保加利亚的多传感器洞穴探测

洞穴在许多领域都很重要，从建筑工程到矿产勘探和考古学。尽管洞穴在科学上具有重要意义，但地质学家认为迄今为止只发现了相对少量的洞穴。勘探目前主要由洞穴学家进行，但这是一项耗时的活动，而且仅限于基于现有表面开口的勘探。最近在保加利亚的一个项目表明，多种地球物理技术的结合提供了一种更简单有效的地面勘探方法，以应对复杂岩溶环境的挑战。

(作者:Tanya Slavova和Atanas Rusev，保加利亚)

建议用于腔勘探的几种地球物理技术，例如地面穿透雷达（GPR），重力，磁力学，电阻调查和地震反射率。然而，由于喀斯特环境的复杂和动态性，它们的间接地面应用程序与一些不确定性有关。例如，可以预先一定能够肯定是否是干燥或充满水的洞穴，或者它是否具有沉积物覆盖（这使其不适合特定仪器）。另一个挑战是，在一定深度处的小洞穴可以在更深度的深度下对更大的洞穴产生类似的传感器观察，从而导致映射歧义。因此，多传感器探索，依赖于环境的不同物理性质，比单一技术的提高精度提供更好的结果。不同技术与附加信息的组合（例如当地地质，地下特征和地形的细节）可以进一步提高结果。在本文提出的研究中，在已知洞穴上方的表面和内部进行了测量活动，以研究多传感器洞穴检测的有效性。

岩溶迷宫

测试地点Bosnek喀斯特地区以Duhlata洞穴而闻名，这是保加利亚最长的洞穴系统(图1)。Duhlata洞穴连通的地下空间绵延18公里，是一个令人印象深刻的复杂迷宫。然而，据预测，已知的区域只占整个洞穴系统的不到10%，还有很大一部分有待探索。Duhlata附近有一处脉动的泉水，它的规模要小得多，但也同样有趣，叫做Zhivata Voda(活水)。水流的不规则间隔的各种传说和迷信,但科学的兴趣主要集中在表面特征实际上导致不规则水流(图2)。同名的一个山洞位于约100米远的春天,和另外两个洞穴也在附近。整个地区为复杂的喀斯特环境，是多传感器勘探方法的适宜试验地点。

地球物理技术

在这项研究中，结合使用了重力测量、探地雷达和磁强计。重力仪对密度变化很敏感(并且在洞穴干燥的情况下工作最好)，探地雷达是一种主动雷达系统，它可以绘制雷达脉冲的反射，磁强计可以通过精确测量磁场来发现由于不同地下环境造成的异常。这三种地球物理技术的共同优点是它们的便携式仪器、单人操作、静音和非侵入性性能。然而，调查地区多山，仍对正常作业构成挑战。此外，重力测量需要准确的站定位信息(尤其是高度)，这在GNSS覆盖较差的地区(如森林深处)很难实现。三种表面技术的补充是在调查区域内的一个已知洞穴的三维测绘，即Zhivata Voda洞穴。该模型可用于野外校准，以研究多传感器有效性，并改进数据分析和解释。将所有的数据集合在一起是解释最终结果的一项具有挑战性但必不可少的任务。

传感器的设置

该设备由现代和经典测量设备组成。一些结果是实时提供的，但其他结果首先需要后处理。使用的重力是一种Lacoste和Romberg G，灵敏度为0.04mgal。GPR是MALÅX3M，配备了250MHz天线。对于磁力测量，选择从GEM系统的GSM-19磁力计，分辨率为0.01NT。根据重量计灵敏度，测量位置处的电台高度为13cm。为此，一体化GNSS手持式Trimble Geo 7x（支持GPS，Glonass，北欧/指南针和伽利略）与2米高杆上的外部Zephyl II天线一起使用，使其更容易达到所需的准确性（UP达到了1厘米）。手持设备还具有集成的激光测距仪模块，包括数字罗盘和阈值，可用于实现偏移测量。Leica TCR303总站用于所有需要高精度的任务，但在哪里可用差点或没有卫星信号。

