平原區(qū)深層隱伏巖溶塌陷主控因子地球物理調(diào)查方法適用性分析

房 浩，李巧靈，雷曉東，王海剛，李 晨，關(guān) 偉，何 祎

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875；2. 中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081；3.北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，北京 100120)

深層隱伏巖溶塌陷受空間位置、地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件等因素的影響，成因非常復(fù)雜。通常，200～500 m的中深部灰?guī)r，因地下水運(yùn)動(dòng)方向逐漸從垂直過(guò)渡為水平，水力梯度較大，巖溶較為發(fā)育；500 m以深的厚層灰?guī)r，因現(xiàn)代巖溶與古巖溶疊加發(fā)育，容易形成巖溶陷落柱、巖溶空洞、巖溶暗河等。

目前，巖溶塌陷的調(diào)查研究多以淺部巖溶(100 m以淺)為主，常用的調(diào)查方法主要有電(磁)法、重力法、地震反射法等。陳貽祥等[1]、鐘文勝等[2]、劉文錦等[3]研究了重力測(cè)量在塌陷、土洞及巖溶漏斗等方面的探測(cè)效果，認(rèn)為垂直梯度測(cè)量對(duì)于埋藏淺、規(guī)模小的巖溶反應(yīng)靈敏，分辨率較高，而對(duì)于埋藏較深的基巖溶洞，則容易受基巖局部構(gòu)造影響。底青云等[4]、陳玉玲等[5]、張興昶等[6]分析了可控源音頻大地電磁測(cè)深法(Controlled Source Audio-frequency Magnetotellrics,CSAMT)在巖溶探測(cè)中的應(yīng)用效果，認(rèn)為該方法在淺地表巖溶探測(cè)方面分辨力不夠，應(yīng)用受限，但在深埋巖溶地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。高密度電法在巖溶勘察中的應(yīng)用實(shí)例較多，蔡晶晶等[7]、黃紹逵等[8]、江玉樂(lè)等[9]對(duì)多個(gè)應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了分析，認(rèn)為該方法具有較好的應(yīng)用效果，但探測(cè)深度容易受限。李巧靈等[10]、張偉等[11]、沈雨憶等[12]研究了瑞雷面波法在巖溶調(diào)查中的應(yīng)用效果，認(rèn)為該方法可以有效推斷覆蓋層結(jié)構(gòu)和厚度分布。地震反射波法垂向分辨率高，但費(fèi)用高，不利于城區(qū)施工[13]。

以上研究主要是針對(duì)100 m以淺巖溶探測(cè)；針對(duì)深層隱伏巖溶的研究則較少，調(diào)查方法適用性的研究成果也較少，尚未形成成熟的調(diào)查方法和標(biāo)準(zhǔn)[14-15]。本文以北京平原區(qū)東部為例，分析了不同地球物理調(diào)查方法在深層隱伏巖溶塌陷調(diào)查中的效果及其適用性，以期為同類(lèi)地區(qū)開(kāi)展深層隱伏巖溶塌陷調(diào)查提供借鑒和參考。

1 深層隱伏巖溶塌陷主控因素

對(duì)于100 m以淺的巖溶發(fā)育情況，通?？梢岳玫刭|(zhì)雷達(dá)、高密度電法、淺層地震、面波勘探等方法，直接探測(cè)巖溶空洞的存在；而深層隱伏巖溶，由于上覆地層較厚，一般很難形成可在地表直接探測(cè)到的電磁異常場(chǎng)；此外對(duì)于深層巖溶的地震勘探成本較高，且難以在城區(qū)開(kāi)展。因此，對(duì)于深層隱伏巖溶塌陷，主要采用間接調(diào)查方式，即調(diào)查影響深層隱伏巖溶塌陷的主控因素。

深層隱伏巖溶塌陷的形成通常是由溶隙到溶孔(溶管)，再到溶洞，最后到溶洞塌陷。需要具備可溶性巖層、豐富飽和的溶蝕性地下水、良好的地下水通道以及交替作用劇烈的地下水排泄口等條件，可概括為空間條件、物質(zhì)條件和水動(dòng)力條件[16-17]：

(1)空間條件是指作為地下水動(dòng)力作用通道和塌陷物質(zhì)存儲(chǔ)場(chǎng)所的巖溶洞隙極易發(fā)育的部位，如張性斷裂交匯部位、褶皺軸部、相對(duì)易溶巖性地層等；

(2)物質(zhì)條件主要是指覆蓋層結(jié)構(gòu)，如覆蓋層厚度和底部土層巖性等，通常覆蓋層越薄、底部土體顆粒越粗、含砂量越高，抗塌性就越低；

(3)水動(dòng)力條件劇烈變化則是產(chǎn)生塌陷的主導(dǎo)因素，導(dǎo)致地下水動(dòng)力條件變化的因素包括自然因素和人為因素，前者主要是季節(jié)變化，后者主要包括地下水過(guò)量開(kāi)采等。

