层析成像岩溶塌陷探测

出处：按学科分类—天文学、地球科学 地质出版社《地质灾害勘查地球物理技术手册》第65页（4054字）

4．5．10．1 声波层析成像

京福国道主干线某段高速公路桥梁基础已完成施工，钻探资料指出桥梁基础下可能存在危及基桩安全的岩溶，且岩溶体中充填物质差异较大。一般地，岩溶洞穴与其围岩之间存在着明显的视电阻率、波速、波阻抗、密度等物性差异。地质任务是在已知钻孔剖面上进行层析成像，要求提供的岩溶溶洞顶板埋藏深度误差应小于1m。

声波测试是通过波在岩体中的传播速度来分析岩体的完整程度、岩体等级分类等。通常，完整灰岩的弹性纵波速度大于4500m／s，而溶蚀裂隙发育灰岩的弹性纵波波速介于2800～4500m／s，岩溶充填物及上覆岩层的弹性纵波速度小于2800m／s。完整灰岩与岩溶(包括充填物)、溶蚀裂隙及上覆地层之间存在明显的波速差异。以上地质地球物理条件为声波层析成像提供了有利条件。

由图4－17可见桥墩的与钻孔为层析成像工作剖面，钻孔2－1、2－2、2－3、2－4位于与钻孔之间。各钻孔深度约41m，与孔间距为31．4m，基岩埋深约30m，该剖面已有六个钻孔地质资料。

图4－17 桥墩钻孔地质资料

声波CT现场测试采用最大能量为6000J的电火花作震源，用NM－4A型超声波检测分析仪作为接收仪器，该接收仪器的声时分辨率为0．8～1．25μs，接收探头采用窄频带探头，接收探点、电火花震源的定位误差小于±5cm。在孔中激发，孔接收，接收点与激发点间距均为0．5m，最大扫描角度为25°，共接收射线1174条。

资料处理采用成都理工大学研制的地球物理层析成像软件系统(朱介寿等，1994)。

弹性波速层析成像如图4－18a所示，图中30m以上黄、灰色变为上覆松散地层与下伏灰岩的差异，可见基岩面能清晰反映出来。以下部分速度较低的黄、红区域为岩溶发育位置，其中红色区为岩溶较发育或溶洞位置。30m以上的深灰度区域为松散第四系，其下方的蓝色区为奥陶纪灰岩层，在灰岩地层中的红色区为低速的岩溶发育位置，并能反映岩溶的发育呈串珠状分布，图4－18b为由波速层析图像做出的成果解释图。参照已知6个钻孔地质资料中岩溶位置，弹性波速成像剖面有很好的对应关系。试验剖面的6个地质钻孔资料，揭示了在井间层析成像区域内有11处岩溶部位，而弹性波速层析图像所得岩溶部位除孔的1处岩溶没有反映外，其他10处均有良好的对应，其可靠度为10／11(约90%)。孔的岩溶地质钻孔显示岩溶位置位于基岩面1米多，且该处基岩倾角较大，可能造成识别的困难。弹性波速层析图像显示的岩溶位置，除钻孔2－2下方的溶洞相对地质钻孔资料浅1m外，其他岩溶位置误差均小于0．5m，其准确度为9／11(约80%)。弹性波速层析图像较好地反映了岩溶发育的方向及联通关系。如图4－18b所示，基岩界面与地质推断所得界面(绿色线条)差异较大，因基桩所致(朱介寿、刘红桂实测)。

4．5．10．2 地震波层析成像

a．声波波速层析成像

b．层析成像解释图

图4－18 桥墩测试及解释图

深圳某地高层建筑设计主楼高20层，裙楼高3层，由钻井地质资料可知，拟建场地地质结构分层是上覆为粘土层，含砾石粘性土层，其上覆盖层深度变化较大。下覆基岩为白云质大理岩，岩溶较发育，基岩埋深标高相差较大，最大高差可达13余米。井间地震层析成像的任务是：

(1)查明场地基岩面的埋深及其起伏形态。

(2)查明下伏基岩10m以内的岩溶分布范围及其溶洞顶板埋藏深度。

根据地质任务要求，拟建场地的面积约2000m²，设计15个地震层析成像钻孔组成的规则网，共形成十个成像区域，每一成像剖面井深及井间距之比约接近1。地震数据采集方法是在两孔之间的地面上激发。两孔内分别接收，再在其中一个孔内激发，另一个孔内接收。激发与接收点距均为1m。构成上下交叉式观测系统，保证射线近乎正交。数据采集使用瑞典ANEM公司生产的“MK6”24道浅层地震仪观测记录波形，采样间隔200μs。由于井间距一般不超过32m，井深不超过35m，因此采用电雷管小当量炸药激发，资料处理采用成都理工大学研究的井间地震波层析成像软件系统。

图4－19是由ZK03、ZK08、ZK13三个钻孔，构成两个成像剖面，最终成果图按一个剖面绘制。根据全区钻孔揭露的基岩界面资料，结合波速图像特征，波速等值线图的综合分析得出以下几点作为本区划分基岩界面，岩溶、裂隙的判别准则：

a．ZK03－ZK0S－ZK13波速成像剖面

b．地震层析成像解释图

图4－19 深圳鹏飞大厦波速成像图和解释图

(1)波速图像上速度值大于等于2100m／s的波速条带，且波速梯度大，等值线密集，可视为划分上覆地层与基岩界面的标志。如遇下列情况之一作适当调整。

(2)作为基岩界面标志的2100m／s的等值线上，如已有≥2100m／s的等值线封闭圈，则认为基岩面在该封闭圈上方，下方为岩溶发育区(与第四纪连通或顶板较薄)。作为划分基岩面标志的2100m／s等值线存在水平凹陷时，则认为该凹陷是基岩面被溶蚀后形成裂隙发育区。在地质解释图中基岩界面已经作过圆滑处理。

(3)当基岩面确定后，基岩面以下的低速等值线封闭圈(≤2100m／s)则认为是岩溶发育区，如波速在2100～3500m／s速度带内，当速度增加较慢，速度梯度较小时，即为同一速度区域时，可视为裂隙发育区。其它区域为完整基岩。

(4)基岩面以上的速度等值线在800m／s至1000m／s的等值线作为含砾粘土与上覆地层的分标志。

图4－19a是ZK03－ZK08－ZK13波速成像剖面，b图为a图波速剖面图的地质解释图。从a图可见ZK08钻孔附近，标高在8．4～14．4m处有一岩溶发育区，ZK03、ZK08、ZK13孔附近均有裂隙带发育。

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