綜合物探在巖溶勘察中的應(yīng)用分析

黃建權(quán)，李明陸，粟超良，李坤鵬

(湖南省地球物理地球化學(xué)勘查院，湖南 長(zhǎng)沙 410116)

1 引 言

巖溶主要發(fā)育在碳酸鹽地區(qū)，屬于化學(xué)溶蝕，巖溶作用的條件可歸納為以下四點(diǎn)：巖石可溶蝕性，巖石中裂隙發(fā)育，地下水的溶蝕力以及流動(dòng)性，地下水將上覆土體，通過裂隙帶走，在土體掏空形成土洞。康彥仁[1,2]對(duì)巖溶地面塌陷形成條件和類型進(jìn)行總結(jié)，得出巖溶地區(qū)土洞的形成，需具備三個(gè)條件，研究巖溶塌陷的形成條件將有助于搞清它的形成機(jī)理，為塌陷的預(yù)測(cè)、防治提供科學(xué)依據(jù)；胡曉光[3]探索了地質(zhì)雷達(dá)在工程地質(zhì)勘察中探測(cè)土洞的應(yīng)用效果，具有勘察精度高、勘探費(fèi)用低、施工速度快、野外工作方法靈活、方便等優(yōu)點(diǎn)；賈龍等[4]將地面和孔中地質(zhì)雷達(dá)聯(lián)合來(lái)探測(cè)覆蓋巖溶塌陷隱患，地面地質(zhì)雷達(dá)可定位淺表土洞，井中雷達(dá)可彌補(bǔ)地面雷達(dá)探測(cè)深度的不足；劉云禎等[5]指出多道面波采集系統(tǒng)在發(fā)展瞬態(tài)面波法方面的關(guān)鍵作用；李凱[6]較全面地分析了多道面波分析法，分析主動(dòng)源和被動(dòng)源面波可確定橫波速度結(jié)果；王紅兵[7]對(duì)高密度電法裝置類型、數(shù)據(jù)采集和室內(nèi)資料整理進(jìn)行探討分析；朱紫祥等[8]介紹了高密度電法在大型巖溶調(diào)查中的應(yīng)用，在已知空溶洞上方布置實(shí)驗(yàn)剖面，基本查明了溶洞走向、大小、埋深，為旅游開發(fā)提供重要的參考價(jià)值。以上均為單一物探方法在巖溶地區(qū)的調(diào)查研究，根據(jù)場(chǎng)地條件和探測(cè)目的，綜合物探[9-11]能更準(zhǔn)確地探測(cè)不良地質(zhì)體，為工程建設(shè)提供服務(wù)。

調(diào)查場(chǎng)地位于永州市藍(lán)山縣某擬建的示范性中學(xué)，場(chǎng)地原為丘陵、稻田，南側(cè)及東側(cè)為稻田、北側(cè)為低矮丘陵，場(chǎng)地已經(jīng)平整，場(chǎng)地北邊民房旁和東邊豬圈旁地表有小規(guī)模地面塌陷現(xiàn)象，局部區(qū)域曾有較嚴(yán)重的塌陷史。場(chǎng)地在前期地質(zhì)測(cè)繪和調(diào)查中局部揭露了溶洞、土洞等不良地質(zhì)體。

為了進(jìn)一步查明教學(xué)樓、藝術(shù)樓、實(shí)驗(yàn)樓、圖文信息中心、公租房等建筑物地基下隱伏土洞、溶洞，選用地質(zhì)雷達(dá)和瞬態(tài)面波組合物探方法探測(cè)隱伏土洞，選用高密度電法探測(cè)溶洞洞隙。因此，采用綜合物探方法為巖溶地區(qū)提供基礎(chǔ)資料，為下一步勘察、治理提供科學(xué)的依據(jù)。

