综合物探在冀中地区工程岩溶勘探中的应用

王 斌, 孙建宏, 赵伟锋

(河北省地质矿产勘查开发局第八地质大队,河北 秦皇岛 066000)

0 引言

岩溶在工程建设中是一种潜在的地质灾害,会危及建筑物、引起地面塌陷、环境破坏,因此在选址时,查明地下岩溶裂隙的发育情况与分布规律显得尤为重要[1-2]。岩溶勘探采用的物探方法主要有高密度电法[3-4]、探地雷达法[5]、瞬变电磁法[6]、浅层地震法[4]、瞬态瑞雷面波等[7],在复杂地区岩溶勘查时,受场地条件、水文地质条件的复杂性,仅靠单一的方法很难得到满意的结果[8]。因此,结合地质条件选用几种地球物理勘探方法的综合物探技术在实践中得到应用[9-10]。

在河北某地区城市施工项目进行岩溶勘察中,尽管高密度电法具有工作效率高、地电信息丰富,对异常的反映更加直观、可靠等优点,但其受接地条件等因素影响较大,常常面临地面硬化、电极难以插入地面影响接地电阻的问题。为此,根据工作条件采用高密度电法、瞬变电磁法、瞬态瑞雷面波等综合物探方法来对工区的岩溶进行勘探,三种方法相辅相成,互相验证、互相补充,结合异常形态和异常对应关系圈定岩溶裂隙发育区。

1 工区地质及地球物理概况

工区上覆地层为第四系(Q),岩性以砂砾石为主,本区第四系厚度为10～20 m。

据以往资料,工区上覆地层为第四系,岩性主要为砂砾卵石层,砂砾卵石的电阻值较高,电阻率值为100～300 Ω·m;下伏基岩中灰岩电阻率一般为150～800 Ω·m,当灰岩中岩溶裂隙发育时,其视电阻率值相对围岩明显表现为低阻异常。各岩性层间存在明显的视电阻率差异具备了电法勘查的地球物理前提。

当岩溶裂隙发育或溶洞发育时与完整地层相比,瑞雷波的响应特征:对于填充溶洞,速度响应由溶洞中填充介质决定,一般为低速反映;对于空溶洞,速度较围岩为低速反映。该区溶洞为填充型溶洞,内部填充为强蚀变灰岩与泥水混合物,速度与密度较低,溶洞对瑞雷面波会有低速响应特征且横波速度(Vs)等值线呈闭合状态,当灰岩中岩溶裂隙发育时,速度低于500 m/s。各岩性层间存在明显的Vs速度差异,具备了电法勘查的地球物理前提。

总之,由于工区地质条件不同,当灰岩中岩溶裂隙发育时,电阻率值和Vs速度都存在明显的物性差异,具备进行地球物理勘探的前提条件。

2 探测方法及技术

由区域地质资料可知,本区构造总体为NE向,而溶洞多发育于裂隙之中,与构造裂隙有着密切关系。因此,结合建筑物位置和区域构造分布情况布置6条近EW向剖面,为了丰富区域深部地质信息,SN向布置勘探剖面,由于受场地条件限制,只在场地西侧布置一条近SN向剖面。其中场地内硬化情况普遍,接地条件受限,在1、6、7线施工高密度电法的剖面,同时施工瞬变电磁,了解高密度电法岩溶异常(一般为低阻闭合圈)与瞬变电磁上异常的对应关系,建立异常解译关系。在不能施工高密度电法的2～5线剖面施工瞬变电磁勘探,由于受高压线、铁路等干扰影响,浅部地质信息效果不佳,因此同时施工瞬态瑞雷面波以了解浅部信息。详见图1。

图1 勘探区测线布置图

2.1 高密度电法

本次工作使用的仪器为重庆地质仪器厂生产 DUK-2 高密度电法测量系统以及120道多路电极转换器。

工作方法:采用高密度电法剖面测量,装置形式为单边三极连续滚动式测深装置(S3P)。其中电源的负极(B极)置于“无穷远”,一般铺设在测线的中垂线上,与测线之间的距离大于AB/2的3～5倍,此次“无穷远”与测线间距离为500 m。

本次高密度电法工作点距5 m,最大间隔层数20层 (最大AB/2=102.5 m)。工作中采取深打电极、重复观测等措施,从而保证了工作质量。测线布设根据甲方要求并结合现场实际情况采用手持GPS进行剖面布设,共敷设高密度电法剖面3条,分别为1线、6线、7线。

2.2 瞬变电磁

本次工作投入仪器设备为加拿大凤凰公司生产的“V8网络化多功能电法仪”。具体对应瞬变电磁模块使用的单元有V8多功能接收机、T-4A瞬变电磁专用发射机、RXU-TMR发射机时钟及电流记录盒子、MULTEM-AL中频瞬变电磁接收线圈。

