綜合物探方法在巖溶裂隙勘查中的應(yīng)用
——以貴州某化工廠區(qū)地下巖溶裂隙勘查為例

嚴(yán)易會，李小東，王 洪，劉 松，曾 杰

貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊，貴州 黔南 558000

貴州某化工廠下游存在一溶洞出水口，出水量約3萬t/d，為了查明該溶洞水路在廠區(qū)及其上游的分布特征，為后期工程設(shè)計和施工提供技術(shù)依據(jù)，文章提出可在廠區(qū)及其上游采用充電法、高密度電法、瞬變電磁法（TEM）等綜合物探方法進(jìn)行勘查。

1 物探方法原理簡介

（1）充電法。根據(jù)充電體和圍巖電性差異，在良導(dǎo)電性地質(zhì)體的天然或人工露頭接上供電電極進(jìn)行充電，另一供電電極置于遠(yuǎn)離充電體的地方，供電時充電體為一等位體或似等位體，電流由充電體流入危巖形成穩(wěn)定電流場，該電場的分布特征與充電體的形態(tài)、大小和產(chǎn)狀有關(guān)[1]。在地面、鉆井或坑道中對其電場的空間分布進(jìn)行觀測和研究，以了解礦體或其他良導(dǎo)體的賦存情況，獲得所需要的地質(zhì)資料。

（2）瞬變電磁法。利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極觀測二次渦流場的方法。簡單而言，瞬變電磁法的基本原理就是電磁感應(yīng)定律。衰減過程一般分為早、中和晚期，早期的電磁場相當(dāng)于頻率域中的高頻成分，衰減快，趨膚深度??；而晚期成分則相當(dāng)于頻率域中的低頻成分，衰減慢，趨膚深度大。通過測量斷電后各個時間段的二次場隨時間變化規(guī)律，可得到不同深度的地電特征[2]。

（3）高密度電法。高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，它以巖、土導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)，研究人工施加穩(wěn)定電流場的作用下地中傳導(dǎo)電流分布規(guī)律[3-4]。

2 勘查區(qū)概況

2.1 地形地貌

勘查區(qū)為典型的丘陵地貌，地勢起伏較大，總體上東高西低，北部和南部高中間低，沿河流地區(qū)地勢較為平坦。勘查區(qū)地處烏江流域，有兩條河流從勘查區(qū)中部穿過，河流自南東流向北西。

2.2 地質(zhì)概況

（1）地層。勘查區(qū)地層為三疊系茅草鋪組（T1m）、三疊系下統(tǒng)夜郎組（T1y）。巖性：上部為淺灰色、肉紅色中至厚層白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r夾泥晶灰?guī)r；中部部為色薄至中厚層粉晶灰?guī)r；下部為灰綠色、紫紅色頁巖，偶夾薄層灰?guī)r。

（2）構(gòu)造?？辈閰^(qū)位于向斜軸部，向斜軸部東側(cè)三疊系茅草鋪組地層，走向為南西至北東向。

（3）水文地質(zhì)?？辈閰^(qū)內(nèi)巖層主要為茅草鋪組、夜郎組碳酸鹽巖及碎屑巖，巖性主要為灰?guī)r，間夾砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥巖及頁巖等，碳酸鹽巖富含巖溶水，富水性強，但水體分布極為不均勻，往往在裂隙巖溶通道形成大的地下暗河。地下水賦存于風(fēng)化帶、基巖裂隙、巖溶構(gòu)造之中，為巖溶水、基巖裂隙水及少許孔隙水，一般沿巖層傾向徑流，向斜軸部匯集，在地勢低洼處、河流、溪流或壓力減少處排泄。

2.3 地球物理特征

此次物探工作主要是在廠區(qū)南側(cè)干擾較小的地段展開，該區(qū)主要出露地層巖性為第四系黏土、茅草鋪組一、二段白云巖，夜郎組一段頁巖、二段薄層灰?guī)r及三段厚層狀灰?guī)r，對各地層巖性與地下水體的典型視電阻率對比如表1所示。由表1可知，其上覆第四系黏土視電阻率呈中低阻反映，茅草鋪組一、二段視電阻率呈高阻反映，下伏夜郎組一、二段視電阻率呈中～中高阻反映，而地下水視電阻率呈低阻反映，圍巖與水體的電阻率差異較大，為利用充電法、瞬變電磁法、高密度電法探測地下水的通道和埋深提供了較好的電性前提。

表1 勘查區(qū)巖樣電阻率特征

3 工作布置與資料整理

經(jīng)過踏勘，在勘查區(qū)布置垂直于地下水走向的物探測線若干條。

充電法充電點布置在溶洞出水口（A極），無窮遠(yuǎn)極（B極）在垂直地下水徑流（暗河）通道且距離大于1.2km，在測線上移動觀測電極M、N逐點進(jìn)行觀測。充電電位梯度測量點距10m，異常地段加密到5m。

瞬變電磁裝置為重疊回線裝置，回線邊長為5～10m，點距10～20m。在野外生產(chǎn)中采用1匝發(fā)送、1匝接收，發(fā)送頻率為25Hz，疊加次數(shù)為128次，發(fā)送電壓為12V。采集數(shù)據(jù)后進(jìn)行復(fù)核和平滑處理后，使用MSD-1數(shù)據(jù)處理軟件計算視電阻率值，利用跨平臺金維地學(xué)信息處理研究應(yīng)用系統(tǒng)形成視電阻率斷面圖。

高密度電法采用四極裝置或三極裝置排列。測量時采用串聯(lián)布極法，電極方向與測線方向一致，電極距3～5m，布設(shè)電極時確保電極與土壤接觸良好。先剔除野外所測得的數(shù)據(jù)中的壞點，然后用二維高密度電法反演軟件（2DRES）反演，最終形成高密度視電阻率色度圖和反演圖。

