綜合物探及三維可視化處理技術在巖溶塌陷調查中的應用分析
——以連州鎮某小區塌陷為例

邱 波， 王斌戰， 周世昌， 劉 城， 盧 軍， 郭光宇， 田成富， 方 程

(湖北省地質局 地球物理勘探大隊，湖北 武漢 430056)

中國可溶巖面積為340萬km2，約占國土面積的36%[1]，為巖溶地面塌陷發育提供了必要的物質基礎。近年來，隨著城市化進展的加快、人類活動對環境的改造，在地下水的相互作用下，導致建成區巖溶塌陷災害頻繁發生，因此對巖溶塌陷進行研究具有重要的意義。

物探方法可利用地下介質的物性差異來區分和甄別不同地質體之間的空間分布位置[2]。陳貽祥等[3]利用微重力探測定位淺部土洞、溶洞等，并將該方法普及成為巖溶塌陷詳查的重要方法之一；陳玉玲等[4]利用可控源音頻大地電磁法對巖溶塌陷分布特征進行研究，預測部分隱伏斷層—管道型巖溶塌陷隱患，為尋找該類巖溶塌陷提供可靠依據；張偉等[5]采用微動技術對巖溶塌陷重點調查區進行大尺度測量，并結合鉆孔資料快速反演覆蓋層厚度，為巖溶塌陷地質調查提供了新的技術方法；鄭智杰等[6]采用高密度電法對塌陷區進行調查，圈定了地下巖溶裂隙帶的發育位置；謝嘉等[7]采用等值反磁通瞬變電磁法對巖溶塌陷強發育區進行調查，在周圍環境因素干擾強等常規物探方法無法開展的情況下，有效查明了地下溶蝕發育情況。

上述單一的物探方法雖在巖溶塌陷調查中取得了一定成果，但都有其應用的前提條件。同時單一的物探方法容易受到電磁或噪聲干擾，數據容易出現畸變且成果存在多解性；而綜合物探方法具有互相補充、互相印證的優勢，因此具有更好的探測效果[8-16]。劉偉等[8]采用高密度電法和微動技術綜合研究巖溶塌陷的形成機制，準確地圈定出引起塌陷的溶洞、地下河、斷層破碎帶及軟土的分布范圍。彭超等[9]采用地震映象法和高密度電法對巖溶塌陷進行探測，前者能更精細地反映巖溶塌陷的異常范圍，后者能更全面地揭露巖溶塌陷的發育形態；鄭智杰等[10]選取高密度電法、主動源面波法和微動法對巖溶塌陷區進行綜合研究，研究表明這三種物探方法相結合才能有效查明塌陷區內巖土層結構、確定巖溶發育帶位置，并預測劃分出塌陷危險區、潛伏區和相對穩定區；趙楊杉[16]將高密度電法的淺部數據及等值反磁通瞬變電磁法的中深部數據按照其變化規律進行整合拼接，揚長避短，形成一張探測成果圖，實現了對巖溶塌陷快速、精細化探測的目的，為該區巖溶塌陷成因機理分析提供了科學的依據。

即使采用綜合物探方法進行勘探，但若使用傳統的處理方式，當調查區存在多條平行或相交的剖面時，也只能夠分別展示測線下方的斷面成果；即使將斷面成果對應放置在測線實際的空間位置上，由于測線間存在未測量區域，其異常在空間上的分布特征也難以得到直觀呈現，因此還需要采用三維可視化處理技術。通過三維可視化處理技術，不僅可以對數據網格化處理，生成測量范圍內空白區域的擬合數據，而且可以推斷異常在空間中的展布特征和形態。趙思為等[17]通過擬三維數據重建瞬變電磁反演資料，直觀準確地展示塌陷腔體立體結構特征，成功實現中國西南巖溶地區擬三維超淺層瞬變電磁勘探。王斌戰等[18]采用等值反磁通瞬變電磁法對城市巖溶發育區進行三維成像展示，準確地反映出巖土界面、地下巖溶的位置、形態和規模；王潔[19]將三維高密度電法應用于巖溶塌陷區探測，三維可視化的成果直觀展示了目標體的走向、空間位置及形態，大大地提升了反演解釋的可靠性和精度。

