综合物探方法在岩溶塌陷隐患识别中的应用

综合物探方法在岩溶塌陷隐患识别中的应用

赵晋川

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摘要：随着全球的发展，人类与自然的关系越来越紧张，有很多地质问题浮现出来。比如地面塌陷，但是地面塌陷是指地表岩体或者土体受自然作用或者人为活动影响向下陷落，并在地面形成塌陷坑洞而造成灾害的现象或者过程。地面塌陷具有不确定性、群发性、复发性以及较强的危险性等特点，不仅影响人们的正常生产生活，严重威胁到人民群众的生命和财产安全，更重要的是会造成人民群众的恐慌心理。因此及时、准确、有效查明各类地面塌陷风险源的存在及其超前预报和提前治理，是各级部门管理者的当务之急。

关键词：综合物探方法；岩溶塌陷；隐患识别；应用

引言

岩溶塌陷是指地表岩土体受岩溶作用影响向下陷落并在地面上形成塌陷坑（洞）的地质现象。岩溶塌陷的形成必须具备以下3个条件：岩溶化地层，发育溶洞（溶缝或溶隙）或土洞为地下水补-径-排和塌陷物质提供储存场所或通道；基岩上覆有一定厚度的红黏土层（或完整性差的岩层）；产生岩溶塌陷的主导因素——致塌作用力（潜蚀作用、真空吸蚀、振动论及盖层失托增荷效应等）。若能利用地球物理方法实现岩溶塌陷隐患（溶洞或土洞发育）的早期识别，为制定科学合理的避让和治理技术措施提供技术支撑，对于广西乃至全国岩溶地面塌陷的防治具有重要意义。

1地球物理特征

第四系岩性为粉土、粉质粘土、砂及砾卵石，含水量大时电阻率较低，约在30～50Ω.m之间。基岩是南陵湖组（T1n）石灰岩，强风化层电阻率在一般在100～400Ω.m；中风化层电阻率在一般在600Ω.m左右；微风化及完整的基岩电阻率可达1000Ωm以上。它们与含碎石粘性土存在明显的电性差异。溶洞及土洞内无充填物时阻值较高，有充填物时电阻率较低，一般在40～100Ω.m之间。这些电性差异是高密度电法和瞬变电磁法勘探的前提条件，通过测量并对比电性差异，推断地下地质结构。电磁波在不同的介质中传播的速度不一样，覆盖层与下伏风化程度不等的基岩、溶洞洞壁以及破碎带与完整围岩之间，波阻抗存在明显的差异性，电磁波在这些岩性界面或物性突变点将产生反射和绕射，在地质雷达剖面影像中产生波形上的变化，显示出与背景波形影像不同的异常特征，这些为地质雷达勘探提供了地球物理前提。地震波在不同的介质中传播速度是不一样的，井间透射测井就是通过测量波速差异来划分不同的岩性层；以及测量岩溶区域波速在钻孔注浆前后发生的变化。

2探测方法与技术

2.1高密度电法

高密度电法实际上是多种排列的常规电阻率法，它的基本原理和常规电阻率法相同，是一种以岩土介质的导电性差异为基础的电法勘探方法。通过在地表布设高密度电极，由主机自动控制电极的切换，测量地下介质的电阻率变化，从而推断地下地质电阻率结构，能同时进行剖面测量和深度测量。高密度电法具有很多优点，数据采集自动化程度较高，抗干扰能力较强，能获得丰富的地电断面信息，且相关理论以及技术应用体系十分完善和成熟，应用领域比较广阔，该技术已被广泛应用在考古研究、矿产资源勘察、煤矿采空区勘察、水利水电工程建设、城市环境工程地质、农业工程地质勘察、城市建设工程勘察、建筑工程监测等方面，获得了显著的地质效应和可观的经济社会效益。高密度电法也存在一些不足，首先，受装置的影响（目前常用的温纳装置、斯伦贝尔装置等），数据剖面呈倒梯形，即越往深部地电信息越少，深部分辨率越差；其次高密度电法受地形条件的影响比较大，横向分辨率比较高，纵向的分辨率较差，实际探测中，可以有效的查明目标体的平面位置，深度上需要对比参考其他资料。

