基于高密度电法的岩溶勘查——以枣庄某工程为例

武志敬，朱文科，李兆令*，代小强，靳立杰

(1.山东省第五地质矿产勘查院，山东 泰安 271000；2.安徽省地质矿产勘查局312地质队，安徽 蚌埠 233040；3.重庆市地勘局南江水文地质工程地质队，重庆 410047;4.山东省第一地质矿产勘查院，山东 济南 250014)

0 引言

在灰岩地层中，岩溶广泛发育，当发生在有人类活动的地区时，尤其是在工民建工程中，往往会成为地质灾害，给人们的生命和财产安全带来一定的威胁。因此，在施工前对场地一定深度范围内的岩溶洞穴和断裂进行勘查是十分必要的。目前岩溶探测的常用物探手段主要有地质雷达、高密度电法、浅层地震法等，这些方法均有各自优势和局限性[1-5]。相对而言，高密度电法具有受干扰因素少、施工方便、装备轻便、技术成熟等特点，已成为国内岩溶勘查的主要方法。

山东省枣庄市某工程场地在前期工程勘察过程中，发现场区局部存在黏土充填溶洞。为进一步查明场区岩溶发育情况，对场区工程地质条件进行综合性评价，开展了高密度电法工作，主要目的是了解建筑地基范围内浅部地层分布状况，划分断裂构造，基本查明楼基础以下岩溶发育特征，为该工程楼基础的设计处理提供相应的地球物理依据。

1 地质及地球物理概况

1.1 地质概况

区域地层主要以寒武纪三山子组、炒米店组、崮山组、张夏组、馒头组和朱砂洞组为主[6]。近场区范围周边发育有NW向断裂，为非全新活动断裂且距离场区较远，对拟建场地的稳定性无明显影响[7]。区域内主要发育新太古代晚期岩浆岩及中生代燕山早期侵入岩，岩性以片麻状中粒含黑云角闪二长花岗岩和花岗闪长玢岩为主。

场区原为第四系覆盖，根据场区勘察孔揭露，第四系平均厚度0.43m，其下为褐色、灰绿色含砂黏土，含砂约 30%，部分含风化碎块，局部基岩出露，下伏燕山晚期侵入岩斜长角闪片麻岩及寒武系石灰岩，两者为侵入接触。

石灰岩多呈中风化，厚层状—巨厚层状，裂隙发育不均匀，多数地段以闭合状或微张节理裂隙为主，顶部岩溶较发育，完全填充黏性土。

斜长角闪片麻岩呈强风化，灰白色—灰绿色，粗粒变晶状结构，片麻状构造，裂隙发育不均匀，多数地段以微张节理裂隙为主。

花岗闪长玢岩呈全风化或强风化，全风化呈土状，成分以石英、长石为主；强风化呈粒状结构，组织结构尚清晰，矿物成分以石英、长石为主，含少量角闪石和黑色云母等暗色矿物。

1.2 地球物理特征

浅部地层以黏土及残积土层为主，电阻率较低，在20Ω·m以下；风化花岗闪长玢岩及变质岩类片麻岩电阻率稍高，野外实测在15～40Ω·m 之间；完整灰岩电阻率最高，为n×10～n×100Ω·m之间。通常情况下，当有断裂或全充填溶洞存在时，岩石破碎造成电阻率降低，当有空洞存在时，电阻率变大(表1)。

表1 工作区岩石(土)实测电阻率一览表

完整地层所获得的视电阻率等值线在断面图上呈层状展布，视电阻率整体连续性较好，当有构造、断裂或溶洞等存在时，视电阻率等值线在断面图上会出现明显的错动，引起局部的突变现象，从而可以通过分析视电阻率曲线形态，达到寻找裂隙、岩溶发育区的目的[8-9]。

2 主要工作方法

2.1 工作布置

高密度电法勘探线均沿建筑物基础南北两侧布设(图1)，并尽可能控制建筑物基础于测线中部，每栋建筑布设2条测线，依据基础宽度测线距离15m左右。其中L1线～L4线测线长118m，点距2m，方位角107°；L5线～L6线测线长177m，点距3m，方位角107°；L7线～L10线测线长177m，点距3m，方位角90°。每条测线起始点均用木桩固定标记，采用皮尺测量定位和 GPS 定点相结合的方法确定点位[10]。

