三維高密度電法在城市地下巖溶塌陷區(qū)探測中的應(yīng)用

王 潔

(湖北煤炭地質(zhì)物探測量隊(duì)，湖北 武漢 430200)

1 引 言

巖溶地面塌陷是指覆蓋在溶蝕洞穴之上的松散土體，在外動(dòng)力或人為因素作用下產(chǎn)生的突發(fā)性地面變形破壞，其結(jié)果多形成圓錐形塌陷坑[1]。武漢市所處的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，降雨充沛，加之人類經(jīng)濟(jì)工程活動(dòng)強(qiáng)烈，巖溶地面塌陷、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害時(shí)而發(fā)生，其中巖溶地面塌陷已成為武漢市影響最大、危害性最大的地質(zhì)災(zāi)害類型，嚴(yán)重影響了人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全和城市運(yùn)行秩序。

巖溶探測，對切實(shí)解決工程難題、指導(dǎo)工程實(shí)踐、發(fā)展巖溶地區(qū)工程地質(zhì)研究理論均有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。為查清巖溶的空間分布和隱伏情況，除需開展巖溶及巖溶洞穴發(fā)育規(guī)律的研究外，還應(yīng)輔以地球物理探測等相關(guān)手段，對巖溶發(fā)育進(jìn)行研究[2]。因此，如何提高地下空間巖溶探測有效性及精確性顯得尤為重要。

本文利用三維高密度電法應(yīng)用于武漢某巖溶塌陷區(qū)，結(jié)合其巖溶發(fā)育特征及規(guī)律，實(shí)現(xiàn)巖溶探測成果三維可視化，直觀地展示了目標(biāo)體的走向、空間位置及形態(tài)，取得了較好的應(yīng)用效果。

2 三維高密度電法基本原理

地層結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上相當(dāng)于是一個(gè)復(fù)雜的三維物體，地下各種場的分布均受到來自所有方位的介質(zhì)影響。二維探測無法接收來自波場、磁場、重力場、電場等全空間信息，易產(chǎn)生擴(kuò)展效應(yīng)和旁側(cè)效應(yīng)，導(dǎo)致解譯出現(xiàn)異常、平面定位不準(zhǔn)、深度分辨率不足等問題。

三維高密度電法是在二維高密度電法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新方法，其基本原理與二維高密度電阻率法相似，都是以介質(zhì)導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)，研究在人工施加穩(wěn)定的電流場的作用下，地層中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律[3]。它是在整個(gè)測區(qū)或局部測區(qū)完成一次布極，利用分布式串/并行采集方式，將地下空間剖分成大量的矩形棱柱，通過縮小實(shí)測電阻率與計(jì)算電阻率的差值差異，從而實(shí)現(xiàn)模擬地下實(shí)際情況的過程[4]。與二維高密度電法相比，采用多方向測量，測量的數(shù)據(jù)為一個(gè)三維陣列網(wǎng)格，從而使顯示的地層信息更加豐富立體，更能反映現(xiàn)實(shí)中地下地質(zhì)體的真實(shí)賦存狀態(tài)。

圖1 電場在介質(zhì)中的二維和三維分布示意圖

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 場地地質(zhì)特征

武漢某巖溶塌陷區(qū)位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)下?lián)P子臺(tái)坪的大冶臺(tái)褶帶之梁子湖凹陷西側(cè)的石炭系—二疊系隱伏可溶性碳酸鹽巖條帶。覆蓋層為第四系黏性土、砂土組成的“上土下砂”二元結(jié)構(gòu)，基巖為石炭系—三疊系灰?guī)r。溶洞以淺埋型為主，基巖面以下10 m范圍內(nèi)溶洞最為發(fā)育。溶洞高度0.20～14.80 m不等，少部分為空洞，多被含礫黏性土或礫砂半—全充填[5]。

3.2 場地地球物理?xiàng)l件

該巖溶塌陷區(qū)不同層位對應(yīng)的物性參數(shù)見表1。塌陷區(qū)地層主要分成三層。即：覆蓋層為“上土下砂”的二元結(jié)構(gòu)；基巖為灰?guī)r；溶洞多被含礫黏性土或礫砂半填充，溶洞本身所處部位圍巖為灰?guī)r。

表1 相關(guān)介質(zhì)物性參數(shù)

從表1中可以看出，各物質(zhì)、地層總體阻值大小為：灰?guī)r電阻率>砂性土電阻率>黏性土、軟弱土電阻率。電阻率剖面(高密度)中灰?guī)r與上覆地層界面間，存在明顯的電阻率差異(電阻率梯度變化大)。從以上分析可以看出，本區(qū)地層不管從橫向上還是縱向上均有明顯的電性差異，具有良好的地球物理特征。

灰?guī)r中的巖溶發(fā)育區(qū)，由于充填物質(zhì)不同，會(huì)形成不同的異常特征。當(dāng)充填物為軟弱土、砂性土、水等低阻體時(shí)，電阻率剖面上會(huì)在高阻區(qū)中形成明顯的低阻異常區(qū)。

