綜合物探方法在句容某水廠巖溶勘察中的應(yīng)用

丁肇偉　崔樂寧　陳延峻　張明棟　王謙

摘 要：江蘇省句容市某水廠位于三疊系灰?guī)r地區(qū)，地下巖溶較為發(fā)育。為保證自來水廠頂管施工安全，需查明頂管沿線地下巖溶發(fā)育情況。物探勘察工作在缺乏相關(guān)地質(zhì)資料的情況下，采用綜合物探方法（高密度電阻率法、主動源面波勘探及高精度微重力法），查明頂管沿線地層分布，發(fā)現(xiàn)了3處低阻異常，4處低速、重力低異常，經(jīng)驗證其中2處由無充填溶洞引起，為頂管施工提供了可靠的地球物理勘察資料。

關(guān)鍵詞：巖溶勘察；綜合物探方法；高密度電阻率法；主動源面波勘探；高精度微重力

Application of integrated geophysical method in karst exploration in Jurong area

DING Zhaowei1， CUI Lening2，3， CHEN Yanjun1， ZHANG Mingdong2，3， WANG Qian2

（1.Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group） Co. Ltd.， Shanghai 200082， China；

2.Geological Exploration Technology Institute of Jiangsu Province， Nanjing 210049， Jiangsu， China；

3.Jiangsu Aviation Ground Detection and Intelligent Perception Engineering Research Center， Nanjing 210049， Jiangsu， China）

Abstract： A water plant in Jurong City is located in the Triassic limestone area， where the underground karst is relatively developed. In order to ensure the safety of pipe jacking in waterworks， it is necessary to find out the development status of underground karst along the pipe jacking line. In the absence of relevant geological data in this geophysical exploration work， comprehensive geophysical exploration methods （high-density resistivity method， active source surface wave exploration and high-precision microgravity method） were adopted to roughly identify the distribution of underground strata along the pipe top. Three low-resistivity anomalies and four low-speed and low-gravity anomalies were found， two of which were later verified to be caused by unfilled karst. Reliable geophysical survey data have been obtained for pipe jacking construction.

Keywords： karst exploration; comprehensive geophysical method; high density resistivity method; active source surface wave exploration; high precision microgravity

巖溶是地表水和地下水對可溶性巖層進行化學(xué)侵蝕、崩解、搬運、沉積作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象，地下水和水溶性巖石導(dǎo)致了巖溶的產(chǎn)生，巖溶產(chǎn)生的位置及形態(tài)難以確定（李文文等，2018）。一直以來，巖溶地質(zhì)條件對工程項目影響較大，地下巖溶的存在給工程施工帶來安全隱患（賈同福等，2011；何國全，2016）。因此在工程施工前，必須在重點區(qū)段內(nèi)查明地下巖溶分布范圍（余凱等，2016）。借助地球物理方法（蔣富鵬等，2013；尹兵祥等，2016），通過專業(yè)物探儀器能夠確定巖溶位置，但采用單一方法存在多解性，綜合方法可以相互驗證，降低多解性。本次勘查工作采用高密度電阻率法、主動源面波勘探及高精度微重力法相結(jié)合的綜合物探方法對未知巖溶進行相互驗證，從電阻率、面波速度及密度3個方面探索并研究了該套方法流程的普適性和有效性，提高了異常區(qū)的識別和判斷能力，可在較復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下確定未知巖溶的位置及形態(tài)，保障工程建設(shè)安全。

1? 研究區(qū)概況

1.1? 地質(zhì)背景

鎮(zhèn)江句容市屬寧鎮(zhèn)丘陵地區(qū)，自來水廠地塊地勢平坦，頂管沿線地表已回填雜填土。初勘鉆孔揭示水廠內(nèi)第四系粉質(zhì)黏土或雜填土厚度幾米到數(shù)十米，基巖為白堊系浦口組（K2 p）強風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、侏羅系象山群（J1-2 x）強風(fēng)化砂巖、三疊系薛家村組（T2 x）中風(fēng)化灰?guī)r。鉆孔巖心可見少量灰?guī)r夾于強風(fēng)化砂巖中，推測為侏羅系象山群和下伏薛家村組灰?guī)r的巖層接觸帶。

頂管沿線范圍地下水無統(tǒng)一水位，類型主要為第四系潛水和基巖裂隙水，其中灰?guī)r中的裂隙水會導(dǎo)致巖溶產(chǎn)生。

1.2? 物性特征

研究區(qū)第四系粉質(zhì)黏土、雜填土的電阻率為5～30 Ω·m；白堊系砂層、卵礫石層電阻率較第四系高，多為數(shù)十至數(shù)百歐姆米；砂巖和灰?guī)r電阻率受含水量影響較大，砂巖電阻率多為數(shù)十至數(shù)百歐姆米；灰?guī)r一般為數(shù)百至數(shù)萬歐姆米；未充填的溶洞可視為空氣，電阻率極高，在充水或泥的情況下表現(xiàn)為低阻，電阻率一般小于40 Ω·m。無論巖溶是否充填，總體表現(xiàn)出相對圍巖的低波速和低密度特征。沉積巖及第四系總體無磁性。物性統(tǒng)計結(jié)果見表1。

