一種改進的電法勘探技術在探測隱伏溶洞的應用

黃啟霖，尹努尋，楊 武，楊德智，金少榮，宋順昌，陳先童，呂天江，宋啟文

(貴州省地礦局地球物理地球化學勘查院，貴州 貴陽 55018)

貴州巖溶發(fā)育強烈，巖溶類型齊全，巖溶及巖溶地下水極為豐富(韓至鈞，1996)，這一地質特征導致我省工程項目建設，特別是對清潔能源(如煤層氣、頁巖氣)探采井工程選址造成困難，工程建設(施工)過程中常因地下暗河、溶洞等巖溶地質隱患體極大地影響施工周期，甚至成為廢井，造成的重大經(jīng)濟損失和安全事故，所以，在工程建設選址勘察時精準查明隱伏溶洞情況意義重大。目前，地球物理探測隱伏溶洞的方法較多，主要的方法有高密度電阻率法、地質雷達、淺層工程地震法(反射法、折射法、瑞雷波法和映像法)、微重力法、高精度磁測法、地脈動法和測井等方法(趙仁基等，2009)，但這些方法探測深度淺，大多數(shù)在30 m以淺，且精度不高，或者為剖面探測方式，很難實現(xiàn)對地下隱伏巖溶地質精準勘查。鑒于此，本文針對隱伏溶洞探測問題提出一種改進的電法勘查技術，該技術以直流電法理論為基礎，根據(jù)視電阻率微分式中電流密度分布特征總與供電電極AB一一對應，利用微分統(tǒng)計原理，不斷加密或增大供電極距AB求取近似連續(xù)視電阻率地電斷面，從而實現(xiàn)300 m以淺的巖溶地質層不同探測精度需求，為巖溶地區(qū)隱伏溶洞探測提供了一種新的方法。

1 研究區(qū)地質及地球物理特征

1.1 研究區(qū)地質特征

研究區(qū)位于貴州省務川縣青龍村青龍煤礦礦區(qū)，該礦區(qū)地質為碳酸鹽巖沉積地區(qū)(朱永紅，2010)(圖1)，出露地層有第四系Q浮土層，以灰?guī)r、粘貼巖為主的三疊系下統(tǒng)夜郎組T1y，以灰?guī)r為主的二疊系上統(tǒng)長興組P3c，以灰?guī)r、粘貼巖及砂泥巖為主的二疊系上統(tǒng)吳家坪組P3w，以灰?guī)r為主的二疊系中統(tǒng)茅口組P2m。電法探測區(qū)東南向分布有一條北東-南西向的向斜構造和一條正斷裂，同區(qū)有一條西南-北東流向的地表河流，區(qū)域內溶蝕漏斗發(fā)育，測區(qū)整體造發(fā)育，地表水和地下水豐富，探測區(qū)煤炭儲量勘探孔Zk1501在深102～112 m處揭露大型溶洞，為此，選取該探測區(qū)作為貴州典型的巖溶地質精細化探測研究區(qū)，具有代表意義。

圖1 務川縣青龍煤礦地質及電法工作布置圖

1—三疊系下統(tǒng)夜郎組；2—二疊系上統(tǒng)長興組；3—二疊系上統(tǒng)吳家坪組；4—二疊系中統(tǒng)茅口組；5—二疊系中統(tǒng)棲霞組；6—研究區(qū)某煤礦礦權范圍；7—高密度電法測線及改進的電法勘探技術采樣點；8—正斷層；9—地質勘探線及鉆孔編號；10—地層界線；11—煤層線；12—產(chǎn)狀；13—向斜構造；14—電法重點研究區(qū)；15—河流

