陳立波，張 迪，李靈瑞，唐國彬，任琴琴

(桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

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綜合物探方法在桂林冶金廠巖溶勘查中的應(yīng)用

陳立波，張 迪，李靈瑞，唐國彬，任琴琴

(桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

為了驗證高密度電阻率法、地震映像法在巖溶勘查中的應(yīng)用效果，對比兩種方法在巖溶等不良地質(zhì)現(xiàn)象勘探中的應(yīng)用，分析總結(jié)巖溶視電阻率斷面異常特征及地震映像圖像特征。以桂林冶金廠巖溶勘察為實例，對原始資料進行了精細分析、整理和反演解釋，結(jié)合實測地質(zhì)剖面，得到了一些有意義的成果：圈定了場地內(nèi)的不良地質(zhì)現(xiàn)象；且場地巖溶較發(fā)育，其發(fā)育深度一般在10～30 m之間，主要為充填溶蝕裂隙，局部存在溶洞，為新廠區(qū)的勘察、設(shè)計和施工提供了科學(xué)的基礎(chǔ)地質(zhì)資料。最后建議對場地的物探勘查進行鉆孔加以驗證，供后續(xù)施工參考。

巖溶；高密度電法；地震映像法

1 引 言

巖溶在工程建設(shè)中是一種潛在的地質(zhì)災(zāi)害，且會危及建筑物、礦山、水庫等的安全，引起地面塌陷、環(huán)境破壞。另一方面，巖溶水是一種豐富的水資源，溶洞可以在發(fā)展儲集業(yè)、旅游業(yè)等方面發(fā)揮作用。因此，在可溶巖石(主要是碳酸巖)的分布地區(qū)進行工程建設(shè)[1]、水資源[2]、國土整治[3]、礦產(chǎn)資源[4]和環(huán)境保護的開發(fā)和利用以及旅游資源的開發(fā)[5]時，需要對巖溶進行勘查，弄清其發(fā)育情況與分布規(guī)律[6]。在進行巖溶勘查時，由于巖溶在空間上發(fā)育的不均一性與巖溶水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，單單靠傳統(tǒng)的地質(zhì)學(xué)方法很難得到滿意的結(jié)果。如果在用地質(zhì)學(xué)方法進行巖溶勘察時[7,8]，合理地應(yīng)用地球物理勘探方法探測巖溶所引起地球物理場的異?，F(xiàn)象來勘查巖溶[9-11]，就可以得到較滿意的結(jié)果，甚至能夠解決一些地質(zhì)學(xué)方法難以解決的問題[12-15]。

桂林桂冶實業(yè)有限公司新場區(qū)位于桂林市西南臨桂秧塘工業(yè)園區(qū)，毗鄰機場路和桂柳高速公路，交通極為便利。場區(qū)地形較平坦，中部區(qū)域分布有幾個小的池塘，部分區(qū)域可見基巖出露。為了避免人為干擾，確保物探采集數(shù)據(jù)的可靠性，本次物探工作是在場地平整后開展的。

2 工區(qū)地質(zhì)和地球物理概況

整個測區(qū)地表為浮土和填土，下部為基巖，從現(xiàn)場的飲用井來看，地下水位較高。因此，測區(qū)的電性特征大體上為地表土電阻率較低，基巖電阻率較高，溶洞和暗河表現(xiàn)為低阻，具有很好的電法探查前提。本次現(xiàn)場測試表明，排污管上覆土層的電阻率較低，一般小于100 Ω·m，溶洞和暗河電阻率在10～500 Ω·m，基巖的電阻率在1 000 Ω·m以上。此外，本次現(xiàn)場干擾剖面測試結(jié)果表明，覆蓋層的地震波速度約為700～800 m/s；灰?guī)r基巖速度在3 000～5 000 m/s，與基巖相比，溶洞和暗河為明顯的低速特征，因此，覆蓋層、基巖以及溶洞和暗河地震波速度有明顯的差異，可以用地震勘探的方法探測溶洞和暗河。

由于場地地表多為回填土，比較松軟，這種特殊條件在一定程度上影響了地震影像法的勘探效果。此外，對于高密度電法來說，地表表層的不均勻性影響了探測效果。

3 技術(shù)方法

目前，巖溶勘察中常用的物探方法主要有地震法、電法、微重力法、地球物理測井和射氣法等。巖溶常常沿破碎帶、斷層發(fā)育，用物探方法探測破碎帶和斷層而間接探測巖溶，可能比直接探測方法更加容易和有效。

為了了解工區(qū)地表下巖溶發(fā)育情況，探查地表下方30 m深度內(nèi)的大溶洞和地下暗河情況等不良地質(zhì)體。根據(jù)工區(qū)的地質(zhì)與地球物理特征，本次物探工作利用地震映像、高密度電阻率等物探方法進行勘探，通過對物探資料的精細分析、整理和反演解釋，從而提出對場地的物探勘查報告，供施工參考。

