綜合物探方法技術(shù)在巖溶塌陷防治工程中的應(yīng)用

王長風(fēng)

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局326地質(zhì)隊(duì)， 安徽安慶 246003）

0 引言

巖溶是灰?guī)r地區(qū)常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象，巖溶塌陷也是一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。懷寧縣黃嶺村位于灰?guī)r區(qū)段內(nèi)，歷史上有幾處多次發(fā)生塌陷，導(dǎo)致田地陷落，房屋開裂，居民的生產(chǎn)和生活安全受到威脅，災(zāi)害防治刻不容緩。為做好防治工程設(shè)計(jì)，采用綜合物探方法對巖溶塌陷程度嚴(yán)重地段進(jìn)行詳細(xì)勘查。

1 地質(zhì)概況

勘查區(qū)內(nèi)地層較簡單，下伏基巖地層為三疊系下統(tǒng)南陵湖組，主要為灰?guī)r，由于受熱接觸變質(zhì)作用的影響，局部變質(zhì)為大理巖。上覆第四系是全新統(tǒng)沖洪積層及上更新統(tǒng)坡洪積層，巖性主要為粉質(zhì)粘土、細(xì)砂、中粗砂、礫石及卵石。工區(qū)附近有一些近南北向壓扭性斷層及北西向張扭性斷裂。

2 地球物理特征

第四系巖性為粉土、粉質(zhì)粘土、砂及礫卵石，含水量大時(shí)電阻率較低，約在30～50Ω.m之間?；鶐r是南陵湖組（T1n）石灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化層電阻率在一般在100～400Ω.m；中風(fēng)化層電阻率在一般在600Ω.m左右；微風(fēng)化及完整的基巖電阻率可達(dá)1000Ωm以上。它們與含碎石粘性土存在明顯的電性差異。溶洞及土洞內(nèi)無充填物時(shí)阻值較高，有充填物時(shí)電阻率較低，一般在40～100Ω.m之間。這些電性差異是高密度電法和瞬變電磁法勘探的前提條件，通過測量并對比電性差異，推斷地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

電磁波在不同的介質(zhì)中傳播的速度不一樣，覆蓋層與下伏風(fēng)化程度不等的基巖、溶洞洞壁以及破碎帶與完整圍巖之間，波阻抗存在明顯的差異性，電磁波在這些巖性界面或物性突變點(diǎn)將產(chǎn)生反射和繞射，在地質(zhì)雷達(dá)剖面影像中產(chǎn)生波形上的變化，顯示出與背景波形影像不同的異常特征，這些為地質(zhì)雷達(dá)勘探提供了地球物理前提。

地震波在不同的介質(zhì)中傳播速度是不一樣的，井間透射測井就是通過測量波速差異來劃分不同的巖性層；以及測量巖溶區(qū)域波速在鉆孔注漿前后發(fā)生的變化。

3 工作方法技術(shù)

3.1高密度電阻率法

這種方法是集電阻率測深和電阻率剖面法為一體的電法，一次性布極，密集采樣，減少了野外觀測誤差，同時(shí)數(shù)據(jù)采集量大。

儀器采用重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2型高密度電阻率測量系統(tǒng)；觀測裝置：施貝2；極距3m；隔離系數(shù)：1～24；電極數(shù)：1～120。這種裝置測量具有分辨率高和生產(chǎn)效率高的特點(diǎn)，室內(nèi)數(shù)據(jù)處理時(shí)，利用專門的反演軟件（驕佳）進(jìn)行二維電阻率反演。

3.2地質(zhì)雷達(dá)法

這種方法是基于不同的介質(zhì)對電磁波反射程度不同的特點(diǎn)，通過特制的天線向地下發(fā)射短脈沖電磁波，再利用接收天線接收反射回來的電磁波，通過記錄的相關(guān)參數(shù)（如反射時(shí)間、波形、頻率及幅度等），來推斷目標(biāo)物的形狀、深度及介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

