巖溶的地球物理調查壹般分為兩個階段。第壹階段是評估巖溶形成的基本條件和因素，繪制巖石和相關結構圖，包括研究巖溶發育層位的埋深和狀態，與巖溶發育有關的斷裂帶和斷層帶的位置，覆蓋物和地下水遷移的各種層位的組成和厚度等。使用的主要地球物理方法是電阻率法和地震折射法。第二階段是直接探測溶洞的位置、產狀和充填性質；使用的方法包括電阻率法、地質雷達、地震法、微重力法、氣體註入法、鉆孔雷達和鉆孔無線電波法。這些方法也可以用於探測其他洞穴，如舊礦井平硐。
由於巖溶發育地區的地質條件千差萬別，物探方法的使用也是因地制宜。從近年來國內外巖溶地質調查方法的應用來看，各種地球物理方法在壹定程度上都可以用於巖溶調查研究。美國等國家利用多種地球物理方法在巖溶發育地區開展實驗研究。簡述了壹些方法及其特點。
1.地震勘探法
用於巖溶調查的地面地震方法包括地震折射法和高分辨率反射法。美國研究人員在實驗研究的基礎上提出了折射波形和折射扇形放炮兩種方法。它們本質上是標準折射法在排列上的兩種變體。折射波形法保持震源與檢波器的距離不變，壹般為待勘探目標的4倍。測量時，通過信號振幅和傳播時間的變化來描繪異常。折射扇形排列法與折射波形法的區別在於，它采用多個檢波器排列成半圓形，備用檢波器與震源的距離相等。這兩種方法簡單、快速、解釋簡單、成本低。在美國佛羅裏達州三個巖溶發育區的調查結果表明，它們對探測淺幹洞相當有效，但探測深度不大。
高分辨率反射波法在巖溶勘察中也有很好的效果。可用於查明巖溶地區基巖和覆蓋層的地質條件，圈定潛在的巖溶塌陷危險區或地段。野外工作壹般采用多道接收、多次覆蓋，通過增強主頻、提高信噪比來提高分辨率和探測能力。條件適宜時應采用橫波(SH)反射法，因為橫波反射法比縱波反射法分辨率高(壹般高壹倍以上)。
鉆孔地震成像(包括鉆孔-地面和鉆孔-鉆孔測量方法)也可以有效地探測巖溶。該方法通過測量地震波和成像，可以更準確地圈定深孔和鉆孔之間的洞穴，確定洞穴內及周圍物質的物性參數和水文地質特征。
2.電法
探測巖溶最常用的電法有電阻率法、電磁法、自然電場法和地質雷達法。電阻率法作為壹種傳統的電法方法，廣泛應用於巖溶勘查中。它具有良好的垂直分辨率，適用於探測淺洞穴和深洞穴。為了提高檢測能力，經常使用許多電極排列，如Wenner和Bris-tow。使用電阻率法時，要特別註意溶洞的充填情況，如空溶洞電阻率高，充水溶洞電阻率低。
利用自然電場法探測滲漏帶，確定地下水的流速和方向以及地下水與地表水的關系。該方法對查明巖溶發育區地下水系統的分布規律有較好的效果。
地質雷達作為壹種較新的探測技術，近年來在巖溶地質調查中取得了良好的效果。美國和壹些歐洲國家已經把它作為巖溶勘探的壹種必要的常規手段。這種方法適用於低電導率覆蓋區，可以非常準確地確定地下溶洞的埋深和大小，而且分辨率高，可以直接探測到極其微小的巖溶特征(其大小甚至小到十分之幾米，當然這取決於其埋深)。這種方法的局限性在於受表面導電層影響較大，導電層的存在會大大降低其探測深度。因此，探地雷達適用於探測淺層巖溶，探測深度壹般為6 ~ 9 m，在非常幹燥的砂土覆蓋區可達30m。
3.重力法
