物探技術(shù)在徐州城市地質(zhì)調(diào)查中的應(yīng)用

蔣波 黃敬軍 姜國(guó)慶 張麗 武鑫 徐士銀

摘? 要：徐州是江蘇省地質(zhì)環(huán)境最脆弱的城市，巖溶塌陷、采空塌陷等地質(zhì)災(zāi)害和區(qū)域穩(wěn)定性問(wèn)題已影響經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，解決城市地質(zhì)問(wèn)題已成為徐州城市地質(zhì)調(diào)查的首要任務(wù)。物探屬于無(wú)損探測(cè)技術(shù)，憑借高效、經(jīng)濟(jì)、施工靈活、信息豐富，探測(cè)效果好等優(yōu)點(diǎn)在城市地質(zhì)調(diào)查中應(yīng)用廣泛。徐州城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目在實(shí)施過(guò)程中，采用了可控源音頻大地電磁、高密度電阻率、瞬變電磁和地質(zhì)雷達(dá)4種物探技術(shù)，結(jié)合鉆孔驗(yàn)證和區(qū)域地質(zhì)資料對(duì)比，查證了主要斷裂帶分布位置，判別了巖溶發(fā)育和上覆松散層古河道分布特征，識(shí)別采空區(qū)空間特征和邊界條件，為區(qū)域穩(wěn)定性、巖溶塌陷易發(fā)性及采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：物探技術(shù);可控源音頻大地電磁;高密度電阻率;城市地質(zhì)調(diào)查;徐州

中圖分類號(hào)：P631? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1007-1903（2019）03-0101-08

Geophysical Technology Applied to Xuzhou Urban Geological Survey

JIANG Bo1，2， HUANG Jingjun1，2， JIANG Guoqing1，2， ZHANG Li1，2， WU Xin1，2， XU Shiyi1，2

（1. Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster of MLR， Nanjing 210018;

2. Geological Survey of Jiangsu Province， Nanjing 210018）

Abstract： Xuzhou is the most fragile city of geological environment in Jiangsu Province. Geological disasters such as karst collapse and goaf collapse and regional stability problems have affected the sustainable development of the economy and society. Solving urban geological problems has become the primary task for Xuzhou urban geological survey. Geophysical prospecting belongs to the non-destructive detection technology. It is widely used in urban geological investigations due to its advantages of high effectiveness， economy， flexible construction， rich information and good detection effect. During the implementation process of Xuzhou urban geological survey， four geophysical techniques including controlled source audio-frequency magnetotelluric， high-density resistivity， transient electromagnetic and geological radar have been adopted. Combined with borehole verification and regional geological data comparison， the location of the major fault zones has been verified， the distribution characteristics of the karst development and the loose strata in paleo-channel has been identified， and the basis of spatial characteristics for boundary conditions of the goaf collapse area has been identified， which can provide the basis of evaluation for regional stability， karst collapse susceptibility and goaf collapse stability.

Keywords： Geophysical technology; Controlled source audio-frequency magnetotelluric; High-density resistivity; Urban geological survey; Xuzhou

0 引言

隨著城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的規(guī)?；l(fā)展，地質(zhì)條件及地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題對(duì)城市發(fā)展的影響日益突出，開(kāi)展城市地質(zhì)調(diào)查，解決城市地質(zhì)問(wèn)題已成為當(dāng)務(wù)之急。城市地質(zhì)勘察中最多的方法是地質(zhì)鉆探，但城市區(qū)域受施工場(chǎng)地、城市交通等多方面因素的限制，施工難度較大，隨著地球物理勘探新技術(shù)和新方法的推廣，越來(lái)越多的物探技術(shù)應(yīng)用于城市地質(zhì)勘探中。物探技術(shù)高效、經(jīng)濟(jì)、施工靈活、信息豐富、探測(cè)效果好（李遠(yuǎn)強(qiáng)，2015），屬于無(wú)損探測(cè)技術(shù)，對(duì)探查目的物和已建場(chǎng)地沒(méi)有任何影響，在城市地質(zhì)勘察中所起到的作用是無(wú)可替代的。