工作区1～6线采用了瞬变电磁法(TEM)进行勘探,装置形式采用中心回线装置。回线装置发射框依据勘探深度要求选择,一般长边应平行异常体走向铺设,本区要求勘探深度在100 m范围内,本次工作采用中功率发射,供电电流为8 A,依据公式(1)加以估算:

(1)

其中:η为仪器最小可分辨电压,mV;L为发射回线边长,m;I为供电电流,A;ρ1为覆盖层电阻率,Ω·m。通过试验,在满足探测深度的前提下结合工区地形及人员安排,在发射框中心1/2～1/3位置施测物探剖面,点距为20 m,中心回线发射线圈回线大小为450 m×450 m。

频率越低探测深度越深。25 Hz信号比较强,探测深度200 m以浅,满足本区勘探深度要求。因此,建议采用25 Hz的频率进行测量。

2.3 瞬态瑞雷面波

本次面波测试使用仪器为廊坊开发区大地工程检测技术有限公司生产的 SM98-24B 瑞雷波仪,仪器性能稳定,失真度小。利用实测的瑞雷波频散曲线,通过定量解释可以得到各地质层的厚度及弹性波的传播速度,当岩溶裂隙发育或溶洞发育时,速度较围岩为低速反映,据此可以推断岩溶裂隙发育和溶洞发育区。

本次工作采用面波勘探,共完成6条剖面,点距20 m。根据以往经验确定偏移距5 m,道距1 m,采样率0.1 ms×4096样点,通频带1～1000 Hz,低通滤波,12道,接收检波器的固有频率4 Hz。本次勘探采用锤击震源,使用大锤锤击橡胶垫,为保证数据质量,在激发震源时,应避免大锤的二次锤击,以及在进行数据采集时其他外界的干扰如行人、车辆等。

3 成果分析与解释

野外数据采集完成后,通过相应软件处理生成视电阻率(ρs)等值线及波速等值线断面图。由于瞬变电磁反演断面图上岩溶异常不太明显,对比1线、6线成果图,根据高密度电法ρs等值线图上的低阻闭合圈圈定岩溶发育区,然后对比瞬变电磁成果上的低阻异常,确定岩溶异常在瞬变电磁上视电阻率等值线特征,随后在不能施工高密度电法的剖面,根据瞬变电磁成果圈定深部岩溶异常。

1线(图2)剖面走向为91°,高密度电法勘探长度290 m,瞬变电磁和瞬态瑞雷面波勘探长度280 m,从高密度电法ρs等值线图上看,浅部视电阻率值一般在100～300 Ω·m之间变化,等值线起伏变化比较平缓,反映了第四系岩性分布较均匀;反映深部基岩的大极距ρs等值线,视电阻率值一般为150～800 Ω·m,在横向上ρs等值线形态连续性不好,梯度变化较大,在62.5、147.5、192.5 m处ρs等值线急剧向下挠曲,形成明显的低阻异常,异常影响宽度分别约为25 m、5 m、15 m,结合高密度电法勘察结果及等值线异常形态分析推测岩溶裂隙相对发育;在37.5～72.5 m、142.5～152.5 m、195～220 m处ρs等值线急剧向下挠曲,形成明显的低阻闭合异常,异常影响宽度分别约为35 m、10 m、25 m,顶板埋深为14～20 m,ρs值小于80 Ω·m,而岩溶多发育于裂隙之中,与裂隙有着密切关系,结合ρs等值线异常形态和裂隙发育位置推测低阻异常由岩溶发育引起。

图2 1线综合反演断面图

从瞬变电磁反演断面图上看,在40、140、180 m附近,ρs等值线急剧向下挠曲,形成相对低阻异常,位置与高密度电法勘探成果相对应,在130～145 m范围内,深部ρs等值线急剧向下挠曲,形成明显的低阻闭合异常,ρs值小于100 Ω·m,异常影响宽度约20 m,发育深度为25～50 m,推测低阻异常由岩溶发育引起。瞬变电磁浅部分辨率相对较低,要结合瞬态瑞雷面波圈定浅部异常区,从面波速度剖面图上看,浅部低速明显,这是由于表层低速的第四系所致,而当横波速度Vs大于500 m/s,推断为灰岩地层;而在25～40 m、125～135 m出现速度小于500 m/s的低速带,推断为灰岩地层中岩溶裂隙发育所致的异常区,异常区影响宽度分别约为15 m、10 m。

6线异常特征与1线类似,不在赘述,综合反演成果图见图3。通过对比高密度电法和瞬变电磁法的电阻率等值线图可以发现,高密度电法对岩溶异常反映比较精确、直观,而瞬变电磁反映低阻异常(裂隙发育带)比较明显,对比两者异常得出:在瞬变电磁电阻率等值线断面上的岩溶异常较粗略,ρs等值线急剧向下挠曲,形成明显的低阻异常,结合两者对应关系推测为灰岩地层中岩溶裂隙发育所致的异常区。

