湖南省岳家橋典型巖溶發(fā)育區(qū)電性特征及構(gòu)造格架研究

曹創(chuàng)華， 徐定芳， 康方平， 文武飛， 尹歐， 鄧專(zhuān)

(湖南省地質(zhì)調(diào)查院, 長(zhǎng)沙 410116)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各類(lèi)地下工程施工加劇、地下空間資源利用及人文活動(dòng)增加，導(dǎo)致了各地的巖溶塌陷、地面沉降頻頻發(fā)生[1-2]。湖南省作為我國(guó)西南巖溶發(fā)育重點(diǎn)區(qū)域，特別是張家界、吉首、婁底、邵陽(yáng)、永州和郴州大部分區(qū)域碳酸鹽巖層分布廣泛[3-4]。岳家橋地區(qū)屬于新化—婁底巖溶塌陷區(qū)帶[5]，是湖南省地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)嚴(yán)重并較為典型的區(qū)域之一。

本文將在研究區(qū)地質(zhì)調(diào)查工作基礎(chǔ)上[5-7]，借鑒前人在巖溶等地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的物探方法技術(shù)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[8-11]，利用長(zhǎng)剖面高密度電法勘探，配合適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)剖面視電阻率聯(lián)合剖面法進(jìn)行相關(guān)技術(shù)方法研究。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

岳家橋地處益陽(yáng)市赫山區(qū)、寧鄉(xiāng)市、桃江縣三區(qū)(縣)交界處，行政區(qū)劃屬益陽(yáng)市赫山區(qū)岳家橋鎮(zhèn)管轄，交通較為便利。地形總體上南高北低,處于湘中丘陵與洞庭湖沖積平原的過(guò)渡地帶，并以丘陵谷地地貌為主。區(qū)域構(gòu)造位于湘東北斷隆帶西北部，洞庭湖凹陷南緣的過(guò)渡帶，株洲—永州大斷裂的北部(圖1)。其基底由加里東及呂梁構(gòu)造層組成，中部主要由印支構(gòu)造層組成，中部以褶曲為主，邊緣以斷裂為主，軸向近EW向，核部在煤炭壩向斜附近，主要由二疊系組成，邊緣分布有次級(jí)褶皺，北翼部分地層產(chǎn)狀較陡，傾角40°～50°，局部達(dá)到60°，南翼較緩，傾角25°～30°[12-14]。

研究區(qū)大部分被第四系覆蓋，出露地層較少，主要有白堊系、二疊系等(圖1)。

(1)第四系白沙井組(Qpb)。根據(jù)以往工作成果及本次地質(zhì)調(diào)查資料，區(qū)內(nèi)第四系厚度1～32 m，且深部存在砂礫土、礫石土層。

(2)白堊系車(chē)江組(K2c)。分布于研究區(qū)東南部至東北部。上部為紫紅色、暗紫色中層至塊狀鈣質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖、砂礫巖、泥巖； 下部為灰礫巖，巖溶發(fā)育。區(qū)域最大厚度大于714.6 m。據(jù)已有野外調(diào)查資料[5]顯示，巖層傾向NE，傾角一般在10°～20°。

(3)二疊系茅口組(P2m)。分布于研究區(qū)南部附近，絕大部分被第四系覆蓋，露頭極少(圖1中因比例尺較小未標(biāo)注)。已有地質(zhì)鉆探工作成果揭示： 上部為灰至深灰色微晶—細(xì)晶厚層狀灰?guī)r、含泥質(zhì)灰?guī)r，局部夾硅質(zhì)巖及白云質(zhì)灰?guī)r，含條帶狀或結(jié)核狀硅質(zhì)層及燧石結(jié)核，裂隙溶洞發(fā)育； 中部以灰—灰白色微晶—細(xì)晶厚層狀灰?guī)r及含泥質(zhì)生物灰?guī)r為主，局部夾白云質(zhì)灰?guī)r，偶含硅質(zhì)巖及燧石結(jié)核； 下部以灰—灰白色隱晶—細(xì)晶厚層狀灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r為主，夾硅質(zhì)巖并含硅質(zhì)結(jié)核。區(qū)域總厚度約300 m。

1.第四系； 2.白堊系； 3.中泥盆統(tǒng)至下三疊統(tǒng)； 4.震旦系至下志留統(tǒng)； 5.板溪群； 6.中粒斑狀二長(zhǎng)花崗巖； 7.中粒斑狀黑云母二長(zhǎng)花崗巖； 8.噴發(fā)巖脈； 9.背斜軸線； 10.向斜軸線； 11.扭性斷裂； 12.推斷斷裂； 13.角度不整合； 14.河流； 15.地市； 16.縣級(jí)市； 17.鄉(xiāng)鎮(zhèn)； 18.研究區(qū)

