超高密度电法在上覆型岩溶勘察中的应用

惠 军， 谭维佳

(1. 江苏省地质环境勘查院，江苏南京210000；2. 长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安710054)

0 引 言

上覆型岩溶具典型的土-岩-空洞三元结构，为电法勘测提供了良好的物性基础，但岩溶发育的无规律性导致溶洞大小不规则、走向纵横交错、孔洞隐伏，上部覆盖层对电场具消散作用，土层和水向岩溶的填充程度不一，导致常规电法难以精确探测(刘国兴，2005；朱清耀，2005；胡博等，2008；赵万里，2015；廖友清等，2020)。由于采用固定装置和程式化操作，常规电法观测方式有限、效率低下，单通道数据采集方式使得测点稀疏，多种因素导致数据采集存在片面性，即在同一个点对地层进行电法探测时，装置不同导致数据反演结果相差甚远(朱自强等，2004)。例如，岩溶的上覆土层厚度较大时，常规电法的垂直分辨率不足以充分反映地下岩溶的异常特征。

在高密度电法的基础上，超高密度电法以现代数据信号技术为手段，采用灵活多变的装置组合，多芯电缆1次可采集多个电极的数据，全自动、智能化的工作极大地提高了数据的采集量和工作效率，充分提升了已有电极排列的利用率(Sjödahl et al., 2006；胡树林等，2011；冯德山等，2014；何委徽等，2019)。

南京地铁4号线桦(墅站)—仙(林东站)区间龙王山段附近的基岩为三叠系青龙群灰岩，在地质钻探过程中，部分钻孔揭示了埋藏深度和大小不一的溶洞，为保障工程的顺利进行，查明岩体中溶洞的分布情况十分必要。在研究桦-仙区间工程地质、水文地质条件以及分析场区岩土介质的地球物理特征的基础上，采用超高密度电法对该区进行地电测量，经反演分析获取地电阻率图像，结合岩溶的电阻率异常响应特征，判别岩溶的分布范围、走向、大小及埋藏深度。

1 探测原理与方法

1.1 超高密度电法的基本原理

超高密度电法与常规高密度电法的勘探原理相同，本质是基于土层和岩层介质的电性差异，向大地内部激发一个稳定的人工电场，观测电极排列上的电场分布规律。在指定边界条件下，电场与空间的位置关系满足下列偏微分方程式(Zhou，1998；钟韬，2008)：

(1)

在无场源时，式(1)可简化为欧拉公式，即

(2)

实际地质模型的电场分布和边界条件往往更为复杂，需借助软件和数值计算方法进行求解。超高密度电法的反演计算可直接获取不同于常规电法的2.5D真电阻率剖面图。在上覆型岩溶中，上部覆盖层电阻率较低，下部电阻率较高，且存在量级上的差异；灰岩中的溶洞由于充填形式不同，电阻率的表现也不同，在全充填的溶洞中表现为相对低阻，在空溶洞中表现为相对高阻，半充填的溶洞电阻率介于两者之间。因此，可利用此特征结合地质资料进行解译，分析地层的岩性、分布规律、断裂构造等特征，判定异常性质的地质体，进而解决各种工程地质问题。

1.2 超高密度电法的探测方法

超高密度电法是一种多通道全波形的探测方法，装置系统自由无限制，通常将64个电极按一定的距离置于测线上，然后将多芯电缆与每个电极连接，达到与地震反射勘探相似的多通道数据采集方式(图1)。对64个电极从1至64依次编号，将奇数电极归为一组，偶数电极归为一组。2组电极分别定义一个电极为供电电极，即图1中的A电极和B电极；其余奇偶配对为接收电极，A电极和B电极的测点布置依次为：1(A)—2(B)、1(A)—4(B)、…、1(A)—64(B)，3(A)—2(B)、3(A)—4(B)、…、3(A)—64(B)，63(A)—2(B)、63(A)—4(B)、…、63(A)—64(B)。1次通电即可采集61个电极相对于某一点位的电位差，根据互换原理，奇数组和偶数组互换为供电电极，因此可获得1 024次电流极对，采集1 024×61个电位差数据。数据采集是高密度电法的几十倍，极大地提高了反演结果的精度(戴前伟等，2013；冯德山等，2014；姜小强等，2016)。

图1 超高密度电法地面采集电极排列示意图Fig. 1 Schematic diagram of electrode arrangement for ground acquisition by ultra-high density resistivity method

为综合判断异常地质体的走向和范围，达到垂直探测与孔间层析成像的目的，将64个电极分成2组，按放置位置的不同分为地面方式、井地方式和井井方式(图2)。

图2 超高密度电法采集方式Fig. 2 Acquisition of ultra-high density resistivity method(a) Ground acquisition; (b) Ground-well acquisition; (c) Well-well acquisition

