高密度電法綜合分析法在機(jī)場溶洞探測中的應(yīng)用

喻曉通 馬 妮

高密度電法測量是電法勘探的一個(gè)主要分支，其基本工作原理與常規(guī)直流電法是一致的，都是以地下巖（礦）石或目標(biāo)導(dǎo)體與圍巖之間的電性差異作為評(píng)價(jià)基礎(chǔ)，從而達(dá)到分辨地下巖層、構(gòu)造、礦藏或其他相關(guān)參數(shù)的目的。相比于常規(guī)電法而言，高密度電法在工程勘察方面具有電測深和電剖面兩種方法的綜合性優(yōu)勢，可以通過縱、橫兩個(gè)方向勘探觀測巖土層中的電性差異，并采集某一深度范圍內(nèi)地質(zhì)土體的電性變化數(shù)據(jù)，更加直觀高效的實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)體的觀測。近年來，在水工環(huán)探測、工程地質(zhì)勘查等方面，高密度電法得到了廣泛的應(yīng)用，且隨著時(shí)代發(fā)展，目前基本實(shí)現(xiàn)了野外測量中數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化及智能化。

1 主要問題及擬解決辦法

1.1 影響測量成果的主要因素

理論上講，高密度電法測量方法可以適用大多的工程勘察物探工作，但在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)楝F(xiàn)場條件限制、地形干擾及后期數(shù)據(jù)處理不當(dāng)?shù)惹闆r，往往導(dǎo)致解譯成果并不理想。其中影響成果質(zhì)量的主要問題包括：

（1）供電情況：供電電壓不足可能使電位差偏低或不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致采集信號(hào)偏弱，測量深度不夠等問題。目前主要解決辦法是使用新型鋰電池或其它大容量電池，以保證供電電壓的穩(wěn)定。

（2）接地條件：接地條件差是在實(shí)際測量中遇到較多并對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量有較大影響的一種情況，在測量數(shù)據(jù)上反應(yīng)為出現(xiàn)大片的異常高值，成圖后等值線斷面圖中局部易出現(xiàn)封閉的密集型“旋渦狀”高阻異常或“八字”、“半八字”異常。目前較為常用的方法是盡量改善接地條件或采用不極化電極，但會(huì)導(dǎo)致工作效率降低及成本增加。

（3）地形因素：與所有電磁測量方法一樣，高密度電法解譯成果不可避免的要受到地形變化的影響。地形的起伏不但會(huì)引起類似“八字”、“半八字”、“雙八字”等特征的假異常，往往還會(huì)掩蓋真異常。除地形條件變化較大（陡坡或斷崖）外，測線中一點(diǎn)或多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的某點(diǎn)斷開等情況也有可能形成該類異常。目前主要解決方法是在數(shù)據(jù)初步篩選后使用各類軟件進(jìn)行校正或根據(jù)實(shí)際情況建立數(shù)字模型，利用有限元法對(duì)該模型進(jìn)行模擬計(jì)算等。

1.2 擬采用辦法

在實(shí)際情況中，由于工期及現(xiàn)場條件的限制，在完成初步解譯后，很難對(duì)單個(gè)的剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的研究分析，此時(shí)如果有其它行之有效的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再處理，并與解譯成果形成對(duì)比參考，無疑能夠極大的提升解譯準(zhǔn)確度。

本文主要探討方向便在于如何能夠基本確保野外數(shù)據(jù)質(zhì)量的情況下，更加有效的從多方位、多角度利用原始數(shù)據(jù)，對(duì)形成的各類結(jié)果開展綜合對(duì)比，以期提高最終成果的解譯精度。

本次主要采用原始的視電阻率剖面及利用斜率法計(jì)算完成的成果剖面與反演成果進(jìn)行對(duì)比，力爭在解譯過程中彌補(bǔ)單個(gè)方法的不足及發(fā)現(xiàn)新的問題。