圖1湖南省益陽(yáng)市岳家橋地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖[6]

Fig.1GeologicalmapofYuejiaqiaoareainYiyangCityofHunanProvince[6]

2 研究區(qū)電性特征

2.1 區(qū)域地球物理特征

研究區(qū)域內(nèi)以往地球物理工作較為豐富，湖南省1∶20萬(wàn)區(qū)域重力資料顯示調(diào)查區(qū)位于麻陽(yáng)—常德—湘潭—衡陽(yáng)弧形重力高值區(qū)的東部和南西邊緣，布格重力異常值為-50×10-5～-20×10-5m/s2，該弧形重力高值區(qū)等值線主要反映了變質(zhì)結(jié)晶基底隆起及莫霍面的抬升[13-14]。研究區(qū)位于NW向的航磁遞變帶的東北部，該帶與區(qū)域上的常德—安仁NW向構(gòu)造-巖漿帶有關(guān)。

2.2 地層巖石地球物理特征

參考長(zhǎng)株潭區(qū)域以往資料[14-15]，按照常見(jiàn)巖石電阻率平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析(圖2)，其結(jié)果是灰質(zhì)礫巖、砂巖、變質(zhì)砂板巖和灰?guī)r、白云巖的電阻率較高，均大于其他巖石的3倍。岳家橋地層有茅口組灰?guī)r類(lèi)、白堊系粉質(zhì)泥砂巖和第四系黏土，第四系黏土電阻率普遍小于100 Ω·m，白堊系粉質(zhì)泥砂巖在200 Ω·m左右，灰?guī)r電阻率在2 590 Ω·m左右，裂隙在106～341 Ω·m之間。區(qū)域內(nèi)的巖石電阻率普遍不高，探測(cè)的主要構(gòu)造和產(chǎn)生的巖石裂隙與圍巖都有約一個(gè)數(shù)量級(jí)的電阻率差異，這是以電法為物探工作手段進(jìn)行探測(cè)應(yīng)滿(mǎn)足的前提條件。

圖2 湖南省長(zhǎng)株潭地區(qū)常見(jiàn)巖性視電阻率測(cè)試結(jié)果[14]

3 方法技術(shù)及異常特征

3.1 方法原理及測(cè)線布設(shè)

高密度電法是以電性差異為物性基礎(chǔ)的電法勘探，測(cè)量其剖面下部橫向和垂向的電性變化特征。探測(cè)的數(shù)據(jù)量較大，探測(cè)精度較高[16]。聯(lián)合剖面法是2個(gè)三極測(cè)量，其對(duì)低阻較為敏感，視電阻率曲線對(duì)異常帶(特別是具有低電阻率特征的構(gòu)造帶)的分辨較為準(zhǔn)確。

為了研究岳家橋巖溶區(qū)的電性結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了呈近似“井”字型的高密度電法測(cè)線和聯(lián)合剖面法剖面(圖3)。其中高密度電法布設(shè)了5條測(cè)線，分別為G1、G2、G3、G4和G5，采集數(shù)據(jù)時(shí)采用連續(xù)滾動(dòng)跑極方法，即每次共用30個(gè)電極(這樣一方面保證了采集數(shù)據(jù)的接地電阻，另一方面保證了電極連續(xù)滾動(dòng)時(shí)所測(cè)視電阻率的一致性)。聯(lián)合剖面法采用OA(或OB)為100 m的極距，無(wú)窮遠(yuǎn)極在采集數(shù)據(jù)時(shí)每1 000 m對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)極進(jìn)行了移動(dòng)，移動(dòng)后對(duì)連接的測(cè)量段重復(fù)測(cè)量了5個(gè)數(shù)據(jù)，然后求其平均值作為測(cè)量數(shù)據(jù)。聯(lián)合剖面共布設(shè)了3條，分別為L(zhǎng)2、L4和L6，其中點(diǎn)距為20 m，測(cè)量極距(MN)為80 m，OA極距為100 m，無(wú)窮遠(yuǎn)極實(shí)際距離為651 m。

1.二疊系茅口組； 2.白堊系車(chē)江組； 3.第四系白沙井組； 4.全新統(tǒng)； 5.地層界線； 6.水系； 7.高密度電法剖面； 8.視電阻率聯(lián)合剖面法剖面； 9.視電阻率聯(lián)合剖面法無(wú)窮遠(yuǎn)點(diǎn)； 10.三維建模區(qū)域

