綜合物探技術(shù)在武漢市江夏區(qū)大橋新區(qū)巖溶探測(cè)中的應(yīng)用研究

徐小連

(中國(guó)煤炭地質(zhì)總局，北京 100038 )

0 引言

武漢市市域范圍內(nèi)碳酸鹽巖分布范圍較廣，覆蓋型巖溶發(fā)育，近年來發(fā)生十余起巖溶地面塌陷災(zāi)害，造成了較大的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。巖溶造成的地面塌陷已成為目前武漢市區(qū)域內(nèi)影響最大的地質(zhì)災(zāi)害類型，為查清巖溶的空間分布和埋藏情況，除開展巖溶及巖溶洞穴發(fā)育規(guī)律的研究外，還須輔以地球物理探測(cè)等相關(guān)手段，對(duì)巖溶發(fā)育進(jìn)行研究。目前巖溶探測(cè)技術(shù)方法尚未形成完整的理論與方法體系。

本文在對(duì)比前人探測(cè)技術(shù)方法的基礎(chǔ)上，通過分析武漢市巖溶地質(zhì)特征，選擇巖溶發(fā)育強(qiáng)烈地區(qū)實(shí)施高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法、超淺層瞬變電磁法、陸基聲吶法、地震勘探法(P波、S波、面波以及微動(dòng))、孔中電磁波CT和孔中彈性波CT等多種技術(shù)方法，進(jìn)行探測(cè)有效性分析。

1 巖溶探測(cè)技術(shù)的發(fā)展

巖溶探測(cè)技術(shù)是當(dāng)前工程地質(zhì)研究領(lǐng)域的薄弱環(huán)節(jié)，工程界在各種巖溶探測(cè)工程中，除利用鉆探，多開展了物探技術(shù)方法的理論分析和定量評(píng)價(jià)[1-10]；溫春德應(yīng)用無線電波透視法，對(duì)我國(guó)十多個(gè)大中型水利水電壩址的巖溶洞穴發(fā)育情況進(jìn)行了探測(cè)，先后圈定了多個(gè)巖溶洞穴和異常地段[11]；吳輝在貴州某高速公路某段利用RAMAC 地質(zhì)雷達(dá)，對(duì)該灰?guī)r地段中的巖溶洞穴進(jìn)行了探測(cè)，表明可廣泛地應(yīng)用于公路巖溶勘探[12]；譚天元等將連續(xù)電導(dǎo)率剖面法應(yīng)用到索風(fēng)營(yíng)水電站庫區(qū)的巖溶勘探中，并取的了良好效果[13]；皮開榮在東風(fēng)水電站978 廊道帷幕灌漿工作中運(yùn)用大功率聲波CT 和電磁波CT 相結(jié)合的方法探測(cè)不良地質(zhì)情況，不僅優(yōu)化了設(shè)計(jì)，而且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效果[14]；李學(xué)文等介紹了一種在巖溶地區(qū)進(jìn)行樁位勘查的新方法-“管波探測(cè)法”，并以工程實(shí)例說明了管波探測(cè)法的探測(cè)效果，認(rèn)為這種方法可以很好地解決一樁一孔的局限性[15]；潘瑞林闡述了赤道偶極剖面法在鐵路路基巖溶洞穴探測(cè)中的應(yīng)用效果，通過正演理論計(jì)算和物理模擬實(shí)驗(yàn)，說明了該方法的異常明顯可靠、反演解釋準(zhǔn)確，并給出了選擇最佳極距的原則[16]；王法剛等運(yùn)用陸地聲納法(陸上極小偏移距高頻彈性波反射連續(xù)剖面法)對(duì)某高速公路基巖地震波探測(cè)剖面的實(shí)例分析，說明該方法與常規(guī)物探方法相比可以避免許多干擾波，可以進(jìn)行單道連續(xù)采集，且具有分辨率高、偏移距極小、反射波能量高等特點(diǎn)，在地下巖溶等淺層地震地質(zhì)調(diào)查中效果良好，可以滿足狹窄、復(fù)雜環(huán)境下高分辨率淺層地震勘探的需要[17]；張興昶等介紹了CSAMT(可控源音頻大地電磁法)技術(shù)在深埋隧道巖溶探測(cè)中的一個(gè)實(shí)例，指出了該方法在處理類似工程中的優(yōu)越性[18]。

