综合物探方法在岩溶塌陷地质灾害调查中的研究与应用

张亦朋

广东省化工地质勘查院 广东 广州 510800

英德市沙口镇洲西村三墩下村民小组于2020年2月-4月发生多处地面塌陷，塌陷坑位于耕地及山坡坡脚，未造成人员伤亡事件，主要为破坏耕地，严重影响当地人民群众生命财产安全。受当地政府委托迅速对地面塌陷地质灾害开展地灾应急抢险工作，随后组织了工程师进行综合勘查，在塌陷区投入高密度电阻率法（剖面长10.8km）、瞬态面波法（剖面长1.83km）和钻探等方法，主要大致查明区内岩溶发育及构造破碎带的分布情况，通过综合勘查分析岩溶塌陷地质灾害形成机理，大致查明潜在岩溶塌陷分布范围及发展规律，为地质灾害预防、设计及施工提供技术路线和科学依据。

1 测区地质、地球物理特征

区内地层主要由第四系覆盖层（人工填土层（Qml）素填土；冲积层（Qal+pl）粉质黏土、粉砂、含卵石粉质黏土和卵石层；残积层（Qel）粉质黏土、泥盆系棋梓桥组（D2q）泥页岩和泥盆系天子岭组（D3t）灰岩等组成。

灰岩表现为高阻、高速区，土体表现为相对较低阻、低速区，而岩溶主要表现为低阻低速特征。表1列出了场地主要介质的物性参数。

由表1可知，土层、灰岩和溶洞、土洞之间，弹性波波速和电阻率均存在较大差异，而这些物性差异是作为开展高密度电阻率法和瑞雷面波法的前提。

2 方法技术

开展工作前，选择综合典型剖面对各种物探方法进行方法有效性试验，根据试验选取适宜的装置和参数进行探测。使用高密度电阻率法进行剖面测量，在高密度电阻率法划分物探异常区的重点地段开展多道瞬态面波探测。

2.1 高密度电阻率法

高密度电法是以地层中围岩和目的物的导电性差异为物质基础，通过观测和研究人工建立的地下稳恒电流场的分布规律，以达到解决工程地质及其它地质问题的一种勘探方法[1]。高密度电阻率法就是最近几年发展起来的新的电法勘探方法，它以密度大、电极排列多、获取信息量大为特点，通过相应解释软件判读地下地质信息[2]。

本次物探数据采集采用重庆万马物探仪器有限公司研制的WDJD-4高密度电法测量系统，高密度电阻率法的电极组合排列形式多样，根据不同工作目的和工作条件选取不同的测量装置。由于本次工作目的通过获取深度较大、场地条件有一定限制，需要在有限的工作面获取较完整的、丰富的电阻率剖面，从而掌握深部岩溶发育信息，因此选取三极测深（M-N-B）装置，选择工作参数：电极间距（点距）为5m，MN系数为1，每个测点采集30层。60道集中式转换器，根据剖面长度一次敷设好所需电极。该装置相较于其他装置，该装置中始终保持测量MN极距不变，减少了体积平均效应的影响。

利用原始数据进行成图解译，其数据处理流程：（1）将原始数据从仪器导出保存至电脑存储盘；（2）剔除坏点数据、电阻率负值；（3）利用相关软件进行视电阻率拟断面图绘制[3]。

2.2 瞬态面波勘探法

面波是一种在介质表面传播的弹性波，且在层状介质中传播时具有频散特性，即不同频率的面波具有不同的传播速度，在沿介质层面传播时，衰减速度较慢，而在介质内部传播时衰减速度较快。面波传播时与土层的力学性质密切相关，其传播速度与剪切波波速基本相近，并且在随土体的泊松比的变化不大，在实际工程应用中，可以通过面波频散特性分析判断地下空间的变化。

瞬态面波法采用中地装(重庆)地质仪器有限公司的DZQ24-2A 高分辨地震仪进行探测，接收传感器使用4.5Hz检波器器。采集参数主要有：接收道数为12道，道间距为2m，采样间隔0.25ms，记录长度1024ms，通频带为全通，35磅大锤激震。

理论上无充填的土洞（或溶洞）等的其电阻率比周边土体（或基岩）电阻率高，但根据多年工作实践，由于多数土溶洞呈充填或半充填状态且地下水位较浅，充填物为低阻，并且一般溶腔周边会有低电阻物质（如钙化层或钟乳石）依附在上面。由于低阻屏蔽的影响，溶土洞一般呈现低阻特征，从波速上其以低速特征呈现；剖面中出现高阻（或高速度）岩体被低阻（或低速度）岩体错断，或高阻（或高速度）岩体中出现带状低阻（或低速度）区，则推测可能为溶洞或破碎带。

3 异常特征及解释

3.1 异常特征

岩溶在电阻率法和瞬态面波法中表现的异常主要为低阻（或低速）异常和高阻（或高速）异常两大类，在工作实际中，岩溶一般以低阻（或低速）异常特征呈现。岩溶形成与地下水有着密切联系，岩溶发展方向可分为水平和垂直两大方向，垂直方向上岩溶主要有石芽、溶沟、溶槽、岩溶漏斗、岩溶洼地、岩溶竖井、落水洞等，水平方向上主要为溶洞、岩溶地下河等。岩溶形态影响着异常形态，同时异常形态还受其上覆地层厚薄变化的影响而有所不同。

