高密度電法與低頻雷達(dá)天線同位置巖溶區(qū)實(shí)測(cè)分析

孫茂銳，陳 超，劉 路，李 星>

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

1 引 言

公路工程中，巖溶區(qū)具有復(fù)雜多變、形態(tài)各異的特點(diǎn)，且其隨機(jī)性和不可預(yù)見(jiàn)性很大，已成為當(dāng)前工程建設(shè)中的一大復(fù)雜地質(zhì)難題。因此，能夠準(zhǔn)確了解巖溶區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和巖溶發(fā)育規(guī)律，為工程設(shè)計(jì)及施工處理提供可靠的依據(jù)顯得尤為重要。巖溶區(qū)域所形成的分界面處存在明顯的物性差異，即介電常數(shù)與電阻率差異很大[1-4]，給巖溶區(qū)的勘探提供了地球物理前提條件。當(dāng)前公路巖溶勘探的主要方法有地質(zhì)雷達(dá)及高密度電法[5，6]，實(shí)際應(yīng)用中均取得了良好的工程效果。

本文以某公路工程巖溶路基為研究對(duì)象，首先沿巖溶路基縱向方向布設(shè)高密度電法測(cè)線，然后根據(jù)高密度電法異常成果，在相同測(cè)線位置布設(shè)地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線進(jìn)行相互驗(yàn)證[7,8]，綜合確定巖溶分布情況。通過(guò)對(duì)兩種物探方法對(duì)比分析研究、相互印證，可以得出綜合物探方法的印證對(duì)比應(yīng)該是全過(guò)程的對(duì)比，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、成果解釋三方面的動(dòng)態(tài)對(duì)比[9-15]。動(dòng)態(tài)分析、動(dòng)態(tài)對(duì)比體現(xiàn)了勘探成果的及時(shí)性、準(zhǔn)確性的特點(diǎn)。[16-18]

2 測(cè)區(qū)概況及測(cè)線布設(shè)

2.1 測(cè)區(qū)概況

測(cè)區(qū)主要穿越侵蝕溶蝕堆積河流階地工程地質(zhì)亞區(qū)，部分為堅(jiān)硬碳酸鹽巖夾半堅(jiān)硬碎屑巖溶丘洼地工程地質(zhì)亞區(qū)，分布有河流，未見(jiàn)大型構(gòu)造經(jīng)過(guò)，上覆第四系覆蓋層主要為澗沙河河流階地沖洪積成因的黏土、卵礫石土組成，具有二元結(jié)構(gòu)，分層厚度約5～15 m不等，在局部底洼地段魚(yú)塘、水稻分布區(qū)，表層分布有厚0.2～2.0 m不等的軟土；下伏地層為泥盆系上統(tǒng)融縣組(D3r)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及石炭系下統(tǒng)巖關(guān)階(C1y)灰?guī)r。地面以下巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，土洞、巖溶及巖溶地面塌陷是該區(qū)主要不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2.2 測(cè)線布設(shè)

根據(jù)巖溶路基設(shè)計(jì)線位及地質(zhì)情況，本次勘探首先在K83+856～K84+100段布置高密度電法測(cè)線，電極距3 m。由于高密度電法測(cè)量剖面的實(shí)時(shí)顯示功能，初步判定K83+920附近電阻率較低，可能為巖溶發(fā)育區(qū)。在高密度電法斷面采集結(jié)束后，立即在K83+870～K83+970段布置地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線，為兼顧勘探深度及分辨率，雷達(dá)天線為25 MHz RTA低頻天線，測(cè)點(diǎn)間距0.5 m(圖1)。

圖1 測(cè)線布置示意Fig.1 Schematic diagram of survey line layout

3 數(shù)據(jù)處理階段對(duì)比分析

3.1 高密度電法

對(duì)采集的高密度電法原始數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法反演處理，迭代5次的電阻率剖面見(jiàn)圖2，該剖面的相對(duì)處理誤差較小，與地質(zhì)雷達(dá)剖面的深度對(duì)應(yīng)關(guān)系吻合較好。另從圖2可看出，該段落地形起伏較小，電阻率整體呈上低下高形態(tài)，層狀變化明顯，層次感較強(qiáng)，表層覆蓋層電阻率約為100～150 Ω·m，連續(xù)性較好，說(shuō)明覆蓋層厚度變化不大，整體覆蓋層厚度在15 m左右。在剖面65～114 m(K83+921～K83+970)，高程119～127 m處存在橫向延伸較長(zhǎng)的低阻異常帶，其電阻率約為40 Ω·m，結(jié)合場(chǎng)地的工程地質(zhì)情況，推測(cè)該異常帶為巖溶發(fā)育區(qū)。

圖2 高密度電法5次迭代反演結(jié)果斷面Fig.2 Resistivity profile of high density electrical method after five iteration inversion

3.2 地質(zhì)雷達(dá)

圖3為經(jīng)過(guò)增益放大、帶通濾波、抽取平均道、地形校正等處理措施后的地質(zhì)雷達(dá)剖面圖，結(jié)合高密度電法數(shù)據(jù)處理結(jié)果，選取該剖面的電磁波傳播速度為0.09 m/ns，判定覆蓋層厚度為15 m左右。另由圖3可以看出，整個(gè)剖面在時(shí)間軸120～420 ns(高程129～141 m)段存在線性延伸的規(guī)律性干擾，推測(cè)為地表的高壓線所致；在剖面74～84 m(K83+944～K83+954)，高程114～128 m集中存在電磁反射波振幅增強(qiáng)、波形雜亂等巖溶異常特征現(xiàn)象，因此推測(cè)該異常為巖溶發(fā)育區(qū)；剖面其他段落及深度范圍也零星分布有巖溶異常特征現(xiàn)象。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)剖面Fig.3 Profile of ground penetrating radar exploration

