覆蓋區(qū)巖溶溶洞的微動探測試驗研究
——以福建永安大湖盆地為例

黃光明,徐佩芬,李長安,凌甦群,趙舉興,杜亞楠,游志偉,江秋明,李傳金

(1.中國地質大學(武漢) 地球科學學院，湖北 武漢 430074; 2.福建省煤田地質勘查院，福建 福州 350005; 3.中國科學院地質與地球物理研究所 中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京 100029; 4.中國科學院大學，北京 100049; 5.北京中科吉奧能源環(huán)境科技有限公司，北京 100083; 6.福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州 362000; 7.福建工程學院，福建 福州 350118)

隱伏巖溶中的溶洞，特別是覆蓋型巖溶區(qū)地下溶洞的發(fā)育，對城市發(fā)展和工程建設影響巨大[1]。巖溶區(qū)隧道建設、礦山開采突水以及交通道路建設等原因經常導致巖溶塌陷[2-4]，引發(fā)地面建筑物損壞、環(huán)境惡化等一系列危害地區(qū)安全的嚴重后果。然而，受到各種原因限制，大量工程建設場地只能規(guī)劃在巖溶發(fā)育區(qū)。以福建永安大湖盆地為例，該盆地位于福建省中心地帶，行政區(qū)劃隸屬三明市。三明市目前正推動三明市區(qū)與永安市同城化空間整合，實現(xiàn)區(qū)域的整體發(fā)展的“海西三明生態(tài)工貿區(qū)”建設，大湖盆地成為“海西三明生態(tài)工貿區(qū)”的重點開發(fā)建設區(qū)域。然而，整個大湖盆地屬于巖溶發(fā)育區(qū)，不同程度發(fā)育地下溶洞，加之地下水位自然升降和工業(yè)、民用抽排地下水的共同作用，導致區(qū)內巖溶塌陷時有發(fā)生。因此，調查、探測覆蓋型巖溶發(fā)育區(qū)溶洞的空間埋藏特征和分布發(fā)育規(guī)律，對城市規(guī)劃建設、工程選址具有重要意義。

發(fā)育溶洞(溶隙)的灰?guī)r與周圍巖體及其上覆地層之間存在明顯的視電阻率、波速及密度等物性差異[5]，且往往具有一定的規(guī)律可尋，因此，可以利用物探方法探測地下溶洞的發(fā)育、分布情況[6]。利用電性差異的高密度電阻率法[7-8]和探地雷達方法[9]得到的結果往往具有多解性，電磁干擾等影響因素突出、探測深度有限;利用介質彈性特征差異的地震法[10](人工震源)施工難度大且在城鎮(zhèn)等人口密集區(qū)無法施工，應用受到限制。受巖溶發(fā)育的復雜性影響，上述各地面物探方法探測巖溶發(fā)育差異較大，由于巖溶發(fā)育差異大，基本靠鉆探解決，致使巖溶地面勘探成為目前一重大技術難題。近年來微動探測成為研究地層速度結構、劃分地層及探測地質構造的新技術之一[11-16]，因其利用天然場源無需人工源，儀器設備輕便，特別適用于交通繁忙、振動和電磁干擾嚴重的城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)，已在地熱調查、煤礦采區(qū)構造及采空區(qū)探測、城市地質調查、地鐵工程勘察等多個領域取得實用性成果[16-19]，但針對巖溶區(qū)的巖溶發(fā)育情況的專項研究工作還較少。

在三明城市地質調查項目中，筆者首先在研究區(qū)內坑邊(孔號3504810337)和霞鶴(孔號3504810336)兩處國家?guī)r溶地下水監(jiān)測鉆孔旁開展二維微動剖面探測工作并獲得剖面結果，通過與已知鉆孔資料的綜合對比分析，探討隱伏巖溶勘探方法，獲得覆蓋型巖溶區(qū)地下巖溶洞穴的分布、發(fā)育規(guī)律的新認識，為分析研究大湖盆地巖溶塌陷、巖溶地下水條件提供地球物理依據。