一般来说，岩溶漏斗、溶沟和溶槽等的异常特征通常为“V”或“U”字型低阻（或低速）异常，落水洞、岩溶竖井、溶蚀破碎带或溶蚀接触带一般表现为倾斜或垂直型条带状低阻（或低速）异常，而溶洞则为封闭的低阻异常，或者深部的低阻（或低速）异常或高阻（或低速）异常。同时应注意任何岩溶现象不会孤立存在，而通常是相互关联的[4]。

3.2 异常解释

在灰岩地区不良地质体发育于岩面以上可能为软弱土层（淤泥、饱和液化砂层等）或土洞，发育于岩面及以下主要为溶蚀发育（表现为溶隙、溶洞和溶槽等）。因此，划分不良地质体的性质，首要的工作是在视电阻率拟断面图（或视横波波速影像图）上勾划岩面位置。

不良地质体（软弱土层、岩溶发育带）及岩面推测主要依据以下三方面进行。如下：

（1）基岩面的确定即第四系覆盖层的厚度的确定，利用视电阻率（或视横波波速）等值线形态，结合地质钻孔资料标定对应视电阻率（或是横波波速）范围值作为推断岩面的一个统计值，从而进行剖面划分岩土分界面。如下图2所示，WT7线综合物探剖面根据视电阻率（或视横波波速）等值线形态，结合钻孔资料标定确定电阻率在100～120Ω·m和波速在500～550m/s作为岩土分界线的一个统计值。

图2 WT7线综合地质物探剖面成果图

（2）岩溶通常位于地下水位之下，被水、土等低阻体充填而表现为低阻异常特征，并且在灰岩面周围，在等值线断面图上表现为等值线特征主要呈“V”或“U”字型，或低值封闭等畸变低阻异常。根据高密度电法剖面视电阻率异常，以低阻异常特征来圈定；同样面波勘探剖面视横波波速异常，以低速异常特征来圈定。结合地质钻孔资料，推断低阻（或低速）异常为岩溶中充填软流塑状粘性土等低阻物质引起。

（3）软弱土层、土洞或流沙层位于岩面之上，由于本区地下水较浅，从而土洞位于地下水之下，被水、土等充填而表现为低阻（或低速）异常特征，且位于基岩面上附近，在视电阻率断面图上表现为等值线大幅度下凹，低电阻率等值线封闭圈等畸变异常。根据高密度电法剖面视电阻率异常，以低阻封闭异常特征来圈定；面波勘探剖面视横波波速异常，以低速异常特征来圈定。

4 应用实例

图2为WT7线综合物探剖面，剖面上分别采用高密度电阻率法和瑞雷面波法探测。剖面成果图的视电阻率（或视横波波速）等值线总体呈水平层状分布，由浅至深电阻率（或横波波速）值逐渐增大，反映出该剖面地下岩土层相对均匀密实（如图2点位70～110段），但局部区域等值线发生畸变，电阻率值（或波速值）呈陡立状减小、呈现出较大的起伏（如凹陷等），然而将这种畸变体且位于岩面以下异常，推测灰岩中发育的岩溶（溶槽或溶沟）的特征。如图2中对应点位120～130段位置的“V”型部位。

瑞雷面波法测线点号55～60m、深度在10～15m之间和点号122～128m、深度在12～20m之间出现波速等值线向下凹陷物探低速异常；其对应高密度电阻率法测线点号55～59m、深度在11～14m之间和点号120～132m、深度在11m～22m之间出现视电阻率等值线向下凹陷低阻异常，两种方法出现物探异常位置相吻合。经钻孔ZK8和WTZK2揭露验证，ZK8钻孔在12.50～14.80m见溶洞，覆盖层在12.10m；WTZK2钻孔在13.80-16.60m、17.10-18.90m见串珠状溶洞，覆盖层为12.70m，深度20.0m终孔，推测底部可能还存在多层串珠状溶洞。

5 勘探成果

采用高密度电阻率法进行剖面测量，圈定多处物探低阻异常（推测为溶蚀发育区），并对局部低阻异常或数据干扰区进行瑞雷面波法进行探测，综合物探方法相互验证或资料补充。本次根据综合物探工作成果共布设11个物探验证孔，钻孔均匀布设在物探异常上，其中见溶洞8处，构造破碎的1处。采用综合物探方法进行探测效果显著。

根据钻孔和综合物探资料，推测构造破碎带1处，划分易引起岩溶塌陷区2处。

6 结语

英德市沙口镇洲西村三墩下村民小组岩溶塌陷地灾应急勘查中，通过综合运用多种物探方法和钻探验证手段对探测区内岩溶进行勘查，探测效果显著，为地灾勘查和设计提供了指导性的基础资料。

高密度电阻率法具有数据密度大、高效经济、获取信息量大的优点，对岩溶发育位置定性勘探效果显著；瑞雷面波法在浅层工程勘查中具有高效、适应性强、分别率高、准确等优点。本次应用效果说明，在岩溶探测方法，根据现场的具体条件，在条件允许情况下，运用综合物探方法加上必要的钻孔验证，可以取得很好勘探效果，起到相互验证的作用，减少由于干扰及多解性而带来的误判，提高解释的准确度。