圖3研究區(qū)地質(zhì)及物探測(cè)線布設(shè)

Fig.3Geologicalandphysicalsurveylinelayoutofthestudyarea

3.2 數(shù)據(jù)處理及典型剖面異常特征分析

3.2.1 數(shù)據(jù)處理

首先對(duì)采集的野外數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸整理，其次對(duì)連續(xù)滾動(dòng)的重復(fù)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均合并,使得數(shù)據(jù)成為反演軟件標(biāo)準(zhǔn)格式，最后利用目前最為成熟的最小二乘方法進(jìn)行最優(yōu)化反演(Resinv2D)并成圖。

聯(lián)合剖面法數(shù)據(jù)處理的具體步驟為： ①對(duì)野外采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理編輯，按照點(diǎn)線號(hào)排序，對(duì)連接點(diǎn)的重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均求值，剔除視電阻率數(shù)值“飛點(diǎn)”; ②對(duì)地形起伏較大的地方進(jìn)行地形校正，排除因地形等因素引起的假的異常“交點(diǎn)”，對(duì)每個(gè)交點(diǎn)的特征進(jìn)行初步判別，劃分出有意義的“正交點(diǎn)”“反交點(diǎn)”; ③將處理好的數(shù)據(jù)成圖，結(jié)合地質(zhì)資料綜合研究，利用曲線的切點(diǎn)極值、最值分析異常體頂板的埋深和規(guī)模，利用不同OA極距來(lái)分析計(jì)算異常的產(chǎn)狀，利用平行的剖面對(duì)比判別異常的走向等。

3.2.2 典型剖面異常特征分析

以G2線的處理結(jié)果來(lái)說(shuō)明本次高密度電阻率法和聯(lián)合剖面法成果。選取2種方法重合的部位，其中G2線高密度測(cè)點(diǎn)起始點(diǎn)為G2-0點(diǎn)，末端點(diǎn)為G2-2 700點(diǎn)，視電阻率聯(lián)合剖面起始點(diǎn)為600點(diǎn)，末端點(diǎn)為2 500點(diǎn)。按照本文處理方法，對(duì)2種方法野外采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其結(jié)果見(jiàn)圖4。

(a) G2線長(zhǎng)剖面視電阻率聯(lián)合剖面探測(cè)曲線

實(shí)線表示B為無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)所測(cè)視電阻率(ρsA)，虛線表示A為無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)所測(cè)視電阻率(ρsB)，2種線的交點(diǎn)在1 900號(hào)測(cè)點(diǎn)左右； 圖4(b)中，反演電阻率分層分段較為明顯，1 500號(hào)測(cè)點(diǎn)之前電阻率較高，大部分在1 500 Ω·m之上，1 500—2 100測(cè)點(diǎn)之間電阻率較低，大部分在200 Ω·m以下，2 100—2 400號(hào)測(cè)點(diǎn)之間的電阻率在750 Ω·m左右，測(cè)點(diǎn)2 400后的電阻率又變小，其電阻率在350 Ω·m左右； 圖4(c)為根據(jù)圖4(a)和(b)結(jié)果綜合解釋的地質(zhì)剖面圖，第四系厚度較淺，普遍在15 m以?xún)?nèi)，而白堊系地層的厚度為20 m左右，深部基巖為二疊系茅口組灰?guī)r； 特別注意到的是雖然高密度電法反演剖面較好地展示了不同地層在剖面垂向上的分布，但在測(cè)點(diǎn)1 500—2 100之間僅僅通過(guò)高密度電阻率法難以確定構(gòu)造的精確位置，而通過(guò)視電阻率聯(lián)合剖面法可以探測(cè)出構(gòu)造的傾向等產(chǎn)狀信息。

4 構(gòu)造格架

4.1 電性構(gòu)造格架

區(qū)內(nèi)的高密度勘探線為G1—G5線，其剖面成果(圖5)顯示，整體上電阻率范圍在1～4 000 Ω·m之間; 測(cè)試結(jié)果說(shuō)明此典型巖溶發(fā)育區(qū)深部都存在灰?guī)r類(lèi)巖石; 淺層多為低阻區(qū)，淺部電阻率一般都小于500 Ω·m，說(shuō)明大多為黏土、泥質(zhì)等巖類(lèi)。區(qū)內(nèi)為覆蓋型巖溶發(fā)育區(qū)，部分測(cè)線段具有溶槽性質(zhì)，證實(shí)存在巖溶發(fā)育帶。