2.2瞬态面波勘探法

面波是一种在介质表面传播的弹性波，且在层状介质中传播时具有频散特性，即不同频率的面波具有不同的传播速度，在沿介质层面传播时，衰减速度较慢，而在介质内部传播时衰减速度较快。面波传播时与土层的力学性质密切相关，其传播速度与剪切波波速基本相近，并且在随土体的泊松比的变化不大，在实际工程应用中，可以通过面波频散特性分析判断地下空间的变化。瞬态面波法采用中地装(重庆)地质仪器有限公司的DZQ24-2A高分辨地震仪进行探测，接收传感器使用4.5Hz检波器器。采集参数主要有：接收道数为12道，道间距为2m，采样间隔0.25ms，记录长度1024ms，通频带为全通，35磅大锤激震。理论上无充填的土洞（或溶洞）等的其电阻率比周边土体（或基岩）电阻率高，但根据多年工作实践，由于多数土溶洞呈充填或半充填状态且地下水位较浅，充填物为低阻，并且一般溶腔周边会有低电阻物质（如钙化层或钟乳石）依附在上面。由于低阻屏蔽的影响，溶土洞一般呈现低阻特征，从波速上其以低速特征呈现；剖面中出现高阻（或高速度）岩体被低阻（或低速度）岩体错断，或高阻（或高速度）岩体中出现带状低阻（或低速度）区，则推测可能为溶洞或破碎带。

2.3等值反磁通瞬变电磁法

瞬变电磁法主要的探测原理为利用接地回线（电偶源）或者是不接地回线（电磁源）向地下发射一次脉冲场，在其激发下的瞬间，产生一个向回线法线方向传播的一次磁场，在一次场激励下，地质体将产生涡流，其大小取决于地质体的导电程度，在一次场消失以后，该涡流不会立刻消失，它将有一个衰减的过程，该过程会产生一个衰减的二次磁场，并向着掌子面方向继续传播，再由接收回线接收二次场，从二次磁场的变化反映地质体的电性分布情况。等值反磁通瞬变电磁法（OCTEM）是在传统瞬变电磁法的基础上进行改进，采用双线圈源进行发送，双线圈源中同时供入大小相同方向相反的电流I，在电流关断后进行测量。接收线圈处的磁力线为水平方向，在关断前后，其垂直磁场为0，在该位置平面上磁通量为0，而在其他平面上则存在垂直磁场；零磁通面的形成，对任意时刻都可以消除一次场关断的影响，通过在零磁通位置进行测量，能够减小“盲区”，达到探测浅层地下空间目的。该方法具有施工速度快、成本低、效率高的特点。等值反磁通瞬变电磁法由于存在关断时间，浅部仍有探测盲区，造成分辨率稍显不足，同时易受电磁及周边金属结构干扰，横向、纵向分辨率相对较低。

2.4地质雷达法

这种方法是基于不同的介质对电磁波反射程度不同的特点，通过特制的天线向地下发射短脉冲电磁波，再利用接收天线接收反射回来的电磁波，通过记录的相关参数（如反射时间、波形、频率及幅度等），来推断目标物的形状、深度及介质的内部结构。仪器选用加拿大的EKKOPRO型地质雷达系统，使用中心频率为100MHz的天线系统；记录长度：T=300.0ns和600.0ns；采样间隔：dt=0.8ns和1.6ns；道间距：dx=0.25m；天线间距：L=2.0m和1.0m；天线频率：f=50MHz；脉冲电压：1000V；叠加次数：N=64次。野外数据经过信号校正、信号增益、中值滤波、平滑滤波、一维频率滤波和二维频率滤波处理后成像。

结语

岩溶塌陷区场地岩土体电阻率和介电常数存在差异，使利用高密度电法与地质雷达成功探测隐伏岩溶具备良好的地球物理前提条件。在岩溶塌陷区，仅采用高密度电法探测，资料推断解释难免存在多解性；而地质雷达容易受外界干扰，使探测精度降低。通过采用高密度电法与地质雷达两种探测方法的有效结合，资料解释的互相验证与补充，能较好地排除干扰，对异常的分辨能力和探测精度明显提高，是一种值得推广的综合物探法。

参考文献

［1］易顺民．广东省地面塌陷特征及防治对策［J］．中国地质灾害与防治学报，2007，18(2):129－131．YISM．DistributioncharacteristicsofgroundcollapseanditscountermeasuresinGuangdongProvince［J］．TheChineseJournalofGeologicalHazardandControl，2007，18(2):129－131．

［2］张丽芬，曾夏生，姚运生，等．我国岩溶塌陷研究综述［J］．中国地质灾害与防治学报，2007，18(3):126－130．ZHANGLF，ZENGXS，YAOYS，etal．ＲeviewonkarstcollapseinChina［J］．TheChineseJournalofGeologicalHazardandControl，2007，18(3):126－130．