综合物探在岩溶勘察中的应用分析

黄建权，李明陆，粟超良，李坤鹏

(湖南省地球物理地球化学勘查院，湖南 长沙 410116)

1 引 言

岩溶主要发育在碳酸盐地区，属于化学溶蚀，岩溶作用的条件可归纳为以下四点：岩石可溶蚀性，岩石中裂隙发育，地下水的溶蚀力以及流动性，地下水将上覆土体，通过裂隙带走，在土体掏空形成土洞。康彦仁[1,2]对岩溶地面塌陷形成条件和类型进行总结，得出岩溶地区土洞的形成，需具备三个条件，研究岩溶塌陷的形成条件将有助于搞清它的形成机理，为塌陷的预测、防治提供科学依据；胡晓光[3]探索了地质雷达在工程地质勘察中探测土洞的应用效果，具有勘察精度高、勘探费用低、施工速度快、野外工作方法灵活、方便等优点；贾龙等[4]将地面和孔中地质雷达联合来探测覆盖岩溶塌陷隐患，地面地质雷达可定位浅表土洞，井中雷达可弥补地面雷达探测深度的不足；刘云祯等[5]指出多道面波采集系统在发展瞬态面波法方面的关键作用；李凯[6]较全面地分析了多道面波分析法，分析主动源和被动源面波可确定横波速度结果；王红兵[7]对高密度电法装置类型、数据采集和室内资料整理进行探讨分析；朱紫祥等[8]介绍了高密度电法在大型岩溶调查中的应用，在已知空溶洞上方布置实验剖面，基本查明了溶洞走向、大小、埋深，为旅游开发提供重要的参考价值。以上均为单一物探方法在岩溶地区的调查研究，根据场地条件和探测目的，综合物探[9-11]能更准确地探测不良地质体，为工程建设提供服务。

调查场地位于永州市蓝山县某拟建的示范性中学，场地原为丘陵、稻田，南侧及东侧为稻田、北侧为低矮丘陵，场地已经平整，场地北边民房旁和东边猪圈旁地表有小规模地面塌陷现象，局部区域曾有较严重的塌陷史。场地在前期地质测绘和调查中局部揭露了溶洞、土洞等不良地质体。

为了进一步查明教学楼、艺术楼、实验楼、图文信息中心、公租房等建筑物地基下隐伏土洞、溶洞，选用地质雷达和瞬态面波组合物探方法探测隐伏土洞，选用高密度电法探测溶洞洞隙。因此，采用综合物探方法为岩溶地区提供基础资料，为下一步勘察、治理提供科学的依据。

2 地质概况

2.1 地层岩性

场地岩土介质由上至下依次为：

1)耕植土，主要由黏性土组成，含大量植物根系，垂直裂隙发育，可塑，全场分布；

2)粉质黏土，可塑-硬塑状，局部区域呈流塑状，含少量的铁锰质，偶见卵石，卵石含量20 %～25 %，全场分布；

3)红黏土，以原生红黏土为主，偶含卵石，粒径10～20 mm不等，随孔深增加该层状态变软，土洞主要分布在此层；

4)灰岩，见有节理、裂隙，裂面为钙质胶结，岩石完整程度为破碎。

2.2 水文地质

场地地下水类型主要为上层滞水和基岩裂隙水：

1)上层滞水：存在与耕植土中，主要补给来源于大气降水，其水位受大气降水影响较大，随季节变化，地表以下0.15～5.4 m处；

2)隔水带：粉质黏土层和红黏土层为相对的隔水层；

3)基岩裂隙水：赋存于基岩层风化裂隙中，主要补给来源为相邻地下水的侧向补给。

3 岩石的电性特征

根据岩土体的物性经验资料(表1)，不良地质体与围岩的物性分析如下：

表1 岩土介质的电性特征

1)石灰岩层视电阻率达3×102～104Ω·m，灰岩上覆黏土层电阻率10～103Ω·m，岩溶及裂隙发育的灰岩电阻率1～103Ω·m，粉质黏土、岩溶与灰岩的电性差异明显。

2)黏土层介电常数8～15，土洞充填空气时为介电常数值为1，充填水时介电常数为81，土洞与围岩的介电常数差异明显。

3)黏土层波速100～500 m/s，下伏软黏土波速小于300 m/s，灰岩的波速大于1 000 m/s，土洞中空气的横波速度为0，软土和土洞与围岩的波速差异明显。

综上所述，不良地质体与围岩物性差异明显，具备地球物理工作的前提条件。

4 工作方法及测线布置

4.1 工作方法

4.1.1 地质雷达

地质雷达[12]是以岩土体的电性差异为基础，由发射天线T发出，高频电磁波以宽频带短脉冲形式，通过地面进入地下，经地下岩土介质发射后返回地面，被接收天线R接收。并对其进行计算处理、解释、成图，得到地下地质结构的显示图象和深度资料。

采用瑞典MALA公司生产的RAMAC/GPR型地质雷达，地质雷达采用连续测量模式，选用100 MHz shielded模式，采样频率941.3 MHz，时间窗口为261.3 ms。

4.1.2 瞬态面波

面波[13-19]勘探是利用面波的频散特性研究近地表地层岩石物性的一种新的工程地震勘探方法。以岩土介质的波速差异为基础，利用面波的三个特性：分层地层中面波具有频散特性，即不同频率的传播速度不同；面波的穿透深度大约一个波长，不同波长勘探深度不同；面波的传播波速与横波速度相关。研究人工震源激发产生多种频率成分的面波，通过地震仪记录个测点上的地震记录，通过计算求得的频散曲线，通过频散曲线的反演，获得横波速度和深度剖面。

