高密度电法在川南岩溶地区基岩面与溶洞勘察中的应用

邹浩 邓子清 徐学贵

四川省核工业地质局二八二大队 四川 德阳 618000

随着工程建设和社会发展的需要，越来越多的工程从平原、盆地逐渐向周缘山区转移，以四川省为例，四川南部的道路建设和页岩气资源勘探开发在该区正加速建设和发展，而该区广泛分布的灰岩、泥灰岩等可溶岩地层为发展带来了新的挑战，川南地区地雨水充沛、水系发达，加之地形起伏较大、为地表和地下水对岩石的溶蚀提供了充分条件，不可避免的引发了许多与岩溶相关的工程地质和环境地质问题。

在岩溶地区开展工程建设仅仅依赖于地表地质调查和大间距调查钻孔往往无法满足勘察工作精度的需要，此时便需要一种相对便利快捷、准确度高、适应性好的勘察手段来探测不良地质体。高密度电法具有分辨率高、成本低、施工快速、获取的地质成果直观等特点，通过利用岩溶发育区与周边围岩存在的典型物性差异，能够高效地探测出地表覆盖物下的基岩面起伏和岩溶发育情况，为地质灾害预防和工程治理奠定基础[1]。本文通过结合在川南岩溶地区管道线路勘察中的应用实例，探测了该地区基岩面与岩溶的发育情况，取得了良好的探测效果。

1 方法原理

高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，其工作原理与普通电阻率法基本一样，仍然是以岩、土导电性的差异为基础，研究人工施加稳定电流场的作用下地中传导电流分部规律的一种电探方法。采用了多电极高密度一次布极并实现了跑极和数据采集的自动化，通过程控式多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距间隔，从而完成野外数据的快速采集。通过在供电电极A与B向地下输入电流强度为I的供电电流，在测量电极M与N上测量电流I在介质（地下土壤、岩石等）中产生的电位差ΔU来计算地下介质的视电阻率ρs（如图1所示）。

图1 高密度电法勘探电极排列和拟断面观测序列示意图

高密度电阻率法中不同装置对地质体的异常反映具有不同的特点，工作中常用的温纳装罝受地形起伏、地表不均匀等干扰影响较小，虽然分辨力较低，但是该装置勘探深度较大、异常形态简单、能有效的压制干扰增强信噪比，实际应用中综合优势明显[2]。

温纳装置是一种特殊的四极装置，工作模式见图2，

图2 温纳装置跑极示意图

供电电极内侧为测量电极，四个电极依次顺序的距离相等，同一隔离系数所对应的电极距相等，随着隔离系数的增加，电极距也等间隔增加，该数据层的数据量也随之减少，该测量方式为剖面测量方式，所得断面成果为倒梯形。

2 岩溶勘察实例

2.1 地质背景与电性特征

2.1.1 区域地质构造

勘察区属川南褶皱带东西向构造体系，地处镇雄穹隆构造之北，长宁～双河背斜东段末端，构造线自北而南呈斜列形式，是“川黔东西向构造体系”的组成部分。区内未见活动断裂发育，区域地质构造稳定[3]。

2.1.2 地层岩性

区内地层主要为：第四系耕作土、素填土、粉质粘土和块石，三叠系下统嘉陵江组(T1j)地层。其中嘉陵江组岩性要为灰色、灰黑色厚层状灰岩，隐晶质结构，夹白云岩、石膏、岩盐、钙质页岩等，主要为碳酸盐矿物，岩体较破碎～完整，多分布于低山、中山、岩溶基岩出露区。

2.1.3 岩溶发育特征

根据工程地质测绘调查结果，拟建线路中段沿线岩溶地貌特征明显，主要以半裸露-埋藏型的落水洞、漏斗、溶洞、溶沟（槽）等岩溶地貌特征出现，其中落水洞、漏斗、溶洞对工程的危害主要表现为岩溶塌陷，溶沟和溶槽对工程危害主要表现为管道埋藏在该区域内会产生不均匀沉降、地基滑动等。溶蚀裂隙沿岩层倾向发育，沿垂直于岩层面方向较发育，基岩面变化起伏大，岩溶发育密度5～6个/km2，岩溶为强烈发育区。

2.1.4 电阻率特征

勘察区电阻率分布可分为以下两层：（1）近地表不均匀层。由第四系及基岩上部强、中风化壳构成，地表多为粘土和亚粘土，往下有泥砂及碎石，夹岩溶遗留物，如小型石柱、小型岩溶空洞等。由于靠近第四系覆盖层，岩溶空洞基本被泥、砂所充填。再往下为基岩强、中风化壳，此层物质组成不均匀，差异较大，孔隙度较大，保水性差，其高、低视电阻率异常大多呈点状或圆状杂乱分布，没有明显的规律。此层厚度一般为5-10m[4]。（2）稳定基岩层。以灰岩为主的完整基岩构成，位于近地表不均匀层以下，物质组成均匀，岩性较为单一。其视电阻率一般在1000Ω·m以上，基本上表现为逐渐增大的梯级带高阻异常。

2.2 异常识别特征

2.2.1 地表岩溶发育区

靠近地表的岩溶发育区多被泥、砂充填，其视电阻率特征和第四系相近，一般显示为低阻特征，单靠视电阻率异常很难准确区分，要结合钻孔资料和实际情况具体分析；而在基岩面附近的岩溶发育区往往会被富水的泥、砂、块石等物质充填，上部与第四系的视电阻率特征较类似，但岩溶区下部所显示的完整基岩面会有明显下凹形态，大多呈圆状或椭圆状形态，与基岩的视电阻率存在较大差异，在一定程度上可以分辨。

