0 引言

中国是世界上岩溶最发育的国家之一，可溶岩面积达 346×10⁴ km²，占国土面积的 1/3以上（罗小杰和沈建，2018）。岩溶在造就秀丽风景的同时，也给工程建设活动带来了许多问题，如岩溶水库渗漏、岩溶地面塌陷、岩溶地基稳定性等，因此在工程建设前期开展岩溶勘察工作，查明工程场地内岩溶发育及分布情况，对开展工程建设具有十分重要的意义（光耀华，1998；郑志龙等，2021）。当前，国内外岩溶勘察方法主要有遥感、地质测绘、物探、钻探、原位试验、室内试验等（武中华等，2019）。在诸多方法中，物探方法具有探测效率高、适用范围广、设备轻便等优点，其中高密度电法、探地雷达法、地震勘探法、瞬变电磁法等方法应用较为广泛（姚伟等， 2012；郑智杰等，2017；王志鹏等，2019；蓝天峁和蓝俊康，2020；代涛等，2021）。相较于其他方法，高密度电法具有技术成熟、抗干扰能力强、分辨率高、成本低、施工方便等优点，被广泛应用于岩溶勘察工作中（董茂干等，2015；陈亚乾等，2020；吴浩等， 2022；武志敬等，2022）。国内许多学者应用高密度电法开展了岩溶探测并取得了良好的探测效果，总结了不同装置类型下不同充填类型溶洞的地电学正反演特征（周文龙等，2016；韩鹏，2020；梁志宇和张玉池，2021；郭紫明和杨少青，2022），部分学者对三维高密度电法进行了研究，认为三维高密度电法具有更高的分辨率和探测精度（高阳等，2017；王洁，2021）。总之，高密度电法可以较为准确地探测出地下岩溶的分布范围、发育深度、规模、填充情况等岩溶发育特征，是众多物探方法中行之有效的方法之一（冯亮等，2020）。

本文以秦皇岛某施工场地岩溶勘察为例，应用高密度电法探测场地内岩溶分布及发育情况，查明岩溶及破碎带的位置、深度及连通性，为工程勘察、设计提供地球物理依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

研究区位于秦皇岛东部，北倚燕山，南临渤海，地形较平坦，起伏不大，最大高差约4 m。年平均气温 10.3℃，年平均降雨 347.7 mm，海洋性气候特征明显。冬季寒冷干燥，盛行偏西风，最低气温在-20℃以下；夏季凉爽多雨，盛行西南和东南风，气温一般在 30℃以下；全年降雨量为 680 mm，主要集中在6—8月。

1.2 地层岩性概况

研究区地处柳江盆地南部，大地构造位置属中朝准地台燕山台褶带中的次一级构造单元——山海关隆起的南缘，区域上断裂构造发育，主要为正断层与逆断层，区内未发现影响场地稳定性的活动断裂（图1）。研究区地层由上到下依次为：（1）杂填土、（2）粉质黏土、（3）含砾粉质黏土、（4）石灰岩。

（1）杂填土：褐色，主要由砖块、碎石、建筑垃圾及黏性土组成，含少量植物根系及生活垃圾，稍湿，结构松散。

（2）粉质黏土：黄褐色—灰褐色，软可塑，摇振无反应，稍有光泽，干强度中等，韧性中等，局部夹中粗砂薄层。

（3）含砾粉质黏土：红褐色—灰褐色，硬可塑，含约20%～30%的砾石，局部夹中粗砂薄层。

（4）石灰岩：灰白色，隐晶质结构，中厚层状构造，主要由碳酸盐矿物组成，局部可见方解石脉，中风化。

1.3 水文地质概况

研究区表层地下水类型为上层滞水，主要赋存于杂填土、粉质黏土、含砾粉质黏土层中，主要接受大气降水补给，水位和水量随季节性变化明显，地下水的循环受水文、气象、地形地貌、人工开采等因素控制。经实测，研究区地下水位埋深在3.7～5.7 m，地下水位年变化幅度2～4 m。

1.4 岩溶发育概况

根据研究区及周边钻孔资料，岩溶发育深度一般为 5～10 m。研究区内第四系下伏石灰岩整体结构较破碎，石灰岩经地下水长期侵蚀作用下形成空洞，溶洞、溶孔、溶蚀裂隙被含水率较高的软塑黏性土填充，属充填型岩溶。

