高密度电法在岩溶勘察中的应用
李 攀 鲁志强 孙英勋
(云南省公路规划勘察设计院 昆明 650011)
1 前言
云南是个可溶岩分布较广的省份，各种类型的岩溶地貌及岩溶现象广泛分布于山间、河谷、盆地之中。近年来，随着云南公路建设的快速发展，岩溶作为一种典型的不良地质现象，其在施工建设中的危害越来越明显地显现出来，因此，在公路工程勘察阶段，对岩溶勘察的要求也越来越高。但是，由于岩溶发育的不确定性及隐蔽性，岩溶勘察的难度非常大，仅靠钻探手段已经很难达到要求。一方面，钻孔的布设存在一定的盲目性，局部岩溶发育地段可能会被遗漏；另一方面，发现有岩溶分布的地段，也很难探明其规模、形态及分布规律。因此，非常需要一种快速、高效、经济的勘察手段，对岩溶勘察中的钻探工作进行前期指导和后期补充。
自2000年8月我院引进DUK-1型高密度电法测量系统以来，先后在嵩明～待补、昆明～石林、砚山～平远街、曲靖～胜境关四条高速公路的岩溶发育路段，采用高密度电法开展岩溶勘察工作，取得了较好的地质效果。 2 地质及地球物理特征 2.1 地质特征
可溶岩在云南主要分布于滇东、滇东南及滇东北地区，其它地区分布相对少些，其岩性基本上都是碳酸盐岩，常见的有灰岩、白云岩、白云质灰岩、泥灰岩等。其上覆地层多为红粘土，很多情况下，基岩可能直接出露或断续出露。同时，岩溶的发育通常与地质构造或地层变化有着紧密的联系，受构造带和地层接触带的影响，岩溶发育区的岩石节理裂隙一般比较密集，地层较破碎。 2.2 地球物理特征 2.2.1 电性特征
灰岩、白云岩电阻率通常比较高，一般在2000～8000Ωm之间，最高可达20000Ωm，泥灰岩电阻率相对较低，但一般也大于600Ωm。随着岩石节理裂隙发育程度、破碎程度、岩溶发育程度的增强，填充物含量的增加，电阻率呈急剧下降趋势，最低可降至100Ωm以下。这种差异，为利用电阻率法进行岩溶勘察提供了必要的物性前提。
对于无充填的溶洞，一般认为其电阻率比基岩电阻率高，但据笔者多年的工作经验，虽然空洞本身电阻率较高，但由于溶洞的形成与节理裂隙发育、地下水的活动等因素有关，加上溶洞洞壁通常存在较厚的钙华层及钟乳石等低电阻物质，因此，除非是大型、特大型溶洞，大多数空洞由于低阻屏蔽的影响，一般仍然为低阻反应。由于可溶岩本身电阻率较高，在此基础上查找出明显的高阻异常通常比较困难，因此，溶洞的上述电性特征，为电阻率法的应用提供了有利的物性前提。 2.2.2 异常特征
根据上述的电性特征分析，不难看出，岩溶最基本的异常类别有低阻异常和高阻异常两大类，其中，主要的是低阻异常。
根据岩溶形成过程中地下水的走向，岩溶分为垂直岩溶和水平岩溶两大类，垂直岩溶主要有石芽、溶沟、溶槽、岩溶洼地、岩溶漏斗、落水洞、岩溶竖井等，水平岩溶为溶洞。不同的岩溶形态，其异常形态也各自不同。同时，异常形态还受其上覆地层厚薄变化的影响，而有所不同。
公路工程地质勘察所研究的岩溶，深度一般不超过20米，桥位勘察一般也不超过30米。在此深度范围内，所遇到的岩溶现象大多数为垂直型岩溶，只有少部分是水平岩溶。而作为不良地质勘察，岩溶勘察主要的勘察对象是岩溶漏斗、落水洞、岩溶竖井和溶洞。
1
一般来说，岩溶漏斗的异常特征通常为倒三角低阻异常，落水洞和岩溶竖井一般为直立或倾斜型带状低阻异常，而溶洞则为封闭的或是深部的低阻异常或高阻异常。同时应该看到，任何岩溶现象都不会孤立存在，而通常是相互关联的，比如落水洞局部的水平溶蚀就会形成溶洞。因此，对于工作中发现的异常，不能机械地进行“一对一”的解释。 3 方法概述