2 實(shí)例及說明

某機(jī)場地下溶洞勘查：

本次工作主要目的是為尋找某機(jī)場待擴(kuò)建區(qū)域地下溶洞發(fā)育程度及范圍，為后期鉆孔布設(shè)提供物性參考。

測區(qū)屬剝蝕丘陵地貌區(qū)，地表植被茂盛，山丘、盆地較為發(fā)育，其中盆地多為果園及農(nóng)田。地表覆蓋層以第四系殘坡積土層（粘土、粉砂質(zhì)泥巖等）及沖洪積物（碎石土、卵礫巖等）為主，基巖地層為石灰?guī)r，局部可見露頭，表面風(fēng)化嚴(yán)重。區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給以大氣降水為主，前期踏勘未見河流及泉點(diǎn)。根據(jù)收集資料及現(xiàn)場調(diào)查顯示，區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較為中等，地下局部巖溶發(fā)育，存在滲漏現(xiàn)象。

2.1 地球物理?xiàng)l件

區(qū)內(nèi)巖性地層主要包括3個(gè)單元：（1）粉質(zhì)、粉砂質(zhì)粘土層：多呈灰、灰褐色，厚度0.5～5.0m不等，屬第四系殘坡積層，電阻率較低；（2）碎石土、砂卵礫巖：黃、黃褐色，以砂巖及泥質(zhì)砂巖為主，砂卵礫巖礫徑0.1～20.0cm不等，局部稍密，電阻率較粘土層高；（3）石灰?guī)r地層，灰、灰白色，為區(qū)內(nèi)主要基巖地層，電阻率較高，局部巖體有地下水填充，電阻率偏低，少量無水溶洞為明顯高阻。工作組對(duì)測區(qū)各巖性進(jìn)行了取樣及電性測量，結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)本電參數(shù)測定統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)巖石電阻率測量結(jié)果，測區(qū)泥質(zhì)砂巖、粉砂巖電阻率最低，多在100Ω/m以內(nèi)；卵礫巖地層因巖石分選型較差，粒徑在變化大，因此局部差值偏高，多在142～382Ω/m；前兩者相對(duì)于主要石灰?guī)r地層700Ω/m以上的電阻率，存在明顯的電性差異，滿足在測區(qū)使用高密度電法達(dá)到尋找地下巖溶的物性前提。

2.2 測線布設(shè)

區(qū)內(nèi)布設(shè)了126條東西向剖面，點(diǎn)線距為20×5m，剖面長度300～800m不等。其中剖面A21～A26（共6條），線長550～640m，局部地形起伏較大（剖面高差約50m，局部高差10～20m，坡度15～25°），具有一定的代表性。

2.3 對(duì)比解譯及驗(yàn)證

反演圖如圖1所示，地表存在5～10m低阻帶，推測為地表砂泥巖及少量石灰?guī)r風(fēng)化地層，6條剖面前端0～300m段在埋深10m左右表現(xiàn)出穩(wěn)定的高阻特征，電阻率值在800Ω/m以上。參考前期測定的區(qū)域巖石電性特征，推測其為發(fā)育致密連續(xù)的石灰?guī)r地層（鉆孔ZK26-1驗(yàn)證）。在剖面中段（300～600m）可見長約200m的相對(duì)低阻帶，最低電阻率值42Ω/m，各剖面異常較為連續(xù)，推測為地下溶洞連接形成的水流通道或存在小型斷裂破碎帶，后期分別在各剖面施工鉆孔ZK21-1、ZK23-1、ZK24-1、ZK25-1、ZK26-2、ZK26-3，驗(yàn)證了地下溶洞的存在，溶洞規(guī)模2.0～6.0m不等。

以上推測都得到了后期鉆孔施工的驗(yàn)證，證明高密度電法在尋找地下溶洞的工作中具有較好的實(shí)踐性。但因地形及其它條件影響，在反演中導(dǎo)致解譯異常位置發(fā)生“偏移”的現(xiàn)象也有發(fā)生。