儀器選用加拿大的EKKO PRO型地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)，使用中心頻率為100MHz的天線系統(tǒng)；記錄長度：T=300.0ns和600.0ns；采樣間隔：dt=0.8ns和1.6ns；道間距：dx=0.25m；天線間距：L=2.0m和1.0m；天線頻率：f=50MHz；脈沖電壓：1000V；疊加次數(shù)：N=64次。野外數(shù)據(jù)經(jīng)過信號校正、信號增益、中值濾波、平滑濾波、一維頻率濾波和二維頻率濾波處理后成像。

3.3瞬變電磁法

是利用專門的天線（不接地回線）向地下發(fā)送脈沖磁場，產(chǎn)生一次場信號，再利用相應(yīng)的天線接收因感應(yīng)產(chǎn)生的二次磁場信號，該二次磁場是是非穩(wěn)定磁場。不同介質(zhì)受脈沖磁場激發(fā)產(chǎn)生的二次磁場信號特性不一樣。瞬變電磁法就是利用該原理，它主要觀測感應(yīng)電動(dòng)勢、磁場和電場3種參數(shù)。

儀器采用EMRS-2B型微機(jī)電磁勘探儀（西安強(qiáng)源物探研究所生產(chǎn)），用隨機(jī)配備的48V可充電電池提供電源，發(fā)射電流350A，脈沖寬度4ms，分辨率0.1μv，抗干擾能力強(qiáng)（大于60db），點(diǎn)距5m。采集回來的數(shù)據(jù)也用該廠配置的處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得可供解釋的電阻率斷面圖。

3.4井間透射測井

井間透射測井是在相鄰的兩口井中，分別放置震源和檢波器，在要勘查的目的層內(nèi)部或目的層附近激發(fā)地震波，在另一口井同樣的層位觀測接收地震波，記錄地震波的頻率、走時(shí)和振幅等信息，再結(jié)合鉆井等地質(zhì)資料進(jìn)行綜合分析，推斷地下兩井之間地質(zhì)體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和有關(guān)物性的空間分布。

震源采用湖南岳陽奧成科技有限公司生產(chǎn)的大功率“電火花陸地測井震源（組合式）”，檢波器采用該公司的12道串式檢波器，相鄰道間距2m，頻率范圍：10Hz～60KHz；地震儀也是該公司生產(chǎn)的的“多道數(shù)字高分辨率地震儀”，每通道最高采樣間隔8us，以24道為一個(gè)基站。

3.5測線布設(shè)

勘查區(qū)因地制宜布設(shè)6條近似平行的物探綜合剖面（見圖1），每種物探方法相同的點(diǎn)號對應(yīng)相同的點(diǎn)位，點(diǎn)號間隔對應(yīng)實(shí)際距離（m）。

圖1 物探工作實(shí)際材料圖Figure 1.Map of original data of geophysical exploration

4 成果解譯推斷

野外資料經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理成圖后，以剖面為單元編繪6張綜合物探成果圖進(jìn)行解譯推斷，由于篇幅限制，以1線為例說明，物探綜合斷面圖如圖2所示。

從高密度電法斷面圖上看，該斷面電性層明顯劃分為3個(gè)電性層：近地表為低阻層，阻值介于20～40Ω.m之間；剖面最下面一層是高阻層，阻值大于120Ω.m；中間一層厚度不一，是中高阻層，阻值介于40～120Ω.m之間。剖面在點(diǎn)號130～165、195～215及270～290三段，中下部電阻率較低。

結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行如下推斷：與電性層相對應(yīng)，該剖面從上到下也劃分為3個(gè)巖性地層，最上面一層3～7m左右，是第四系的粘土層及砂、礫石層；中間，一般厚4～9m，局部厚度達(dá)到20m左右，是強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化灰?guī)r，在視電阻率曲線畸變下凹處，巖溶發(fā)育或存在地質(zhì)構(gòu)造；下面是較完整的灰?guī)r。

瞬變電磁法電阻率斷面圖與高密度電法視電阻率斷面圖非常相似，曲線形態(tài)一致，阻值大小也非常接近，從上到下也是劃分為三個(gè)電性層，在點(diǎn)號90～170及250～290兩處，電阻率曲線畸變下凹，這也是巖溶裂隙及灰?guī)r局部溶蝕的表現(xiàn)。只是該方法表層精度低一點(diǎn)，但勘探深度大，它與高密度電法對應(yīng)關(guān)系良好。

