地球物理勘查技術(shù)在巖溶發(fā)育區(qū)的應(yīng)用

高 攀， 王 奪， 陳 晨

(安徽省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，安徽 合肥 230001)

在巖溶發(fā)育地區(qū)，地下水長(zhǎng)期侵蝕可溶性巖石，流水的作用使得巖層的完整性受到破壞，巖石的強(qiáng)度下降，巖層不穩(wěn)定，無法為上部建筑物提供可靠的承載力。根據(jù)勘查區(qū)已知溶洞特點(diǎn)和對(duì)地質(zhì)資料分析得出，主要巖溶分布為沿裂隙節(jié)理發(fā)育的溶蝕帶和溶洞。結(jié)合項(xiàng)目目標(biāo)任務(wù)及勘查區(qū)特點(diǎn)，選擇高密度電阻率法、重力勘探和淺層地震三種地球物理勘查方法查明巖溶塌陷區(qū)地質(zhì)問題。

1 勘查區(qū)地質(zhì)概況與地球物理特征

勘查區(qū)地處江淮波狀平原，區(qū)內(nèi)地勢(shì)較平坦，地表自然標(biāo)高21.8～38.7 m。

區(qū)域地層由老到新有：寒武系上統(tǒng)，主要巖性為白云巖；奧陶系中下統(tǒng)，主要巖性為白云巖、灰質(zhì)白云巖和白云質(zhì)灰?guī)r；石炭系上統(tǒng)，主要巖性為灰?guī)r、粉砂巖；第四系，主要巖性為亞黏土、黏土、粉質(zhì)黏土和粉砂?？辈閰^(qū)地層自上而下有兩層：上覆地層巖性為黏土、粉質(zhì)黏土；下伏地層為灰?guī)r、白云巖。

地球物理勘探是利用相適應(yīng)的儀器采集工作區(qū)域的各種物理現(xiàn)象的信息，根據(jù)巖(礦)體或構(gòu)造和圍巖的物性差異，結(jié)合地質(zhì)條件進(jìn)行地質(zhì)解釋，從而解決地質(zhì)問題。

勘查區(qū)地球物理參數(shù)見表1。

表1 勘查區(qū)地球物理參數(shù)一覽表

2 地球物理勘查方法與參數(shù)選擇

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法以巖(礦)石電性差異為基礎(chǔ)，一次布設(shè)多根電極同時(shí)排列在測(cè)線上，通過對(duì)電極自動(dòng)轉(zhuǎn)換器的控制，實(shí)現(xiàn)電阻率法中各種不同裝置、不同極距的自動(dòng)組合，從而一次布極可測(cè)得多種裝置、多種極距情況下多種視電阻率參數(shù)的方法。在巖層面或者裂隙節(jié)理交匯處，形成溶蝕帶、溶洞，其電阻率會(huì)大大降低，電性特征變化明顯。

儀器使用塞盈地脈GD-10分布式系統(tǒng)，裝置選擇溫納裝置，點(diǎn)距為3 m，96根電極，數(shù)據(jù)采集剖面33層，供電電壓400 V，變斷面連續(xù)滾動(dòng)掃描測(cè)量。

2.2 重力勘探

重力勘探是測(cè)量與圍巖有密度差異的地質(zhì)體在其周圍引起的重力異常﹐以確定這些地質(zhì)體存在的空間位置﹑大小和形狀。

儀器選擇CG-5重力儀，點(diǎn)距5 m，在勘查區(qū)均勻布設(shè)。

2.3 地震勘探

地震勘探是指人工激發(fā)所引起的彈性波利用地下介質(zhì)彈性和密度的差異，通過觀測(cè)和分析人工地震產(chǎn)生的地震波在地下的傳播規(guī)律，推斷地下巖層的性質(zhì)和形態(tài)的地球物理勘探方法。

儀器選擇WZG-48A工程地震儀，采用縱波反射波法觀測(cè),道間距3 m；檢波器主頻為38 Hz；單邊激發(fā)，偏移距為30 m，24道接收；采用多次疊加采樣，6次覆蓋觀測(cè)系統(tǒng)；單道數(shù)據(jù)的采樣間隔0.2 ms，記錄長(zhǎng)度819.2 ms。

3 資料處理與解釋

3.1 高密度電阻率法

(1)資料處理。數(shù)據(jù)處理前先進(jìn)行預(yù)處理(突變點(diǎn)剔除、平滑數(shù)據(jù))，然后使用RES2DINV數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行二維反演和地形校正，二維反演是最小二乘法的計(jì)算機(jī)反演計(jì)算，最后使用專業(yè)物探軟件繪制成圖進(jìn)行資料解釋。(2)資料解釋特征。上覆第四系地層電阻率一般不大于40 Ω·m；下覆基巖電阻率較高，一般在1×102～2×104Ω· m。根據(jù)勘查區(qū)視電阻率特征，巖溶異常呈高阻包圍低阻閉合圈，或呈“U”或“V”字形延伸的低阻區(qū)。