3.3 對(duì)比分析

在處理階段，高密度電法反演迭代次數(shù)的不同，其覆蓋層深度，異常深度范圍會(huì)有相應(yīng)的變化，就其方法本身來(lái)說(shuō)，多數(shù)會(huì)選擇迭代誤差相對(duì)較小的斷面作為最終的反演解釋斷面。對(duì)于地質(zhì)雷達(dá)的數(shù)據(jù)處理的目的主要有兩個(gè)方面，首先是判定覆蓋層的厚度，第二就是濾波處理使異常的特征能夠最大限度地凸顯出來(lái)，易于識(shí)別。覆蓋層厚度判定的主參數(shù)是電磁波傳播速度，不同巖土具有不同的電磁波傳播速度，同種巖土在不同的環(huán)境下(干燥、潮濕)電磁波傳播速度也是不同的。

綜合對(duì)比分析圖2及圖3，高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)處理參數(shù)的選取是相互促進(jìn)、相互印證的關(guān)系。單方面的考慮一種方法的處理是片面的，只有綜合考慮方法間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，才能給出合理的處理參數(shù)。針對(duì)本次的勘探研究對(duì)象，高密度電法處理階段的迭代次數(shù)5，地質(zhì)雷達(dá)電磁波傳播速度0.09 m/ns，皆為數(shù)據(jù)處理階段各方法處理參數(shù)的最優(yōu)選擇，所得出的剖面對(duì)應(yīng)關(guān)系也是最優(yōu)的。

4 解釋階段對(duì)比分析

圖4和圖5分別為高密度電法及地質(zhì)雷達(dá)的地質(zhì)解釋斷面圖，由圖4可以得出，覆蓋層厚度約15 m，巖溶發(fā)育區(qū)橫向延伸較大，長(zhǎng)約 50 m，縱向延伸最大約8 m；由圖5可以得出，覆蓋層厚度約15 m，深部發(fā)育有不規(guī)則形狀的巖溶發(fā)育區(qū)，主要集中在剖面的74～84 m，縱向延伸最大可達(dá)20 m，另有零星分布的巖溶發(fā)育區(qū)。

圖4 高密度電法地質(zhì)解釋斷面Fig.4 Geological interpretation of high density electrical exploration

對(duì)比分析圖4及圖5，高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)查明的大的巖溶發(fā)育區(qū)集中于K83+950附近，高密度電法勘探結(jié)果較地質(zhì)雷達(dá)勘探結(jié)果橫向范圍延伸較大、縱向延伸范圍較小。高密度電法由于其電極距及勘探裝置所限，分辨率較低，對(duì)異常具有一定的體積效應(yīng)，放大了異常橫向范圍，尤其對(duì)深部的小異常反應(yīng)較弱。地質(zhì)雷達(dá)屬于淺部的精細(xì)勘探，分辨率較高密度電法高很多，可以發(fā)現(xiàn)縱橫向延伸約2 m的巖溶異常，但是抗干擾效果較差，對(duì)覆蓋層深度的判別不太靈敏，尤其是對(duì)經(jīng)過(guò)濾波處理后的剖面。

綜上所述，K83+856～K84+100段巖溶路基覆蓋層埋深約15 m，K83+950附近發(fā)育有大的巖溶發(fā)育區(qū)，橫向范圍約10～15 m(K83+940～K83+955)，高程約110～127 m，剖面其他部分另分布有零星巖溶發(fā)育區(qū)。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)高密度電法及地質(zhì)雷達(dá)實(shí)測(cè)剖面數(shù)據(jù)采集、剖面解釋全過(guò)程的分析，可以得出以下結(jié)論與建議。

1)高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)綜合勘探時(shí)，加強(qiáng)在數(shù)據(jù)采集階段的互通互聯(lián)，可以很好地指導(dǎo)反演參數(shù)的設(shè)置，針對(duì)本工地類(lèi)型，高密度電法的迭代次數(shù)5的反演斷面圖與地質(zhì)雷達(dá)電磁波速度0.9 m/ns的剖面圖對(duì)應(yīng)關(guān)系一致。

2)高密度電法具有受干擾程度小的特點(diǎn)，分辨率低，可以有效地了解大的巖溶發(fā)育區(qū)及其位置。

3)地質(zhì)雷達(dá)方法易受外部環(huán)境的干擾(如高壓線)，對(duì)覆蓋層的反應(yīng)不夠靈敏，對(duì)灰?guī)r區(qū)的巖溶發(fā)育具有良好的勘探效果，勘探精度高，參數(shù)設(shè)置合理的情況下，可以有效辨別縱橫向延伸約2 m的巖溶異常。

4)本次綜合物探的勘探結(jié)果暫無(wú)有效的鉆孔驗(yàn)證，后期階段應(yīng)針對(duì)覆蓋層及巖溶異常的位置布孔驗(yàn)證，提高物探解釋精度。