綜合物探方法在探查龍門石窟敬善寺破碎裂隙的應用

趙宏欣，譚 震，張 超，魏子賀

(遼寧有色勘察研究院有限責任公司,遼寧 沈陽 110000)

1 引言

敬善寺區域位于龍門石窟[1,2]西山,始建于唐太宗時期,該區域的崖壁上,有很多小佛龕,佛龕里的造像奇特,是流傳中最初的釋迦牟尼雕像,佛教最原始的偶像崇拜。但該區域發育大量的裂隙及危巖,大量洞窟存在不同程度的坍塌、破損,同時存在洞窟滲水及坡面徑流[3]等較為嚴重的水害現象,文物本體的保存環境堪憂,需進行有效的修繕保護[4,5]。如何探測滲水路徑及裂隙發育區等[6-8]情況是修繕保護至關重要的一環。

由于文物的特殊性,傳統的觀察、掃描等方法只能對其表面損傷進行探測,而其內里的損傷才是致命的,鉆探雖能探明巖體內部不良地質發育情況,但會對文物造成不可恢復的損傷,故不太適用。地球物理勘探方法[10-12]作為一種無損檢測技術,能夠在不破壞的情況下對其內部結構進行探測,從而為后期治理及預防提供寶貴的資料。

本文中采用高密度電法[13-15]、電磁波CT探測技術[16-21],并結合鉆孔電視成像技術[22-25]對該區域進行掃描探測,通過反演解釋分析,得到了一致的結果,從而證明了物探方法在文物保護領域的有效性,對相似的工作具有借鑒意義。

2 工區概況

石窟區地貌上處于伏牛山、嵩山山前地帶,屬構造剝蝕低山丘陵地貌,龍門山和伊河河谷是區內的主要地貌單元。龍門山走向近東西,由龍門山、燠子嶺等山峰組成。該山體被伊水橫切,形成了深切峽谷,形如“門閥”,龍門因此得名,又稱伊闕,故石窟區又分東山和西山。敬善寺區域位于西山石窟區的北側,該山坡下部較陡,坡度約59°,上部坡度約45°直至山頂,第四系覆蓋層極薄,見圖1敬善寺區域全貌及地層分布圖。

圖1 敬善寺區域全貌及地層分布Fig.1 Overview and stratigraphic distribution of Jingshan temple area

良好的物性差異是開展地球物理勘探的重要前提,在進行地球物理方法工作前,首先對勘探區的物性參數進行調查,詳見表1。

從表1 中可以看出作業區的四類巖層具有較明顯的電性差異,黃土狀粉質黏土的電阻率值較低不超過200 Ω·m。白云巖破碎程度、含水情況及充填情況不同導致其電阻率值差異性較大,破碎含水白云巖電阻率值一般在100～1 500 Ω·m之間;破碎不含水白云巖電阻率值一般在2 000～5 000 Ω·m之間;完整的白云巖的電阻率相對較高一般都在10 000 Ω·m以上;泥灰巖及灰巖的電阻率相對較高一般都在10 000 Ω·m以上。結合調查及鉆孔資料可知該處洞窟分布在白云巖中,滲水主要是白云巖層破碎、裂隙等不良地質形成溶蝕通道導致的,其破碎巖體與完整巖體的電阻率值有較大的差異為本次高密度電阻率法的選用的提供了基礎。

區域洞窟滲水情況嚴重,大多數洞窟均存在不同程度的滲漏現象。其中下部分洞窟比上部分洞窟滲水嚴重,南部洞窟比北部洞窟滲水嚴重。洞窟滲水最為嚴重區域呈滴水形式,降雨后洞窟內有積水,如圖3洞窟滲水現狀所示。滲水是破壞石窟本體的一大因素,查明滲水的原因及水蝕通道是后期治理保護的前提。文中采用高密度電法、電磁波CT和井下電視掃描成像技術多種物探方法相結合的方法以期查明滲水路徑,為后期治理提供依據。

3 方法原理

3.1 電磁波CT技術

電磁波CT技術是利用無線電波(工作頻率0.5～32 MHz)在兩個鉆孔中分別發射和接收,根據不同位置上接收的場強的大小,來確定地下不同介質分布的一種地下地球物理勘查方法。

電磁波CT法涉及電磁波在地下有耗空間的輻射、傳播和接收,其正反演問題的理論基礎是電磁場理論和天線理論。式(1)為電磁波CT法中的場強觀測值公式:

(1)

從式(1)中可以看出,當電磁波通過地下介質(如各種不同的巖石、礦體及溶洞、破碎帶等 )傳播時,由于不同介質的電阻率、介電常數等存在差異,導致其對電磁波的吸收(β)存在差異,如溶洞、破碎帶等的吸收系數(βS)比其圍巖的吸收系數(β0)要大得多,因此在溶洞、破碎帶的背后的場強也就小得多,從而呈現負異常,利用這一差異推斷目標地質體的結構和形狀。

