高密度電阻率法在貴州巖溶地區(qū)塌陷測量效果探討

張德實，楊炳南，沈小慶，何 帥，張德全

(1.貴州省地礦局 103地質(zhì)大隊，貴州 銅仁 554300；2.中國地質(zhì)大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

1 引 言

高密度電阻率法(也稱高密度電法)是以巖、礦石之間電性差異為基礎(chǔ)的直流電阻率法，集電阻率測深法和電阻率剖面法于一體，一次布極即可以完成縱、橫向二維勘探過程，既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化，又能提供地層沿縱向的電性變化情況[1]。該方法具有觀測精度高、數(shù)據(jù)采集量大、地質(zhì)信息豐富、生產(chǎn)效率高、探測深度靈活等特點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)勘查工作中[2，3]。

2 塌陷點(diǎn)概況

塌陷點(diǎn)位于兩棟樓房之間，塌陷地面位置呈橢圓狀，長軸方向正南北，短軸方向正東西，長軸半徑約1 m，短軸半徑約0.5 m，可見深度約5 m，可見塌陷底部為垮塌黏土、石塊。塌陷點(diǎn)近地表有東西向、南北向生活污水管道，管道已斷裂，污水自然向塌陷位置排泄，可見塌陷底部周圍黏土顏色偏深，濕水跡象明顯(圖1)。

圖1 塌陷點(diǎn)現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1 Collapse photos

3 地質(zhì)地球物理特征

工作區(qū)場地基巖為三疊系下統(tǒng)茅草鋪組(T1m)灰?guī)r，原生第四系(Q)浮土約2 m，后因住宿樓建設(shè)，場地在回填0～6 m不等黏土后形成較為平整的現(xiàn)有場地條件。

工勘鉆孔顯示整個工作區(qū)基巖面起伏較大，節(jié)理裂隙比較發(fā)育，縱向規(guī)模0.5～2 m的土洞(充填型溶洞)在不同位置發(fā)育。根據(jù)塌陷實情與鉆孔控制建立的地質(zhì)模型如圖2所示。

本次工作采用小四極法[4]對工區(qū)內(nèi)露頭巖石、黏土、生活污水等進(jìn)行了多次測量，得到的電性參數(shù)統(tǒng)計于表1。

1-回填土；2-三疊系下統(tǒng)茅草鋪組灰?guī)r；3-塌方堆積體；4-土(充填型溶)洞；5-鉆孔圖2 塌陷位置地質(zhì)模型Fig.2 Geological model map of collapse location

表1 工區(qū)巖石電性參數(shù)

Table 1 Electrical parameters of rock in the working area

根據(jù)測定的電性參數(shù)可知，三疊系下統(tǒng)茅草鋪組灰?guī)r電阻率為412～1 661 Ω·m，平均值788 Ω·m；工區(qū)的回填土層電阻率為33～254 Ω·m，平均值130 Ω·m；自來水的電阻率為35～45 Ω·m，平均值40 Ω·m；生活污水因為參入雜質(zhì)導(dǎo)致電阻率比自來水小，約為1～35 Ω·m，平均值20 Ω·m；根據(jù)以往類似工作區(qū)數(shù)據(jù)，無物質(zhì)填充的溶洞電阻率較大[5，6]，而充填淤泥或富含水的溶洞往往電阻率較低，此為高密度電法在本區(qū)實施的物性前提。

4 工作方法及數(shù)據(jù)處理

4.1 方法原理

4.1.1 數(shù)據(jù)觀測原理

高密度電法用供電電極(A、B)向地下供直流(或超低頻)電流(I)，同時在測量電極(M、N)間觀測電勢差(ΔUMN)，并計算出視電阻率(ρs)[7]，K為裝置系數(shù)。

(1)

4.1.2 反演原理

本次數(shù)據(jù)處理反演方法選擇的是最小二乘法反演法，其主要是以平滑限定的最小二乘法為基礎(chǔ)，對二維視電阻率斷面進(jìn)行反演。計算過程首先假設(shè)反演的視電阻率模型是由許多電阻率值為常數(shù)的矩形塊組成，通過迭代非線性最優(yōu)化方法確定每一小塊的電阻率值，因為利用了平滑限定條件下的最小二乘法，所求出的電阻率值與實際測量的視電阻率值將非常接近。平滑限定的最小二乘法方程為：

(2)

4.2 數(shù)據(jù)采集及處理

本次工作剖面布置東西向穿過已發(fā)生塌陷位置，采用溫納裝置[10]，點(diǎn)距2 m，電極90道，斷電時間0.5 s，隔離系數(shù)20。數(shù)據(jù)采集使用了重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的DUK-2A高密度電法測量系統(tǒng)(圖3)。

數(shù)據(jù)處理主要步驟包含(圖4)：

1)剔除電極接地不好等因素引起的數(shù)據(jù)壞點(diǎn)和突變點(diǎn)；

2)建立不同類型模型進(jìn)行反演，得到理論模型反演視電阻率斷面圖[11]；

3)用剔除壞點(diǎn)后的測量數(shù)據(jù)正演和反演，得到實際測量數(shù)據(jù)的正、反演視電阻率斷面圖，分別對比反演模型與實測視電阻率斷面圖，綜合分析解釋高密度電阻率法測量成果。

