運用激電中梯測量探測覆蓋型巖溶發(fā)育程度

李小華，王來龍，高啟鳳

(1. 華北地質勘查局綜合普查大隊,河北 三河 065201；2.中國地質災害防治工程行業(yè)協會,北京 100081)

運用激電中梯測量探測覆蓋型巖溶發(fā)育程度

李小華1，王來龍2，高啟鳳1

(1. 華北地質勘查局綜合普查大隊,河北 三河 065201；2.中國地質災害防治工程行業(yè)協會,北京 100081)

運用激電中梯測量方法，進行巖溶塌陷地質災害調查，研究了覆蓋型巖溶的發(fā)育程度。首先研究了不同地層巖性的視電阻率和視極化率特征，得出了巖溶裂隙發(fā)育的主要地球物理特征；再根據研究區(qū)的激電中梯測量成果，劃分了4個異常區(qū)；結合地質構造條件，推斷解釋認為Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)中的局部高阻區(qū)為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)；最后通過布設電阻率垂向測深剖面，進行推斷反演，并利用鉆孔進行驗證，發(fā)現了1.6 m深溶洞。研究成果表明，激電中梯測量方法在探測覆蓋型巖溶的發(fā)育程度方面，取得了較好的效果。

覆蓋型巖溶；激電中梯測量；視電阻率；異常

圖1 研究區(qū)基巖地質構造綱要圖

0 引言

巖溶塌陷是我國巖溶區(qū)主要地質災害,巖溶塌陷不僅損壞地表生態(tài)、惡化水文地質環(huán)境，還影響著各種資源的開發(fā)和利用、阻礙經濟建設和可持續(xù)發(fā)展[1]。巖溶塌陷在時間上具有突發(fā)性，在空間上具有隱蔽性，而且?guī)r溶塌陷危害性強，因此地質工作者利用各種技術平臺監(jiān)測和預防巖溶塌陷[2-4]。隨著物探技術的不斷發(fā)展，激電中梯測量技術被引用到考古、地質災害、環(huán)境地質等方面[5]。運用激電中梯測量技術對研究區(qū)的巖溶發(fā)育程度進行探測并通過布設電阻率垂向測深剖面，進行推斷反演以及鉆探驗證等，獲得了較好的研究成果。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)隸屬于河北省三河市，南近102國道，京秦高速從研究區(qū)穿過，交通極為便利。三河市地處燕山南麓丘陵區(qū)與河北平原[6]的過渡地帶?？偟貏荼备吣系?，自北向南傾斜，平均海拔高程5.9～31.9 m。屬暖溫帶大陸性季風氣候，形成降雨比較集中的季節(jié)，一般6～9月份，降雨量占85%以上。研究區(qū)土地資源及地下巖溶水資源豐富，具有良好的農業(yè)經營基礎。區(qū)內工業(yè)主要以化肥、建材、造紙、機械、印刷和食品加工為主。

1.1 地質特征

研究區(qū)域出露為第四紀地層，下伏基巖主要為古生界寒武系、奧陶系碳酸鹽巖[7]。區(qū)域內基巖埋深及分布見圖1。區(qū)域位于中朝準地臺(Ⅰ)華北斷拗(Ⅱ)冀中臺陷(Ⅲ)的次級構造單元大興斷凸(Ⅳ)。附近斷裂有通州南苑斷裂、大洛泡斷裂、禮賢斷裂、夏墊斷裂、大興斷裂。

(1)地層巖性地層較簡單，主要為古生界奧陶系和寒武系灰?guī)r，其次為古生界石炭系和二疊系頁巖(見圖1)。(2)地質構造，穿過研究區(qū)的斷裂構造主要有南苑斷裂、大洛泡斷裂、燕郊斷裂。(3)研究區(qū)位于潮白河、鮑邱河沖積平原水文地質區(qū)[8]，主要含水層為新生界第四系松散巖類孔隙含水層和深層古生界奧陶系碳酸鹽巖含水層。第四系沖洪積松散巖類孔隙含水層主要接受大氣降水入滲和灌溉回歸補給，消耗于人工開采、側向徑流排出，2014年末地下水埋深約22.00 m。深層奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層在皮各莊、高廟和齊心莊形成三個基巖淺埋區(qū)，巖溶發(fā)育強度明顯高于深埋地段，形成三個強富水地段。

2 地球物理特征

根據鉆孔巖芯進行了物性參數測量，電性特征見表1，奧陶系灰?guī)r整體電阻率最大，二疊系砂巖、頁巖次之，石炭系砂巖、頁巖更小，而以粘土為成分的第四系電阻率最低。所以在工作區(qū)巖性的電阻率特征為灰?guī)r>頁巖>第四系。