2? 物探方法

巖溶物探勘察方法應(yīng)結(jié)合場地條件，考慮探測深度、目標(biāo)尺度等因素，采取電法、地震、重力勘探等多種物探技術(shù)，有效查明巖溶發(fā)育情況。本次勘查過程中首先測試了理論和技術(shù)最成熟的高密度電阻率法，發(fā)現(xiàn)其效果不佳后補充了面波地震和高精度微重力法。

2.1? 高密度電阻率法

高密度電阻率法是一種二維電測深與電剖面法相結(jié)合的直流電法（明前軍等，2015），通過電極轉(zhuǎn)換器控制大量電極的方式，在水平方向和垂直方向上采集視電阻率數(shù)值形成電阻率剖面。該方法測量二維視電阻率剖面具有精度高、數(shù)據(jù)量大、快捷自動的特點（董茂干等，2015）。高密度電阻率法對破碎含水和完整地層的區(qū)分效果好（崔玉貴等，2020）。高密度電阻率法原理見圖1。

本次高密度電法采用國產(chǎn)GD-10高密度電法儀，共120道電極，電極距2 m，最大隔離系數(shù)30。電極距通常不大于溶洞的尺度，但過小的電極距使探測深度降低，故本次使用2 m電極距。裝置采用了溫納-施倫貝爾和偶極-偶極裝置，其中溫納-施倫貝爾裝置信號強度較高，淺部分辨率稍高；偶極-偶極裝置具有高分辨率，地質(zhì)分層能力最強（羅登貴等，2014），但其信號強度低。二者的反演剖面對灰?guī)r界面反映總體較接近，但在灰?guī)r分布范圍內(nèi)均未見疑似巖溶的低阻異常。

2.2? 主動源面波勘探

面波是一種傳播復(fù)雜的特殊地滾波，主要分為瑞雷波和拉夫波（楊成林，1989），能量主要分布在介質(zhì)表面，振幅衰減程度與離開界面深度的距離成正比（曹樂輝等，2012），傳播時以波前面約為一個高度為λR（R為波長）的圓柱體向外擴散（宮勝家，2008）。面波傳播的相速度與頻率有關(guān)，可以通過地震剖面記錄反演得到地下介質(zhì)的波速剖面，進而探測異常體。面波法具有分辨率高、效率高，不受電磁干擾等優(yōu)點（祁生文等，2002）。

本次主動源面波勘探采用大重量標(biāo)罐來保證足夠的激發(fā)能量，采用叩擊鋁板的方式激發(fā)，采用4 Hz主頻檢波器進行接收。道間距不宜大于溶洞的尺度，需結(jié)合探測深度采取適宜的大小，本次工作偏移距12 m，道間距2 m，點距為4 m，采樣率0.25 ms，記錄長度1 024 ms。對記錄信號通過頻率—波速法（f-k法）得到頻率波數(shù)域二維信號，頻譜分析后拾取相速度頻散曲線，而后進行反演得出了橫波速度剖面。見圖2。

2.3? 高精度微重力法

微重力測量是以不同密度地下介質(zhì)引起的重力加速度差異為基礎(chǔ)，通過研究重力加速度值的變化來探測地下介質(zhì)分布情況（盧進延，2020）。由于地層壓實作用，沉積巖上部地層一般較下伏地層密度小，隨著巖溶和冒落現(xiàn)象發(fā)生，會造成圍巖比陷落區(qū)內(nèi)部密度大，呈現(xiàn)“重力低”異常（高慶余，1998）。

本次使用的Burris高精度重力儀分辨率高于1 × 10-8 m·s-2，在頂管沿線布置高精度重力剖面100 m，點距1 m，在測量剖面上分辨率較高。對于空洞、半充填類型的溶洞反應(yīng)較為明顯。

3? 異常特征解釋

3.1? 高密度電法異常特征

根據(jù)電阻率反演剖面圖（圖3），表層電阻率較低，應(yīng)為雜填土和粉質(zhì)黏土的反應(yīng)，圖中共有3處低阻異常及1處較大范圍的高阻異常。初勘鉆孔顯示水廠范圍內(nèi)砂巖和灰?guī)r均有分布，根據(jù)電阻率反演剖面圖和鉆孔結(jié)果，可以認(rèn)為高阻異常是灰?guī)r引起，低阻異常是砂巖引起。DZ1低阻異常范圍較大，不排除是巖溶引起的可能；DZ2及DZ3低阻異常附近基巖為強風(fēng)化砂巖，推測低阻異常是由強風(fēng)化破碎砂巖引起。

