高密度电法在隐伏岩溶勘查中的应用分析

通过直流电法的理论，获得高密度电法直流电法的有限差分模拟原理及最小二乘法反演原理。根据建立低阻溶洞模型，利用高密度电法二维正反演模拟，获取高密度电法六种装置的电阻率响应特征。通过分析模拟的结果，可以得到：高密度电法的所有装置对隐伏岩溶都有反应，其中，三极装置由于探测位置准确，探测深度较深，探测结果的视电阻率更接近与模型的设定值，并且含有双向探测等优点，探测效果要优于温纳 α 装置、温纳 β 装置、温纳 γ 装置、偶极装置和温纳-施伦贝尔装置，所以，三极装置是探测隐伏岩溶的最佳探测方法。
第一章 绪论

1.1 选题的目的和意义

资料显示，全球岩溶地区的面积约占内陆面积的 12%，它们大部分分布在资源丰富、人口稠密的地区[1]。我国是世界喀斯特分布面积最大的国家，从热带到寒带各种喀斯特地貌齐全，岩溶区面积达到了 334 万平方公里，约占国土面积的 1/3，主要分布在云、贵、桂等西部地区。其中广西、贵州、云南、川东、鄂西、湘西、鄂北岩溶地质发育连成一片，面积达 56 万平方公里[2]。岩溶地质问题已经成为岩溶地区工程建设面临的主要地质问题[3]。岩溶大多都赋存于复杂地层当中，具有埋深不同，分布不规律等特点，传统的岩溶勘探方法是钻探取芯法，这种方法虽然比较直观，但是缺点也很明显，只能以点带面，无法准确的确定溶洞形态和分布范围，工期长，成本高，采取信息量少[4]。而物探方法作为一种简便、快速、成本小的勘察方法，已经应用在了这个领域当中，极大的减少了钻探方法的工作量和成本，同时避免了钻探方法中以点代面的缺陷。发达国家利用仪器方面的优势将各种物理方法运用到这一域。目前，使用较多的物探方法有高密度电法、地质雷达、浅层地震法以及声波电磁波孔间透视、CT 层析法等。在这众多的方法当中，高密度电法[5]因具有测量速度快、地质信息丰富、自动化程度高、成本低的优点，而被广泛应用在隐伏岩溶的探测中。本文将通过对高密度电法不同装置探测不同隐伏岩溶类型的数值模拟，来对高密度电法在岩溶地区探测隐伏岩溶的效果进行研究。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩溶研究现状

随着我国的发展，在各个行业的实际工程当中，遭遇到了许多的岩溶工程地质问题，通过大量的研究和工程实际操作的积累，对岩溶做了许多的总结，例如：2011 年，经过刘刚[6]等人研究，提出了碳酸盐岩岩溶作用的反应式，得出了一个结论：因为我国西南地区地下水流动性较强，所以岩溶反应速率大，溶蚀作用就强，故我国西南地区的岩溶发育程度比起北方地区来说要更加的强烈; 2016 年，张光武[7]等对串珠状溶洞形态进行归类分析，将其分为成片小溶洞组成的串珠状溶洞群，水平向发育的连串溶洞群，垂直分层发育的溶洞群。并认为当可溶岩与非可溶岩是间互状组合关系（可溶岩与非可溶岩相互夹杂）时，容易形成小型的溶洞群。对于水平发育的串珠状溶洞群，则认为其是当可溶岩与非可溶岩分层明显，且非可溶岩有一定的厚度，位于可溶岩之下时形成。垂直方向发育的溶洞群与很多因素有关，其中最主要的就是地壳的运动。在国外也有多名学者对岩溶进行了研究，如：Chris Grove[8]等通过对越南东北部的岩溶地貌进行分析，认为岩溶地貌发育形成是地质构造和强烈溶蚀共同作用的结果。Randall C.Omdorff[9]从岩溶作用化学成因角度，采用数值模拟的方法，提出了岩溶发育的各个时期的形态特征。Pascal Fenart[10]通过对溶腔内堆积物水动力环境分析，得出结论：溶蚀地区岩溶含水层演化是流动机制耦合作用的结果。同时总结归纳得出了岩溶演化进程的重要特征。Gabrovsck[11]用数值试验方法模拟岩溶发育的全过程，此方法在深度和长度演化的条件下适用。

第二章 岩溶地区的岩土工程地质特性

2.1 岩溶的发育条件及规律

2.1.1 岩溶形成条件

岩溶是水流对可溶性岩石产生各种作用后的产物。岩溶作用产生的内因是可溶性岩石，具有孔隙或裂隙的可溶性岩石需要在水流的作用下，才可以进行岩溶作用，所以推动岩溶作用不断进行的外因，是水的溶蚀能力和流通循环。岩溶的主要形成条件有以下四种：