表1 地層巖性電性特征簡表

巖溶裂隙的主要地球物理特征為：

(1) 巖溶裂隙完全為松散物和水填充，表現為強烈低阻特征。(2)巖溶裂隙不存在填充物，完全為空洞時，表現為高阻特性。(3)巖溶和裂隙為部分填充，上部為空洞，下部為松散填充，上部表現為高阻，下部表現為低阻，構成高阻與低阻斷續(xù)的串珠狀組合異常。

3 激電中梯測量方法

3.1 工作原理

激發(fā)極化法是以地殼中不同巖、礦石的激電效應差異為物質基礎，通過觀測與研究人工建立的直流(時間域)或交流(頻率域)激電場的分布規(guī)律進行解決地質問題的一組電法勘探分支方法。激電中梯測量是激發(fā)極化法的一種裝置[9]。它是通過人工場源向地下供電，在供電電流不變的情況下，地表兩個測量電極間的電位差隨時間增大，在一段時間后達到某一飽和值，斷電后，測量電極之間仍然存在一個隨時間減小的電位差，并在相當長時間后其電位差衰減區(qū)域零[10]。根據不同時段的二次場，獲得視電阻率和是極化率等參數，探測地下巖溶裂隙發(fā)育程度。

3.2 儀器檢測

采用加拿大鳳凰公司的V8電法工作站作為發(fā)射系統，北京地質儀器廠的DWJ-3B微機激電儀作為接收系統。各臺儀器在相同條件下往返觀測，取均方相對誤差最小的一臺儀器為“標準”，分別計算各臺儀器與“標準”儀器的均方相對誤差。這個誤差如大于設計總精度的2/3，應對該儀器調試，使其達到上述要求或不使用。

采用一致性試驗采集參數一次電位的對比曲線如圖2，儀器試驗結果見表2。設計總精度為7%，各臺儀器的均方相對誤差都未超過設計總精度的2/3，其投入生產的所有接收機均符合設計要求。

圖2 激電接收機一致性試驗對比曲線

表2 激電接收機一致性試驗統計表

3.3 極距選擇

在開展激電中梯測量之前，進行了供電極距試驗。試驗過程結合第四系覆蓋厚度情況，考慮實際場地條件，在供電極距的中部，以能夠拾取有效信號為前提盡可能加大供電極距以獲得深部信息。為提高工作成果可靠性，采用的供電極距AB=1260 m，測量極距MN=80 m，有效觀測范圍中間840 m，最大旁側距離200 m。具體布置見圖3。

圖3 激電中梯測量觀測示意圖

3.4 測量要求

每天觀測前，供電站操作員進行以下操作：發(fā)電機試車，觀察其空載和有負載時的運轉情況；檢查儀器、裝備和通訊工具的基本性能；檢查各線路連接是否正確；檢查導線是否漏電；粗略測量供電回路電阻，在確定電路接通和人員離開電極后進行試供電，選擇合適的供電電壓并調節(jié)平衡負載；核對各電極所在的點線號。

測量電極的接地電阻小于15 kΩ，電極坑內不得留有礫石和雜物；地表干燥時，提前向坑內澆水；測量電極避免埋設在流水、污水里或廢石、沙堆上；盡量減小兩電極間的溫差；在測量過程中，電極附近不得有人為擾動，嚴禁在接收機附近用對講機通話；當實際接地點無法埋設電極而需移動接地點位時，在測地誤差容許范圍內可以自由移動；當需要移動較大距離時，可將兩個測量電極垂直于測線作同方向、同距離移動，因此造成K值的改變在±4%內時，可不改算K值。

4 成果解釋

4.1 特征描述及推斷

激電中梯面積性測量顯示：視電阻率高值主要集中在研究區(qū)西南部及東部地區(qū)，主體呈面狀展布，高低阻區(qū)分明顯。視電阻率低值主要在工作區(qū)西北部和中部，低值區(qū)較連續(xù)，面積較大。依據視電阻率值可將本區(qū)劃分為4個大區(qū):Ⅰ號高阻區(qū)、Ⅱ號高阻區(qū)、Ⅲ號高阻區(qū)、低阻區(qū)(圖4)。

圖4 激電中梯測量視電阻率等值線平面劃分圖

(1) Ⅰ號異常區(qū)

