物探技術(shù)在巖溶勘察中的應(yīng)用

王慶江,李聰然

(華北有色工程勘察院有限公司, 河北 石家莊 050021)

巖溶又稱喀斯特(Karst),是指可溶性巖體的結(jié)構(gòu)面在水的物理和化學(xué)作用下不斷發(fā)育,形成裂隙、溝槽、空洞、落水洞和地下暗河等,最終在自然或人工作用下發(fā)生塌陷[1]。巖溶會給工程建設(shè)帶來安全隱患。為減小巖溶不良地質(zhì)作用對工程建設(shè)的影響,需對巖溶進行專項勘察和評價,相關(guān)建設(shè)規(guī)范對此也作了詳細要求。

巖溶發(fā)育在空間具有不確定性、隱蔽性和不均一性,常規(guī)鉆探存在漏探的可能性。巖溶體與圍巖之間存在的一種或多種物性差異,為物探方法的使用奠定了基礎(chǔ),具有方便快捷、成本低、效果好等優(yōu)勢[2]。當(dāng)前巖溶勘察常用物探方法有直流電法、電磁波法、彈性波法及其它物探技術(shù)。本文通過查閱文獻,對巖溶勘察常用物探方法進行了總結(jié),為今后巖溶地區(qū)勘察提供一定的借鑒。

1 巖溶探查的地球物理特征

巖中巖溶可被水體、空氣、沉積物等充填,不同充填介質(zhì)與圍巖的物理性質(zhì)存在差異,是物理探查的基礎(chǔ)條件。巖溶地球物理特性主要體現(xiàn)在電磁場、彈性波場、重力場和放射性等[3]方面。

1.1 電磁場異常

完整巖體電阻率一般較高,巖溶為不同物質(zhì)充填時,電阻率會發(fā)生變化。當(dāng)溶洞為空氣充填,則充填體較圍巖呈現(xiàn)高電阻率;當(dāng)溶洞為地下水或沉積物充填,則充填體較圍巖呈現(xiàn)低電阻率。利用充填體與圍巖電磁場的差異,可以圈定巖溶發(fā)育范圍。

1.2 彈性波場異常

巖溶與圍巖的波阻抗存在明顯差異,導(dǎo)致彈性波在巖層中傳播速度發(fā)生變化,巖體中裂隙、空洞會使彈性波的傳播方向發(fā)生改變。彈性波在致密完整巖體中傳播速度大,能量損失小,信噪比高;當(dāng)巖溶充填水體、空氣、沉積物時,傳播速度減小,能量吸收增加,形成各種低頻雜亂信號,是巖溶發(fā)育的判定標(biāo)志。

1.3 重力場異常

地層巖溶發(fā)育使得部分巖體為地下水溶解,巖溶空間為不同介質(zhì)(水、空氣、沉積物)充填,形成低密度區(qū),發(fā)生質(zhì)量虧損。空氣充填巖溶體時,質(zhì)量虧損最大;水體或沉積物充填時,可一定程度補償巖溶造成的質(zhì)量虧損。可用重力計對巖溶與圍巖的重力差異進行測量,實現(xiàn)巖溶的識別和定位。

1.4 放射性異常

放射性元素(如放射性氡)廣泛存在于巖土體中,自然條件下致密巖體中的含量保持相對穩(wěn)定。地層中巖溶的發(fā)育會形成各種裂隙、空洞,成為水體和氣體的運移通道和積聚空間,使得其上部土壤中放射性元素濃度大于周圍土體中濃度,經(jīng)一定技術(shù)測定這種差異,實現(xiàn)地下巖溶的探查。

2 地球物理探測技術(shù)

