综合物探技术在武汉市江夏区大桥新区岩溶探测中的应用研究

徐小连

(中国煤炭地质总局，北京 100038 )

0 引言

武汉市市域范围内碳酸盐岩分布范围较广，覆盖型岩溶发育，近年来发生十余起岩溶地面塌陷灾害，造成了较大的人员伤亡及经济损失[1-3]。岩溶造成的地面塌陷已成为目前武汉市区域内影响最大的地质灾害类型，为查清岩溶的空间分布和埋藏情况，除开展岩溶及岩溶洞穴发育规律的研究外，还须辅以地球物理探测等相关手段，对岩溶发育进行研究。目前岩溶探测技术方法尚未形成完整的理论与方法体系。

本文在对比前人探测技术方法的基础上，通过分析武汉市岩溶地质特征，选择岩溶发育强烈地区实施高密度电法、地质雷达法、超浅层瞬变电磁法、陆基声呐法、地震勘探法(P波、S波、面波以及微动)、孔中电磁波CT和孔中弹性波CT等多种技术方法，进行探测有效性分析。

1 岩溶探测技术的发展

岩溶探测技术是当前工程地质研究领域的薄弱环节，工程界在各种岩溶探测工程中，除利用钻探，多开展了物探技术方法的理论分析和定量评价[1-10]；温春德应用无线电波透视法，对我国十多个大中型水利水电坝址的岩溶洞穴发育情况进行了探测，先后圈定了多个岩溶洞穴和异常地段[11]；吴辉在贵州某高速公路某段利用RAMAC 地质雷达，对该灰岩地段中的岩溶洞穴进行了探测，表明可广泛地应用于公路岩溶勘探[12]；谭天元等将连续电导率剖面法应用到索风营水电站库区的岩溶勘探中，并取的了良好效果[13]；皮开荣在东风水电站978 廊道帷幕灌浆工作中运用大功率声波CT 和电磁波CT 相结合的方法探测不良地质情况，不仅优化了设计，而且取得了良好的经济效果[14]；李学文等介绍了一种在岩溶地区进行桩位勘查的新方法-“管波探测法”，并以工程实例说明了管波探测法的探测效果，认为这种方法可以很好地解决一桩一孔的局限性[15]；潘瑞林阐述了赤道偶极剖面法在铁路路基岩溶洞穴探测中的应用效果，通过正演理论计算和物理模拟实验，说明了该方法的异常明显可靠、反演解释准确，并给出了选择最佳极距的原则[16]；王法刚等运用陆地声纳法(陆上极小偏移距高频弹性波反射连续剖面法)对某高速公路基岩地震波探测剖面的实例分析，说明该方法与常规物探方法相比可以避免许多干扰波，可以进行单道连续采集，且具有分辨率高、偏移距极小、反射波能量高等特点，在地下岩溶等浅层地震地质调查中效果良好，可以满足狭窄、复杂环境下高分辨率浅层地震勘探的需要[17]；张兴昶等介绍了CSAMT(可控源音频大地电磁法)技术在深埋隧道岩溶探测中的一个实例，指出了该方法在处理类似工程中的优越性[18]。

近几年，随着人们对物探技术运用日趋成熟，综合物探探测技术也开始应用于岩溶探测，常用的方法有高密度电法、地质雷达、超浅层瞬变、陆地声呐、地震、井间CT等。其中邵雁、彭涛、李永涛、李光旭、刘杰等在煤矿岩石巷道超前岩溶探测、井地地震CT岩溶测试、长江大堤岩溶井间电磁波CT勘测及电磁波层析成像、地质雷达结合地震映像法解释隧道溶洞和裂隙等方面做了大量工作，取得了较好效果[19-22]。朱铭、朱亚军等对综合物探技术在隐伏岩溶探测中的应用进行了大量研究，认为综合物探方法是岩溶调查中的重要手段，瞬变电磁法和高密度电法则是综合物探的有效方法，特别是在含水的岩溶洞穴探测方面，有非常突出的效果[23-24]；郑智杰等选取高密度电法、主动源面波法、微动法对柳州泗角村岩溶塌陷区进行了综合研究，能够有效查明塌陷区内地层结构、岩溶发育带，并划分出塌陷区范围[25]；俞仁泉等运用高密度电法和大地电磁法快速探测隧道突泥范围区和前方围岩的地电信息，准确探测了突泥异常区的范围、深度情况，证明了电法、电磁法在岩溶地区的应用效果[26]；农观海选择高密度电阻率法和音频大地电磁法在拟施工竖井附近开展地球物理勘查工作，大致探明施工孔(竖井)位及附近地下岩溶、构造断裂破碎带等情况[27]。