2.2.2 基岩面以下的填充岩溶发育区

由于水流的作用也会大量被低阻物质（泥、砂、水等）填充。通过模型正、反演结果可知（图3）：被填充的岩溶区呈低电阻率的电性特征，与周边围岩的梯度变化明显，电阻率峰值明显低于周围围岩。此外延伸至地表的低阻异常，其异常宽度在完整基岩面附近会有明显变化（收窄或变宽）[5]。

图3 填充岩溶发育区正演模型

2.2.3 基岩面以下的空洞岩溶发育区

通过模型正、反演结果（图4）可知：岩溶空洞区基本呈高电阻率的电性特征，以周边围岩在各个方向上的电阻率梯度变化明显，有明显的异常中心，其异常峰值高出围岩数倍，异常大多呈封闭的圆形或椭圆形。

图4 空洞岩溶发育区正演模型

2.2.4 完整基岩面

完整基岩面以上为耕植土、素填土、粉质粘土、块石和基岩强—中风化壳，物质成分较为复杂，视电阻率异常分布规律不明显，电性特征总体呈低阻或相对低阻异常，局部夹零散点状高阻区；完整基岩面以下为以灰岩为主的基岩，物质组成相对简单，视电阻率值由浅到深逐渐增大，呈较平缓的梯度变化带[6]。

2.3 技术方法

本次使用重庆地质仪器厂生产的DZD-8多功能全波形直流电法仪进行高密度电法的数据采集，高压供电系统采用海南荷子科技研发的HZKJ-630型大容量锂电池。在实际工作中，为应对勘察区地形起伏较大、存在一定干扰等问题，工作中采用温纳四极装置采集数据，此外为兼顾探测深度和横向分辨率及施工效率，电极距设置为5m。

2.4 剖面异常解释

2.4.1 L1线解释推断

L1线电阻率总体表现为两层，从地表往下延伸电阻率表现为了中-高，浅部中阻层内分布多个不均的低、高阻体；中部总体平稳的高阻层，局部存在两个低阻异常区域，其中DZ1-1低阻异常区域呈条带形，埋深较深；DZ1-2低阻异常呈点状，异常中心埋深约6m，异常半径约2.9m。

结合地质、地形以及异常形态进行综合分析解译（图5）可知：浅部不均匀电性层为耕植土内所含不均匀物质所引起，高阻体为块状岩石所引起；DZ1-1低阻异常宽约15m，顶部埋深约3～5m，推测为溶洞或裂隙发育区，异常中部为富水的泥、砂等低阻物质所充填；DZ1-2低阻异常体推测为溶洞，经过后期水流的作用被泥沙填充[7]。

图5 L1线电阻率反演断面与综合解释图

DZ4-1、DZ1-2低阻异常体对应位置与地表发现的落水洞LSD9、漏斗LD5空间位置较为吻合，且均位于溶洞低处，地势具有良好的对应性，推测该处异常与地表岩溶相连通。经钻探验证与推测情况较吻合，后期在管道敷设中采取、灌浆、搭桥等方式跨越该不良地质体。

2.4.2 L2线解释推断

L2线道距为5m，共80道电极，剖面长395m，该测线位于梯田内。从测线反演图（图6）可知：电阻率总体表现为两层，从地表往下延伸电阻率逐渐升高，浅部中阻层内分布多个不均的低、高阻体；中部总体为平稳的高阻层，局部存在条带形低阻体，其中GZ2-1高阻异常呈点状，异常中心埋深约20m，异常半径约5.8m；GZ2-2高阻异常呈点状，异常中心埋深约4.8m，异常半径约2.3m。

图6 L2线电阻率反演断面与综合解释图

结合地质、地形以及异常形态进行综合分析解译可知：浅部不均匀电性层推测为耕植土、粉质粘土内含有的块状灰岩所引起，或为水流冲蚀灰岩的沟槽，GZ2-1、GZ2-2高阻异常为溶洞或块状灰岩引起，DZ2-1、DZ2-2低阻异常推测为裂隙发育区[8]。

GZ2-1高阻区距离北东方向约20m的地表发现神15m的落水洞LSD08，推测该异常为此溶洞延伸所引起，同时南部低阻异常区地表发现破碎，结合线路两侧分布的落水洞推测该异常为裂隙发育区，后期经开挖验证与推测情况相吻合。

3 结束语

本文通过介绍高密度电法在川南岩溶地区的工程勘察案例，对其在探测基岩面起伏、溶洞形态及发育规模等方面的有效性和适用性进行了分析研究和探索，为本方法在类似地区的工程勘察应用提供借鉴和应用实例。

（1）本次高密度电法测量结果能直观地反映浅部覆盖层、岩溶发育形态和规模及其与基岩之间的视电阻率差异特征，后期的钻探施工和开挖进一步验证了本次选用的方法是行之有效的。

（2）通过本次管线线路高密度电法测量，圈定了数个低阻异常区域，推测为充填岩溶区、裂隙发育区；圈出的点状高阻异常体推测为岩溶空洞或块状灰岩所引起的视电阻率异常，为后续管道线路设计、施工提供工作基础。

（3）尽管高密度电法具有诸多优势，但是任何一种工作方法都会有其自身的局限性，作为一种探测岩、土体电性差异的地球物理勘察方法，毕竟是间接的物探勘察手段，由于探测范围、分辨率、体积效应的局限，在探测较小体积、较弱电性差异的溶洞时可能存在遗漏或误报，仍需借助其他直接或间接手段进一步证实。