1—张夏组灰岩；2—馒头组页岩；3—朱砂洞组灰岩；4—花岗闪长玢岩；5—斜长角闪片麻岩；6—验证钻孔及编号；7—楼基范围；8—物探测线及编号图1 工程部署及场区基岩分布推断图

2.2 仪器及方法

高密度电法勘查工作使用仪器为重庆精凡科技有限公司生产的N2电法测量系统。

野外数据采集工作采用温纳装置进行，该装置模式是高密度电法装置中比较常用的一种，它能较详细采集地层的地电异常信息，被广泛应用于岩溶探测工作中。测量时，供电电极AB和测量电极MN之间具有AB=BM=MN=a的关系，A、B、M、N同时逐点向右移动，测得第一层的视电阻率；接着a变大一个电极间距，A、B、M、N 再同时逐点向右移动，得到第二层的视电阻率；这样逐层扫描测量下去，直至测完预先设定的最大层数，得到上宽下窄的梯形断面[11-13]。

高密度电法勘查工作供电时间0.5s，测量层数18层，测量间隔50ms。

工程施工条件比较复杂，场地局部已开挖，部分地段接地条件不好，各剖面数据采集之前均逐个读取了电极的接地电阻，对于电阻过大的电极或浇水或更换，都及时进行了处理；水泥路面按照点距逐个打孔，保证电极的接地条件；由于场地有电缆存在，数据采集时均在停电一定时间后进行，尽可能地将潜在干扰的影响降到最低。

2.3 数据处理及反演

在数据测量过程中，有时会受到一些随机噪声的影响，为消除这些随机干扰的影响，对所采集数据进行后期检查，采用数据剔除或滑动平均方法进行数据处理。数据反演采用最小二乘法，重点进行了初始模型的构制。初始模型的构制采用实测数据，在水平和垂向均依非均匀尺度划分，即中央部位采用3m×3m，在水平方向向两侧相继以1.5倍逐步加大网格尺寸，在垂向方向底部相继依1.3倍逐步增大，为了使迭代不失真，迭代次数选择为3～6次。

3 资料解释

3.1 典型剖面解释及验证

项目针对5栋楼基础各施工2条高密度电法剖面，两剖面视电阻率等值线分布特征基本一致，选取5条剖面作典型性研究。

3.1.1 L2剖面

L2剖面位于场地西部，从图2可以看到，L2剖面楼基础范围以内视电阻率ρs在 20～100Ω·m之间变化，大部分在 50～60Ω·m 之间，数值相对较高。自基础右上角 32号点上部至 68 号点勘探剖面中下部约28m形成一条视电阻率在 50～100Ω·m之间的窄狭条带状相对高阻异常带。结合地质资料推断基础范围30m以浅应为溶蚀厚层状灰岩的反映，其中窄狭条带状相对高阻异常带类似岩溶裂隙未被黏土充分充填即半充填洞穴的地电异常特征，下部的相对低阻区域推测为局部溶蚀发育溶洞、裂隙充填黏土形成的地电异常。

1—残积土；2—完整灰岩；3—溶蚀灰岩；4—斜长角闪片麻岩；5—充填型溶洞；6—断裂及编号；7—钻孔及编号；8—楼基范围图2 L2剖面综合成果图

设计钻孔位于58号点，垂直孔深 30m，预计将穿透黏土(残积土)、溶蚀厚层石灰岩、完整灰岩等地层。实际施工验证孔ZK1，在钻深 6.5m、钻深 7.5m均见 20cm空洞，钻深 22.5～24.0m见 1.5m溶蚀洞穴，钻深 25.7～26.5m见 0.8m空洞，下部为厚层灰岩未穿透。该区域厚层灰岩局部溶蚀洞穴、节理、裂隙、溶沟、溶槽发育由黏土充填、局部半充填，影响地基稳定性[14-16]。