井間電磁波CT技術勘測方式有定發觀測方式和同步觀測方式。定發觀測方式是指采集數據過程中,發射裝置固定在一個位置,接收裝置按照一定步長依次移動的測量方式;同步觀測方式是指在采集數據過程中,發射裝置與接收裝置始終保持一定的距離同步移動的測量方式。井間電磁波CT技術觀測系統示意如圖2所示。

圖2 井間電磁波CT技術觀測系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of cross-hole electromagnetic wave CT technology observation system

圖3 高密度電法溫納裝置電極排列示意圖Fig.3 Schematic diagram of Wenner device electrode arrangement of high density electrical method

3.2 高密度電法

高密度電法采用溫納裝置,基本原理是:電極按供電正極—測量正極—測量負極—供電負極的布極方式,等比例排列在剖面上,獲得某一深度的視電阻率值(圖3)。根據設計要求和場地地形實際情況確定每排列一次性布設若干根電極,供電電壓288 V,供電時間100 ms,斷電時間50 ms。測量時AM=MN=NB為一個電極間距,A、B、M、N逐點同時向右移動,得到第一條剖面線(即第一層);接著AM、MN、NB增大一個電極間距,A、B、M、N逐點同時向右移動,得到另一條剖面線;這樣不斷掃描測量下去得到倒梯形斷面。

3.3 鉆孔電視成像技術

鉆孔電視技術方法是在鉆孔中采用高精度、高清晰度和高分辨率的孔內攝像頭對鉆孔的圖像進行整體和局部拍攝,觀測鉆孔內的情況。其由井下系統和地面系統組成,井下系統主要有紅光攝像頭、視頻處理電路、保溫瓶等。攝像頭在井下拍攝圖像,圖像經過 AD 轉換、壓縮編碼以及傳輸編碼等得到壓縮的視頻數據流,再通過測井電纜傳輸到地面。地面系統主要有視頻處理電路、視頻卡、PC 機、電源模塊、深度編碼器、字符疊加電路等。將井下傳輸上來的信號經過放大、解碼、解壓、制式合成、字符疊加等過程將信號恢復成井下攝像頭拍攝的模擬圖像信號,并疊加相關的字符信息,在地面可以看到疊加了相關字符信息的井下圖像。通過查看井下圖像資料生成的巖芯圖可以準確地判讀節理裂隙的位置、發育程度、是否充填、角度及連通等情況。

4 成果分析與推斷解釋

本次物探工作采用高密度電阻率法、跨孔電磁波CT法及鉆孔電視成像技術,結合前期地質調繪及鉆孔資料得知本次物探勘探范圍內均為白云巖,故對物探成果資料的分析及推斷解釋不再考慮不同地層的因素,以相應物理量的相對值來評定。

圖4 物探測線布設Fig.4 Line layout of geophysical survey

4.1 高密度電阻率法成果分析推斷解釋

由于勘探區位處于國家重點保護文物區,非必須不得產生附加損害,鉆孔ZK1至高密度測線起始端為光滑陡立面難以站立,無法安全布設測線,故高密度測線未能經過鉆孔ZK1。高密度電阻率法測線沿山體地勢水平布設,隨地形起伏垂直變化,共布設電極60個,極距1 m,完成測點60個,剖面長59 m,詳見圖4物探測線布設圖。

由于場地條件原因,高密度電阻率測線長度受到限制,勘探深度較淺,為避免地形起伏造成的影響,對成果資料加上地形校正。圖5為高密度電阻率成果剖面。從圖5中可以清晰地判讀:剖面整體視電阻率值均較大,均在1 000 Ω·m以上,剖面兩端呈相對低阻,中間部分即水平向上22～32 m區域電阻率呈相對高阻,可達80 000 Ω·m;剖面中視電阻率多呈封閉圈分布,連續性差,推斷地層橫向上不均勻,存在破碎裂隙發育區,巖體完整性差,定義為破碎裂隙發育異常區P1。在水平向9～15 m區域有一低阻區,電阻率值在1 500 Ω·m以下,且有向下延伸趨勢,推斷溶蝕通道發育,定義為溶蝕發育異常區R1。

圖5 高密度電阻率法成果剖面Fig.5 Profile of high-density resistivity method

4.2 電磁波跨孔CT成果分析推斷解釋

跨孔電磁波CT分別在孔ZK1與ZK2兩孔之間跨孔進行,采用同步測量方式,同步間距分別為0 m、1 m、2 m、3 m、5 m五種,頻率選用:4 MHz、5 MHz、6 MHz、7 MHz、8 MHz、9 MHz、10 MHz、11 MHz、12 MHz九種,發射天線為2.5 m。由于兩孔之間的距離較遠,考慮穿透性的問題,電磁波CT資料處理采用4 MHz較低工作頻率,提高穿透距離。根據以往探測工作的經驗認識,破碎帶、裂隙、泥、溶洞等巖體不良地質發育時,電磁波的損失嚴重,視吸收系數(β)較大,完整巖體視吸收系數(β)較小,這是電磁波CT法勘查的物性前提。本次勘查區域為山地,高程差較大,由于電磁波法本身的限制傾斜部分數據量不足,本次測量均取高程一致的區域。

