綜合物探方法在巖溶塌陷隱患識別中的應(yīng)用

［關(guān)鍵詞］高密度電法；地質(zhì)雷達(dá)；巖溶塌陷；隱伏溶洞

巖溶塌陷[1-2]是指地表巖土體受巖溶作用[3]影響向下陷落并在地面上形成塌陷坑（洞）的地質(zhì)現(xiàn)象。巖溶塌陷的形成必須具備以下3個條件：①巖溶化地層，發(fā)育溶洞（溶縫或溶隙）或土洞為地下水補(bǔ)-徑-排和塌陷物質(zhì)提供儲存場所或通道；②基巖上覆有一定厚度的紅黏土層（或完整性差的巖層）；③產(chǎn)生巖溶塌陷的主導(dǎo)因素——致塌作用力（潛蝕作用、真空吸蝕、振動論及蓋層失托增荷效應(yīng)等）。若能利用地球物理方法實(shí)現(xiàn)巖溶塌陷隱患（溶洞或土洞發(fā)育）的早期識別，為制定科學(xué)合理的避讓和治理技術(shù)措施提供技術(shù)支撐，對于廣西乃至全國巖溶地面塌陷的防治具有重要意義。

在巖溶塌陷探測中，大多采用單一的地球物理探測方法，如高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)法、地震映像法等。但是，由于地下地質(zhì)問題的復(fù)雜性，單一的地球物理探測方法具有一定主觀性，容易出現(xiàn)多解現(xiàn)象，較難圈定地質(zhì)災(zāi)害的規(guī)模特征與具體位置。可以適當(dāng)選取多種地球物理探測方法進(jìn)行相互配合驗(yàn)證，增強(qiáng)探測結(jié)果解釋的準(zhǔn)確性[4-6]。本文以高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)綜合應(yīng)用為例，探討在巖溶塌陷隱患識別[7]中的應(yīng)用。

1. 工作原理

1.1高密度電法

高密度電阻率法是對常規(guī)電法的一種綜合，兼具剖面法與電測深的效果，它是一種陣列勘探方法，野外測量時只需將全部電極置于測點(diǎn)，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和微機(jī)工程電測儀實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動采集。高密度電阻率法同常規(guī)電阻率剖面法、測深法相比，既能提供探測地質(zhì)體在某一深度沿水平方向的電性的變化趨勢，也能反映地質(zhì)體在沿垂直方向不同深度電性的變化情況，該方法能從二維斷面上反映出探測地質(zhì)體的電性變化特征。高密度電法溫納裝置野外測量工作過程如圖1所示，測量層數(shù)用隔離系數(shù)n表示，接電電極用A、B表示，測量電極用M、N表示。

1.2地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)[8-10]（又稱探地雷達(dá)，Ground Penetrating Ra?dar，簡稱GPR）方法，是利用高頻電磁波（1MHz～1GHz），以脈沖形式通過發(fā)射天線被定向送入地下。雷達(dá)波在地下介質(zhì)中傳播時，遇到存在介電常數(shù)差異的目標(biāo)體時，電磁波便發(fā)生反射，返回地面后由接收天線接收（圖2）。根據(jù)接收到的電磁波波形、振幅強(qiáng)度和時間變化特征推斷目標(biāo)體的空間位置、結(jié)構(gòu)、形態(tài)和埋藏深度。

2. 應(yīng)用實(shí)例

2.1勘查區(qū)地球物理概況

巖溶塌陷位于廣西來賓市武宣縣桐嶺鎮(zhèn)石崗村一戶民房附近，塌陷坑近似圓形，直徑約4.0 m，可見深度約6 m，坑內(nèi)有水，水面深度3.4 m。塌陷周邊地面向塌陷坑中心呈弧狀拉裂下沉，塌陷及周邊變形面積230 m2。塌坑周壁可見灰?guī)r出露，土層厚度2.0～2.5 m。

由于巖溶塌陷區(qū)溶洞與灰?guī)r、土洞與周圍土體存在電阻率和介電常數(shù)差異（表1），利用高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)方法探測隱伏土洞或溶洞的空間分布形態(tài)具備物理前提條件。

2.2工作方法

本次探測選用重慶精凡科技有限公司生產(chǎn)的N系列電法測量系統(tǒng)與瑞典MALA 公司生產(chǎn)的地質(zhì)雷達(dá)系統(tǒng)。高密度電法采用施倫貝爾裝置進(jìn)行采集，為獲得高精度信息，電極間距設(shè)為2 m或3 m，各測線剖面的最大測量層數(shù)設(shè)置為16～22層，野外總共布置5條長度為100～300 m的測線剖面。地質(zhì)雷達(dá)測線剖面與高密度電法測線剖面重合，野外工作時選用中心頻率為50MHz RTA天線，點(diǎn)距為0.5 m，時窗為500 ns。