1.2 地球物理特征

在收集以往相鄰工作區(qū)物性資料的基礎上，結合測區(qū)內實施煤炭勘探的10個鉆孔電測井資料，統(tǒng)計歸納了本區(qū)各巖性層電性特征(表1)。

根據(jù)各地層巖性及巖石組合類型分析，以三疊系下統(tǒng)夜郎組二段泥灰?guī)r和灰?guī)r、二疊系上統(tǒng)長興組灰?guī)r、二疊系中統(tǒng)茅口組灰?guī)r為主的巖性層呈相對高阻特征，電阻率值在1 000 Ω·m以上；以三疊系下統(tǒng)夜郎組一段粉砂泥巖、二疊系上統(tǒng)吳家坪組燧石團塊灰?guī)r、硅質巖、粉砂巖泥巖、粘土巖及煤層組成的巖性層呈相對低阻的物性特征，電阻率值在500 Ω·m以下。

表1 巖(礦)石電性參數(shù)特征統(tǒng)計

綜上，由于測區(qū)構造發(fā)育，地下水豐富，導致巖溶地質發(fā)育，各地層巖性電阻率變化大，但地電斷面整體反映為高阻-低阻-高阻特征仍然明顯，各巖性層組合整體間電阻率差異明顯，具備電法勘查的物性基礎。

2 電法勘探基本方法與技術改進分述

2.1 電法勘探基本方法

電法勘探方法是以電場理論為數(shù)學物理基礎，以研究對象與周圍環(huán)境介質體間電性差異為物質基礎，通過研究穩(wěn)定電場在地下半空間的分布規(guī)律，分析推測研究對象(地質體)的埋深及其展布等地質問題的一種勘探方法。根據(jù)供電極與測量電極的排列布局的不同常常分為剖面測量和測深測量兩種探測方式，電法測深的電極布設常常遵循以下原則：一是確保最小供電電極ABmin應小于第一電性層厚度h1米；二是確保最大供電電極ABmax應大于最大目的層厚度的兩倍2NHn-1米；三是各供電電極AB在以AB/2為對數(shù)軸上應均勻分布，一般使相鄰兩供電電極距在數(shù)模為6.25cm對數(shù)紙上相距約0.5～1.5 cm，采樣點分布詳見圖2(c)，圖中△A為供電電極AB的變化量，△h為隨供電電極的遞增變化達到探測不同深度的遞增變化量，單位為米，從而實現(xiàn)對不同深度電性層的探測；四是一般確保測量電極與供電電極之比大于或等于1/30。

2.2 技術改進分述

該技術在直流電阻率測深法技術成熟理論的基礎上，根據(jù)電場理論及其特征，地面任意兩個異性點電流源A、B在地下介質中的電場、電位和電流場分布特征(傅良魁，1983)詳見(圖2)，可得出兩個基礎規(guī)律為：一是越靠近電極，電位變化越大，在AB中間三分之一至二分之一的地段電場、電位相對穩(wěn)定，這就是電法數(shù)據(jù)采集段設計在A、B電極間中部原因(圖2(a))；二是供電電極附近及之間近地表電流密度較大，隨著深度h的增加迅速衰減(圖2(b))。為了求取A、B兩電極間任意一h深度處點M點形成的電位及電流密度分布規(guī)律，根據(jù)電場的疊加原理，可推出電位及電流密度具體表達式如下式2.1、2.2：

2.1

2.2

2.3

其中，AB=2L，j為電流密度，I為電流。

實線曲線為等電位線，虛線曲線為等電流線

電法改進技術是電法測深技術的基礎上，根據(jù)視電阻率微分統(tǒng)計原理，利用電流密度分布規(guī)律與供電電極AB的分布總存在著一定的對應關系，在野外同一供電測線(剖面)上，通過不斷加密改變供電極距AB的位置，觀測測量電極MN之間的電性參數(shù)變化，使供電電極遞增變化量△A趨于無窮小，實現(xiàn)垂向探測遞增△h趨近于無窮小，進而實現(xiàn)探測視電阻率變化趨近于連續(xù)曲線(圖2(d))，求取剖面相應縱向空間上，較大深度的(近地表的)近似連續(xù)視電阻率地電斷面異常。該種技術除具有常規(guī)電法的特征和優(yōu)勢外，較常規(guī)電法(圖2(c))分別率得到顯著提高，且可根據(jù)探測對象規(guī)模靈活設計△A和△h值，實現(xiàn)對目標體的高精度探測。

