综合物探法在城市地下岩溶探测中的应用

王冁囡

（广东省有色金属地质局九三五队）

随着城市化进程的加速，城市地下空间的利用越来越受到重视，然而，城市地下空间的开发与利用也面临着诸多挑战，例如地下岩溶的存在。地下岩溶是指在地下岩石中形成的溶洞、裂隙、坑穴等空洞结构，是一种特殊的地质现象。在城市化进程中，地下岩溶常常会给城市建设和地下工程带来不利影响，因此对其进行调查与评价显得尤为重要。

城市地下岩溶调查需要采用科学的方法和技术手段，在进行调查前，需要对调查区域的前期勘探成果进行充分地了解。常用城市地下岩溶调查方法主要有地质勘探法与地球物理勘探法［1-10］两类。其中，地质勘探是最基础的方法，其通过钻探、露头观察、地表地质测绘等手段来获取岩溶空间分布信息，此方法优点在于直观准确，但调查精度严重依赖钻孔的数量与平面分布。地球物理勘探是根据岩溶区与附近完整岩体导电性、密度或波阻抗的差异性，通过观测各类地球物理场的分布规律，间接推测地下岩溶空间分布的探测方法，物探法无损高效，对环境影响小，且能提供测线剖面上的完整信息，但其反演问题存在多解性，探测成果受外业数据采集质量影响较大。考虑到地下隐伏岩溶分布复杂，单一调查方法难以满足精度要求，本文将瞬变电磁法、微动面波法及高密度电法用于惠州市龙门永汉片区地下岩溶调查，并在电阻率剖面低阻区以及速度剖面低速区布设钻孔验证，以期能节约城市地下岩溶调查的周期与成本，提高勘测精度，为后期城市规划和建设提供重要依据。

1 测区工程地质概况

1.1 测区岩性分布

调查区内及周边出露的地层主要以寒武系与泥盆系的砂岩、粉砂岩及石炭系灰岩为主，梅州水库附近有大量早白垩世花岗岩出露。岩石呈灰白色，中细粒花岗结构，块状构造，主要由钾长石、石英、斜长石组成，局部亦见有中粗粒花岗岩、花岗伟晶岩出露，出露面积不大；岩体与围岩多呈侵入接触，部分地段接触界线明显，区内部分地段岩体与围岩亦见有断层接触，接触面见有构造角砾岩、黄铁矿化、辉钼矿化、萤石矿化等现象。

1.2 测区构造情况

调查区内区域性断裂构造为东西向佛冈—丰良深断裂带，断层性质为压性，出露长30 km，宽20～70 m，整体走向近东西，倾向北，主要为压性。沿断裂带有一系列成群的冲断裂，倾向北、倾角较陡，发育糜棱岩化、片理岩化、角砾岩化带。永汉断裂组位于永汉镇—油田村一带，贯穿调查区域，由一系列平行断裂组成，走向25°～30°，倾向北西为主，倾角多在70°以上，以张性为主，为调查区岩溶裂隙发育提供了良好的条件，岩溶裂隙发育与断裂方向相同，主要呈北东向。

1.3 测区岩溶情况及危害

龙门永汉片区为地热水集中开采区，同时也是龙门县地热集中供水的重要规划区，根据收集134个前人的工勘孔和勘查孔资料显示，溶洞（溶沟、溶槽）分布不均匀，调查区溶洞发育标高为-115.37～14.35 m，溶洞发育埋深为13.60～148.03 m，洞高为0.2～16.05 m，少部分未充填及全充填，大部分为半充填，充填物主要为黏性土、砂及灰岩碎块。溶洞发育埋深为0～50 m 的溶洞占60.6%，发育埋深为50～100 m占18.2%，发育埋深为100～150 m 占22.2%。调查区属于地质灾害高易发区，地质灾害类型主要以地面沉降为主，周边大量抽采地热水，附近村落均发生多次地面沉降地质灾害，主要表现为当地房屋墙体开裂、房屋天花板开裂、房屋大门变形或房屋室内外地坪下沉或开裂。

2 物探方法与测线布置

龙门永汉岩溶发育区地形地质条件复杂，单一物探方法难以满足勘探精度要求，故采用高密度电法、瞬变电磁法及微动面波法相结合的综合物探方法，其中高密度电法抗干扰能力强，但勘探深度受测线长度制约，主要布设于场地相对开阔的区域。瞬变电磁法通过线圈向地下发射时间域电磁场，通过分析地下二次场的电压衰减规律追索溶洞的分布，工作时采用移动天线单点测量的方式采集数据，探测效率高，但易受金属体干扰，适用于弱电磁干扰区域的面积性探测。微动面波法采用放置于地面的检波器接收面波信号，并通过分析测线范围内频散曲线特征了解溶洞的分布规律，对场地开阔度要求较电法宽松，探测效率适中，可作为城市地下岩溶调果的首选方法。

根据前期勘探成果将测区划分为一般调查区与重点调查区两块，前者面积27 km2，后者面积3.4 km2。龙门永汉区地下岩溶调查起初设计采用瞬变电磁法探测为主，实际探测发现诸多测线位置区域邻近栏杆、铁门、电线等电磁干扰源，对瞬变电磁法数据采集质量造成较大影响，故对瞬变电磁法存在低阻异常区但无法判别异常由干扰或岩溶引起的测线均补充了微动面波探测工作，并根据测区地质测绘资料，后期存在电磁干扰的区域采用微动面波法替代，以提高物探成果解释精度。本次微动测量采用线性台阵方式，利用皮尺量距进行台阵布设，最后用RTK 将台阵各点坐标进行记录，采用5～150 Hz 三分量封装型检波器，面波法单点数据采集时长为30 min。图1为龙门永汉调查区地质平面图，可知，典型瞬变电磁法剖面位于调查区南侧，编号为S5，典型微动面波法测线位于调查区西部、南部，分别编号SW8、SW5。东部区域因场地相对开阔，布设高密度电法测线一条，长630 m，编号L11。北部区域多为山区，房至建筑物相对稀少，且受地形地貌条件制约，面波与瞬变电磁工作开展不便，调查区北部区域岩溶调查以地表地质测绘为主。

