高密度電法在溶洞探測中的應(yīng)用

潘紀(jì)順　王曉雷

摘 要：地下溶洞易引發(fā)建筑物沉降、地面塌陷等災(zāi)害，為保障安全，在施工前進(jìn)行溶洞勘察很有必要。高密度電法因其操作方便、探測準(zhǔn)確，在溶洞探測中得到廣泛應(yīng)用。通過高密度電法在南方某機(jī)場溶洞探測中的應(yīng)用，結(jié)合地質(zhì)資料，明確了工區(qū)電性異常的分布情況，圈定了多個異常靶區(qū)，查明了隱伏巖溶分布范圍，指導(dǎo)鉆探驗證工程，為工區(qū)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理提供了可利用的直接依據(jù)。根據(jù)鉆探結(jié)果，印證了高密度電法在溶洞探測中的有效性。

關(guān)鍵詞：高密度電法;溶洞探測;溫納

中圖分類號：U442.2 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）3-0030-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.03.007

Application of Electrical Resistivity Tomography Method in Karst Cave Detection

PAN Jishun? ? WANG Xiaolei

（College of Geosciences and Engineering， North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450046，China）

Abstract： Underground karst cave is easy to cause disasters such as building settlement and ground collapse. In order to ensure safety， it is necessary to carry out karst cave survey before construction. Electrical resistivity tomography method is widely used in karst cave detection because of its convenient operation and accurate detection. By expounding the application of electrical resistivity tomography method in karst cave detection of an airport in South China， combined with geological data， the author defines the distribution of electrical anomalies in the work area， delineates multiple abnormal target areas， finds out the distribution range of concealed karst， guides drilling verification engineering， and provides an available direct basis for geological environment protection and treatment in the work area. According to the drilling results， the effectiveness of electrical resistivity tomography method in karst cave exploration is confirmed.

Keywords： electrical resistivity tomography; cave detection; wenner

0 引言

我國巖溶地貌分布廣，溶洞是巖溶發(fā)育地區(qū)的主要不良地質(zhì)現(xiàn)象[1]。為保障安全，在施工前進(jìn)行溶洞勘察很有必要。高密度電法集電剖面和電測深于一體，采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測量，提供的數(shù)據(jù)量大、信息多，并且觀測精度高、速度快，是灰?guī)r地區(qū)尋找土洞、溶洞及構(gòu)造破碎帶最有效的物探方法之一[2]。

1 工區(qū)概況

1.1 地形地貌

工區(qū)原始地貌屬于剝蝕殘丘地貌，場地基巖巖性大部分為泥晶灰?guī)r、生物屑灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，局部為泥質(zhì)頁巖、粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖和泥巖夾薄層灰?guī)r。覆蓋層厚為4.60～23.20 m，主要由素填土、耕植土、粉質(zhì)黏性土構(gòu)成。工區(qū)地形較平坦，地貌類型單一，地形地貌條件簡單，對工程建設(shè)影響小。

1.2 氣象水文

工區(qū)所在地區(qū)屬暖濕中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有復(fù)雜多變的山區(qū)氣候特征，氣候溫暖、濕潤、多雨。

工區(qū)年均降雨量為1 783.8 mm，年均蒸發(fā)量為1 277 mm，平均相對濕度為76%，年均氣溫為20.0 ℃，全年無霜期300多天。

1.3 地層巖性

工區(qū)的地層由老到新有3種。①泥盆系上統(tǒng)天子嶺組（D3t），隱伏于第四系坡殘積層之下，鉆孔揭露到的巖性主要為灰色灰?guī)r，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，巖芯呈短柱狀，主要成分為方解石，為少量為泥炭質(zhì)物。②泥盆系上統(tǒng)帽子峰組（DCm），被第四系殘坡積層覆蓋，未見出露。該地層位于帽子峰組地層中下部，巖性變化大，中部為灰白色厚層狀石英砂巖，下部為黃色泥質(zhì)頁巖、紫色薄層狀細(xì)砂巖夾薄層灰?guī)r。鉆孔揭露的粉質(zhì)黏土中均含有砂頁巖風(fēng)化碎屑顆粒。③第四系全新統(tǒng)大灣鎮(zhèn)組（Qdw），巖性主要為礫巖、砂礫巖、含礫砂巖、粉砂巖、泥巖，總厚度約為10 m。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

