0 引言

惠州新材料产业园位于惠东县白花镇，坐标为东经 114° 33′50″~114° 41′03″，北纬 22° 49′35″~22° 55′38″，园区初步划定面积约 30 km²。北距惠州 35 km，东距惠东县城10 km，西距深圳80 km。该产业园利用大亚湾石化基地原料延伸产业链，生产新兴材料和化工新材料，目标是打造成为国内一流的新材料科技创新中心、现代化高端新材料产业基地。根据园区地勘资料，产业园南部第四系覆盖层及石磴子组灰岩岩溶极为发育，因此，有必要对产业园区开展专项岩溶地质调查工作，为产业园工程选址规划与产业布局优化调整提供地质依据。物探目标为：根据园区不同岩土的地球物理特征差异，找出物探异常，推测断裂构造特征、推测下岩溶和隐伏土洞的分布范围、发育层位及规模特征。研究成果，可为产业园工程选址规划与产业布局优化调整提供依据。

1 研究区地质背景

研究区大地构造位于粤东北—粤中坳陷带的紫金—惠阳凹褶断束中，为莲花山断裂带西断裂束 （五华—深圳断裂束），褶皱、断裂构造较为发育。区域性线性构造以北东向为主，东西向和北西向次之。其中北东向莲花山深断裂带是本区主导构造，对本区的构造格局和地质演化起控制作用，北西向断裂构造属北东向构造的次级断裂构造（图1）

研究区岩性从老到新分别为：中—上泥盆统春湾组（D_2-3ch）岩性主要有粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩夹细粒长石石英砂岩。岩层总体倾向北西，倾角 20°~55°。上泥盆统天子岭组（D₃t），岩性主要有砂岩、粉砂岩夹页岩，灰岩，与下伏春湾组（D_2-3ch） 呈整合接触。下石炭统石磴子组（C₁sh），岩性主要为灰岩。上石炭统测水组（C₁c），岩性主要为砂岩、粉砂质泥岩。岩层总体倾向北西，局部倾向南东、南西，倾角20°~56°，与下伏石磴子组（C₁s）呈整合接触。下白垩统南山村组（K₁n）岩性主要为英安质流纹质火山碎屑岩，夹少量火山碎屑沉积岩。与下伏地层呈不整合接触。第四系（Q），岩性主要为冲洪积土层黏土、砂砾、砂层。区域侵入岩发育，其岩性主要为中-细粒黑云母花岗岩、花岗斑岩（图2）。

研究区内可溶岩主要为天子岭组（D₃t）灰岩和石磴子组（C₁s）灰岩、大理岩。产业园地表未见裸露可溶岩，均为隐伏可溶岩。岩溶区分布面积 22.82 km²，占工作区面积 25.30%。工作区溶洞主要分为两种，第一种为覆盖型溶洞，垂向结构为“第四系+ 灰岩+溶洞+灰岩”；另一种为埋藏型溶洞，垂向结构为埋藏型溶洞属“第四系+全/强风化砂页岩+溶洞+ 灰岩”结构这两种溶洞可能发生岩溶塌陷（图3）。

2 岩溶区地球物理探测方法综述与本研究特色

2.1 岩溶区地球物理探测方法介绍

岩溶区地球物理探测方法在近年来取得了显著的进步。这些进步主要体现在探测技术的精度、效率以及数据解析能力等方面。

高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，通过布置多条电极，对电极进行合理的排列组合，形成多个不同极距的观测剖面，从而获得丰富的地质信息。高密度电阻率法在岩溶区勘探中能够有效地探测隐伏岩溶、地下暗河和溶洞等地下地质体，具有较高的分辨率和探测精度（周兰等，2021；夏波等，2022）。

瞬变电磁法是一种时间域电磁感应方法，通过发送脉冲磁场并测量其感应电动势，从而探测地下地质体的电性分布和形态。瞬变电磁法在岩溶区勘探中具有对低阻地质体敏感、分辨率高等优点，能够有效地探测隐伏岩溶、地下暗河和溶洞等地下地质体。近年来发展出等值反磁通瞬变电磁法，解决了浅部探测盲区问题，取得了良好的效果（王银等，2017）。