本文以連州鎮某小區巖溶塌陷為例，根據場地的具體情況，有針對性地部署綜合物探工作，并輔以鉆孔驗證。通過微動勘探和等值反磁通瞬變電磁法的相互結合、優勢互補，查明物探測線控制范圍內基巖埋深和起伏情況、巖溶空間發育特征。在此基礎上，對反演數據進行三維可視化處理，通過體渲染圖、等值面圖、切片圖等深入挖掘物探數據所蘊含的巖溶發育信息，在空間上展示基巖界面的起伏變化、巖溶或溶蝕發育區的空間展布特征，從而能夠從面到體，從局部到整體掌握研究區地下巖溶發育特征全面、豐富的基礎資料。

1 研究區概況

1.1 地理、地形地貌

連州鎮屬灰巖山區，地貌為丘陵、沖積盆地，以紅、黃壤為主。星子河自東北而來，東陂河從西北而來，兩河在鸕鶿嘴村匯合后稱連江，并向南流經鎮區;三江河由西向東在鎮南注入連江。三河匯成湟川，經小北江南去。連州鎮某小區塌陷區東側距該鎮番禺路約40 m，南側距星子河約100 m，北、東側均為居民住宅區(大多為多層和小高層)。研究區住宅樓于2000年前后相繼建成，現狀地面標高99.90～100.50 m。微地貌為星子河一級階地。

1.2 巖溶塌陷現狀

2021年4月研究區發現地面塌陷坑洞現象，塌陷直徑約2 m，深度約2.5～3.0 m，坑中心處可輕松插入水管至11～12 m深。在此之前2021年1月，區內6號房屋也發生1處塌陷，長約4 m，寬約3 m，深度3～4 m，積水深度約1.2 m(照片1)。

照片1 地面塌陷現象

1.3 工程地質條件

研究區內一共布置9個鉆孔(圖1)，孔深不一(11～21 m)，在場地最大控制深度21 m的范圍內，其巖土層結構及特征見表1。

表1 研究區地層巖性表

圖1 鉆孔ZK1-ZK9分布圖

據鉆孔地質剖面(圖2)顯示，由北到南基巖埋深逐漸變淺，高程從89 m到95 m。土洞頂、底板高差為0.90 m。溶洞頂板深度為7.6～17.2 m，高度為0.70～4.3 m，溶洞頂板巖石破碎，最薄處只有0.40 m，最厚處為4.10 m，反映溶洞基本上屬于開口型溶洞，同時部分溶洞相連，巖層薄且破碎。開口型溶洞實質上是半土洞、半溶洞，其充填物和上部土層極易受地下水侵蝕，在頂板巖石破碎的情況下，一旦充填物被帶走，頂板破碎巖石容易塌落而形成新的土洞。土、溶洞與地下水活動關系密切(土、溶洞基本相互連通)，土、溶洞提供了地下水儲存場所，一旦地下水水位升降或水力梯度變化時會侵蝕洞周土體，使土、溶洞繼續發展擴大。

圖2 鉆孔地質剖面圖

2 數據采集

研究區處于臨街，由于場地限制只能在樓道間進行巖溶塌陷測量工作。現場為水泥硬化路面，樓道間牽有電線，且存在車輛震動、電磁等干擾因素，測量采用近年來在城市地質調查中廣泛應用的微動勘探和等值反磁通瞬變電磁法。

微動勘探無需人工場源，汽車及日常活動等頻率高于1 Hz的微動信號通過地下介質不斷散射后被記錄，其攜帶的大量地下結構和震源信息，可以用于從中提取面波信息，成像地下結構[20]。等值反磁通瞬變電磁法消除了常規瞬變電磁盲區，可以獲得早期二次場隨時間的增加而衰減的規律，并接收到淺層地下介質的地電信息。由于等值反磁通瞬變電磁法特殊的雙線圈結構特征，其較常規瞬變電磁法有更好的指向性，不易受到水平方向的干擾[21]。

