高密度電法在川南巖溶地區基巖面與溶洞勘察中的應用

鄒浩 鄧子清 徐學貴

四川省核工業地質局二八二大隊 四川 德陽 618000

隨著工程建設和社會發展的需要，越來越多的工程從平原、盆地逐漸向周緣山區轉移，以四川省為例，四川南部的道路建設和頁巖氣資源勘探開發在該區正加速建設和發展，而該區廣泛分布的灰巖、泥灰巖等可溶巖地層為發展帶來了新的挑戰，川南地區地雨水充沛、水系發達，加之地形起伏較大、為地表和地下水對巖石的溶蝕提供了充分條件，不可避免的引發了許多與巖溶相關的工程地質和環境地質問題。

在巖溶地區開展工程建設僅僅依賴于地表地質調查和大間距調查鉆孔往往無法滿足勘察工作精度的需要，此時便需要一種相對便利快捷、準確度高、適應性好的勘察手段來探測不良地質體。高密度電法具有分辨率高、成本低、施工快速、獲取的地質成果直觀等特點，通過利用巖溶發育區與周邊圍巖存在的典型物性差異，能夠高效地探測出地表覆蓋物下的基巖面起伏和巖溶發育情況，為地質災害預防和工程治理奠定基礎[1]。本文通過結合在川南巖溶地區管道線路勘察中的應用實例，探測了該地區基巖面與巖溶的發育情況，取得了良好的探測效果。

1 方法原理

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，其工作原理與普通電阻率法基本一樣，仍然是以巖、土導電性的差異為基礎，研究人工施加穩定電流場的作用下地中傳導電流分部規律的一種電探方法。采用了多電極高密度一次布極并實現了跑極和數據采集的自動化，通過程控式多路電極轉換器選擇不同的電極組合方式和不同的極距間隔，從而完成野外數據的快速采集。通過在供電電極A與B向地下輸入電流強度為I的供電電流，在測量電極M與N上測量電流I在介質（地下土壤、巖石等）中產生的電位差ΔU來計算地下介質的視電阻率ρs（如圖1所示）。

圖1 高密度電法勘探電極排列和擬斷面觀測序列示意圖

高密度電阻率法中不同裝置對地質體的異常反映具有不同的特點，工作中常用的溫納裝罝受地形起伏、地表不均勻等干擾影響較小，雖然分辨力較低，但是該裝置勘探深度較大、異常形態簡單、能有效的壓制干擾增強信噪比，實際應用中綜合優勢明顯[2]。

溫納裝置是一種特殊的四極裝置，工作模式見圖2，

圖2 溫納裝置跑極示意圖

供電電極內側為測量電極，四個電極依次順序的距離相等，同一隔離系數所對應的電極距相等，隨著隔離系數的增加，電極距也等間隔增加，該數據層的數據量也隨之減少，該測量方式為剖面測量方式，所得斷面成果為倒梯形。

2 巖溶勘察實例

2.1 地質背景與電性特征

2.1.1 區域地質構造

勘察區屬川南褶皺帶東西向構造體系，地處鎮雄穹隆構造之北，長寧～雙河背斜東段末端，構造線自北而南呈斜列形式，是“川黔東西向構造體系”的組成部分。區內未見活動斷裂發育，區域地質構造穩定[3]。

2.1.2 地層巖性

區內地層主要為：第四系耕作土、素填土、粉質粘土和塊石，三疊系下統嘉陵江組(T1j)地層。其中嘉陵江組巖性要為灰色、灰黑色厚層狀灰巖，隱晶質結構，夾白云巖、石膏、巖鹽、鈣質頁巖等，主要為碳酸鹽礦物，巖體較破碎～完整，多分布于低山、中山、巖溶基巖出露區。