(a) G1線長(zhǎng)剖面高密度電法探測(cè)反演剖面

(b) G2線長(zhǎng)剖面高密度電法探測(cè)反演剖面

(c) G3線長(zhǎng)剖面高密度電法探測(cè)反演剖面

(d) G4線長(zhǎng)剖面高密度電法探測(cè)反演剖面

(e) G5線長(zhǎng)剖面高密度電法探測(cè)反演剖面

4.2 地層構(gòu)造構(gòu)架

利用高密度電法資料并結(jié)合鉆探結(jié)果校準(zhǔn)第四系及基巖深度進(jìn)行地層格架建模預(yù)測(cè)。研究區(qū)近幾年的地質(zhì)調(diào)查工作已完成了一定量的水文孔和工程孔，在充分搜集巖心編錄資料統(tǒng)計(jì)出第四系的深度和平面坐標(biāo)基礎(chǔ)上，結(jié)合高密度電法數(shù)據(jù)處理結(jié)果，繪制了區(qū)內(nèi)的第四系厚度圖(圖6)。

圖6 高密度電法所得研究區(qū)第四系厚度

4.3 地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)

區(qū)內(nèi)第四系厚度分布極不均勻: 西南和東北部較深，第四系最深可達(dá)70 m； 中部呈啞鈴狀分布，其中啞鈴狀的第四系核部在圳邊上村； 核部的西南方向第四系較薄，厚度10 ～20 m，核部的東北部較深，第四系厚度在25～50 m之間(圖6)。目前塌陷巖溶區(qū)都與區(qū)內(nèi)的構(gòu)造關(guān)系密切，結(jié)合鉆探數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模，其地層結(jié)構(gòu)構(gòu)架如圖7所示。

發(fā)現(xiàn)的斷層分別以F1、F2和 F3命名，是區(qū)內(nèi)的主干斷裂，其走向以NE向?yàn)橹?，基本呈平行分布，大體呈45°； 每?jī)蓷l斷裂平距為300～500 m，向東北部顯有收斂趨勢(shì)。F1位于岳家橋大泉至曾家屋場(chǎng)一帶，長(zhǎng)約2.5 km，寬數(shù)米； F2傾向SE或近直立，破碎帶寬度較寬(以G2線為例，破碎溶蝕帶寬約300 m)，溶蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，地面沉降明顯; F3位于研究區(qū)中西部桐子山—厚門(mén)沖—鸞鳳山，走向呈NE向，近于直立或以高傾角傾向SW，長(zhǎng)約4 km，斷裂帶寬一般幾米，呈壓扭逆斷層的特征。

1.第四系； 2.白堊系車(chē)江組； 3.二疊系茅口組灰?guī)r； 4.推斷斷裂； 5.高密度電法長(zhǎng)剖面； 6.推斷巖溶發(fā)育災(zāi)害區(qū)； 7.村部

圖7推斷研究區(qū)地層三維構(gòu)造格架

Fig.7Estimatedthree-dimensionalstructureofthestratainthestudyarea

根據(jù)原國(guó)土資源部和湖南省地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)指標(biāo)[17-18]，疊加各種因素綜合分析，研究區(qū)有三級(jí)鐵路和縣級(jí)公路通過(guò)，目前存在建筑物變形、地面裂縫等“病態(tài)”現(xiàn)象，屬于地質(zhì)災(zāi)害危害等級(jí)二級(jí)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育中等。

5 結(jié)論

通過(guò)本次地質(zhì)調(diào)查研究工作，對(duì)區(qū)內(nèi)的工作認(rèn)識(shí)如下：

(1)研究區(qū)近似“井”字型電法勘探成果分析表明，典型巖溶發(fā)育區(qū)地面沉降塌陷主要受NE向的3條隱伏斷裂控制，塌陷沉降區(qū)域基本沿3條斷裂兩側(cè)呈帶狀分布，異常帶長(zhǎng)約8 km，寬約0.8 km，斷裂可為塌陷區(qū)域和區(qū)內(nèi)河流的通道。

(2)以本研究區(qū)域的G2線長(zhǎng)剖面為例，采用聯(lián)合剖面法，用異常的“正交點(diǎn)”對(duì)剖面進(jìn)行分析，是一種簡(jiǎn)單、快速而有效的構(gòu)造定位方法。

(3)岳家橋鎮(zhèn)典型巖溶發(fā)育區(qū)的電法勘探說(shuō)明，高密度電阻率法和聯(lián)合剖面法在探測(cè)地下巖溶和評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害中是一種有效的地球物理方法。