Ⅰ號區(qū)分布于工作區(qū)西部，位于高樓-東山西村-皮各莊-高廟之間，高阻帶主軸走向為北東向，呈面狀，面積約15 km2，視電阻率值約在50～135 Ω·m 之間。該區(qū)除孤山有小面積灰?guī)r出露外，灰?guī)r頂部被第四系蓋層覆蓋，覆蓋厚度在200 m以內。根據工區(qū)地質資料皮各莊-高廟一帶為皮各莊古潛山，第四系覆蓋厚度較小。根據視電阻率等值線平面圖推斷Ⅰ區(qū)的高阻特性為古潛山的反映。

Ⅰ區(qū)又分為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5高阻區(qū)，面積約占整個Ⅰ區(qū)的1/5，視電阻率值約在>80 Ω·m之間，高阻異常區(qū)覆蓋厚度更淺，一般在120 m以內，因此巖溶更容易發(fā)育。

(2) Ⅱ號異常區(qū)

Ⅱ號區(qū)分布于工作區(qū)東部，位于立家莊-大康莊之間，高阻帶呈面狀，面積約6 km2，視電阻率值約在40～110 Ω·m之間。

根據調查區(qū)地質資料，齊心莊一帶為齊心莊古潛山，第四系覆蓋厚度較小。根據視電阻率等值線平面圖推斷Ⅱ區(qū)的高阻特性為古潛山的反映。其Ⅱ區(qū)為齊心莊古潛山的邊緣，其第四系覆蓋厚度也較小，但對比整體視電阻值Ⅱ區(qū)小于Ⅰ區(qū)，說明第四系覆蓋厚度Ⅱ區(qū)大于Ⅰ區(qū)，基巖埋深Ⅱ區(qū)大于Ⅰ區(qū)。

(3) Ⅲ號異常區(qū)

Ⅲ號異常區(qū)，位于五福莊一帶，呈面狀分布，面積約2 km2。視電阻率值約在40～87 Ω·m之間。根據資料顯示，該區(qū)第四系覆蓋厚度較淺，約70～80 m左右，但由于基巖巖性為石炭-二疊系地層，巖溶不發(fā)育。

(4) 低阻異常區(qū)

低阻異常工作區(qū)北西部、北部、中部大面積分布，視電阻率值一般在20～40 Ω·m之間，巖溶弱發(fā)育。北西部低阻區(qū)位于前車坊村-皮各莊-五福莊之間，第四系覆蓋厚度160～350 m。北部低阻區(qū)反映石炭-二疊系巖性特征。中部低阻區(qū)位于韓家莊-小高樓一帶，第四系覆蓋厚度較大，達300～450 m。

4.2 巖性分界及斷裂構造推斷

根據地球物理特征可知，奧陶系灰?guī)r電阻率最大，二疊系地層次之，石炭系地層最低。根據視電阻率平面等值線可大致劃分出巖性界線，其界線位于高低阻梯度帶上，分界線以北、以東為石炭系和二疊系地層，分界線以南、以西為奧陶系灰?guī)r地層。五福莊一帶的高阻區(qū)，是由于第四系覆蓋厚度小，基巖埋深淺引起；奧陶系灰?guī)r區(qū)中前車坊村和高樓-大康莊一帶的低阻區(qū)，是由于第四系覆蓋厚度大，基巖埋深大引起。

研究區(qū)內存在多條北東向的斷裂構造，由于部分地區(qū)第四系覆蓋厚度大，并不能單獨依靠視電阻值準確的推斷出每條斷裂的賦存情況。Ⅰ區(qū)內的大洛泡斷裂和Ⅲ區(qū)內的斷裂存在于高阻區(qū)內，位于視電阻率梯度帶上。

4.3 巖溶發(fā)育推斷

根據地質資料，巖溶發(fā)育程度隨埋藏深度的減小而增大，在皮各莊-高廟、齊心莊為基巖淺埋區(qū)的強富水地段，其巖溶發(fā)育強度明顯高于深埋地段。蓋層為第四系地層的地段，巖溶發(fā)育強度比石炭、二疊系埋藏地段的要強，因為第四系地層沉積前基巖侵蝕基準面愈低，巖溶發(fā)育的深度及強大隨之也愈大。在斷層附近地段，巖層破碎，巖溶裂隙發(fā)育較強，其發(fā)育深度也較大，而遠離斷層的地段，巖溶裂隙發(fā)育較弱，其發(fā)育深度較小。

Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)巖性為奧陶系灰?guī)r，并且都存在斷裂構造，所以Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的灰?guī)r淺埋區(qū)更有利于巖溶、裂隙發(fā)育。其中Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)中的局部高阻區(qū)推斷為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，應作為重點研究區(qū)域。

