高密度电法与地震映像法在岩溶地灾中的综合应用

【摘要】华南地区由于雨水充沛，地下水流动活跃，灰岩区域岩溶很发育。同时华南沿海属于发达地区，人口非常密集，城市化发展迅速。改革开放前期部分建筑场地地质勘查相对缺乏。灰岩地区居民区时有岩溶塌陷等地灾的发生，给人民的生命财产带来重大损失，产生较为严重的社会影响。在岩溶地质灾害探测中，高密度电法和地震映像法是比较常用的方法，本文对两种方法分别进行了分析，采用具体案例对两种方法的综合应用进行探讨。

【关键词】岩溶地灾，高密度电法，地震映像法，溶洞，土洞

中图分类号：P315 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

我国的岩溶地分布的十分广泛，通过统计，我国的碳酸岩的分布面积十分广大，达到340万平方公里，这种地形种类众多，复杂且多变，大小形态不一，这种地形的表现形式包括溶洞、漏斗、洼地、竖井、暗河、塌陷等。岩溶地质的存在和发育过程中，造成地下水流失，地表水枯竭和地表坍塌等多种地质灾害，严重威胁了人民财产安全和地表建筑物的安全。由于在岩溶地灾治理过程中，需要在不造成二次灾害的基础上确定岩溶发育区的产状、规模及走向。因此用地球物理勘探方法进行无损探测是较为理想的选择。

高密度电法现在被广泛应用在岩溶地区的工程勘察中，这种方法，浅层分辨率较高，准确性高，设备简单。但是高密度电法受外部电源的影响也较为严重。因地震映像法可以利用多种波作为有效波来进行探测，且不受外部电源干扰，也广泛应用于岩溶地质勘察，其工作效率高，资料处理简单，可现场得到初步结果。

2 两种地质探测法的介绍

2.1 高密度电法

电法是对岩溶问题研究的有效手段，是利用岩土体的电化学特征进行探测的一种地球物理勘察方法。高密度电法是通过测试电阻率的变化来找到地层中溶蚀的发生和溶洞、土洞的所在。高密度电法的优点是探测效率高、浅部效果好、成本低、可根据不同探测需要有各种装置可供选择。

2.1.1 高密度电法的定义及特点 高密度电法的具体定义是指直流高密度电阻率法，它是通过高密度电极阵列来替代人工跑极的方法，在野外进行测量的时候，将电极放置在测点之上，布置成电极阵列，然后使用微机工程电测仪和程控电极转换开关来实现数据的自动采集，在测量结束后将结果送到微机里存储起来，再经过专业软件处理资料成图，是电法勘测智能化的体现。所以，高密度电法具有以下几个特点：①通过多种电极的有效排列测量，可以得到丰富的断面特征信息；②因为电极的布设是一次完成，可以有效地减少在电极设置中的干扰和故障发生，是野外数据测量的快速化和自动化的有效手段；③通过微机进行控制，可以提高采集数据的速度，还可以有效的避免因为手工操作而带来的误差与错误；④通过对资料的分析可以进行预处理并形成剖面曲线形态图，在对数据进行脱机处理后，可以进行自动绘制工作；⑤效率高、成本低、信息量大、解释力强，大大的提高了勘察能力。

2.1.2 高密度电法工作原理

高密度电法在本质上属于电阻率法，是在介质电性差异的基础上，通过人为的施加电压，形成电场，研究地下传导电流的分布和变化规律。高密度电法是通过测点的视电阻率得到二维地质信息，再将这些二维剖面组合成拟三维图像，是一种将电测深法和电剖面法结合起来的方法。高密度电法的数据采集系统包括主机和电极转换器电路，主机通过电极转换器来控制供电状态，向电极供电，发出工作指令，并接收存储数据。在野外观测工作过程中，将各个电极按照设计的极距进行布置，这样一次布置的电极可以供不同的观测装置使用。在资料处理解释方面，高密度电法通过计算机完成对数据的解释成图，将数据的畸变点剔除掉，地形进行校正，对数据进行平滑处理后，通过二维反演后将处理的数据绘制成需要的图[2]。

2.2 地震映像法

由于高密度电阻率法易受到外部电源的影响，并且岩溶地质灾害治理区域多为居民区，各种电线密布，因此需要用不受外部电源干扰的地球物理方法作为辅助方法进行探测。根据岩溶的弹性波动学属性和，地震映像法在岩溶区探测是高效可行的。

2.2.1 地震映像法的定义

地震映像法又称高密度地震勘探法和地震多波勘探法，是基于反射波法中的最佳偏移距技术发展起来的一种常用浅地层勘探方法。这种方法可以利用多种波作为有效波来进行探测，也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的波作为有效波。除常见的折射波、反射波、绕射波外，还可以利用有一定规律的面波、横波和转换波。在这种方法中，每一测点的波形记录都采用相同的偏移距激发和接收。在该偏移距处接收到的有效波具有较好的信噪比和分辨率，能够反映出地质体沿垂直方向和水平方向的变化。在探测岩溶的规模大小方面，具有良好的勘察效果。

2.2.2 地震映像法的工作原理

地震映像在测量过程中，每次激发，在接收点采用单个检波器接收。仪器记录后，激发点和接收点同时向前移动一定的距离（或称为点距），重复上述过程可获得测线上的一条或多条地震映像时间剖面。地震映像的记录点位于激发和接收距离的中点，反映中点两侧射线传播范围内地下的岩层、岩性的变化。

