綜合物探在冀中地區(qū)工程巖溶勘探中的應(yīng)用

王 斌, 孫建宏, 趙偉鋒

(河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第八地質(zhì)大隊,河北 秦皇島 066000)

0 引言

巖溶在工程建設(shè)中是一種潛在的地質(zhì)災(zāi)害,會危及建筑物、引起地面塌陷、環(huán)境破壞,因此在選址時,查明地下巖溶裂隙的發(fā)育情況與分布規(guī)律顯得尤為重要[1-2]。巖溶勘探采用的物探方法主要有高密度電法[3-4]、探地雷達法[5]、瞬變電磁法[6]、淺層地震法[4]、瞬態(tài)瑞雷面波等[7],在復(fù)雜地區(qū)巖溶勘查時,受場地條件、水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性,僅靠單一的方法很難得到滿意的結(jié)果[8]。因此,結(jié)合地質(zhì)條件選用幾種地球物理勘探方法的綜合物探技術(shù)在實踐中得到應(yīng)用[9-10]。

在河北某地區(qū)城市施工項目進行巖溶勘察中,盡管高密度電法具有工作效率高、地電信息豐富,對異常的反映更加直觀、可靠等優(yōu)點,但其受接地條件等因素影響較大,常常面臨地面硬化、電極難以插入地面影響接地電阻的問題。為此,根據(jù)工作條件采用高密度電法、瞬變電磁法、瞬態(tài)瑞雷面波等綜合物探方法來對工區(qū)的巖溶進行勘探,三種方法相輔相成,互相驗證、互相補充,結(jié)合異常形態(tài)和異常對應(yīng)關(guān)系圈定巖溶裂隙發(fā)育區(qū)。

1 工區(qū)地質(zhì)及地球物理概況

工區(qū)上覆地層為第四系(Q),巖性以砂礫石為主,本區(qū)第四系厚度為10～20 m。

據(jù)以往資料,工區(qū)上覆地層為第四系,巖性主要為砂礫卵石層,砂礫卵石的電阻值較高,電阻率值為100～300 Ω·m;下伏基巖中灰?guī)r電阻率一般為150～800 Ω·m,當(dāng)灰?guī)r中巖溶裂隙發(fā)育時,其視電阻率值相對圍巖明顯表現(xiàn)為低阻異常。各巖性層間存在明顯的視電阻率差異具備了電法勘查的地球物理前提。

當(dāng)巖溶裂隙發(fā)育或溶洞發(fā)育時與完整地層相比,瑞雷波的響應(yīng)特征:對于填充溶洞,速度響應(yīng)由溶洞中填充介質(zhì)決定,一般為低速反映;對于空溶洞,速度較圍巖為低速反映。該區(qū)溶洞為填充型溶洞,內(nèi)部填充為強蝕變灰?guī)r與泥水混合物,速度與密度較低,溶洞對瑞雷面波會有低速響應(yīng)特征且橫波速度(Vs)等值線呈閉合狀態(tài),當(dāng)灰?guī)r中巖溶裂隙發(fā)育時,速度低于500 m/s。各巖性層間存在明顯的Vs速度差異,具備了電法勘查的地球物理前提。

總之,由于工區(qū)地質(zhì)條件不同,當(dāng)灰?guī)r中巖溶裂隙發(fā)育時,電阻率值和Vs速度都存在明顯的物性差異,具備進行地球物理勘探的前提條件。

2 探測方法及技術(shù)

由區(qū)域地質(zhì)資料可知,本區(qū)構(gòu)造總體為NE向,而溶洞多發(fā)育于裂隙之中,與構(gòu)造裂隙有著密切關(guān)系。因此,結(jié)合建筑物位置和區(qū)域構(gòu)造分布情況布置6條近EW向剖面,為了豐富區(qū)域深部地質(zhì)信息,SN向布置勘探剖面,由于受場地條件限制,只在場地西側(cè)布置一條近SN向剖面。其中場地內(nèi)硬化情況普遍,接地條件受限,在1、6、7線施工高密度電法的剖面,同時施工瞬變電磁,了解高密度電法巖溶異常(一般為低阻閉合圈)與瞬變電磁上異常的對應(yīng)關(guān)系,建立異常解譯關(guān)系。在不能施工高密度電法的2～5線剖面施工瞬變電磁勘探,由于受高壓線、鐵路等干擾影響,淺部地質(zhì)信息效果不佳,因此同時施工瞬態(tài)瑞雷面波以了解淺部信息。詳見圖1。