测量运动

野外工作包括两个部分:洞穴调查和随后的地面测量。由于Zhivata Voda洞穴相对较大的廊道和大多数平坦的底部，绘制它是一项相对容易的任务(图3)。洞穴的导线包括几个测量位置;他们的位置是根据视线和要测量的具体阵型来选择的。洞穴的绝对位置是通过GNSS在入口处的测量来确定的。地面测量是使用该地区可用的地形数据以及Zhivata Voda洞穴的现有信息事先精心规划的。测量网格由大约180个点组成，每个点相距2米，大约沿地形等高线排列8行。首先，通过手持测距仪对植被和岩石进行偏置测量，大致布置网格点，为测量站选择最合适的位置。其次，由于树冠显著，采用GNSS与全站仪联合测量。磁力计的使用是野外工作中最简单的部分，每个观测站只需要几秒钟的时间。将GPR拖过山坡的物理难度更大(图4)，但重力测量是最困难的部分，平均每点需要10分钟，有时甚至更长。

洞穴模型

所有的测量数据都进行了后处理，以提高GNSS的精度，并将其与全站仪的测量数据相结合。洞穴内的测量，包括来自四个站点的大约350个点，被用来近似洞穴的3D布局。应用的测量方法不同于典型的洞穴测量，后者使用更多的观测站，但每个观测站只测量四个点(天花板、地板和两侧)。因此，为了能够区分楼层和其他点，使用代码来标记测量值。利用AutoCAD Civil生成的模型获取洞穴的形状、大小和深度等信息。

数据的改进

尽管在现场可以获得探地雷达数据，但使用MALÅ Object Mapperand GroundVision对数据进行了后处理，并应用了不同的过滤器来改进数据分析。结果沿着调查概况呈现。磁强计的数据是通过Surfer在地图上显示的。重力数据通常需要地形校正以获得准确的结果(尤其是在测试区域这样的山区)。对于本次调查的研究区域，基于SRTM数据、数字化地形图和调查过程中获得的GNSS测量数据，计算了10 × 10km以上区域的地形改正量。对得到的重力数据进行过滤，以提高数据的一致性。

新蛀牙

重力和磁强计的结果都以二维图的形式呈现，可以与基于洞内测量的洞穴布局进行比较，但直接解释仍然具有挑战性。过滤后的重力数据表明，在勘探区域内还存在两个空腔(图5)。其中一个位于网格的东南边缘，这与岩石底部的一个弹簧相匹配(测量点E4-D4)。另一个位于洞西靠近B21-22和A21-22测量点附近。由于缺乏阻挡电磁信号的沉积层，GPR技术得到了成功应用，并显示了与重力和磁强测量数据相似的结果(图6)。

进一步发展

在地下特征勘探方面，所采用的地球物理方法各有其优点和局限性。当它们一起使用时，它们是探测洞穴的有力工具。然而，它们的组合解释并不直接，可能会受益于GIS的进一步空间分析。Bosnek喀斯特地区现有的GIS数据包括已知的和可能的洞穴入口、它们的地下发育和可能的地下河流流量的信息。在目前的调查中，它仅用于规划过程，但可以将重力、探地雷达和磁力结果与这些数据集结合起来以加强解释。目前的调查也可以作为一个起点，以整个地区的更复杂的数据集，最终揭示日瓦塔沃达的秘密。

致谢

作者对新的保加利亚大学（NBU），建筑大学，土木工程和大学（UACEG），保加利亚地理信息公司（BGC），卡罗尔金融集团和审查这项工作的人民表示感谢。

Tanya Slavova是一名工程师测量师，目前正在博士学位候选人，并在UACEG的地下腔内以及BGC的验船师。她的兴趣包括物理大地，GNSS和GIS。电子邮件：slavova.tanya@gmail.com

作者

Atanas Rusev是BGC的工程毕业生和GIS专家。他在俱乐部极端的登山者和洞穴探险家是30年来。他的兴趣包括CAVE映射，移动GIS和GIS服务器实现。电子邮件：toltec@clubextreme.org

配图

图1中,博斯尼克喀斯特地区地图，显示各种信息，如洞穴入口，泉水和地下河流。

图2中,ZODA脉动弹簧。

图3中,进行洞内测量。

图4，GPR测量在洞穴入口之上。

图5中,用红色显示的洞穴布局过滤重量（向上）和磁力计（下降）结果;这些数字表示网格测量位置。

图6中,探地雷达的结果显示在15号剖面上从洞穴入口上方开始一直到山上。