2 地質(zhì)概況

2.1 地層巖性

場(chǎng)地巖土介質(zhì)由上至下依次為：

1)耕植土，主要由黏性土組成，含大量植物根系，垂直裂隙發(fā)育，可塑，全場(chǎng)分布；

2)粉質(zhì)黏土，可塑-硬塑狀，局部區(qū)域呈流塑狀，含少量的鐵錳質(zhì)，偶見卵石，卵石含量20 %～25 %，全場(chǎng)分布；

3)紅黏土，以原生紅黏土為主，偶含卵石，粒徑10～20 mm不等，隨孔深增加該層狀態(tài)變軟，土洞主要分布在此層；

4)灰?guī)r，見有節(jié)理、裂隙，裂面為鈣質(zhì)膠結(jié)，巖石完整程度為破碎。

2.2 水文地質(zhì)

場(chǎng)地地下水類型主要為上層滯水和基巖裂隙水：

1)上層滯水：存在與耕植土中，主要補(bǔ)給來(lái)源于大氣降水，其水位受大氣降水影響較大，隨季節(jié)變化，地表以下0.15～5.4 m處；

2)隔水帶：粉質(zhì)黏土層和紅黏土層為相對(duì)的隔水層；

3)基巖裂隙水：賦存于基巖層風(fēng)化裂隙中，主要補(bǔ)給來(lái)源為相鄰地下水的側(cè)向補(bǔ)給。

3 巖石的電性特征

根據(jù)巖土體的物性經(jīng)驗(yàn)資料(表1)，不良地質(zhì)體與圍巖的物性分析如下：

表1 巖土介質(zhì)的電性特征

1)石灰?guī)r層視電阻率達(dá)3×102～104Ω·m，灰?guī)r上覆黏土層電阻率10～103Ω·m，巖溶及裂隙發(fā)育的灰?guī)r電阻率1～103Ω·m，粉質(zhì)黏土、巖溶與灰?guī)r的電性差異明顯。

2)黏土層介電常數(shù)8～15，土洞充填空氣時(shí)為介電常數(shù)值為1，充填水時(shí)介電常數(shù)為81，土洞與圍巖的介電常數(shù)差異明顯。

3)黏土層波速100～500 m/s，下伏軟黏土波速小于300 m/s，灰?guī)r的波速大于1 000 m/s，土洞中空氣的橫波速度為0，軟土和土洞與圍巖的波速差異明顯。

綜上所述，不良地質(zhì)體與圍巖物性差異明顯，具備地球物理工作的前提條件。

4 工作方法及測(cè)線布置

4.1 工作方法

4.1.1 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)[12]是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)，由發(fā)射天線T發(fā)出，高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式，通過地面進(jìn)入地下，經(jīng)地下巖土介質(zhì)發(fā)射后返回地面，被接收天線R接收。并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算處理、解釋、成圖，得到地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的顯示圖象和深度資料。

采用瑞典MALA公司生產(chǎn)的RAMAC/GPR型地質(zhì)雷達(dá)，地質(zhì)雷達(dá)采用連續(xù)測(cè)量模式，選用100 MHz shielded模式，采樣頻率941.3 MHz，時(shí)間窗口為261.3 ms。

4.1.2 瞬態(tài)面波

面波[13-19]勘探是利用面波的頻散特性研究近地表地層巖石物性的一種新的工程地震勘探方法。以巖土介質(zhì)的波速差異為基礎(chǔ)，利用面波的三個(gè)特性：分層地層中面波具有頻散特性，即不同頻率的傳播速度不同；面波的穿透深度大約一個(gè)波長(zhǎng)，不同波長(zhǎng)勘探深度不同；面波的傳播波速與橫波速度相關(guān)。研究人工震源激發(fā)產(chǎn)生多種頻率成分的面波，通過地震儀記錄個(gè)測(cè)點(diǎn)上的地震記錄，通過計(jì)算求得的頻散曲線，通過頻散曲線的反演，獲得橫波速度和深度剖面。

