綜合物探方法在棲霞中橋地區(qū)溶洞塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

周治民

(山東省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，山東 煙臺(tái) 264003)

1 調(diào)查區(qū)概況

調(diào)查區(qū)位于山東省煙臺(tái)市棲霞中橋地區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢平坦，地表高程40～55m。地表分布的河流為東西向白洋河和近南北向燕地河，調(diào)查區(qū)地下水資源豐富。該區(qū)第四系以褐紅色腐植土、黏土、沙層為主，厚度5～30m，局部厚度達(dá)40m。第四系下伏新元古代蓬萊群香夼組灰?guī)r，灰?guī)r中裂隙發(fā)育、溶蝕現(xiàn)象明顯，局部發(fā)育溶洞。測區(qū)北部第四系下伏地層為青山群八畝地組。調(diào)查區(qū)侵入巖主要為灰綠玢巖脈、石英二長斑巖脈、煌斑巖脈等。

2016年6月--2017年7月，調(diào)查區(qū)多次發(fā)生由巖溶溶洞誘發(fā)的地面塌陷，塌陷坑直徑一般2～5m，分布面積約10km2。其中，2016年6月中旬，由于降雨量較大，中橋村內(nèi)發(fā)生多處地面塌陷，最為嚴(yán)重一處塌陷導(dǎo)致一戶房屋倒塌，周圍多戶民房裂開、傾斜。在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中，為查明地下巖溶溶洞及塌陷區(qū)分布情況，以中橋村為重點(diǎn)開展了綜合物探勘查工作。

2 地球物理特征與物探方法選擇

巖溶一般發(fā)育于灰?guī)r地區(qū)，灰?guī)r遭受強(qiáng)烈溶蝕作用形成巖溶溶洞。在地下水等地質(zhì)作用營力下，上覆土層中的砂土沿巖溶通道被帶走，導(dǎo)致地表發(fā)生塌陷。本區(qū)巖溶溶洞發(fā)育在新元古代蓬萊群香夼組灰?guī)r中，大部分溶洞為全充填或半充填，充填物一般為可塑--硬塑狀粉質(zhì)黏土。根據(jù)實(shí)地測量結(jié)果，區(qū)內(nèi)各類黏土的電阻率一般低于30～50Ω·m，青山群八畝地組的電阻率一般為50～500Ω·m，蓬萊群香夼組灰?guī)r的電阻率一般在1000Ω·m以上。由于本區(qū)的溶洞發(fā)育在潛水面以下，溶洞內(nèi)充填物一般飽和含水，因此，在電場上表現(xiàn)為低阻異常。根據(jù)本區(qū)實(shí)測資料，第四系黏土層的視電阻率(ρs)值一般小于30Ω·m，當(dāng)?shù)乇頌楦稍锫坊鶎訒r(shí)，大于100Ω·m。厚層灰?guī)r的視電阻率(ρs)值大于200Ω·m。當(dāng)灰?guī)r中存在巖溶溶洞時(shí)，電場上反應(yīng)為低阻異常特征，視電阻率值(ρs)在20～70Ω·m。

溶洞內(nèi)充填介質(zhì)的縱波波速Vp在1500～2000m/s之間，介質(zhì)為水時(shí)縱波波速Vp=1500m/s左右，如塌陷坑內(nèi)介質(zhì)為流塑狀軟土，則縱波波速Vp=1400～1600m/s。灰?guī)r的縱波波速Vp在4000～6000m/s之間。含水的第四系土層，縱波波速Vp在1800～2000m/s之間，溶洞與圍巖介質(zhì)存在較明顯的波速差異。

本次物探工作根據(jù)溶洞與圍巖巖石的物性差異，選用高密度電法、瞬變電磁法、地震頻率諧振勘探3種物探方法[1-3]，面上勘查以高密度電法為主，按照50～80m的網(wǎng)度布置測線；在高密度電法測量發(fā)現(xiàn)的異常區(qū)段，布置瞬變電磁法或地震頻率諧振方法進(jìn)行剖面測量，進(jìn)一步圈定溶洞及塌陷區(qū)引起的異常，起到不同物探方法相互驗(yàn)證的作用。最后，對物探推斷的溶洞及塌陷區(qū)進(jìn)行了鉆探驗(yàn)證[4-5]。