(3)成果資料解釋。視電阻率反演解釋見圖1，電阻率等值線較密集帶主要以33 Ω·m的等值線為界，上部電阻率低而等值線稀疏，下部電阻率高而等值線密集，33 Ω·m等值線附近即為基巖頂界面，推測(cè)基巖面埋深8～12 m。在淺表部出現(xiàn)局部中高阻不均勻體反映特征，主要受地面建筑、硬化路面等人類工程活動(dòng)影響；在測(cè)線160～170 m、深度埋深15～25 m、呈“U”形半封閉低阻異常區(qū)，結(jié)合地質(zhì)資料推斷，發(fā)育有一寬約8 m的溶洞。

圖1 高密度電阻率法反演解釋圖

3.2 重力勘探

(1)資料處理。數(shù)據(jù)處理工作包括重力數(shù)據(jù)處理和改正、固體潮改正、儀器格值改正、儀器漂移改正、自由空間校正、中間層改正、正常場(chǎng)校正、地形校正等。

(2)資料解釋特征。在第四系覆蓋層較厚、基巖為石炭系巖層的區(qū)域，布格重力呈現(xiàn)為重力低；覆蓋層較薄、基巖為奧陶系巖層的區(qū)域，布格重力呈現(xiàn)為重力高；斷層、裂隙、巖溶空腔發(fā)育區(qū)域，布格重力呈現(xiàn)為重力低。

(3)成果資料解釋。布格重力異常解釋見圖2，工作區(qū)覆蓋層約為10 m，厚度變化較小，對(duì)布格重力值影響較小，布格重力值的變化主要體現(xiàn)了構(gòu)造裂隙發(fā)育及基巖巖性變化。工作區(qū)北東部布格重力低值為密度相對(duì)較低的石炭系灰?guī)r的反映，南西部及中部布格重力高值為密度相對(duì)較高的奧陶系灰?guī)r的反映，推測(cè)出奧陶系與石炭系地層接觸位置；布格重力異常等值線存在明顯扭曲，推測(cè)發(fā)育斷層F6、F7、F8、F9。

圖2 重力勘探布格重力異常解釋

3.3 地震勘探

(1)資料處理。對(duì)原始資料進(jìn)行靜校正—頻譜分析—振幅恢復(fù)—頻率濾波—二維濾波—抽道集—速度分析—?jiǎng)有Ｕ詣?dòng)剩余靜校正—CDP疊加—偏移歸位等處理，去偽存真，最終獲得能反映地下構(gòu)造形態(tài)和含有巖性信息的高分辨率反射時(shí)距剖面。

(2)資料解釋特征。對(duì)地層沉積相與地震相宏觀特征進(jìn)行對(duì)比，確定地震相中各反射波組與地層沉積相中各反射界面的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。地震相的異?，F(xiàn)象包括同相軸的中斷、錯(cuò)動(dòng)、分叉和合并等空間分布特征的變異，以及繞射波、斷面波的出現(xiàn)等，通過對(duì)這些異常的分析，確定各種斷層和洞穴的存在，并判別其性質(zhì)。

(3)成果資料解釋。地震勘探時(shí)間剖面圖見圖3，第一層反射波時(shí)間為60 ms左右，同相軸能量相對(duì)較強(qiáng)，起伏較小，根據(jù)勘查區(qū)內(nèi)鉆孔資料，推斷該層的厚度相對(duì)穩(wěn)定，主要為雜填土、素填土、黏土等第四系覆蓋層，平均波速相對(duì)較低，波速為400～500 m/s，對(duì)應(yīng)厚度12～15 m。第二層反射波時(shí)間為110 ms左右，該層主要為奧陶系的灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖等基巖，平均波速2 500～3 000 m/s，對(duì)應(yīng)厚度62.5～75 m，溶洞裂隙主要發(fā)育在此層；在50～60點(diǎn)號(hào)之間，時(shí)間為110 ms位置，反射波同相軸發(fā)生明顯的分叉，結(jié)合地質(zhì)及以往物探資料，推斷該位置異常是由于巖溶裂隙帶引起的；在185～198點(diǎn)號(hào)之間，走時(shí)在100 ms附近，反射波同相軸的振幅和頻率都出現(xiàn)明顯的變化，在130 ms附近，但同相軸也出現(xiàn)了分叉現(xiàn)象，結(jié)合地質(zhì)及以往物探資料，推斷該位置是由巖溶裂隙帶引起的；在140點(diǎn)號(hào)的100 ms位置，反射波同相軸能量出現(xiàn)減弱的現(xiàn)象，但同相軸仍連續(xù)，推斷該位置巖性可能出現(xiàn)變化。

圖3 地震勘探時(shí)間剖面圖

4 結(jié)論

通過開展地球物理勘查工作，取得主要勘查成果如下：

(1)基巖面起伏不大，呈不規(guī)律特性，厚度7～16 m；(2)在測(cè)區(qū)劃出了奧陶系與石炭系地層接觸位置；(3)推斷了2條近東西向構(gòu)造，分別為F6，F(xiàn)7；2條近南北向構(gòu)造F8、F9；(4)推測(cè)了勘查區(qū)溶洞發(fā)育特征主要沿?cái)鄬覨6，F(xiàn)7發(fā)育，圈定了巖溶裂隙強(qiáng)發(fā)育帶。

本工程用多種地球物理勘探方法互補(bǔ)驗(yàn)證，效果顯著，取得了較好的成果資料，查明了地災(zāi)隱患區(qū)的相關(guān)地質(zhì)問題。