采用的GEODE多功能地震儀測(cè)量系統(tǒng)，采用點(diǎn)測(cè)量模式，選用錘子震源，偏移距9 m，道間距1 m，點(diǎn)距3 m，12道檢波器，時(shí)間窗口為300 ms。

4.1.3 高密度電法

高密度電阻率法[20-23]是一種陣列式直流電勘探方法。該方法以巖土介質(zhì)的電性差異為基礎(chǔ)，研究人工施加穩(wěn)定的電流場(chǎng)后地下傳導(dǎo)電法的分布規(guī)律。野外測(cè)量時(shí)只需將全部電極(幾十至上百根)置于觀測(cè)剖面的各測(cè)點(diǎn)上，利用程控電極轉(zhuǎn)換裝置和微機(jī)工程電測(cè)儀，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集。當(dāng)將測(cè)量結(jié)果送入微機(jī)后，還可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果。

采用的重慶地質(zhì)儀器廠的DUK-2B型高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)，采用溫施剖面裝置，測(cè)點(diǎn)距離5～6 m，觀測(cè)18層數(shù)據(jù)。

4.2 測(cè)線布置

測(cè)線沿各建筑物條形基礎(chǔ)布設(shè)，選取教學(xué)樓和圖文信息中心進(jìn)行綜合分析。詳見圖1。

1)高密度電法布設(shè)2條測(cè)線14和24線，14線東西向布置，24線南北向布置。

2)地質(zhì)雷達(dá)布設(shè)2條測(cè)線L2-1和L2-2線，測(cè)線東西布置，向沿教學(xué)樓條形基礎(chǔ)兩側(cè)布置測(cè)線，測(cè)線相距1.5 m。

3)瞬態(tài)面波布設(shè)2條測(cè)線JXL2和TW10線，測(cè)線東西布置。

地質(zhì)雷達(dá)L2-1線、瞬態(tài)面波JXL2線以及高密度電法14線在同一條測(cè)線上，作為綜合物探剖面，研究不同方法在巖溶勘察中的作用。

圖1 綜合物探方法測(cè)線布置Fig.1 Survey line layout of integrated geophysical prospecting method

5 綜合地質(zhì)解釋

5.1 土洞和軟土地質(zhì)解釋

土洞、軟土發(fā)育在土體中，地質(zhì)雷達(dá)重點(diǎn)研究反射能量強(qiáng)，有弧形反射，同相軸連續(xù)性等異常特征。圖2是L2-2線綜合地質(zhì)剖面推斷圖，已知教學(xué)樓的條形基礎(chǔ)開挖深度3～3.5 m，在剖面35～80 m為填土整平，剖面成果與開挖揭露吻合，詳見表2。

圖2 L2-2線綜合地質(zhì)剖面推斷Fig.2 Comprehensive geological section of line L2-2

表2 L2-2線地質(zhì)雷達(dá)剖面及地質(zhì)推斷驗(yàn)證情況

瞬態(tài)面波重點(diǎn)研究高速畸變相對(duì)低速異常、相對(duì)低速異常、低速圈閉異常。圖3是TW10線綜合地質(zhì)剖面推斷圖，共發(fā)現(xiàn)五處異常，詳見表3，依次分析如下：

圖3 TW10線綜合地質(zhì)剖面推斷Fig.3 Comprehensive geological section of line TW10

1)剖面0～12 m，頂?shù)茁裆?～4 m為低速區(qū)，波速150～300 m/s，推斷為軟土，經(jīng)鉆孔TW10-1驗(yàn)證，剖面3 m處，頂?shù)茁裆?～3.2 m為軟土；

2)剖面12～15 m，頂?shù)茁裆?～11 m為相對(duì)高速畸變成相對(duì)低速，推斷為土洞；

3)剖面21～33 m，頂?shù)茁裆?～12 m為相對(duì)高速畸變成相對(duì)低速，推斷為土洞，經(jīng)鉆孔TW10-2驗(yàn)證，剖面24 m處，揭露頂?shù)茁裆?.8～12 m的土洞；