地质雷达利用高频电磁波探测地下地质体，具有探测深度浅、分辨率高等优点。在岩溶区勘探中，地质雷达能够有效地探测岩溶裂隙、地下暗河和溶洞等地下地质体。

浅层地震法的原理是利用地震波在不同岩层中传播速度的差异，通过接收反射波、折射波和散射波等信息来推断地下结构和岩层的性质。该方法的效果取决于地震波的传播速度和地下岩层的性质。在溶洞探测中，地震勘探方法可以有效地探测溶洞的位置、大小和形态，并且能够提供较为准确的地质信息。近年来基于天然源面波发展起来的微动探测技术在岩溶区地球物理探测也取得了良好的效果（苏春雷和王丽，2021，Kamal et al， 2023）。

微重力法利用重力测量设备探测地下岩体的重力变化，进而推断地下溶洞的位置和形态。该技术可以探测到较小的溶洞，并且能够反映溶洞的分布和垂向发育情况（汪来等，2022；郑福龙等， 2023）。

然而不同的地球物理方法适用于不同的地质条件和探测目标，因此在选择地球物理方法时需要根据实际情况进行评估和选择，实际工作中使用单一的地球物理方法往往难以获得理想的效果。

采用综合物探方法可以克服单方法、单参数的多解性和局限性，通过优化组合最佳方法或手段，发挥其各自优势，并综合成果分析解释，相互佐证，从而解决地质问题，达到勘察目的。目前，针对较大埋深的隐伏岩溶区综合物探工作较少，因此，对惠州新材料产业园岩溶物探的研究可以深化对隐伏岩溶区物探工作认识，为未来综合物探方法在隐伏岩溶区应用提供有益参考。

2.2 本研究特色

本研究对比了二维、三维高密度电阻率的特点，首次发现同等电极数量和同等电极间距下三维高密度电阻率探测效果偏浅，二维高密度电阻率的效果才能完成埋深较大的溶洞探测。研究对比了二维高密度电阻率不同排列方式的探测效果，在埋藏较深的隐伏区溶洞探测中使用微分装置可以达到较好的效果。研究采用常规的多功能电法仪器准确地测量了标本的电阻率值。研究了不同供电时间对测量产生的误差大小，确定了0.5 s的供电时间能达到较好的效果。分析了高密度电阻率法的干扰源，一种铁质种植大棚对电法产生了干扰。应用35 kg落锤震源、6次覆盖方式解决了普通锤击能量不足的问题。对比了不同频率探地雷达天线的探测效果。采用了 40 MHz 中心频率的探地雷达天线，以点测方式测量，探测深度达33 m。

a—覆盖型溶洞；b—埋藏型溶洞

研究综合运用了不同的物探方法，解决了惠州新材料产业园的溶洞探测问题，总结了综合物探探测岩溶的经验与教训，能够为隐伏岩溶地区的物探工作提供有益的参考和借鉴。

3 工作方法与实验结果

3.1 工作方法

为查明地下岩溶的分布范围、岩溶发育特征，本研究在地面地质调查的基础上，采用高密度电阻率法、地质雷达、地震反射法（黄毓铭等，2017；何灿高和王杰，2020；何军等，2020；王志豪等，2020；徐联泽，2020）来完成物探工作。

本研究工作对收集的岩芯做了电阻率测试，采用重庆地质仪器厂的DZD-8型多功能直流电法仪。把需要测试的岩芯标本切割成圆柱形，量取标本的长度和直径。通过仪器在标本的两侧截面供电（图4）。供电方波长度设为 1s，供电电压约 42V。测试过程电压、电流波形稳定，衰减正常。存储记录施加在标本的电压和通过标本的电流，然后计算出标本的电阻率。完整灰岩电阻率值为 1360~4741 Ω· m，完整大理岩电阻率为 4648 Ω·m，强风化凝灰岩电阻率为89~173 Ω·m，可见研究区灰岩与地表覆盖层及凝灰岩存在明显的电阻率差异。

各岩土层电磁波速度等物性参数存在一定差异，砂岩的相对介电常数约为4，灰岩的相对介电常数为 7，凝灰岩的相对介电常数为 6，湿润土壤的相对介电常数约为10（李大心，1994）。

各岩土层弹性波速度等物性参数存在一定差异，即存在波阻抗差异。黏土的纵波速度为 1.2~2.5 km/s，砂岩的速度为 1.5~4. 0 km/s，灰岩的速度为2.5~6. 0 km/s（陈传仁和李国发，2011）。