以上资料表明，综合物探技术是进行岩溶探测的有效手段，避免了单一物探方法的多解性。在工程地质勘探中采用综合物探方法对岩溶进行探测，可发挥各种物探方法的优点，互相补充印证，可以提高岩溶的探测精度。

2 岩溶地质特征

2.1 武汉主城区

武汉市主城区分布有6条近东西向条带状隐伏碳酸盐岩，且多呈紧闭型褶皱，厚度均不大。岩溶较发育的地层多位于二叠系中统栖霞组、石炭系上统黄龙组和三叠系下统大冶组。武汉市碳覆盖酸盐岩被第四系沉积物覆盖，覆盖型岩溶在武汉市分布最为广泛，溶孔、溶隙较发育，在断裂发育及岩层分成界面处溶洞十分发育。岩溶发育的深度从基岩面直至100m以内，最深者达127.5m；其间可划分为3～5个溶洞层，每层溶洞高度0.5～10.0m；局部岩溶连通性较好，特别是碳酸岩盐和碎屑岩的不整合接触部位。当碳酸盐岩上覆第四系松散砂土，且碳酸盐岩与土层接触面附近地下水动力条件发生改变时，易造成岩溶地面塌陷。后者碳酸盐类岩层之上有新近系、白垩-古近系岩层覆盖，通常地表岩溶现象不发育[2]。

根据已有的相关地质资料，结合褶皱构造发育特点，可将武汉地区碳酸盐岩划分出6条碳酸盐岩条带，即：天兴洲条带、大桥条带、白沙洲条带、沌口条带、军山条带和汉南条带(图1)[3]。

1.高危险区； 2.中等危险区； 3.低危险区； 4.非碳酸盐岩区；L1.天兴洲条带； L2.大桥条带； L3.白沙洲条带； L4.沌口条带； L5.军山条带； L6.汉南条带图1 武汉地区碳酸盐岩条带分布图Figure 1 Distribution of carbonate rock belts in Wuhan City

2.2 实验区地质特征

试验场地位于武汉市江夏区大桥新区豹山还建小区，场地地势略有起伏，地面标高26.45～31.51m，地面最大高差约5.06m，地貌单元属长江Ⅲ级阶地。

2.2.1 地层

根据钻探揭露，场区在勘察深度范围内覆盖层主要为人工填土及第四系黏性土层，基岩为三叠系下统大冶组灰岩。灰岩(T1d)为灰色，微晶结构，薄-中厚层状，中等风化。岩石节理、裂隙较发育，节理、裂隙面为方解石充填，岩芯较完整，呈柱状，岩芯采取率约90%，RQD为85%。属较硬岩，岩体较完整，岩体基本质量等级为Ⅲ级。

2.2.2 试验区地下水条件

该场地地下水类型为上层滞水和岩溶裂隙水。上层滞水赋存于表层填土中，其主要补给来源为大气降水。勘察期间大部分地段为干孔，仅在少数低洼地段测得上层滞水稳定水位为地面下0.9～2.4m，对应的标高为26.08～28.21m。