圖1 勘探區(qū)測線布置圖

2.1 高密度電法

本次工作使用的儀器為重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn) DUK-2 高密度電法測量系統(tǒng)以及120道多路電極轉(zhuǎn)換器。

工作方法:采用高密度電法剖面測量,裝置形式為單邊三極連續(xù)滾動式測深裝置(S3P)。其中電源的負(fù)極(B極)置于“無窮遠(yuǎn)”,一般鋪設(shè)在測線的中垂線上,與測線之間的距離大于AB/2的3～5倍,此次“無窮遠(yuǎn)”與測線間距離為500 m。

本次高密度電法工作點距5 m,最大間隔層數(shù)20層 (最大AB/2=102.5 m)。工作中采取深打電極、重復(fù)觀測等措施,從而保證了工作質(zhì)量。測線布設(shè)根據(jù)甲方要求并結(jié)合現(xiàn)場實際情況采用手持GPS進行剖面布設(shè),共敷設(shè)高密度電法剖面3條,分別為1線、6線、7線。

2.2 瞬變電磁

本次工作投入儀器設(shè)備為加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的“V8網(wǎng)絡(luò)化多功能電法儀”。具體對應(yīng)瞬變電磁模塊使用的單元有V8多功能接收機、T-4A瞬變電磁專用發(fā)射機、RXU-TMR發(fā)射機時鐘及電流記錄盒子、MULTEM-AL中頻瞬變電磁接收線圈。

工作區(qū)1～6線采用了瞬變電磁法(TEM)進行勘探,裝置形式采用中心回線裝置?；鼐€裝置發(fā)射框依據(jù)勘探深度要求選擇,一般長邊應(yīng)平行異常體走向鋪設(shè),本區(qū)要求勘探深度在100 m范圍內(nèi),本次工作采用中功率發(fā)射,供電電流為8 A,依據(jù)公式(1)加以估算:

(1)

其中:η為儀器最小可分辨電壓,mV;L為發(fā)射回線邊長,m;I為供電電流,A;ρ1為覆蓋層電阻率,Ω·m。通過試驗,在滿足探測深度的前提下結(jié)合工區(qū)地形及人員安排,在發(fā)射框中心1/2～1/3位置施測物探剖面,點距為20 m,中心回線發(fā)射線圈回線大小為450 m×450 m。

頻率越低探測深度越深。25 Hz信號比較強,探測深度200 m以淺,滿足本區(qū)勘探深度要求。因此,建議采用25 Hz的頻率進行測量。

2.3 瞬態(tài)瑞雷面波

本次面波測試使用儀器為廊坊開發(fā)區(qū)大地工程檢測技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 SM98-24B 瑞雷波儀,儀器性能穩(wěn)定,失真度小。利用實測的瑞雷波頻散曲線,通過定量解釋可以得到各地質(zhì)層的厚度及彈性波的傳播速度,當(dāng)巖溶裂隙發(fā)育或溶洞發(fā)育時,速度較圍巖為低速反映,據(jù)此可以推斷巖溶裂隙發(fā)育和溶洞發(fā)育區(qū)。

本次工作采用面波勘探,共完成6條剖面,點距20 m。根據(jù)以往經(jīng)驗確定偏移距5 m,道距1 m,采樣率0.1 ms×4096樣點,通頻帶1～1000 Hz,低通濾波,12道,接收檢波器的固有頻率4 Hz。本次勘探采用錘擊震源,使用大錘錘擊橡膠墊,為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量,在激發(fā)震源時,應(yīng)避免大錘的二次錘擊,以及在進行數(shù)據(jù)采集時其他外界的干擾如行人、車輛等。

3 成果分析與解釋

野外數(shù)據(jù)采集完成后,通過相應(yīng)軟件處理生成視電阻率(ρs)等值線及波速等值線斷面圖。由于瞬變電磁反演斷面圖上巖溶異常不太明顯,對比1線、6線成果圖,根據(jù)高密度電法ρs等值線圖上的低阻閉合圈圈定巖溶發(fā)育區(qū),然后對比瞬變電磁成果上的低阻異常,確定巖溶異常在瞬變電磁上視電阻率等值線特征,隨后在不能施工高密度電法的剖面,根據(jù)瞬變電磁成果圈定深部巖溶異常。