電法改進技術實在傳統(tǒng)電法基礎上，通過改變供電電極及測量電極，以實現(xiàn)較傳統(tǒng)電法更高分辨率要求，高密度電法是兼顧傳統(tǒng)剖面電法和傳統(tǒng)測深的一種組合探測方法，電法改進技術較高密度電法在布極及分辨率上更具針對性，在探測精度和探測深度較高密度電法更具優(yōu)勢。

2.3 巖溶地質模型分析

2.3.1 正演模型建立

目前，直流電法正演模型常用方法有二維有限單元法(周熙襄，1982)、積分方程法(G等，1982)、有限差分法(Macki，1994)和邊界元法(楊長福等，2005)，由于有限元法或有限差分法可以改進計算電阻率的精度，對計算機的內存要求低，有效提高了計算效率，且對網(wǎng)格適應性強，方法技術研究較為成熟等優(yōu)勢受到大眾青睞。因此，本文選取了RES2DMOD ver.3.01(Loke，2002)正演模擬軟件對巖溶地質模型進行模擬計算，模型按照研究區(qū)煤炭勘探實測剖面1501成果，綜合鉆孔Zk1501揭露地質及巖溶情況設計初始模型參數(shù)，測區(qū)地層傾角在10°以內，故本次就忽略地質對模型的影響。設計模型主要參數(shù)(圖3(a))為：第一層為第四系(Q)泥巖，厚度15 m，電阻率值為100 Ω·m；第二層為三疊系下統(tǒng)夜郎和三疊系上統(tǒng)長興組(T1y+P3c)泥灰?guī)r和灰?guī)r，厚度為105 m，電阻率值為1 000 Ω·m，該層設計有一溶洞，寬160 m，高60 m，電阻率值10 000 Ω·m；第三層為二疊系上統(tǒng)吳家坪組P3w灰?guī)r、粘土、泥巖和炭質泥巖，厚110 m，電阻率值為500 Ω·m；第四層為二疊系中統(tǒng)茅口組P2m灰?guī)r，厚100 m，電阻率值為4 000 Ω·m；為滿足探測300深度，確保目標體有不少于三個探測點覆蓋，由于受正演軟件網(wǎng)格模塊深度計算限制，本次擬設定電極距為20 m，電極數(shù)量100個，模型中的模塊數(shù)為198塊，偽剖面數(shù)28層，增加外界噪聲影響6%。

2.3.2 反演剖面對比分析

根據(jù)上述模型參數(shù)，利用RES2DMOD ver.3.01正演模擬軟件分別進行了溫納排列(Wenner Alpha)、偶極排列(Wenner Beta)和微分排列(Wenner Gamma)正演模型計算，再利用RES2DINV軟件進行理論模型反演計算。圖3中(b)為改進電法技術微分排列(γ)測量電性斷面，(c)為改進電法技術偶極排列(β)測量電性斷面，(d)為改進電法技術溫納排列(α)測量電性斷面，三種裝置成像色譜圖均反映出模型設計的四層電性層，與設計巖溶地質模型的“低-高-低-高”電性層對應，均能反映出設計溶洞模型，分層對比分析：淺部低阻層電阻率在150 Ω·m左右，對應設計地層第四系覆蓋層泥巖；地下15～110 m間為第二電性層，電阻率值為1 200 Ω·m，與模型第二電性層對應，微分排列測量各設計電性層和目標體的電阻率值、電性分界面、目標體形態(tài)與設計值最為接近(圖3(b))，對該層分辨最好，偶極次之，溫納最差；地下110～220 m間為第三電性層，電阻率值為500 Ω·m，與模型第三電性層對應，同樣可以看出，微分排列對該層分辨最好，偶極次之，溫納最差；地下220m以深為第四電性層，電阻率值為4 000 Ω·m，與模型第四電性層對應，微分排列對該層分辨最好，偶極次之，溫納最差；對溶洞模型反映的分析：三種裝置成像色譜圖均能有效識別出溶洞模型特征，分布于剖面860～1 020 m段，埋深60～80 m，電阻率4 200 Ω·m，與設計溶洞模型對應，微分排列測量成果顯示和目標體的電阻率值、電性分界面、目標體形態(tài)與設計值最為接近，可見，微分排列對溶洞模型分辨也是最好，偶極次之，溫納最差。