2.1 高密度電法測量

本次高密度電法測量[6-11]使用重慶奔騰數(shù)控研究所生產(chǎn)的WDA-1型高密度電法測量儀，采用斯貝裝置與三極裝置。由于斯貝裝置采集的數(shù)據(jù)具有更高的分辨率，但是，斯貝裝置獲得似倒梯形的二維電性剖面，在剖面兩端存在探測盲區(qū)。為了彌補(bǔ)剖面兩端的探測盲區(qū)，采用單邊三極裝置，可以獲得矩形地電斷面。所以在資料解釋時(shí)以斯貝裝置剖面為主，單邊三極裝置獲得矩形剖面為輔。

高密度電法測量剖面沿中橋村內(nèi)及周邊東西向布設(shè)，測線間距50～80m。同時(shí)沿南北向街道布設(shè)了少量剖面，共完成高密度電法測量剖面13條，電極距為5m，電極60根。

2.2 瞬變電磁法(TEM)

在高密度電法測量發(fā)現(xiàn)的異常地段進(jìn)行瞬變電磁法測量(TEM)[12-16]，TEM測量使用加拿大生產(chǎn)的PROTEM47型儀器，采用偶極裝置、發(fā)射線框匝數(shù)6m、邊長2m，接收采用圓形線圈，測量點(diǎn)距10m。共施工TEM測量剖面6條。

2.3 地震頻率諧振法

地震頻率諧振方法[17-20]是北京派特森公司研發(fā)的地震勘探方法，采用主動(dòng)源配合被動(dòng)源地震方法及疊加技術(shù)，形成三分量地震頻率諧振探測方法。在高密度電法發(fā)現(xiàn)的異常地段，施工地震頻率諧振法測量短剖面6條。

3 物探資料解釋

3.1 S-1試驗(yàn)剖面

首先通過中橋村東部的地表塌陷坑(TX1)，施工了高密度電法測量S-1試驗(yàn)剖面，受村內(nèi)街道通行限制，測量剖面長60m，因剖面較短，探測深度較淺。高密度電法采用斯貝裝置、電極距2m，電極30根。圖1是高密度電法視電阻率剖面圖，在剖面36～48點(diǎn)為低阻區(qū)，其中36～38點(diǎn)對應(yīng)地表塌陷坑(TX1)，剖面上呈現(xiàn)帶狀低阻異常(藍(lán)色區(qū))。由于巖溶溶洞導(dǎo)致土層塌陷而延伸至地表，塌陷坑內(nèi)充填含水黏土介質(zhì)，出現(xiàn)低阻異常反應(yīng)。剖面42～44點(diǎn)也出現(xiàn)有類似的帶狀低阻異常，推測地表下巖溶溶洞引發(fā)的第四系黏土(或砂土)層塌陷區(qū)。剖面36～48點(diǎn)之間的低阻異常區(qū)為巖溶溶洞導(dǎo)致土層塌陷區(qū)影響的范圍，南北寬12m。

1—驗(yàn)證鉆孔；2—推斷溶洞與塌陷區(qū)圖1 S-1高密度電法視電阻率剖面圖

在43點(diǎn)施工的驗(yàn)證鉆孔ZK-1，鉆孔揭露第四系厚16.5m，以下為灰?guī)r，25m以下灰?guī)r巖溶發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象明顯；在35～50m之間，揭露了2層溶洞，溶洞高1.2～1.5m。

后期，地表塌陷坑(TX1)施工了地震試驗(yàn)剖面，與電法的S-1剖面重合。圖2是S-1地震三分量頻率諧振波阻抗比值剖面圖。剖面淺部的黑色—黃色區(qū)為第四系砂土松散巖層；紅色區(qū)為灰?guī)r層，紅色背景中的黃色區(qū)為灰?guī)r上部的巖溶發(fā)育區(qū)。在-25m～-55m深度，在測線24～28、32～38、42～46點(diǎn)之間，在黑色背景區(qū)有灰白色低密度區(qū)，為巖溶、溶洞發(fā)育區(qū)。該剖面地震波速分層與鉆孔ZK-1揭露的地層基本吻合。