工區(qū)中部有一條推斷的北東向32°斷裂構(gòu)造通過，區(qū)內(nèi)其他斷裂構(gòu)造不發(fā)育，距離區(qū)域性深大斷裂較遠(yuǎn)，斷裂對工區(qū)地質(zhì)構(gòu)造影響較小。但受區(qū)域構(gòu)造影響，工區(qū)內(nèi)巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育。

1.5 地球物理特征

第四系殘坡覆蓋層一般含水性較強(qiáng)，電阻率較低，通常在1～100 W·m;而完整的微風(fēng)化灰?guī)r電阻率極高，一般在100 n～1 000 nW·m;如果灰?guī)r遭受強(qiáng)烈溶蝕作用，即發(fā)育溶洞，溶洞內(nèi)充填物電阻率將明顯低于周圍巖體，與覆蓋層電阻率相當(dāng);若溶洞內(nèi)無填充，則電阻率和完整灰?guī)r相當(dāng)。

2 高密度電阻率法工作原理

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，它以巖、土體的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，研究在人工施加穩(wěn)定電流場的作用下地中傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律。野外測量時只需要把全部電極（幾十至上百根）置于觀測剖面的各個測點(diǎn)上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換裝置和微機(jī)工程電測儀就能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速、自動采集。將測量結(jié)果送入微機(jī)后，還可對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并給出關(guān)于地電斷面分布的各種圖示結(jié)果[3]。

地球物理勘探是目前巖溶地質(zhì)勘查最常用的方法，其中高密度電法又因分辨率高、效率高、獲取信息豐富、解釋方便、成本低，成為有效探測地下溶洞的重要地球物理方法之一，在工程物探、古墓探測等領(lǐng)域均有較好的應(yīng)用效果[4]。

高密度電阻率法以巖、土體的電性差異為基礎(chǔ)，兼具電測深與電剖面的特點(diǎn)，因此可以更全面地反映地電信息。

雖然高密度電阻率法的原理與常規(guī)電阻率法相同，但與常規(guī)電阻率法相比，高密度電阻率法具有3點(diǎn)優(yōu)勢。

①電極一次性布設(shè)完成，從而減少了人為干擾的可能，奠定了野外快速、自動測量的基礎(chǔ)。

②通過一次測量完成多種電極排列的數(shù)據(jù)采集，可以獲得更加豐富的地質(zhì)信息。

③與常規(guī)電阻率法相比，高密度電阻率法效率高、成本低、解釋方便。

目前，高密度電阻率法的裝置類型有10多種，常用的主要包括溫納裝置、偶極-偶極裝置、溫納-斯倫貝謝裝置等，需要根據(jù)工區(qū)的地質(zhì)情況、探測目標(biāo)體的類型做出相應(yīng)的選擇[5]。

探測采用的溫納裝置如圖1所示，A、M、N、B等距排列，A、B為供電電極，M、N為測量電極。視電阻率表達(dá)式為式（1）。

ρ=k?U/I? （1）

式中：ρ為視電阻率;?U為測量電極M、N之間的電位差;I為供電電流強(qiáng)度;k為裝置系數(shù)，可由式（1）推出。

通過供電電極A、B向地下供入電流I，由于地下物體電阻率不均一，因而會引起地下電流密度分布不均，在地表測量接收電極M、N之間的電位差?U，利用式（1）計算視電阻率，根據(jù)不同深度視電阻率的變化情況，即可推測地下溶洞或溶蝕區(qū)分布狀況。此種方法的原理十分簡單，能夠得到直觀的圖像，分辨率也非常高[6]。

溫納裝置跑極方式為逆向斜測深，如圖2所示。

當(dāng)給定實接電極數(shù)時，每一層剖面上的測點(diǎn)數(shù)可以由式（3）計算得到。

D=P?（P?1）?n （3）

式中：n為剖面層數(shù);P為實接電極數(shù)，即測線上的電極總數(shù);P為裝置電極數(shù)，溫納裝置取4;D為剖面n上的測點(diǎn)數(shù)。

3 野外工作方法與技術(shù)