3.1.2 L4剖面

L4剖面位于L2剖面东部，部分与L2剖面重合。从图3可以看到，L4剖面楼基础范围以内视电阻率ρs在15～60Ω·m之间变化，视电阻率ρs呈现左下部高(基本在 50～60Ω·m之间)右上部低(多在 20Ω·m左右)的特征。从左上角46号点浅部至中部 64号点底部形成明显的视电阻率梯度带，梯度带两侧视电阻率差异明显。结合地质资料推断基础左边部及左下部高阻区应为厚层状灰岩的地电反应特征区域。右边及右上部低阻区应为以斜长角闪片麻岩为主的变质岩分布的地电特征区域，斜长角闪片麻岩风化严重，ρs值在20～30Ω·m之间。灰岩和斜长角闪片麻岩接触部位有较缓东倾的断裂构造存在，沿断裂可能有岩溶发育和构造碎裂岩分布。

1—残积土；2—完整灰岩；3—斜长角闪片麻岩；4—空洞；5—断裂及编号；6—钻孔及编号；7—楼基范围图3 L4剖面综合成果图

该剖面于 58号点设计钻孔，垂直孔深 30m，预计将穿透黏土(残积土)、斜长角闪片麻岩、构造带、灰岩等地层。实际施工验证孔ZK2，上部为强风化斜长角闪片麻岩，岩心较破碎，钻深 17.3m见灰岩，灰岩较破碎，呈块状、短柱状，局部有蜂窝状溶洞被黏土充填，钻深 19.8～20.1m见 0.3m空洞，下部为厚层灰岩未穿透。

3.1.3 L6剖面

L6剖面位于L4剖面东部，从图4可以看到，L6剖面楼基础范围以内剖面视电阻率ρs在 10～25Ω·m之间变化，整体呈低阻特征。结合前期勘察资料推断该基础底部主要分布古老变质岩类，岩性变化不大，基本以强风化斜长角闪片麻岩为主。浅部未见其余岩类电性层。因变质作用前原岩不完全相同，变质作用后岩石完整性强度略有差异，受区域地质作用及周边构造运动影响，地基基岩风化严重造成电阻率降低是形成低阻电性特征的主要原因。综合判断该地基属于软弱地基。

1—杂填土；2—斜长角闪片麻岩；3—楼基范围图4 L6剖面综合成果图

3.1.4 L8剖面

L8剖面位于L6剖面北部，从图5可以看到，L8剖面楼基础范围以内剖面视电阻率ρs在 15～30Ω·m之间变化，上部20m以浅视电阻率较低，下部视电阻率相对较高，断面126号点浅部向 72号点-50m深度存在一向左倾的相对低阻带。结合地质资料推断左上部应为强风化花岗闪长玢岩的地电反应，该处花岗闪长玢岩风化严重，ρs值在 20～30Ω·m之间；右下部应为厚层灰岩的地电反应；二者接触部位的左倾低阻带为断裂发育引起，沿断裂推断有岩溶和构造碎裂岩分布。

1—残积土；2—完整灰岩；3—溶蚀灰岩；4—斜长角闪片麻岩；5—花岗岩；6—充填型溶洞；7—断裂及编号；8—钻孔及编号；9—楼基范围图5 L8剖面综合成果图

该剖面于 80号点施工钻孔ZK3，上部为花岗闪长玢岩，自33.4m开始溶洞断续出现，溶洞局部黏土半充填，42.2m以下见 2m左右厚层白云质灰岩，呈短柱状，局部呈碎块状。后因钻孔坍塌严重，移位后仍未达到设计的 60m深度。

3.1.5 L10剖面

L10剖面位于L8剖面北部，从图6可以看到，L10剖面楼基础范围以内剖面视电阻率ρs在 15～260Ω·m之间变化，断面左侧视电阻率较高，数值大部分在50Ω·m以上，等值线较密集，推断为厚层状白云质灰岩的地电反应；右侧视电阻率较低，数值大部分在35Ω·m以下，等值线较稀疏，推断为全风化花岗闪长玢岩(上部为残积土)的地电反应；二者接触部位(分界面如图6所示，高密度勘探线 72号点浅部至138 号点50m 深度)有宽 2～4m以棕红色为主的杂色薄层泥(钙)页岩分布。在视电阻率断面等值线图中 138 点上部至 96 号点中深部有一左倾低阻异常带，推断为局部断裂切割，沿断裂可能有岩溶发育和构造碎裂岩分布。

