綜合物探在巖溶調(diào)查中的應(yīng)用

陸益?zhèn)文

巖溶是建筑、公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重大地質(zhì)隱患，利用地球物理方法對(duì)巖溶進(jìn)行探測(cè)是巖溶地質(zhì)調(diào)查的重要手段。本文論述了綜合應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電阻率法和地震映像法的物探方法對(duì)安徽池州某建筑工地進(jìn)行巖溶地質(zhì)調(diào)查的工程實(shí)例。結(jié)果表明，綜合應(yīng)用多種物探方法，能有效查明灰?guī)r地區(qū)巖溶的分布范圍、埋藏深度和發(fā)育情況。

巖溶是灰?guī)r地區(qū)較為典型的不良地質(zhì)結(jié)構(gòu)，它往往給基礎(chǔ)工程的勘察和施工安全帶來(lái)極大的隱患，甚至危及上部建筑的工程安全。由于巖溶構(gòu)造本身的特殊性，以往常用的勘察手段很難查明巖溶存在的空洞形態(tài)及分布范圍。一般說(shuō)來(lái)，巖溶洞穴與其圍巖之間存在較明顯的密度、速度和導(dǎo)電性等物理性質(zhì)的差異。因此，可利用綜合物探方法從不同的地球物理特征場(chǎng)對(duì)地下介質(zhì)體提供可靠的有效信息，從而調(diào)查出巖溶的分布范圍、埋藏深度和發(fā)育情況等。

工作方法及原理

1.地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)是利用廣譜電磁波技術(shù)確定地下介質(zhì)分布情況。在雷達(dá)主機(jī)控制下，脈沖源產(chǎn)生周期性的毫微秒信號(hào)，由地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)中的窄脈沖發(fā)射源通過(guò)發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻寬頻域單脈沖，該地下脈沖在向探測(cè)物體內(nèi)部傳播過(guò)程中，遇到不同電性介質(zhì)界面產(chǎn)生不同強(qiáng)度的反射，產(chǎn)生反射信號(hào)。位于地面上的接收天線在接收到地下回波后，直接傳輸?shù)浇邮諜C(jī)，信號(hào)在接收機(jī)經(jīng)過(guò)整形和放大等處理后，經(jīng)電纜傳輸?shù)嚼走_(dá)主機(jī)，經(jīng)處理后，傳輸?shù)轿C(jī)。在微機(jī)中對(duì)信號(hào)依照幅度大小進(jìn)行編碼，并以偽彩色電平圖、灰色電平圖或波形堆積圖的方式顯示出來(lái)，再經(jīng)數(shù)據(jù)處理，用來(lái)判斷地下目標(biāo)的深度、大小和方位等特性參數(shù)。

2.高密度電阻率法

高密度電阻率法的理論基礎(chǔ)是靜電場(chǎng)理論。它是基于在地面下供垂向電測(cè)深點(diǎn)與電測(cè)剖面兩個(gè)基本原理的基礎(chǔ)上，在同一條多芯電纜上布置了64個(gè)電極，通過(guò)計(jì)算機(jī)硬軟件的有機(jī)控制供電極和測(cè)量電極，自動(dòng)組成多個(gè)垂向測(cè)深點(diǎn)，通過(guò)不同電極排列裝置的控制程序?qū)崿F(xiàn)了自動(dòng)布點(diǎn)、自動(dòng)跑極、自動(dòng)供電、自動(dòng)觀測(cè)、自動(dòng)記錄、自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)成圖成像的全過(guò)程。