2.3.3 計算方法精度統(tǒng)計

上述排列裝置在相同模型初始條件下，均按照改進的電法技術加密測點，微分排列探測深度最大，測量點密度最大，偶極裝置次之，溫納裝置最差，由圖3和表2統(tǒng)計出三種計算方法的效果對比為：溫納排列裝置對第四系泥巖的反映深度和電阻率值最接近設計電性層，誤差為4.27%；微分排列裝置對夜郎組、長興組T1y+P3c灰?guī)r及泥灰?guī)r反映深度和電阻率值最接近設計電性層，誤差為1.26%；微分排列裝置對吳家坪組P3w灰?guī)r、泥巖及炭質泥巖反映深度和電阻率值最接近設計電性層，誤差為1.82%；微分排列裝置對茅口組P2m反映深度和電阻率值最接近設計電性層；微分排列裝置對設計溶洞反映深度、形態(tài)和電阻率值最接近設計電性層，誤差為6.94%；通過巖溶地質模型模擬計算及反演，三種排列裝置按照改進的電法技術均實現(xiàn)了高精度探測；微分排列裝置理論反演結果整體上最接近設計模型，對設計模型4個電性層和高阻溶洞邊界反映明顯，反演厚度與設計厚度誤差最小，平均誤差為3.67%，偶極裝置探測效果次之，溫納裝置探測效果最差，平均誤差為13.88%；探測分辨率與有效探測深度和垂向測點密度呈正相關，在能保證有效探測深度足夠大，測點密度足夠大，探測精度越高。

圖3 設計的溶洞正演模型及三種電法裝置反演剖面異常效果對比圖

1—三疊系下統(tǒng)夜郎組；2—二疊系上統(tǒng)長興組；3—二疊系上統(tǒng)吳家坪組；4—二疊系中統(tǒng)茅口組；5—二疊系中統(tǒng)棲霞組；6—正演模型設計及參數(shù)；7—微分排列理論反演斷面；8—偶極排列理論反演斷面

表2 三種排列裝置理論反演成果誤差統(tǒng)計表

3 方法應用實例分析

3.1 野外觀測

為達到對務川縣青龍煤礦指定區(qū)域隱伏溶洞精準探測，本次采樣采用重慶地質儀器廠DUK-2A電法測量系統(tǒng)。測量方法主要有：高密度電法、電法改進技術測量(包含施能貝爾排列高密度測深和對稱四極排列測深)和傳統(tǒng)電法對稱四極測深，其中，電法改進技術施能貝爾排列高密度測深是按照電法改進技術原理進行測點設計，利用高密度電法系統(tǒng)電極轉換器優(yōu)勢及其布設剖面，實現(xiàn)一次布極，完成高密度電法和電法改進技術施能貝爾排列高密度測深測量。完成電法改進技術野外數(shù)據(jù)采樣點12個點，常規(guī)電法測深野外數(shù)據(jù)采樣點12個點(圖1)，高密度電法測量剖面1條和電法改進技術施能貝爾排列高密度測深剖面1條。其中，電法改進技術采用對稱四極排列進行數(shù)據(jù)采樣，主要是通過不斷加密供電電極距來實現(xiàn)大數(shù)據(jù)采集目的，以此實現(xiàn)高精度探測要求，探測原理及垂向探測點密度詳見圖2、圖4所示；高密度電法數(shù)據(jù)采樣采用微分裝置；測區(qū)地層傾角小于10°，剖面沿線為第四系浮土覆蓋，未見基巖出露，坡度小于15°，可近似忽略地形影響，高密度電法剖面、電法改進技術與常規(guī)電法測深剖面均編號為G1501，與煤炭勘探剖面14線同向，三種方法剖面為同一剖面，且均通過鉆孔ZK501，剖面方向123°。