高密度電阻率法在觀測中設(shè)置了高密度的觀測點，以便使取得的多種參數(shù)，經(jīng)相應(yīng)程序的處理及自動反演成像后，可提供該地斷面地質(zhì)解釋圖件，并且快速、準確，提高了電阻率方法的效果和工作效率[11,13,14]。此外，在資料處理方面可以抑制隨機干擾、消除人為誤差，獨特的處理方式對外界的影響也有一定的限制，大大地提高了準確性及有效性。

地震映像法，是近年來發(fā)展較為快速的一門工程物探新技術(shù)，發(fā)展于反射波多次覆蓋技術(shù)后，其具有不需作動校正、數(shù)據(jù)處理簡單等優(yōu)點。此外，可利用多種波作為有效波來探測，也可根據(jù)探測目的要求僅僅利用一種特定的波作為有效波。除常見的繞射波、折射波、反射波外，還可利用有一定變化規(guī)律的轉(zhuǎn)換波、面波和橫波。在這種物探方法中，波形記錄在每一個測點都采用相同的偏移距進行激發(fā)、接收。在該偏移距處接收到的有效波具有比較好的信噪比及分辨率，能較好地反映出地質(zhì)體在橫向和垂向的變化規(guī)律[10,12]。在巖溶探測的大小規(guī)模方面，具備有良好的勘查效果。

4 測線布置

根據(jù)工作任務(wù)和場地條件，在測區(qū)內(nèi)共布置了8條測線，如圖1所示。

圖1 測線布置圖Fig.1 Survey line layout

測線總體以界址控制點J1、J2、J3河J4為基準進行控制，測線平行于新建秧十三路，北西向，小號測點在測線南側(cè)，大號測點在測線北側(cè)；相鄰測線間距50 m，由東向西測線編號分別為A1～A8。測線測點采用高精度手持式GPS定點，GPS公里網(wǎng)坐標校正參數(shù)如下：3度帶坐標參數(shù)-37帶，中央經(jīng)線值：111°00′00″，DX=-15，DY=-110，DZ=-53，DA=-108，DF=0.000 000 5。各測線的端點坐標詳見表1。

表1 各測線起至點坐標

測量過程中，高密度電阻率法采用適用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WDJD-2型高密度電阻率儀。相鄰電極距為5 m，每條測線都采用偶極-偶極、α等多個裝置觀測，在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的同時，進行綜合分析解釋，實際完成高密度電法剖面總長度3 000 m。

地震映像勘探采用北京水電物探研究所研制的SWS-3C型淺層地震儀，錘擊震源，38 Hz和100 Hz兩種檢波器接收，并進行對比分析，提高可靠度。根據(jù)干擾剖面的測量分析，選用偏移距為12 m，道間距2 m，采樣間隔0.1 ms，采樣長度2 048 m。實際完成地震映像剖面總長度3 008 m。

5 數(shù)據(jù)處理及綜合推斷

根據(jù)各剖面測量結(jié)果分別進行處理，包括數(shù)據(jù)文件的建立，剖面數(shù)據(jù)編輯、格式化，電極距計算，電極距調(diào)整系數(shù)計算，視參數(shù)分級等，最后繪制視電阻率等值線斷面圖。對此原始數(shù)據(jù)在Suffer8.0中成視電阻率斷面圖，初步判斷壞點的分布情況；運用RES2DINV高密度電阻率法反演軟件進行壞點剔除、選擇合理的反演參數(shù)、帶地形反演計算及繪制反演后視電阻率等值線斷面圖。根據(jù)電性特征，計算探測目標體的有關(guān)空間幾何參數(shù)。對于地震映像數(shù)據(jù)，進行了幅度補償均衡、頻率通帶濾波和小波道間相關(guān)去噪等處理步驟，以達到壓制干擾波、突出有效波的目的。最終繪制出彩色振幅圖。

本次數(shù)據(jù)處理反演運用了瑞典高密度處理軟件RES2DINV，RES2DINV軟件是一種最小二乘法計算機反演計算程序，能夠自動確定電子成象測量資料、地下二維電阻率模型。適用于二維電阻率與激發(fā)極化資料快速反演，可以用于約25～650個電極采集的大型數(shù)據(jù)，約100～5 000個數(shù)據(jù)點，進行資料反演。

從圖2中高密度電法電阻率等值線斷面圖可以看到，在該測線A1約50～70 m處，深度約10～20 m范圍內(nèi)出現(xiàn)高阻異常；而從地震映像圖也可看到在50～70 m范圍波形的同相軸凌亂，能量減弱，深部信號缺失，有明顯的錯動。根據(jù)物探異常特征，推斷在該范圍內(nèi)可能存在巖溶發(fā)育。