1 —第四系；2—下侏罗统下花园组；3—三叠系；4—二叠系；5—石炭系；6—奥陶系；7—寒武系；8—新太古界花岗片麻岩

2 研究方法

2.1 物探方法选择

经电性资料分析，研究区内岩土体存在一定的电性差异。粉质黏土、含砾粉质黏土电阻率较低，一般为 80～100 Ω·m；杂填土电阻率中等，为 130～200 Ω·m；石灰岩电阻率较高，电阻率为 200～900 Ω·m；黏性土充填的溶洞电阻率则小于80 Ω·m。各岩土体之间存在明显的电性差异。综合研究区地层岩性、岩溶发育情况以及地形地貌、地表覆盖等情况，区内地表相对平坦开阔，岩溶发育深度较浅，各岩土体之间存在明显的电性差异，本研究采用高密度电法进行岩溶探测。

2.2 高密度电法原理

高密度电法是以地下不同岩土体之间的导电性差异为基础，研究人工施加的稳定电流场作用下地下介质传导电流分布规律，推断不同电阻率的地质体分布的一种地球物理方法（邓超文，2007；严加永等，2012）。在数据采集时，通过高密度电法测量系统，控制着同一条多芯电缆上布置连结的多个 （60～120）电极，自动组成多个垂向测深点或多个不同深度的探测断面，根据控制系统中选择的探测装置类型，对电极进行相应的排列组合，按照测深点位置的排列顺序或探测断面的深度顺序，逐点或逐层探测，实现供电和测量电极的自动布点、自动跑极、自动供电、自动观测、自动记录、自动计算、自动存储，经软件对采集数据进行处理，可自动生成各测深点曲线及各断面层或整体地电断面的图像。

2.3 数据采集与处理

本文高密度电法数据采集采用重庆奔腾数控技术研究所研发的 WGMD-9 型超级高密度电法系统，共布设 7 条高密度电法测线（图2），电极距（点距）2 m，工作装置采用施伦贝尔 2（SB2）剖面装置。施伦贝尔2装置是高密度电法装置中单位测量密度点较多的一种，其原理如图3所示，在测量时供电电极 A、B 和测量电极 M、N 的排列规律为：MN 固定为一个点距，AM和NB的距离随间隔系数逐次由小到大变化，数据按间隔系数由小到大的顺序分层存储，结果为倒梯形区域（荣晓伟，2022）。

高密度电法外业工作结束后，对数据进行数据转换、地形校正、二维反演等工作，最后得到视电阻率断面图，并依据断面图中视电阻率数值的相对大小、等值线的形状、变化趋势、延伸方向，对地层结构、不良地质体进行推断。数据处理过程中的参数选择对数据反演质量至关重要，本研究采用多种参数进行反演，对比不同参数的结果选择了最优的数据处理参数。

3 数据分析与解译

3.1 剖面异常分析

本研究布设的7条高密度电法剖面的反演结果均能较好地反应地层结构分布，以L4和L31剖面为例进行剖面异常分析。

（1）L4剖面

L4剖面高密度电法视电阻率等值线图如图4所示。该剖面近东西向展布，从整体视电阻率断面图看，剖面由上至下视电阻率呈现为中高阻（明黄色） —低阻（蓝绿色）—高阻（黄红色）的电性特征，大致可分为3层：

第 1 层在横向上视电阻率呈较为连续状，视电阻率数值为 10～120 Ω·m，为中高阻（明黄色）电性特征，且异常在水平分布于地表以下 1～3 m，沿测线方向异常的深度也逐渐趋于稳定，推断中高阻层应为第四系杂填土或碎石，含水率较低；

第 2 层在横向上连续性较好，在水平方向呈现明显的“条带状”，深度在地下 3～6 m 变化，视电阻率值为 10～60 Ω·m，为低阻（蓝绿色）电性特征，且由西向东深度逐渐加大，推断该低阻异常为含水率较高的含砾粉质黏土层或受溶蚀强烈、较破碎的石灰岩；