2.1.3 巖溶發育特征

根據工程地質測繪調查結果，擬建線路中段沿線巖溶地貌特征明顯，主要以半裸露-埋藏型的落水洞、漏斗、溶洞、溶溝（槽）等巖溶地貌特征出現，其中落水洞、漏斗、溶洞對工程的危害主要表現為巖溶塌陷，溶溝和溶槽對工程危害主要表現為管道埋藏在該區域內會產生不均勻沉降、地基滑動等。溶蝕裂隙沿巖層傾向發育，沿垂直于巖層面方向較發育，基巖面變化起伏大，巖溶發育密度5～6個/km2，巖溶為強烈發育區。

2.1.4 電阻率特征

勘察區電阻率分布可分為以下兩層：（1）近地表不均勻層。由第四系及基巖上部強、中風化殼構成，地表多為粘土和亞粘土，往下有泥砂及碎石，夾巖溶遺留物，如小型石柱、小型巖溶空洞等。由于靠近第四系覆蓋層，巖溶空洞基本被泥、砂所充填。再往下為基巖強、中風化殼，此層物質組成不均勻，差異較大，孔隙度較大，保水性差，其高、低視電阻率異常大多呈點狀或圓狀雜亂分布，沒有明顯的規律。此層厚度一般為5-10m[4]。（2）穩定基巖層。以灰巖為主的完整基巖構成，位于近地表不均勻層以下，物質組成均勻，巖性較為單一。其視電阻率一般在1000Ω·m以上，基本上表現為逐漸增大的梯級帶高阻異常。

2.2 異常識別特征

2.2.1 地表巖溶發育區

靠近地表的巖溶發育區多被泥、砂充填，其視電阻率特征和第四系相近，一般顯示為低阻特征，單靠視電阻率異常很難準確區分，要結合鉆孔資料和實際情況具體分析；而在基巖面附近的巖溶發育區往往會被富水的泥、砂、塊石等物質充填，上部與第四系的視電阻率特征較類似，但巖溶區下部所顯示的完整基巖面會有明顯下凹形態，大多呈圓狀或橢圓狀形態，與基巖的視電阻率存在較大差異，在一定程度上可以分辨。

2.2.2 基巖面以下的填充巖溶發育區

由于水流的作用也會大量被低阻物質（泥、砂、水等）填充。通過模型正、反演結果可知（圖3）：被填充的巖溶區呈低電阻率的電性特征，與周邊圍巖的梯度變化明顯，電阻率峰值明顯低于周圍圍巖。此外延伸至地表的低阻異常，其異常寬度在完整基巖面附近會有明顯變化（收窄或變寬）[5]。

圖3 填充巖溶發育區正演模型

2.2.3 基巖面以下的空洞巖溶發育區

通過模型正、反演結果（圖4）可知：巖溶空洞區基本呈高電阻率的電性特征，以周邊圍巖在各個方向上的電阻率梯度變化明顯，有明顯的異常中心，其異常峰值高出圍巖數倍，異常大多呈封閉的圓形或橢圓形。

圖4 空洞巖溶發育區正演模型

2.2.4 完整基巖面

完整基巖面以上為耕植土、素填土、粉質粘土、塊石和基巖強—中風化殼，物質成分較為復雜，視電阻率異常分布規律不明顯，電性特征總體呈低阻或相對低阻異常，局部夾零散點狀高阻區；完整基巖面以下為以灰巖為主的基巖，物質組成相對簡單，視電阻率值由淺到深逐漸增大，呈較平緩的梯度變化帶[6]。

2.3 技術方法

本次使用重慶地質儀器廠生產的DZD-8多功能全波形直流電法儀進行高密度電法的數據采集，高壓供電系統采用海南荷子科技研發的HZKJ-630型大容量鋰電池。在實際工作中，為應對勘察區地形起伏較大、存在一定干擾等問題，工作中采用溫納四極裝置采集數據，此外為兼顧探測深度和橫向分辨率及施工效率，電極距設置為5m。

