綜合物探在北京地區(qū)巖溶塌陷勘查中的應(yīng)用

馬志飛，廖海軍，李遠(yuǎn)強(qiáng)，李軍輝

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

0 前言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的不斷加速，越來越多的土地成為人群密集的居住區(qū)。但是，潛在的地面塌陷災(zāi)害逐漸暴露出來，越來越引起人們的關(guān)注，無論是自然成因的巖溶塌陷，還是由于人類地下采礦活動(dòng)引起的采空塌陷，以及修建地鐵、開挖埋設(shè)管線和人防工程等開發(fā)地下空間而引起的塌陷，都威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。要查明地面塌陷災(zāi)害的成因，首先就是要尋找地下隱伏的空洞。在常用地球物理勘探方法中，高密度電阻率法和孔間電磁波CT法以其施工效率高、數(shù)據(jù)信息豐富、解釋方便等突出特點(diǎn)，在探測(cè)地下空洞、防治地面塌陷災(zāi)害這一領(lǐng)域逐漸表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。

1 工作區(qū)地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)概況

工作區(qū)位于北京市海淀區(qū)四季青鎮(zhèn)香山村普安店，為丘陵向平原過渡的區(qū)域，地勢(shì)平坦，地形坡度在1°～2°之間，地面標(biāo)高約57～59m，現(xiàn)狀地物主要為房屋建筑。地表沉積物為山前殘積、坡積堆積層，厚度10～30m不等，局部厚度小于10m。下伏基巖為奧陶系石灰?guī)r，灰色，強(qiáng)—中等風(fēng)化，中—厚層狀，主要層面與水平夾角約30°～40°，節(jié)理裂隙發(fā)育，有溶蝕現(xiàn)象，地下水埋深在35m左右。

工作區(qū)內(nèi)發(fā)育有冷泉村斷裂，該斷裂為平移斷裂，東側(cè)北移，西側(cè)南移，走向近NS，長15km，寬10m，斷距1000～1500m，結(jié)構(gòu)面比較平直，斷面傾向西，傾角80°～90°。

1.2 地面塌陷災(zāi)害情況

北京市海淀區(qū)四季青鎮(zhèn)香山村普安店已經(jīng)發(fā)生多起地面塌陷災(zāi)害，其中較嚴(yán)重的一次是發(fā)生在2009年7月25日，村中一塊空地突然塌陷，形成一個(gè)面積超過10m2、深約4～5m的塌陷坑，造成一人墜入坑中，后被救起。一棵大樹下半截被埋在坑內(nèi)，坑內(nèi)的一條污水管道被砸斷，坑口周圍出現(xiàn)多處裂縫。至中午，塌陷面積擴(kuò)大，危及旁邊的3根電線桿。電力工人將3根電線桿緊急轉(zhuǎn)移。受此影響，附近100多戶村民家中斷電。2013年8月1日，該塌陷坑?xùn)|側(cè)約5m處再次發(fā)生塌陷，導(dǎo)致電線桿傾斜。

2 技術(shù)路線與工作布置

整體的工作思路是：在整理、分析工作區(qū)內(nèi)各類相關(guān)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，首先現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，查明工作區(qū)地面塌陷災(zāi)害的分布現(xiàn)狀，再利用高密度電阻率法進(jìn)行全面勘查，在此基礎(chǔ)上布置鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，最后選取重點(diǎn)區(qū)域利用孔間電磁波CT進(jìn)行地下空間的精細(xì)勘查，工作技術(shù)路線見圖1。

