综合物探方法在句容某水厂岩溶勘察中的应用

丁肇伟　崔乐宁　陈延峻　张明栋　王谦

摘 要：江苏省句容市某水厂位于三叠系灰岩地区，地下岩溶较为发育。为保证自来水厂顶管施工安全，需查明顶管沿线地下岩溶发育情况。物探勘察工作在缺乏相关地质资料的情况下，采用综合物探方法（高密度电阻率法、主动源面波勘探及高精度微重力法），查明顶管沿线地层分布，发现了3处低阻异常，4处低速、重力低异常，经验证其中2处由无充填溶洞引起，为顶管施工提供了可靠的地球物理勘察资料。

关键词：岩溶勘察；综合物探方法；高密度电阻率法；主动源面波勘探；高精度微重力

Application of integrated geophysical method in karst exploration in Jurong area

DING Zhaowei1， CUI Lening2，3， CHEN Yanjun1， ZHANG Mingdong2，3， WANG Qian2

（1.Shanghai Municipal Engineering Design Institute （Group） Co. Ltd.， Shanghai 200082， China；

2.Geological Exploration Technology Institute of Jiangsu Province， Nanjing 210049， Jiangsu， China；

3.Jiangsu Aviation Ground Detection and Intelligent Perception Engineering Research Center， Nanjing 210049， Jiangsu， China）

Abstract： A water plant in Jurong City is located in the Triassic limestone area， where the underground karst is relatively developed. In order to ensure the safety of pipe jacking in waterworks， it is necessary to find out the development status of underground karst along the pipe jacking line. In the absence of relevant geological data in this geophysical exploration work， comprehensive geophysical exploration methods （high-density resistivity method， active source surface wave exploration and high-precision microgravity method） were adopted to roughly identify the distribution of underground strata along the pipe top. Three low-resistivity anomalies and four low-speed and low-gravity anomalies were found， two of which were later verified to be caused by unfilled karst. Reliable geophysical survey data have been obtained for pipe jacking construction.

Keywords： karst exploration; comprehensive geophysical method; high density resistivity method; active source surface wave exploration; high precision microgravity

巖溶是地表水和地下水对可溶性岩层进行化学侵蚀、崩解、搬运、沉积作用所产生的现象，地下水和水溶性岩石导致了岩溶的产生，岩溶产生的位置及形态难以确定（李文文等，2018）。一直以来，岩溶地质条件对工程项目影响较大，地下岩溶的存在给工程施工带来安全隐患（贾同福等，2011；何国全，2016）。因此在工程施工前，必须在重点区段内查明地下岩溶分布范围（余凯等，2016）。借助地球物理方法（蒋富鹏等，2013；尹兵祥等，2016），通过专业物探仪器能够确定岩溶位置，但采用单一方法存在多解性，综合方法可以相互验证，降低多解性。本次勘查工作采用高密度电阻率法、主动源面波勘探及高精度微重力法相结合的综合物探方法对未知岩溶进行相互验证，从电阻率、面波速度及密度3个方面探索并研究了该套方法流程的普适性和有效性，提高了异常区的识别和判断能力，可在较复杂的地质环境下确定未知岩溶的位置及形态，保障工程建设安全。

1  研究区概况

1.1  地质背景

镇江句容市属宁镇丘陵地区，自来水厂地块地势平坦，顶管沿线地表已回填杂填土。初勘钻孔揭示水厂内第四系粉质黏土或杂填土厚度几米到数十米，基岩为白垩系浦口组（K2 p）强风化泥质砂岩、侏罗系象山群（J1-2 x）强风化砂岩、三叠系薛家村组（T2 x）中风化灰岩。钻孔岩心可见少量灰岩夹于强风化砂岩中，推测为侏罗系象山群和下伏薛家村组灰岩的岩层接触带。

顶管沿线范围地下水无统一水位，类型主要为第四系潜水和基岩裂隙水，其中灰岩中的裂隙水会导致岩溶产生。

1.2  物性特征

研究区第四系粉质黏土、杂填土的电阻率为5～30 Ω·m；白垩系砂层、卵砾石层电阻率较第四系高，多为数十至数百欧姆米；砂岩和灰岩电阻率受含水量影响较大，砂岩电阻率多为数十至数百欧姆米；灰岩一般为数百至数万欧姆米；未充填的溶洞可视为空气，电阻率极高，在充水或泥的情况下表现为低阻，电阻率一般小于40 Ω·m。无论岩溶是否充填，总体表现出相对围岩的低波速和低密度特征。沉积岩及第四系总体无磁性。物性统计结果见表1。