圖2 S-1地震三分量頻率諧振擬波阻抗比值剖面圖

3.2 物探L-1剖面

綜合物探L-1剖面沿中橋村地表塌陷坑(TX1)西側(cè)南北向街道布設(shè)，采用高密度電法斯貝裝置、電極距5m，電極數(shù)60個(gè)，圖3是L-1剖面高密度電法測量視電阻率擬斷面圖。剖面的210點(diǎn)對應(yīng)地表塌坑位置(塌坑西20m)，剖面上有明顯帶狀低阻異常(藍(lán)色區(qū))，推測由溶洞誘發(fā)黏土層塌陷引起，溶洞及塌坑充填介質(zhì)為含水黏土，所以在物探剖面圖上出現(xiàn)低阻異常。另外，L-1剖面130～150點(diǎn)為帶狀低阻異常，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，2015年該地段地面發(fā)生塌陷坑，已被當(dāng)?shù)卮迕裼蒙巴撂钇?。另外，在剖?20m～-60m深度，在50～70點(diǎn)、90～110點(diǎn)、170～190點(diǎn)、230～240點(diǎn)，有明顯“O”型低阻異常，推測下伏灰?guī)r層中發(fā)育巖溶溶洞，位于地下水位以下，溶洞被水或黏土充填，引起“O”型低阻異常。

在L-1線210點(diǎn)施工的驗(yàn)證孔ZK-3，揭露第四系厚度12.5m，在-34.95m～-64.35m，揭露2層1～2m厚的溶洞，在施工過程中發(fā)生掉鉆桿現(xiàn)象。

在高密度電法L-1剖面100～250點(diǎn)之間的異常區(qū)，施工了地震三分量頻率諧振勘查，地震剖面長150m，道間距5m。圖4是L-1地震剖面三分量頻率諧振擬波阻抗比值剖面圖，其中白色區(qū)域、灰色區(qū)域?yàn)橄鄬κ杷蓪?第四系黏土、砂土層)，紅色區(qū)域?yàn)榛規(guī)r區(qū)。黑色背景的白色區(qū)域?yàn)榛規(guī)r巖溶發(fā)育區(qū)，在剖面40～65點(diǎn)、黑色異常區(qū)明顯向下彎曲，與高密度電法140點(diǎn)的低阻異常位置吻合，對應(yīng)地表塌陷坑的位置。在86～114點(diǎn)紅色背景區(qū)，有白色—灰色異常區(qū)域?yàn)閹r溶發(fā)育帶，對應(yīng)高密度電法低阻異常區(qū)，為灰?guī)r中的巖溶及溶洞引起。地震勘探剖面能夠比較詳細(xì)地劃分出巖溶溶洞及第四系松散層的分布范圍。

1—驗(yàn)證鉆孔；2—推斷溶洞與塌陷區(qū)圖3 L-1高密度電法測量視電阻率擬斷面圖

3.3 物探L-2剖面

物探L-2剖面沿中橋村東西向街道布設(shè)，先施工了高密度電法測量，在異常區(qū)施工了瞬變電磁法及地震勘探測量，圖5是L-2剖面高密度電法與瞬變電磁法視電阻率剖面圖。

L-2剖面100點(diǎn)對應(yīng)中橋村已發(fā)生的地表塌陷坑，高密度電法剖面有明細(xì)的低阻異常反應(yīng)。另外，在70～110、170、210點(diǎn)，高密度電法有“V”型、“O”型低阻異常反應(yīng)，ρs值為35～50Ω·m。

瞬變電磁法剖面的淺部，視電阻率曲線變化比較平穩(wěn)。在20m～-40m深度，為明顯的低阻層，主要反應(yīng)第四系含水層與灰?guī)r上部的溶蝕層，與地震諧波勘探的松散層相對應(yīng)。在-40m以下，視電阻率值向下逐漸增大，等值線密集，為高阻的灰?guī)r層的反映。在L-2剖面的60～110點(diǎn)、160～170點(diǎn)、210點(diǎn)有低阻異常顯示，與高密度電法低阻異常位置基本對應(yīng)，推測為灰?guī)r中巖溶及溶洞所引起。由于本區(qū)第四系含水層的低阻屏蔽作用，瞬變電磁法對于淺部巖溶及溶洞反應(yīng)不明顯。

在L-2電法剖面異常區(qū)38～120點(diǎn)施工了地震勘探,圖6是L-2地震三分量頻率諧振擬波阻抗比值圖。該剖面上部(0～25m)黑色—灰白色區(qū)域?yàn)橄鄬κ杷蓪?。剖面中—深?25～60m)的紅色區(qū)域?yàn)榛規(guī)r分布區(qū)，黃色區(qū)域?yàn)榛規(guī)r溶蝕區(qū)，在紅色背景區(qū)的灰色色區(qū)為巖溶和溶洞發(fā)育區(qū)。