重力測量廣泛應用於溶洞探測，尤其是微重力測量。西方國家的壹些研究人員把微重力測量作為巖溶發育地區普查和詳查的主要方法之壹。實際野外調查中的調查網的布置取決於所研究的洞穴的特征，以便能夠清楚地區分所探測的物體。無論溶洞是空的還是有物質充填的，重力法探測到的溶洞密度壹般都低於圍巖密度，因此重力剖面上溶洞的位置對應重力負異常。重力測量的缺點是幹擾因素多，如地形起伏、近地表物質不均勻等。所以重力測量最好用在地勢平坦的地方。
4.氣體測量
經驗表明，巖溶發育區對應線性帶狀輻射場。該場反映了斷裂帶和地球動力學帶的存在，這些構造活動帶導致了巖溶的發育。在這樣的地段劃分壹個低值帶和壹個局部最小值，是巖溶發育最有利的部位，可能對應溶洞。
莫斯科地質勘查院利用航測在莫斯科、卡盧加等地區進行了大範圍的巖溶區劃，取得了良好的效果。射氣測量中的低濃度異常與巖溶發育特征相對應。雖然其機理尚不完全清楚，但實際觀測結果反映了兩者之間的相關性，可用於有效查明巖溶特征的分布。
(2)地球物理方法在巖溶洞穴調查中的應用。
1.巖溶地面沈降的評價與監測
巖溶地區溶洞的發育是地面沈降的直接原因。為了有效地評價可能發生的地面沈降，有必要查明巖溶洞穴的發育規律和分布特征。
美國北卡羅來納州威爾明頓西南17km處有壹條鐵路幹線經過。這條鐵路幹線沿線經常發生地面沈降和塌陷。該區地質剖面自上而下分為砂層、粉質粘土巖、薄砂巖和灰巖(圖5-16)。地面沈降和塌陷的直接原因是地下極小直徑(小於1m)巖溶管道的發育。巖溶管道起源於石灰巖中的小洞穴，然後逐漸擴散到上覆的粉質粘土層和砂層，直至地表(圖5-16)。這種巖溶管道雖然在地下直徑很小，但壹旦地面塌陷，其範圍可達6 ~ 15m(直徑)。為了研究和查明該地區巖溶管道的發育特征，研究人員最初在鐵路幹線沿線鉆了100多個淺孔，但結果並不理想。
圖5-16美國北卡羅來納州鐵路幹線地質剖面示意圖
為此，研究人員選擇地質雷達進行實驗。初步的雷達測量結果表明，雖然探測深度達不到基巖的深度(因為基巖上方有壹層導電良好的粘土層)，但粉質粘土層頂部的形態特征可以作為地表沈降的標誌，雷達可以有效地探測到這壹標誌。鉆探證實了探地雷達的異常，並在異常處打了巖溶管。
探地雷達試驗成功後，開展了基於探地雷達結合地震折射和微重力的綜合地球物理調查。通過對不同測量結果的分析和比較，可以查明覆蓋層和基巖中是否存在或潛在的巖溶特征。比如重力顯示低異常，雷達剖面也顯示異常，那麽基巖中存在溶洞，上覆蓋層中也發育巖溶管道；如果重力剖面有低異常，雷達剖面無異常，說明基巖中有溶洞但巖溶管道尚未發育。根據折射測量結果，可以確定基巖深度，判斷有利於坍塌的強風化、溶蝕基巖段。此外，通過深入分析探地雷達剖面上的異常細節，可以正確評價巖溶的發育特征和可能發生地面沈降的發育階段。
為了監測該地區可能發生的地面沈降，在本次測量後6個月進行了雷達測量，目的是識別異常變化，判斷巖溶的發育情況。第二次調查和第壹次調查反映的異常幾乎沒有變化，說明兩次調查期間巖溶情況沒有明顯變化。每六個月將進行壹次主要監視雷達勘測，以長期監視該區域可能出現的地面沈降。
2.探測礦區地下空洞和巷道。
在許多老礦山基地，由於采礦留下了地下洞穴、洞穴或舊窯。它們將導致地面沈降，從而對礦區生產安全、地面公共設施和人民生命財產構成嚴重威脅。因此，在礦區，探測地下空洞已成為壹項重要任務。地球物理方法可以在這壹領域發揮重要作用。