從圖3中高密度電法電阻率等值線斷面圖可以看到，在該測線A2約66～75 m處，深度約10～30 m范圍內(nèi)出現(xiàn)眼狀高阻異常；而地震映像剖面圖中相應(yīng)的位置也看到，地震反射波同相軸將發(fā)生錯斷，扭曲，產(chǎn)狀變化，能量突變等現(xiàn)象。根據(jù)物探異常特征進行綜合分析，推斷該區(qū)存在巖溶發(fā)育，深度范圍約15～30 m，主要表現(xiàn)為充填的溶洞、溶蝕裂隙等。

圖2 測線一物探成果Fig.2 Geophysical prospecting result map of survey line 1

圖3 測線二物探成果Fig.3 Geophysical prospecting result map of survey line 2

從圖4中高密度電法電阻率等值線斷面圖可以看到，在該測線A3約65～75 m處，深度約10～30 m范圍內(nèi)出現(xiàn)U型低阻阻異常；而地震映像剖面圖中相應(yīng)的位置也看到，地震反射波同相軸觀察到由洞頂繞射產(chǎn)生的弧狀。根據(jù)物探異常特征進行綜合分析，推斷該區(qū)存在巖溝發(fā)育；在100～120 m處，高密度電阻率圖出現(xiàn)高阻異常，而地震映像圖中，地震反射波同相軸發(fā)生錯斷，續(xù)至波有震蕩的拖尾現(xiàn)象，故推斷該區(qū)存在巖溶發(fā)育。

從圖5中高密度電法電阻率等值線斷面圖可以看到，在該測線A4約110 m和150 m處，深度約10～30 m范圍內(nèi)出現(xiàn)封閉的高阻異常；而地震映像剖面圖中相應(yīng)的位置也看到反射波信號消失或減弱，由此推斷該區(qū)存在巖溶發(fā)育。

圖4 測線三物探成果Fig.4 Geophysical prospecting result map of survey line 3

圖5 測線四物探成果Fig.5 Geophysical prospecting result map of survey line 4

6 成果分析

6.1 物探異常特征

通過對物探測量結(jié)果的分析和解譯，在測區(qū)范圍內(nèi)物探異常具有如下的特征。

高密度電法異常特征：從高密度電法視電阻率等值線斷面圖知，測區(qū)的電性特征大體上為地表土電阻率較低，基巖電阻率較高，溶洞和暗河表現(xiàn)為低阻。排污管上覆土層的電阻率較低，一般小于100 Ω·m，溶洞和暗河電阻率在10～500 Ω·m，而基巖的電阻率在1 000 Ω·m以上。

地震映像異常特征：此外，本次現(xiàn)場干擾剖面測試結(jié)果表明，覆蓋層的波速度約為700～800 m/s；而灰?guī)r基巖速度在3 000～5 000 m/s，與基巖相比，溶洞和暗河為明顯的低速特征。

6.2 地層結(jié)構(gòu)

通過分析研究，場地的地層主要分兩層，覆蓋層及基巖。

覆蓋層主要為人工填土及黏土層，覆蓋層的波速度約為700～800 m/s；而灰?guī)r基巖速度在3 000～5 000 m/s，該層厚度一般在0～10 m之間。

下伏基巖巖層縱波波速在3 000～5 000 m/s之間。該巖層節(jié)理、裂隙發(fā)育，表面溶蝕強烈，局部較破碎。該層的頂面埋深起伏較大，層內(nèi)局部淺層巖溶發(fā)育，有溶洞、巖溶裂隙存在。

6.3 不良地質(zhì)現(xiàn)象

通過探測，該場地內(nèi)的不良地質(zhì)現(xiàn)象主要為巖溶，該場地圈定了測線內(nèi)巖溶發(fā)育區(qū)，區(qū)內(nèi)主要為充填的溶蝕裂隙、溶洞等。巖溶發(fā)育深度較深，其中推斷測線A1可能存在巖溶或破碎帶的位置：50～62 m；130～144 m；340～356 m。測線A2推斷可能存在巖溶或破碎帶的位置： 66～75 m；150～180 m。測線A3推斷可能存在巖溶或破碎帶的位置：35～45 m；100～115 m；304～324 m。測線A4推斷可能存在巖溶或破碎帶的位置：190～200 m；280～310 m。測線A5推斷可能存在巖溶或破碎帶的位置：110～120 m；232～248 m；280～295 m。測線A6推斷可能存在巖溶或破碎帶的位置：46～58 m；110～122 m；225～235 m。測線A7不好判斷。測線A8推斷可能存在巖溶或破碎帶的位置：20～30 m；150～165 m。