3 物探成果分析与解释

3.1 测线L11高密度电法成果

图2 为测线L11 高密度电法探测成果，可以看出，高程大于20 m 的大部分区域地下介质电阻率大于600 Ω·m，局部大于1 500 Ω·m，测线区域浅表介质电阻率较高，大于500 Ω·m。前期水文地质资料显示此区域地下水位相对较深，第四系土层含水率较低，故电阻率反而呈现高阻特性。高程小于20 m 范围内地下介质电阻率多为150～300 Ω·m，相对偏低，对应风化基岩的电性反应，在测线1 040～1 120 m、标高小于18 m 区域以及测线1 410～1 430 m、标高22～28 m 区域，均存在明显的低阻异常，电阻率低于100 Ω·m，推断异常为岩石局部破碎引起。

3.2 测线S5及SW5物探成果

图3、图4 分别为测线S5 瞬变电磁探测成果及测线SW5 微动面波法探测成果，两者测线相互重合。由图3可以看出，电阻率剖面纵向上随高程减小电阻率总体呈逐渐增大的趋势，电阻率为50～2 800 Ω·m，高程-15～17 m 区域电阻率多小于200 Ω·m，推测200 Ω·m 附近为弱风化基岩面的位置。高程小于-30 m区域电阻率多大于500 Ω·m，推测为较完整灰岩的电性反应，高阻区域范围内局部存在电阻率介于200～300 Ω·m 封闭状相对低阻区域，依以往探测经验，瞬变电磁法小规模低阻异常区并非全对应于有效地质薄弱区（如溶洞、断层），推测规模相对较大的区域为岩溶发育区（图3虚线标注）。此外，测线40～60 m、高程-5～-18 m 区域电阻率小于200 Ω·m，推测此区域发育溶洞。由图4可知，高程大于10m 区域横波波速低于500 m/s，推测为弱风化基岩面的下限，测线15～31 m、测线55～75 m 及测线255～315 m 在高程小于10 m区域局部存在速度曲线向下凹陷的低速异常带，推测为岩溶发育区。测线大于315 m 的岩面下部区域横波速度较高，大于600 m/s，结合地质测绘资料，推测此位置附近存在灰岩和砂岩的分界（图4 虚线标注）。

根据2 种物探方法成果分析，考虑到浅部溶洞对地表建筑物的影响更大，在测线60 m 位置开展了地质钻探工作，编号ZKY12，钻探成果显示第四系土层厚度约12.4 m，覆盖层底高程约10.9 m，高程-13.8～8 m 区域局部发育溶洞或部分充填、半充填溶洞，高程-52.3～-13.8 m 区域为微风化灰岩，2 种物探方法横向上均体现了溶洞异常的存在，但对比钻探成果可知，微动面波法纵向精度高于瞬变电磁法。

3.3 测线SW8微动面波法成果

图5 为测线SW8 微动面波法探测成果，与图3 类似，以横波波速500 m/s 为界绘制了第四系与下伏灰岩的分界线，基岩面以下横波波速偏低且速度等值线向下凹陷的区域推断为强溶蚀带。考虑到测线86～116 m、高程-4～-15 m 区域存在较大范围的低速异常带，其横波速度小于400 m/s，故在异常正上方布设钻孔验证，编号ZKY11。钻探成果显示第四系覆盖层底高程约11.7 m，高程-16.4～11.7 m 为全风化砂岩，高程小于-16.4 m 为强溶蚀灰岩段，在溶蚀带内，局部发育溶洞或部分充填、半充填溶洞，钻探成果与面波分析解释较吻合，再次验证了微动面波法在岩溶调查中的有效性。

以上分析成果表明，高密度电法低阻区可清晰反映岩体破碎区域的分布特征，当探测场地地下水位较深时，表部覆盖层导电性亦明显降低，有时会出现电阻率值高于下伏基岩的情况。瞬变电磁法探测成果易出现零星分布的小规模低阻异常区，横纵向具有一定宽度的低阻区域发育溶洞的可能性更大。对于瞬变电磁法局部异常解释困难的情况，可在异常位置附近布设微动面波法，通过速度剖面低速带的特征分析，两者相互佐证，可进一步提高溶洞调查的准确度。

4 结论与建议

微动面波法、瞬变电磁法及高密度电法为基础，在物探异常区辅以钻探验证的综合勘探手段可实现城市地下岩溶的高精度快速调查，物探成果较好地反映了地下百余米深度范围内灰岩完整性情况。高密度电法抗干扰能力强，采集数据稳定，异常可靠性高，但其探测深度取决于电法测线长度，适用于场地开阔地带的地下岩溶探测；瞬变电磁法横向分辨率较高，但纵向分辨率偏低，且易受电线及邻近金属体的电磁干扰影响，其成果解译相对较复杂；微动面波法抗干扰能力强，可较好地显示地下具有一定规模岩溶区的低速异常，可作为城市区百余米深度范围内地下岩溶探测首选的物探方法。