（1）岩石的可溶性

一般来说，岩溶作用就是指可溶岩石在水的作用下被剥蚀或者破坏，这就需要了解岩石的可溶性。按照岩石的成分来划分可溶性岩石的话，可以分为这三类：碳酸盐类岩石、硫酸盐类岩石和卤盐类岩石[48]。在这三类可溶性岩石当中，卤盐类岩石的溶解度是最大的，硫酸盐类岩石次之，碳酸盐类岩石的溶解度最小。但是，卤盐类和硫酸盐类的岩石比起碳酸盐类岩石来说分布较少，所以在碳酸盐类岩石当中发育岩溶是当前比较常见的，而另外两类岩石相对来说就比较少了。碳酸盐类岩石的主要成分是由白云石和方解石这两类矿物组成，另含少部分的 SiO2、Al2O3 等物质。其中石灰岩成分以方解石为主，白云岩的成分以白云石为主，泥灰岩的主要成分为粘土物质和碳酸钙的混合物，所以就溶解度来说，石灰岩＞白云岩＞硅质灰岩＞泥灰岩。按照岩石的结构来说，它主要反映出来的是岩石的成因，并且与它所沉积的环境有关。而不同结构类型的碳酸盐岩又是受到不同的成因控制，从而影响到岩溶发育。

（2）岩石的透水性

岩石的透水性是由岩石的孔隙度和裂隙度来决定的。从碳酸盐岩的透水性看，裂隙度的影响要比孔隙度更大一些。纯灰岩的硬度大，节理的密度小、发育的深且长，透水功能较好，导致其可以发育出一些又大又长的洞穴。泥质灰岩的节理密度大，裂隙不发育，并且经过了长时间的溶蚀作用之后，在表面和裂隙中残留了许多粘土，堵塞了剩余的裂隙，导致其透水性较差。由于可溶性岩石的裂隙较少且没有张开贯通，所以其虽然存在孔隙度，但是透水性还是比较差。而在一般情况下，厚层可溶性岩石的隔水层较少，岩石的裂隙张开的比较大一些，所以其透水性较好。反过来说，薄层可溶性岩石的隔水层相对较多，岩石裂隙较少且封闭，所以导致其透水性较弱。在地下存在的一些断层或褶皱也会增加可溶性岩石的透水性，并且控制了岩石的发育。因为岩石在褶皱发育弯曲的过程当中，更加容易产生裂隙并使其张大，导致它的透水性增加，使得碳酸盐类岩石的岩溶更好的发育。而断裂构造带由于经常汇集了地下水和地表水，所以容易发育成地下河。除了上面几点，可溶性岩石自身的岩溶化程度也会影响到它本身的透水性。

2.2 岩溶地貌形态和工程分类

2.2.1 岩溶地貌

喀斯特（Karst）是水对可溶性岩石（碳酸盐岩、石膏、岩盐等）进行以化学溶蚀作用为主，流水的冲蚀、潜蚀和崩塌等机械作用为辅的地质作用形成的地貌[49]，又称作岩溶。其在地表主要表现为峰林、峰丛、洼地、峡谷等地貌特征，具有土壤层浅薄偏碱性、富钙镁、岩石裸露、土被不连续、土壤蓄水能力低等特点[50]。它不单参与了岩溶地区山川的变迁，地表的演化，更是洼地、漏斗、落水、竖井峡谷等岩溶形态的塑造者[51-52]。在不同的地质时代，不同时期的岩溶灾害具有不同的致灾形式。中国著名的地理学家徐霞客，在其游记中有着十分科学的描述。

2.2.2 常见的岩溶形态

在地表，常见的岩溶形态有石芽、溶沟、溶槽、漏斗、落水洞、溶蚀洼地、溶蚀盆地、干谷、盲谷、峰从、峰林和孤峰等。而在地下，常见的岩溶形态主要有以下几种[53]：

（1）溶洞：是地下水沿着可溶性岩石的层面、节理或者裂隙、落水洞和竖井下渗，在地下垂直流动带内沿着各种构造面不断向下方流动，同时扩大周围的空间，形成的大小不一、形态多样的洞穴。其中又可以分为两种，第一种是水平型溶洞，它是一种与侵蚀基准面想适应的廊道型溶洞，主要发育在饱水带之内，可以和阶地进行对比，而另一种就是垂直型溶洞，循着陡倾的石灰层面或垂直裂隙发育，常见于充气带和深饱水带之中，这一类无法与阶地进行对比；

（2）地下河：即地面以下的河流，在岩溶地区一般会发育于地下水面附近，是一个近乎于水平的洞穴系统，常年有水向相邻的地表河排泄；

（3）岩溶通道：又可以称为溶洞网，由各种大小不同的洞穴和管道联系在一起的洞穴系统；

（4）地下湖：在岩溶岩体之内，由于岩溶作用所形成的具有较大空间并能积聚地下水的湖泊。除此之外，像钟乳石、石灰华、石笋、石柱、石幔、石珊瑚和月奶石等岩溶形态也比较常见。