我院所使用的高密度电法测量系统，其实质为高密度直流电阻率测量，一个排列最多可打60根电极。根据不同的需要，有9种不同的测量装置可供选择。讫今为止，我们试用了温纳、微分、施贝、偶极四种装置，发现温纳装置效果是最好的，其它装置受地表不均匀、旁侧干扰等因素影响较大，效果不甚理想。
温纳装置是不同深度的对称四极剖面装置，设备允许的最大隔离系数为16，点距可根据勘探深度和密度需要自由选取，我们一般选2～5米。
在野外工作中，高密度电法具有快速、高效、经济的特点，一般情况下，一个工作日可完成5～8个排列的野外测量工作，采集2500～3500个数据。
数据处理工作采用专门的软件完成，先进行突变点剔除工作，再根据需要，进行数据圆滑处理和地形改正，最后通过剖面反演，绘制出电阻率成像剖面图。 4 资料成果解释 4.1 定性解释
在电阻率成像剖面图绘制完成后，即可在剖面上圈出异常区和正常区。如上所述，我们研究岩溶，主要是研究低阻异常。所以一但发现低阻异常出现时，就应该对其加以分析、鉴别和解释，以便将非岩溶所致的低阻异常加以排除。在此过程中，必须进行认真的地质调查和研究，在有钻孔资料的情况下，应该仔细对照钻孔资料。如果发现非常明显的高阻异常，则建议钻孔揭露验证，以便确定是大型空洞还是完整基岩。
对已确定的岩溶异常，根据其形态，结合地质调查和分析，对其类别、形态和发育规律作出定性描述。
4.2 定量解释
高密度电法资料最大的缺点就是定量解释的困难，尤其对于岩溶勘察来说，更是如此。
但是，在确定的岩溶异常位置，再布置适量的常规电测深工作之后，对岩溶的埋深及发育规模进行定量～半定量解释是可行的。同样，定量解释工作也不应脱离钻孔资料、地质调查和分析而孤立进行。
同时，应该说明的是，地面电法工作，包括过去的常规电法，其定量、半定量解释，对于岩溶对象而言，通常只是一种宏观解释，而不是对具体的某个“溶洞”或“落水洞”的解释。这一点，必须在物探报告中加以明确。 4.3 异常验证
对发现的异常，建议布设钻孔进行揭露和验证，以便为整个测区的异常解释提供可借鉴的地质依据。对于已有钻孔控制的测区，勘探线应尽可能穿过钻孔位置，以便于异常的对照和解释。 5 应用实例
5.1 嵩明～待补高速公路
2000年8月～9月，我院受嵩明～待补高速公路指挥部的委托，接受了对4、5、11、12四个合同段的可溶岩路段进行大规模岩溶勘察的任务。经过实地调查之后，决定采用综合物探方法进行勘察，高密度电法作为我院新开展的方法之一，第一次应用到了岩溶勘察之中。
本次勘察将点距定为5米，最大隔离系数为10，共完成108个排列的观测工作，以下选择三个较为典型的实例加以论述。
图1所截取的是4合同段的一段电阻率成像剖面。K34+960～+980一段为凹陷地形，上覆红粘土，不知下部是否有落水洞存在，及其发育位置、形态。从高密度电阻率成像剖面图上看出，
2
K34+930～+960存在明显的直立带状低阻异常，据此推断落水洞存在，并提供了其分布位置，为工程施工提供了依据。
图1 K34+890～K35+035