3.2 數(shù)據(jù)處理

高密度電法數(shù)據(jù)利用RES2DINV軟件進行數(shù)據(jù)預覽，刪除原始數(shù)據(jù)突跳點、數(shù)據(jù)的圓滑濾波和地形改正，利用軟件中的有限元法和最小二乘法進行反演計算，再利用軟件系統(tǒng)對反演數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化，進而繪制成二維電性斷面圖。

電法創(chuàng)新技術是利用DUK-2A高密度電法測量系常規(guī)電法模塊采集，數(shù)據(jù)利用該系統(tǒng)配帶軟件，刪除原始數(shù)據(jù)突跳點、數(shù)據(jù)的圓滑濾波和地形改正，求取視電阻率，利用Surfer軟件進行成圖數(shù)據(jù)處理，并繪制二維電性斷面圖。

3.3 異常分析

剖面淺部為第四系浮土層，反映為低電阻特征，整條剖面(測線)由淺至深總體表現(xiàn)為“高-低-高” 四層電性層特征(圖4)， 第一電性層總體為相對高阻特征，對應為三疊系下統(tǒng)夜郎組灰?guī)r層，第二電性層總體反映為相對低阻特征，對應為巖溶發(fā)育的二疊系上統(tǒng)長興組灰?guī)r和二疊系上統(tǒng)吳家坪組砂泥巖組合層，第三電性層總體反映為相對高阻特征，對應為二疊系中統(tǒng)茅口組灰?guī)r層；在剖面(圖4(d))0～20 m之間，埋深110～130 m處為高電阻率特征，推測為溶洞(無填充物)反映，對應鉆驗揭露的溶洞；在剖面(圖4(d))30 m附近傾向剖面小號的相對低阻條帶，推測為巖溶破碎帶反映。

3.4 勘查方法統(tǒng)計說明及驗證效果

以原鉆孔Zk501揭露地質及巖溶地質情況為已知點，分別對高密度度電法成果(圖4(a))、傳統(tǒng)電法測深成果(圖4(c))和電法改進技術探測成果(圖(b、d))進行深度校正，由各方法成果與鉆探驗證間誤差進行統(tǒng)計(表3)，綜合圖(4)和表3對各勘查方法統(tǒng)計說明如下：

高密度電法電性斷面能清晰地分別出第四系粘土層、三疊系下統(tǒng)夜郎組泥灰?guī)r層和二疊系上統(tǒng)長興組灰?guī)r地質邊界及巖溶地質發(fā)育情況(詳見圖4(a))，對淺層的分別率高，推測夜郎組T1y/長興組P3c巖性層與鉆孔揭露地層間平均誤差為6.45%，但探測深度有限，未能探測出鉆孔揭露溶洞；

傳統(tǒng)電法測深成果能分別出第四系粘土層、三疊系下統(tǒng)夜郎組泥灰?guī)r層、二疊系上統(tǒng)長興組灰?guī)r和二疊系中統(tǒng)茅口組地質邊界及巖溶地質發(fā)育情況(詳見圖4(c))，推測各巖性層與鉆孔揭露地層間平均誤差為12.16%，但由于傳統(tǒng)電極排列組合測點密度不夠，對鉆孔揭露溶洞反映存在偏差，僅反映出巖溶溶洞邊界風化過渡帶低阻電性特征；

改進的電法技術探測成果能夠高精度地分辨出第四系粘土層、三疊系下統(tǒng)夜郎組泥灰?guī)r層、二疊系上統(tǒng)長興組灰?guī)r和二疊系中統(tǒng)茅口組地質邊界及巖溶地質發(fā)育情況(詳見圖4(d))，推測各巖性層與鉆孔揭露地層間平均誤差為6.71%，新技術通過改變傳統(tǒng)電法測深電極排列，不斷加密電極距，確保探測目標體至少有3個測點覆蓋，對鉆孔揭露溶洞實現(xiàn)精準識別，清晰分辨出高阻溶洞主體和低阻邊界風化帶的電性特征，探測效果最佳。

