利用高密度電法查找地下溶洞

（福建省121地質(zhì)大隊 福建龍巖 364021）

龍巖市新羅區(qū)某自然村多處出現(xiàn)地層下陷等現(xiàn)象，村民恐慌，委托我單位查明情況。我單位根據(jù)工作區(qū)的地質(zhì)條件，其物探工作擬采用高密度電阻率法進行勘探，探測深度要求為60m。目的為通過本次電法勘探，初步查明該村及其周邊范圍內(nèi)地層的電性分布情況，大致查明測區(qū)內(nèi)可能存在的斷裂破碎帶、溶洞及其范圍，為下一步開展工作提供依據(jù)。

1 方法原理

高密度電法是20世紀80年代才發(fā)展起來的1種新型陣列勘探方法，實質(zhì)上屬直流電阻率法，其基本原理與直流電阻率法相同。直流電阻率法將直流電流通過電極接地供入地下，建立穩(wěn)定的人工電場，在地表觀測記錄某點垂直方向（電測深法）或沿某一測線的水平方向（電剖面法）的電阻率變化，從而了解巖土介質(zhì)的分布或地質(zhì)構(gòu)造特點的方法。

高密度電法基于靜電場理論，是以探測目標體的電性差異為前提進行的。該方法是在測線上同時布置多個電極，通過電極轉(zhuǎn)換裝置，組合成指定的電極裝置，進而實現(xiàn)多電極距在觀測剖面的多個測點上的視電阻率觀測，具有電阻率剖面法和測深法雙重作用。該方法采集數(shù)據(jù)信息量大，可進行層析成象計算，成圖直觀，可視性強，采集裝置種類多，儀器輕便，廣泛應(yīng)用于金屬與非金屬礦產(chǎn)資源勘探、城市物探、鐵道橋梁勘探等方面，亦用于尋找地下水、確定水庫壩基和防洪大堤隱患位置等水文、工程地質(zhì)勘探中。

2 裝置選擇

為解決不同的地質(zhì)問題，常采用不同的電極排列形式和移動方式（裝置參數(shù)）。裝置參數(shù)是1種組合式跑極剖面裝置，系統(tǒng)根據(jù)跑極方式可分為16種測量裝置。在實際工作中，必須有針對性的根據(jù)不同的地質(zhì)任務(wù)來選擇個別裝置進行數(shù)據(jù)采集，以達到最佳的勘探效果，常用的裝置是溫納排列。

3 裝置、參數(shù)選擇試驗

根據(jù)實際情況及任務(wù)要求，本次工作測點距10m，勘探深度要求達到60m。由于本次使用的高密度電纜電極距正好為10m，所以沒有針對每個高密度測點進行測量，高密度測點以測量工作完成的30m點距的測點為基礎(chǔ)，將高密度電纜拉直來確定其它測點位置。

根據(jù)以往經(jīng)驗，溫納排列裝置與可控源音頻大地電磁測深法反映的地層電性特征較為接近，且重復(fù)觀測的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，因此決定選擇溫納排列裝置進行數(shù)據(jù)采集。由于勘探深度要求為60m，理論上只用采集12層數(shù)據(jù)即可滿足深度要求，但為了獲得更豐富的地層電性數(shù)據(jù)，實際采集時測量20層的數(shù)據(jù)，最大勘探深度超過100m。

4 高密度電法成果與鉆探結(jié)果對比分析

（1）高密度電法分辨率。高密度電法的分辨率與極距有關(guān)，極距越小，分辨率越高，但勘探深度卻越小。而極距又與測量時采用的點距相關(guān)，點距越小，同一層的極距相應(yīng)地越小。因此理論上高密度電法的橫向分辨率與點距相當，縱向分辨率則與反演時采取的參數(shù)相關(guān)，但一般來講淺部對應(yīng)的極距較小，縱向分辨率較高，深部對應(yīng)的極距較大，縱向分辨率較低。

本次高密度電法點距為10m，理論上橫向分辨率最小只能達到10m左右，從反演結(jié)果看，最淺部的縱向分辨率為1.25m，到達十幾m深時分辨率接近6m，到達30m深時分辨率在7m左右，到達100m深時分辨率在13m左右。