1 研究區(qū)地質背景

研究區(qū)(圖1)地處我國中亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，溫暖濕潤，降水充沛，多年平均降水量1 587.6～1 855.2 mm，氣候條件對巖溶發(fā)育極為有利。區(qū)內自晚石炭世開始至中二疊世經歷了二次大規(guī)模的海進過程[20]，使區(qū)域內成為均一的碳酸鹽臺地，形成厚200～600 m的船山組(P1c)微晶灰?guī)r及棲霞組(P2q)微晶生物屑灰?guī)r(圖1)。古近紀以來，菲律賓板塊的西向俯沖運動對我國東南沿海產生顯著影響，在此背景下研究區(qū)第四紀以來總體呈隆升趨勢，并因此持續(xù)遭受剝蝕[21-22]。

圖1 研究區(qū)地質略圖(含鉆孔及微動剖面位置)Fig.1 Simple geologic map of the study area

永安大湖盆地南北向呈長條形展布，沙溪由西向東從盆地中間穿過。以沙溪為界，盆地地形南北兩側高中間低。盆地內地層自上而下主要為第四紀黏土和礫石層、強風化砂巖、泥頁巖、灰?guī)r等(圖1)。盆地的形成歷經第四紀更新世因閩江支流沙溪水系溯源侵蝕作用，盆地由封閉堆積環(huán)境轉變?yōu)橥庑箘兾g環(huán)境，灰?guī)r上覆巖層逐漸遭受風化剝蝕、導致灰?guī)r局部裸露地表，伴隨地殼間歇性抬升運動，在地表水和地下水的溶蝕、侵蝕共同作用下逐漸發(fā)育而成?；?guī)r地層內有多層溶洞發(fā)育[23]，形成覆蓋型巖溶發(fā)育區(qū)，且至今巖溶作用仍較強烈[24]。根據區(qū)內原資源勘探鉆孔分析及本次研究現(xiàn)場調查，區(qū)域內溶蝕裂隙、溶洞發(fā)育，在垂直方向上大致呈層分布[25]，與區(qū)內新構造運動相對應。溶洞充填程度視其埋藏條件及其溶洞規(guī)模而定，區(qū)內溶洞充填率較高，一般充填率大于40%，埋藏愈淺、溶洞愈大、充填率愈高。溶洞充填物，上部多為黏土、砂礫、黏質砂土及中粗粒砂，深部多為砂礫層及角礫。

2 二維微動剖面探測

二維微動剖面探測是利用拾震儀按一定的觀測臺陣采集地面微動信號，并提取其中的瑞雷波相速度頻散曲線，再計算獲得地層視S波速度、獲得二維微動剖面(視S波速度剖面)，以達到劃分巖性層、探測地質構造的目的[16,26-28]。由于微動信號源自諸如地球的微地震、河水的流動、海浪擊岸及人類活動，屬于天然源，故微動探測具有利用天然源、探測深度大、抗干擾能力強等技術優(yōu)勢，相比其他地面物探方法特別適用于城鎮(zhèn)等電磁、振動干擾嚴重地區(qū)。該方法的縱向分辨率與觀測半徑相關，觀測半徑越小分辨率越高，因此在滿足勘探深度的情況下，最小臺陣半徑決定了縱向分辨率，二維剖面結果橫向分辨率由探測點間距決定。

為獲取200 m深度范圍內的可供對比分析的探測結果，先分別在坑邊(孔號3504810337，K孔，下同)和霞鶴(孔號3504810336，X孔，下同)兩處國家?guī)r溶地下水監(jiān)測鉆孔旁(位置如圖1所示)布置二維微動剖面觀測臺陣。在K孔附近布置6個探測點(K測線，K1～K6)形成坑邊剖面(K剖面)。受地形限制，探測點K1與K6間距為50 m，其余點距為20 m。在X孔附近布置7個探測點(X測線，X1～X7)形成霞鶴剖面(X剖面)，點距為20 m。

2.1 數(shù)據采集

微動數(shù)據采集采用由1 Hz拾震儀(垂直分量、速度型)和Datamark LS-8800型記錄儀(性能指標見表1)組成的MTKV-1C型微動勘察儀系統(tǒng)(圖2)。采用圖2(a)所示的四重圓形觀測臺陣采集微動數(shù)據，經試驗確定觀測半徑采用10，20，40和80 m。臺陣中各觀測點獨立進行采集數(shù)據，通過接收GPS衛(wèi)星信號自動實現(xiàn)時間同步。