高密度电阻率法是为满足浅部精细勘查的实际需要而研制的一种电法勘探系统。现场测量时只需将电极设置在一定间隔的测点上，测点密度远比常规电阻率法大，一般为 1～10 m。然后用多芯电缆将其连接到程控式多路电极转换开关上，电极转换开关是一种由单片机控制的电极自动换接装置，它可以根据需要自动进行电极装置形式、极距及测点的转换。测量信号用电极转换开关送入微机工程（二、三期）电测仪，并将测量结果依次存入随机存储器。将数据回放并送入微机便可用专门程序软件对原始资料进行处理。

本研究采用重庆地质仪器厂生产的 DZD-8 分布式高密度电阻率仪器。通过现场试验，试验位置见图2。对比三维高密度电阻率和二维高密度电阻率装置的勘探效果。采用 5 m 极距，横向 10 个电极，纵向 10 个电极的正方形网格，采用三极对角线观测方式，探测深度约 20 m，探测显示覆盖层厚度大于 20 m（图5）。经过试验发现，三维电阻率探测深度难以满足探测本区溶洞的要求（黄海，2020；蓝天峁和蓝俊康，2020；林士宝等，2020；阮娟等， 2022）。

a—测试标本及仪器图；b—测试电压电流曲线图；

a—三维电阻率；b—三维电阻率切片

因本区覆盖层较厚，故选择探测深度较深的微分装置（图2，图6）（边建国和薄文俊，2013；袁忠明和韦乙杰，2015；别发礼等，2018；梁志宇和张玉池， 2021）。

电法供电时间的确定：

在工作区6线通过现场试验，设定AO=75 m，供电周期0.2 s时，电位观测均方相对误差为10.61%，供电周期 0.5 s 时，电位观测均方相对误差为 1.21%。本次选择供电周期 0.5 s，电位观测均方相对误差 1.21%＜1.50%，满足 DZ/T0073—2016《电阻率剖面法技术规程》Ⅱ级精度要求。

浅层地震反射波法是利用人工激发的地震波在岩土界面上产生反射的原理，对浅层具有波阻抗差异的地层或构造进行探测的一种地震勘探方法。地震激发时，在地面沿测线接收并记录反射波所引起的地面振动情况以及波从震源出发至地面各接收点的传播时间，即进行地震数据采集和地震记录。依据地震记录可绘出反射波时距曲线，并计算出反射波在地层中的传播速度和反射界面的埋藏深度（胡宗正等，2002；李明智等，2017；陈权等， 2021）。

地震激发时，在地面沿测线接收并记录反射波所引起的地面振动情况以及波从震源出发至地面各接收点的传播时间，即进行地震数据采集和地震记录。依据地震记录可绘出反射波时距曲线，并计算出反射波在地层中的传播速度和反射界面的埋藏深度。

仪器采用重庆奔腾数控技术研究所研制的 WZG-24A地震仪、PZF-36A 24道地震仪覆盖开关，防尘、防潮、防震设计，性能稳定，坚固耐用，数据实时采集，实时显示（图4~图6），本次采用检波器为 100 Hz检波器。

地震采集的最小和最大炮检距（最佳窗口接收）选择。“最佳窗口”是指接收浅层反射波最有利的地段。最佳窗口接收是提高记录信噪比的简便有效的方法。实际工作中可根据展开排列记录上有效波和干扰波的分布情况和振幅特性确定最小和最大炮检距。最小炮检距应尽量小些，便于分析各种波速与时间的关系。但在面波干扰强时，最小炮检距应以避开面波干扰为准。最大炮检距大一些对速度分析有利，但太大会带来广角反射的畸变影响（出现相位突变，影响共深度点叠加效果）。最大炮检距应以主要反射波同相轴连续性好、易于识别为准。经验上取最大炮检距与目的层深度相近，一般在目的层深度的0.7~1.5倍选取。结合本区的条件，炸药震源难以办理，锤击震源能量又略显不足，本次采用35 kg铅锤落重震源。