采用電法勘查技術探測成果重新對ZK1501鉆孔進行選址，并對鉆孔揭露地電斷面進行推測，由圖4(d)和表3成果，推測地電斷面、巖性層厚度與鉆孔實際揭露情況綜合分析：高密度電法推測第四系地層厚度為2.1 m，鉆探揭露該層厚度為2 m，厚度誤差為5%，最接近地層實際厚度；電法改進技術兩種探測成果推測夜郎組T1y地層厚度約為37.09 m，鉆探揭露該層厚度為40 m，厚度誤差為2.39%，最接近地層實際厚度；電法改進技術探測成果推測長興組P3c地層厚度約為137.24 m，鉆探揭露該層厚度為148 m，厚度誤差為7.27%，最接近地層實際厚度，電法改進技術(施能貝爾排列高密度測深)方式探測深度無法達到；電法改進技術探測成果推測吳家坪組P3w地層厚度約為244.73 m，鉆探揭露該層厚度為246 m，厚度誤差為0.52%，最接近地層實際厚度；高密度電法由于受深度限制，無法全面精準探測目標地質斷面全貌，傳統(tǒng)電法測深精度無法精準識別巖性層和目標體，只有電法改進技術實現(xiàn)了高精度識別，精準分辨出各地層組邊界線，準確識別出地層內各巖性分布；精準推測成果為：0～2.44 m，電阻率為200 Ω·m，對應第四系浮土層；2.44～40 m，電阻率為1 000 Ω·m，對應為夜郎組T1y泥灰?guī)r層；40～70 m，電阻率為800 Ω·m，對應為長興組P3c灰?guī)r，巖溶發(fā)育；70～148 m，電阻率為1 000 Ω·m，對應為長興組P3c灰?guī)r含方解石脈；148～188 m，電阻率1 400 Ω·m，對應為吳家坪組P3w灰?guī)r含方解石脈和硅質巖；188～206 m，電阻率1 200 Ω·m，對應為吳家坪組P3w灰?guī)r；206～215 m，電阻率1 000 Ω·m，對應為吳家坪組P3w粘土和鐵質砂巖；215～241 m，電阻率3 000 Ω·m，對應為吳家坪組P3w純灰?guī)r；241～245 m，電阻率1 000 Ω·m，對應為吳家坪組P3w炭質泥巖和煤層；245～280 m，電阻率3 000 Ω·m，對應為茅口組組P2m純灰?guī)r，以上推測經(jīng)鉆探揭露證實各巖性地層及目標體推測誤差在0.52%～7.27%之間。

4 結論

(1)電法改進技術以電法勘探技術方法為基礎，經(jīng)實際項目實踐，是一種較高密度電法及其測深、常規(guī)電法測深，能夠探測的隱伏溶洞深度更深、探測精度更高的測深方法，最大可達300 m。

(2)電法改進技術成果實踐成果證明，電法探測分辨率與有效探測深度和垂向測點密度呈正相關，在能保證有效探測深度足夠大，測點密度足夠大，能夠實現(xiàn)對目標體(層)高精度探測(識別)。

(3)利用電法改進技術在文中研究區(qū)進行巖溶地質探測，效果顯著，平均精度誤差控制在7%以內，值得在巖溶地質勘查中進一步探索實踐。文中選取高密度電法、傳統(tǒng)電法測深和電法改進技術進行探測，電法改進技術探測效果最佳，高密度電法次之，但探測深度有限，常規(guī)電法測深探測效果最差。

1—三疊系下統(tǒng)夜郎組；2—二疊系上統(tǒng)長興組；3—二疊系上統(tǒng)吳家坪組；4—二疊系中統(tǒng)茅口組；5—二疊系中統(tǒng)棲霞組；6—高密度電法電性斷面；7—電法改進技術(施能貝爾排列高密度測深)電性斷面；8—傳統(tǒng)對稱四極測深電性斷面；9—電法改進技術(對稱四極測深)電性斷面；10—推測地質邊界；11—電法改進技術探測段；12—探測點；13—推測溶洞；14—推測巖溶破碎帶

表3 三種方法勘查成果與鉆探驗證誤差統(tǒng)計表