圖1 剖面A21—A26線視反演剖面圖

根據(jù)反演結(jié)果推測如圖2所示，在A24剖面822m段（Ⅱ區(qū)），該處可能存在地下充水溶洞，布設(shè)鉆孔ZK24-2鉆進(jìn)至進(jìn)尺45m（超過推測溶洞深度），均為石灰?guī)r地層，未見溶洞。在反復(fù)對(duì)比視電阻率剖面（a）及斜率剖面后（c），將鉆孔位置調(diào)整至835m處布設(shè)ZK24-3，至31.0m見溶洞，與預(yù)測深度基本吻合。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩鉆孔均位于剖面后端低阻異常范圍，異常呈團(tuán)塊狀，大小約20.0m，埋深約30.0m。ZK24-2布設(shè)在反演異常中心位置，ZK24-3布設(shè)在異常東側(cè)邊界。該異常因地形原因（位于剖面下坡低洼處），實(shí)際位置向東偏移（鉆孔ZK24-2位置），在視電阻率剖面圖（a）及反演圖（b）中難以判斷地下溶洞具體位置，但對(duì)比斜率剖面圖可以發(fā)現(xiàn)，在鉆孔ZK24-3位置斜率梯度變化最大（由-20上升至+40），由此作為依據(jù)推斷地下溶洞位置更為準(zhǔn)確，也得到了鉆探結(jié)果的證明。

圖2 剖面A22線視電阻率剖面（a）、反演剖面（b）及斜率剖面（3）對(duì)比圖

3 結(jié)論及建議

綜上，利用高密度電法尋找地下溶洞空間是切實(shí)可行的。但在實(shí)際測量中，也會(huì)因?yàn)楦鞣N原因?qū)е伦罱K解譯成果與實(shí)際情況產(chǎn)生偏差，對(duì)此我們總結(jié)如下：

（1）因接地條件、淺部異常干擾等原因，我們很難保證所采集的野外數(shù)據(jù)完全正確，而在后續(xù)的工作中，經(jīng)由此類數(shù)據(jù)反演后往往會(huì)將偏差無限放大，從而造成解譯結(jié)果與實(shí)際不符，導(dǎo)致誤判甚至更為嚴(yán)重的情況。

（2）使用各類方法對(duì)高密度資料進(jìn)行綜合解譯時(shí)，應(yīng)注意突出其特點(diǎn)。例如，視電阻率剖面，因?yàn)楦呙芏入姺ǖ臏y量精度及數(shù)據(jù)密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)電法，所以生成的視電阻率等值線圖已與實(shí)際地電剖面非常接近（尤其在淺部更是如此），包括等值線的疏密程度、拐彎方向等都蘊(yùn)含著豐富的信息可供分析。因此針對(duì)中淺部的解譯工作，視電阻率剖面具有重要參考價(jià)值。反演方法在理論上講是目前使用最為廣泛的解譯手段之一，但有一個(gè)重要前提就是在于野外采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好時(shí)，可以以反演剖面為主，而在局部受到干擾，部分?jǐn)?shù)據(jù)失真時(shí)，建議采取包括斜率法在內(nèi)的多種方法進(jìn)行對(duì)比解譯，可以有效提高資料解譯的精確性。

總體而言，在宏觀層面（如巖性分層、判斷構(gòu)造等），資料解譯可以主要參照視電阻率剖面，而針對(duì)局部異常（如尋找溶洞、劃分異常范圍等）的解譯，則建議采用反演成果結(jié)合多種方式進(jìn)行綜合分析，以保證最終結(jié)果更加的科學(xué)合理。高密度電法兼具剖面法和測深的功能，具點(diǎn)距小、數(shù)據(jù)采集密度大的特點(diǎn)，能較直觀、形象的反映斷面異常體的形態(tài)。通過高密度電法勘查以及結(jié)合工程地質(zhì)調(diào)查、鉆探與開挖驗(yàn)證對(duì)比，證明了高密度電法在土洞勘查中的可行性，基本能判斷出土洞的空間位置及其展布方向；相比鉆探具有造價(jià)低、速度快、勘探較全面的優(yōu)點(diǎn)。