地质雷达是利用高频电磁波（主频为数十兆赫至数百兆赫以至千兆赫）以宽频带短脉冲形式，由地面通过天线Tx送入地下，经地下地层或目的体反射后返回地面，为另一天线Rx所接收。当地下介质中的波速 v 为已知时，可根据测到的精确的 t 值 （ns）。求出反射体的深度（m）。针对探地雷达的探测深度采用美国GSSI公司生产的SIR-30E型仪器； 100 MHz、40 MHz天线，匀速拖行测量 400 m进行了探测试验。通过现场试验确定100 m天线探测有效范围15 m以内，见图7。结合园区钻孔资料分析，园区岩溶发育区普遍埋深大于 15 m，100 MHz 天线不适用于本区目标体深度范围探测，结合岩溶发育区埋深情况，本次选取 40 MHz低频组合天线（汤志刚等，2011；钟凌云，2013；张建锋等，2015；闭遗山， 2020；陈鸿亮和饶传友，2020；雷佳祥和徐曦，2020； Abudeif et al.，2023）。

电法干扰源，在工作区内有铝合金的种植大棚 （图8）。高密度电阻率工作做了两次试验，测线分别距离兰花种植大棚0.5 m和3 m，两次实验均发现靠近兰花基地的电法数据不可靠，表现极低的电阻率（小于10 Ω·m）。由于该段电法测量的局限性，电法数据舍弃，用地震反射方法测量。这些位置采用地震反射方法探测。

3.2 实验结果

产业园范围内完整灰岩电阻率值为1360-4741 Ω·m，完整大理岩电阻率为 4648 Ω·m，强风化凝灰岩电阻率为 89~173 Ω·m，各岩性层有电阻率差异。本研究高密度电阻率法选择二维电阻率方式，采用微分排列，供电时间不小于0.5 s。本研究地震反射法参数如下：采用 35 kg锤击震源，道间距 5 m，最小偏移距5 m，最大偏移距120 m，接收道为24道，采样间隔0.1 ms，记录长度410 ms，采用6次覆盖。数据采用叠加采样方式；观测系统：120-5-5。地质雷达参数如下：40 MHz 低频组合天线，采用点测测量方式，点距 0.2 m，采样点 1024 点，采样长度 650 ns 采集。

测线布设主要基于以下方面考虑：火山岩与灰岩的界线；研究区灰岩及第四系分布范围；断裂构造通过地带；避开建筑物、河流、鱼塘等障碍物，按直线布设；大致均匀分布于岩溶发育区。围绕可溶岩的分布范围结合现场实际情况布设测线如图9所示。其中高密度电阻率测线46条（紫色线），地质雷达测线 13 条（蓝色线），地震反射测线 15 条（绿色线）。

a—100M天线波形图；b—40M天线波形图

4 物探成果解释

4.1 高密度视电阻率断面图的溶洞特征

高密度视电阻率断面图的溶洞特征表现为高阻区里的局部低阻异常，推测高阻部分为灰岩，低阻部分为溶洞充填物，主要为水或者灰岩风化物，本区的地下水埋深为1.54~5. 00 m。

通过研究本区所有测点视电阻率垂向和水平方向变化的特征得到本区ρ_s等值线与地质体对应关系的一般规律：ρ_s的等值线低阻异常，一般情况下预示着有低阻地质体存在，岩溶（包括土洞、溶洞、溶蚀裂隙等），由于地下水溶蚀作用、充填水或流塑状物质等影响，其视电阻率（ρ_s）往往明显下降，从而形成低阻异常。ρ_s的等值线高阻异常，一般情况下预示着有高阻地质体存在，岩溶（包括土洞、溶洞等） 若为空洞，其视电阻率往往表现为高值，从而形成高阻异常；若半充填，其上部视电阻率表现高值，下部表现为低值。ρ_s曲等值线图的某条等值线代表了基岩面的变化趋势。ρ_s曲等值线图在水平方向上的电阻率变化在一定程度上不仅反映基岩面的起伏，还反映了岩溶在水平方向上的发育情况。通过原始视电阻率等值线图与反演结果综合分析推断出解释地质剖面图。

4.2 地震反射和地质雷达溶洞异常特征

在基岩面之下见双曲线状强反射异常，通常伴有绕射波异常出现；异常段相较于背景区地震波能量增强、频率降低、旅行时增长，沿横向连续出现的低频、强能量的两组或多组同相轴出现平缓的下凹，主要呈现弧形、“U”字形特征，异常边部主要表现为同相轴局部不连续或错断，异常内部地震波能量、频率变化不大、波组间隔自异常边部至异常中心逐渐增大；部分见反射同相轴错动、不连续、呈凌乱状、强能量减弱甚至消失等异常特征。

