構造復雜區地下溶洞及裂隙帶電法勘探測試研究

肖坤林，閆國鈺，賈小杰，張 揚

（中國冶金地質總局地球物理勘查院，河北 保定 071000）

隨著我國基礎設施建設重心逐步向西南轉移，巖溶發育、構造復雜地區地質特征對公路、鐵路路基橋隧建設影響巨大。因此，對上述地區開展針對性的物探技術有效性試驗研究迫在眉睫[1]。

目前，由于西南山脈縱橫，構造發育，水量充沛，溶洞不規則且連片發育，構造活動導致的裂隙帶和構造破碎帶進一步貫通了不同深度、時期的地下水，進一步加劇了上述地區巖溶發育程度，使得該地區巖溶具有縱向呈現串珠狀、橫向連片，形態上不規則的特點。鑒于此種特點，使得傳統意義上依靠鉆探、地質調查和單一物探手段輔助的勘察方案難以準確描述地下巖溶發育特征，而云貴高原山脈縱橫、切割劇烈的地貌特征，也極大的限制了眾多物探技術手段在該地區的應用，進一步增加了物探勘察的難度[2]。

為此，本文選擇可控源音頻大地電磁法、高密度電測深法作為試驗技術，在該區域巖溶發育典型地區開展物探勘察作業，通過工程實例，論證兩種電法技術的適應性和有效性，為后續工程勘察的順利進行提供科學依據。

1 工作原理及方法

1.1 可控源音頻大地電磁法

可控源音頻大地電磁（CSAMT）法是利用人工場源激發地下巖石，在電流流過時產生的電位差，接收不同供電頻率形成的總場電位，由于不同頻率的場在地層中的傳播深度不同，所反映深度也就與頻率構成一個數學關系，不同電導率的巖石在電磁場的激勵下產生的二次場是不同的[3]。本次物探工作采用標量測量方式，選用V8 System 2000 系統開展數據采集工作。

1.2 高密度電法

高密度電法是傳統直流電阻率測深法和剖面法的綜合應用。高密度電法即高密度電阻率法，是以巖、土導電性的差異為基礎，通過一次布設電極，可實現多種電極排列方式的掃描測量，從而獲得較豐富的關于地電斷面結構特征的地質信息[4，5]。本次采用賽盈地脈技術有限公司生產的分布式高密度電法系統，以常用溫納—斯倫貝謝爾排列方法進行。

2 綜合物探剖面探測應用及討論

2.1 工區地層特征

本次工區位于云貴高原西南云貴兩省交界處，第四系覆蓋層以紅色黏土為主，厚度大致在10m ～40m 之間，基巖為二疊系下統梁山-棲霞組、茅口組灰、深灰色中至厚層狀灰巖，燧石團塊灰巖，局部夾雜泥巖，偶含有煤線。工區灰巖溶蝕普遍發育，裸露于地表的天然溶洞隨處可見，且該地區構造活動強烈，斷層裂隙發育，導致地下水系發達，進一步促進灰巖溶蝕發育同時，也導致工區基巖破碎，完整性較差。

測線沿線共有四個已知鉆孔，其中K3、K4 錄井資料及聲波測井曲線資料如圖1 所示，從圖中可看出，聲波測井數據和已知鉆孔資料吻合度很好，本地區溶蝕比較發育，巖體完整性較差。

圖1 K3 和K4 錄井柱狀圖及聲波測井曲線

2.2 工區地質、地形及人文干擾條件

本區地質、地形及人文條件對物探勘察存在如下不利條件：①表層局部地段基巖出露或多為孤石，不利于電極的埋置，影響接收效果。②地形切割嚴重也會對觀測數據產生嚴重的影響，導致假異常的產生或真異常的消失，給解釋工作帶來較大困難。③局部地區線路上方或附近有高壓線，會造成電磁干擾，給大地電磁外業采集和解釋工作帶來較大的困難。

研究以上地質、地形與地球物理條件，通過現場試驗，確定應對措施如下：①在遇到表層不利于電極埋置的地方，通過采取措施，如在電極位置放置黃土，保證電極與地面耦合好；②此次物探工區大部分為山地地貌，地形起伏大且坡度陡，為保證成果的解釋精度，應保證水平距離的精度同時記錄地形的突變的情況，以用作地形校正。③此次物探測線部分地段會穿過公路和高壓線，為保證成果得解釋精度，應記錄好可能干擾段的具體位置，以便后面分析數據時能綜合解譯。

2.3 斷面解釋

2.3.1 解釋依據

根據電阻率正演模擬結果可知，電阻率等值線的變化反映了地下電性層變化特征，是實際巖層電阻率特性的宏觀響應。地下溶洞由于成因環境不同，同時受構造運動的影響，從而在縱向和橫向上產生視電阻率的變化；此外，溶洞視電阻率值不僅與地層構成成分、成因有關，還與其巖石顆粒大小、致密程度、含水量有關，研究這些物性特征，可以推斷地下溶洞的展布規律、斷層構造、富水性等。

在反演電阻率斷面圖上，電阻率等值線密集陡直（橫向梯度變化較大），彎曲變形，說明在該處存在不均勻地質體，此區域往往是溶洞發育區所在。密集帶往往是斷層、節理裂隙帶等構造或不同電性地層的分界處。應注意到同一巖石的電阻率值會隨著巖石自身的破碎程度、富水程度等有不同的變化，所以實際情況會比較復雜。