根據研究區內樓棟分布情況，在樓道間布設了3條微動測線(W1、W2、W3)和4條等值反磁通瞬變電磁法測線(S1、S2、S3、S4)，測線均經過鉆孔ZK1-ZK9，基本與地質剖面重合。微動勘探施工采用中地裝(重慶)地質儀器有限公司生產的EPS系列一體化三分量數字地震儀(圖4、照片2)。等值反磁通瞬變電磁法采用湖南五維地質科技有限公司生產的HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統(圖5、照片3)。

照片2 微動勘探數據采集

圖3 物探測線布設

照片3 等值反磁通瞬變電磁法數據采集

圖4 EPS系列一體化三分量數字地震儀

圖5 HPTEM-18型高精度瞬變電磁系統

為提高測量分辨率，采用了小點距進行數據采集，其參數見表2、表3。

表2 微動勘探測量參數設置

表3 等值反磁通瞬變電磁法測量參數設置

3 解釋推斷

3.1 微動剖面成果解釋

從橫波速度等值線斷面圖(圖6)可知，3條測線的速度響應特征相似，均存在明顯的速度界面，可劃分為淺部低速層(50～480 m/s)和中深部中、高速層(480～1 000 m/s)。根據鉆孔揭露的巖性資料，淺部低速層為第四系素填土、紅黏土，中深部中、高速層為石炭系灰巖。基巖界面埋深從北東往西南向上呈現抬升趨勢，與鉆孔ZK1-ZK9揭露情況吻合。其中1#低速區對應鉆孔ZK1巖溶發育部位，同時通過類比，圈定和推斷了其他低阻異常，推斷解釋詳見表4。

表4 橫波速度異常推斷成果表

圖6 微動W1、W2、W3線橫波速度等值線斷面及地質推斷圖

3.2 等值反磁通瞬變電磁法剖面成果解釋

從視電阻率等值線斷面圖(圖7)可知，4條測線存在相似的電性響應特征，可劃分為淺部低阻層(40～140 Ω·m)和深部中、高阻層(140～320 Ω·m)。根據鉆孔揭露的巖性資料，視電阻率斷面圖中電性界面與鉆孔巖性分界面相吻合。推斷低阻層為第四系素填土、紅黏土，中、高阻層為石炭系灰巖。鉆孔ZK1的灰巖破碎和鉆孔ZK7的巖溶發育，均與視電阻率斷面圖中的低阻異常相對應，同時通過類比，圈定和推斷了其他低阻異常，推斷解釋詳見表5。

表5 視電阻率異常推斷成果表

圖7 S1、S2、S3、S4線視電阻率等值線斷面及地質推斷圖

3.3 綜合物探成果分析

由于采用不同物探方法測量的物理參數不相同(微動勘探反演的物理參數為橫波速度(m/s)，等值反磁通瞬變電磁法反演的物理參數為視電阻率(Ω·m))，物理參數本身所代表的地層物理量的不同，又造成其反映異常的大小、形態、范圍會有一定的差異。單一的物探方法可能會漏掉存在的異常區域，因此通過綜合物探成果，可以提高對異常推斷的準確性。

對比橫波速度等值線斷面圖(圖6)和視電阻率等值線斷面圖(圖7)可以發現如下異同：

(1) 微動勘探橫波速度異常集中在基巖界面附近和基巖內部，等值反磁通瞬變電磁法電阻率異常集中在基巖界面附近。前者基巖內部的異常均為范圍較小的圈閉異常(4#、5#、7#等)，后者基巖內部的異常反映較少，主要是范圍較大的圓形或橢圓形異常(1#、5#、9#)。

(2) 兩者對鉆孔ZK1揭露的巖溶發育區有共同反映(如圖6中1#、圖7中1#)，也對鉆孔ZK7揭露的巖溶發育區有不同反映(微動勘探未有明顯反映，等值反磁通瞬變電磁法是對兩個小巖溶的綜合反映，范圍較大)。作為兩種測量原理不同的物探方法，各自推斷的異常可以相互補充，有助于查明區內巖溶發育情況。