在地震映像数据采集中，最佳偏移距已不仅局限于纵波反射，而是扩展为对全波列而言。因此，地震映像外业工作的难点也在于确定最佳偏移距。为了获得具有高信噪比和分辨率的地震映像记录，需要做试验剖面，进行干扰波调查，分析各种波的传播规律，确定能够最好地反映探测目标的有效波，以及该有效波在时间域和空间域的最佳时空段。在最佳偏移距处有效波在空间距离和时间上要与其他干扰波分离，并且信号清晰。

3 高密度电法与地震映像法在岩溶地灾中的综合应用

3.1 工区概况及任务目的

某岩溶塌陷区内覆盖层为粘土和粉质粘土，下覆基岩以大理岩为主。由于区内地下水位变化，岩溶水位下降，引起农田下沉及村庄房屋出现开裂等地质灾害现象，为了查明区内岩溶分布情况，对灾害发生区域进行综合物探工作以探明覆盖层和基岩分界线、土洞及岩溶发育区位置。

3.2 高密度电法与地震映像法在本次勘察中综合应用的地球物理前提

工区地貌属丘陵区，地表起伏较大、植被发育。基岩主要为大理岩。根据电测深视电阻率（ρs）数据统计表明，勘察区内，电性差异较大，视电阻率（ρs）为从几十变化到几百Ω·m。各电性层的视电阻率（ρs）范围值大约如下：覆盖层：30~120Ω·m；相对完整基岩：＞200Ω·m；岩溶发育区：100~200Ω·m。

上述数据表明，该区具备开展电法勘探的地球物理前提，另外测区内基岩和覆盖层波阻抗差异较大，具备开展地震映像探测的地球物理前提。

3.3 高密度电法和地震映像法数据采集及异常分析

为了对应高密度电法和地震映像法在相同地质体的异常形态特点，同时确定野外施工参数。本次勘察施工前，选择了已知的土洞位置、溶洞位置、土洞和溶洞同时存在的位置进行了对比试验工作。

3.3.1采集参数

通过试验确定高密度电法采用斯伦贝谢装置，5m点距，最大极距260m，最小极距5m。地震映像法偏移距为6m，采样间隔为0.125ms，采样长度200ms，点距1m，100Hz检波器，锤击激发地震波。

3.3.2异常分析

土洞的高密度电法和地震映像法异常形态：图1为土洞位置的高密度电法视电阻率剖面图，由于土洞穴充填水或流塑状土等物质，从土洞顶板向下视电阻率ρs明显下降，ρs等值线呈舌状低阻异常。图2为相同位置地震映像时间剖面，在土洞顶板以上地震波组同相轴连续。顶板以下同相轴明显错断，并且波幅变小，在土洞位置各种波速度降低，面波振幅突然增大，形成明显下凹的同相轴。

图1土洞位置高密度电法视电阻率剖面图图2土洞位置地震映像时间剖面

溶洞的高密度电法和地震映像法异常形态：图3为溶洞位置的高密度电法视电阻率剖面图，在溶洞顶板以上视电阻率ρs相对较高，溶洞顶板以下视电阻率ρs明显下降，ρs等值线呈闭合圈状低阻异常。图4为相同位置地震映像时间剖面，在溶洞位置，由于受洞边缘影响，波形图上出现明显的绕射波。

图3溶洞位置高密度电法视电阻率剖面图图4溶洞位置地震映像时间剖面

土洞和溶洞同时存在的位置高密度电法和地震映像法异常形态：图5为在覆盖层存在土洞，在基岩中存在溶洞位置的高密度电法视电阻率剖面图。土洞顶板向下图中的视电阻率ρs明显下降，ρs等值线呈舌状低阻异常。由于土洞的影响，溶洞顶板以下视电阻率ρs虽然明显下降，但ρs等值线不再呈闭合圈状低阻异常，而表现为ρs等值线杂乱不连续。图6为相同位置地震映像时间剖面，在土洞顶板以上地震波组同相轴连续。顶板以下同相轴明显错断，并且波幅变小，在土洞位置各种波速度降低，面波振幅突然增大，形成明显下凹的同相轴。在溶洞位置，由于受洞边缘影响，波形图上在下凹的同相轴出现错断，并伴随明显的绕射波。

图5土洞和溶洞位置高密度电法视电阻率剖面图 图6土洞和溶洞位置地震映像时间剖面

3.4 结论分析

通过前期试验工作和后期探测施工，经地质钻探勘察，物探推断的溶洞、土洞位置的钻孔见溶、土洞率在90%以上。由此可见高密度电法与地震映像法综合解释的溶土洞、岩溶发育区的位置是准确的。建议对综合物探解释的溶洞、土洞进行工程处理。尤其是位于村庄里及其周边位置的溶洞、土洞必须进行填充。以防地下水位变化诱发地质灾害。

4 结束语

通过本工点的探测，值得借鉴的是在岩溶区的建筑场地，施工前可以对施工地进行高密度电法和地震映像法探测，得到场地的岩溶发育信息，并在施工之前对施工地进行各种预处理，以防地质灾害的发生，给人民生命财产最大的保障。

【参考文献】

[1] 傅良魁.应用地球物理教程一电法勘探[M].地质出版社.1991

[2] 葛如冰,黄伟义.高密度电阻率法在灰岩地区的应用研究[J].物探与化探.1999(1)

[3] 赵明.高分辨率地震反射法探测岩溶的应用效果[J].工程物探.1996（3）

[4] 杨祥森, 林 昀, 崔德海.地震映像法在铁路隧道隐伏岩溶勘查中的应用[J].2007

[5] 王治华,仇恒永,杨振涛,夏学礼.地震映像法及其应用[J].物探与化探.2008