超高密度電法在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用

閆維華 劉永峰

【摘 要】超高密度電法儀FlashRES64數(shù)據(jù)采集不受采集裝置的限制，任意排列組合ABMN的位置，61道數(shù)據(jù)同時(shí)采集，在64電極排列中，采集數(shù)據(jù)量達(dá)60000多個(gè)，是同類電法儀器的幾十倍，大量的數(shù)據(jù)保證了數(shù)據(jù)反演的可靠性。本次物探工作應(yīng)用該儀器大致查明了測(cè)區(qū)內(nèi)覆土層的埋深情況、坍塌位置地下的空洞分布情況。

【關(guān)鍵詞】超高密度；公路坍陷；巖溶；地面沉降；地災(zāi)治理

1.引言

福泉市高坪鄉(xiāng)隔山榔位置由于地質(zhì)、天氣和人文干擾等原因，導(dǎo)致公路邊產(chǎn)生一較大塌陷坑，在塌陷坑旁側(cè)的部分房屋地面產(chǎn)生塌陷、墻體開(kāi)裂、地基變形等地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象；這些地質(zhì)災(zāi)害使當(dāng)?shù)卮迕竦姆课菔軗p，危及當(dāng)?shù)卮迕裆拓?cái)產(chǎn)安全，給公路上的過(guò)往車輛和甕福磷礦的安全生產(chǎn)也產(chǎn)生了很大的安全隱患。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，本次物探工作采用高密度電法進(jìn)行測(cè)量，擬通過(guò)高密度電法測(cè)量，大致查明測(cè)區(qū)內(nèi)土層的埋深情況、土質(zhì)變化情況、土洞及巖溶發(fā)育情況，大致查明引起地面沉降的原因，為地質(zhì)災(zāi)害治理提供物探依據(jù)。

2.測(cè)區(qū)概況

高坪鄉(xiāng)隔山樃塌陷位置在公路邊，公路近南北向穿過(guò)塌陷區(qū)域，公路沿溝谷近鋪設(shè)，為區(qū)內(nèi)高程相對(duì)較低位置，公路兩側(cè)為山坡，坡度較大，公路附近覆土較厚，公路及附近溝谷為區(qū)內(nèi)泥水匯集區(qū)。區(qū)內(nèi)地層從新至老為：第四系（Q）、寒武系下統(tǒng)明心寺組和牛蹄塘組（∈1m+∈1n）、震旦系上統(tǒng)燈影組（Z2dy）。

2.1 地層

2.1.1第四系（Q）

第四系主要為殘坡堆積物、坡洪積、沖洪積形成的粘土、粉質(zhì)粘土，局部為碎石土、圓礫土，碎石、質(zhì)為白云巖、砂巖。地表為耕植土，地形較緩較低區(qū)域覆土層相對(duì)較厚。

2.1.2寒武系下統(tǒng)明心寺組和牛蹄塘組（∈1m+∈1n）

寒武系下統(tǒng)明心寺組和牛蹄塘組（∈1m+∈1n）：主要巖性為粉砂巖、泥巖、頁(yè)巖、粘土巖。

2.1.3震旦系上統(tǒng)燈影組（Z2dy）

震旦系上統(tǒng)燈影組（Z2dy）：主要為灰色中厚-厚層狀、中-細(xì)粒白云巖、含磷質(zhì)條帶白云巖、粘土質(zhì)硅質(zhì)白云巖，局部夾透鏡體泥質(zhì)白云巖。巖溶微弱發(fā)育，節(jié)理、裂隙較發(fā)育。

2.2 構(gòu)造

工作區(qū)位于高坪背斜南段東翼，為一單斜構(gòu)造、巖層傾向85-110°，巖層傾角4-64°，一般30-40°。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，有近南北向、北西向、近東西向幾組，以前兩組為主，皆為陡傾角斷層。有一條沿公路走向分布的斷層，此斷層是該區(qū)地災(zāi)的形成的主要原因之一。

3.地球物理特征

測(cè)區(qū)內(nèi)覆蓋層主要為耕植土、粘土、粉質(zhì)粘土、碎石土、圓礫土，耕植土、粘土、粉質(zhì)粘土等視電阻率一般為中到低阻反映，碎石土、圓礫土等視電阻率隨碎石、圓礫含量的增加而增大，覆蓋層的視電阻率數(shù)值和其富水性也有很大關(guān)系，一般含水量越高，視電阻率值越小，所以天氣對(duì)測(cè)量值的影響也較大，通過(guò)測(cè)量和對(duì)比，覆蓋層視電阻率為10Ω·M—300Ω·M之間。本次物探測(cè)量區(qū)域覆土層中有水管通過(guò)，水管為鐵質(zhì)，為低阻值反應(yīng)，阻值明顯小于覆土層，且視電阻率等值線分布為圈閉的近圓形低阻異常，埋深通常較淺?；鶐r為白云巖，視電阻率較高，（風(fēng)化層節(jié)理、裂隙較發(fā)育，視電阻率較低），視電阻率一般大于200Ω·M，視電阻率等值線變化較大，既有高阻圈閉的穩(wěn)定體，也存在高阻圈閉的溶洞，巖體一般呈扁橢圓形、長(zhǎng)柱狀分布，且阻值分布較穩(wěn)定，基巖中發(fā)育的塌陷空洞視電阻率較高，且視電阻率曲線圈閉強(qiáng)烈，視電阻率一般大于300Ω·M。通過(guò)視電阻率曲線的形狀、大小和分布規(guī)律，可大致查明測(cè)區(qū)內(nèi)土層的埋深、塌陷區(qū)發(fā)育情況。