徐州是江蘇第4個(gè)開(kāi)展城市地質(zhì)調(diào)查的城市，工作區(qū)域?yàn)樾熘莩鞘幸?guī)劃區(qū)，面積3126km2，項(xiàng)目從基礎(chǔ)地質(zhì)、地質(zhì)資源、地質(zhì)環(huán)境、綜合研究、信息系統(tǒng)五個(gè)層面上展開(kāi)工作，系統(tǒng)查明了城市規(guī)劃區(qū)基巖地質(zhì)、第四紀(jì)地質(zhì)、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、巖溶地質(zhì)、煤田地質(zhì)條件，摸清了地下水、地下空間、富硒耕地、山體等地質(zhì)資源稟賦特征，探求了區(qū)域穩(wěn)定性、巖溶塌陷、采空塌陷、土壤環(huán)境等地質(zhì)問(wèn)題誘發(fā)因素，從劃定巖溶水水位紅線、構(gòu)建采空區(qū)地下水庫(kù)、調(diào)整城市“三線”等方面，找尋資源供給保障與環(huán)境安全對(duì)策（花修權(quán)，2015;姜素等，2018）。項(xiàng)目在勘查過(guò)程中，為查證5條主要斷裂位置，布設(shè)4條可控源音頻大地電磁法測(cè)線（10.96km）和1條高密度電阻率法測(cè)線（4.49km）;為識(shí)別賈汪、九里煤田采空區(qū)空間結(jié)構(gòu)及邊界條件，布設(shè)4條可控源音頻大地電磁法測(cè)線（16.42km）和6條高密度電阻率法測(cè)線（11.94km）;為查明主城區(qū)巖溶發(fā)育層位和上覆松散層古河道特征，布設(shè)40條可控源音頻大地電磁法測(cè)線（49.84km），9條瞬變電磁法測(cè)線（11.62km），35條地質(zhì)雷達(dá)法測(cè)線（4.73km）。

1 地質(zhì)條件及地球物理特征

1.1 地質(zhì)條件

徐州市屬華北地層區(qū)魯西分區(qū)徐宿地層小區(qū)，新元古界主要為震旦系—南華系海相碳酸鹽巖沉積及濱淺海碎屑巖沉積，下古生界寒武系—奧陶系為碳酸鹽巖為主兼有頁(yè)巖、砂巖等碎屑巖的地層，上古生界石炭系—二疊系為含煤巖系及陸相紅色碎屑巖，中生界侏羅系—白堊系為火山碎屑巖、沉火山碎屑巖沉積，新生界古近紀(jì)系為碎屑巖沉積（圖1），上覆第四系為松散沉積物。徐州市最主要的構(gòu)造是徐宿弧形構(gòu)造，由一系列弧形褶皺（復(fù)式背斜與復(fù)式向斜）和斷裂組成，構(gòu)造走向與山脈走向一致，背斜核部主要由震旦系組成，向斜核部由二疊系組成。煤系地層有二疊系下石盒子組和山西組、石炭系太原組，下石盒子組含煤地層含煤3～5層，1煤、2煤、3煤為可采層煤;山西組含煤地層含煤2～6層，7煤、8煤、9煤、10煤為可采層煤;太原組含煤地層含煤8～12層，17煤、18煤、20煤、21煤為可采層煤。震旦系、寒武系和奧陶系碳酸鹽巖為可溶巖地層，奧陶系馬家溝組、三山子組、寒武系張夏組、震旦系九頂山組、趙圩組地層巖石中酸不溶物含量<10%，為純碳酸鹽巖地層，是巖溶發(fā)育的主要地層，尤其是陶系馬家溝組和寒武系張夏組;奧陶系賈汪組、寒武系炒米店組、饅頭組上段和震旦系望山組、魏集組、倪園組、賈園組地層巖石中酸不溶物含量10%～50%，為不純碳酸鹽巖，巖溶發(fā)育相對(duì)較弱。