國內外資料表明，地震方法，特別是高分辨率地震反射法、電阻率法和壹些放射性方法，可用於探測采礦中的地下廢棄巷道、硐室等洞穴，並取得了良好的實用效果。
美國科羅拉多大學對利用地震方法探測和定量描述煤礦廢棄巷道進行了理論研究和實踐探索。理論研究表明，三種物理效應使地震方法完全適用於洞穴探測:①洞穴的直接反射或散射；②洞穴振動引起的二次反射或散射；③應力誘導速度效應。第三個效應是比較新的研究成果，已經被實際觀測結果所驗證。這種效應的實質是空洞的存在會極大地影響其周圍原有的應力分布，誘發速度的變化。由於洞穴周圍側向壓縮的增強，洞穴上方的傳播速度增加。這樣，地下洞穴就可以通過地震勘探探測出來。研究人員在美國中西部的三個煤礦區進行了實地測量。井下巷道直徑1 ~ 3m，位於10~30m ~ 30m深的煤層中，既空又充水。該方法取得了良好的檢測效果。
美國堪薩斯地質調查局等單位利用淺層高分辨率地震反射法探測煤層中的洞穴。堪薩斯州東南部淺部煤礦區(煤層深度7 ~ 10m，厚度0.6 ~ 1.0m)采用房柱式開采。煤層開采完後，形成地下溶洞，容易造成地面塌陷。他們利用地震反射來確定洞穴的位置。在12次覆蓋的* * *深點剖面上，可以清楚地看到，溶洞與煤層相比，振幅較低，頻率較高，相幹性差，信噪比低，容易分辨。地震勘探結果通過鉆探得到了證實。此外，在另壹個有水開采的鹽礦(鹽層深120m，厚60m)，直接探測到地下50m深處巖鹽溶解形成的洞穴。
自20世紀80年代以來，煤炭部科學研究院壹直在使用二維自動地電阻率系統探測北京門頭溝地區的地下廢棄隧道和洞穴。由於小煤礦開采時間較長，地下老礦分布較廣，壹般距地表10 ~ 100 m，最深處160m，形成復雜的窯口、巷道和采空區。鑒於地質條件復雜，施工中合理布置測量儀器，采用單極-偶極測量儀器。用統計平均消除法校正表面不平度的影響，用準剖面圖處理和解釋數據。根據處理解釋結果，確定了研究區(1.8km2)的老窯分布。為了驗證解釋結果，專門設計了壹個驗證孔。結果，兩個驗證孔分別在60m和45m左右的深度看到了老窯采空區，表明該方法探測效果良好。
3.確定水庫、湖泊、河床堤壩的滲漏點和滲漏帶。
在巖溶發育地區修建的水庫、湖泊、壩區，由於巖溶特征的發育，經常發生嚴重滲漏或滲漏。因此，必須采用有效的方法找到泄漏點，以便采取相應的補救措施。
壹般來說，可以用自然電場法和電阻率法確定漏點或圈定漏區，效果相當明顯。水庫、湖泊的滲漏點往往存在明顯的自電負異常，可以很快找到滲漏點。編者曾用自電法在江西某水庫查出幾處滲漏點。電阻率法的使用應根據實際情況采用不同的布置裝置。例如，在美國佛羅裏達州的中西部建造了壹些用於旅遊和農業的人工湖。因為地處巖溶地區，人工湖滲漏嚴重，所以采用電阻率測量。根據湖區的地質、水文和地形條件，采用不同的排列方式，包括溫納電剖面和測深排列、對稱四極排列和單極-偶極排列。測量結果顯示與線性裂縫相關的異常，線性裂縫是湖區滲漏的原因，因此成功地探測到滲漏帶，這為隨後采取的補救方案和措施提供了必要的信息。
㈢監測無機汙染的地下水
