强干扰条件下高密度电法结合地质雷达探测溶洞分布

阮娟，岑超,2，崔健,2，曹彦荣,2，韩红庆,2

（1.江苏省有色金属华东地质勘查局， 江苏南京 210007； 2.江苏华东八一四地球物理勘查有限公司，江苏南京 210007）

溶洞是岩溶地区工程建设中一种潜在的地质灾害，它们规模不一，形状各异，溶洞易引起地面塌陷，危及建筑物、水库和矿山等的安全［1-4］。建筑施工前，利用地球物理方法探测场地内溶洞分布以采取相应措施，对保证建筑物安全具有重要意义。

探测溶洞的方法包括高密度电法、地质雷达测量、重力测量、浅层地震发射法、微动测量等［4］。已见利用高密度电法和地质雷达探测溶洞相关文献资料，孙茂锐等［2］开展了高密度电法与低频雷达天线同位置岩溶区实测分析。刘振宇等［4］在某城镇山心村地质环境调查评价工作中，应用高密度电法与地质雷达探测岩溶及土洞。阿发友［5］以贵州省关岭县永宁隧道为例，验证了高密度电法在溶洞探测中的应用效果，并利用地质雷达做了探测对比，总结了两种方法的优缺性。于清水等［6］在广西柳州地区使用高密度电法与地质雷达联合探测地下溶洞，说明了区分充气溶洞和石灰岩的方法。姚伟等［7］应用高密度电法和地质雷达在昆明长水国际机场开展岩溶勘查，采用地质雷达对高密度电法异常部位进行验证。此外还有于江龙等［1］、闭遗山［3］报道的案例等。

但上述案例均为自然地貌下的探测实例，仅见一例钻探验证。本文以某施工中的强干扰条件下建筑场地的溶洞探测工作为例，结合钻探验证成果，说明了强干扰条件下高密度电法结合地质雷达能有效探测溶洞分布。

1 工区概况

1.1 场地概况

本次工作位于正在实施场地平整的建筑工地上，场地内施工车辆较多且有卡车穿梭；地表碎石、杂土堆积，平整度仍较差，总体施工条件为强干扰、地表情况复杂。另受地形限制，场地及周边可实施物探工作的范围较小。

场地尚未开挖平整前，实施了数个间距较大的勘察钻孔，结果显示场地内岩溶发育。由于地下情况较复杂，钻孔成果无法显示地下溶洞的整体分布及联通情况。因此投入高密度电法、地质雷达物探工作，目的是查明20m以浅的溶洞分布及连通性。物探工作实施时不掌握钻孔资料，物探成果完成后，将物探推测溶洞范围与前期钻探成果进行了对比，两者基本吻合。由于物探工作是在场地平整进行到后期阶段开展的，所以钻探工作与物探工作的地表高程不同。

1.2 地质概况

根据前期勘察钻探揭露，场地内基岩为震旦系上统陡山沱组上段（Z2d2）燧石质-灰岩质角砾岩，上覆人工填土层（Q4ml）、第四系全新统坡残积层（Qdl+el）。各地层岩性特征为：

（1）人工填土（Q4ml）：为褐黄、褐灰色素填土，主要为角砾，夹少量黏性土，角砾成分为山体岩石经加工后的碎屑，局部为黏性土夹约20%～40%的岩石风化碎块，呈松散状态，局部稍密状态，堆填年限小于3年，密实度不均匀，稍湿～湿，呈松散～稍密状态，层厚0.2m～12.9m。

（2）第四系坡残积（Qdl+el）黏土：黄褐色、褐灰色，主要由粉黏粒含量约10%～30%的岩石风化碎屑组成，碎屑粒径1cm～2cm，稍湿～湿，呈可塑，局部硬塑状态，层厚0.8m～7.3m。

（3）震旦系下统陡山沱组上段（Z2d2）燧石质-灰岩质角砾岩：褐灰、深灰色，碎裂结构，角砾状构造，岩石中含角砾75%，角砾次圆状，颗粒直径数毫米至数厘米，角砾成分以灰岩为主，含约30%的燧石质角砾。局部可见囊状风化体及溶蚀裂隙、溶蚀孔洞。本次勘察主要揭露为中风化带。

受溶蚀作用影响，燧石质-灰岩质角砾岩风化带中岩溶现象发育，其主要表现形态为溶蚀沟槽、溶蚀裂隙或溶洞，溶蚀沟槽、溶蚀裂隙均被溶蚀充填物全充填。溶蚀充填物呈褐灰、褐黄色，主要为黏土夹约30%的风化岩碎屑组成，呈可塑状态，局部软塑状态。视厚度约1m～20m。