ZK1-ZK2電磁波跨孔CT:左為ZK1孔,深度從2 m開始;右為ZK2孔,深度從5 m開始。

從圖6的ZK1-ZK2電磁波跨孔CT成果圖上可以明顯看出:吸收系數整體呈現左側上小下大,右側上大下小,在ZK1附近深度向-15～ -26 m,水平向0～25 m區域,吸收系數相對較高,均大于1 dB,推測巖體構造裂隙較發育(CT成果圖中紅色圈定,定義為P2);在ZK2附近深度向-5～-18 m,水平向13～36 m區域,吸收系數相對較高,均大于1 dB,推測巖體構造裂隙較發育(CT成果圖中紅色圈定,與圖5中高密度電阻率法推斷異常P1相吻合);其他區域吸收系數相對較低,不超過1 dB,推測巖體較完整。

4.3 鉆孔電視成像技術成果分析推斷解釋

鉆孔完成后對鉆孔進行多次洗孔,以確?？妆诟蓛?保證井下電視成像的效果。共完成2孔的測量,其中ZK1完成測量32.7 m,ZK2完成測量36 m。

從圖7的ZK1鉆孔18～22 m段井下電視成果圖可以清晰地判讀:ZK1孔壁18～22 m區域段巖體節理裂隙較發育,呈網狀交織發育成水平向,或與巖芯軸向20°～40°發育,部分呈填充狀,見鐵質侵染及溶蝕現象,推斷為破碎裂隙發育異常區,與圖6中電磁波跨孔CT法推斷異常P2相吻合。從圖8的ZK1鉆孔24～27 m段井下電視成果圖可以清晰地判讀:ZK1孔壁24.8～26.2 m區域段巖體較破碎,縱向橫向上有填充裂隙發育,充填物有鐵質侵染現象、溶蝕細孔密布,推斷該區域段存在滲流通道,定義為溶蝕發育異常區R2。

從圖9及圖10的 ZK2鉆孔5～17 m段井下電視成果圖可以清晰地判讀:ZK2孔壁5.0～17.0 m區域段巖體節理裂隙呈網狀交織發育,呈填充狀,見鐵質侵染,孔壁自身及裂隙充填物存在溶蝕孔,推斷為破碎裂隙發育異常區,與圖6中電磁波跨孔CT法推斷異常P1相吻合。從圖11的ZK2鉆孔30～34 m段井下電視成果圖可以清晰地判讀:ZK2孔壁30.0～34.0 m區域段巖體較破碎,縱橫向上有填充裂隙發育,充填物有鐵質侵染現象、溶蝕細孔密布,推斷該區域段存在滲流通道,定義為溶蝕發育異常區R3。

圖6 ZK1-ZK2電磁波跨孔CT成果Fig.6 Electromagnetic wave cross hole CT results ZK1-ZK2

圖7 ZK1鉆孔18～22 m段井下電視成果Fig.7 Downhole TV results of 18～22 m section ZK1 borehole

圖8 ZK1鉆孔24～27 m段井下電視成果Fig.8 Downhole TV results of 24～27 m section of ZK1 borehole

圖10 ZK2鉆孔11.0～17.0 m段井下電視成果Fig.10 Downhole TV results of 11.0～17.0 m section of ZK2 borehole

圖11 ZK2鉆孔30～34 m段井下電視成果Fig11 Downhole TV results of 30～34 m section of ZK2 borehole

5 結論

1)針對龍門石窟文物的特殊身份,結合巖層地球物理特性分析,選擇了高密度電阻率法、電磁波CT技術和井下電視成像技術多種物探方法,推斷解釋了破碎裂隙發育異常區2處,溶蝕發育異常區3處,查明了節理裂隙及溶蝕通道發育等情況,為后期的治理保護提供了依據。

2)三種物探方面探測結果相互印證,吻合性很好,不僅說明了探測的結果的可靠性,也證實了物探方法在探查石窟文物滲水情況的有效性。

3)每一種物探方法都有其獨立的特性,在實際問題中要結合其本身特點合理布設測線。文中利用電磁波CT法和高密度電阻率法對整體地層進行探測,推斷圈定異常發育區域取得了良好的效果,但這二種方法無法探測異常發育的具體情況,結合井下電視掃描成像技術可以清晰直觀地判讀節理裂隙的走向、連通及充填等情況,三種物探方法的綜合利用在本次勘探中取得了良好的效果,對類似項目有一定的借鑒意義。