綜合電法勘探在巖溶勘查中應(yīng)用研究
——以安徽池州市為例

王康東

安徽省勘查技術(shù)院,安徽合肥,230031

巖溶是一種常見的不良地質(zhì)作用，在一定的條件下可能會發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，例如，城市建設(shè)中大量的抽采地下水，可導(dǎo)致土洞的發(fā)展和地面塌陷的發(fā)生，嚴重威脅建設(shè)工程的安全。因此，利用物探方法查清擬建工程場地下方巖溶洞隙的分布、形態(tài)和發(fā)育規(guī)律是十分必要的。

目前常用于巖溶勘察的物探方法主要有高密度電法、瞬變電磁法、淺層地震法、地質(zhì)雷達法[1-3]。淺層地震方法震源一般采用錘擊，探測深度較淺；用炸藥作為震源，成本高且安全沒有保障；城市中人類活動產(chǎn)生的噪聲對采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量影響也比較大[4]。探地雷達探測的精度較高，但是在地下水位較淺的地區(qū)，水位以下探測效果較差，探測深度一般不超過10 m，對場地平整度要求也較高[5-6]。目前，高密度電法在巖溶勘查中應(yīng)用較為廣泛，具有一次可以布設(shè)多個電極和快速的采集數(shù)據(jù)，對復(fù)雜場地抗干擾能力強；缺點是對體積較小的溶洞和覆蓋層較厚的地區(qū)探測效果較差，場地范圍容易限制探測深度[7]。瞬變電磁法不受地形限制，探測深度較深，且可以探測出較小的低阻異常體，但是容易受附近高壓電線和地下管線干擾。因此在城市開展巖溶探測工作，在具有良好的經(jīng)濟效益和保障安全的前提下，如何取得較好的探測效果，是工程技術(shù)人員所急需解決的問題[8-9]。考慮利用高密度電法在城市巖溶勘查中具有較強的抗干擾優(yōu)點和瞬變電磁法具有不受場地范圍限制及探測分辨率較高的優(yōu)點，兩者綜合使用可以提高巖溶勘探結(jié)果的準確性和可靠性，而多方法綜合電法探查巖溶的地球物理勘探研究鮮見報道。以池州市貴池區(qū)某地塊的巖溶勘察為例，選擇了地層電阻率縱向分辨能力較強的高密度電法和地層電阻率橫向分辨能力較強的瞬變電磁法，開展該地塊內(nèi)的巖溶綜合勘查工作。結(jié)合鉆孔驗證，證實了綜合勘查方法在巖溶地區(qū)勘查的實用性和可靠性，該方法適用于類似的巖溶工程地質(zhì)條件的場地勘察。

1 勘查區(qū)概況

1.1 工程概況

研究區(qū)位于池州市，屬于長江中下游沖積平原地區(qū)，中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和，光照充足，四季分明，降水充沛。區(qū)域內(nèi)三疊系殷坑組至南陵湖組等地層巖性以灰?guī)r為主，巖溶較發(fā)育[10]。 勘查地塊位于沿江路與九華山大道交叉口，為本次巖溶勘查重點區(qū)域。據(jù)現(xiàn)有鉆探資料，區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度約30 m，下伏地層是灰?guī)r，地層內(nèi)巖溶發(fā)育。

1.2 地質(zhì)概況

池州大地構(gòu)造上位于揚子地臺東北部，根據(jù)地層、構(gòu)造、巖漿活動的差異，可分別歸屬于三個次級構(gòu)造單元，即東至縣南部為江南臺隆；貴池區(qū)和青陽縣以北為下?lián)P子臺坳；中部為皖南浙臺坳。在地殼運動影響下形成一系列褶皺與斷裂，地層發(fā)育齊全，自太古界至新生界均有出露。池州市內(nèi)印支期、燕山期巖漿活動強烈，導(dǎo)致一系列基底斷裂發(fā)生，頻繁的巖漿侵入活動，形成了以構(gòu)造巖漿巖帶為主干的成巖成礦系列。勘查區(qū)主要地層如圖1a所示，覆蓋層由第四系沖—洪積黏性土、淤泥質(zhì)土、中粗砂、礫砂和砂卵石層構(gòu)成，基巖地層為：①灰、灰白、灰紅色三疊系殷坑組至南陵湖組的角礫狀灰?guī)r，②晚侏羅世的石英閃長巖。探查區(qū)域位于向斜的核部，向斜核部地層為三疊系角礫狀灰?guī)r，且有晚侏羅世的石英閃長巖脈侵入(圖1b)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖及地質(zhì)剖面圖

