综合物探方法在探查龙门石窟敬善寺破碎裂隙的应用

赵宏欣，谭 震，张 超，魏子贺

(辽宁有色勘察研究院有限责任公司,辽宁 沈阳 110000)

1 引言

敬善寺区域位于龙门石窟[1,2]西山,始建于唐太宗时期,该区域的崖壁上,有很多小佛龛,佛龛里的造像奇特,是流传中最初的释迦牟尼雕像,佛教最原始的偶像崇拜。但该区域发育大量的裂隙及危岩,大量洞窟存在不同程度的坍塌、破损,同时存在洞窟渗水及坡面径流[3]等较为严重的水害现象,文物本体的保存环境堪忧,需进行有效的修缮保护[4,5]。如何探测渗水路径及裂隙发育区等[6-8]情况是修缮保护至关重要的一环。

由于文物的特殊性,传统的观察、扫描等方法只能对其表面损伤进行探测,而其内里的损伤才是致命的,钻探虽能探明岩体内部不良地质发育情况,但会对文物造成不可恢复的损伤,故不太适用。地球物理勘探方法[10-12]作为一种无损检测技术,能够在不破坏的情况下对其内部结构进行探测,从而为后期治理及预防提供宝贵的资料。

本文中采用高密度电法[13-15]、电磁波CT探测技术[16-21],并结合钻孔电视成像技术[22-25]对该区域进行扫描探测,通过反演解释分析,得到了一致的结果,从而证明了物探方法在文物保护领域的有效性,对相似的工作具有借鉴意义。

2 工区概况

石窟区地貌上处于伏牛山、嵩山山前地带,属构造剥蚀低山丘陵地貌,龙门山和伊河河谷是区内的主要地貌单元。龙门山走向近东西,由龙门山、燠子岭等山峰组成。该山体被伊水横切,形成了深切峡谷,形如“门阀”,龙门因此得名,又称伊阙,故石窟区又分东山和西山。敬善寺区域位于西山石窟区的北侧,该山坡下部较陡,坡度约59°,上部坡度约45°直至山顶,第四系覆盖层极薄,见图1敬善寺区域全貌及地层分布图。

图1 敬善寺区域全貌及地层分布Fig.1 Overview and stratigraphic distribution of Jingshan temple area

良好的物性差异是开展地球物理勘探的重要前提,在进行地球物理方法工作前,首先对勘探区的物性参数进行调查,详见表1。

从表1 中可以看出作业区的四类岩层具有较明显的电性差异,黄土状粉质黏土的电阻率值较低不超过200 Ω·m。白云岩破碎程度、含水情况及充填情况不同导致其电阻率值差异性较大,破碎含水白云岩电阻率值一般在100～1 500 Ω·m之间;破碎不含水白云岩电阻率值一般在2 000～5 000 Ω·m之间;完整的白云岩的电阻率相对较高一般都在10 000 Ω·m以上;泥灰岩及灰岩的电阻率相对较高一般都在10 000 Ω·m以上。结合调查及钻孔资料可知该处洞窟分布在白云岩中,渗水主要是白云岩层破碎、裂隙等不良地质形成溶蚀通道导致的,其破碎岩体与完整岩体的电阻率值有较大的差异为本次高密度电阻率法的选用的提供了基础。

区域洞窟渗水情况严重,大多数洞窟均存在不同程度的渗漏现象。其中下部分洞窟比上部分洞窟渗水严重,南部洞窟比北部洞窟渗水严重。洞窟渗水最为严重区域呈滴水形式,降雨后洞窟内有积水,如图3洞窟渗水现状所示。渗水是破坏石窟本体的一大因素,查明渗水的原因及水蚀通道是后期治理保护的前提。文中采用高密度电法、电磁波CT和井下电视扫描成像技术多种物探方法相结合的方法以期查明渗水路径,为后期治理提供依据。

3 方法原理

3.1 电磁波CT技术

电磁波CT技术是利用无线电波(工作频率0.5～32 MHz)在两个钻孔中分别发射和接收,根据不同位置上接收的场强的大小,来确定地下不同介质分布的一种地下地球物理勘查方法。

电磁波CT法涉及电磁波在地下有耗空间的辐射、传播和接收,其正反演问题的理论基础是电磁场理论和天线理论。式(1)为电磁波CT法中的场强观测值公式:

(1)

从式(1)中可以看出,当电磁波通过地下介质(如各种不同的岩石、矿体及溶洞、破碎带等 )传播时,由于不同介质的电阻率、介电常数等存在差异,导致其对电磁波的吸收(β)存在差异,如溶洞、破碎带等的吸收系数(βS)比其围岩的吸收系数(β0)要大得多,因此在溶洞、破碎带的背后的场强也就小得多,从而呈现负异常,利用这一差异推断目标地质体的结构和形状。

