淺層反射波地震法和高密度電法在道路采空區(qū)勘查中的應(yīng)用研究

李建平,趙俐紅,彭海洋

(1.山東省物化探勘查院,山東 濟(jì)南 221116;2.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590;3.青島地質(zhì)工程勘察院,山東 青島 266000)

1 引 言

采空區(qū)指的是人為挖掘或天然地質(zhì)運(yùn)動(dòng)在地下產(chǎn)生的“空洞”，隨著我國(guó)礦產(chǎn)資源的大規(guī)模開(kāi)采，產(chǎn)生了大量的采空區(qū)，采空區(qū)的存在使上部地層失去支撐和發(fā)生變形，造成地層的沉降和地面塌陷。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有多個(gè)城市發(fā)生過(guò)由采空區(qū)引發(fā)的道路塌陷事故，對(duì)周邊人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重的威脅[1-3]。因此，必須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行有效的治理，這就需要對(duì)采空區(qū)的位置，范圍，深度等進(jìn)行精準(zhǔn)的探測(cè)。

采空區(qū)通常與四周的圍巖間具有較為明顯的波阻抗和電性差異，故淺層反射波地震法和高密度電法是探測(cè)采空區(qū)常用的物探方法。如胡安順等[4]、季凇達(dá)等[5]分別利用淺層反射波地震法進(jìn)行了石膏礦采空區(qū)的調(diào)查，徐紅利等[6]利用淺層反射波地震法完成了公路采空區(qū)的勘查，劉芳等[7]利用高密度電法對(duì)公路下伏的采空區(qū)進(jìn)行了勘查，李樹(shù)軍等[8]利用高密度電法對(duì)淺埋采空區(qū)進(jìn)行了調(diào)查，但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和地球物理資料的多解性，單一物探方法往往會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，彭超[9]、吳曲波等[10]、卓武等[11]、李良泉[12]、贠鵬等[13]將以上兩種方法結(jié)合用于地質(zhì)災(zāi)害的評(píng)價(jià)，獲得了比單一方法更好的效果。本文綜合利用淺層反射波地震法和高密度電法對(duì)道路采空區(qū)進(jìn)行了勘查，并將二者的探測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比解釋和相互驗(yàn)證，準(zhǔn)確地獲得了采空區(qū)的位置和范圍。

2 物探方法簡(jiǎn)介

2.1 淺層反射波地震勘探

淺層反射波地震勘探是利用地下介質(zhì)之間的波阻抗差異，由人工激發(fā)的地震波在地下傳播到達(dá)彈性分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，當(dāng)反射波在介質(zhì)中傳播時(shí)，其傳播路徑、振動(dòng)強(qiáng)度和波形將隨著通過(guò)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)和彈性性質(zhì)的不同而變化，根據(jù)地面上接收到反射波的旅行時(shí)間和速度資料，就能推斷出基巖的深度、起伏、巖性接觸帶、斷裂破碎帶、地下空洞的位置、延伸方向等信息。

淺層反射波地震勘探常采用共反射點(diǎn)多次覆蓋的觀測(cè)系統(tǒng)[14-17]，其工作原理示意如圖 1所示,其特點(diǎn)是把不同激發(fā)點(diǎn)、不同接收點(diǎn)上接收到的來(lái)自同一反射點(diǎn)的地震記錄進(jìn)行疊加，以壓制多次波和隨機(jī)干擾波，提高信噪比[18-20]。

圖1 淺層反射波地震勘探工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of shadow seismic reflection method

2.2 高密度電法勘探

高密度電法是以地殼中巖石的電阻率差異為物性基礎(chǔ)，觀測(cè)和研究人工電場(chǎng)的變化和分布規(guī)律，從而解決地質(zhì)問(wèn)題的一種勘探方法[21-26]。高密度電法集電剖面和電測(cè)深于一體，工作時(shí)將多個(gè)電極同時(shí)排列在測(cè)線上，通過(guò)對(duì)電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器的控制，實(shí)現(xiàn)常規(guī)電阻率法中不同裝置、不同極距的自動(dòng)組合，從而一次布極可測(cè)得多種裝置、多種極距情況下的多種視電阻率參數(shù)。高密度電法野外工作的裝置類(lèi)型包括溫納、偶級(jí)、施倫貝謝、三級(jí)、微分等，圖2為常用的溫納裝置工作原理示意圖。

圖2 溫納裝置工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of Wenner device

3 方法應(yīng)用實(shí)例

3.1 工區(qū)概況

工區(qū)位于萊州市虎頭崖鎮(zhèn)某路段，出露地層由老至新為古元古代粉子山群，新生代第四紀(jì)地層，其中下覆基巖主要為白云質(zhì)大理巖、斜長(zhǎng)角閃巖、黑云變粒巖等，抗壓穩(wěn)定性較好。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以褶皺構(gòu)造為主，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，多表現(xiàn)為順層擠壓、滑動(dòng)及柔性巖石破碎。區(qū)內(nèi)的菱鎂石礦經(jīng)過(guò)長(zhǎng)年開(kāi)采，形成了數(shù)目眾多的采空區(qū)，這些采空區(qū)與圍巖存在明顯的波阻抗、視電阻率等物性差異，具備開(kāi)展淺層反射波地震和高密度電法勘探的前提條件。