綜合電阻率等值線斷面圖以及地調資料，對巖體的破碎、軟弱、風化程度或含水情況進行判釋。

（1）根據電阻率值大小，并考慮地層巖性等因素，將低阻異常判釋為破碎、軟弱或溶洞發育區的反映；高阻背景值中的條帶狀相對低阻異常則被判釋為斷層破碎帶；電阻率值較高且分布較均勻的高阻區域則對應為較完整巖體。

（2）依據電阻率斷面圖上電阻率異常的等值線型態及走向趨勢確定地下溶洞，斷裂帶的邊界。

2.3.2 剖面解釋

高密度電法解釋剖面圖如圖2 所示，剖面整體以中低阻為主，地表分布有連片高阻，應為地表基巖裸露所致。剖面形態整體呈現中低阻相間、低阻區呈團狀發育。依據以往解釋經驗，全封閉的低阻異常區為地下巖溶連片發育導致，密集過渡帶則顯示為構造裂隙帶發育，往往也是溶洞發育邊界所在。其中，里程號2070 點附近為K1 鉆孔的位置，藍色圈內為溶蝕發育區，電性特征為明顯的低阻圈閉，鉆孔資料顯示，在深度21m ～26m 范圍內發育有溶洞。里程號2270 點附近為K2 鉆孔的位置，電性特征為明顯的等值線密集過渡帶，其左右兩邊為明顯的低阻圈閉，鉆孔資料顯示在深度14m ～17m 范圍內為裂隙密集帶。

圖2 高密度電法解釋剖面圖

可控源音頻大地電磁法解釋剖面圖如圖3 所示，紅色圈內為溶蝕發育區，藍色圓圈內為裂隙發育區，剖面整體呈現由淺入深、電阻由低到高的趨勢，部分地區低阻和高阻區相間分布。其中，里程號4660 點附近為K3 鉆孔的位置，鉆孔資料顯示在深度8m ～30m，75m ～85m 范圍內發育有溶洞；在深度90m ～110m 范圍內為裂隙密集帶。里程號4850 點附近為K4 鉆孔的位置，鉆孔資料顯示在深度26m ～33m，135m ～138m 范圍內發育有溶洞；在深度80m ～100m，115m ～130m 范圍內為裂隙密集帶，K3，K4 井鉆遇溶洞充填物多為粉砂、碎石，部分無充填，且含水性不均一。如解釋剖面圖所示，斷裂密集帶的電性特征為電阻率等值線密集發育帶，溶洞的電性特征則顯示為較大范圍的半封閉的低阻異常區。通過綜合分析鉆遇溶洞充填特征及此類方法特點，認為形成這類異常的原因有兩條：一、是溶洞內部充填物質不均一，含水性不同導致其內部上下層電性特征不統一，二、則是由于該類方法為一單點測深類方法，所以其對溶洞水平發育特征的刻畫能力受限于其點距，難以以全封閉的低阻異常區刻畫溶洞。

圖3 可控源音頻大地電磁資料解釋剖面圖

2.4 綜合討論

從圖2、圖3 來看，由于高密度法和可控源音頻大地電磁法在基本原理、數據采集方式有較大的區別，二者的反演結果也存在明顯不同。

從探測深度來看，可控源音頻大地電磁法具有明顯的優勢，對地表以下300m 處電性異常體也有反映，而高密度電法則由于電極最大間距的限制而難以開展深部電性異常體探測作業。從勘察分辨率來看，高密度電法在淺部明顯優于可控源音頻大地電磁法，然而隨著勘察深度的增加，其縱向、橫向分辨率明顯下降。而可控源音頻大地電磁法除去對深部電性異常體反映靈敏，對淺部電性異常體也有一定的分辨力，尤其在基巖裸露的山區開展的電性勘探，使用該技術可以有效的穿透地表高阻層，準確探測地下電性異常特征。

綜合以上分析，高密度電法和可控源音頻大地電磁法解釋研究區內覆蓋型地下巖溶發育（溶洞）、裂隙發育帶和構造破碎帶，其電性反應為低阻異常，高密度電法對于淺地表電性異常體反映明顯，但受限于地表高阻層及地表起伏的影響，為保障電極接地條件，實際工作量巨大。可控源音頻大地電磁法則具有穿透高阻層的優勢，更加適合在基巖裸露、構造復雜的灰巖地區開展勘察工作，其對淺、中和深部電性異常體均有良好的反映。

3 結語

（1）結合高密度電法和可控源音頻大地電磁法資料來看，研究區內地下溶洞主要表現為低阻異常，其電阻率等值線形態以陡峭直立過渡帶和彎曲變形為主。

（2）結合鉆孔資料，分析對比兩種方法對不良地質體反映程度表明：高密度電法對于劃分第四系覆蓋層厚度、地質界面的分辨率要比可控源音頻大地電磁法高。可控源音頻大地電磁法對于深部的異常區，巖性分界線反映更清晰，且對淺、中深度范圍內電性異常體也較為靈敏。但當工區巖體的電阻率差異很大時，高密度電測深法對于埋深稍大的不良地質體也有明顯的反映。

（3）綜合高密度電法和可控源音頻大地電磁法勘察結果而言，認為在構造復雜、基巖裸露的山區開展地下溶洞勘察，可控源音頻大地電磁法可穿透高阻層、單點測量、探測深度大的優勢使其更適合在此類地區開展作業。