2.1 電法勘探

2.1.1 常規(guī)電法

常規(guī)電法主要包括電測深法和電測剖面法,電法技術(shù)以介質(zhì)導(dǎo)電性、介電性、電化學(xué)活性差異作為探測的物性條件,向地下介質(zhì)提供電流,分析測量電極間電位差,得到介質(zhì)視電阻率的分布,通過反演分析實現(xiàn)目標(biāo)體的識別和定位。常規(guī)電法因觀測方式和儀器設(shè)備限制,需要人工不斷布設(shè)電極,成本高、效率低。陳燦華等[4]分析了電測深曲線、反射系數(shù)與溶洞發(fā)育情況的關(guān)系,經(jīng)實測證明電測深法能夠準(zhǔn)確探查巖溶的規(guī)模和分布。

2.1.2 高密度電法

高密度電法集電測深和電測剖面為一體,探測的物性基礎(chǔ)是地下介質(zhì)的電性差異。通過供電電極向地下介質(zhì)供電,獲得測量電極間電位差,得出記錄點的視電阻率值。變換電極排布方式,得到視電阻率剖面,得出巖層地質(zhì)體及其界面的分布情況。

高密度電法較常規(guī)電法相比,一次性布極,電腦自動跑極和采集數(shù)據(jù),速度快、效率高,能夠有效降低電極移動造成故障和干擾的概率。高陽等[5]分析了三維高密度電法的技術(shù)特點、優(yōu)勢及施工要求,經(jīng)實測巖溶發(fā)育情況驗證了其勘探效果。

2.1.3 充電法

充電法以具有良好導(dǎo)電性地質(zhì)體電阻率差異為為探測條件,向地層供電得出電場、電位分布差異,實現(xiàn)目標(biāo)體的探查。將供電電極正極、負極分布放于探測體上和較遠位置,測得電位曲線或電位梯度曲線,電位曲線極值點或電位梯度曲線零點處為良導(dǎo)體位置。充填水體或濕潤沉積物的溶洞為良導(dǎo)體,為充水體或濕潤沉積物的溶洞為良導(dǎo)體,為充電法的使用提供了條件。陳松等[6]介紹了充電法和高密度電法兩者的原理、探測條件和優(yōu)勢,并對貴港巖溶發(fā)育進行聯(lián)合探查,驗證了聯(lián)合探測的效果。

2.2 電磁波法

2.2.1 瞬變電磁法

瞬變電磁法也稱為時間域電磁法,使用不接地回線或接地回線圈向巖體發(fā)射一次脈沖場,巖體感應(yīng)生成二次渦流,根據(jù)二次渦流形成二次電磁場的時空分布,實現(xiàn)目標(biāo)體的探測。瞬變電磁法具有高阻穿透能力強、低阻含水體靈敏性好、橫向分辨率高、指向性好、設(shè)備輕便、效率高等優(yōu)點。楊金鳳等[7]采用瞬變電磁法對濟南相關(guān)道路下方巖層進行了探測,得出了巖溶的發(fā)育情況和地下水的埋藏深度,驗證了瞬變電磁法探查巖溶的可靠性。

2.2.2 頻率域電磁法

(1)大地電磁法。大地電磁法工作原理是電磁波的趨膚效應(yīng)理論,即不同頻率電磁波入射地下時穿透地層的厚度各不相同,頻率越低、周期越長,穿透深度越大。通過收發(fā)不同頻率的電磁波,獲得不同深度巖層的視電阻率,實現(xiàn)地下目標(biāo)體的探查。

常用的大地電磁法有AMT(音頻大地電磁法)、CSAMT(可控源音頻大地電磁法),區(qū)別在于AMT使用自然電磁場,CSAMT使用人工電磁場。AMT方法改進可得到EMAP(電磁排列剖面法)和EH－4(電磁成像系統(tǒng)),EMAP兼顧AMT的輕便性和CSAMT的穩(wěn)定性,EH－4采用自然場和部分人工場。黃明景等[8]分析了AMT和CSAMT的優(yōu)缺點,結(jié)合其它文獻,將AMT和CSAMT技術(shù)特點列于表1。