采用的GEODE多功能地震仪测量系统，采用点测量模式，选用锤子震源，偏移距9 m，道间距1 m，点距3 m，12道检波器，时间窗口为300 ms。

4.1.3 高密度电法

高密度电阻率法[20-23]是一种阵列式直流电勘探方法。该方法以岩土介质的电性差异为基础，研究人工施加稳定的电流场后地下传导电法的分布规律。野外测量时只需将全部电极(几十至上百根)置于观测剖面的各测点上，利用程控电极转换装置和微机工程电测仪，便可实现数据的快速和自动采集。当将测量结果送入微机后，还可对数据进行处理并给出关于地电断面分布的各种图示结果。

采用的重庆地质仪器厂的DUK-2B型高密度电阻率测量系统，采用温施剖面装置，测点距离5～6 m，观测18层数据。

4.2 测线布置

测线沿各建筑物条形基础布设，选取教学楼和图文信息中心进行综合分析。详见图1。

1)高密度电法布设2条测线14和24线，14线东西向布置，24线南北向布置。

2)地质雷达布设2条测线L2-1和L2-2线，测线东西布置，向沿教学楼条形基础两侧布置测线，测线相距1.5 m。

3)瞬态面波布设2条测线JXL2和TW10线，测线东西布置。

地质雷达L2-1线、瞬态面波JXL2线以及高密度电法14线在同一条测线上，作为综合物探剖面，研究不同方法在岩溶勘察中的作用。

图1 综合物探方法测线布置Fig.1 Survey line layout of integrated geophysical prospecting method

5 综合地质解释

5.1 土洞和软土地质解释

土洞、软土发育在土体中，地质雷达重点研究反射能量强，有弧形反射，同相轴连续性等异常特征。图2是L2-2线综合地质剖面推断图，已知教学楼的条形基础开挖深度3～3.5 m，在剖面35～80 m为填土整平，剖面成果与开挖揭露吻合，详见表2。

图2 L2-2线综合地质剖面推断Fig.2 Comprehensive geological section of line L2-2

表2 L2-2线地质雷达剖面及地质推断验证情况

瞬态面波重点研究高速畸变相对低速异常、相对低速异常、低速圈闭异常。图3是TW10线综合地质剖面推断图，共发现五处异常，详见表3，依次分析如下：

图3 TW10线综合地质剖面推断Fig.3 Comprehensive geological section of line TW10

1)剖面0～12 m，顶底埋深0～4 m为低速区，波速150～300 m/s，推断为软土，经钻孔TW10-1验证，剖面3 m处，顶底埋深0～3.2 m为软土；

2)剖面12～15 m，顶底埋深8～11 m为相对高速畸变成相对低速，推断为土洞；

3)剖面21～33 m，顶底埋深5～12 m为相对高速畸变成相对低速，推断为土洞，经钻孔TW10-2验证，剖面24 m处，揭露顶底埋深6.8～12 m的土洞；

4)剖面30～51 m，顶底埋深2～8 m，上下两侧存在速度畸变界面，推断为软土；

5)剖面36～42 m，顶底埋深5～7 m低速圈闭异常，推断为土洞。

表3 TW10线瞬态面波剖面及地质推断验证情况

5.2 岩洞地质解释

岩溶等不良地质体岩溶赋存于灰岩中，地下水埋深浅，地质调查揭露溶洞里充填软土，因此，高密度电法重点研究高电阻率畸变成相对低电阻率、条带状低阻或低阻圈闭异常。

图4是24线综合地质剖面推断图，在剖面264～288，边界高电阻率-低电阻率畸变，中间呈“漏斗形”相对低阻异常，推断岩洞、溶槽，在276 m处，经钻探验证揭露溶洞，为了进一步控制溶洞规模，在270 m处补充钻探工作，详见表4。

表4 24线高密度电法剖面及地质推断验证情况

图4 24线综合地质剖面推断Fig.4 Comprehensive geological section of line 24

5.3 综合物探地质解释

地质雷达L2-1测线发现5处异常，推断4处土洞，1处软土，经条形基础开挖验证，结果互相吻合；瞬态面波JXL-2线，共发现4处异常，3处推断为土洞，1处推断为软土，在剖面54 m处，前期勘察孔ZK93揭露土洞，其他异常未验证。高密度电法14测线，共发现两处高电阻率畸变成相对低电阻率，呈“V”字型，经钻孔验证揭露溶洞或溶槽，详见图5。

图5 综合物探方法地质剖面推断Fig.5 The geological profile inference map of comprehensive geophysical method

综上所述，地质雷达和瞬态面波能快速揭露土洞或软土的位置及埋深，高密度电法揭露溶洞、溶槽等。但相同的不良地质体，物探异常的表现形式可能不同，因此，结合地质先验信息，提高综合物探在岩溶勘察中的应用价值。

6 结 论

综合物探方法探测溶洞或土洞是有效可行的，场地圈定的不良地质体，大部分得到钻探或开挖验证，通过以上应用研究获得以下认识：

1)在土洞发育的平面范围，往往在相应范围内，其岩溶也较发育，连通性好，为土体运移提供通道。

2)相同的不良地质体展布、赋存形式或填充物不同，物探异常也随着改变，物探解释充分利用已知地质信息，标定不同地质体的物探异常特征，提高综合地质推断的准确性。

3)地质雷达和瞬态面波能快速圈出土层里软土层或土洞的位置及埋深，地质雷达浅地表分辨率高，探测深度受限，瞬态面波可较好地弥补地质雷达的不足，高密度电法能查明第四系覆盖层、岩溶发育特征。

综上所述，地质雷达、瞬态面波和高密度电法等综合物探方法在岩溶地区能快速查明不良地质空间展布，为地基处理和稳定性评价提供依据。