圖4 L-1地震三分量頻率諧振擬波阻抗比值剖面圖

1—驗(yàn)證鉆孔；2—推斷溶洞與塌陷區(qū)圖5 L-2高密度電法與瞬變電磁法視電阻率剖面圖

對應(yīng)地震剖面淺部(0～25m)38～50點(diǎn)、70～84點(diǎn)，灰色背景區(qū)中出現(xiàn)的黑色異常區(qū)，推測為第四系砂土層的塌陷區(qū)，由于塌陷黏土層松動(dòng)而松散，波速變小而引起。在剖面深部(25～60m)38～40點(diǎn)、72～82點(diǎn)，在紅色背景區(qū)出現(xiàn)灰白色異常區(qū)，為灰?guī)r中發(fā)育的巖溶溶洞，巖溶溶洞充填物為流塑狀軟土，縱波波速Vp=1400～1600m/s，引起較明顯低波速異常。

圖6 L-2地震三分量頻率諧振擬波阻抗比值圖

為驗(yàn)證上述推斷結(jié)果，在L-2線100點(diǎn)(地震測線40點(diǎn))施工了驗(yàn)證孔ZK4。鉆孔揭露第四系厚度24.25m，以下為灰?guī)r,灰?guī)r巖溶發(fā)育，在41～45m之間，揭露溶洞2層，溶洞高1.5～2m。

3.4 物探L-10剖面

物探L-10剖面布置在中橋村南部，先施工了高密度電法測量、在異常區(qū)200～500點(diǎn)又施工了瞬變電磁法測量，圖7是L-10視電阻率剖面圖。在高密度電法剖面240～260點(diǎn)、290～310點(diǎn)、340～360點(diǎn)、380～400點(diǎn)、430～450點(diǎn)之間有明顯“O”型低阻異常，視電阻率值35～50Ω·m，根據(jù)物性資料和異常分布，推測該地段第四系下伏的灰?guī)r中巖溶溶洞發(fā)育。

1—驗(yàn)證鉆孔；2—推斷溶洞與塌陷區(qū)圖7 L-10視電阻率剖面圖

從圖7瞬變電磁法測量(TEM)剖面分析，淺部視電阻率曲線比較平穩(wěn)，反映淺部第四系及基巖風(fēng)化層的變化較小。在-40m以下，視電阻率向下逐漸增大，等值線密集，為深部高阻的灰?guī)r層的反映。在TEM測量剖面310～400點(diǎn)，為明顯的低阻異常區(qū)，與高密度電法低阻區(qū)基本對應(yīng)，推測上述異常區(qū)為巖溶溶洞分布區(qū)。從剖面可以看出，瞬變電磁探測深度較大，對深部規(guī)模較小的低阻異常體也有較高的分辨率。

為驗(yàn)證上述推斷結(jié)果，在L-10剖面395點(diǎn)施工驗(yàn)證孔GK-2，鉆孔揭露第四系厚25.2m，以下為灰?guī)r；在27.5～32.2m見3層溶洞，溶洞充填物為黏土，55.6～60m為塊狀灰?guī)r(圖8)。

圖8 L-10剖面GK-2鉆孔巖心照片

4 結(jié)論

本次巖溶溶洞及塌陷區(qū)的探測采用高密度電阻率法、瞬變電磁法和地震頻率諧振法三種物探方法進(jìn)行綜合物探勘探與解釋，取得了比較理想的勘探效果。根據(jù)高密度電法剖面上“V”“O”型低阻異常特征及分布規(guī)律，結(jié)合其他物探方法進(jìn)行綜合解釋與鉆探驗(yàn)證，快速、高效的圈出了巖溶溶洞及塌陷區(qū)的分布范圍及空間分布形態(tài)。鉆探驗(yàn)證結(jié)論與推斷結(jié)果基本一致，驗(yàn)證情況佐證效果好，可信度高。由于淺部低阻屏蔽，瞬變電磁法對于淺部巖溶溶洞的反應(yīng)不明顯，對中深部巖溶裂隙構(gòu)造、溶洞反應(yīng)比較明顯。地震頻率諧振勘探方法可以較詳細(xì)劃分巖溶溶洞及第四系塌陷區(qū)空間分布形態(tài)。