图3 6线综合反演断面图

2线(图4)与1线剖面大致平行敷设,场地地面硬化不能施工高密度电法,从2线瞬变电磁反演断面图上看,在200 m附近,ρs等值线急剧向下挠曲,ρs值小于250 Ω·m,异常影响范围在10～20 m,结合异常解译对应关系,分析认为低阻异常是岩溶裂隙引起。从面波速度剖面图上看,浅部低速明显,这是由于表层低速的第四系所致,而当Vs大于500 m/s,推断为灰岩地层,在60 m、180 m附近深部Vs等值线向下挠曲,出现速度小于500 m/s的低速带,低速带影响宽度约为10 m,推断为灰岩地层岩溶裂隙发育所致。

图4 2线综合反演断面图

1～7线深部ρs值、Vs值相对较高,电阻率值为150～800 Ω·m,横波速度在500～1300 m/s范围内,推测为灰岩的反映;横向上ρs等值线、Vs等值线起伏变化较大,在各剖面均形成多个低阻、低速异常,根据各剖面低阻、低速异常位置及剖面的位置推测出岩溶裂隙发育带①、②、③、④、⑤(图1)。溶洞多发育于裂隙之中,与裂隙有着密切关系,结合ρs等值线、Vs等值线异常形态形成和裂隙发育位置推测出岩溶发育区(图1)。根据ρs等值线、Vs等值线异常形态圈定了低阻、低速异常范围,其所得异常范围涵盖了异常源及其影响带,导致异常影响范围扩大。

本次工作共布置7条剖面,其中1线、6线进行了高密度电法、瞬变电磁法、瞬态瑞雷面波法综合物探勘察,2～5线进行了瞬变电磁法、瞬态瑞雷面波法综合物探勘察,从测量结果看,不种方法圈定的异常区基本对应。

从本次高密度电法成果可以看出,岩溶异常在ρs等值线图上表现为低阻闭合圈,能较好地反映出深部溶洞的大小和空间分布形态,且岩溶异常位置一般构造裂隙相对发育,结合区域地质资料可知场地附近构造裂隙发育,从而形成不规则的岩溶异常,高密度电法勘探成果与地质资料较吻合,能更加直观、可靠地反映出本区的岩溶异常和裂隙发育带;瞬变电磁不受场地接地条件限制,能在厂房改造区(地面硬化现象普遍)施工,但会受到电线、铁路等影响。本项目瞬变电磁成果能较好地反映出岩溶裂隙,且与已知地质资料吻合,但岩溶空间分布形态反映效果不佳,能粗略地确定岩溶裂隙发育区,在复杂工区提供相对可靠的物探资料;两种方法对岩溶形态反映不同,其原因:①瞬变电磁施工点距大于高密度电法点距,造成精度偏低;②方法的局限性,瞬变电磁可能更适合煤系地层,且该工区电磁干扰较大,从而影响分辨率。

瞬态瑞雷面波受场地条件影响相对高密度电法、瞬变电磁法较小,但勘探深度较浅,本项目中结合瞬态瑞雷面波圈定浅部异常区,进一步弥补瞬变电磁勘探盲区;高密度电法对岩溶异常的反映更加直观、可靠,瞬变电磁法对浅部信息反映不明显,有一定的探测盲区,主要反映深部地质信息,而瞬态瑞雷面波法恰好弥补这一探测盲区,瞬变电磁法和瞬态瑞雷波法两种方相辅相成,互相验证、互相补充。

本次物探勘察采用多方法综合手段进行,各方法采取一定措施最大程度的降低干扰,但由于厂区内路面硬化,有厂房和高压线存在,且临近公路、铁道等因素,各方法还是受到了一定影响,均有不同程度的干扰,造成反演结果部分存在矛盾,分析其原因是干扰造成数据失真。

4 结论

对三种方法的勘探成果综合分析对比,得到如下结论:

(1)各种方法圈定的异常区基本对应,综合分析场地内岩溶裂隙较发育,根据各剖面低阻、低速异常位置及剖面的位置推测岩溶裂隙发育带,并圈定岩溶发育区,为下一步施工提供了准确的依据,为工程安全提供了保证。

(2)勘探方法的选择与地质条件、地球物理特征密切相关,由于场地的局限性,造成各种方法的施工限制,本次采用综合物探法对复杂地区进行岩溶勘察是合理的,通过同剖面上的高密度电法和瞬变电磁法建立异常对应关系,然后在接地条件困难地区采用瞬变电磁进行电磁勘探,结合建立的异常解译关系更精确地圈定岩溶、裂隙异常,为今后施工困难地区提供方法借鉴。

(3)高密度电法较瞬变电磁法能较好地反映出深部溶洞的大小和空间分布形态,原因是瞬变电磁法施工点距较大且受电磁干扰影响,在一定程度上造成分辨率较低。

(4)物探方法具有局限性和多解性,在进行综合解译时,不能根据单一物探方法进行地质解译,应在不同干扰情况下,着重对干扰较小的物探方法所携带的地质信息进行解译,并将各种物探方法进行对比,从而对某类电磁干扰进行削弱,进一步提高数据质量。