1.2 地球物理特征

依據(jù)已有物性資料，徐州城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)第四系松散沉積物表現(xiàn)為低阻，粉砂的電阻率20～30Ω·m、粉土和粉質(zhì)粘土的電阻率15～25Ω·m、粘土的電阻率10～20Ω·m;碳酸鹽巖及碎屑巖表現(xiàn)為高阻，白堊系火成巖和侏羅系粉砂巖、含礫砂巖電阻率20～400Ω·m，寒武系—奧陶系灰?guī)r、白云巖電阻率20～500Ω·m，震旦系泥晶灰?guī)r、白云巖電阻率400～1000Ω·m，顯然，基巖電阻率高于上覆土層數(shù)十倍，是良好的電性高阻標(biāo)志層。隱伏巖溶區(qū)的溶洞和采空區(qū)類似，充填、半充填的溶洞和充水的采空區(qū)呈現(xiàn)出低阻，未充填的溶洞和未充水的采空區(qū)相對(duì)于圍巖地層表現(xiàn)為高阻特征（姜國(guó)慶等，2015），這種電阻率的差異適合探測(cè)基巖埋深、巖溶發(fā)育情況及確定采空區(qū)的邊界范圍及充水情況。

2 物探在徐州城市地質(zhì)調(diào)查中解決的問(wèn)題

2.1 查證斷裂構(gòu)造帶位置

廢黃河斷裂是區(qū)內(nèi)具備一定程度發(fā)震能力和地震危險(xiǎn)性最大的斷層之一（張鵬等，2014），由3～4條大致平行的斷裂組成，斷裂帶總體走向NWW，傾向SW，隱伏于第四系之下，延伸方向基本與廢黃河展布方向一致，橫切區(qū)內(nèi)所有復(fù)式褶皺，南北主干斷裂均為上盤下降、下盤上升的正斷層。第四紀(jì)以來(lái)為張性活動(dòng)，斷裂帶內(nèi)堆積洼地相對(duì)緩慢下降，而兩側(cè)低山丘陵繼續(xù)抬升，在地貌上表現(xiàn)為負(fù)地形，沿?cái)嗔研纬梢幌盗写闋钫共嫉暮?。為查證該斷裂帶向東走向，進(jìn)行區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，在觀音國(guó)際機(jī)場(chǎng)北布設(shè)NE向高密度電阻率法測(cè)線，測(cè)線總長(zhǎng)4.49km，最小電極距10m。由電阻率斷面圖可知，以2000m樁號(hào)為界，南北兩側(cè)電性差異顯著，南側(cè)地層電阻率變化平穩(wěn)，橫向電阻率等值線成層性較好，斷裂構(gòu)造不發(fā)育;北側(cè)地層電阻率變化較為劇烈，橫向電阻率等值線成層性差，波浪起伏明顯，特別是2200～3200m樁段地層電阻率變化最為劇烈，實(shí)測(cè)視電阻率斷面圖上為多處電阻率等值線橫向拐折，反演電阻率斷面上表現(xiàn)為4處（2450m、2850m、3100m和3900m）明顯的電阻率等值線橫向錯(cuò)斷，推斷存在斷裂構(gòu)造，斷層傾向南，傾角相對(duì)較陡（圖2），推斷斷層與地質(zhì)圖標(biāo)定斷層一致。

2.2 判別巖溶發(fā)育層位和古河道特征

巖溶塌陷是“巖溶-蓋層-水”構(gòu)成的系統(tǒng)在各種因素下表現(xiàn)出來(lái)的系統(tǒng)失穩(wěn)過(guò)程在地表的宏觀表現(xiàn)，巖溶發(fā)育和覆蓋層結(jié)構(gòu)是巖溶塌陷的內(nèi)因。巖溶發(fā)育尤其是發(fā)育向上開(kāi)口的溶洞，為地下水強(qiáng)烈活動(dòng)和塌落物質(zhì)的運(yùn)移提供了有利空間;覆蓋層結(jié)構(gòu)中“單一透水型蓋層”（砂土單層結(jié)構(gòu)）和“透-阻型蓋層”（砂性土-粘性土雙層結(jié)構(gòu)），在地下水流沖刷及潛蝕作用下，土粒被水帶走而形成土洞，產(chǎn)生滲透變形破壞。在降雨等觸發(fā)因素下塌陷（黃敬軍等，2017;2019）。因此，查明隱伏巖溶區(qū)巖溶發(fā)育分布特征和上覆土層結(jié)構(gòu)特征是巖溶塌陷地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)的主要目標(biāo)任務(wù)，本次采用高密度電阻率和瞬變電磁法，結(jié)合鉆探的勘探手段判別巖溶發(fā)育位置和上覆松散層土層結(jié)構(gòu)及古河道分布特征。