近幾年，隨著人們對(duì)物探技術(shù)運(yùn)用日趨成熟，綜合物探探測(cè)技術(shù)也開始應(yīng)用于巖溶探測(cè)，常用的方法有高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、超淺層瞬變、陸地聲吶、地震、井間CT等。其中邵雁、彭濤、李永濤、李光旭、劉杰等在煤礦巖石巷道超前巖溶探測(cè)、井地地震CT巖溶測(cè)試、長(zhǎng)江大堤巖溶井間電磁波CT勘測(cè)及電磁波層析成像、地質(zhì)雷達(dá)結(jié)合地震映像法解釋隧道溶洞和裂隙等方面做了大量工作，取得了較好效果[19-22]。朱銘、朱亞軍等對(duì)綜合物探技術(shù)在隱伏巖溶探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了大量研究，認(rèn)為綜合物探方法是巖溶調(diào)查中的重要手段，瞬變電磁法和高密度電法則是綜合物探的有效方法，特別是在含水的巖溶洞穴探測(cè)方面，有非常突出的效果[23-24]；鄭智杰等選取高密度電法、主動(dòng)源面波法、微動(dòng)法對(duì)柳州泗角村巖溶塌陷區(qū)進(jìn)行了綜合研究，能夠有效查明塌陷區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)、巖溶發(fā)育帶，并劃分出塌陷區(qū)范圍[25]；俞仁泉等運(yùn)用高密度電法和大地電磁法快速探測(cè)隧道突泥范圍區(qū)和前方圍巖的地電信息，準(zhǔn)確探測(cè)了突泥異常區(qū)的范圍、深度情況，證明了電法、電磁法在巖溶地區(qū)的應(yīng)用效果[26]；農(nóng)觀海選擇高密度電阻率法和音頻大地電磁法在擬施工豎井附近開展地球物理勘查工作，大致探明施工孔(豎井)位及附近地下巖溶、構(gòu)造斷裂破碎帶等情況[27]。

以上資料表明，綜合物探技術(shù)是進(jìn)行巖溶探測(cè)的有效手段，避免了單一物探方法的多解性。在工程地質(zhì)勘探中采用綜合物探方法對(duì)巖溶進(jìn)行探測(cè)，可發(fā)揮各種物探方法的優(yōu)點(diǎn)，互相補(bǔ)充印證，可以提高巖溶的探測(cè)精度。

2 巖溶地質(zhì)特征

2.1 武漢主城區(qū)

武漢市主城區(qū)分布有6條近東西向條帶狀隱伏碳酸鹽巖，且多呈緊閉型褶皺，厚度均不大。巖溶較發(fā)育的地層多位于二疊系中統(tǒng)棲霞組、石炭系上統(tǒng)黃龍組和三疊系下統(tǒng)大冶組。武漢市碳覆蓋酸鹽巖被第四系沉積物覆蓋，覆蓋型巖溶在武漢市分布最為廣泛，溶孔、溶隙較發(fā)育，在斷裂發(fā)育及巖層分成界面處溶洞十分發(fā)育。巖溶發(fā)育的深度從基巖面直至100m以內(nèi)，最深者達(dá)127.5m；其間可劃分為3～5個(gè)溶洞層，每層溶洞高度0.5～10.0m；局部巖溶連通性較好，特別是碳酸巖鹽和碎屑巖的不整合接觸部位。當(dāng)碳酸鹽巖上覆第四系松散砂土，且碳酸鹽巖與土層接觸面附近地下水動(dòng)力條件發(fā)生改變時(shí)，易造成巖溶地面塌陷。后者碳酸鹽類巖層之上有新近系、白堊-古近系巖層覆蓋，通常地表巖溶現(xiàn)象不發(fā)育[2]。

根據(jù)已有的相關(guān)地質(zhì)資料，結(jié)合褶皺構(gòu)造發(fā)育特點(diǎn)，可將武漢地區(qū)碳酸鹽巖劃分出6條碳酸鹽巖條帶，即：天興洲條帶、大橋條帶、白沙洲條帶、沌口條帶、軍山條帶和漢南條帶(圖1)[3]。

