高密度电法与低频雷达天线同位置岩溶区实测分析

孙茂锐，陈 超，刘 路，李 星>

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

1 引 言

公路工程中，岩溶区具有复杂多变、形态各异的特点，且其随机性和不可预见性很大，已成为当前工程建设中的一大复杂地质难题。因此，能够准确了解岩溶区的地质构造和岩溶发育规律，为工程设计及施工处理提供可靠的依据显得尤为重要。岩溶区域所形成的分界面处存在明显的物性差异，即介电常数与电阻率差异很大[1-4]，给岩溶区的勘探提供了地球物理前提条件。当前公路岩溶勘探的主要方法有地质雷达及高密度电法[5，6]，实际应用中均取得了良好的工程效果。

本文以某公路工程岩溶路基为研究对象，首先沿岩溶路基纵向方向布设高密度电法测线，然后根据高密度电法异常成果，在相同测线位置布设地质雷达测线进行相互验证[7,8]，综合确定岩溶分布情况。通过对两种物探方法对比分析研究、相互印证，可以得出综合物探方法的印证对比应该是全过程的对比，即数据采集、数据处理、成果解释三方面的动态对比[9-15]。动态分析、动态对比体现了勘探成果的及时性、准确性的特点。[16-18]

2 测区概况及测线布设

2.1 测区概况

测区主要穿越侵蚀溶蚀堆积河流阶地工程地质亚区，部分为坚硬碳酸盐岩夹半坚硬碎屑岩溶丘洼地工程地质亚区，分布有河流，未见大型构造经过，上覆第四系覆盖层主要为涧沙河河流阶地冲洪积成因的黏土、卵砾石土组成，具有二元结构，分层厚度约5～15 m不等，在局部底洼地段鱼塘、水稻分布区，表层分布有厚0.2～2.0 m不等的软土；下伏地层为泥盆系上统融县组(D3r)灰岩、白云质灰岩及石炭系下统岩关阶(C1y)灰岩。地面以下岩溶发育强烈，土洞、岩溶及岩溶地面塌陷是该区主要不良地质现象。

2.2 测线布设

根据岩溶路基设计线位及地质情况，本次勘探首先在K83+856～K84+100段布置高密度电法测线，电极距3 m。由于高密度电法测量剖面的实时显示功能，初步判定K83+920附近电阻率较低，可能为岩溶发育区。在高密度电法断面采集结束后，立即在K83+870～K83+970段布置地质雷达测线，为兼顾勘探深度及分辨率，雷达天线为25 MHz RTA低频天线，测点间距0.5 m(图1)。

图1 测线布置示意Fig.1 Schematic diagram of survey line layout

3 数据处理阶段对比分析

3.1 高密度电法

对采集的高密度电法原始数据进行最小二乘法反演处理，迭代5次的电阻率剖面见图2，该剖面的相对处理误差较小，与地质雷达剖面的深度对应关系吻合较好。另从图2可看出，该段落地形起伏较小，电阻率整体呈上低下高形态，层状变化明显，层次感较强，表层覆盖层电阻率约为100～150 Ω·m，连续性较好，说明覆盖层厚度变化不大，整体覆盖层厚度在15 m左右。在剖面65～114 m(K83+921～K83+970)，高程119～127 m处存在横向延伸较长的低阻异常带，其电阻率约为40 Ω·m，结合场地的工程地质情况，推测该异常带为岩溶发育区。

图2 高密度电法5次迭代反演结果断面Fig.2 Resistivity profile of high density electrical method after five iteration inversion

3.2 地质雷达

图3为经过增益放大、带通滤波、抽取平均道、地形校正等处理措施后的地质雷达剖面图，结合高密度电法数据处理结果，选取该剖面的电磁波传播速度为0.09 m/ns，判定覆盖层厚度为15 m左右。另由图3可以看出，整个剖面在时间轴120～420 ns(高程129～141 m)段存在线性延伸的规律性干扰，推测为地表的高压线所致；在剖面74～84 m(K83+944～K83+954)，高程114～128 m集中存在电磁反射波振幅增强、波形杂乱等岩溶异常特征现象，因此推测该异常为岩溶发育区；剖面其他段落及深度范围也零星分布有岩溶异常特征现象。