2  物探方法

岩溶物探勘察方法应结合场地条件，考虑探测深度、目标尺度等因素，采取电法、地震、重力勘探等多种物探技术，有效查明岩溶发育情况。本次勘查过程中首先测试了理论和技术最成熟的高密度电阻率法，发现其效果不佳后补充了面波地震和高精度微重力法。

2.1  高密度电阻率法

高密度电阻率法是一种二维电测深与电剖面法相结合的直流电法（明前军等，2015），通过电极转换器控制大量电极的方式，在水平方向和垂直方向上采集视电阻率数值形成电阻率剖面。该方法测量二维视电阻率剖面具有精度高、数据量大、快捷自动的特点（董茂干等，2015）。高密度电阻率法对破碎含水和完整地层的区分效果好（崔玉贵等，2020）。高密度电阻率法原理见图1。

本次高密度电法采用国产GD-10高密度电法仪，共120道电极，电极距2 m，最大隔离系数30。电极距通常不大于溶洞的尺度，但过小的电极距使探测深度降低，故本次使用2 m电极距。装置采用了温纳-施伦贝尔和偶极-偶极装置，其中温纳-施伦贝尔装置信号强度较高，浅部分辨率稍高；偶极-偶极装置具有高分辨率，地质分层能力最强（罗登贵等，2014），但其信号强度低。二者的反演剖面对灰岩界面反映总体较接近，但在灰岩分布范围内均未见疑似岩溶的低阻异常。

2.2  主动源面波勘探

面波是一种传播复杂的特殊地滚波，主要分为瑞雷波和拉夫波（杨成林，1989），能量主要分布在介质表面，振幅衰减程度与离开界面深度的距离成正比（曹乐辉等，2012），传播时以波前面约为一个高度为λR（R为波长）的圆柱体向外扩散（宫胜家，2008）。面波传播的相速度与频率有关，可以通过地震剖面记录反演得到地下介质的波速剖面，进而探测异常体。面波法具有分辨率高、效率高，不受电磁干扰等优点（祁生文等，2002）。

本次主动源面波勘探采用大重量标罐来保证足够的激发能量，采用叩击铝板的方式激发，采用4 Hz主频检波器进行接收。道间距不宜大于溶洞的尺度，需结合探测深度采取适宜的大小，本次工作偏移距12 m，道间距2 m，点距为4 m，采样率0.25 ms，记录长度1 024 ms。对记录信号通过频率—波速法（f-k法）得到频率波数域二维信号，频谱分析后拾取相速度频散曲线，而后进行反演得出了横波速度剖面。见图2。

2.3  高精度微重力法

微重力测量是以不同密度地下介质引起的重力加速度差异为基础，通过研究重力加速度值的变化来探测地下介质分布情况（卢进延，2020）。由于地层压实作用，沉积岩上部地层一般较下伏地层密度小，随着岩溶和冒落现象发生，会造成围岩比陷落区内部密度大，呈现“重力低”异常（高庆余，1998）。

本次使用的Burris高精度重力仪分辨率高于1 × 10-8 m·s-2，在顶管沿线布置高精度重力剖面100 m，点距1 m，在测量剖面上分辨率较高。对于空洞、半充填类型的溶洞反应较为明显。

3  异常特征解释

3.1  高密度电法异常特征

根据电阻率反演剖面图（图3），表層电阻率较低，应为杂填土和粉质黏土的反应，图中共有3处低阻异常及1处较大范围的高阻异常。初勘钻孔显示水厂范围内砂岩和灰岩均有分布，根据电阻率反演剖面图和钻孔结果，可以认为高阻异常是灰岩引起，低阻异常是砂岩引起。DZ1低阻异常范围较大，不排除是岩溶引起的可能；DZ2及DZ3低阻异常附近基岩为强风化砂岩，推测低阻异常是由强风化破碎砂岩引起。