1線(圖2)剖面走向為91°,高密度電法勘探長度290 m,瞬變電磁和瞬態(tài)瑞雷面波勘探長度280 m,從高密度電法ρs等值線圖上看,淺部視電阻率值一般在100～300 Ω·m之間變化,等值線起伏變化比較平緩,反映了第四系巖性分布較均勻;反映深部基巖的大極距ρs等值線,視電阻率值一般為150～800 Ω·m,在橫向上ρs等值線形態(tài)連續(xù)性不好,梯度變化較大,在62.5、147.5、192.5 m處ρs等值線急劇向下?lián)锨?形成明顯的低阻異常,異常影響寬度分別約為25 m、5 m、15 m,結(jié)合高密度電法勘察結(jié)果及等值線異常形態(tài)分析推測巖溶裂隙相對發(fā)育;在37.5～72.5 m、142.5～152.5 m、195～220 m處ρs等值線急劇向下?lián)锨?形成明顯的低阻閉合異常,異常影響寬度分別約為35 m、10 m、25 m,頂板埋深為14～20 m,ρs值小于80 Ω·m,而巖溶多發(fā)育于裂隙之中,與裂隙有著密切關(guān)系,結(jié)合ρs等值線異常形態(tài)和裂隙發(fā)育位置推測低阻異常由巖溶發(fā)育引起。

圖2 1線綜合反演斷面圖

從瞬變電磁反演斷面圖上看,在40、140、180 m附近,ρs等值線急劇向下?lián)锨?形成相對低阻異常,位置與高密度電法勘探成果相對應(yīng),在130～145 m范圍內(nèi),深部ρs等值線急劇向下?lián)锨?形成明顯的低阻閉合異常,ρs值小于100 Ω·m,異常影響寬度約20 m,發(fā)育深度為25～50 m,推測低阻異常由巖溶發(fā)育引起。瞬變電磁淺部分辨率相對較低,要結(jié)合瞬態(tài)瑞雷面波圈定淺部異常區(qū),從面波速度剖面圖上看,淺部低速明顯,這是由于表層低速的第四系所致,而當(dāng)橫波速度Vs大于500 m/s,推斷為灰?guī)r地層;而在25～40 m、125～135 m出現(xiàn)速度小于500 m/s的低速帶,推斷為灰?guī)r地層中巖溶裂隙發(fā)育所致的異常區(qū),異常區(qū)影響寬度分別約為15 m、10 m。

6線異常特征與1線類似,不在贅述,綜合反演成果圖見圖3。通過對比高密度電法和瞬變電磁法的電阻率等值線圖可以發(fā)現(xiàn),高密度電法對巖溶異常反映比較精確、直觀,而瞬變電磁反映低阻異常(裂隙發(fā)育帶)比較明顯,對比兩者異常得出:在瞬變電磁電阻率等值線斷面上的巖溶異常較粗略,ρs等值線急劇向下?lián)锨?形成明顯的低阻異常,結(jié)合兩者對應(yīng)關(guān)系推測為灰?guī)r地層中巖溶裂隙發(fā)育所致的異常區(qū)。

圖3 6線綜合反演斷面圖

2線(圖4)與1線剖面大致平行敷設(shè),場地地面硬化不能施工高密度電法,從2線瞬變電磁反演斷面圖上看,在200 m附近,ρs等值線急劇向下?lián)锨?ρs值小于250 Ω·m,異常影響范圍在10～20 m,結(jié)合異常解譯對應(yīng)關(guān)系,分析認(rèn)為低阻異常是巖溶裂隙引起。從面波速度剖面圖上看,淺部低速明顯,這是由于表層低速的第四系所致,而當(dāng)Vs大于500 m/s,推斷為灰?guī)r地層,在60 m、180 m附近深部Vs等值線向下?lián)锨?出現(xiàn)速度小于500 m/s的低速帶,低速帶影響寬度約為10 m,推斷為灰?guī)r地層巖溶裂隙發(fā)育所致。

圖4 2線綜合反演斷面圖

1～7線深部ρs值、Vs值相對較高,電阻率值為150～800 Ω·m,橫波速度在500～1300 m/s范圍內(nèi),推測為灰?guī)r的反映;橫向上ρs等值線、Vs等值線起伏變化較大,在各剖面均形成多個低阻、低速異常,根據(jù)各剖面低阻、低速異常位置及剖面的位置推測出巖溶裂隙發(fā)育帶①、②、③、④、⑤(圖1)。溶洞多發(fā)育于裂隙之中,與裂隙有著密切關(guān)系,結(jié)合ρs等值線、Vs等值線異常形態(tài)形成和裂隙發(fā)育位置推測出巖溶發(fā)育區(qū)(圖1)。根據(jù)ρs等值線、Vs等值線異常形態(tài)圈定了低阻、低速異常范圍,其所得異常范圍涵蓋了異常源及其影響帶,導(dǎo)致異常影響范圍擴大。