第三章 高密度电法的最佳装置选择 .................................................................................. 11

3.1 直流电阻率法理论 ................................................................................................... 11

3.2 高密度电法装置类型 ............................................................................................... 13

3.3 高密度电法二维正演模拟 ....................................................................................... 14

3.4 高密度电阻率法反演 ............................................................................................... 17

第四章 不同隐伏岩溶组合的电阻率响应特征 .................................................................. 26

4.1 隐伏溶槽的电阻率响应特征 ................................................................................... 26

4.2 水平相邻隐伏溶洞的电阻率响应特征 ................................................................... 29

4.3 斜相相邻低阻溶洞模型电阻率响应特征 ............................................................... 41

4.4 小结 ........................................................................................................................... 44

第五章 工程实例 .................................................................................................................. 45

5.1 工程概况 ................................................................................................................... 45

5.2 高密度电法工作概况 ............................................................................................... 46

5.3 探测结果 ................................................................................................................... 49

第五章 工程实例

5.1 工程概况

5.1.1 场地位置

本次工程拟建的尾矿厂的厂址位于矿区的西北方向，直线距离 2.5km 天然岩溶洼地中。排泥库中心点地理坐标：东经 106°15′35″，北纬 23°10′05″。

5.1.2 场地地形地貌

库区地貌属岩溶峰林～峰丛洼地、谷地地貌。峰丛山体基座大部分相连，山峰簇立，地形陡峻，基岩裸露，峰顶标高一般在 950～1100m 之间，周边峰丛洼地标高一般为794～932m，峰顶与洼地之间的相对高差 250～320m，洼地深嵌入峰丛山中，多呈封闭状，洼地面积一般较小，展布形态不规则，洼地底部一般都有第四系溶余残积土层覆盖。拟建排泥库现为一封闭岩溶峰丛洼地，洼地大致呈北西—南东向展布，长约 1460m，谷底宽 30～180m，呈不规则封闭状，该洼地四周峰丛山围绕，900m 标高以下四面环山封闭，形成天然盆地，该洼地底标高在 835～870m 之间，峰顶标高一般在 964～1040m 之间，峰顶与洼地之间的相对高差的 128～204m。区域上处于云贵高原与桂东溶原过渡的斜坡地带，系亚热带湿润季风气候区，雨量丰沛，且分布的基岩为可溶性碳酸盐岩—白云岩和灰岩，场地的岩性、构造、气候以及地下水补给迳流条件等因素均为岩溶的发育提供了有利条件，致使场地内岩溶发育，岩溶作用沿着各种构造裂隙面、节理裂隙面发育，形成以浅部垂直发育和水平岩溶管道发育的岩溶特点。洼地内现已无村庄，主要种植玉米、甘蔗等作物。交通条件较差。

第六章 结论与建议

本文通过研究高密度电法的基本理论，在了解国内外对高密度电法探测岩溶区隐伏岩溶的基础之上，通过正反演数值模拟研究和野外实际应用分析，对高密度电法在岩溶地区探测隐伏岩溶的应用效果进行了有效的探究。获得了以下的结论：

（1）通过直流电法的理论，获得高密度电法直流电法的有限差分模拟原理及最小二乘法反演原理。根据建立低阻溶洞模型，利用高密度电法二维正反演模拟，获取高密度电法六种装置的电阻率响应特征。通过分析模拟的结果，可以得到：高密度电法的所有装置对隐伏岩溶都有反应，其中，三极装置由于探测位置准确，探测深度较深，探测结果的视电阻率更接近与模型的设定值，并且含有双向探测等优点，探测效果要优于温纳 α 装置、温纳 β 装置、温纳 γ 装置、偶极装置和温纳-施伦贝尔装置，所以，三极装置是探测隐伏岩溶的最佳探测方法。

（2）根据建立多个隐伏岩溶组合的地电模型，利用高密度电法二维正反演模拟，得到三极装置对这些模型的电阻率响应特征。通过分析二维正反演模拟的结果，可以看出：高密度电法在探测隐伏岩溶的时候，异常反应明显，异常体的形态、位置和大小都与模型设置的较为准确，证明高密度电法探测隐伏岩溶的效果很好，为下文实例应用分析获得理论基础。其中，在做水平相邻高低阻溶洞模型的正演模拟时，正向测量中的低阻异常会将高阻异常切断，在两个异常距离小于 15 米时，异常切断明显；距离达到或超过 15 米时，两个异常清楚分离，高阻异常显示明显，总体呈直立镰刀形，位置准确

大小合适，与模型相符。