4 推斷解釋成果分析

4.1 異常推斷解釋

通過開展物探工作，在工作區(qū)布置的18條物探剖面上推測巖溶裂隙發(fā)育區(qū)域有65處。對各異常進(jìn)行對比解譯發(fā)現(xiàn)，物探異常埋深中心大都在6～45m，與該地區(qū)的河面及出水點埋深較為吻合，經(jīng)綜合分析及驗證該類物探，發(fā)現(xiàn)異常大都為溶洞、裂隙中充填泥漿或充水所引起。以14線、17線物探剖面為例分析異常特征。

14線：根據(jù)充電法歸一化零值點、瞬變電磁法的視電阻率異常特征、高密度電法測深的視電阻率異常特征，結(jié)合區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)信息推測認(rèn)為，低阻異常位置為巖溶填充泥漿、水或為裂隙含水。14線充電法歸一化曲線如圖1所示，14線TEM、高密度視電阻率斷面圖分別如圖2、圖3所示。其中，14～118號點為充電法零值點，在45～50m瞬變電磁法低阻異常和高密度低阻異常位置反映較好，推測為巖溶裂隙發(fā)育，并且推測該巖溶裂隙和溶洞出水口連通；14～130號點為充電法零值點，在10～16m瞬變電磁法低阻異常和高密度低阻異常位置反映較好，推測該低阻異常為巖溶裂隙發(fā)育，并且該巖溶裂隙和溶洞出水口連通。經(jīng)過鉆探和井下電視驗證結(jié)果如圖4所示。該剖面上覆地層依次為耕土、黃黏土、少許白云巖團(tuán)塊，厚度在0～10.3m；下伏地層為三疊系下統(tǒng)茅草鋪組（T1m），巖性為淺灰、灰白色含肉紅色中厚層塊狀白云巖，巖溶裂隙發(fā)育，巖溶填充水或者泥。ZK14-118鉆孔45～49.1m，巖溶裂隙發(fā)育，抽水試驗水量大于4.17L/s；ZK14-130鉆孔9～11m為溶洞，抽水試驗水量大于4.17L/s。經(jīng)連通試驗表面，該水路和出水口水路連通。

圖1 14線充電法歸一化曲線

圖2 14線TEM視電阻率斷面圖

圖3 14線高密度視電阻率斷面圖

圖4 14線鉆孔驗證圖

17線：根據(jù)高密度電法測深的視電阻率異常特征，結(jié)合區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)信息推測認(rèn)為，低阻異常位置為巖溶填充泥漿、水或為裂隙含水。17線高密度視電阻率斷面如圖5所示。經(jīng)過鉆探和井下電視驗證結(jié)果表明：該剖面上覆地層依次為耕土、雜填土、黃黏土、少許白云巖團(tuán)塊，厚度在0～6.5m；下伏地層為三疊系下統(tǒng)茅草鋪組（T1m），巖性為淺灰、灰白色含肉紅色中厚層塊狀白云巖，巖溶裂隙發(fā)育，巖溶填充水或者泥漿。ZK17-106鉆孔18～18.4m為裂隙巖溶裂隙發(fā)育；ZK17-117鉆孔32.5～47.0m為溶洞。經(jīng)連通試驗表面，該水路和出水口水路連通，17鉆孔驗證圖如圖6所示。

圖5 17線高密度視電阻率斷面圖

圖6 17鉆孔驗證圖

4.2 綜合成果分析

通過綜合分析充電法、瞬變電磁法（TEM）、高密度電阻率法、水文地質(zhì)鉆探等結(jié)果認(rèn)為：

（1）工作區(qū)位于3條水系的交匯區(qū)域、區(qū)域內(nèi)巖性為富水性強的白云巖、灰?guī)r，巖溶裂隙十分發(fā)育，地下巖溶裂隙呈網(wǎng)狀、串珠狀分布，地下水主要由向斜兩翼往向斜軸部集中徑流，主通道主要沿向斜軸部自南西至北東方向分布。

（2）該區(qū)上覆地層為淺灰色至肉紅色中至厚層白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r夾泥晶灰?guī)r，淺灰色薄至中層狀灰?guī)r，巖溶裂隙發(fā)育、巖溶裂隙中心埋深6～45m；下伏地層為隔水層頁巖。

（3)該區(qū)地下水系發(fā)育，僅物探剖面上就推測巖溶裂隙發(fā)育區(qū)域65處，物探剖面控制區(qū)域共推測地下水系24條。地下水沿地層傾向、巖溶裂隙、F2斷層向向斜軸部匯集，最終在溶洞出露，主要水路上鉆孔抽水試驗最大水量約為20.83L/s。

5 結(jié)論與建議

（1）充電法在追索巖溶區(qū)的地下暗河時，應(yīng)將充電點選在地下暗河的出露處，然后在垂直于地下暗河的可能走向上布設(shè)測線，并沿測線一側(cè)進(jìn)行電位和梯度測量，并將全部測量剖面上電位曲線的極大點及梯度曲線的零值點連接起來，這個異常軸就是地下暗河在地表的投影。

（2）高密度電法和瞬變電磁法的低阻異常均能較好的反映巖溶情況。在充電法零值點連接線布置高密度電法和瞬變電磁法，兩種方法可以取長補短，相互驗證，減少了物探解釋的多解性，提高了物探解釋的準(zhǔn)確度。

（3）充電法、高密度電法、瞬變電磁法三種物探方法相結(jié)合，可取得良好的地下巖溶裂隙勘查應(yīng)用效果。