在溶洞发育地段上地质雷达资料呈双曲线形态的绕射波，反射波振幅明显增大，能量增强。雷达波频率发生变化，高频部分衰减较快，低频部分衰减较慢。雷达波形同相轴错乱，波形紊乱。本研究工作采用的是非屏蔽天线，测线附近的干扰物，如房屋、电线等造成的异常也跟溶洞产生的异常相似。在对雷达异常解译后，再到现场复核，如果存在干扰源则不做推断。

4.3 物探异常验证

本次高密度电阻率法显示的溶洞异常均为低阻异常，电法 27 线、29 线、41 线溶洞异常经钻孔 YZK7，YZK13，YZK16 揭露了低阻异常为溶洞 （图10）。

本研究中地震反射法LZ4线显示的溶洞异常及 LZ13 线显示的岩性分层界线，LZ4 线经钻孔 YZK7 揭露为溶洞，LZ13线经YZK15显示灰岩与粉土分界线深度为 17.5 m，地震反射法推断深度为 19. 0 m，与实际情况基本吻合（图11）。

本研究中地质雷达法 LD8线显示的溶洞异常，综合分析并施工钻孔 YZK6，钻孔位于测线上 196 m 的位置，岩溶堆积物为淤泥状态，钻孔附近波形图上显示了双曲线状的反射波组，反射信号强，顶埋深约 16 m，测线上约在 196~204 m 的位置，波速取 0.1 m/ns（图12）。

本研究采用高密度电阻率、地质雷达、地震反射共 3 种物探方法，初步查明研究区岩溶分布与发育特征，取得了较好的效果。其中电阻率联合剖面及高密度电阻率共解译异常点49处；地质雷达共解译异常点 22 处；地震反射共解译异常点 20 处。按异常的空间分布划分为6个岩溶发育异常带，6个异常带编号分别为：A、B、C、D、E、F（表1、图13）。

异常带 A 位于田心村，规模为 600 m×400 m，呈椭圆状，物探各种方法推测的异常总数为9个，部分异常通过 YZK06、YZK08、YZK09 三钻孔均揭露为溶洞。

异常带B位于东坑村—坟背村，规模为1 800 m× 300 m，呈北东向带状分布，物探各种方法推测的异常总数为 23 个，部分异常通过 YK7、YZK11 两钻孔揭露为溶洞。

异常带C位于排下村—西山村，规模为1 500 m× 800 m，呈三角形状，物探各种方法推测的异常总数为 15 个，部分异常通过 YZK10、YZK12 揭露灰岩及 YZK20揭露溶洞。

异常带 D 位于伯公背—王坭龙，规模为 4200 m×350 m，呈东西带状分布，物探各种方法推测的异常总数为 21 个，部分异常通过 YZK1 揭露灰岩， YZK13、YZK16、YZK17揭露溶洞。

异常带 E 位于莆田村，规模为 1500 m×500 m，呈北西向椭圆状分布，物探各种方法推测的异常总数为7个，通过YZK19揭露灰岩。

异常带F位于南龙村—林屋村，规模为2100 m× 420 m，呈东西向带状分布，物探各种方法推测的异常总数为10个，通过YZK14揭露溶洞。

通过综合物探方法发现异常85个，其中电法异常 49 个，地震异常 15 个，雷达异常 21 个；划分了岩溶异常发育区 6 个。对每种物探方法异常发育区，均施工少量钻探验证基本吻合，其物探解译成果基本可靠。

5 结论

（1）查清了研究区内的灰岩和火山岩的分界线。断裂构造分布特征以及岩溶分布状况。发现溶洞异常 85个，其中电法溶洞异常 49个，地震溶洞异常15个，雷达溶洞异常21个。划分了6个溶洞异常发育区，每个溶洞异常发育区均有钻探验证。

（2）在地质调查的基础上，采用高密度电阻率法、地震反射、地质雷达等方法，结合部分钻孔验证，查明岩溶分布特征及发育状况。本次物探工作的电法、地震、雷达相互补充，在研究区不同的干扰环境下合理选用了不同的物探方法和工作参数。采用综合物探方法，有效解决了隐伏岩溶溶洞探测问题。

（3）发现了本区农田里常见铁质种植大棚为电法干扰源；发现本区高密度电阻率供电时间宜大于 0.5 s；发现了同等电极数量和极距的三维高密度电阻率探测深度不及二维高密度探测深度；发现了微分装置在本区探测效果优于施贝装置。采用了落锤震源弥补了人工锤击地震反射震源能量不足问题。

参考文献