第 3层在地下深部的 6～9 m 及以下，沿测线方向由西向东深度逐渐加大，且该层位在深部呈现较为完整的高阻异常体，视电阻率数值为 200～1300 Ω·m，为高阻（黄红色）电性特征，推断深部为含水率较低的中风化石灰岩。

其中，在剖面的 28～50 号点、112～126 号点、 190～206 号点、240～276 号点、332～400 号点以及 414～418号点附近视电阻率呈现“下凹”的趋势，其电性特征表现为低阻，对解译的低阻异常进行了编号，依次为①～⑥。

（2）L31剖面

L31 剖面高密度电法视电阻率等值线图如图5 所示。该剖面近南北向展布，从整体视电阻率断面图看，剖面由“上至下”视电阻率呈现为中高阻（明黄色）—低阻（蓝绿色）—高阻（黄红色）的电性特征，大致可分为3层：

第 1 层在横向上视电阻率呈较为连续状，异常水平分布于地表以下 1～3 m，视电阻率数值为 100～120 Ω·m，为中高阻（明黄色）电性特征，沿测线方向深度逐渐减小，推断中高阻层应为杂填土。

第 2 层在横向上连续性较好，在水平方向呈现明显的“条带状”，深度在地下3～10 m，视电阻率数值为 10～60 Ω·m，为低阻（蓝绿色）电性特征，且由北向南深度逐渐加大，推断该低阻异常为含水率较高的含砾粉质黏土层。

第 3层在 10 m 以下，沿测线方向由北向南深度逐渐加大，且该层位在深部呈现较为完整的高阻异常体，视电阻率数值为 200～1300 Ω·m，为高阻（黄红色）电性特征，推断深部为含水率较低的中风化石灰岩。

其中，在剖面的 8～26 号点、40～54 号点、62～102 号点、118～150 号点和 180～204 号点附近视电阻率呈现“下凹”的趋势或“凹槽”，推断为溶洞或受溶蚀强烈、较破碎的石灰岩等岩溶异常，编号分别为⑦～⑪号异常。

3.2 钻孔验证

为验证高密度电法解译的岩溶异常，在 L31 测线 48号点、184号点处布设钻孔 ZK01、ZK02。ZK01 揭露地层：0～0.5 m 为杂填土，0.5～2.5 m 为粉质黏土，2.5～6. 0 m 为含砾粉质黏土，6. 0～8.8 m 为溶洞（对应图5 中⑧号异常），8.8～20. 0 m 为石灰岩；ZK02揭露地层：0～0.5 m为杂填土，0.5～4. 0 m 为粉质黏土，4. 0～7. 0 m 为含砾粉质黏土，7. 0～13. 0 m 为溶洞（对应图5 中⑪号异常），13. 0～20. 0 m为石灰岩。高密度电法解译异常与钻探验证结果对应良好。

3.3 综合分析与解译

根据电性特征和地质资料综合分析认为，第四系下伏石灰岩在长期地下水侵蚀作用下，导致局部破碎地段易发育为溶槽或溶洞，充填含水率较高的黏性土，呈现低阻电性特征，推测该低阻异常的电性特征为岩溶异常。根据各剖面的电性特征，综合高密度电法剖面解译成果和部分钻孔资料，研究区内共圈定出岩溶异常 22处，如图6所示。岩溶异常在全场地内均有分布，在影响深度、规模上有所不同。其中规模较大的岩溶异常分布于研究区东部，为4、9、15和22号异常。

4 结论

（1）本研究应用高密度电法在秦皇岛地区进行岩溶探测，划分了研究区的地层结构，解译了浅部的低阻异常，经钻探验证该低阻异常为岩溶的反映，证明高密度电法在地层结构划分、以及浅部低阻异常判别上效果良好。

（2）综合研究区地质资料和岩溶电性特征，认为区内第四系下伏石灰岩在长期地下水侵蚀作用下，导致局部破碎地段易发育为溶槽或溶洞，充填含水率较高的黏性土，溶洞视电阻率在石灰岩高阻界面上呈现“下凹”趋势或“凹槽”的特征，这一特征可为秦皇岛地区开展工程建设前期进行岩溶勘察提供一定的借鉴和参考。

参考文献