地質(zhì)雷達(dá)斷面圖上，根據(jù)波形的變化也分為三層，最上面一層厚變化基本與高密度電法所反映的同步；中下部有幾處影像有明顯的異常，如在點(diǎn)號120～160、220～285兩處，波形變化較明顯，推斷有巖溶。該種方法勘探深度稍淺些，但劃分淺部巖性層，精度較高。

其他5條剖面解譯類似，再結(jié)合每條剖面的平面位置、剖面異常的相似性及此處地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)，推斷了4條構(gòu)造破碎帶，依次是F1、F2、F3和F4（見圖1）。

圖2 1線物探綜合剖面成果及解譯圖Figure 2.Comprehensive geophysical profile results and interpretation of line 1

5 井間透射測井成果解譯

根據(jù)物探綜合勘查成果，結(jié)合地質(zhì)及巖溶塌陷發(fā)育特征，參考以往該區(qū)治理經(jīng)驗(yàn)，此處擬采用鉆孔注漿法進(jìn)行巖溶塌陷區(qū)治理，為了了解該方法的實(shí)際效果，采用井間透射測井進(jìn)行測試。為此選擇了三個(gè)鉆孔（見圖1）。注漿前后共測試了5對井，即注漿前井zk01-03、zk02-01和zk02-03及注漿后井zk02-01和zk02-03。注漿前井zk01-03的最小、最大和平均速度分別為17566m/s、26326m/s和2383m/s；zk02-01井注漿前后對應(yīng)井段的最小、最大和平均速度分別為16266m/s、28156m/s及2339m/s和19476m/s、34066m/s及2795m/s；同一點(diǎn)位速度絕對提高的程度也不一樣，速度增量最小值、最大值和平均值分別為2266m/s、8196m/s和466m/s，相對提高的最小、最大和平均速度分別為9.3%、43.8%和23.2%；zk02-03井注漿前后對應(yīng)井段的最小、最大和平均速度分別為18516m/s、29366m/s及2516m/s和22696m/s、39506m/s及3101m/s，速度增量最小值、最大值和平均值分別為 2176m/s、9396m/s和585m/s，相對提高的最小、最大和平均速度分別為8.7%、35.6%和24.0%（見表1和圖3）。說明：注漿前后的速度最小與最大，并不是一一對應(yīng)關(guān)系，表2中的絕對提高值不是對應(yīng)加減關(guān)系。在注漿之前，井區(qū)海拔高程高于12m的層位為低速區(qū)，其速度為1600～2000m/s之間，推斷為第四系；高程低于12m的層位為相對低速區(qū)，其速度約為2100～2800m/s，推斷為基巖裂隙發(fā)育段。注漿后低速區(qū)速度提高至約為1900～2500m/s，相對低速區(qū)速度提高至約為2500～3400m/s，鉆孔注漿后，波速明顯地提高了，說明此處原來波速低的松散地層以及存在巖溶、裂隙的灰?guī)r，注漿后膠結(jié)在一起，并且地層膠結(jié)程度較好，達(dá)到了防治工程的預(yù)期效果。

表1 巖溶塌陷點(diǎn)注漿前后波速對比表Table 1.Comparison of wave velocity before and after grouting at karst collapse point

6 結(jié)語

本次采用高密度電法、瞬變電磁法及地質(zhì)雷達(dá)三種物探方法對巖溶塌陷區(qū)進(jìn)行綜合勘查，這三種方法勘查成果互相比較和補(bǔ)充，綜合判斷解釋，有效地減少了物探解譯多解性。圈定了塌陷區(qū)范圍，并對巖溶進(jìn)行了定性分析。后期進(jìn)行了驗(yàn)證，鉆孔14個(gè)，見溶洞孔7個(gè)；有的一孔多洞，鉆孔見洞17處；洞高0.2～10.25m，平均洞高1.43m；分布在6～15m之間，證明物探勘查效果良好。

通過井間透射測井法，檢測巖溶塌陷區(qū)注漿效果，注漿前后地層波速發(fā)生了明顯的變化，說明了這種防治措施有明顯的工程效果，為防治工程設(shè)計(jì)提供了重要參數(shù)。

圖3 透射測井速度分布曲線Figure 3.Transmission logging velocity distribution curve