1.3 地球物理特征

物性测定结果表明，本区黄墟组（Z2h2）燧石质-灰岩质角砾岩电阻率变化范围21744Ω·m至9300Ω·m，平均电阻率15534Ω·m，为高阻地层。Q4ml、Qdl+el的电性特征为中高阻。溶洞则由于含水或可塑、软塑状态的溶蚀充填物，表现为高阻背景下的低阻异常，或高低阻梯度带。

2 探测方法

2.1 方法原理

高密度电法是以地下空间内地质体之间的电阻率差异为研究对象，按照协定的观测系统进行供电与测量，把收录到的地电数据体进行去噪、计算、分析以及表达，从而揭示出地下介质的空间分布及变化特征［8］。

高密度电法属于常规直流电法序列，其方法基本原理是利用电源经AB极向地下供一定强度的直流电，同时利用MN极（一般为不极化罐或铜棒）接收地电信息，从而研究地下介质的电阻率变化规律，并结合岩石、土层的物性差异，划分异常，圈定不同类型的地质体。如图1所示，在高密度电法施工时，根据提前设计的观测装置按照间隔一次性布设好全部电极，包括AB、MN，根据探测深度设置好层数、装置类型等关键参数，可以实现野外数据的全自动采集并计算每个记录点的电阻值，室内基于仪器采集存储的电阻率剖面，利用阻尼最小二乘等反演算法完成数据处理、反演工作，获得深度-电阻率剖面，用于地质解释。

地质雷达以快速、无损的探测方式，在工程勘察和地质灾害勘察等领域发挥着重要的作用，其方法原理是根据不同地层或目标体的电性（主要是介电常数）差异，利用发射线圈（T）发送宽频带的高频电磁波，电磁波在传播过程中，遇到电性分界面，经反射或折射后返回地面，被布设的接收天线（R）所接收，传递到雷达系统中显示、存储；利用专业软件分析雷达主机接收的反射波的波形、信号强度、双程旅时的变化，推断出地下目标体的空间特征，如位置、形态和深度等。

如图1所示，T为发射天线，R为接收天线，由天线T发射的高频电磁波在地下介质中传播遇到目标体后发生反射和折射，反射信号返回到地面被天线R记录，通过雷达主机显示得到回波曲线。

图1 高密度电法（上）及地质雷达（下）工作原理图

2.2 仪器设备及测线部置

高密度电法仪选用DUK-2A型多功能数字高密度电法仪。地质雷达采用瑞典进口的MALA型高精度地质雷达，雷达天线中心频率为40MHZ。

野外数据采集共完成高密度电法2条，点距2.5m，其中L1线测线长度115m，电极点47个；L2线测线长度125m，电极点51个。探地雷达采用连续测量的方式共完成测线2条，其中D1线与高密度电法L1线部分重复，线长65m；D2线与高密度电法L2线部分重复，线长40m。

3 溶洞探测效果

选择典型的高密度电法L1线及地质雷达D1线说明溶洞探测效果。高密度电法L1线电阻率反演剖面图显示，剖面电性结构成似层状，深部电阻率偏高，浅部电阻率偏低。根据电性异常特征，圈定2个溶洞。其中：①号溶洞，位于测线33m～105m处，其规模较大，由东向西逐渐变深，呈条带状，同时，探地雷达D1剖面也显示，该溶洞浅部有一层强反射层，推测其内部含水。②号溶洞位于测线的45m～60m处，表现为高低阻梯度带的异常，推测其内部为溶蚀充填物（图2、图3）。

图2 高密度电法L1线反演剖面及解释成果

图3 探地雷达D1线处理剖面成果

4 钻探验证情况

L1沿线共有4个钻孔，自东至西分别为ZK1、ZK2、ZK3、ZK4。四个钻孔均钻遇①号溶洞，洞内含水；ZK2深部钻遇②号溶洞，洞内主要为溶蚀充填物（图2），与物探推测结果基本一致。

5 结论

（1）强干扰条件下，高密度电法结合地质雷达，互为参考，推测了20m以浅含水溶洞和含溶蚀充填物溶洞的分布范围，与钻探结果基本一致。

（2）高密度电法结合地质雷达可较准确查明溶洞分布范围，指导后期灌浆处理等措施以确保场地安全，是值得推广的探测溶洞的物探方法组合。