圖1 勘查工作技術(shù)路線圖

2.1 高密度電阻率法

（1）工作原理

高密度電阻率法是一種陣列勘探方法，由于它采用了多電極高密度一次布設(shè)并實(shí)現(xiàn)了跑極和數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化，因此相對(duì)常規(guī)電阻率法來說，它具有成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)。由于各種電極排列方式對(duì)異常體所表現(xiàn)的視電阻率特征各不相同，在探測(cè)中需要根據(jù)目標(biāo)體的特征選擇適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)方式[2～3]，這就要求在野外探測(cè)時(shí)，應(yīng)先收集相關(guān)資料，對(duì)地下空洞的大小、埋深進(jìn)行大致了解，然后設(shè)計(jì)合理的極距，使探測(cè)目標(biāo)落在排列探測(cè)區(qū)域的有效范圍內(nèi)。據(jù)調(diào)查，試驗(yàn)工作區(qū)曾出現(xiàn)的塌陷坑深度為4～5m，基巖埋深約10～30m，為查明地下空洞的規(guī)模及成因需探測(cè)至基巖以下，根據(jù)郭秀軍等人的觀點(diǎn)，最小電極間距一般應(yīng)為探測(cè)深度的1/10～1/15 ，如果小于1/15 ，觀測(cè)結(jié)果中就包含有不穩(wěn)定的隨機(jī)因素，易產(chǎn)生“偽像”[4]，故按照測(cè)點(diǎn)間距為3m，東西方向平行布設(shè)測(cè)線兩條，線距30m，每條測(cè)線共120個(gè)電極，測(cè)線長度357m，采集數(shù)據(jù)的工作裝置為溫納法。

（2）解譯原則

當(dāng)?shù)叵鲁霈F(xiàn)空洞時(shí)，形成的空間即為空氣，相對(duì)于地下的土層、巖石等地質(zhì)體而言，空氣的電阻率明顯較高，電流線在空洞位置產(chǎn)生強(qiáng)烈的排斥作用，從而表現(xiàn)出低阻圍巖之間的相對(duì)高阻。相反，當(dāng)空洞被地下水充填，或者洞體坍塌，被碎屑物質(zhì)及孔隙度較高的黏土充填，從而具有一定的含水量之后，其電阻率與圍巖相比，就會(huì)表現(xiàn)為相對(duì)低阻。無論地下空洞中有無被地下水充填，其電學(xué)特性與圍巖相比都具有明顯的差異，這就為高密度電阻率法的探測(cè)工作提供了物理前提。

2.2 孔間電磁波CT法

（1）工作原理

其工作原理是利用無線電波（工作頻率0.5～32MHz）在兩個(gè)鉆孔中分別發(fā)射和接收，根據(jù)不同位置上接收的場(chǎng)強(qiáng)大小，使用計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)（方法），反演兩孔間地下地質(zhì)體吸收系數(shù)分布的一種地下地球物理勘探方法，也稱井中無線電波透視法[5～6]。電磁波在地下傳播過程中，由于地質(zhì)體吸收了一部分電磁波能量而使場(chǎng)強(qiáng)減小，減小的程度用介質(zhì)的視吸收系數(shù)βs來表示，它的定義為介質(zhì)在單位距離內(nèi)對(duì)電磁波的吸收值，單位為nep/m。

此次勘查工作選取了均發(fā)現(xiàn)有巖溶空洞、直線距離33m的ZK04和ZK05之間開展電磁波CT探測(cè)。采用雙邊觀測(cè)系統(tǒng)，使用5MHz的工作頻率，發(fā)射點(diǎn)距和接收點(diǎn)距均為1m。

（2）解譯原則

根據(jù)探測(cè)結(jié)果和鉆孔資料的對(duì)比，去除電磁波CT視吸收系數(shù)βs剖面圖上的上部和底部由于射線稀疏出現(xiàn)的假異常，依據(jù)有效異常的βs值大小和βs等值線的形態(tài)、產(chǎn)狀，結(jié)合測(cè)區(qū)地質(zhì)資料，對(duì)有效異常進(jìn)行定性定量分析。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，工作區(qū)內(nèi)較完整灰?guī)r的βs＜0.1nep/m，節(jié)理裂隙密集帶的βs=0.1～0.3nep/m，溶洞的βs＜0.3～0.4nep/m，所以當(dāng)兩孔間存在規(guī)模較大的巖溶或斷層破碎帶時(shí)接收點(diǎn)上的場(chǎng)強(qiáng)要比無巖溶時(shí)的小得多。而且，根據(jù)前人的工作經(jīng)驗(yàn)，石灰?guī)r、大理巖等碳酸鹽類巖石的吸收系數(shù)約0.02～0.03nep/m[7]。依據(jù)這樣原則，最終確定βs＜0.1nep/m且連續(xù)呈連片狀分布的區(qū)域?yàn)檎^(qū)，把其他區(qū)域劃分為異常區(qū)。