表1 AMT法與CSAMT法技術(shù)特點

(2)甚低頻電磁法。甚低頻電磁法場源電磁波頻率范圍為15 Hz～25 k Hz,屬于被動源電磁法。電磁波在傳播過程中遇到電性不同的地質(zhì)體或界面時,會感應(yīng)形成二次場,一次場和二次場會耦合形成總場。甚低頻儀器通過測量電磁場的空間分布,得出存在電性差異地質(zhì)體或界面的分布情況。史保連[9]介紹了VLF－EM的原理,并用于巖溶探測,取得了很好效果。

2.2.3 地質(zhì)雷達

地質(zhì)雷達也稱為探地雷達,是利用發(fā)射天線將15 MHz～2 GHz高頻及超高頻電磁波以寬頻帶短脈沖形式射入地層,入射信號遇到不同波阻抗地質(zhì)體或界面時發(fā)生反射,反射波可被接收天線測得。反射波的能量與反射系數(shù)正相關(guān),反射系數(shù)則隨著反射界面兩側(cè)介電常數(shù)差異的增大而變大。分析反射信號的傳播時間、頻率、振幅和波動狀態(tài),實現(xiàn)地下目標(biāo)體埋藏位置的確定。葛雙成等[10]介紹了地質(zhì)雷達的技術(shù)原理、特征及其探測巖溶的物性基礎(chǔ),將其應(yīng)用于實測,并總結(jié)了巖溶探測的反演圖像特征。

2.3 彈性波法

彈性波法的物性基礎(chǔ)與電磁法不同,是地下介質(zhì)波阻抗的差異,通過測量和分析彈性波在巖層中傳播規(guī)律,得到地質(zhì)體的形態(tài)大小和分布范圍。巖溶探查常用的彈性波法包括反射波法、折射波法、面波法,同時也將微動法歸類于彈性波法。

2.3.1 反射波法

反射波法的物性基礎(chǔ)是彈性波在不同波阻抗地質(zhì)界面會發(fā)生反射,測定地面不同位置反射波的傳播時間和振動特征,判斷地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育情況。陳貽祥等[11]聯(lián)合多種物探方法對道光村巖溶塌陷進行探測,指出電磁波在遇到洞穴、塌陷擾動土?xí)r反射波會頻率降低、波形變寬,出現(xiàn)波的反射、繞射及多次振蕩拖尾現(xiàn)象。

2.3.2 折射波法

彈性波以一定條件遇到地質(zhì)界面時,會發(fā)生折射,通過地震儀接收折射信號,分析其傳播時間和振動特征,實現(xiàn)地質(zhì)體及其界面的探測。與反射波法不同,折射波的形成要滿足折射定律：當(dāng)下層速度大于上層速度時滿足折射定律,彈性波會發(fā)生折射現(xiàn)象,隨著入射角增大,折射角逐漸增大,當(dāng)其為90°時,彈性波會發(fā)生全反射,彈性波將沿界面滑行,基于此規(guī)律實現(xiàn)地下巖溶發(fā)育情況的探查。何沛田等[12]詳述了淺層地震反射波法、折射波法和面波法的原理和施工要求,將其應(yīng)用于渝黔高速部分路段巖溶發(fā)育情況的探查,鉆探結(jié)果驗證了淺層地震波法的應(yīng)用效果。

2.3.3 瑞雷波法

瑞雷波法也稱主動源面波法,基于彈性波在不同地質(zhì)體及界面中傳播速度的差異,實現(xiàn)目標(biāo)體的探測。瑞雷波由地質(zhì)體形狀和體積對應(yīng)的橫波和縱波在地表耦合生成,可利用其幾何頻散特性得出在巖層中傳播速度。實際應(yīng)用中采用人工震源向地表進行豎向激振,使地質(zhì)體表面附近形成不同波長的瑞雷波,改變激振頻率獲得不同深度的波長和速度,基于瑞雷波與巖土體地球物理特征的關(guān)系,反演實現(xiàn)地下空洞、溶洞、塌陷的識別和定位。林承灝等[13]采用多道瑞雷波面法對合福高鐵某段路基巖溶進行調(diào)查,通過f－k法和相位差法改善提取面波的方法,提高了探測分辨率,對巖溶探查取得了顯著效果。