2.4 剖面異常解釋

2.4.1 L1線解釋推斷

L1線電阻率總體表現為兩層，從地表往下延伸電阻率表現為了中-高，淺部中阻層內分布多個不均的低、高阻體；中部總體平穩的高阻層，局部存在兩個低阻異常區域，其中DZ1-1低阻異常區域呈條帶形，埋深較深；DZ1-2低阻異常呈點狀，異常中心埋深約6m，異常半徑約2.9m。

結合地質、地形以及異常形態進行綜合分析解譯（圖5）可知：淺部不均勻電性層為耕植土內所含不均勻物質所引起，高阻體為塊狀巖石所引起；DZ1-1低阻異常寬約15m，頂部埋深約3～5m，推測為溶洞或裂隙發育區，異常中部為富水的泥、砂等低阻物質所充填；DZ1-2低阻異常體推測為溶洞，經過后期水流的作用被泥沙填充[7]。

圖5 L1線電阻率反演斷面與綜合解釋圖

DZ4-1、DZ1-2低阻異常體對應位置與地表發現的落水洞LSD9、漏斗LD5空間位置較為吻合，且均位于溶洞低處，地勢具有良好的對應性，推測該處異常與地表巖溶相連通。經鉆探驗證與推測情況較吻合，后期在管道敷設中采取、灌漿、搭橋等方式跨越該不良地質體。

2.4.2 L2線解釋推斷

L2線道距為5m，共80道電極，剖面長395m，該測線位于梯田內。從測線反演圖（圖6）可知：電阻率總體表現為兩層，從地表往下延伸電阻率逐漸升高，淺部中阻層內分布多個不均的低、高阻體；中部總體為平穩的高阻層，局部存在條帶形低阻體，其中GZ2-1高阻異常呈點狀，異常中心埋深約20m，異常半徑約5.8m；GZ2-2高阻異常呈點狀，異常中心埋深約4.8m，異常半徑約2.3m。

圖6 L2線電阻率反演斷面與綜合解釋圖

結合地質、地形以及異常形態進行綜合分析解譯可知：淺部不均勻電性層推測為耕植土、粉質粘土內含有的塊狀灰巖所引起，或為水流沖蝕灰巖的溝槽，GZ2-1、GZ2-2高阻異常為溶洞或塊狀灰巖引起，DZ2-1、DZ2-2低阻異常推測為裂隙發育區[8]。

GZ2-1高阻區距離北東方向約20m的地表發現神15m的落水洞LSD08，推測該異常為此溶洞延伸所引起，同時南部低阻異常區地表發現破碎，結合線路兩側分布的落水洞推測該異常為裂隙發育區，后期經開挖驗證與推測情況相吻合。

3 結束語

本文通過介紹高密度電法在川南巖溶地區的工程勘察案例，對其在探測基巖面起伏、溶洞形態及發育規模等方面的有效性和適用性進行了分析研究和探索，為本方法在類似地區的工程勘察應用提供借鑒和應用實例。

（1）本次高密度電法測量結果能直觀地反映淺部覆蓋層、巖溶發育形態和規模及其與基巖之間的視電阻率差異特征，后期的鉆探施工和開挖進一步驗證了本次選用的方法是行之有效的。

（2）通過本次管線線路高密度電法測量，圈定了數個低阻異常區域，推測為充填巖溶區、裂隙發育區；圈出的點狀高阻異常體推測為巖溶空洞或塊狀灰巖所引起的視電阻率異常，為后續管道線路設計、施工提供工作基礎。

（3）盡管高密度電法具有諸多優勢，但是任何一種工作方法都會有其自身的局限性，作為一種探測巖、土體電性差異的地球物理勘察方法，畢竟是間接的物探勘察手段，由于探測范圍、分辨率、體積效應的局限，在探測較小體積、較弱電性差異的溶洞時可能存在遺漏或誤報，仍需借助其他直接或間接手段進一步證實。