3 勘探成果

3.1 高密度電阻率法勘探成果

圖2為測(cè)線G01的反演結(jié)果，圖3為測(cè)線G02的反演結(jié)果。兩條相鄰測(cè)線異常特征也具有相似性。在反演模型電阻率剖面上，測(cè)線G01水平位置144～159m、深度19～50m處和測(cè)線G02水平位置153～168m、深度18～50m處均出現(xiàn)了相對(duì)高阻閉合圈，而且邊界處電阻率等值線密集，符合地下空洞的反映特征。

測(cè)線G01水平位置129～138m、深度19～60m處和測(cè)線G02水平位置141～150m、深度18～50m處均出現(xiàn)了高阻中的相對(duì)低阻條帶，電阻率等值線陡傾、密集，推斷為斷裂破碎帶。

而測(cè)線G01水平位置261～291m、深度18～50m處和測(cè)線G02水平位置255～285m、深度13～50m處也出現(xiàn)了相對(duì)高阻閉合圈，但相比之下，其水平分布范圍較大，根據(jù)物探經(jīng)驗(yàn)，在第四系地層中有地下空洞與砂礫石層同時(shí)存在時(shí)，要根據(jù)相臨剖面上高阻異常分布特征綜合分析其規(guī)律來區(qū)分，砂礫石層或古河道一般具有一定的規(guī)律性如連續(xù)性和分布范圍大等，地下空洞多數(shù)獨(dú)立性較強(qiáng)，故推斷該處為砂礫石層。

為驗(yàn)證物探成果，進(jìn)行了鉆孔驗(yàn)證，共布設(shè)4個(gè)鉆孔，分別位于兩條測(cè)線之上。

鉆孔ZK05孔深70m，其中19.0m以上主要為素填土、粉質(zhì)粘土并含有碎石層，之下為石灰?guī)r。共發(fā)現(xiàn)4層空洞，分別位于18.2～19.0m、22.5～24.0m、27.8～29.0m、36.7～40.8m，空洞中含有碎石和粘土，其他部分巖石存在小規(guī)模溶孔。鉆孔ZK04情況類似。但是，反演電阻率剖面中的空洞表現(xiàn)為一個(gè)整體，無法準(zhǔn)確區(qū)分四層空洞，這是由于高密度電法在地表供電測(cè)量電位差，其在縱向上的異常會(huì)對(duì)下方產(chǎn)生影響，因此，高密度電法的橫向分辨率一般高于縱向分辨率。

鉆孔ZK07、ZK08揭露的物探異常區(qū)為粉質(zhì)粘土中夾雜的一層砂礫石層，卵石一般粒徑2～4cm，最大粒徑8cm，磨圓度較好，中粗砂充填。

圖2 測(cè)線G01反演電阻率剖面圖

圖3 測(cè)線G02反演電阻率剖面圖

3.2 孔間電磁波CT法勘探成果

ZK04—ZK05鉆孔之間的電磁波CT視吸收系數(shù)βs剖面圖為CT-01，見圖4。由于淺表為第四系，電磁波信號(hào)吸收強(qiáng)烈，采集的數(shù)據(jù)從ZK04號(hào)孔深16m開始、ZK05號(hào)孔從深22m開始。其中，ZK04號(hào)孔地下水位為26m，ZK05號(hào)孔為33m。在ZK04號(hào)孔附近10m內(nèi)，深度17～19m范圍，推斷存在巖溶空洞分布。在ZK05號(hào)鉆孔附近，深度20～33m范圍內(nèi)，存在2個(gè)巖溶空洞，空洞達(dá)到2m規(guī)模，深度41m處，存在一個(gè)小規(guī)模的空洞區(qū)域，空洞為1m規(guī)模，在42m以下巖石完整性很好。在剖面上其他弱異常范圍較大，推斷為存在節(jié)理或裂隙。其他弱異常區(qū)呈連片分布，規(guī)模較大，推斷為存在較少的節(jié)理、裂隙影響導(dǎo)致。異常統(tǒng)計(jì)見表1。CT-01-01、CT-01-03、CT-01-05、CT-01-06、CT-01-07、CT-01-08數(shù)據(jù)量較少，受到邊界影響，為無效異常，不能作為判斷依據(jù)。