綜上所述，已形成的塌陷區(qū)、正在發(fā)育的溶洞、輸水管道、巖體破碎帶與圍巖有一定的視電阻率值差異，滿足超高密度電法開(kāi)展的物性條件。

4.儀器設(shè)備及工作方法

4.1 儀器設(shè)備

本次物探工作儀器使用西安澳立華勘探技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的超高密度電法儀FlashRES64，儀器使用具有世界領(lǐng)先水平的61通道、多電極、全波形電法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集不受采集裝置的限制，任意排列組合ABMN的位置，61道數(shù)據(jù)同時(shí)采集，在64電極排列中，采集數(shù)據(jù)量達(dá)60000多個(gè)，是同類電法儀器的幾十倍，大量的數(shù)據(jù)保證了數(shù)據(jù)反演的可靠性。

處理軟件使用澳大利亞的ZZ Resistivity Imaging 研發(fā)中心研發(fā)的FlashRES64-61通道超高密度直流電法勘探反演系統(tǒng)，反演中充分利用采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行反復(fù)迭代，使反演結(jié)果更接近地質(zhì)模型。

4.2 方法選擇

本次物探工作的目的是大致圈定覆土層厚度，土層中已形成的土洞和正在發(fā)育的土洞的空間分布情況，探測(cè)隱伏地質(zhì)體的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，地下巖溶、節(jié)理、裂隙等的發(fā)育及其空間分布情況。通過(guò)前期的地質(zhì)工作，大致查明土層厚度在5-40m左右。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況及物性特征，采用超高密度電法進(jìn)行勘探，選擇電極距3-5m，每條剖面電極數(shù)為64個(gè)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形地貌，測(cè)區(qū)共布設(shè)物探測(cè)線2條，剖面方向根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形地貌，盡量穿過(guò)塌陷位置，基本滿足控制需求。

5.成果解釋

5.1剖面綜合解釋

1剖面的180號(hào)位置，地表以下有一個(gè)低阻異常體，編號(hào)為YC1，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)記錄，推測(cè)為水管異常，異常中心距離地表約10m左右，與實(shí)際的水管位置有偏差，這是由于反演軟件本身的地形改正引起的的高程偏移。在198號(hào)位置，出現(xiàn)一個(gè)囊狀的高阻異常體，編號(hào)為YC2，應(yīng)為陷落的空洞所致，推測(cè)地下空洞中心距離地表18米左右，高12米，長(zhǎng)18米左右，空洞向北西方向發(fā)育逐漸殲滅。在此空洞上方有3-5m的覆土層覆蓋，覆土層下方為燈影組的白云巖，此處白云巖巖溶較發(fā)育，此處塌陷下方是否原有溶洞發(fā)育還有待驗(yàn)證。在空洞東側(cè)發(fā)育一個(gè)楔狀的低阻異常體，編號(hào)為YC3，在此低阻異常體兩側(cè)均為相對(duì)高阻體，推測(cè)應(yīng)為白云巖中間發(fā)育的斷層，斷層向南東向傾斜。在30號(hào)位置發(fā)育一個(gè)低阻異常體，電阻率等值線強(qiáng)烈圈閉，應(yīng)為地下埋設(shè)有電祖率較小的物質(zhì)造成，但對(duì)本次工作目的沒(méi)有影響，因此沒(méi)有深入調(diào)查。