井间电磁波CT技术勘测方式有定发观测方式和同步观测方式。定发观测方式是指采集数据过程中,发射装置固定在一个位置,接收装置按照一定步长依次移动的测量方式;同步观测方式是指在采集数据过程中,发射装置与接收装置始终保持一定的距离同步移动的测量方式。井间电磁波CT技术观测系统示意如图2所示。

图2 井间电磁波CT技术观测系统示意图Fig.2 Schematic diagram of cross-hole electromagnetic wave CT technology observation system

图3 高密度电法温纳装置电极排列示意图Fig.3 Schematic diagram of Wenner device electrode arrangement of high density electrical method

3.2 高密度电法

高密度电法采用温纳装置,基本原理是:电极按供电正极—测量正极—测量负极—供电负极的布极方式,等比例排列在剖面上,获得某一深度的视电阻率值(图3)。根据设计要求和场地地形实际情况确定每排列一次性布设若干根电极,供电电压288 V,供电时间100 ms,断电时间50 ms。测量时AM=MN=NB为一个电极间距,A、B、M、N逐点同时向右移动,得到第一条剖面线(即第一层);接着AM、MN、NB增大一个电极间距,A、B、M、N逐点同时向右移动,得到另一条剖面线;这样不断扫描测量下去得到倒梯形断面。

3.3 钻孔电视成像技术

钻孔电视技术方法是在钻孔中采用高精度、高清晰度和高分辨率的孔内摄像头对钻孔的图像进行整体和局部拍摄,观测钻孔内的情况。其由井下系统和地面系统组成,井下系统主要有红光摄像头、视频处理电路、保温瓶等。摄像头在井下拍摄图像,图像经过 AD 转换、压缩编码以及传输编码等得到压缩的视频数据流,再通过测井电缆传输到地面。地面系统主要有视频处理电路、视频卡、PC 机、电源模块、深度编码器、字符叠加电路等。将井下传输上来的信号经过放大、解码、解压、制式合成、字符叠加等过程将信号恢复成井下摄像头拍摄的模拟图像信号,并叠加相关的字符信息,在地面可以看到叠加了相关字符信息的井下图像。通过查看井下图像资料生成的岩芯图可以准确地判读节理裂隙的位置、发育程度、是否充填、角度及连通等情况。

4 成果分析与推断解释

本次物探工作采用高密度电阻率法、跨孔电磁波CT法及钻孔电视成像技术,结合前期地质调绘及钻孔资料得知本次物探勘探范围内均为白云岩,故对物探成果资料的分析及推断解释不再考虑不同地层的因素,以相应物理量的相对值来评定。

图4 物探测线布设Fig.4 Line layout of geophysical survey

4.1 高密度电阻率法成果分析推断解释

由于勘探区位处于国家重点保护文物区,非必须不得产生附加损害,钻孔ZK1至高密度测线起始端为光滑陡立面难以站立,无法安全布设测线,故高密度测线未能经过钻孔ZK1。高密度电阻率法测线沿山体地势水平布设,随地形起伏垂直变化,共布设电极60个,极距1 m,完成测点60个,剖面长59 m,详见图4物探测线布设图。

由于场地条件原因,高密度电阻率测线长度受到限制,勘探深度较浅,为避免地形起伏造成的影响,对成果资料加上地形校正。图5为高密度电阻率成果剖面。从图5中可以清晰地判读:剖面整体视电阻率值均较大,均在1 000 Ω·m以上,剖面两端呈相对低阻,中间部分即水平向上22～32 m区域电阻率呈相对高阻,可达80 000 Ω·m;剖面中视电阻率多呈封闭圈分布,连续性差,推断地层横向上不均匀,存在破碎裂隙发育区,岩体完整性差,定义为破碎裂隙发育异常区P1。在水平向9～15 m区域有一低阻区,电阻率值在1 500 Ω·m以下,且有向下延伸趋势,推断溶蚀通道发育,定义为溶蚀发育异常区R1。

图5 高密度电阻率法成果剖面Fig.5 Profile of high-density resistivity method

4.2 电磁波跨孔CT成果分析推断解释

跨孔电磁波CT分别在孔ZK1与ZK2两孔之间跨孔进行,采用同步测量方式,同步间距分别为0 m、1 m、2 m、3 m、5 m五种,频率选用:4 MHz、5 MHz、6 MHz、7 MHz、8 MHz、9 MHz、10 MHz、11 MHz、12 MHz九种,发射天线为2.5 m。由于两孔之间的距离较远,考虑穿透性的问题,电磁波CT资料处理采用4 MHz较低工作频率,提高穿透距离。根据以往探测工作的经验认识,破碎带、裂隙、泥、溶洞等岩体不良地质发育时,电磁波的损失严重,视吸收系数(β)较大,完整岩体视吸收系数(β)较小,这是电磁波CT法勘查的物性前提。本次勘查区域为山地,高程差较大,由于电磁波法本身的限制倾斜部分数据量不足,本次测量均取高程一致的区域。