1.高危險(xiǎn)區(qū)； 2.中等危險(xiǎn)區(qū)； 3.低危險(xiǎn)區(qū)； 4.非碳酸鹽巖區(qū)；L1.天興洲條帶； L2.大橋條帶； L3.白沙洲條帶； L4.沌口條帶； L5.軍山條帶； L6.漢南條帶圖1 武漢地區(qū)碳酸鹽巖條帶分布圖Figure 1 Distribution of carbonate rock belts in Wuhan City

2.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)地質(zhì)特征

試驗(yàn)場(chǎng)地位于武漢市江夏區(qū)大橋新區(qū)豹山還建小區(qū)，場(chǎng)地地勢(shì)略有起伏，地面標(biāo)高26.45～31.51m，地面最大高差約5.06m，地貌單元屬長(zhǎng)江Ⅲ級(jí)階地。

2.2.1 地層

根據(jù)鉆探揭露，場(chǎng)區(qū)在勘察深度范圍內(nèi)覆蓋層主要為人工填土及第四系黏性土層，基巖為三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r?；?guī)r(T1d)為灰色，微晶結(jié)構(gòu)，薄-中厚層狀，中等風(fēng)化。巖石節(jié)理、裂隙較發(fā)育，節(jié)理、裂隙面為方解石充填，巖芯較完整，呈柱狀，巖芯采取率約90%，RQD為85%。屬較硬巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

2.2.2 試驗(yàn)區(qū)地下水條件

該場(chǎng)地地下水類型為上層滯水和巖溶裂隙水。上層滯水賦存于表層填土中，其主要補(bǔ)給來源為大氣降水。勘察期間大部分地段為干孔，僅在少數(shù)低洼地段測(cè)得上層滯水穩(wěn)定水位為地面下0.9～2.4m，對(duì)應(yīng)的標(biāo)高為26.08～28.21m。

巖溶裂隙水賦存于下部灰?guī)r巖溶裂隙中，由于勘探過程中溶洞被軟～可塑狀黏土充填，未測(cè)得巖溶裂隙水水位。

2.2.3 巖溶發(fā)育規(guī)律

根據(jù)實(shí)際地理位置劃分，大橋新區(qū)豹山還建小區(qū)位于沌口條帶。該條帶(L4)西起后官湖兩岸，往東延伸至沌口，過長(zhǎng)江后往東延伸至紅鞋湖。由沌口-流芳嶺復(fù)式向斜的次級(jí)向斜核部及兩翼的碳酸鹽巖構(gòu)成。在長(zhǎng)江兩岸附近缺失。長(zhǎng)約56km，寬3.2～15km，面積約541.3km2。

從碳酸鹽巖分布情況劃分，場(chǎng)地屬于覆蓋性巖溶，溶孔、溶隙較發(fā)育，在斷裂發(fā)育及巖層分成界面處溶洞十分發(fā)育。從上覆層類型及特點(diǎn)劃分，場(chǎng)區(qū)為黏土層類型。從地層結(jié)構(gòu)劃分，上部為厚層的黏土層，下部為碳酸鹽巖組。由于地下水長(zhǎng)期頻繁作用，在黏土層中可能存在土洞，場(chǎng)地內(nèi)部分鉆孔已揭露。巖溶發(fā)育深度大多位于距離地表35m以淺深度，巖溶規(guī)模從0.4～9.7m不等，偶見雙層溶洞發(fā)育，場(chǎng)地內(nèi)溶洞多為被泥、黏土充填。在93個(gè)灰?guī)r鉆孔中見洞率為12.9%，且相鄰鉆孔灰?guī)r面起伏較大，該場(chǎng)地巖溶發(fā)育程度為中等發(fā)育。場(chǎng)地巖溶發(fā)育情況與沌口條帶巖溶發(fā)育規(guī)律一致。

3 綜合物探技術(shù)應(yīng)用研究

3.1 試驗(yàn)區(qū)地球物理特征

第四系黏土層電阻率為幾十Ω·m，縱波波速為1 200～2 500m/s，橫波波速為250 m/s左右?；?guī)r電阻率一般在幾百Ω·m以上，縱波波速為2 500～6 100m/s,橫波波速為1 400～3 500m/s?？梢?，場(chǎng)地內(nèi)覆蓋層與三疊系下統(tǒng)大冶組灰?guī)r界面存在明顯的電性、波阻抗差異。當(dāng)灰?guī)r中有溶洞發(fā)育時(shí)，而溶洞多被泥、黏土充填，溶洞中的充填物與大冶灰?guī)r之間具有明顯的電性差異；溶洞軟弱充填物與灰?guī)r的接觸面之間具有明顯的波阻抗差異，在兩者的分界面上易形成地震波繞射，呈現(xiàn)雙曲線異常或在溶洞底部與灰?guī)r相接觸的分界面上形成強(qiáng)反射同相軸。因此，選擇電磁法及地震等勘探手段進(jìn)行綜合勘探，具備地球物理勘探的前提條件，理論上可有效辨別場(chǎng)地內(nèi)巖溶的異常特征。

