真電阻率ρz與真電阻率極為相似，在一定厚度下(h1>h2)可以替代層電阻率。因此，在野外勘探中，ρz剖面圖與地質(zhì)剖面極為相似，常用于提供半定量的解釋資料。

綜上所述可見(jiàn)，反射系數(shù)K法是對(duì)實(shí)測(cè)的電測(cè)深ρs曲線進(jìn)行一階微分處理，亦即進(jìn)行一次高通濾波，反映了ρs沿AO方向的梯度變化，可放大、突出局部異常，壓制低頻背景異常。利用K曲線特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)(AB/2)與層參數(shù)之間的關(guān)系，從而進(jìn)行反問(wèn)題的解釋，數(shù)據(jù)處理后的電測(cè)深曲線，能較明顯地反映出地下溶洞的存在。

2 反射系數(shù)K法應(yīng)用實(shí)例

由(7)、(8)、(9)式可以看出，K、ρz手工實(shí)現(xiàn)較為困難，筆者結(jié)合前人研究成果，編制了電測(cè)深反射系數(shù)法數(shù)據(jù)處理解釋軟件，可實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理解釋及AUTOCAD自動(dòng)化成圖，實(shí)現(xiàn)了對(duì)既有電測(cè)深資料進(jìn)行反射系數(shù)法的應(yīng)用效果研究。

2.1 電測(cè)深H形曲線異常

電測(cè)深ρs曲線的類型反映了地電斷面的性質(zhì)，通過(guò)類型圖的分布和變化，可以了解地下介質(zhì)的電性結(jié)構(gòu)。由于溶洞的規(guī)模和埋深變化復(fù)雜，從而會(huì)與起ρs曲線類型的變化不明顯甚至較復(fù)雜。因此，單純依靠ρs曲線類型的變化來(lái)發(fā)現(xiàn)地下溶洞的存在有時(shí)是十分困難的，如圖1、圖2分別為某電測(cè)深點(diǎn)的視電阻率曲線及反射系數(shù)曲線，鉆孔資料顯示在埋深7.5～13 m處存在充填型溶洞發(fā)育。圖1中ρs曲線為H形，粗看難以從曲線上判溶洞異常反應(yīng)，反射系數(shù)Ks曲線(圖2)中則可較明顯地看出，AB/2極距約為8～10 m左右的下凹部分放大了ρs曲線上的巖溶異常，與鉆探結(jié)果對(duì)應(yīng)性良好。

圖1 H形視電阻率曲線

圖2 H形視反射系數(shù)Ks曲線

圖3 KH形ρs曲線與Ks曲線對(duì)比

2.2 電測(cè)深KH形曲線異常

如圖3為某巖溶地層一個(gè)電測(cè)深點(diǎn)的ρs曲線與反射系數(shù)曲線對(duì)比分析圖，圖中ρs曲線呈比較明顯的KH形，K形部分稍弱，若進(jìn)行數(shù)值圓滑處理時(shí)很容易被圓滑成G形曲線，在曲線上淺部?jī)H在AB/2=4.5 m處向上微凸，而中部則在AB/2=10 m處就開(kāi)始以45°漸近線上升，表明覆蓋層比較淺，基巖埋深不大，從曲線特征上還是可以分析出該點(diǎn)下面有溶洞存在的可能。K形部分的ρs曲線幅值寬度比較寬，但下凹的幅度并不太大，表明引起該溶洞異常的頂板埋藏較淺，且H形部分的ρs曲線幅值寬度也比較大，但下凹的幅度也不大，說(shuō)明溶洞的發(fā)育規(guī)?？赡茌^小，其中的充填物沒(méi)有引起明顯的低阻異常。而在反射系數(shù)Ks曲線上，ρs曲線弱異常地段同樣對(duì)應(yīng)地存在著明顯的K值異常，只是K值異常幅度較之ρs曲線異常反應(yīng)劇烈得多，即放大了原來(lái)的ρs異常。且該Ks值異常的特點(diǎn)較之圖2而言表現(xiàn)為梯度大，范圍稍寬，呈漸變狀。實(shí)質(zhì)反映出巖溶頂板與覆蓋層之間及溶洞填充物之間的電流反射變化的關(guān)系。最后經(jīng)鉆孔驗(yàn)證揭示，該點(diǎn)地下8 m鉆見(jiàn)溶洞，覆蓋層厚5 m，溶洞頂板僅3 m左右。

圖4為一段巖溶路基的ρs剖面及Ks剖面的等值線色塊圖，從ρs剖面的分布規(guī)律僅能大致反映出淺部浮土覆蓋層剖面的電性變化，而未能把溶洞所在部位的局部高低、阻ρs異常體現(xiàn)出來(lái)，而從Ks剖面圖來(lái)看，其等值線分布規(guī)律無(wú)疑突出了溶洞引起的局部異常，使得溶洞的分布范圍在K等值線斷面圖上直接表現(xiàn)出來(lái)，并有很好的形態(tài)相似性。

圖4 某巖溶路基視電阻率ρs剖面(上)與反射系數(shù)Ks剖面(下)對(duì)比

3 結(jié)論

實(shí)踐證明，反射系數(shù)K法在電測(cè)深資料處理解釋中有其獨(dú)到之處，對(duì)于以探測(cè)地下溶洞為目的的電測(cè)深工作，可以在一定程度上提高解釋精度，同時(shí)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①對(duì)實(shí)測(cè)電測(cè)深數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，信息突出，對(duì)定性解釋極為有利。

②在沒(méi)有地層參數(shù)時(shí)，能夠進(jìn)行定量或半定量解釋。

③K系數(shù)等值線剖面圖比ρs剖面圖能更為直觀地映證地質(zhì)剖面。

[1] 龍凡.電反射系數(shù)K法在赤峰西部水文地質(zhì)勘察中的應(yīng)用效果[J].物探與化探，1988(2)

[2] 陳紹求，肖志強(qiáng).反射系數(shù)K法在巖溶探測(cè)中的應(yīng)用[J].物探與化探，2000(6):225-229

[3] 傅良魁.電法勘探[M].北京:地質(zhì)出版社，1983

[4] 夏建平.K剖面法若干問(wèn)題的探討[J].勘察科學(xué)技術(shù)，1989(2)

TheappliedresearchofelectricalsoundingreflectioncoefficientmethodtotheKarstroadbedexplorationinWuGuanghigh-speedrailway

CUI De-hai

2014-05-08

崔德海(1977—)，男，2000年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)應(yīng)用地球物理專業(yè)，高級(jí)工程師。

1672-7479(2014)05-0060-03

P631

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