表1記錄儀主要性能指標
Table1Mainparametersoftherecorder

項目主要性能指標型號(道數(shù))MTKV-1C型微動勘察儀系統(tǒng)(3道)輸入電壓±5 V增幅倍數(shù)1倍、2倍、4倍、8倍、16倍、OFF采樣頻率200,100 Hz動態(tài)范圍100 Hz采樣頻率時實際動態(tài)范128 dB時間校正內部GPS受信模塊實時時間校正數(shù)據儲存SD·SDH卡記錄方式連續(xù)記錄

實際工作中，先測試臺陣中各套儀器一致性，在相位、振幅、相干系數(shù)等達到一致性要求后，進行微動數(shù)據采集，實測采樣頻率為100 Hz，觀測時長20 min。

圖2 四重圓形觀測臺陣及微動數(shù)據采集系統(tǒng)框圖Fig.2 Illustration of the four-circle observation arrays and the observation equipment system

2.2 數(shù)據處理

二維微動剖面探測數(shù)據處理是從觀測的信號中提取瑞雷波相速度頻散曲線，通過頻散曲線轉換獲得視S波速度。本文采用空間自相關方法提取瑞雷波頻散曲線[26,29-30]。該方法是基于微動信號在時間和空間上平穩(wěn)隨機分布這一假設，利用微動信號中的垂向分量通過空間自相關法，對于相距r的兩個點的微動記錄作空間相關運算，方位平均后的空間自相關函數(shù)以基階貝塞爾函數(shù)來表示[29,31]，即

ρ(r,f)=J0[2πfr/c(f)]

(1)

式中，r為兩臺站間的距離;f為頻率;c(f)為瑞雷波相速度;ρ(r,f)為方位平均后的自相關系數(shù);J0為第一類零階貝塞爾函數(shù)。

空間自相關系數(shù)的頻率域計算公式為

(2)

式中，θ為臺站方位角;S(r,θ,f)為參考點記錄與其它記錄點的互功率譜;S0(0,f)和Sr(r,f)分別表示參考點和與其距離r的另一點記錄的自功率譜;Re表示取實部，確?？臻g自相關系數(shù)為實數(shù)。

利用式(3)計算瑞雷波相速度，得到相速度和頻率之間的關系，即頻散曲線。

(3)

式中，x為空間自相關曲線零極值點橫坐標值;f為0階第一類貝塞爾函數(shù)中的頻率值;c(f)為相速度;r為中心點和周邊觀測點的距離。

在獲得單點實測相速度頻散曲線后，為能更客觀和直觀地反映永安大湖盆地內的地層物理差異及巖溶發(fā)育的變化規(guī)律，避免反演過程中設置初始模型、反演選取結果等人為因素的影響，利用經驗公式(4)將其轉換成視S波速度(Vx)隨深度的變化(Vx-d)曲線，經橫向擬合光滑計算，獲得二維視S波速度剖面(Vx剖面)[16]。

(4)

式中，Vr為瑞雷波速度;Vx為視S波速度;ti為周期。

2.3 數(shù)據處理結果

采用上述方法從實測微動數(shù)據中提取頻散曲線，K線、X線兩條剖面各測點的頻散曲線如圖3所示。

頻散曲線均呈現(xiàn)出相速度隨頻率升高而降低，說明各探測點下方波速總體呈現(xiàn)隨深度增加而增大的趨勢，這與波速與地層埋深及密度的正相關性函數(shù)相一致。但頻散曲線不光滑，與介質結構復雜、巖性不均勻有關。

圖3 實測相速度頻散曲線Fig.3 Dispersion curves of Kengbian and Xiahe

3 鉆孔S波波速測試結果

K孔和X孔均為取芯孔并進行了橫波(S波)波速測井，鉆孔信息及波速度測井結果見表2，可為微動剖面的地質解釋提供巖性-波速標定依據?？赏ㄟ^兩處鉆孔揭示的巖層信息，總結區(qū)內S波速度具有以下特征。

(1)各地層S波速度如下:黏土層和殘積土層為175～250 m/s，礫石層為330～350 m/s，全風化砂巖為330～365 m/s，砂土狀強風化砂巖為625～652 m/s，砂土狀強風化頁巖+砂巖為505～530 m/s，碎塊狀強風化泥巖+頁巖為650～690 m/s，巖溶發(fā)育段灰?guī)r為720～850 m/s，巖溶不發(fā)育段灰?guī)r為1 120～1 320 m/s，溶洞段為530～660 m/s。

