浅层反射波地震法和高密度电法在道路采空区勘查中的应用研究

2021-01-09李建平赵俐红彭海洋

工程地球物理学报 2020年6期

李建平,赵俐红,彭海洋

(1.山东省物化探勘查院,山东济南 221116;2.山东科技大学地球科学与工程学院,山东青岛 266590;3.青岛地质工程勘察院,山东青岛 266000)

1 引言

采空区指的是人为挖掘或天然地质运动在地下产生的“空洞”，随着我国矿产资源的大规模开采，产生了大量的采空区，采空区的存在使上部地层失去支撑和发生变形，造成地层的沉降和地面塌陷。近年来，国内外有多个城市发生过由采空区引发的道路塌陷事故，对周边人民的生命和财产安全造成了严重的威胁[1-3]。因此，必须对采空区进行有效的治理，这就需要对采空区的位置，范围，深度等进行精准的探测。

采空区通常与四周的围岩间具有较为明显的波阻抗和电性差异，故浅层反射波地震法和高密度电法是探测采空区常用的物探方法。如胡安顺等[4]、季凇达等[5]分别利用浅层反射波地震法进行了石膏矿采空区的调查，徐红利等[6]利用浅层反射波地震法完成了公路采空区的勘查，刘芳等[7]利用高密度电法对公路下伏的采空区进行了勘查，李树军等[8]利用高密度电法对浅埋采空区进行了调查，但由于地质条件的复杂性和地球物理资料的多解性，单一物探方法往往会产生较大的误差，彭超[9]、吴曲波等[10]、卓武等[11]、李良泉[12]、贠鹏等[13]将以上两种方法结合用于地质灾害的评价，获得了比单一方法更好的效果。本文综合利用浅层反射波地震法和高密度电法对道路采空区进行了勘查，并将二者的探测结果进行对比解释和相互验证，准确地获得了采空区的位置和范围。

2 物探方法简介

2.1 浅层反射波地震勘探

浅层反射波地震勘探是利用地下介质之间的波阻抗差异，由人工激发的地震波在地下传播到达弹性分界面时会产生反射波，当反射波在介质中传播时，其传播路径、振动强度和波形将随着通过介质的结构和弹性性质的不同而变化，根据地面上接收到反射波的旅行时间和速度资料，就能推断出基岩的深度、起伏、岩性接触带、断裂破碎带、地下空洞的位置、延伸方向等信息。

浅层反射波地震勘探常采用共反射点多次覆盖的观测系统[14-17]，其工作原理示意如图 1所示,其特点是把不同激发点、不同接收点上接收到的来自同一反射点的地震记录进行叠加，以压制多次波和随机干扰波，提高信噪比[18-20]。

图1 浅层反射波地震勘探工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of shadow seismic reflection method

2.2 高密度电法勘探

高密度电法是以地壳中岩石的电阻率差异为物性基础，观测和研究人工电场的变化和分布规律，从而解决地质问题的一种勘探方法[21-26]。高密度电法集电剖面和电测深于一体，工作时将多个电极同时排列在测线上，通过对电极自动转换器的控制，实现常规电阻率法中不同装置、不同极距的自动组合，从而一次布极可测得多种装置、多种极距情况下的多种视电阻率参数。高密度电法野外工作的装置类型包括温纳、偶级、施伦贝谢、三级、微分等，图2为常用的温纳装置工作原理示意图。

图2 温纳装置工作原理示意图Fig.2 Schematic diagram of Wenner device

3 方法应用实例

3.1 工区概况

工区位于莱州市虎头崖镇某路段，出露地层由老至新为古元古代粉子山群，新生代第四纪地层，其中下覆基岩主要为白云质大理岩、斜长角闪岩、黑云变粒岩等，抗压稳定性较好。区内构造以褶皱构造为主，断裂构造不发育，多表现为顺层挤压、滑动及柔性岩石破碎。区内的菱镁石矿经过长年开采，形成了数目众多的采空区，这些采空区与围岩存在明显的波阻抗、视电阻率等物性差异，具备开展浅层反射波地震和高密度电法勘探的前提条件。

图3 地震反射波记录Fig.3 Single shot seismic wave reflection record

图4 综合物探成果图1Fig.4 Results map 1 of integrated geophysical method

3.2 现场数据采集概况

浅层地震勘探采用的是骄鹏公司生产的Miniseis24工程地震仪，依据现场地质及场地条件，采用8次覆盖，单边放炮的观测系统，由锤击激发，24道接收，偏移距1 m，道间距5 m，采样率0.1 ms，记录长度400 ms，单点叠加10～15次，共布设测线40条，完成勘探点6 960点，单炮地震反射记录如图3所示。高密度电法勘探采用的是重庆奔腾公司生产的WGMD-4高密度电法仪，装置类型为温纳排列，电极数为60个，电极距2 m，共布设测线20条，完成勘探点2 300点。

3.3 资料推断与解释

采用浅层地震勘探方法时，将地震勘探数据经编辑，预处理，滤波，叠加，时深转换处理后得到了地震反射剖面；采用高密度电法勘探时，将高密度电法数据在剔除地表电性不均匀造成的畸变点后利用阻尼最小二乘法进行了反演计算。下文以典型剖面分析两种方法的应用效果。

通过对实测数据的处理、比对与分析，结合现场钻探资料和已有地质资料，推断含有采空区的高密度电法剖面如图4(a)、图5(a)所示；地震勘探剖面图如图4(b)、图5(b)所示。

由图4(a)可知，在高密度电法测线的96 m，132 m处有两处视电阻率低值异常，反演电阻率值为30～60 Ω·m，深度范围大约12～25 m，推断为采空区进水后形成的低阻异常；由图4(b)可知，在地震勘探测线的32 m，65 m处同相轴不连续，出现分叉现象，深度范围大约15～30 m，推断为采空区引起的异常。对比图4(a)和图4(b)可知，两种方法推断的采空区1，2的水平位置和深度范围基本一致(受场地等客观条件所限，地震勘探和高密度电法剖面长度、起终点均不同，地震勘探测线对应于高密度电法测线的60～180 m)。经钻孔验证，1，2均为采空区，表明两种方法都准确地探测出了采空区。

图5 综合物探成果图2Fig.5 Results map 2 of integrated geophysical method

由图5(a)可知，在高密度电法测线剖面的120 m，142 m，180 m处有三处视电阻率低值异常，反演电阻率值为70～90 Ω·m，深度范围大约10～20 m，初步推断为采空区进水后形成的低阻异常；由图5(b)可知，在地震勘探测线的23 m，58 m，77 m处同相轴不连续，出现分叉现象，深度范围大约12～20 m，推断为采空区引起的异常。对比图5(a)、图5(b)可知，高密度电法推断的采空区1，2和地震勘探推断的采空区2，3能较好地吻合(地震勘探测线对应于高密度电法测线的60～180 m)，经钻孔验证为采空区。而高密度电法推断的采空区3和地震勘探推断的采空区1经验证为假异常。据此可知，若推断出的采空区能被高密度电法和地震勘探同时探测到，则更为准确。