4)剖面30～51 m，頂?shù)茁裆?～8 m，上下兩側(cè)存在速度畸變界面，推斷為軟土；

5)剖面36～42 m，頂?shù)茁裆?～7 m低速圈閉異常，推斷為土洞。

表3 TW10線瞬態(tài)面波剖面及地質(zhì)推斷驗(yàn)證情況

5.2 巖洞地質(zhì)解釋

巖溶等不良地質(zhì)體巖溶賦存于灰?guī)r中，地下水埋深淺，地質(zhì)調(diào)查揭露溶洞里充填軟土，因此，高密度電法重點(diǎn)研究高電阻率畸變成相對(duì)低電阻率、條帶狀低阻或低阻圈閉異常。

圖4是24線綜合地質(zhì)剖面推斷圖，在剖面264～288，邊界高電阻率-低電阻率畸變，中間呈“漏斗形”相對(duì)低阻異常，推斷巖洞、溶槽，在276 m處，經(jīng)鉆探驗(yàn)證揭露溶洞，為了進(jìn)一步控制溶洞規(guī)模，在270 m處補(bǔ)充鉆探工作，詳見表4。

表4 24線高密度電法剖面及地質(zhì)推斷驗(yàn)證情況

圖4 24線綜合地質(zhì)剖面推斷Fig.4 Comprehensive geological section of line 24

5.3 綜合物探地質(zhì)解釋

地質(zhì)雷達(dá)L2-1測(cè)線發(fā)現(xiàn)5處異常，推斷4處土洞，1處軟土，經(jīng)條形基礎(chǔ)開挖驗(yàn)證，結(jié)果互相吻合；瞬態(tài)面波JXL-2線，共發(fā)現(xiàn)4處異常，3處推斷為土洞，1處推斷為軟土，在剖面54 m處，前期勘察孔ZK93揭露土洞，其他異常未驗(yàn)證。高密度電法14測(cè)線，共發(fā)現(xiàn)兩處高電阻率畸變成相對(duì)低電阻率，呈“V”字型，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證揭露溶洞或溶槽，詳見圖5。

圖5 綜合物探方法地質(zhì)剖面推斷Fig.5 The geological profile inference map of comprehensive geophysical method

綜上所述，地質(zhì)雷達(dá)和瞬態(tài)面波能快速揭露土洞或軟土的位置及埋深，高密度電法揭露溶洞、溶槽等。但相同的不良地質(zhì)體，物探異常的表現(xiàn)形式可能不同，因此，結(jié)合地質(zhì)先驗(yàn)信息，提高綜合物探在巖溶勘察中的應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié) 論

綜合物探方法探測(cè)溶洞或土洞是有效可行的，場(chǎng)地圈定的不良地質(zhì)體，大部分得到鉆探或開挖驗(yàn)證，通過以上應(yīng)用研究獲得以下認(rèn)識(shí)：

1)在土洞發(fā)育的平面范圍，往往在相應(yīng)范圍內(nèi)，其巖溶也較發(fā)育，連通性好，為土體運(yùn)移提供通道。

2)相同的不良地質(zhì)體展布、賦存形式或填充物不同，物探異常也隨著改變，物探解釋充分利用已知地質(zhì)信息，標(biāo)定不同地質(zhì)體的物探異常特征，提高綜合地質(zhì)推斷的準(zhǔn)確性。

3)地質(zhì)雷達(dá)和瞬態(tài)面波能快速圈出土層里軟土層或土洞的位置及埋深，地質(zhì)雷達(dá)淺地表分辨率高，探測(cè)深度受限，瞬態(tài)面波可較好地彌補(bǔ)地質(zhì)雷達(dá)的不足，高密度電法能查明第四系覆蓋層、巖溶發(fā)育特征。

綜上所述，地質(zhì)雷達(dá)、瞬態(tài)面波和高密度電法等綜合物探方法在巖溶地區(qū)能快速查明不良地質(zhì)空間展布，為地基處理和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。