图2所截取的是11合同段的一段电阻率成像剖面。实地K95+530～+565一段为凹陷地形，上覆亚粘土。本次勘察前，该路段已作过钻探工作，未发现落水洞，但并不能因此确定落水洞不存在。作过高密度电法工作之后，上述地形凹陷地段仅发现倒三角低阻异常，因此推测其下部落水洞不发育，为岩溶漏斗。与此同时，在K95+480～+500发现直立低阻异常存在，结合实地情况，推测垂直节理裂隙发育，并可能伴生小规模落水洞。上述结论为工程施工提供了必要的依据。
图2 K95+450～K95+585
3
图3 K101+010～K101+130
图3所截取的是12合同段的一段电阻率成像剖面。实地K101+050～+100一段灰岩直接出露地表，但电阻率成像剖面上，K101+050～090下部却发现明显的低阻异常存在，据此推测，其下部水平岩溶发育强烈。结合实地调查，同时推测上部应该存在地下水向下流动的通道，因此推断上部垂直岩溶发育。施工开挖结果证实，在此路段，存在多处岩溶竖井，最深的超过10米。 5.2 昆明～石林高速公路
2000年10月，在昆明～石林高速公路详勘期间，我院物探组根据各合同段地质项目负责人的要求，对需要进行物探勘察的路段开展了有针对性的物探工作，其中涉及岩溶勘察的路段较多，现选择两个典型实例给予论述。
图4 K67+430～K67+555
图4截取的是13合同段的一段电阻率成像剖面。实地在K67+460、K67+520两处有轻微塌陷现象，但无法确定其性质及规模。经过高密度电法测量，所得出的电阻率成像剖面上，分别于K67+455～+488、K67+520～+532发现两处低阻异常，总体上两者均呈直立状，且发育较深，推测为垂直岩溶（落水洞、竖井）发育地段，同时局部及深部伴随水平岩溶发育。上述结论为工程地质评价提供了必要的依据。
4
图5 K74+740～+835（上行线左10米）
图5截取的是14合同段的一段电阻率成像剖面，该剖面位于上行线左10米。该路段位于一小型洼地之中，勘察目的主要是查明洼地覆盖层以下岩溶发育状况。高密度电法测量结果，在洼地中央未发现任何异常，而在洼地边缘却发现多处异常，本剖面K74+800～+830的异常即是其中之一。该异常为缓倾斜产出，推测为垂直岩溶与水平岩溶混合发育地段。
钻探结果，在上K74+805左10米、上K74+815左6.5米发现洞径分别为1.9米和2.5米的溶洞，埋深分别为11.5米和9.5米，与异常位置基本吻合。 5.3 砚山～平远街高速公路
2001年1月，我院物探组接受了砚山～平远街高速公路岩溶勘察的任务。该条公路大多数路段都从可溶岩地区通过，岩溶勘察是勘察工作的重点之一，但由于初勘阶段已经作过常规电法工作，因此本次工作只是对岩溶发育的重点区段进行控制。
如前文所述，各类岩溶形态的发育，相互之间是有关联的，孤立的落水洞或溶洞其实是不存在的。本次勘察工作中，我们就遇到了一个非常典型的实例。
根据要求，我们对K23+300～+600路段左、中、右分别布设了三条测线，进行连续的高密度电法观测。观测结果，发现K23+440～+470一段存在明显的倾斜状产出的低阻异常，该异常在左5米的纵剖面上反应尤其明显（见图6）。通过调查发现，该路段四周落水洞较多，K23+440左10米处就有一个出露，该落水洞与剖面上所见异常产状基本一致。因此推断，异常即为该落水洞的反应。
图6 K23+410～K23+490（左5米）
为了更进一步了解该落水洞的发育规律，我们选择K23+465布设了一条横剖面，观测结果见图7所示。在该剖面上，近直立型带状异常已演变成孤立的封闭型异常。由此推断，该落水洞其实并
5
高密度电法在岩溶勘察中的应用——岩溶地球物理特征