圖3 地震反射波記錄Fig.3 Single shot seismic wave reflection record

圖4 綜合物探成果圖1Fig.4 Results map 1 of integrated geophysical method

3.2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集概況

淺層地震勘探采用的是驕鵬公司生產(chǎn)的Miniseis24工程地震儀，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)及場(chǎng)地條件，采用8次覆蓋，單邊放炮的觀測(cè)系統(tǒng)，由錘擊激發(fā)，24道接收，偏移距1 m，道間距5 m，采樣率0.1 ms，記錄長(zhǎng)度400 ms，單點(diǎn)疊加10～15次，共布設(shè)測(cè)線40條，完成勘探點(diǎn)6 960點(diǎn)，單炮地震反射記錄如圖3所示。高密度電法勘探采用的是重慶奔騰公司生產(chǎn)的WGMD-4高密度電法儀，裝置類(lèi)型為溫納排列，電極數(shù)為60個(gè)，電極距2 m，共布設(shè)測(cè)線20條，完成勘探點(diǎn)2 300點(diǎn)。

3.3 資料推斷與解釋

采用淺層地震勘探方法時(shí)，將地震勘探數(shù)據(jù)經(jīng)編輯，預(yù)處理，濾波，疊加，時(shí)深轉(zhuǎn)換處理后得到了地震反射剖面；采用高密度電法勘探時(shí)，將高密度電法數(shù)據(jù)在剔除地表電性不均勻造成的畸變點(diǎn)后利用阻尼最小二乘法進(jìn)行了反演計(jì)算。下文以典型剖面分析兩種方法的應(yīng)用效果。

通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理、比對(duì)與分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆探資料和已有地質(zhì)資料，推斷含有采空區(qū)的高密度電法剖面如圖4(a)、圖5(a)所示；地震勘探剖面圖如圖4(b)、圖5(b)所示。

由圖4(a)可知，在高密度電法測(cè)線的96 m，132 m處有兩處視電阻率低值異常，反演電阻率值為30～60 Ω·m，深度范圍大約12～25 m，推斷為采空區(qū)進(jìn)水后形成的低阻異常；由圖4(b)可知，在地震勘探測(cè)線的32 m，65 m處同相軸不連續(xù)，出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，深度范圍大約15～30 m，推斷為采空區(qū)引起的異常。對(duì)比圖4(a)和圖4(b)可知，兩種方法推斷的采空區(qū)1，2的水平位置和深度范圍基本一致(受場(chǎng)地等客觀條件所限，地震勘探和高密度電法剖面長(zhǎng)度、起終點(diǎn)均不同，地震勘探測(cè)線對(duì)應(yīng)于高密度電法測(cè)線的60～180 m)。經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，1，2均為采空區(qū)，表明兩種方法都準(zhǔn)確地探測(cè)出了采空區(qū)。

圖5 綜合物探成果圖2Fig.5 Results map 2 of integrated geophysical method

由圖5(a)可知，在高密度電法測(cè)線剖面的120 m，142 m，180 m處有三處視電阻率低值異常，反演電阻率值為70～90 Ω·m，深度范圍大約10～20 m，初步推斷為采空區(qū)進(jìn)水后形成的低阻異常；由圖5(b)可知，在地震勘探測(cè)線的23 m，58 m，77 m處同相軸不連續(xù)，出現(xiàn)分叉現(xiàn)象，深度范圍大約12～20 m，推斷為采空區(qū)引起的異常。對(duì)比圖5(a)、圖5(b)可知，高密度電法推斷的采空區(qū)1，2和地震勘探推斷的采空區(qū)2，3能較好地吻合(地震勘探測(cè)線對(duì)應(yīng)于高密度電法測(cè)線的60～180 m)，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證為采空區(qū)。而高密度電法推斷的采空區(qū)3和地震勘探推斷的采空區(qū)1經(jīng)驗(yàn)證為假異常。據(jù)此可知，若推斷出的采空區(qū)能被高密度電法和地震勘探同時(shí)探測(cè)到，則更為準(zhǔn)確。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合工程實(shí)例探討了淺層反射波地震和高密度電法在道路采空區(qū)勘查中的應(yīng)用效果，得出如下結(jié)論：

①采空區(qū)和圍巖即具有波阻抗差異也具有電阻率差異，反射波地震和高密度電法都能較準(zhǔn)確的探測(cè)出采空區(qū)的位置和深度；

②在實(shí)際工作中由于觀測(cè)誤差和各種干擾的存在，反射波地震和高密度電法的探測(cè)結(jié)果都可能產(chǎn)生假異常；

③將反射波地震和高密度電法的探測(cè)資料進(jìn)行綜合解釋推斷，可減少解釋的多解性，提高勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性。