水文地质资料揭示研究区周边无良好的地下水通道，碎屑岩裂隙水较为贫乏。在推测的高阻灰岩范围内，若岩溶含水（泥）少则其电阻率与围岩较难区分，所以也无法排除高阻异常内是否存在岩溶。高密度电法的局限性使其无法分辨高阻异常区内的岩溶状况，故采取其他物探手段进行补充。主动源面波勘探和高精度重力法对岩溶是否充填不敏感，且假异常少，异常判断更加直观。

3.2  主动源面波勘探异常特征

主动源面波勘探对高密度电法推测的灰岩分布范围进行了测试，反演波速剖面图见图4。图中浅部波速较低，为覆盖层或强风化破碎地层的反应，而较完整灰岩的波速较高，一般认为横波速度500 m·s-1为基岩，低于500 m·s-1的为泥质、砂土及强风化岩层等。从图4中可见，横波速度等值线对于基岩界面起伏反映清晰，共反映出4处低速异常，其中DS2和DS3低速异常尤为明显。左侧低速异常DS1可能是覆盖层或地层强风化引起，经验证为强风化破碎砂岩；最右侧低速异常DS4与高密度电法反演剖面中的DZ2低阻异常位置较对应，钻孔验证为强风化砂岩破碎引起；DS1与DS4异常在灰岩与砂岩接触带附近，推测为灰岩裂隙发育所致，这2处破碎带低速异常在顶管施工过程中可能存在一定影响。DS2和DS3低速异常则分布于推测灰岩范围边界处，波速值约340 m·s-1，且低速异常被高速等值线包围，说明该异常由岩溶引起的可能性很大；这2个异常在高密度电法反演剖面中也位于推测的高阻灰岩范围中，高阻说明岩溶不含水。高密度与主动源面波勘探互相弥补，对异常进行了有效的定位。

3.3  高精度微重力异常特征

观测数据经固体潮改正、零点改正、正常场改正和布格改正后求取布格重力异常，剩余重力异常曲线见图5。

如图5所示，剩余重力曲线波动剧烈，说明地下介质密度差异明显，4处低密度异常中仅DM3异常对应波谷宽度较大，说明DM3异常范围较大，其余异常尺度均较小。微重力测量不受电磁场及工作场地大小等因素的限制，对埋深浅、探测目标微小的地质体具有较好的分辨能力，此外，微重力测量野外工作方法简单，成本低、效率高、干扰小，能够弥补其他物探方法的不足，但对异常深度反应不灵敏。

3.4  综合对比及钻探验证

从图6可以看出，高密度电法与主动源面波勘探所反映的灰岩界面较接近，但未充水无法识别溶洞。在高密度推测的灰岩分布范围中补充了主动源面波勘探，可见灰岩界面下存在明显的DS2及DS3低速异常，并且与微重力DM2和DM3低密度异常对应，可能为岩溶；灰岩界面上的DS1及DS4低速异常与DM1及DM4低密度对应，可能为强风化砂岩。低密度区与低波速区的位置重合，进一步准确印证了岩溶的位置。故对3个异常DS1（DM1）、DS2（DM2）、DS3（DM3）进行钻探验证。钻探发现DS3异常为灰岩空洞，DS2为砂岩灰岩界面处岩溶内的松散填充物，DS1为砂岩灰岩界面处的全风化砂岩。DS2部分岩心照片见图7，验证钻孔柱状图见图8。

4  结论

1）本次勘查工作采用高密度电阻率法、主动源面波勘探及高精度微重力法共3种物探方法，准确定位了顶管沿线的2处岩溶，为自来水厂工程建设提供了可靠的物探依据。

2）采用的3种综合物探方法均能反映灰岩分布及岩溶发育位置和规模，工程地质深度范围内具有适用性广、准确率高等特点，在顶管施工深度范围内具有较强的适用性。

3）综合物探方法的成果可以相互补充验证，解决了单一方法的多解性问题，提高了异常识别的准确度，可以有效解决工程勘察中遇到的地质难题。

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收稿日期：2023-03-09；修回日期：2023-07-12

第一作者简介：丁肇伟（1983- ），男，硕士，高级工程师，主要从事工程物探工作。E-mail：179998967@qq.com

引用格式：丁肇伟，崔乐宁，陈延峻，张明栋，王谦，2023.综合物探方法在句容某水厂岩溶勘察中的應用［J］.城市地质，18（4）：91-97