圖3 測量剖面布置Fig.3 Survey section layout

5 剖面綜合解釋

5.1 建模及反演

根據(jù)塌陷位置實情，用RES2DMOD[12,13]軟件建立三個模型：一是全部高阻(模擬無充填物溶洞)的模型；二是全部低阻(模擬全充填泥質(zhì)或水等物質(zhì)溶洞)模型；三是與實情較吻合的上高阻(模擬塌陷形成的上部空洞)、下低阻(模擬塌陷下方充填型含水土洞)模型。再用RES2DINV軟件反演得到三個模型的反演斷面圖進(jìn)行對比分析研究。

無充填型溶洞模型反演斷面圖表現(xiàn)出視電阻率高阻圈閉的電性特征，兩側(cè)對稱出現(xiàn)“八字形”異常，視電阻率值比中間位置偏小。高阻異常中心埋深比模型體中心埋深略淺(圖5)。

全充填型溶洞模型反演斷面圖表現(xiàn)出視電阻率低阻圈閉的電性特征，兩側(cè)對稱出現(xiàn)“八字形”異常，電阻率值比中間位置偏大。低阻異常中心埋深比模型體中心埋深略深(圖6)。

半充填型溶洞模型反演斷面圖表現(xiàn)出視電阻率高阻圈閉與低阻圈閉等縱軸出現(xiàn)的電性特征，形態(tài)與水槽實驗中獨(dú)立高阻、低阻球狀體異常相似[14]。埋深更深、與“圍巖”電性差異更小的低阻形態(tài)范圍，大于埋深較淺、與“圍巖”電性差異更大的高阻體形態(tài)，且在橫向兩側(cè)對稱出現(xiàn)“八字形”異常。高、低阻異常接合部位置中心埋深與模型體中心埋深趨近一致[15](圖7)。

圖5 無充填溶洞模型及反演斷面Fig.5 Emptily filled karst cave model and inversion section map

圖6 全充填溶洞模型及反演斷面Fig.6 Fully filled karst cave model and inversion section map

圖7 半充填溶洞模型及反演斷面Fig.7 Half-filled karst cave model and inversion section map

5.2 實測數(shù)據(jù)及反演

圖8 測量數(shù)據(jù)視電阻率斷面Fig.8 Forward of apparent resistivity profiles

實測數(shù)據(jù)視電阻率斷面圖(圖8)顯示塌陷位置淺地表有局部高阻異常，塌陷下方有不規(guī)則低阻圈閉異常，異常頂界埋深4.5 m，底界埋深8 m，底界與G3鉆孔控制的土(溶)洞底界差0.9 m。

圖9 測量數(shù)據(jù)反演視電阻率斷面Fig.9 Inversion of apparent resistivity profiles

實測數(shù)據(jù)反演視電阻率斷面圖(圖9)顯示，塌陷位置淺地表有局部高阻異常，塌陷下方有不規(guī)則低阻圈閉異常，異常頂界埋深5 m，底界埋深9 m，底界埋深與G3鉆孔控制的土(溶)洞底界趨于一致，比正演同位置低阻異常范圍略大。低阻異常兩側(cè)有明顯“八字形”低阻異常對稱出現(xiàn)，淺地表高阻異常兩側(cè)有較明顯“八字形”高阻異常對稱出現(xiàn)。

6 結(jié) 論

通過對高密度電法在該工區(qū)測量成果的分析研究，得出以下結(jié)論：

1)獨(dú)立的無充填型溶洞在反演斷面圖上表現(xiàn)出高阻圈閉異常形態(tài)，兩側(cè)有對稱“八字形”高阻異常出現(xiàn)，反演高阻異常中心埋深比模型體中心埋深略淺。

2)獨(dú)立的全充填型溶洞在反演斷面圖上表現(xiàn)出低阻圈閉異常形態(tài)，兩側(cè)有對稱“八字形”低阻異常出現(xiàn)，反演低阻異常中心埋深比模型體中心埋深略深。

3)半充填型溶洞在反演斷面圖中表現(xiàn)出高阻圈閉與低阻圈閉異常等縱軸出現(xiàn)的形態(tài)，且在橫向兩側(cè)對稱出現(xiàn)“八字形”異常。高、低阻異常接合部位置中心埋深與模型體中心埋深趨近一致。

4)實測數(shù)據(jù)視電阻率斷面圖能夠反映有鉆孔控制的隱伏溶洞二維形態(tài)，頂界、底界埋深比實際位置略淺，兩側(cè)對稱“八字形”異常不明顯。

5)實測數(shù)據(jù)反演斷面圖能夠反映有鉆孔控制的隱伏溶洞二維形態(tài)，頂界埋深比實際位置略淺，底界埋深與實際位置較接近，兩側(cè)對稱“八字形”異常明顯。

6)本文介紹的巖溶地區(qū)塌陷案例用半充填溶洞模型反演分析，結(jié)合高密度電法測量數(shù)據(jù)正、反演成果研究，能夠獲得誘發(fā)地面塌陷的深部巖溶縱向深度、橫向規(guī)模及形態(tài)，對于塌陷的評估、治理提供科學(xué)依據(jù)。