2.3.4 地震映像法

地震映像法由反射波最佳偏移距技術(shù)發(fā)展而來,根據(jù)探測目的可選用反射波、折射波、面波等一種或多種波作為有效波,以相同小偏移距移動測點接收信號,實現(xiàn)地下目標(biāo)體的連續(xù)掃描,基于不同地質(zhì)體密度、速度及泊松比的差異,對接收到的信號進行反演分析,實現(xiàn)地質(zhì)體的精準(zhǔn)探測。黃霄寒等[14]聯(lián)合地震映像和探地雷達對隧道巖溶進行了探測,指出未充填溶洞圖像波形雜亂,時間剖面有較明顯“低頻振蕩”現(xiàn)象;充填型溶洞圖像同向軸反射散亂,波動頻率低,振幅變化大,波動能量強;巖溶裂隙圖像的同向軸不連續(xù),高頻部分吸收明顯,波形紊亂,波動振幅增大。

2.3.5 微動法

微動探測技術(shù)是一種探測隱伏斷裂構(gòu)造和地層界線的新方法,微動就是地球表面物體一直存在的天然微弱振動,是微動探測技術(shù)的波源。微動是包含面波(勒夫波和瑞雷波)和體波(P波和S波)的復(fù)雜振動形式,面波能量可占到總能量70%以上。微動信號的振幅和形態(tài)隨時間和空間不斷變化,但可利用平穩(wěn)隨機過程理論,得出地下介質(zhì)微動信號中面波(瑞雷波)的頻散信息,經(jīng)反演分析得出橫波(S波)的速度結(jié)構(gòu),實現(xiàn)地下隱伏結(jié)構(gòu)的探測。徐佩芬等[15]介紹了微動探測技術(shù),將二維微動剖面技術(shù)應(yīng)用于巖溶陷落柱、斷層破碎帶等隱伏地質(zhì)構(gòu)造的探查,并取得了顯著效果。

2.4 微重力法

微重力法也稱為高精度重力法,基于地下巖體質(zhì)量虧損或盈余形成的局部重力異常,實現(xiàn)目標(biāo)體分布的識別。巖溶發(fā)育形成的質(zhì)量虧損是微重力法應(yīng)用的物性條件。目前,新型高精度重力儀測試精度為微伽級(10－6Gal,即μGal),可以實現(xiàn)溶洞和空穴的精確定位。微重力法設(shè)備儀體積小、質(zhì)量輕、易操作、速度快、分辨率高、野外作業(yè)方便、適用地形條件廣,尤其適用于淺埋、大體量溶洞的探查。微重力法較直流電法和電磁波法可不受場地電磁信號、金屬材料、接地條件和場地地形條件干擾的優(yōu)勢。唐沛[16]將微重力法應(yīng)用于隧道溶洞的勘察,探測結(jié)果較好,對該方法的應(yīng)用提出了建議。

2.5 測氡法

氡(222Rn)是放射性元素,存在于巖土體中,以氣態(tài)或溶解態(tài)由濃度高、壓力大區(qū)域向濃度低、壓力小區(qū)域擴散、運移。地下空洞是氡氣遷移和富集的有利場所,上方土壤中氡的濃度升高,通過測量巖溶發(fā)育地區(qū)土壤的氡濃度,實現(xiàn)巖溶、裂隙地質(zhì)體的探查,能避免電磁或振動信號對測試儀器的干擾,不受場地大小影響,快速、方便、經(jīng)濟。胡讓全等[17]介紹了土壤氡濃度方法探測巖溶的原理、施工方法和質(zhì)量保證措施,并將其用于廣州市巖溶地面塌陷和地面沉降的探查,取得了很好效果。

2.6 井間層析成像技術(shù)