采用Flash RES 64多通道超高密度直流电法勘探系统进行探测，仪器主要技术指标为：电压通道61个，输入阻抗>107 Ω，测量精度<0.5%，干扰压制>80 dB(对50 Hz工频)；输出直流电压30、90、250 V，电流<3 A，工作温度为-20～50 ℃，湿度为95%RH，电源为12 V电瓶。采集方式为地面方式和井井方式：地面方式极距3 m或4 m，数据采集周期2 s，电流极对1 024个；井井方式极距1 m，数据采集周期2 s，电流极对1 024个。

2 工程概况

2.1 超高密度电法探测位置

南京地铁4号线工程线路全长44.184 km，共分为4个勘察标段，其中D4-XK04标西起东流站，经青龙站、桦墅至仙林东站，共4站3区间1出入线1车辆段，全长约7.20 km，在桦墅站—仙林东站之间设青龙车辆段和出入线。研究区D4-XK04标桦墅站—仙林东站区间采用矿山法施工，区内广泛分布的灰岩严重影响施工安全，探明灰岩中的岩溶发育情况成为工程建设的首要任务。矿山区间段(右DK42+058—右DK42+995)如图3所示，对比分析各种地球物理方法，对该段岩溶采用超高密度电法探测。

图3 南京地铁4号线桦-仙区间岩溶探测范围Fig. 3 Karst detection range of Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

2.2 工程地质与水文地质条件

勘察揭示，拟建区间穿越侵蚀堆积岗地(含岗地-坳沟区)和构造剥蚀低山丘陵2个地貌单元。其中桦墅站—龙王山南麓、龙王山北麓—仙林东站为侵蚀堆积岗地区，上部土层局部发育坳沟，坳沟内堆积土层以黏性土为主，从上至下黏性土的状态由流塑逐渐变成可塑和硬塑，黏性土中偶见粉土和粉砂透镜体。下伏基岩埋深变化较大，分布有象山群的泥质砂岩、砂岩，周冲村组的灰岩、泥灰岩，三叠系青龙群的灰岩。周冲村组的灰岩仅分布在龙王山一带，为构造剥蚀低山丘陵区，土层覆盖较少。

根据现场工程地质调查，山体表面分布着厚度不均的第四系粉质黏土，厚度一般<1.5 m，大部分山体基岩出露，多为强风化岩。山下一般土层较厚，达十几米，山体地层岩性主要为三叠系青龙群中下部中厚—厚层灰黄色微晶灰岩、泥质微晶灰岩，地层产状为山体南东侧NE38°～65°/SE∠27°～38°、北西侧NE60°/SE∠30°，岩石较坚硬，钻探显示该段岩体中发育溶孔和小型溶洞。

研究区地表水主要为沟塘水。根据区域水文地质条件及初步勘察结果，区内地下水可分为3种类型：① 松散岩土孔隙潜水，主要分布于上覆第四系土层孔隙内，受大气降水补给，变化较大；② 基岩裂隙水，主要赋存于基岩裂隙和破碎带中，与上覆土层的孔隙水有一定的连通性；③ 岩溶水，主要赋存于溶洞空腔内，与充填的黏性土混合，水量丰富，不受地潜水的影响。

2.3 地球物理特征

地层因物质组成和地质构造的影响而表现出不同的电学特性，土层与岩石、空气和水分之间均存在电阻率差异，通过探测不同地层的电阻率可推断地层的岩性、岩溶及断裂构造等。根据钻孔揭示，研究区地质环境为典型的土-岩-空洞三元结构上覆型岩溶地质条件，上部覆盖层主要为粉质黏土和素填土，下部为象山群砂岩和三叠系青龙群灰岩，灰岩内岩溶发育。经前期探测，上覆粉质黏土和素填土的电阻率为10～30 Ω·m，砂岩的电阻率为50～250 Ω·m，中风化—微风化灰岩的电阻率为100～1 000 Ω·m，半充填—全充填溶洞的电阻率为20～100 Ω·m，无充填溶洞的电阻率为50～400 Ω·m。由此可知，土层-岩层-溶洞三者之间的电阻率有一定的差异，为超高密度电法解释时识别和区分各个岩土界面提供了依据。

3 探测结果与分析

3.1 地面探测结果分析

测线左DK41+985(右5 m)—左DK42+237(右18 m)的典型电阻率剖面(图4)显示：① 上覆为第四系粉质黏土，视电阻率为10～30 Ω·m；② 基岩以三叠系青龙群强—中风化灰岩、象山群砂岩为主，其中，砂岩视电阻率为30～200 Ω·m，大部分较完整，局部裂隙较发育；灰岩视电阻率为30～500 Ω·m，大部分较完整，局部溶蚀裂隙较发育。从视电阻率曲线形态分析，左DK41+998—左DK42+077处有20～60 Ω·m的低阻异常，推测为砂岩裂隙发育区域；左DK42+047—左DK42+095处、左DK42+127—左DK42+220处有20～80 Ω·m的低阻异常，推测为溶蚀裂隙发育区域。

图4 南京地铁4号线桦-仙区间左线岩溶探测结果Fig. 4 Karst detection results of the left line of Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