3.3 觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

塌陷區(qū)內(nèi)水稻田密布，稻田內(nèi)多處存在積水。經(jīng)過踏勘發(fā)現(xiàn)有一處稻田未進(jìn)行耕種且積水較少，適合開展工作。考慮場地限制、地面塌陷規(guī)模和場地溶洞發(fā)育深度等因素，設(shè)計(jì)16×32網(wǎng)格排列(圖2中紅色測網(wǎng))，電極距2 m，采用兩極裝置進(jìn)行測量。測線底圖為2015年谷歌攝影圖，目前塌陷坑已回填，地面恢復(fù)原貌。

圖2 塌陷區(qū)三維高密度電法探測測線布設(shè)

3.4 數(shù)據(jù)處理

三維高密度電法目前常用的反演方法是基于圓滑約束最小二乘法反演，利用正演模型和實(shí)測數(shù)據(jù)構(gòu)造一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，并使其達(dá)到極小。三維高密度電法反演是將地下空間剖分成大量的矩形棱柱(圖3)，確定棱柱的電阻率值，將實(shí)測電阻率與計(jì)算電阻率的差值減到最小，從而實(shí)現(xiàn)模擬地下實(shí)際情況的過程。

圖3 三維高密度電法反演標(biāo)準(zhǔn)模型

野外數(shù)據(jù)采用Res3dinv軟件進(jìn)行處理。在對實(shí)測場地的地質(zhì)條件和場地情況進(jìn)行分析后，對反演參數(shù)進(jìn)行反復(fù)嘗試，選擇了相對合適的阻尼系數(shù)及網(wǎng)格剖分系數(shù)，取得了較為準(zhǔn)確的反演結(jié)果。

3.5 成果分析

地質(zhì)體都具有三維地電結(jié)構(gòu)，從三維的角度出發(fā)，綜合運(yùn)用三維反演和三維可視化技術(shù)，能夠準(zhǔn)確直觀地認(rèn)識(shí)地下結(jié)構(gòu)，得出的結(jié)論也更加合理可信[6-10]。本次三維成果選擇采用Voxler軟件進(jìn)行三維可視化展示。

圖4為巖溶塌陷三維高密度電法三維立體渲染圖?？梢钥闯觯娮杪食实妥琛懈咦琛咦枳兓?，電性界面清晰。結(jié)合鉆孔資料，上部低阻區(qū)為黏性土反映，中部深度14～21 m范圍高阻區(qū)為砂性土反映，深部高阻區(qū)為灰?guī)r反映，灰?guī)r面在21 m左右，與測區(qū)地質(zhì)模型吻合。

圖4 巖溶塌陷三維高密度電法三維立體渲染圖

圖5為巖溶塌陷上部回填土體三維等值面圖。該等值面推測為上部淤泥質(zhì)黏土與下部黏性土分界面。對三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行埋深3.5 mXY平面等值線切片，可以清晰地看出，圖中藍(lán)色封閉等值線顯示有兩處低阻凹陷區(qū)，封閉等值線形態(tài)與地面塌陷范圍基本吻合(圖6)，推測兩處低阻區(qū)為回填土體反映。

圖6 上部回填土體三維等值面渲染圖與原塌陷坑形態(tài)對比

圖5 巖溶塌陷上部回填土體三維等值面

圖7為巖溶塌陷上部回填區(qū)三維立體渲染圖。圖中可以從多個(gè)角度直觀地了解淤泥質(zhì)黏土界面的起伏形態(tài)，以及塌陷回填土體的形態(tài)展布及規(guī)模。

圖7 巖溶塌陷上部回填區(qū)三維立體渲染圖

結(jié)合塌陷區(qū)地質(zhì)資料，推測測區(qū)灰?guī)r界面在21 m左右。圖8中黃色等值面推測為砂性土與灰?guī)r分界面。對三維數(shù)據(jù)體進(jìn)行埋深21 mXY平面等值線切片?？梢郧逦乜闯?，圖中黃綠色封閉等值線顯示有兩處相對低阻凹陷區(qū)，推測為巖溶反映。從空間展布上看，兩處巖溶存在導(dǎo)通的可能性。

圖8 巖溶塌陷下部巖溶三維成果展示

圖9為巖溶塌陷三維切片圖。上部為塌陷回填體切片，中間為基巖面巖溶切片，下部為深部基巖切片。3個(gè)切片直觀地反映了上部土體塌陷與下部巖溶的空間位置關(guān)系，可以還原上部砂體運(yùn)移流失過程及塌陷過程，為巖溶治理提供科學(xué)的依據(jù)。

圖9 巖溶塌陷三維切片

4 結(jié) 語

本次探測結(jié)果與地質(zhì)模型基本吻合。相較于常規(guī)高密度電法，在成果展示方面，無論是進(jìn)行斷面、切片解釋，還是在空間成圖軟件中進(jìn)行立體解釋，其成果更加豐富，可提供多角度多細(xì)節(jié)的觀察方式，減小了誤判和漏判的可能。三維高密度電法減弱了二維高密度電法存在的異常擴(kuò)展效應(yīng)及旁側(cè)效應(yīng)，提高了分辨率，提升了勘探解釋精度。建議將三維高密度電法技術(shù)在城市地下空間探測工程中推廣應(yīng)用。