2.2.1 上覆土層結(jié)構(gòu)及巖溶發(fā)育層位判別

（1）高密度電阻率和瞬變電磁綜合勘探

三環(huán)南路高密度電阻率和瞬變電磁綜合物探線，測(cè)線長(zhǎng)度1495m，測(cè)線方向?yàn)榻媳毕?，最小電極距5m。由電阻率斷面圖可知，由淺到深分2個(gè)電性層，0～20m為相對(duì)低阻層，地層電阻率低于20Ω·m，推斷為第四系粘土;20m以深為相對(duì)高阻層，電阻率100～500Ω·m，推斷為奧陶系灰?guī)r，由此可知該測(cè)線下方覆蓋層結(jié)構(gòu)為“粘土單層結(jié)構(gòu)”，表明該處為阻型蓋層。

反演電阻率斷面圖上750～800m樁號(hào)附近在高密度電阻率法和瞬變電磁法斷面上均表現(xiàn)為較為明顯的“V”字型低阻異常，符合基巖面附近巖溶異常的電性特征，推斷為巖溶異常區(qū)，存在斷裂構(gòu)造，推斷斷層傾向北，傾角70°左右。高密度斷面在100～220m、700～850m和1000～1130m樁號(hào)處存在3處巖溶破碎區(qū)，瞬變電磁斷面800～920m和1020～1130樁號(hào)存在明顯的巖溶異常區(qū)低阻反映（圖3）。

（2）地質(zhì)雷達(dá)勘探

市文化大廈后院的地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線長(zhǎng)24m，測(cè)點(diǎn)距0.2m，斷面圖上26m深度附近存在連續(xù)性好、波組清晰、信號(hào)強(qiáng)的反射波組，推斷為基巖面。12～16m樁的16～18m深、20～24m樁的21～23m深，可見(jiàn)2處雙曲線異常，推斷為土洞。8～12m樁的26～29m深反射波同相軸明顯錯(cuò)斷，反射波較為凌亂，且反射波延遲，推斷為巖溶破碎帶。該處的YGC43-1工程孔揭露地層表明：基巖埋深26.30m，26.30～29.60m揭露未充填溶洞，地質(zhì)雷達(dá)推斷基巖面、溶洞位置與鉆探驗(yàn)證結(jié)果基本吻合（圖4）。

2.2.2 上覆松散層古河道圈定

2014年3月21日銅山柳新鈕莊發(fā)生巖溶塌陷，塌陷坑直徑2m，可見(jiàn)深度1.5m，為查明巖塌陷形成的地質(zhì)條件，在巖溶塌陷區(qū)域布設(shè)6條高密度電阻率法測(cè)線，試圖找出上覆松散層土層結(jié)構(gòu)及流經(jīng)該區(qū)域的古泗水河道位置。從L3線高密度電阻率法綜合斷面（圖5）可知，塌陷區(qū)域由淺到深可分為3個(gè)電性層，淺部為高電阻率的第四系砂性土，電阻率在15Ω·m以上，底部為高電阻率的碳酸鹽巖，電阻率大于500Ω·m，中間為低電阻率的第四系粘土，電阻率低于15Ω·m。由此可判別該區(qū)域巖溶塌陷發(fā)育的地質(zhì)模式為“透-阻型蓋層”。

