高密度电法在沪昆高速公路地质塌陷勘查中的应用

石亮平，张大洲，邹剑辉

(1.湖南省农林工业勘察设计研究总院，湖南长沙410007;2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083)

0 引言

沪昆高速公路是连接东部和中西部的交通大动脉，是一条国家级重点高速公路，东起上海，西至昆明，途经浙江、江西、湖南、贵州等省。2011年9月2日，沪昆高速宜春至萍乡段k940+750处距公路边线2 m处发生地质塌陷，塌陷直径约10 m(如图1所示)。塌陷部位处于高速公路路旁，直接威胁到行车安全。为了尽快查清塌陷原因，抢险指挥部决定在进行钻探的同时展开物探工作，利用物探方法的快速高效结合钻孔资料查明塌陷原因，为下一步钻探及治理提供技术指导。在综合分析了该区段地质情况后决定采用高密度电法进行勘探。众所周知，高密度电法集电剖面和电测深于一体，可进行二维地电断面测量，提供的数据量大、信息多，并且观测精度高、速度快［1］，是探测构造破碎带(或岩性接触带)及灰岩地区探测溶洞等最有效的物探方法之一［2-4］。

图1 塌陷现场照片

1 塌陷所在区域地质和地球物理特征

根据地质资料，塌陷所在区段地层由新至老依次为:第四系全新统(Q4)，主要由风化残积含砾粘土、含砾砂土和亚粘土组成;白垩系上统南雄组(K2n)，主要由紫红色粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹薄层泥质砂岩组成，底部为杂色砾岩;二叠系下统茅口组(P1m)，上部为深灰色至灰色中厚至厚层状生物碎屑泥晶灰岩，下部为灰至深灰色钙质页岩夹薄层状灰岩以及透镜状泥灰岩。

由以上地质资料可知，塌陷区段存在泥岩和灰岩，推断塌陷与这两种岩性有关。一般来说，泥岩的电阻率较低，灰岩的电阻率较高，充填了水、淤泥等的溶洞电阻率较低，而空溶洞的电阻率较高，因此，两种岩性之间以及岩溶和围岩之间是良好的电性界面。因此，利用高密度电阻率法探查岩性分界面和溶洞，具备良好的地球物理前提。

2 高密度电法装置类型的选择

二维电法勘探的装置类型主要有温纳、偶极、对称四极、二极和三极等装置，高密度电法以此为基础，演变成十几种装置类型。各种装置在探测深度、对电阻率在垂直与水平方向上变化的灵敏度，断面数据的覆盖范围以及信号强度等都是不同的［5，6］。

2.1 常用装置电极排列

高密度电法常用装置有温纳α、温纳β、温纳γ、复合对称四极，三极装置［7］五种，不同装置按照图2所示电极排列方式逐点滚动扫面测量，测得相应数据断面。由电极排列方式可知，当n=1，即C1P1=P1P2=P2C2时，复合对称四极装置实际上就变成温纳α装置。

图2 电极的不同排列装置示意图

2．2 不同排列装置的正演模拟及反演

高密度电法可以采用多种测量装置［7，8］，为了能够选取一种适用于本次探测的较好的测量装置，在进行野外数据采集之前根据现场的地质情况设计了一个简单地质模型，并对其进行正演和反演测试。设计模型为低阻覆盖层下的基岩介质中存有一高阻异常体，模拟采空区、空溶洞［9］等地质情况。如图3所示，模型水平宽度为177 m，基岩界面起伏，异常体位于水平72～84 m，埋深为8～17 m处。覆盖层电阻率为100Ω·m，基岩电阻率为360Ω·m，高阻异常体电阻率为1 200Ω·m。

图3 高阻异常体模型电阻率图

取m=60，a=3，n=18，经二维高密度电法正演计算后，在其结果基础上加入5%的随机噪声模拟实测信号作为反演的输入，再进行电阻率二维反演，各装置的模拟结果如图4所示。