層析成像技術(shù)[18](CT,Computed Tomo-graphy)是將物體的物理場參數(shù),通過物理和數(shù)學(xué)關(guān)系進行處理,反演被檢物體內(nèi)部結(jié)構(gòu),以圖像方式呈現(xiàn)的技術(shù)。層析成像技術(shù)分辨率高、探測范圍大、探查圖像直觀,但不同觀測系統(tǒng)的工作效率、成像質(zhì)量、解釋結(jié)果有較大差異。井間層析成像技術(shù)是在發(fā)射井中生成探測信號,接收井中接收探測信號,反演分析得出2個探測井間的構(gòu)造信息。常用的井間層析成像技術(shù)包括彈性波CT和電磁波CT兩種。

2.6.1 彈性波 CT

彈性波CT的探測信號是彈性波,其物性條件是不同介質(zhì)中傳播速度的差異。發(fā)射孔內(nèi)施加瞬時激振力,生成彈性波,傳播過程中振動狀態(tài)發(fā)生改變,在接收井內(nèi)對其進行接收。通過層析成像技術(shù),獲得探測范圍內(nèi)的構(gòu)造分布。孟憲波等[19]采用彈性波CT對哈大客運專線巖溶進行了探查,總結(jié)了其測試原理、施工方法、干擾因素。

2.6.2 電磁波 CT

電磁波CT的探測信號為電磁波,其物性條件是不同介質(zhì)吸收電磁波能量的差異。這種差異與巖層性質(zhì)、裂隙分布和含水狀態(tài)有關(guān),在2個探測井中發(fā)射和接收電磁波,經(jīng)層析成像技術(shù)分析電磁波傳播過程中的能量損失,獲得探井間構(gòu)造分布,實現(xiàn)巖溶的探查。向世明等[20]采用電磁波CT對管道工程的巖溶進行了探測,取得了良好效果,并總結(jié)了其基本原理、施工過程、解釋方法。

3 多方法綜合勘探

巖溶探查的地球物理方法較多,不同方法的探測效果良好,但受覆蓋層、充填介質(zhì)、埋深等因素的影響,大多數(shù)探測方法均存在一定的局限性,且往往以點面探測為主。基于單一探測方法的評價效果往往不佳,解釋具有一定片面性,應(yīng)用效果不佳。實際工程應(yīng)用中,往往通過多種物探方法的聯(lián)合勘探,提高探測精度,減小解釋誤差。

鄭智杰等[21]聯(lián)合高密度電法、主動源面波法、微動法很好地確定了泗角村土層結(jié)構(gòu)、巖溶分布。程亞平等[22]利用等偏移反射法、高密度電法、自然電場法對平果某場地斷裂、巖溶分布探查取得了很好的應(yīng)用效果。何禹等[23]采用聯(lián)合剖面法、電測深法、高密度電法、地質(zhì)雷達4種方法聯(lián)合探查岳家橋鎮(zhèn)隱伏斷裂構(gòu)造、土洞、巖溶和第四系厚度,經(jīng)鉆探驗證,兩者吻合性可達90%以上。

4 結(jié) 語

巖溶勘察對工程建設(shè)的安全有重要意義,本文通過查閱文獻,總結(jié)了常用的物探方法及其優(yōu)缺點,為今后巖溶場地勘察的物探方法選擇提供參考,為提高巖溶探查的準(zhǔn)確性,提出以下建議：

(1)選擇合適的物探方法。分析已有地質(zhì)資料,確定場地最突出地球物理特征,據(jù)此選擇合適的物探方法,可減少探測結(jié)果的多解性。

(2)多種探測技術(shù)結(jié)合。采用多種物探方法聯(lián)合探測,減少多解性造成的誤判結(jié)果幾率;與鉆探相結(jié)合,驗證物探結(jié)果,提高探測效率和準(zhǔn)確性。

(3)發(fā)展新物探技術(shù)。借助物探方法的發(fā)展和現(xiàn)有技術(shù)的改造,提高探測準(zhǔn)確度,降低勘察成本。