實(shí)測(cè)視電阻率斷面上510～720m樁號(hào)±0m高程以淺，電阻率等值線明顯表現(xiàn)為橫向不連續(xù)，表現(xiàn)出自上而下貫通的高阻異常區(qū)，經(jīng)二維反演后該高阻異常區(qū)表現(xiàn)為下凹的弧形特征，對(duì)比鉆孔資料及數(shù)值模擬結(jié)果，可知該異常形態(tài)為全新世古河道形態(tài)，推斷該樁號(hào)段為古泗水河道位置，古河道下方老粘土層遭受侵蝕變薄，而在遠(yuǎn)離古河道的位置，第四系覆蓋層則表現(xiàn)為較為平整的砂性土—粘土雙層結(jié)構(gòu)。

由反演電阻率斷面三維立體圖（圖6）可知，10m和20m高程的反演電阻率平面上顯現(xiàn)一條高阻條帶，NNW走向的高阻帶內(nèi)地層電阻率超過(guò)15Ω·m，對(duì)應(yīng)地層為全新世砂性土（粉砂和粉土），兩側(cè)地層電阻率則相對(duì)較低，對(duì)應(yīng)地層為全新世粘性土（粘土、粉質(zhì)粘土），據(jù)此推斷高阻條帶為古河道位置。各斷面上古河道造成的高阻帶連續(xù)性好，據(jù)此也可確定古河道寬度及邊界（姜國(guó)慶等，2018）。

2.3 識(shí)別采空區(qū)空間特征和邊界條件

徐州是全國(guó)重要煤炭能源基地之一，煤炭資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用給徐州城市規(guī)劃區(qū)留下了140km2的采空區(qū)，但由于開(kāi)采歷史久、開(kāi)采層次多及小煤窯的不規(guī)范開(kāi)采，使煤礦采掘資料不全，采空區(qū)分布不明。為評(píng)價(jià)采空區(qū)穩(wěn)定性，通過(guò)物探方法查清采空區(qū)分布狀況，為城市規(guī)劃建設(shè)提供了重要的基礎(chǔ)資料和地質(zhì)依據(jù)。

2.3.1 采空區(qū)空間分布特征查證

九里煤田主采煤層為上石炭統(tǒng)太原組20、21煤層、下二疊統(tǒng)山西組7、9煤層和下石盒子組1、2、3煤層，由于構(gòu)造復(fù)雜，NE-SW展布復(fù)式褶皺被一系列NE向的斷層復(fù)雜化，逆沖推覆構(gòu)造改變了原始地層賦存狀態(tài)（張傳鳳等，2015），分割了煤系地層的完整性，全區(qū)可采僅2、7煤層，其它為零星可采，造成煤田內(nèi)煤礦開(kāi)采分散，煤礦開(kāi)采后形成的采空區(qū)相對(duì)獨(dú)立。為查證已有采空區(qū)資料的準(zhǔn)確性，布設(shè)4條穿越多個(gè)礦區(qū)的可控源音頻大地電磁測(cè)線，其中3號(hào)線穿越龐莊礦和王莊礦采空區(qū)。

反演電阻率斷面圖顯示，由淺到深地層電阻率逐漸升高，淺部電阻率10～20Ω·m的低阻層推斷為第四系粘土、粉土，其下電阻率20～200Ω·m，推斷為二疊系和石炭系砂質(zhì)頁(yè)巖、砂巖，據(jù)龐莊礦和王莊礦地質(zhì)資料，二疊系有可采煤層7、9煤，石炭系有可采煤層20、21煤。深部高阻地層推測(cè)為奧陶系灰?guī)r?；鶐r電阻率呈現(xiàn)兩端高中間低，中間地層電性平緩，兩側(cè)地層上抬，推斷該測(cè)線由3個(gè)褶皺組成，由南向北依次為向斜、背斜和向斜。圖7上2000-2500m點(diǎn)號(hào)和4200-4800點(diǎn)號(hào)電阻率等值線呈現(xiàn)明顯的“V”字型低阻異常，推斷該區(qū)段煤層已經(jīng)被開(kāi)采，且頂板離層、空洞、裂縫具有一定的含水性;2500-4200點(diǎn)號(hào)間地層連續(xù)性好，未發(fā)現(xiàn)明顯的煤層采空區(qū)低阻或高阻電性異常，推斷此處煤層未被開(kāi)采。