5 異常驗證

2線剖面布置于Ⅲ號高阻區(qū)，根據視電阻率等值線擬斷面圖，測線兩端視電阻率顯現出不同形態(tài)，小號點方向(北西段)明顯低于大號點方向(南東段)，測線整體呈現出北西低南東高的電性特征。最大視電阻率值位于大號點方向1720點AB/2為600 m處，其值為169 Ω·m；最小視電阻率值位于小號點方向580點AB/2為360 m處，其值為27 Ω·m。

結合地質資料分析反演電阻率等值線斷面圖，可大致推測出基巖起伏情況和巖性分界線位置。測線整體基巖起伏變化較大，呈現北西低南東高的特性，北西段基巖埋深在200 m以下，南東段基巖埋深在160 m左右，在測線的1540點為基巖淺埋區(qū)，埋深為80 m左右。由于奧陶系灰?guī)r電阻率要高于石炭系地層電阻率，所以可大致劃分巖性分界線，小號點方向(北西段)呈現低阻特性為石炭系地層，大號點方向(南東段)呈現高阻特性為奧陶系灰?guī)r地區(qū)。在測線940～1840點為基巖淺埋區(qū)，起伏較大，并且此處存在斷裂，斷裂的存在為巖溶發(fā)育提供有利條件。

圖5 視電阻率垂向測深斷面綜合圖

經1750點位置鉆孔驗證，在深度197 m存在高1.6 m的溶洞。綜合分析，在灰?guī)r起伏較大的坡面部位和基巖淺埋區(qū)是巖溶裂隙發(fā)育的有利地段。所以推測940～1840點間的灰?guī)r為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)。

6 結論

通過激電中梯視電阻率測量成果，視電阻率高值主要集中在工作區(qū)西南部及東部地區(qū)，主體呈面狀展布，高低阻區(qū)分明顯。視電阻率低值主要在工作區(qū)西北部和中部，低值區(qū)較連續(xù)，面積較大。依據視電阻率值特征可將本區(qū)劃分為3處異常區(qū)，即皮各莊-高廟異常區(qū)Ⅰ、五福莊異常區(qū)Ⅱ、齊心莊異常區(qū)Ⅲ。其中齊心莊、皮各莊-高廟異常區(qū)蓋層為第四系覆蓋，巖溶發(fā)育，而五福莊異常區(qū)蓋層為石炭-二疊系砂巖、頁巖、炭質泥巖，巖溶不發(fā)育。調查區(qū)南部和西北部，電阻率較低，反映基巖覆蓋厚度較大。通過高阻異常區(qū)Ⅲ的鉆探驗證，覆蓋厚度146.8 m，溶孔及裂隙發(fā)育，于196.6～198.2 m見溶洞，巖溶強烈發(fā)育區(qū)。

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Using the induced polarization intermediate gradien survey to investigate covered karst’s development degree

LI Xiao-hua1, WANG Lai-long2, GAO Qi-feng1

(1.ExplorationUnitofNorth-ChinaGeologicalExplorationBureau,Sanhe，065201,China; 2.ChinaAssociationofGeologicalHazardPrevention,Beijing, 100081,China)

In the paper, we used induced polarization intermediate gradien survey method to investigate karst collapse geological disaster and covered karst’s development degree in the area. Firstly, in order to summarize the main geophysical characteristics of the karst fracture we studied the different formation lithology of apparent resistivity and apparent chargeability characteristics. Secondly, according to the research results of induced polarization intermediate gradien survey, the area was divided into four anomaly area. Then we make investigation risk assessment of the karst collapse in the area, according to the result. And the most important is making the classification and evaluation of karst collapse. Combined with geological structure conditions, we deduced part high resistance areas both inⅠandⅢwere karst fracture development zone. Finally, we discovered a 1.6 meters’ deep karst-cave in the area, by setting the resistivity vertical sounding profiles and inferring inversion. Then drilling verification shows that there really is a karst-cave. Good results have been achieved by the induced polarization intermediate gradien survey method in detecting of the karst’s development degree. The results for economic development and location of the project to provide basic data, which will provide the scientific basis for prevention of ground subsidence of geological disasters, in order to achieve the purpose of disaster prevention and mitigation.

covered karst; induced polarization intermediate gradien survey; apparent resistivity; abnormity

2017-03-09

三河市地方財政基金項目(YCZB201502-587)

李小華(1983-)，男，江西九江人，碩士，地質工程師，華北地質勘查局綜合普查大隊地質環(huán)境院總工，研究方向：災害地質、環(huán)境地質等。E-mail:115775909@qq.com

P631.32

A

1672-7169(2017)02-0055-06