(3) 兩者對基巖界面埋深變化情況的反應基本一致，局部略有差異。

4 三維可視化處理及成果分析

4.1 三維網格化數據處理

將微動勘探測線W1、W2、W3和等值反磁通瞬變電磁法測線S1、S2、S3、S4的反演數據分別進行合并，通過GoldenSoftware Voxler軟件重新進行網格化處理，網格大小選擇為0.8 m×0.8 m×0.5 m，最后將網格化數據進行三維成圖(圖8)。

圖8 微動勘探三維網格化數據分布圖

4.2 微動勘探三維可視化成果

4.2.1地層及基巖界面分布特征

將橫波波速的三維網格化數據進行體渲染(圖9)，展示不同角度地層橫波速度的變化，整體呈層狀分布，橫波速度從淺部到深部呈現逐漸增加的變化趨勢。

圖9中藍色和綠色的分界面，就是剖面圖中推斷的基巖界面的大致位置，通過不同方向觀測基巖界面的變化趨勢，可以看出第四系覆蓋層呈現南薄北厚的分布規律，與鉆孔揭露深度吻合。

圖9 微動勘探不同視角橫波速度體渲染圖

根據微動等值線斷面圖(圖6)以及鉆孔地質剖面圖(圖2)，推斷基巖界面處的橫波速度大致為480 m/s，因此取該值繪制了橫波速度等值面圖(圖10)，可以更加直觀地觀察到基巖界面的整體起伏變化特征。由圖10可看出，整個界面并不光滑，存在局部的凹陷或凸起，推斷與基巖淺部風化、破碎或巖溶發育有關。例如在鉆孔ZK1下方存在一個明顯的凹陷區域1#，推斷是與鉆孔揭露的巖溶發育區有關，同時也不排除對破碎灰巖的綜合反映，在這些綜合因素的影響下，該區域的基巖界面會呈現下凹的局部特征。

圖10 基巖界面橫波速度等值面圖(v=480 m/s)

對橫波速度的體渲染圖進行不同深度的切片(圖11)，切片深度分別為96、93、88、80 m，通過對比可以得出以下結論：

(1) 在同一位置、不同深度情況下，橫波速度隨深度逐漸增加，其與研究區地層從松散的素填土、紅黏土過渡到微風化石炭系灰巖相對應。

(2) 在同一深度、不同位置情況下，不同地層在同一深度的分布變化如圖11所示。從圖11-a、11-b中反映出第四系覆蓋層由大范圍分布(96 m高程)到北東部的小范圍分布(93 m高程)，也間接反映出基巖界面是存在一定起伏的，其西南部埋深較淺，北東部埋深相對較深；從圖11-c中反映出基巖內部存在速度差異，說明局部可能巖溶發育、破碎、微風化，造成橫波速度的降低；圖11-d中則反映出基巖深部的情況，橫波速度值較為均一，說明深部基巖完整性較好。

圖11 不同深度橫波速度切片圖

4.2.2巖溶發育特征

取550 m/s橫波波速繪制等值面，其深度范圍在86～96 m，根據鉆孔揭露，該等值面整體位于基巖內部。圖12呈現出等值面不同視角下的展布特征。尤其是在鉆孔ZK1下方，存在明顯凹陷的區域1#(圖12-c、12-d),即W1等值線斷面圖(圖6-a)中的1#異常，其與鉆孔揭露的溶洞相對應，筆者認為該區域為巖溶發育區。

圖12 基巖內部橫波速度等值面圖(v=550 m/s)

4.3 等值反磁通瞬變電磁法三維可視化成果

4.3.1地層及基巖界面分布特征

將視電阻率值的三維網格化數據進行體渲染(圖13)，展示不同角度下視電阻率值的變化特征，其整體呈層狀分布，視電阻率值從淺部到深部呈逐漸增加的變化趨勢。三維體渲染圖(圖13)中可見明顯的低阻層與中、高阻層之間的電性界面，電性分界面的深度呈現南薄北厚的分布特征。從高程90 m逐漸上升到高程94 m處，與鉆孔揭露的基巖深度變化相對應，鉆孔揭露的基巖深度從10 m(鉆孔ZK1-ZK3)逐漸上升到5 m(鉆孔ZK7-ZK9)。