(2)巖溶發(fā)育段灰?guī)r對應的S波速度為720～850 m/s，對應的溶洞段的S波速度更低僅為530～660 m/s，與巖溶及地下巖溶洞穴發(fā)育形成了很好的對應關系，這為利用微動探測覆蓋型巖溶區(qū)未知地下巖溶發(fā)育情況提供了很好的物理依據及判別標準。

表2坑邊和霞鶴兩處鉆孔巖性及波速測井結果
Table2ResultsofboreholesinKengbianandXiahe

孔號鉆探結果(巖性)底界深度/m橫波速度/(m·s-1)黏土5.30250殘積土10.00185全風化砂巖14.1350K孔砂土狀強風化頁巖+砂巖38.40514砂土狀強風化砂巖74.98652巖溶發(fā)育段灰?guī)r136.11850溶洞段550～600巖溶不發(fā)育段灰?guī)r>1601 321黏土6.40240礫石層12.83330X孔碎塊狀強風化泥巖+頁巖41.63565～680巖溶發(fā)育段灰?guī)r130.02800～830溶洞段565～650巖溶不發(fā)育段灰?guī)r>1601 200

根據鉆孔巖芯信息，研究區(qū)巖性與視S波速度具有如下對應關系:黏土層和殘積土層為250～400 m/s，礫石層為400～900 m/s，全風化層為600～800 m/s，巖溶發(fā)育段灰?guī)r為1 000～1 600 m/s，其中灰?guī)r中溶洞視S波速度為300～850 m/s，巖溶中等—弱發(fā)育段灰?guī)r為1 700 m/s以上，表現(xiàn)為橫波速度較小且明顯比相對完整灰?guī)r的橫波速度為3 000～3 100 m/s[32]小很多。上述巖溶區(qū)的視S波速度特征，為剖面解釋提供了依據。

4 二維視S波速度剖面解釋巖溶構造

圖4所示為K，X剖面，結合鉆孔資料分析，我們可以獲得以下認識。

圖4 坑邊(左)和霞鶴(右)地區(qū)微動視S波速度剖面Fig.4 Microtremor Vx cross-section in Kengbian and Xiahe

2個剖面的溶洞發(fā)育處，波速異常均表現(xiàn)為低速異常，并可將隱伏灰?guī)r內的視S波速低于850 m/s的作為判斷地下巖溶(溶洞)發(fā)育的依據。不同地點同一灰?guī)r因溶洞規(guī)模、地下水豐度及溶洞充填情況等不同，視S波速度結構特征可能存在較大差異，因此，僅憑速度剖面解釋、劃分溶洞的規(guī)模特征是困難的，但如果利用少量鉆孔結果輔助標定，再結合視S波速度剖面特點，便可追蹤灰?guī)r溶洞的橫向變化，并分析其埋藏空間特征、規(guī)模和洞穴發(fā)育情況。

K剖面上，灰?guī)r段低速異常較為清晰且橫向上整體呈層狀(段)分布，雖然剖面長度較短但依然可以識別出其成層性，其與該處灰?guī)r發(fā)育的溶洞規(guī)模較大(洞高5.15～6.11 m)且地下水豐富有關，同時與區(qū)域內在新構造運動控制下在不同深度內發(fā)育有層狀溶洞相吻合[25]。埋深-45 m以上灰?guī)r內溶洞非常發(fā)育，而溶洞不發(fā)育處巖體相對完整，灰?guī)r視S波速度在1 900 m/s 以上，為巖溶發(fā)育深度探測提供了物理依據。相比之下，X剖面所在的霞鶴地區(qū)視S波速度整體偏低，這與該地區(qū)為地下水排泄區(qū)地下水異常豐富且?guī)r溶(溶洞)異常發(fā)育有關，其與鉆探揭示該孔灰?guī)r段溶洞異常發(fā)育相吻合，灰?guī)r段內S波速低速異常幅度較小且呈串珠狀分布，與該處灰?guī)r在埋深50～130 m段溶洞異常發(fā)育但溶洞規(guī)模較小且地下水豐富有關，同時與點東側約370 m處有一巖溶上升泉(流量達4 600 m3/d)出露相對應。