受無機鹽汙染的水，由於離子濃度增加，電阻率降低。壹般來說，地下電阻率與介質孔隙的連通性、孔隙中是否有液體以及液體的電阻率有關。如果孔隙的大小和連通性基本不變，液體的電阻率只與汙染有關，則可以用電測深法確定汙染的範圍和程度，用時域電磁法確定汙染的垂直分布，用電剖面法和頻域電磁法確定汙染的水平範圍。電(磁)測量比僅鉆孔更便宜、更有效。此外，電(磁)測井也是壹種輔助手段。
地面電法測量監測汙染的基本條件是:汙染水的電阻率與未汙染水的電阻率明顯不同，埋深不太深，汙染水體有壹定厚度，表層物質電性比較均勻。工作時，可以用電測深或時域電磁法確定汙染水體的頂底深度，然後按照壹定的系統進行固定極距的電性剖面或固定裝置和頻率的頻域電磁測量。壹般情況下，電測井要配合少量的監測井。不同巖性電阻率的變化會幹擾汙染監測，在解釋時應註意利用地質、鉆井等地球物理資料。
工礦廢水汙染的監測是壹個受到廣泛關註的問題。用地球物理方法監測工礦廢水汙染已有許多成功的例子。
圖5-17線地電剖面圖和水質剖面圖
(a)根據13個測深點的數據在勘測線上建立的地電剖面；(b)基於地電剖面的水質剖面電阻率單位為ω·m，垂直刻度比水平刻度大12倍。
美國威斯康辛州蘇克維爾原本是壹個沙礫開采場，1970後被威斯康辛電力公司用來堆積發電廠的粉塵。該區域表面為厚度為20 ~ 100英尺(6.1 ~ 30.5米)的非層狀冰磧，基巖為白雲巖。1974至1980，在煙塵堆積區和尚未堆積區共鉆監測井33口。為了全面了解地下水的汙染情況，進行了電測深。在所有有監測井的地方都布置了測深點，以便將地電剖面與地質剖面進行對比。測線大致垂直於地下水流向，間距60ft(18.3m)，供電電極間距從1ft(0.3m)逐漸增大到200ft(61m)。電測深是在采集水樣的同時進行的，即每月壹次，這樣可以準確知道地下水位的深度、水溫和電導率，從而確定電阻率變化與水質的關系。電阻率也會隨著不同季節土壤含水量和溫度的變化而變化，掩蓋了水質的變化。為了解決這壹問題，在實驗室中測量了砂、礫石和粘土樣品與溫度和含水量的關系，以便在解釋電測深數據之前消除這些因素的影響。圖5-17顯示了壹條測線的地電剖面圖(a)和基於它的水質剖面圖(b)。可以看出，利用電測深數據可以定期監測汙染範圍隨時間的變化，其提供的水質剖面比僅有幾口監測井提供的要詳細得多。
工廠的廢水排入地下，不僅汙染了水源，還加速了壹些地區地下巖溶的發育。比如俄羅斯奧卡河沿岸有壹家大型化工廠，生產硫酸。酸性廢水滲入地下，溶解石膏巖石，在這些巖石中形成溶洞。舊洞穴不斷增加，新洞穴不斷出現，連接成地下通道。沿著這些通道，溶解物質流入奧卡河，造成河水汙染。地面電法和河流電阻率法可以圈定巖溶水的通道位置，評價巖溶隨時間的發展情況。從圖5-18中t1和t2的視電阻率曲線可以看出，低阻變寬是溶洞變寬的結果。河流電阻率測量表明，溶解物質流入量明顯增加(電阻率低，面積擴大)。上述測量確定了廢水汙染的範圍和程度，以便采取必要的措施。
圖5-18電法監測工廠廢水對巖溶的加速作用圖
(a)低電阻率範圍從1到t 1；低電阻率範圍從2到T2
(b)t1和t2代表不同時間測得的視電阻率曲線。