图3 地质雷达剖面Fig.3 Profile of ground penetrating radar exploration

3.3 对比分析

在处理阶段，高密度电法反演迭代次数的不同，其覆盖层深度，异常深度范围会有相应的变化，就其方法本身来说，多数会选择迭代误差相对较小的断面作为最终的反演解释断面。对于地质雷达的数据处理的目的主要有两个方面，首先是判定覆盖层的厚度，第二就是滤波处理使异常的特征能够最大限度地凸显出来，易于识别。覆盖层厚度判定的主参数是电磁波传播速度，不同岩土具有不同的电磁波传播速度，同种岩土在不同的环境下(干燥、潮湿)电磁波传播速度也是不同的。

综合对比分析图2及图3，高密度电法与地质雷达处理参数的选取是相互促进、相互印证的关系。单方面的考虑一种方法的处理是片面的，只有综合考虑方法间的对应关系，才能给出合理的处理参数。针对本次的勘探研究对象，高密度电法处理阶段的迭代次数5，地质雷达电磁波传播速度0.09 m/ns，皆为数据处理阶段各方法处理参数的最优选择，所得出的剖面对应关系也是最优的。

4 解释阶段对比分析

图4和图5分别为高密度电法及地质雷达的地质解释断面图，由图4可以得出，覆盖层厚度约15 m，岩溶发育区横向延伸较大，长约 50 m，纵向延伸最大约8 m；由图5可以得出，覆盖层厚度约15 m，深部发育有不规则形状的岩溶发育区，主要集中在剖面的74～84 m，纵向延伸最大可达20 m，另有零星分布的岩溶发育区。

图4 高密度电法地质解释断面Fig.4 Geological interpretation of high density electrical exploration

对比分析图4及图5，高密度电法与地质雷达查明的大的岩溶发育区集中于K83+950附近，高密度电法勘探结果较地质雷达勘探结果横向范围延伸较大、纵向延伸范围较小。高密度电法由于其电极距及勘探装置所限，分辨率较低，对异常具有一定的体积效应，放大了异常横向范围，尤其对深部的小异常反应较弱。地质雷达属于浅部的精细勘探，分辨率较高密度电法高很多，可以发现纵横向延伸约2 m的岩溶异常，但是抗干扰效果较差，对覆盖层深度的判别不太灵敏，尤其是对经过滤波处理后的剖面。

综上所述，K83+856～K84+100段岩溶路基覆盖层埋深约15 m，K83+950附近发育有大的岩溶发育区，横向范围约10～15 m(K83+940～K83+955)，高程约110～127 m，剖面其他部分另分布有零星岩溶发育区。

5 结 论

通过对高密度电法及地质雷达实测剖面数据采集、剖面解释全过程的分析，可以得出以下结论与建议。

1)高密度电法与地质雷达综合勘探时，加强在数据采集阶段的互通互联，可以很好地指导反演参数的设置，针对本工地类型，高密度电法的迭代次数5的反演断面图与地质雷达电磁波速度0.9 m/ns的剖面图对应关系一致。

2)高密度电法具有受干扰程度小的特点，分辨率低，可以有效地了解大的岩溶发育区及其位置。

3)地质雷达方法易受外部环境的干扰(如高压线)，对覆盖层的反应不够灵敏，对灰岩区的岩溶发育具有良好的勘探效果，勘探精度高，参数设置合理的情况下，可以有效辨别纵横向延伸约2 m的岩溶异常。

4)本次综合物探的勘探结果暂无有效的钻孔验证，后期阶段应针对覆盖层及岩溶异常的位置布孔验证，提高物探解释精度。