二處剖面上，低速異常在橫向上并不連續(xù)，表明研究區(qū)巖溶發(fā)育宏觀上雖然主要表現(xiàn)為成層性且地下巖溶洞穴整體形態(tài)呈層狀，但其發(fā)育形式主要應為巖溶管道型。這主要是由于研究區(qū)從第四紀以來的新構造運動為間歇性隆升為主[22]，使地下飽水帶間歇性下降，對處于不同時期飽水帶內的灰?guī)r因裂隙發(fā)育不均一性經巖溶差異性溶蝕形成，且深部巖溶發(fā)育與地下水沿裂隙深部循環(huán)有關。據微動探測成果結合區(qū)內灰?guī)r巖溶發(fā)育與S波速特征關系對比分析，推測研究區(qū)內巖溶相對發(fā)育的深度最大可達160 m。

5 覆蓋型巖溶區(qū)微動探測的應用

通過K，X剖面與鉆孔鉆孔信息的對比分析，發(fā)現(xiàn)視S波速度剖面揭示的巖溶發(fā)育特點與地質規(guī)律相符。為探討永安盆地巖溶發(fā)育規(guī)律，我們選擇有代表性的地段26線(圖1)進行探測研究。

如圖5所示，26線視S波速度剖面總體上呈現(xiàn)出巖溶成層性條帶狀分布，巖溶發(fā)育深度較大，其發(fā)育深度并不受區(qū)域侵蝕基準面控制(區(qū)域侵蝕基準面即沙溪河河底標高，為160 m)[25]，視S波速度在1 700 m/s以下。該微動探測剖面上揭露了多個獨立巖溶洞穴(低速異常，圖5中用黑線圈出)，在橫向上呈現(xiàn)出分層發(fā)育的特點，該剖面上整體表現(xiàn)為集中在30～10，-10～-25，-70～-100 m段巖溶發(fā)育。同時可以看出，巖溶發(fā)育層位的深度與地形起伏呈正相關，與地下水循環(huán)深度及構造發(fā)育部位、深度有很好的對應關系。后經與本次城市地質調查鉆孔YR5號鉆孔對比驗證，其對隱伏溶洞探測的空間位置基本吻合(圖5)，但視S波速度明顯受溶洞充填情況及充填物成分的影響。如圖5鉆孔結果與微動探測解譯成果對比分析，溶洞充填物為泥質時視S波速度較小，在-20～-50 m為礫質充填物且有膠結，其視S波速度較大，與區(qū)內礫石層相當甚至更高，但比完整灰?guī)r低，這有待進一步研究?？傊S微動剖面探測結果能較好揭示巖溶分布發(fā)育規(guī)律，可為指導巖溶區(qū)工程勘察、如鉆探孔布置提供依據，減少鉆探工程量。

圖5 永安盆地內26線二維微動剖面探測結果Fig.5 Microtremor Vx cross-section of Line 26

6 結 論

(1)采用二維微動剖面探測方法研究永安大湖盆地的巖溶分布及發(fā)育規(guī)律，結果表明，視S波速度對巖溶敏感，灰?guī)r巖溶發(fā)育、不發(fā)育段的視S波速度分別為1 000～1 600 m/s,1 700 m/s以上，灰?guī)r中溶洞的視S波速度為300～850 m/s，存在顯著差異。隱伏灰?guī)r層段，視S波速度低于850 m/s的區(qū)域可作為研究區(qū)判斷巖溶(溶洞)的依據。

(2)永安盆地內的巖溶、洞穴在橫向上發(fā)育并不連續(xù)，整體呈層狀，整體表現(xiàn)為集中在30～10 m，-10～-25 m，-70～-100 m灰?guī)r段巖溶發(fā)育，與地下水循環(huán)深度及構造發(fā)育深度有很好的對應關系，其發(fā)育形式主要應為巖溶管道型。

(3)在詳細地質測繪的基礎上，利用少量鉆孔結果作標定，采用微動視S波速度剖面，可解釋覆蓋型灰?guī)r巖溶/溶洞的發(fā)育規(guī)模、深度、空間位置及地下水的發(fā)育情況。

致謝感謝三明城市地質調查項目(201601)的支持;三明城市地質調查組成員參加野外調查并測量剖面和田寶卿博士在論文修改過程中給予的大量指導與幫助，在此一并表示感謝。