2.3.2 采空區(qū)空間邊界條件判別

賈汪煤田是徐州最開(kāi)采的煤礦區(qū)，主采煤層為上石炭統(tǒng)太原組17、20、21煤層、下二疊統(tǒng)山西組7、9煤層和下石盒子組1、3煤層。由于開(kāi)采歷史悠久（130多年）、鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤窯多（200多家）、開(kāi)采層深度差異大（10～1000m）、多次復(fù)采（小礦復(fù)采大礦的殘留煤柱），造成采空區(qū)資料不完整，可信度差，為判別采空區(qū)邊界，尤其是西部與巖溶水源地的關(guān)系，垂直邊界布設(shè)6條高密度電阻率測(cè)線。

30線實(shí)測(cè)視電阻率斷面（圖8）顯示，900m樁號(hào)以東淺部存在一層相對(duì)低阻層，電阻率10～20Ω·m，推斷為第四系粉土和粘土。低阻層下方東西兩側(cè)電性差異顯著，1100m樁號(hào)以西地層電阻率超過(guò)100Ω·m，且電性變化平緩，推斷為奧陶系馬家溝組灰?guī)r，以東地層電阻率20～100Ω·m，且電性變化劇烈，推斷地層為二疊、石炭系砂巖、含礫砂巖夾煤層。1500～1800m樁號(hào)上石炭統(tǒng)太原組可采煤層（17、20、21煤）位置，電阻率等值線呈現(xiàn)明顯的“V”字型低阻異常，且低阻等值線拐點(diǎn)的連線與煤層產(chǎn)狀基本一致，推斷為煤層采空區(qū)且含水;1850～2050m樁號(hào)下二疊統(tǒng)山西組可采煤層（7煤）位置，電阻率等值線明顯下凹，低阻特征明顯，為典型的充水采空區(qū)異常電性特征，推斷為煤層采空區(qū)。

綜合分析6條高密度電阻率測(cè)線推知，賈汪煤田西部采空邊界位于10線1600m樁號(hào)、20線1700m樁號(hào)、30線1500m樁號(hào)和40線800m樁號(hào)，北部采空邊界位于50線400m樁號(hào)和60線600m樁號(hào)，據(jù)此圈定的采空區(qū)邊界如圖9所示。

3 結(jié)語(yǔ)

城市地質(zhì)調(diào)查是城市建設(shè)發(fā)展的基礎(chǔ)性和先行性工作，是緩解城市地質(zhì)資源約束、保障城市地質(zhì)環(huán)境安全、促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要舉措。受施工場(chǎng)地、城市交通等因素的限制，物探技術(shù)在城市地質(zhì)調(diào)查中起到的作用越來(lái)越重要，是摸清城市地質(zhì)資源，保障城市地質(zhì)安全，構(gòu)建城市三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)必然采取的技術(shù)手段。徐州城市地質(zhì)調(diào)查采用了可控源音頻大地電磁、高密度電阻率、瞬變電磁和地質(zhì)雷達(dá)4種物探技術(shù)進(jìn)行斷裂構(gòu)造探查定位、巖溶及采空等不良地質(zhì)體探查，應(yīng)用于區(qū)域穩(wěn)定性、巖溶塌陷易發(fā)性及采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

但物探技術(shù)也受到外部客觀環(huán)境的制約，如在探查采空區(qū)的高密度電阻率測(cè)線穿過(guò)高壓輸電線路，不可避免地影響原始數(shù)據(jù)質(zhì)量，雖在數(shù)據(jù)處理中采取了畸變點(diǎn)剔除、濾波等有效技術(shù)手段來(lái)壓制干擾，但是探測(cè)結(jié)果仍不可避免地受到影響。因此，在使用物探成果時(shí)應(yīng)結(jié)合采礦資料及鉆探數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，可減少由于干擾及多解性而帶來(lái)的誤判，提高解釋的準(zhǔn)確度。同時(shí)，應(yīng)加大開(kāi)發(fā)研究新技術(shù)、新方法和新儀器的力度，改進(jìn)探測(cè)資料處理與解釋技術(shù)，推進(jìn)城市工程地球物理探測(cè)技術(shù)發(fā)展。

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