表1 孔間電磁波CT異常分布統(tǒng)計(jì)表

圖4 CT-01視吸收系數(shù)剖面圖

4 災(zāi)害成因分析

在勘查過程中，按照高密度電阻率法尋找異常區(qū)、鉆探驗(yàn)證、孔間電磁波CT精細(xì)勘探這3個(gè)步驟，不僅可以勘查清楚地下空洞的埋深和規(guī)模大小，而且還可以經(jīng)過綜合分析查明地面塌陷的成因。

此處覆蓋物厚度為15.80m，表層覆蓋物為10.70m厚的粘質(zhì)粉土、2.10m厚的碎石土、3.00m厚的粉質(zhì)粘土（含少量碎石），之下為石灰?guī)r。高密度電法和孔間電磁波CT均在此發(fā)現(xiàn)地下空洞，經(jīng)鉆孔ZK04、ZKO5驗(yàn)證，巖溶發(fā)育，存在多處溶洞。綜合分析認(rèn)為，由于該處地下水位深度為28.50～34.0m，位于基巖面以下，下部基巖中裂隙較發(fā)育且富水性較好，為典型的上覆地層裂隙與下部巖溶裂隙形成強(qiáng)徑流帶通道，在水流長期作用下造成局部地層被沖蝕后形成空洞。見圖5，其形成過程具體為：①當(dāng)?shù)叵滤畡?dòng)力條件改變時(shí)，原來被堵塞的洞隙及其相連的下部排水通道復(fù)活，成為地下水集中活動(dòng)地段；②地下水位上升，抗水性差的土強(qiáng)烈瓦解，一部分順喇叭口落入下部溶洞中，初步形成上覆土層中的土洞；③土顆粒沿巖溶洞隙繼續(xù)被地下水帶走，上覆土中空洞逐漸擴(kuò)大，向上呈拱形發(fā)展；④土洞進(jìn)一步擴(kuò)大，向地表發(fā)展，頂板漸薄，當(dāng)拱頂薄到不能支持上部土的重量時(shí)，便突然發(fā)生塌落。

圖5 ZK04-ZK05地質(zhì)剖面圖

5 結(jié)論

通過此次綜合物探在北京地區(qū)巖溶塌陷災(zāi)害勘查中的應(yīng)用實(shí)踐，得出以下結(jié)論：

（1）運(yùn)用物探方法進(jìn)行地質(zhì)勘探，解譯結(jié)果存在多解性。因此，必須采取兩種或兩種以上不同工作原理的方法進(jìn)行綜合勘探，去除假異常，在重點(diǎn)異常區(qū)域利用鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證解譯結(jié)果，才能保證勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（2）在高密度電阻率法的反演電阻率剖面圖中，具有一定空間規(guī)模的地下空洞的反映是封閉同心圓狀，其邊界的電阻率等值線密集，由于體積效應(yīng)的影響，該方法可以準(zhǔn)確反應(yīng)空洞的水平位置和深度位置，但準(zhǔn)確反映空洞的剖面形態(tài)尚有一定困難。地下空洞與砂礫石層的異常表現(xiàn)有顯著區(qū)別，地下空洞通常水平展布規(guī)模較小，垂向變化較大，而砂礫石層則具有一定的成層性和連續(xù)性，水平展布規(guī)模較大。

（3）在孔間電磁波CT剖面圖中，當(dāng)巖體完整性較好時(shí)，介質(zhì)中單位距離對(duì)電子波的吸收較小，即吸收系數(shù)較小，隨著巖石中節(jié)理、裂隙的增多，巖體變得較為破碎，吸收系數(shù)逐漸增大，當(dāng)巖體中出現(xiàn)溶洞時(shí)，吸收系數(shù)最大。

（4）地面塌陷是北京常見的地質(zhì)災(zāi)害，通常表現(xiàn)為西部山區(qū)的煤礦采空塌陷，巖溶塌陷十分少見，此次應(yīng)用充分證實(shí)了北京也存在巖溶塌陷，必須引起重視，只有提前在人類聚集區(qū)查明地下巖溶空洞的分布，才能有效防治地面塌陷災(zāi)害。

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