水文地質(zhì)資料揭示研究區(qū)周邊無良好的地下水通道，碎屑巖裂隙水較為貧乏。在推測的高阻灰?guī)r范圍內(nèi)，若巖溶含水（泥）少則其電阻率與圍巖較難區(qū)分，所以也無法排除高阻異常內(nèi)是否存在巖溶。高密度電法的局限性使其無法分辨高阻異常區(qū)內(nèi)的巖溶狀況，故采取其他物探手段進行補充。主動源面波勘探和高精度重力法對巖溶是否充填不敏感，且假異常少，異常判斷更加直觀。

3.2? 主動源面波勘探異常特征

主動源面波勘探對高密度電法推測的灰?guī)r分布范圍進行了測試，反演波速剖面圖見圖4。圖中淺部波速較低，為覆蓋層或強風(fēng)化破碎地層的反應(yīng)，而較完整灰?guī)r的波速較高，一般認(rèn)為橫波速度500 m·s-1為基巖，低于500 m·s-1的為泥質(zhì)、砂土及強風(fēng)化巖層等。從圖4中可見，橫波速度等值線對于基巖界面起伏反映清晰，共反映出4處低速異常，其中DS2和DS3低速異常尤為明顯。左側(cè)低速異常DS1可能是覆蓋層或地層強風(fēng)化引起，經(jīng)驗證為強風(fēng)化破碎砂巖；最右側(cè)低速異常DS4與高密度電法反演剖面中的DZ2低阻異常位置較對應(yīng)，鉆孔驗證為強風(fēng)化砂巖破碎引起；DS1與DS4異常在灰?guī)r與砂巖接觸帶附近，推測為灰?guī)r裂隙發(fā)育所致，這2處破碎帶低速異常在頂管施工過程中可能存在一定影響。DS2和DS3低速異常則分布于推測灰?guī)r范圍邊界處，波速值約340 m·s-1，且低速異常被高速等值線包圍，說明該異常由巖溶引起的可能性很大；這2個異常在高密度電法反演剖面中也位于推測的高阻灰?guī)r范圍中，高阻說明巖溶不含水。高密度與主動源面波勘探互相彌補，對異常進行了有效的定位。

3.3? 高精度微重力異常特征

觀測數(shù)據(jù)經(jīng)固體潮改正、零點改正、正常場改正和布格改正后求取布格重力異常，剩余重力異常曲線見圖5。

如圖5所示，剩余重力曲線波動劇烈，說明地下介質(zhì)密度差異明顯，4處低密度異常中僅DM3異常對應(yīng)波谷寬度較大，說明DM3異常范圍較大，其余異常尺度均較小。微重力測量不受電磁場及工作場地大小等因素的限制，對埋深淺、探測目標(biāo)微小的地質(zhì)體具有較好的分辨能力，此外，微重力測量野外工作方法簡單，成本低、效率高、干擾小，能夠彌補其他物探方法的不足，但對異常深度反應(yīng)不靈敏。

3.4? 綜合對比及鉆探驗證

從圖6可以看出，高密度電法與主動源面波勘探所反映的灰?guī)r界面較接近，但未充水無法識別溶洞。在高密度推測的灰?guī)r分布范圍中補充了主動源面波勘探，可見灰?guī)r界面下存在明顯的DS2及DS3低速異常，并且與微重力DM2和DM3低密度異常對應(yīng)，可能為巖溶；灰?guī)r界面上的DS1及DS4低速異常與DM1及DM4低密度對應(yīng)，可能為強風(fēng)化砂巖。低密度區(qū)與低波速區(qū)的位置重合，進一步準(zhǔn)確印證了巖溶的位置。故對3個異常DS1（DM1）、DS2（DM2）、DS3（DM3）進行鉆探驗證。鉆探發(fā)現(xiàn)DS3異常為灰?guī)r空洞，DS2為砂巖灰?guī)r界面處巖溶內(nèi)的松散填充物，DS1為砂巖灰?guī)r界面處的全風(fēng)化砂巖。DS2部分巖心照片見圖7，驗證鉆孔柱狀圖見圖8。

4? 結(jié)論

1）本次勘查工作采用高密度電阻率法、主動源面波勘探及高精度微重力法共3種物探方法，準(zhǔn)確定位了頂管沿線的2處巖溶，為自來水廠工程建設(shè)提供了可靠的物探依據(jù)。

2）采用的3種綜合物探方法均能反映灰?guī)r分布及巖溶發(fā)育位置和規(guī)模，工程地質(zhì)深度范圍內(nèi)具有適用性廣、準(zhǔn)確率高等特點，在頂管施工深度范圍內(nèi)具有較強的適用性。

3）綜合物探方法的成果可以相互補充驗證，解決了單一方法的多解性問題，提高了異常識別的準(zhǔn)確度，可以有效解決工程勘察中遇到的地質(zhì)難題。

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收稿日期：2023-03-09；修回日期：2023-07-12

第一作者簡介：丁肇偉（1983- ），男，碩士，高級工程師，主要從事工程物探工作。E-mail：179998967@qq.com

引用格式：丁肇偉，崔樂寧，陳延峻，張明棟，王謙，2023.綜合物探方法在句容某水廠巖溶勘察中的應(yīng)用［J］.城市地質(zhì)，18（4）：91-97