1—残积土；2—完整灰岩；3—溶蚀灰岩；4—页岩；5—花岗岩；6—充填型溶洞；7—空洞；8—断裂及编号；9—钻孔及编号；10—楼基范围图6 L10剖面综合成果图

该剖面于96号点设计钻孔，垂直孔深60m，预计将穿透黏土或花岗闪长玢岩残积土，灰紫色泥钙质页岩，灰岩溶蚀裂隙、溶洞及破碎构造带，完整灰岩等地层。实际施工钻孔ZK4，上部为花岗闪长玢岩残积土，17.3～18.9m见灰紫色泥页岩，以下为灰岩，其中钻深 25.4～26.1m见0.7m溶蚀空洞，钻深 33.2～37.5m岩石断续出现溶洞，溶洞被黏土充填，且此段岩石破碎严重。下部为厚层状白云质灰岩，钻孔钻至48m未穿透。

3.2 综合成果解释

从以上5条典型的高密度电法剖面推断与钻孔验证结果可知，虽然有个别岩溶的深度和规模与推断结果不完全一致，但整体上误差较小，钻孔结果与物探解释推断成果整体上吻合度较高，证明了基于高密度电法的岩溶勘查的有效性和准确性，为工程施工提供了可靠的指导和依据。

区内不同高密度电法剖面的视电阻率具有明显的差异，分别指示了不同岩性的分布范围及特征。综合5条典型剖面的地电特征分析解释结果，可推断出场区浅部地层的分布情况(图1)，为合理布设补勘提供了指导：场区西部广泛分布石灰岩，该区灰岩溶蚀洞穴、节理、裂隙、溶沟、溶槽发育由黏土充填、局部半充填，局部有小范围泥岩呈条带状展布；北部有花岗闪长玢岩侵入，风化严重，地表为残坡积，下部与灰岩接触部位发育断层构造；场区南部基本以强风化斜长角闪片麻岩为主，受区域地质作用及周边构造运动影响，基岩风化、渗水严重，形成明显的低阻电性特征。

高密度电法剖面电性反映及钻孔验证结果揭示了本区岩溶裂隙发育特征和规律，区内岩溶可分为两类，一类是灰岩内部岩溶，该类主要发育在灰岩内部，多表现为全充填型溶洞；另一类多沿灰岩和其他岩性接触界面及断层构造带发育，多表现为半充填型或空洞，构造为好的导水通道，地下水的流动对两侧围岩具有强烈的侵蚀作用，形成有利的岩溶发育环境[17-20]。地下水在沉降、运移的过程中不断的对溶腔进行洗刷、侵蚀，带走了充填的黏土，造成溶洞进一步的中空和扩大。

4 结论

(1)通过对工程场区开展高密度电法勘查工作，基本查明了楼基础浅部的地电特征，结合相关勘察和地质资料分析，推断、理顺了区内地层层序，为场区岩性识别编录提供了依据。

(2)通过资料研究划出了基岩上部覆盖层厚度，推断断裂构造2条，并划出岩溶发育区 4处。根据高密度电法剖面电性反映及钻孔验证结果总结了岩溶裂隙发育特征和规律。全充填型溶洞多发育在灰岩内部基岩破碎处，空洞多沿灰岩和其他岩性接触界面及断层构造带发育。

(3)本次高密度电法工作场所推断的断裂和部分岩溶发育区在前期初勘阶段钻孔中并未揭露，但被本次所建议的验证孔逐一证实，既为下一步补勘工作提供了参考，也说明了高密度电法对岩溶、断裂等地质灾害探测的有效性和物探工作的必要性，为今后同类工作提供了一定的借鉴意义，也积累了有益的经验。