在葡萄牙西北部的Estarea化工廠，廢水通過通道排入6公裏外的瀉湖，其他廢物則存放在附近的人工池塘裏。該地區最近的風成沙覆蓋了瀉湖淤泥，其下是薄薄的第四紀沈積物，其下是白堊紀沈積物，直接覆蓋了前寒武紀片巖。* * *有兩個含水層，上面壹個在風成沙中，與渠道中的廢水直接接觸，下面壹個在第四紀沈積物的底部。上層水在化工企業附近汙染嚴重，下層水受西部鹹水入侵，化工企業附近也有汙染，鉆孔水樣顯示。地球物理勘探用於確定汙染水的分布和地質控制因素。在電磁測圖中，以10m的線圈距離測量水平磁場，探測深度對應上部含水層。然後用20m的線圈距離測量垂直磁場，探測深度對應下部含水層。結果表明，上水汙染區電阻率低至20ω·m，主要發育在企業西南部。下部水汙染區的電阻率低至10ω·m。這次電磁測量的結果與70年代電測深的結果進行了比較，確定了汙染隨時間的發展情況。電阻率-深度剖面與鉆井控制數據基本壹致。在化工企業附近和電阻率低於5ω·m的西南部，水樣pH=4為4。鐵含量625×10-9，銅含量834×10-9，鉛含量11× 10-9，鋅含量2848×10-9，錳。地震折射結果顯示，第四紀沈積物波速為1.6 ~ 1.8 km/s，白堊系沈積物為2.2 ~ 2.3 km/s，前寒武系片巖為2.8 ~ 3.4 km/s，折射法可以圈定片巖表面的局部結構，含水層汙染的橫向範圍受後者控制。
礦井和油田廢水也是地下水和地表水汙染的重要來源。例如，美國有數千口廢棄但封閉不良的油氣井。當產油層因二次開采超壓時，這些井會使註入的油田鹽水沿井眼向上運移，進入淺層含水層飲用水。使用可控源聲學大地電磁法(CSAMT)在俄克拉荷馬州林肯縣的Pru砂層附近圈定鹽水汙染。20世紀30年代從Pru砂層開始采油，50年代開始註入鹽水以提高采收率。Vamoussa組是該地區飲用水的主要來源層，淡水層的底部深度在40 ~ 135 m之間變化，固溶總量小於500 mg/L，1979所鉆的試驗井表明該油田含水層中的鹽水含量異常高。CSAMT測量是在該地區按照壹定的網格選擇部分地區進行的。圖5-19顯示了壹個廢棄井附近的典型視電阻率偽剖面，它顯示了深井導電物質遷移到了地表，並且在其他測線也檢測到了其他汙染物。根據地球物理勘探結果，兩口試驗井的Br/Cl比值表明Vamoussa組的汙染源確實是普魯砂層中的鹵水。
圖5-19汙水註入井附近視電阻率數據剖面圖
直升機電磁勘測也已成功用於調查礦井廢水的汙染範圍。德國的Wesee河含有大量穿過不來梅的鹵水。鹵水從上遊的幾個鉀礦排出，使河流電阻率降低到6ωm以下，航空電磁測量追蹤到柱狀電阻率低於6ωm的汙染區，異常範圍遠遠超過河床本身，說明鹵水已經側向浸入沿河的淺層含水層，用來為城市供水。為了驗證航空電子設備的結果，對淺層含水層進行了鉆探、取樣和分析。花了兩年時間鉆了很多洞，但航測只用了兩天。令人驚訝的是，兩種方法得到的結果完全相同。
歸納總結
環境和工程地球物理勘探在解決環境和工程地質問題方面有著廣泛的用途。表5-1是環境和工程物探常用方法及其解釋地質問題能力的列表，在解決環境和工程地質問題時可以進行分析和選擇。
表5-1環境與工程地球物理勘探常用方法及解釋環境與工程地質問題能力壹覽表
註:★表示直接方法和效果。☆表示間接方法，可以應用。