本次工作共布置7條剖面,其中1線、6線進行了高密度電法、瞬變電磁法、瞬態(tài)瑞雷面波法綜合物探勘察,2～5線進行了瞬變電磁法、瞬態(tài)瑞雷面波法綜合物探勘察,從測量結(jié)果看,不種方法圈定的異常區(qū)基本對應(yīng)。

從本次高密度電法成果可以看出,巖溶異常在ρs等值線圖上表現(xiàn)為低阻閉合圈,能較好地反映出深部溶洞的大小和空間分布形態(tài),且?guī)r溶異常位置一般構(gòu)造裂隙相對發(fā)育,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料可知場地附近構(gòu)造裂隙發(fā)育,從而形成不規(guī)則的巖溶異常,高密度電法勘探成果與地質(zhì)資料較吻合,能更加直觀、可靠地反映出本區(qū)的巖溶異常和裂隙發(fā)育帶;瞬變電磁不受場地接地條件限制,能在廠房改造區(qū)(地面硬化現(xiàn)象普遍)施工,但會受到電線、鐵路等影響。本項目瞬變電磁成果能較好地反映出巖溶裂隙,且與已知地質(zhì)資料吻合,但巖溶空間分布形態(tài)反映效果不佳,能粗略地確定巖溶裂隙發(fā)育區(qū),在復(fù)雜工區(qū)提供相對可靠的物探資料;兩種方法對巖溶形態(tài)反映不同,其原因:①瞬變電磁施工點距大于高密度電法點距,造成精度偏低;②方法的局限性,瞬變電磁可能更適合煤系地層,且該工區(qū)電磁干擾較大,從而影響分辨率。

瞬態(tài)瑞雷面波受場地條件影響相對高密度電法、瞬變電磁法較小,但勘探深度較淺,本項目中結(jié)合瞬態(tài)瑞雷面波圈定淺部異常區(qū),進一步彌補瞬變電磁勘探盲區(qū);高密度電法對巖溶異常的反映更加直觀、可靠,瞬變電磁法對淺部信息反映不明顯,有一定的探測盲區(qū),主要反映深部地質(zhì)信息,而瞬態(tài)瑞雷面波法恰好彌補這一探測盲區(qū),瞬變電磁法和瞬態(tài)瑞雷波法兩種方相輔相成,互相驗證、互相補充。

本次物探勘察采用多方法綜合手段進行,各方法采取一定措施最大程度的降低干擾,但由于廠區(qū)內(nèi)路面硬化,有廠房和高壓線存在,且臨近公路、鐵道等因素,各方法還是受到了一定影響,均有不同程度的干擾,造成反演結(jié)果部分存在矛盾,分析其原因是干擾造成數(shù)據(jù)失真。

4 結(jié)論

對三種方法的勘探成果綜合分析對比,得到如下結(jié)論:

(1)各種方法圈定的異常區(qū)基本對應(yīng),綜合分析場地內(nèi)巖溶裂隙較發(fā)育,根據(jù)各剖面低阻、低速異常位置及剖面的位置推測巖溶裂隙發(fā)育帶,并圈定巖溶發(fā)育區(qū),為下一步施工提供了準(zhǔn)確的依據(jù),為工程安全提供了保證。

(2)勘探方法的選擇與地質(zhì)條件、地球物理特征密切相關(guān),由于場地的局限性,造成各種方法的施工限制,本次采用綜合物探法對復(fù)雜地區(qū)進行巖溶勘察是合理的,通過同剖面上的高密度電法和瞬變電磁法建立異常對應(yīng)關(guān)系,然后在接地條件困難地區(qū)采用瞬變電磁進行電磁勘探,結(jié)合建立的異常解譯關(guān)系更精確地圈定巖溶、裂隙異常,為今后施工困難地區(qū)提供方法借鑒。

(3)高密度電法較瞬變電磁法能較好地反映出深部溶洞的大小和空間分布形態(tài),原因是瞬變電磁法施工點距較大且受電磁干擾影響,在一定程度上造成分辨率較低。

(4)物探方法具有局限性和多解性,在進行綜合解譯時,不能根據(jù)單一物探方法進行地質(zhì)解譯,應(yīng)在不同干擾情況下,著重對干擾較小的物探方法所攜帶的地質(zhì)信息進行解譯,并將各種物探方法進行對比,從而對某類電磁干擾進行削弱,進一步提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。