（2）鉆孔揭露溶洞情況。本區(qū)已竣工的鉆孔為19個，分別命名為ZK1～ZK19。19個鉆孔有7個揭露到溶洞：ZK3、ZK5、ZK8、ZK11、ZK16、ZK17 和 ZK19，揭露的溶洞情況見表 1。

表1 某自然村鉆探揭露溶洞情況一覽表

從鉆探揭露情況看，雖然所有溶洞均充水，但含水量多少，是整個溶洞都是水，還是只有半個溶洞有水卻無法得知。

（3）溶洞在高密度電法成果中的反映情況。以G4線高密度電法勘探綜合剖面圖為例，在剖面圖中垂直距離不到1m的鉆孔用紫色實線表示，垂直距離超過1m的鉆孔投影位置用紫色虛線表示。詳見圖1。

ZK17：位于G4線距離345m位置偏東，與G4線垂直距離1m左右，溶洞厚度為10.6m，深度在20m上下，理論上按高密度電法在相應(yīng)深度的縱向分辨率（6～7m）可以探測到，在G4線相應(yīng)位置有明顯的電性反映，表現(xiàn)為電阻率值在20～200Ω·m的低阻異常。

ZK19：位于G4線距離245m位置偏西，與G4線垂直距離1m左右，溶洞厚度為5.1m，深度在三十幾米，理論上按高密度電法在相應(yīng)深度的縱向分辨率（7m左右）無法探測到，在G4線相應(yīng)位置沒有明顯的電性異常反映。

5 溶洞范圍及異常的推斷

（1）溶洞及各巖土層電性特征分析。從溶洞在高密度電法成果中的反映情況看，ZK3和ZK19溶洞厚度太小，小于高密度電法在相應(yīng)深度的縱向分辨率，ZK17在高密度電法反演剖面上均表現(xiàn)為明顯的低阻異常，且位于灰?guī)r層內(nèi)，與以往勘探中灰?guī)r層充水溶洞應(yīng)有的低阻反映相一致。因此結(jié)合這3個溶洞在高密度電法成果中的反應(yīng)情況推測，本區(qū)充水溶洞應(yīng)該以低阻異常為主要表現(xiàn)。

另外從鉆探揭露的各巖土層在高密度電法反演剖面上的反映情況看，素填土基本上表現(xiàn)為低阻特征；粉質(zhì)粘土表現(xiàn)為低阻至中阻特征；粉砂巖變化范圍較大，表現(xiàn)出低阻到中高阻特征，以中阻異常反映居多；灰?guī)r變化范圍也較大，表現(xiàn)出中低阻到高阻特征，以中高阻異常反映居多。各巖土層的電性特征與其含水量和破碎程度關(guān)系較大，含水量和破碎程度越高電阻率值越低，反之越高。

（2）溶洞范圍的推斷。盡管鉆孔ZK3和ZK19揭露到的溶洞厚度較小，但如果溶洞本身的范圍要比揭露到的厚度大得多，那么受體積效應(yīng)影響，在高密度電法反演剖面中也會有一定反映，因此推測這兩處溶洞的范圍應(yīng)該不會太大。G4線上ZK17溶洞位置有明顯的香蕉狀圈閉低阻異常，且低阻異常中心位于ZK17西南方，因此推測溶洞應(yīng)該有向ZK17西南方延伸。

（3）異常位置的推斷。從前面分析得知本區(qū)溶洞應(yīng)該以低阻異常為主要表現(xiàn)，因此根據(jù)各條測線上低阻異常的反映情況圈定了異常位置。由于本次高密度電法勘探目的主要是查明該村及其周邊范圍內(nèi)60m以淺可能存在的溶洞及其范圍，因此埋藏較深或離村部較遠的低阻異常沒有進行劃分。圈出的低阻異常僅表示在相應(yīng)位置可能出現(xiàn)范圍較大的充水溶洞，小于高密度電法縱向分辨率的溶洞則無法圈定。本次完成的鉆孔并未揭露到不充水的溶洞，而充填物較少或沒有充填物的溶洞從以往勘探經(jīng)驗看應(yīng)該表現(xiàn)為高阻異常，若高阻溶洞圍巖為粉砂巖或灰?guī)r這樣的高阻巖層，則無法有效區(qū)分。因此，本次高密度電法成果只圈定了低阻溶洞異常，并未圈定高阻溶洞異常。至于在圈定的低阻異常位置是否存在溶洞，還需進一步鉆孔驗證。