岩溶裂隙水赋存于下部灰岩岩溶裂隙中，由于勘探过程中溶洞被软～可塑状黏土充填，未测得岩溶裂隙水水位。

2.2.3 岩溶发育规律

根据实际地理位置划分，大桥新区豹山还建小区位于沌口条带。该条带(L4)西起后官湖两岸，往东延伸至沌口，过长江后往东延伸至红鞋湖。由沌口-流芳岭复式向斜的次级向斜核部及两翼的碳酸盐岩构成。在长江两岸附近缺失。长约56km，宽3.2～15km，面积约541.3km2。

从碳酸盐岩分布情况划分，场地属于覆盖性岩溶，溶孔、溶隙较发育，在断裂发育及岩层分成界面处溶洞十分发育。从上覆层类型及特点划分，场区为黏土层类型。从地层结构划分，上部为厚层的黏土层，下部为碳酸盐岩组。由于地下水长期频繁作用，在黏土层中可能存在土洞，场地内部分钻孔已揭露。岩溶发育深度大多位于距离地表35m以浅深度，岩溶规模从0.4～9.7m不等，偶见双层溶洞发育，场地内溶洞多为被泥、黏土充填。在93个灰岩钻孔中见洞率为12.9%，且相邻钻孔灰岩面起伏较大，该场地岩溶发育程度为中等发育。场地岩溶发育情况与沌口条带岩溶发育规律一致。

3 综合物探技术应用研究

3.1 试验区地球物理特征

第四系黏土层电阻率为几十Ω·m，纵波波速为1 200～2 500m/s，横波波速为250 m/s左右。灰岩电阻率一般在几百Ω·m以上，纵波波速为2 500～6 100m/s,横波波速为1 400～3 500m/s。可见，场地内覆盖层与三叠系下统大冶组灰岩界面存在明显的电性、波阻抗差异。当灰岩中有溶洞发育时，而溶洞多被泥、黏土充填，溶洞中的充填物与大冶灰岩之间具有明显的电性差异；溶洞软弱充填物与灰岩的接触面之间具有明显的波阻抗差异，在两者的分界面上易形成地震波绕射，呈现双曲线异常或在溶洞底部与灰岩相接触的分界面上形成强反射同相轴。因此，选择电磁法及地震等勘探手段进行综合勘探，具备地球物理勘探的前提条件，理论上可有效辨别场地内岩溶的异常特征。

3.2 方案设计

本次研究采用了高密度电法、地质雷达、超浅层瞬变电磁、陆地声呐、地震勘探以及井间CT六大类方法。各种方法的优缺点详见表1[28]。

表1 常用浅层岩溶物探技术

续表

根据实验区现场条件共设计了6条工作测线，L1号～L4号测线为本次试验工作的主要测线，如图2所示。其中L4号测线穿过钻孔ZK3-116、ZK3-158,ZK3-116在22.7～33.2m处揭露溶洞, ZK3-158在深度22.9～29.7m处揭露土洞;L1、L3测线位于硬化地面。

图2 1号～6号测线布置图Figure 2 Layout of prospecting line Nos.1～6

3.3 有效性分析

为了验证各物探技术方法在岩溶地区岩溶探测中的有效性，收集该地区钻探资料，与本次试验结果进行分析。其中2号测线和4号测线在试验前已进行超前钻探勘察，钻孔包括ZK3-116，ZK3-140和ZK3-158。各物探方法解译成果与验证结果如表2所示：

表2 物探解译成果与验证情况表

高密度电法对ZK3-116溶洞、ZK3-158土洞异常均有反映，但高密度电法存在体积效应，对勘探精度产生影响。

地质雷达法采用不同的天线频率进行岩溶探测，结果表明此方法能够快速有效的确定溶洞的空间分布范围，但是探测深度与精度呈现出一种对立关系，频率越高时，探测深度较浅，精度较高；频率越低时，其探测深度较深，精度较低。

相比较传统的瞬变电磁法，超浅层瞬变电磁法消除了一次场影响，减小了浅部探测盲区；收发装置一体化且收发线圈为固定的微线圈，既保证了场源的一致性，也使野外工作更便捷，工作效率高。探测实例分析发现超浅层瞬变电磁法在浅层工程勘察中应用效果较好，分辨率较高。