1.3 地球物理特征

根據(jù)收集的鉆孔資料，研究區(qū)地塊覆蓋層主要為耕植土、淤泥質(zhì)粉土、卵石層等，區(qū)內(nèi)鉆孔旁側(cè)的電測深結(jié)果表明：耕植土和卵石層的電阻率在25～50 Ω·m之間，中間的淤泥質(zhì)粉土電阻率在5～25 Ω·m之間，下伏灰、灰白、灰紅色三疊系角礫狀灰?guī)r電阻率較高，大約分布在50～200 Ω·m之間，巖溶發(fā)育區(qū)域電阻率則小于50 Ω·m。由此可見，不同的地層存在著明顯的電性差異，為該區(qū)高密度電法和瞬變電磁法的應(yīng)用奠定了良好的地球物理基礎(chǔ)。

2 物探工作方法和技術(shù)

2.1 工作原理

(1)高密度電阻率法實質(zhì)上是一種直流電法，一個排列的電極數(shù)可無限擴展，一般為60～120根電極，電極距在1～10 m。布設(shè)完測線后由電腦控制采集，采集效率相當高，而且電極裝置形式多樣，通過簡單設(shè)置可獲得多種電極組合方式，并兼有測深和剖面測量的雙重功能，信息量大，縱橫向分辨率較高，野外施工方便，速度快。數(shù)據(jù)處理軟件成熟，采集的數(shù)據(jù)可在現(xiàn)場處理，及時指導(dǎo)野外生產(chǎn)。

(2)瞬變電磁法是在導(dǎo)電率為σ、磁導(dǎo)率為μ0的均勻各向同性大地表面鋪設(shè)面積為S的矩形發(fā)射回線，在回線中供以階躍脈沖電流Ⅰ(t)。在電流斷開之前，發(fā)射電流在回線周圍的大地和空間中建立起一個穩(wěn)定的磁場。在t=0時刻，將電流突然斷開，由該電流產(chǎn)生的磁場也立即消失。一次磁場的這一劇烈變化在地下感應(yīng)產(chǎn)生渦流場，渦流場在大地中激發(fā)出感應(yīng)電流產(chǎn)生二次磁場。二次場中包含了地下異常體的電性信息。通過線圈對二次場進行接收，然后進行處理分析可得到地下異常體的信息。

2.2 工作儀器

(1)高密度電法數(shù)據(jù)采集使用深圳市賽盈地脈技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GEOMATIVE GD-10分布式高密度電法系統(tǒng)，其具備發(fā)射功率范圍大、信號精度高、測試功能齊全、野外測試布線簡單輕便等優(yōu)點。

(2)瞬變電磁使用儀器為福州華虹智能科技股份有限公司生產(chǎn)的YCS512瞬變電磁儀，該型瞬變電磁儀對低阻充水區(qū)域反應(yīng)靈敏、體積效應(yīng)小、縱橫向分辨率高，且具有施工方便、快捷、效率高等優(yōu)點。

2.3 測量裝置與數(shù)據(jù)采集處理

(1)高密度電法采用120道，為了滿足0～50 m探深窗口，兼顧淺深部的分辨率，選用2 m的道間距。裝置選用溫納法和三極法等。數(shù)據(jù)處理軟件采用res2dinv軟件。

(2)瞬變電磁法選擇邊長為2 m × 2 m的10匝發(fā)射線圈，等效面積40 m2，接收線圈邊長2 m × 2 m，匝數(shù)為10匝，等效面積40 m2。發(fā)射電流10 A，采樣時窗20 ms，發(fā)射機與接收機之間通過GPS衛(wèi)星同步，測點間距均為2 m。數(shù)據(jù)處理采用IX1D反演軟件。

3 勘探結(jié)果

3.1 勘探剖面電性特征分析

現(xiàn)場探測共布置4條高密度電法測線和15條瞬變電磁法測線，限于篇幅，本文從兩種方法中各選用1條典型測線的探測結(jié)果進行分析。

(1)圖2為高密度電法測試結(jié)果。結(jié)合地層剖面對比可見，該方法對地層的垂向分辨率較高。按照表層耕植土和卵石層的電阻率在25～50 Ω·m、中間的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土小于25 Ω·m、下部灰?guī)r大于50 Ω·m的地層電阻率分布特征，可以較好地分辨出表層的耕植土、淤泥質(zhì)粉土卵石層及下伏角礫狀灰?guī)r界面。另外，在測線的240～260 m之間存在低阻異常，但由于受體積效應(yīng)和低阻覆蓋層等原因，高密度電法測試結(jié)果對于深部小異常的橫向分辨率低，探測效果較差。