3.2 方案設(shè)計(jì)

本次研究采用了高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、超淺層瞬變電磁、陸地聲吶、地震勘探以及井間CT六大類方法。各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)詳見表1[28]。

表1 常用淺層巖溶物探技術(shù)

續(xù)表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)條件共設(shè)計(jì)了6條工作測(cè)線，L1號(hào)～L4號(hào)測(cè)線為本次試驗(yàn)工作的主要測(cè)線，如圖2所示。其中L4號(hào)測(cè)線穿過鉆孔ZK3-116、ZK3-158,ZK3-116在22.7～33.2m處揭露溶洞, ZK3-158在深度22.9～29.7m處揭露土洞;L1、L3測(cè)線位于硬化地面。

圖2 1號(hào)～6號(hào)測(cè)線布置圖Figure 2 Layout of prospecting line Nos.1～6

3.3 有效性分析

為了驗(yàn)證各物探技術(shù)方法在巖溶地區(qū)巖溶探測(cè)中的有效性，收集該地區(qū)鉆探資料，與本次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。其中2號(hào)測(cè)線和4號(hào)測(cè)線在試驗(yàn)前已進(jìn)行超前鉆探勘察，鉆孔包括ZK3-116，ZK3-140和ZK3-158。各物探方法解譯成果與驗(yàn)證結(jié)果如表2所示：

表2 物探解譯成果與驗(yàn)證情況表

高密度電法對(duì)ZK3-116溶洞、ZK3-158土洞異常均有反映，但高密度電法存在體積效應(yīng)，對(duì)勘探精度產(chǎn)生影響。

地質(zhì)雷達(dá)法采用不同的天線頻率進(jìn)行巖溶探測(cè)，結(jié)果表明此方法能夠快速有效的確定溶洞的空間分布范圍，但是探測(cè)深度與精度呈現(xiàn)出一種對(duì)立關(guān)系，頻率越高時(shí)，探測(cè)深度較淺，精度較高；頻率越低時(shí)，其探測(cè)深度較深，精度較低。

相比較傳統(tǒng)的瞬變電磁法，超淺層瞬變電磁法消除了一次場(chǎng)影響，減小了淺部探測(cè)盲區(qū)；收發(fā)裝置一體化且收發(fā)線圈為固定的微線圈，既保證了場(chǎng)源的一致性，也使野外工作更便捷，工作效率高。探測(cè)實(shí)例分析發(fā)現(xiàn)超淺層瞬變電磁法在淺層工程勘察中應(yīng)用效果較好，分辨率較高。

本次試驗(yàn)陸地聲吶法雖然圈定的溶洞較多，但與驗(yàn)證的鉆孔資料的吻合度較低。在淺層200m范圍內(nèi)應(yīng)用此方法可對(duì)土洞、溶洞、斷層作精細(xì)探查，分辨率可達(dá)1m；具有不受常規(guī)干擾、可在狹小空間布置測(cè)線等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

可控震源激發(fā)下的橫波勘探效果較好，橫波反射波比較發(fā)育，信噪比較高，地質(zhì)現(xiàn)象反映明顯?？v波受淺層折射及深部灰?guī)r速度高，分層不明顯等影響，信噪比較低，淺部盲區(qū)較大，無法得到基巖界面。

由于孔內(nèi)塌陷導(dǎo)致兩個(gè)剖面檢測(cè)深度不夠，井間CT方法探測(cè)成果無法進(jìn)行相互驗(yàn)證。但剖面成果與鉆孔資料對(duì)比基本吻合，具有較高的精度和準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論