7 結(jié) 論

通過對上述資料的精細處理和分析，得到如下結(jié)論：

1)利用高密度電法、地震映像法等綜合物探方法，有效地對場地進行勘查，圈定了場地內(nèi)的不良地質(zhì)現(xiàn)象，達到了預(yù)期目的。為新廠區(qū)的勘察、設(shè)計和施工提供了科學(xué)的基礎(chǔ)地質(zhì)資料。

2)覆蓋層主要為人工填土及黏土層，該層厚度在0～10 m。

3)場地巖溶較發(fā)育，其發(fā)育深度一般在10～30 m之間，主要為充填溶蝕裂隙，局部存在溶洞。本次物探勘探主要依據(jù)地震映像的處理結(jié)果。由于干擾因素較多，對推測結(jié)果的準確性有一定影響，建議進行鉆孔驗證。

[1]單娜琳,程志平.地震映像方法及其應(yīng)用[J].桂林工學(xué)院學(xué)報，2003，22(1):36-40.

[2]劉波,喬寶成,李海東.綜合物化探方法在哈拉河鉛鋅礦區(qū)勘查中的應(yīng)用[J].物探與化探，2014，38(2):261-267.

[3]張玉忠,莫亮臺.地震映像技術(shù)在煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].河南科技， 2013，21(21):43-43.

[4]任喜榮,趙國良,鄧輝,等.綜合物探方法在鴨子溝銅多金屬礦勘查上的應(yīng)用[J].物探與化探，2015，39(5):885-890.

[5]韓錫勤,程邈,林松.高密度電法在某防空洞勘探中的應(yīng)用[J].大地測量與地球動力學(xué)，2010，30(z1):165-166.

[6]徐宏武,胡運兵,邵雁，等.高密度直流電法在滑坡覆蓋層及滑移面的探測[J].礦業(yè)安全與環(huán)，2003，6 (S1):219-220.

[7]關(guān)云鵬,孫禹成.基于Surfer8.0的高密度電阻率法在水利水電工程災(zāi)害性評價中的應(yīng)用[J].防災(zāi)科技學(xué)院學(xué)報，2009，11(3):48-50.

[8]韓連生,范廣海,賈建軍，等.地震映像法在鐵礦隱伏空區(qū)探測中的應(yīng)用研究[J].工程地球物理學(xué)報，2012，9(4):469-472.

[9]王東,方玉滿.地震映像法在采空區(qū)勘探中的應(yīng)用[J].礦產(chǎn)勘查，2012，3(2):244-246.

[10]張玉忠,莫亮臺.地震映像技術(shù)在煤礦采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].河南科技，2013，21(21):43-43.

[11]程邈,傅焰林,李振宇.高密度電法在查明潛伏斷裂中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報，2011，8(4):417-420.

[12]張銀松,雷宛,祝杰，等.淺層地震反射波法的參數(shù)選擇及其應(yīng)用效果[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2011(4):16-18.

[13]張振利,張洪亮,車殿國，等.高密度電法在橋梁基礎(chǔ)勘測中的應(yīng)用[J].黑龍江交通科技，2010，33(12):95-96.

[14]劉振山,李娜.內(nèi)蒙古某鉛鋅礦區(qū)激發(fā)極化法找礦效果[J]物探與化探，2013，37(3):433-437.

[15]易延倫,馬海榮,王獻，等.綜合物探方法在矮拉山隧道斷層探測中的應(yīng)用[J].工程地球物理報，2015，12(6):845-848.

The Application of Comprehensive Geophysical Prospecting Methods to Karst Exploration of Metallurgical Plant in Guilin City

Chen Libo,Zhang Di,Li Lingrui,Tang Guobin,Ren Qinqin

(CollegeofEarthSciences,GuilinUniversityofTechnology,GuilinGuangxi541004,China)

In order to verify the application effect of high density resistivity and seismic imaging method in karst exploration, this paper compares the application of the two methods to the karst exploration, and analyzes the characteristics of the karst apparent resistivity section and the image features of the ground seismic image. In this paper, taking the karst investigation of Guilin metallurgical plant as an example, the original data have been accurately analyzed, sorted, inverted and interpreted. Combining with the measured geological section, some meaningful results are obtained: the bad geological phenomenon in the field is delineated; and the site of the karst is developed with the development depth between 10 and 30 meters, which is mainly filling fissures and locally karst cave. This research can provide basic scientific geological data for the survey, design and construction of the new factory. Finally, it is suggested that the geophysical exploration of the site should be verified, and the reference for future construction is provided.

karst; high density resistivity method; seismic imaging method

1672—7940(2016)02—0196—06

10.3969/j.issn.1672-7940.2016.02.011

國家自然科學(xué)基金項目(編號：41574078,41274070,41174075,41174043)；廣西自然科學(xué)基金項目(編號：2013GXNSFAA019271，2015GXNSFAA139238)

陳立波(1989-)，男，碩士研究生，主要從事地球物理勘探工作。E-mail:178877414@qq.com

P631

A

2015-11-23