圖13 等值反磁通瞬變電磁法不同視角視電阻率體渲染圖

根據等值反磁通瞬變電磁法等值線斷面圖(圖7)以及鉆孔地質剖面圖(圖2)，推斷140 Ω·m是第四系覆蓋層與基巖的臨界值，當地層電阻率>140 Ω·m時，可以認為其位于基巖內部。取ρ=150 Ω·m繪制了電阻率等值面圖(圖14)，則該等值面位于基巖淺部，其反映了整個基巖界面起伏和深度的變化趨勢。但是由于巖溶和基巖破碎、蝕變的原因，導致基巖淺部的電阻率值降低到150 Ω·m，因此該等值面也包含了局部基巖破碎、蝕變或巖溶存在的信息。

圖14 等值反磁通瞬變電磁法不同角度等值面圖(ρ=150 Ω·m)

由圖14-a、14-d中可見，鉆孔ZK1、ZK7下方等值面呈向下凹陷的異常特征，結合鉆孔資料，鉆孔ZK1存在灰巖破碎、鉆孔ZK7存在巖溶發育，都導致灰巖視電阻率值下降，其與凹陷的等值面變化趨勢相對應。

4.3.2巖溶發育、溶蝕區域特征

對視電阻率體渲染圖(圖13)進行不同深度的切片，由于巖溶、溶蝕、破碎主要集中在基巖淺部，因此在淺部高程95、93、90、85 m處進行了較為密集的切片，在深部高程80、60 m處進行了常規的切片。

由圖15可以看出，異常隨深度的變化情況，其中對1#、5#、6#、7#、8#、9#異常的變化情況較為清楚，巖溶、溶蝕發育的異常反映主要集中在高程80～95 m，異常特征主要往西南方向延伸(見圖15中劃定的巖溶發育區)，高程80 m以下主要為灰巖地層的片狀反映。

圖15 等值反磁通瞬變電磁法不同深度等值線切片平面圖

5 綜合解釋

研究區位于星子河、東陂河交匯的東側城區，河流較為發育，基巖靠近河流附近埋深在10～15 m。巖溶裂隙水與地表水體(河流)存在相互作用，在巖溶裂隙水下降時，上下兩部分水體之間的水力梯度增大，上層或地表水補給巖溶水，對基巖產生溶蝕作用，因此在研究區內形成巖溶或溶蝕區域相對較多。

通過斷面圖、三維體渲染圖、等值面圖以及不同深度的切片圖，即從面到體，從局部到整體，直觀和全面地查明了研究區基巖起伏的特征和巖溶或溶蝕區域的空間展布特征。基巖界面深度從南部5 m埋深到北部10 m埋深。小區內巖溶發育、基巖破碎、風化在西南方向上較為集中。

6 結論

(1) 通過微動勘探和等值反磁通瞬變電磁法的小點距綜合勘探，基本查明研究區基巖界面埋深情況以及巖溶發育特征，物探成果與鉆孔資料吻合，推斷和圈定了其他異常位置，為后期研究區地災處理提供了有效的物探資料。

(2) 常規反演斷面圖只反映縱向上異常的分布特征，三維體渲染圖能夠更加直觀地展示異常在空間上的分布特征。

(3) 選擇合適的橫波速度值或者視電阻率值，可以在三維體渲染圖的基礎上提取滿足解釋需要的不同等值面圖。通過斷面圖和鉆孔巖心的對比分析，可以確定覆蓋層和基巖界面的臨界值。當取值小于臨界值時，就反映覆蓋層中對應數值的等值面特征；當取值大于臨界值時，就反映基巖內部對應數值的等值面特征。

(4) 在三維體渲染圖的基礎上，可以進行不同深度的切片，從切面圖上可以看出等值線的變化特征，反演異常在平面上的展布特征，疊加不同深度的切片圖可以看出異常從淺到深的變化趨勢。

(5) 在現有測量數據的情況下，通過三維網絡化處理的方法，生成測線間未測量區域的擬合數據，彌補了因場地原因無法獲取真實數據而形成測量盲區的遺憾，再通過三維可視化成果間接反映該盲區的地質變化趨勢或推斷可能存在的地質問題。因此通過三維可視化處理有助于從二維斷面數據中挖掘出更多的信息，并以三維成圖這種更加直觀的方式呈現出來。