圖2 高密度電法電阻率反演圖和地質(zhì)解釋圖

(2)圖3為瞬變電磁法測試結(jié)果，對比地層剖面可以看出，表層土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土電阻率在5～50 Ω·m之間，卵石層電阻率在50～100 Ω·m之間，灰?guī)r在100 Ω·m以上。對比高密度電法測試結(jié)果，可知瞬變電磁實測電阻率較高。另外，瞬變電磁測試結(jié)果中在測線80～90 m附近存在明顯的低阻異常，推斷為巖溶發(fā)育區(qū)，有淤泥等充填物且含水。以上分析表明，相對高密度電法，瞬變電磁方法對地層的橫向分辨率較高。

圖3 瞬變電磁法電阻率反演圖和地質(zhì)解釋圖

3.2 勘探的有效性分析和鉆探驗證

從高密度電法探測結(jié)果可以看出，對于淺部20 m范圍內(nèi)地層巖性電阻率分層較好。但是對于深部地層，由于體積效應(yīng)，電阻率橫向的分辨率不是很大，這與該地區(qū)覆蓋層厚度在30 m左右，地下水位較淺有一定關(guān)系。對于20 m以下地層中較小的溶洞，探測較差。而且測線兩側(cè)下方由于采集裝置的原因，有一定的探測盲區(qū)。

瞬變電磁法是一種電磁探測方法。由于是單點測量，采集方便靈活，不受場地限制，對線圈下方低阻異常體較敏感，電阻率橫向的分辨率較高。對于體積較小的充水溶洞，具有較好的探測效果，可以擬補高密度電法在這方面的不足。但是瞬變電磁探測時，對于周邊的電線和下方的金屬管線產(chǎn)生的異常需要辨別，抗干擾能力較差。

為了進一步驗證高密度電阻和瞬變電磁法資料的可靠性，將工程場地相對應(yīng)物探剖面位置的鉆孔資料與其進行對比分析。高密度電阻率法對應(yīng)的鉆孔剖面揭示5～18 m范圍內(nèi)分布淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，在剖面230～260 m附近地下30 m左右位置巖溶發(fā)育，有掉鉆現(xiàn)象(圖4)，與高密度電法電阻率剖面圖的異常相對應(yīng)，該處淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土的電阻率范圍為16～30 Ω·m，巖溶發(fā)育區(qū)域電阻率小于30 Ω·m。瞬變電磁對應(yīng)的鉆孔剖面揭示在剖面50～100 m附近淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土厚度變厚，在剖面80 m附近地下30 m左右位置巖溶發(fā)育，溶洞內(nèi)有充填物(圖5)，該溶洞由于充水，電阻率小于20 Ω·m，與瞬變電磁電阻率剖面圖的異常一致。

圖4 高密度電法剖面鉆孔驗證聯(lián)合剖面

圖5 瞬變電磁法剖面鉆孔驗證聯(lián)合剖面

這兩條鉆探剖面驗證了溶洞的存在及巖溶發(fā)育范圍。高密度電法和瞬變電磁法結(jié)果與鉆孔資料相一致，說明本次勘探使用高密度電法和瞬變電磁法是有效和可靠的。

4 結(jié) 論

采用高密度電法和瞬變電磁法對池州市巖溶發(fā)育區(qū)進行了綜合探測，并在此基礎(chǔ)上進行了鉆探驗證，獲得了以下認識：

(1)現(xiàn)場探測結(jié)果表明，高密度電阻率法對探測區(qū)地層電阻率的縱向分辨率要高于瞬變電磁方法，而瞬變電磁法對地層電阻率的橫向分辨率要高于高密度電法，兩者綜合應(yīng)用，可以相互補充，體現(xiàn)了綜合物探的優(yōu)越性。

(2)鉆探驗證表明，采用高密度電法和瞬變電磁法對池州市貴池區(qū)某地塊進行綜合探測是有效的和可靠的，該方法適用于類似的巖溶工程地質(zhì)條件的場地勘察。