圖1 L2測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)成果剖面圖（截圖）

圖2 L2測(cè)線高密度電阻率法探測(cè)成果剖面圖

圖3 L2測(cè)線地震映像法探測(cè)成果剖面圖（截圖）

探測(cè)目標(biāo)體和周圍介質(zhì)存在明顯的電阻率差異是高密度電法的物理前提。通過(guò)分析地層中的土洞、巖溶的地球物理特征，不難發(fā)現(xiàn)，地層中的土洞、巖溶與圍巖在電性上普遍存在差異：相對(duì)背景而言，或?yàn)槊黠@的高阻異常（如被空氣充填的空洞灰?guī)r體）或?yàn)槊黠@的低阻（被低阻物所填充，如水和淤泥充填的巖溶洞），如果采空區(qū)大小相對(duì)埋深具有一定的規(guī)模，就容易被發(fā)現(xiàn)。但由于其平均效應(yīng)大，在確定異常體邊界方面精度不高，且受表層低阻干擾嚴(yán)重，在工程勘察中，一般需要其他高精度物探方法的輔助。

3.地震映像法

地震映像法，又稱地震共偏移距法，是以相同的小偏移距逐步移動(dòng)測(cè)點(diǎn)接收地震信號(hào)，在地面或水面對(duì)地下地層或地下目的物進(jìn)行連續(xù)掃描，利用多種地震波信息來(lái)探測(cè)地下介質(zhì)變化的淺層地震勘探方法，其前提是地下介質(zhì)密度、速度、泊松比具有差異。

在地震映像測(cè)量過(guò)程中，激發(fā)后在接收點(diǎn)用單個(gè)檢波器接收。儀器記錄后，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)同時(shí)向前移動(dòng)一定的距離 (稱為點(diǎn)距)，重復(fù)上述過(guò)程可獲得一條地震映像時(shí)間剖面。對(duì)采集數(shù)據(jù)作各種處理后，通過(guò)分析反射波，折射波、面波變化信息進(jìn)行綜合地質(zhì)解釋。

工程實(shí)例

1.工區(qū)地質(zhì)及地球物理?xiàng)l件

安徽池州某建筑工地，擬在場(chǎng)地內(nèi)興建多幢居民住宅樓，其地層基本分為：①雜填土；②-1粉質(zhì)粘土；②-2粉質(zhì)粘土混礫石；③全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖；④粉質(zhì)粘土混碎石；⑤強(qiáng)風(fēng)化礫巖；⑥中風(fēng)化灰質(zhì)礫巖。設(shè)計(jì)基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，采用⑥號(hào)層中風(fēng)化灰質(zhì)礫巖為樁端持力層。由于在地質(zhì)勘查時(shí)個(gè)別鉆孔發(fā)現(xiàn)有灰?guī)r溶蝕裂隙或溶洞（坑、溝）中的粘性土及碎塊石充填物，需查明場(chǎng)區(qū)內(nèi)有無(wú)土洞及開(kāi)口溶洞等不良地質(zhì)條件及巖溶分布的空間形態(tài)，為樁基設(shè)計(jì)及施工采用科學(xué)的方案作出合理的決策。

根據(jù)前人資料和本次工作的實(shí)際測(cè)試成果，地下溶洞（含充填物）若為松散堆積物則呈現(xiàn)低電阻率、低縱波傳播速度特征，而當(dāng)?shù)叵氯芏礊楦煽斩磩t會(huì)呈現(xiàn)高電阻率、強(qiáng)縱波吸收特征。因此本次地球物理勘探需探測(cè)目標(biāo)體——地下巖溶區(qū)與圍巖間存在的明顯介電特性和地震動(dòng)力特性差異，為開(kāi)展地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電阻率法、地震映像法工作提供了地球物理前提條件。

2.測(cè)線布置及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)本次工作場(chǎng)地條件及勘探深度，對(duì)所測(cè)區(qū)域由北往南平行布置3條東西向長(zhǎng)測(cè)線剖面，依次為L(zhǎng)1，L2和L3。每條測(cè)線分別采用地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電阻率法和地震映像法進(jìn)行測(cè)試，以保證測(cè)試成果的有效性和準(zhǔn)確性。工作參數(shù)上，地質(zhì)雷達(dá)法采用連續(xù)測(cè)量，使用50MHz非屏蔽天線，時(shí)窗600ns，采用點(diǎn)數(shù)480個(gè)，疊加次數(shù)為自動(dòng)；高密度電阻率法采用溫施/泛裝置，電極距為3m；地震映像法采用單點(diǎn)測(cè)量，測(cè)點(diǎn)距1m，偏移距15m，采樣間隔0.1ms，記錄長(zhǎng)度2048點(diǎn)/道，激震源為16磅重錘。