5.2剖面綜合解釋

2剖面的136號(hào)，地下18米，出現(xiàn)一個(gè)橢圓狀的高阻異常體，編號(hào)為YC1異常中心在公路下方南東側(cè)，推測(cè)空洞范圍長(zhǎng)9米，高度為4米左右。在空洞上方有5m左右的覆土層覆蓋，此空洞在此剖面上向北東向延伸至陡坡處，向西南方向延伸沒(méi)有超過(guò)公路。在空洞的北東方向靠地表的位置出現(xiàn)一個(gè)低阻異常體，編號(hào)為YC2，視電阻率等值線圈閉，推測(cè)為輸水管道引起的異常，此處的低阻異常也干擾了塌陷的空洞在視電阻率斷面圖上的反映范圍。在168號(hào)位置，發(fā)育一個(gè)楔狀的低阻異常體，編號(hào)為YC3，在此低阻異常體兩側(cè)均為相對(duì)高阻體，推測(cè)應(yīng)為白云巖中間發(fā)育的斷層，斷層向北東向傾斜。在此剖面的8號(hào)位置亦發(fā)育一個(gè)低阻異常體，電阻率等值線強(qiáng)烈圈閉，應(yīng)為地下埋設(shè)有電祖率較小的物質(zhì)造成，但對(duì)本次工作目的沒(méi)有影響，因此沒(méi)有深入調(diào)查。

6.結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

6.1.1通過(guò)實(shí)際調(diào)查和物探高密度電法測(cè)量結(jié)果，結(jié)合工作區(qū)的地質(zhì)水文特征，經(jīng)過(guò)綜合分析，大致查明了測(cè)區(qū)內(nèi)覆土層的埋深情況、坍塌位置地下的空洞分布情況，公路東側(cè)坍塌區(qū)域，以地表觀測(cè)坍塌區(qū)域?yàn)橹行?，向南東方向延伸約10m，向北西方向延伸約8m，向北東向延伸約7m，向南西向延伸約2m，從地表向下延伸約15m。

6.1.2首先，隔山榔坍塌區(qū)域位于公路旁側(cè)，公路經(jīng)坍塌區(qū)域近似南北向穿越，且沿溝谷鋪設(shè)，公路兩邊均為山坡，坡度較大，公路附近沒(méi)有巖石出露，覆土層較厚，公路及附近溝谷為本區(qū)的主要匯水區(qū)。物探解釋資料結(jié)合本區(qū)水文地質(zhì)圖，可知沿公路展布方向發(fā)育一條近南北向的斷層，公路與斷層走向基本一致，區(qū)內(nèi)基巖主要為震旦系上統(tǒng)燈影組，巖性為中-厚層白云巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，由于地下水的溶蝕作用，沿?cái)鄬诱共挤较蛟跀鄬痈浇仔纬纱闋畹娜芏?；溶洞的發(fā)育，在地下形成了架空結(jié)構(gòu)，破壞了巖體的完整性，且隨著雨水的季節(jié)性變化，溶蝕范圍不斷增大，在部分特殊位置形成了規(guī)模較大的空洞；其次，地表覆土層較厚，且物質(zhì)分布不均勻，地表水的下滲作用容易在地表形成較小的塌陷，塌陷對(duì)周圍雨水有匯集作用，從而使地表水大量的從個(gè)別位置進(jìn)行下滲，加劇了對(duì)地下個(gè)別位置的溶蝕作用，對(duì)地表的穩(wěn)定性也產(chǎn)生了不良影響；塌陷區(qū)域位于公路旁側(cè)，公路上常年重型卡車的振動(dòng)荷載作用，也加速了地表塌陷的形成。

綜合以上分析，塌陷的形成與斷裂發(fā)育帶、有利的匯水地形、地表水的下滲、地下水的徑流、浮土和基巖的不穩(wěn)定性以及地表大負(fù)荷車輛的震動(dòng)干擾有關(guān)，這些也是本次塌陷形成的主要原因。

6.2 建議

6.2.1將本次物探測(cè)量結(jié)果結(jié)合地質(zhì)水文資料，進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于已坍塌位置進(jìn)行治理，對(duì)于未坍塌卻又空洞隱患的區(qū)域進(jìn)行預(yù)防和治理。

6.2.2物探資料是通過(guò)數(shù)據(jù)反演得出的近似結(jié)果，但是地下巖溶和管道具有一定的復(fù)雜性，部分測(cè)量結(jié)果需要通過(guò)地質(zhì)和工程進(jìn)行驗(yàn)證，然后再相互驗(yàn)證、相互結(jié)合才能對(duì)地下異常體的分布做出較客觀的評(píng)價(jià)，所以建議對(duì)部分區(qū)域進(jìn)行工程驗(yàn)證。

6.2.3此處坍塌和公路附近，相對(duì)地形較低，是一個(gè)較好的匯水通道，要減少地下水的溶蝕作用，減小地下空洞和坍塌的發(fā)展速度，需要給地表水選擇合理的排泄通道，建議在地表人為修建地下水的排洪渠道。

6.2.4現(xiàn)有坍塌規(guī)模較大，對(duì)公路上過(guò)往車輛產(chǎn)生了一定的安全威脅，建議及時(shí)工程驗(yàn)證，選擇合理的治理方法，及時(shí)予以治理。且公路東側(cè)地下較為穩(wěn)定，建議在此處將公路路基向東邊擴(kuò)展延伸，減小對(duì)公路西側(cè)的地下不穩(wěn)定因素的影響。

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