高密度電法測量工作使用的儀器為瑞典ABEM公司生產(chǎn)的Terrameter LS型高密度電法儀。該儀器不僅重量輕、使用方便，還具有內(nèi)置的Lund成像系統(tǒng)功能，可以實時顯示采集的多電極電阻率圖像，能加強(qiáng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)質(zhì)量的把控。

本次測量選用4×21模式，即同時連接4根電纜，編號1～4，每根電纜21個電極，編號1～21，其中電纜相連處2個電極（21號電極與1號電極）置于同一位置，共61個電極點(diǎn)。主機(jī)放在排列中間，電極間距為5 m，一次排列最大測量長度為400 m，采用滾動測量的方式，每次向前滾動200 m，直至達(dá)到剖面總長度。

根據(jù)現(xiàn)場情況，測線均按照方位角148°布設(shè)，前期完成測線9條，線距20 m，后根據(jù)探測結(jié)果加測7條測線。探測共完成測線16條，剖面總長為9 900 m。

4 物探成果推斷解釋

數(shù)據(jù)處理階段，首先使用瑞典的res2d軟件將滾動測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，形成完整的斷面圖，并進(jìn)行跳點(diǎn)、負(fù)值點(diǎn)的處理，然后使用加拿大Geogiga公司的RImager電阻率層析成像軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計算，并成圖輸出。

基于篇幅，選取測線1、測線12與測線14進(jìn)行說明。縱坐標(biāo)0表示設(shè)計標(biāo)高（高程86 m），正值表示高于設(shè)計標(biāo)高，負(fù)值表示低于設(shè)計標(biāo)高，取縱坐標(biāo)的一半作為探測深度。

測線1全長600 m（樁號0-600），由圖3測線1的反演結(jié)果可以看出，在240樁號下方存在明顯的低阻區(qū)域，后續(xù)的鉆井資料（見表1）也證明在該位置存在被軟塑狀粉質(zhì)黏土充填的溶洞。

測線12全長500 m（樁號200-700），由圖4測線12的反演結(jié)果可以看出，在330樁號下方存在明顯的低阻區(qū)域，后續(xù)的鉆井資料（見表1）也證明在該位置存在被軟塑狀粉質(zhì)黏土充填的溶洞。

測線14全長500 m（樁號200-700），由圖5測線14的反演結(jié)果可以看出，在390樁號下方存在明顯的低阻區(qū)域，后續(xù)的鉆井資料（見表1）也證明在該位置存在被軟塑狀粉質(zhì)黏土填充的溶洞。

圖6為高密度電法低阻球形異常理論計算ρ斷面圖。球形異常實際半徑為3 m，但在溫納斷面圖中ρ異常直徑基本達(dá)到20 m，可見高密度電法存在明顯的體積效應(yīng)。這一點(diǎn)在探測結(jié)果中也有明顯的表現(xiàn)，剖面異常范圍數(shù)倍于鉆探結(jié)果。因此，高密度電法探測的結(jié)果需要通過借助地質(zhì)、鉆探和其他手段來確認(rèn)溶洞的實際規(guī)模[7]。

5 結(jié)語

通過對高密度電法野外數(shù)據(jù)的正反演分析計算，明確了工區(qū)電性異常的分布情況，圈定了多個異常區(qū)，查明了隱伏巖溶的分布范圍，指導(dǎo)鉆探驗證工程，為工區(qū)地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理提供了可利用的直接依據(jù)。通過對高密度電法測量結(jié)果進(jìn)行研究，輔助鉆探工程手段，證實了該方法技術(shù)勘查效果較好。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尹極，王曉東，程邈，等.高密度電阻率法在果香峪溶洞勘查中的應(yīng)用效果分析[J].CT理論與應(yīng)用研究，2011，20（3）：301-310.

[2] 張臘根，劉基.高密度電法在巖溶路基勘察中的應(yīng)用[J].土工基礎(chǔ)，2006（5）：69-71.

[3] 劉國興.電法勘探原理與方法[M].北京：地質(zhì)出版社，2005.

[4] 李強(qiáng)，張曉峰.高密度電法在工程巖溶勘探中的模擬與應(yīng)用[J].能源研究與管理，2020（4）：111-115，120.

[5] 王志鵬，劉江平，李小彬.高密度電法對不同溶洞探測效果模擬[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（27）：74-80.

[6] 韋俊丁.高密度電法在巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用[J].地球，2016（3）：423-424.