ZK1-ZK2电磁波跨孔CT:左为ZK1孔,深度从2 m开始;右为ZK2孔,深度从5 m开始。

从图6的ZK1-ZK2电磁波跨孔CT成果图上可以明显看出:吸收系数整体呈现左侧上小下大,右侧上大下小,在ZK1附近深度向-15～ -26 m,水平向0～25 m区域,吸收系数相对较高,均大于1 dB,推测岩体构造裂隙较发育(CT成果图中红色圈定,定义为P2);在ZK2附近深度向-5～-18 m,水平向13～36 m区域,吸收系数相对较高,均大于1 dB,推测岩体构造裂隙较发育(CT成果图中红色圈定,与图5中高密度电阻率法推断异常P1相吻合);其他区域吸收系数相对较低,不超过1 dB,推测岩体较完整。

4.3 钻孔电视成像技术成果分析推断解释

钻孔完成后对钻孔进行多次洗孔,以确保孔壁干净,保证井下电视成像的效果。共完成2孔的测量,其中ZK1完成测量32.7 m,ZK2完成测量36 m。

从图7的ZK1钻孔18～22 m段井下电视成果图可以清晰地判读:ZK1孔壁18～22 m区域段岩体节理裂隙较发育,呈网状交织发育成水平向,或与岩芯轴向20°～40°发育,部分呈填充状,见铁质侵染及溶蚀现象,推断为破碎裂隙发育异常区,与图6中电磁波跨孔CT法推断异常P2相吻合。从图8的ZK1钻孔24～27 m段井下电视成果图可以清晰地判读:ZK1孔壁24.8～26.2 m区域段岩体较破碎,纵向横向上有填充裂隙发育,充填物有铁质侵染现象、溶蚀细孔密布,推断该区域段存在渗流通道,定义为溶蚀发育异常区R2。

从图9及图10的 ZK2钻孔5～17 m段井下电视成果图可以清晰地判读:ZK2孔壁5.0～17.0 m区域段岩体节理裂隙呈网状交织发育,呈填充状,见铁质侵染,孔壁自身及裂隙充填物存在溶蚀孔,推断为破碎裂隙发育异常区,与图6中电磁波跨孔CT法推断异常P1相吻合。从图11的ZK2钻孔30～34 m段井下电视成果图可以清晰地判读:ZK2孔壁30.0～34.0 m区域段岩体较破碎,纵横向上有填充裂隙发育,充填物有铁质侵染现象、溶蚀细孔密布,推断该区域段存在渗流通道,定义为溶蚀发育异常区R3。

图6 ZK1-ZK2电磁波跨孔CT成果Fig.6 Electromagnetic wave cross hole CT results ZK1-ZK2

图7 ZK1钻孔18～22 m段井下电视成果Fig.7 Downhole TV results of 18～22 m section ZK1 borehole

图8 ZK1钻孔24～27 m段井下电视成果Fig.8 Downhole TV results of 24～27 m section of ZK1 borehole

图10 ZK2钻孔11.0～17.0 m段井下电视成果Fig.10 Downhole TV results of 11.0～17.0 m section of ZK2 borehole

图11 ZK2钻孔30～34 m段井下电视成果Fig11 Downhole TV results of 30～34 m section of ZK2 borehole

5 结论

1)针对龙门石窟文物的特殊身份,结合岩层地球物理特性分析,选择了高密度电阻率法、电磁波CT技术和井下电视成像技术多种物探方法,推断解释了破碎裂隙发育异常区2处,溶蚀发育异常区3处,查明了节理裂隙及溶蚀通道发育等情况,为后期的治理保护提供了依据。

2)三种物探方面探测结果相互印证,吻合性很好,不仅说明了探测的结果的可靠性,也证实了物探方法在探查石窟文物渗水情况的有效性。

3)每一种物探方法都有其独立的特性,在实际问题中要结合其本身特点合理布设测线。文中利用电磁波CT法和高密度电阻率法对整体地层进行探测,推断圈定异常发育区域取得了良好的效果,但这二种方法无法探测异常发育的具体情况,结合井下电视扫描成像技术可以清晰直观地判读节理裂隙的走向、连通及充填等情况,三种物探方法的综合利用在本次勘探中取得了良好的效果,对类似项目有一定的借鉴意义。