3.巖溶探測(cè)成果及解釋

對(duì)所采集的物探資料進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理和反演計(jì)算后，得到各測(cè)線成果解釋圖。結(jié)合已知工程地質(zhì)勘察成果，推斷解釋場(chǎng)區(qū)內(nèi)巖溶的存在分布情況。

圖1為L(zhǎng)2測(cè)線地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)成果剖面圖。在樁號(hào)z60至z62段間，出現(xiàn)一段弧狀強(qiáng)反射信號(hào)（圖1中虛線所圈處），懷疑為巖溶上頂面反射電磁波所致。但由于所使用的雷達(dá)天線為50MHz非屏蔽天線，無(wú)法屏蔽無(wú)效干擾信號(hào)，此反射信號(hào)也有可能是淺部干擾引起，因此暫時(shí)還無(wú)法下定結(jié)論。

再來(lái)看L2測(cè)線的高密度電阻率法探測(cè)成果剖面圖（如圖2所示），發(fā)現(xiàn)同樣在z60至z62段，埋深約20～25m處（圖2中虛線所圈處），有一明顯帶狀高電阻率異常，結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)所測(cè)成果，推測(cè)此處為一干溶洞。由于異常所在位置正好位于解釋成果圖的邊界，所探測(cè)到巖溶發(fā)育的部分可能并不完整，加上高密度電阻率法本身的平均效應(yīng)，巖溶的邊界尚不能精確劃定。

在圖3所示的L2測(cè)線地震映像法探測(cè)成果剖面圖中，可以看到樁號(hào)z61至z62段（測(cè)線28～43m）虛線所圈處，反射波同相軸相位缺失，而頂板和底板的同相軸能量相對(duì)較強(qiáng)，推測(cè)此處為巖溶發(fā)育，根據(jù)地震波反射時(shí)間和波速計(jì)算得出，埋深在16～21m。這與之前兩種物探方法探測(cè)到的異常大小和位置非常吻合。另外在樁號(hào)z60至z61間（測(cè)線15～22m）虛線所圈處，埋深18～21m的位置弧形同相軸“眼球形”特征明顯，頂板和底板能量也較強(qiáng)，推測(cè)為巖溶發(fā)育。

至此，三種物探方法綜合解釋得出：L2測(cè)線存在兩處巖溶發(fā)育，分別位于測(cè)線15～22m處和28～43m處，埋深為18～21m和16～21m，可能屬串珠狀小溶洞，距基巖面的深度為5.0～7.0m，巖溶上部基巖基本完整，部分有向下溶蝕跡象。L1和L3測(cè)線基巖較完整 ，未發(fā)現(xiàn)溶洞和斷裂破碎帶等不良地質(zhì)跡象。

結(jié)論

通過(guò)安徽池州某建筑工地的場(chǎng)地巖溶構(gòu)造的探測(cè)實(shí)例，說(shuō)明了綜合應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)法、高密度電阻率法和地震映像法等多種物探方法，能夠能有效查明灰?guī)r地區(qū)巖溶的分布范圍、埋藏深度和發(fā)育情況，并且具有無(wú)損、高效、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)。由于物探資料的多解性，異常的辨認(rèn)和解釋有時(shí)是一件非常困難的事情，采用單一的物探手段很難達(dá)到較好的探測(cè)效果。因此，多種物探方法相互配合，不同解釋成果反復(fù)比較，取長(zhǎng)補(bǔ)短，去偽存真，才能有效地提高異常解釋精度，在巖溶調(diào)查中取得良好的探測(cè)效果。