反演结果显示，各种装置对于目标异常体都存在一定的电阻率异常响应。温纳α、β、γ装置对于揭示覆盖层和基岩分界面效果较好，且在相应异常体位置都存在一个明显的高阻异常。其中温纳α、β装置，在目标异常右侧都存有一个较小的假高阻异常。三种方法中温纳γ装置精确度相对较高一些。对于复合对称四极装置反演结果分析可以发现，在实际异常体位置存有明显高阻异常，但在该异常区左右两侧存在两个高阻异常假象，容易干扰异常解释。单边三极装置结果显示在异常对应位置上存有高阻异常，但异常不够明显，未形成高阻闭合圈，不利于异常体形态的判断。总的来说，在探测以上高阻异常体时，温纳α、β、γ装置要优于复合对称四极装置和三极装置，在温纳α、β、γ三种方法中都能对异常有较好的反应，温纳α装置的抗干扰能力相对较强，因此综合考虑在此次塌陷探测中采用温纳α装置。

2．3 野外工作布置及资料分析解释

本次塌陷位置距高速路面左幅排水沟2 m，为了探测塌陷的范围，分别在距左幅排水沟左20 m(塌陷左侧)、左幅排水沟(塌陷右侧)和路面中线布设三条高密度电法测线，测线布置如图5所示。测量装置采用温纳α装置，勘查开始时在B-B'线布设一条电极间距为5 m、60个测量电极的测线，测量结果如图6—a所示，塌陷平面位置对应于k940+750处。根据地质资料可知该处上层为白垩系上统南雄组(K2n)的砂质泥岩，下层为二叠系下统茅口组(P1m)的灰岩，砂质泥岩和灰岩呈不整合接触。从图6—a中可以看出，在k94+600～k94+780段整体视电阻率在10～100Ω·m，推断为砂质泥岩。从该测量结果看此处灰岩埋藏较深，采用电极排列长度为295 m时无法探测到灰岩顶界面。因此，在后续的测量中采用电极间距10 m、60个电极，排列长度为590 m的测线。三条测线的测量结果如图6—b～图6—d所示。分析图6—b B—B'线的视电阻率拟断面图可以看出，在k940+500～k940+780段上部视电阻率在10～100Ω·m，推断为砂质泥岩，下部视电阻率在100～1 000Ω·m为灰岩，不整合界面较明显，在k940+800处岩性接触面较陡。从整体看灰岩界面起伏变化较大，呈一漏斗状，在k940+750处为漏斗的底部，此处正好处于地表塌陷部位。由钻探资料证实，对应漏斗状灰岩凹陷的底部，在深度为60～70 m处存在一直径约7 m的溶洞，且溶洞基本为空洞，充填物质较少，而漏斗状边缘为砂质泥岩和灰岩的分界，见角砾状的砂砾层。由于溶洞上部的砂质泥岩岩性较软，节理裂隙较多，胶结较差，因此，当地下水平衡遭到破坏或存在其他外部因素的影响时，地层会因压力降低而失稳，从而使地面产生塌陷。

图4 高阻异常体在不同装置下的二维高密度电法正、反演断面图

图5 高密度测线布置示意图

图6 高密度电法视电阻率拟断面图

根据高密度电法解释结果，在B-B'线的k940+750、k940+725和k940+708布设ZK1、ZK2和ZK3三个钻孔，钻孔资料表明:ZK1钻孔在0～0.8 m为第四系粘土层，0.8～52 m为砂质泥岩，52～77.6 m为灰岩，其中在55～73 m段为串珠状溶洞;ZK2钻孔在0～0.8 m为第四系粘土层，0.8～74 m为砂质泥岩;ZK3钻孔在0～5.5 m为第四系粘土层，5.5～40 m为砂质泥岩。从钻孔资料可以看出，高密度解释结果与钻孔资料吻合较好。

3 结论

通过运用高密度电法结合钻探资料对沪昆高速公路k940+750处地面塌陷探测的应用效果分析，可得出如下结论:

1)高密度电法数据采集密度大、地电信息丰富、探测精度高、速度快、成本低，电阻率断面图能较准确和直观地反映岩性接触带及岩溶等地下电性异常体的位置和形态。

2)高密度电法装置的选择要根据现场实验结果和施工条件灵活确定，以能最大限度反映地下异常体形态和解决地质问题为目的。

3)灰岩是一种较为常见和特别的岩体，多产生溶蚀现象而形成溶洞，容易导致地面塌陷形成地质灾害，会严重影响到高速公路、铁路等的行车安全，通过高密度电法和地质钻探的综合勘察，可为类似的地质灾害快速探测提供较好的指导作用。

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