2.3數(shù)據(jù)處理

高密度資料解釋主要依靠高密度電法二維反演處理軟件Res2dinv分析獲得的剖面視電阻率反演成果圖。在視電阻率反演成果圖中，縱向坐標(biāo)表示巖土層探測深度，橫向坐標(biāo)為測線剖面長度，而色標(biāo)則代表反演視電阻率。測區(qū)內(nèi)隱伏溶洞或裂隙發(fā)育帶在視電阻率反演成果圖上表現(xiàn)為低阻現(xiàn)象。

地質(zhì)雷達(dá)測量數(shù)據(jù)使用Reflexw軟件處理，包括以下步驟：①一維濾波，去直流漂移；②靜校正，移動開始時間；③增益，能量衰減；④二維濾波，抽取平均道；⑤一維濾波，巴特沃斯帶通濾波；⑥二維濾波，滑動平均。通過處理，獲得地質(zhì)雷達(dá)探測時域波形剖面影像圖。根據(jù)反射波形、振幅大小以及反射波同相軸的連續(xù)性對地下異常體進(jìn)行推斷解釋。

2.4資料解釋

根據(jù)區(qū)域資料，勘查區(qū)地下水總體自西北往東南方向徑流。物探測線垂直于地下水流向布置，沿西南至東北方向總共布設(shè)了5條測線，考慮文章篇幅原因，僅選擇其中3條測線進(jìn)行推斷解釋。

圖3為測線1－1'兩種物探方法探測成果圖。由高密度電阻率反演圖可知，在里程樁號135～175 m，深度5～20 m范圍處，存在低阻異常區(qū)；在地質(zhì)雷達(dá)時域波形剖面影像圖上，該區(qū)域反射波同相軸錯段，波形雜亂，存在散射現(xiàn)象。綜合兩種探測方法，推測異常處為溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)。

圖4為測線3－3'兩種物探方法探測成果圖，可見在高密度電阻率反演圖上，在里程樁號80～110 m，深度5～30 m范圍處，存在低阻異常區(qū)處；在地質(zhì)雷達(dá)時域波形剖面影像圖上，該區(qū)域顯示為發(fā)射波同相軸錯段，振幅變大，能量增強(qiáng)，頻率較低。據(jù)此推測異常處為溶蝕裂隙發(fā)育區(qū)。

圖5為測線5－5'兩種物探方法探測成果圖，在高密度電阻率反演圖上，在里程樁號40～55 m，深度3～15 m范圍處，存在低阻異常區(qū)。由于測線5－5'周圍民房較多，地質(zhì)雷達(dá)探測受外界干擾影響較大，但在地質(zhì)雷達(dá)時域波形剖面影像圖上，在里程樁號44-52 m段，仍然有雙曲線強(qiáng)反射波組異常顯示。兩種方法相互印證對比，推測異常處為溶洞發(fā)育。

本次探測在巖溶塌陷區(qū)總共布設(shè)了5條測線，根據(jù)高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)兩種方法的探測結(jié)果，總共發(fā)現(xiàn)5處較明顯破碎帶或溶洞異常區(qū)，據(jù)此推斷巖溶塌陷區(qū)內(nèi)存在一條東南至西北向的巖溶發(fā)育帶（圖6）。后期在物探推斷的5 處異常點(diǎn)展開鉆探驗(yàn)證。在測線5－5'里程樁號49 m 處的驗(yàn)證鉆探揭露出深度8.1～9.3 m、11.2～13.3 m、14.2～14.8 m為充水溶洞；其余測線鉆探驗(yàn)證孔揭露的地質(zhì)情況亦與物探前期推斷基本吻合。可見在巖溶塌陷區(qū)，高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)的聯(lián)合探測，有效地圈定隱伏巖溶的空間分布形態(tài)，為發(fā)現(xiàn)、預(yù)防和治理塌陷隱患提供了可靠的信息。

3. 結(jié)論

（1）巖溶塌陷區(qū)場地巖土體電阻率和介電常數(shù)存在差異，使利用高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)成功探測隱伏巖溶具備良好的地球物理前提條件。

（2）在巖溶塌陷區(qū)，僅采用高密度電法探測，資料推斷解釋難免存在多解性；而地質(zhì)雷達(dá)容易受外界干擾，使探測精度降低。

（3）通過采用高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)兩種探測方法的有效結(jié)合，資料解釋的互相驗(yàn)證與補(bǔ)充，能較好地排除干擾，對異常的分辨能力和探測精度明顯提高，是一種值得推廣的綜合物探法。