本次研究獲得了大量寶貴的巖溶專項(xiàng)試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)。研究成果表明，高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法、超淺層瞬變、地震橫波及微動(dòng)、孔中彈性波及電磁波CT在本次武漢巖溶探測(cè)專項(xiàng)探測(cè)中，均有一定的效果：可控震源激發(fā)下的橫波勘探效果較好，縱波對(duì)于發(fā)育較淺溶洞準(zhǔn)確率偏低；超淺層瞬變電磁法對(duì)界面反映較好；地質(zhì)雷達(dá)也有一定的效果；高密度電法成果中的巖溶反映較為明顯，但場(chǎng)地對(duì)該方法有一定的影響；在具備實(shí)施條件的前提下，孔中CT方法也是較為有效的巖溶探測(cè)手段。

在實(shí)際工作中，針對(duì)不同地區(qū)、不同埋深，可以采用不同的方法組合。

①在干擾較小、且具備陣列勘探方法實(shí)施條件的場(chǎng)地，當(dāng)巖溶發(fā)育埋深較大，對(duì)精度有較高要求時(shí)，可考慮采用可控震源激發(fā)的高密度橫波地震勘探；若巖溶發(fā)育較淺，不大于30m時(shí)，可以高密度電法勘探、地震面波實(shí)施綜合勘探，建議采用較小道間距實(shí)施勘探；若巖溶埋藏深度較小，可考慮同時(shí)采用地質(zhì)雷達(dá)法，宜采用50M、100MHz非屏蔽天線實(shí)施勘探；如果現(xiàn)場(chǎng)已實(shí)施勘察工作，且鉆孔保存較好未塌孔，可以實(shí)施孔中彈性波CT、孔中電磁波CT方法實(shí)施更進(jìn)一步的探測(cè)；

②在干擾較小、不具備陣列勘探方法實(shí)施條件的場(chǎng)地，可以超淺層瞬變電磁法勘探為主，可考慮同時(shí)采用地質(zhì)雷達(dá)法查明淺部異常發(fā)育情況，宜采用50、100MHz非屏蔽天線實(shí)施勘探；若工作場(chǎng)地存在實(shí)施勘察工作之鉆孔，且鉆孔保存較好未塌孔，可以實(shí)施孔中彈性波CT、孔中電磁波CT，實(shí)施更進(jìn)一步的探測(cè)；

③在人文、電磁干擾較為強(qiáng)烈的場(chǎng)地，可考慮采用可控震源激發(fā)的高密度橫波地震、面波地震勘探結(jié)合高密度電法勘探實(shí)施綜合勘探，建議采用較小道間距實(shí)施勘探；若通過試驗(yàn)工作，地質(zhì)雷達(dá)可采取到有效信號(hào)，亦可采用地質(zhì)雷達(dá)勘探，宜采用屏蔽天線；如果現(xiàn)場(chǎng)有未坍塌的勘查工作鉆孔，可以實(shí)施孔中彈性波CT、孔中電磁波CT方法實(shí)施更進(jìn)一步的探測(cè)；

④工作場(chǎng)地臨近交通繁忙區(qū)域或場(chǎng)地存在大型震動(dòng)干擾源時(shí)，可考慮錯(cuò)峰、夜間工作，采用可控震源激發(fā)的高密度橫波地震、面波地震勘探結(jié)合高密度電法勘探實(shí)施綜合勘探，建議采用較小道間距實(shí)施勘探；若震動(dòng)干擾強(qiáng)烈，且難以在數(shù)據(jù)采集工作中消除，可考慮實(shí)施地震微動(dòng)勘探，根據(jù)地質(zhì)任務(wù)、場(chǎng)地條件、目的層深度，合理設(shè)計(jì)有效的微動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣；

⑤工作場(chǎng)地已硬化(水泥、柏油、基巖出露等)，可考慮采用超淺層瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)實(shí)施目的層較淺的巖溶發(fā)育探測(cè)工作；若巖溶發(fā)育深度較大，可考慮采用可控震源激發(fā)的高密度橫波地震勘探，配合使用本次研究工作研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的對(duì)地強(qiáng)耦合檢波系統(tǒng)，以提高接地條件差、工效低區(qū)域中巖溶探測(cè)的精度；

⑥若工作場(chǎng)地為淺水域，在勘探區(qū)域臨岸、水深較淺時(shí)，可考慮使用超淺層瞬變電磁法實(shí)施探測(cè)，搭載充氣皮筏、小型無人船實(shí)施探測(cè)。