测线右DK41+972(右5 m)—右DK42+224(右23 m)的典型电阻率剖面(图5)显示：① 上覆为第四系粉质黏土，视电阻率为10～30 Ω·m；② 基岩为象山群砂岩、三叠系青龙群强—中风化灰岩，其中砂岩视电阻率为30～150 Ω·m，大部分较完整，局部裂隙较发育；灰岩视电阻率为30～400 Ω·m，大部分较完整，局部溶蚀裂隙较发育。从视电阻率曲线形态分析，右DK41+982—右DK42+055处有20～60 Ω·m的低阻异常，推测为砂岩裂隙发育区域；右DK42+047—右DK42+085、右DK42+100—右DK42+212处有20～80 Ω·m的低阻异常，推测为溶蚀裂隙发育区域。

图5 南京地铁4号线桦-仙区间右线岩溶探测结果Fig. 5 Karst detection results of the right line of Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

3.2 井井探测结果分析

在隧道里程右DK42+121上，垂直隧道走向布置G68孔—G67孔井井测线(图6a)。上覆为粉质黏土，下伏为三叠系青龙群强—中风化灰岩。从电阻率值和曲线形态上看，两孔之间灰岩大部较完整，局部溶蚀裂隙发育。两孔之间距G68孔2～29 m、深10～21 m处溶蚀裂隙发育；G67孔在21 m附近及40 m处有低阻异常，推测为溶洞，被粉质黏土充填，直径分别约为2、3 m(图6a)。

图6 南京地铁4号线桦-仙区间井井探测结果Fig. 6 Well-well detection results of Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

在隧道里程右DK42+229上，垂直隧道走向布置G72孔—G74孔井井测线(图6b)。上覆为粉质黏土，下伏为强中风化灰岩。从电阻率值和曲线形态上看，两孔之间灰岩溶蚀裂隙发育。两孔之间距G72孔0～5 m、深11～28 m处,两孔之间距G74孔0～19 m、深9～46 m处为溶蚀裂隙发育区域；G72孔在深13、19、25 m处有低阻异常，推测为溶洞，被粉质黏土充填，直径分别约为2、2、3 m；G74孔在深33 m处有低阻异常，推测为溶洞，被粉质黏土充填，直径约为3 m；两孔之间距G74孔9 m、深度14、39 m处有低阻异常，推测为溶洞，被粉质黏土充填，直径分别约为3、2 m(图6b)。

4 地质钻孔与解释成果对比

在隧道左线方向上布置5个钻孔进行钻探(图4)，结果表明，超高密度电法对各土层的层位划分精确，特别是粉质黏土与基岩的分层面与钻探结果吻合度高，能有效探测钻孔间的地层起伏，提高勘探效率。钻孔D4Q16G63、D4Q16G2揭示的溶洞标高范围(表1)与电阻率反演结果相符。根据钻孔D4Q16Z15揭示的溶洞标高范围(表1)，推测0.04～-14.76 m范围内为破碎中等风化灰岩，根据电阻率剖面图外推其发育范围。

在隧道右线方向上布置等量的钻孔进行钻探(图5)，验证结果与图4的结论相同。对比分析图4与图5可见，在左右线上地层的分布和变化较稳定，地层起伏较一致，针对图4中钻孔D4Q16Z15的溶蚀裂隙发育区外推情况布置了加密钻孔(如钻孔D4Q16Z17、D4Q16Z56)。研究区地质溶洞的高密度电法探测与钻孔验证结果(表1)表明，对溶蚀裂隙发育区的推测符合验证结果。

表1 南京地铁4号线桦-仙区间探测结果对比Table 1 Comparison of detection results in Huashu-Xianlin section of Nanjing Metro Line 4

在隧道的横剖面上采用井井方式进行勘测，T1、T2为可塑粉质黏土填充的溶洞，T19、T21为软塑粉质黏土填充的溶洞(图6)。从视电阻率图像(图6)看，尽管溶洞非常小，但电阻率在溶洞位置处均出现相对低阻。图6提供了隧道在横向上的地质体变化趋势，是对图4和图5在空间上的完善，增强了对地质异常体(溶洞和岩溶裂隙发育区)空间分布的认识。

5 结 论

(1)采用地面、井井超高密度电法，在桦墅站—仙林东站区间矿山段范围内布置超高密度电法测线，基本查明了矿山段覆盖层厚度、范围、地层分布情况及灰岩区岩溶发育程度。

(2)桦墅站—仙林东站区间矿山段上覆松散地层为粉质黏土及素填土，上覆层厚度为0～20 m，超高密度电法查明了下伏基岩(灰岩)在地铁线位处的溶蚀裂隙发育区域及溶洞分布位置，表明在上覆型岩溶勘察中超高密度电法具有高精度、高效率、直观等特点，解释成果与钻探验证一致，为土-岩-空洞三元结构的物理探测提供了一种新方法。

(3)工程物探勘察受地形、树林等各种不利条件的影响，受限于物探方法的多解性及勘察精度不高等因素，多为定性认识，建议施工时在岩溶发育区段进行施工勘察或采用地质雷达超前预报等手段做好岩溶发育情况的预报工作。