本次试验陆地声呐法虽然圈定的溶洞较多，但与验证的钻孔资料的吻合度较低。在浅层200m范围内应用此方法可对土洞、溶洞、断层作精细探查，分辨率可达1m；具有不受常规干扰、可在狭小空间布置测线等技术优势。

可控震源激发下的横波勘探效果较好，横波反射波比较发育，信噪比较高，地质现象反映明显。纵波受浅层折射及深部灰岩速度高，分层不明显等影响，信噪比较低，浅部盲区较大，无法得到基岩界面。

由于孔内塌陷导致两个剖面检测深度不够，井间CT方法探测成果无法进行相互验证。但剖面成果与钻孔资料对比基本吻合，具有较高的精度和准确度。

4 结论

本次研究获得了大量宝贵的岩溶专项试验原始数据。研究成果表明，高密度电法、地质雷达法、超浅层瞬变、地震横波及微动、孔中弹性波及电磁波CT在本次武汉岩溶探测专项探测中，均有一定的效果：可控震源激发下的横波勘探效果较好，纵波对于发育较浅溶洞准确率偏低；超浅层瞬变电磁法对界面反映较好；地质雷达也有一定的效果；高密度电法成果中的岩溶反映较为明显，但场地对该方法有一定的影响；在具备实施条件的前提下，孔中CT方法也是较为有效的岩溶探测手段。

在实际工作中，针对不同地区、不同埋深，可以采用不同的方法组合。

①在干扰较小、且具备阵列勘探方法实施条件的场地，当岩溶发育埋深较大，对精度有较高要求时，可考虑采用可控震源激发的高密度横波地震勘探；若岩溶发育较浅，不大于30m时，可以高密度电法勘探、地震面波实施综合勘探，建议采用较小道间距实施勘探；若岩溶埋藏深度较小，可考虑同时采用地质雷达法，宜采用50M、100MHz非屏蔽天线实施勘探；如果现场已实施勘察工作，且钻孔保存较好未塌孔，可以实施孔中弹性波CT、孔中电磁波CT方法实施更进一步的探测；

②在干扰较小、不具备阵列勘探方法实施条件的场地，可以超浅层瞬变电磁法勘探为主，可考虑同时采用地质雷达法查明浅部异常发育情况，宜采用50、100MHz非屏蔽天线实施勘探；若工作场地存在实施勘察工作之钻孔，且钻孔保存较好未塌孔，可以实施孔中弹性波CT、孔中电磁波CT，实施更进一步的探测；

③在人文、电磁干扰较为强烈的场地，可考虑采用可控震源激发的高密度横波地震、面波地震勘探结合高密度电法勘探实施综合勘探，建议采用较小道间距实施勘探；若通过试验工作，地质雷达可采取到有效信号，亦可采用地质雷达勘探，宜采用屏蔽天线；如果现场有未坍塌的勘查工作钻孔，可以实施孔中弹性波CT、孔中电磁波CT方法实施更进一步的探测；

④工作场地临近交通繁忙区域或场地存在大型震动干扰源时，可考虑错峰、夜间工作，采用可控震源激发的高密度横波地震、面波地震勘探结合高密度电法勘探实施综合勘探，建议采用较小道间距实施勘探；若震动干扰强烈，且难以在数据采集工作中消除，可考虑实施地震微动勘探，根据地质任务、场地条件、目的层深度，合理设计有效的微动观测台阵；

⑤工作场地已硬化(水泥、柏油、基岩出露等)，可考虑采用超浅层瞬变电磁法、地质雷达实施目的层较浅的岩溶发育探测工作；若岩溶发育深度较大，可考虑采用可控震源激发的高密度横波地震勘探，配合使用本次研究工作研制的具有自主知识产权的对地强耦合检波系统，以提高接地条件差、工效低区域中岩溶探测的精度；

⑥若工作场地为浅水域，在勘探区域临岸、水深较浅时，可考虑使用超浅层瞬变电磁法实施探测，搭载充气皮筏、小型无人船实施探测。