2 地球物理調(diào)查方法

前文已述，巖溶塌陷常用的調(diào)查方法主要有電(磁)法、重力法和地震法，考慮到地震勘探在城區(qū)難以開(kāi)展工作，且成本高昂，故選用更綠色高效的微動(dòng)測(cè)量。綜上所述，本次選用重力測(cè)量、電阻率測(cè)深、CSAMT、高密度電法及微動(dòng)測(cè)量等五種方法。

2.1 重力測(cè)量法

近年來(lái)，隨著勘探設(shè)備精度的提高，小點(diǎn)距、高精度的微重力測(cè)量通過(guò)探測(cè)目標(biāo)體微弱的密度變化推斷其位置和幾何尺寸，取得了較好的應(yīng)用效果。巖溶發(fā)育形成孔洞，孔洞不論是否充水或有其它固形物質(zhì)填充，其密度均較圍巖低，在一定范圍內(nèi)形成了低密度異常區(qū)，從而具備理論上可被探測(cè)的物性前提[2-3]。巖溶孔洞引起的重力異常能否被識(shí)別，主要與孔洞的規(guī)模和埋深有關(guān)。王立發(fā)等[18]利用正演模擬分析了不同孔洞半徑和埋深情況下的重力異常(部分參數(shù)見(jiàn)表1)。結(jié)果顯示：重力異常隨孔洞半徑增大而增大，隨孔洞埋深增加而減小。據(jù)此，在構(gòu)造活動(dòng)較弱、地層巖性變化較小的地區(qū)，當(dāng)層狀基巖和覆蓋層產(chǎn)生的重力差異可忽略不計(jì)時(shí)，較大的深部巖溶孔洞有可能產(chǎn)生地表能識(shí)別的重力異常。

表1 不同半徑及埋深情況下的孔洞正演重力異常

注：孔洞密度1.0 g/cm3；數(shù)據(jù)來(lái)源據(jù)王立發(fā)等[18]。

2.2 電阻率測(cè)深法

電阻率測(cè)深法通過(guò)測(cè)量地質(zhì)體的視電阻率進(jìn)行異常體識(shí)別，充水溶洞會(huì)產(chǎn)生局部低阻異常，不充水溶洞則產(chǎn)生局部高阻異常。利用視電阻率差異可以識(shí)別出淺地表區(qū)域一定規(guī)模的巖溶孔洞。但是，隨著勘探深度的增加，體積效應(yīng)將被放大，導(dǎo)致電阻率測(cè)深很難準(zhǔn)確圈劃出異常體的形態(tài)和邊界[9,19]。因此，對(duì)于深層隱伏巖溶塌陷調(diào)查，電阻率測(cè)深主要是作為間接手段，用來(lái)確定與巖溶塌陷相關(guān)的主控因子，如利用與基巖面對(duì)應(yīng)的電阻率平面圖推斷巖溶的發(fā)育程度，以及利用二維反演確定覆蓋層的厚度等。

2.3 可控源音頻大地電磁測(cè)深法(CSAMT)

CSAMT是有源勘探，其探測(cè)深度與供電信號(hào)發(fā)射頻率成反比，具有比其它電法橫向分辨力高、勘探深度大和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該方法因高頻部分測(cè)點(diǎn)稀疏，在淺地表巖溶探測(cè)方面分辨力不夠，應(yīng)用有所受限，但其在深埋巖溶地質(zhì)的探測(cè)方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前，CSAMT法在礦產(chǎn)、地?zé)帷⒐こ痰阮I(lǐng)域的最大勘探深度為1～3 km[3-6]。由于地層巖性、礦物組分和含水程度等對(duì)電阻率均有影響，因此可依據(jù)垂向上電阻率差異以及橫向上電阻率不連續(xù)現(xiàn)象，較容易地劃分出基巖地層界面和斷裂構(gòu)造位置，并可在一定程度上指示地層完整性。

2.4 高密度電法

高密度電法一次性布置一系列電極時(shí)，可組合出十多種裝置，兼具電阻率剖面法和電阻率測(cè)深法的功能?；诟呙芏入姺〝?shù)據(jù)，通過(guò)單點(diǎn)分析和電阻率斷面綜合分析，可以有效探測(cè)碳酸鹽巖地層中的巖溶發(fā)育區(qū)[19]。高密度電法能較好地反映地表以下100 m以淺區(qū)域內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)，但由于受到勘探深度的限制，一般不適宜探測(cè)埋深超過(guò)200 m的深埋型巖溶孔洞。

2.5 微動(dòng)測(cè)量法

微動(dòng)測(cè)量法是基于面波在層狀介質(zhì)中的頻散特性發(fā)展起來(lái)的一種方法，其能量譜較典型的人工震源具有更多的低頻成分。該方法有較好的分層能力，可以較準(zhǔn)確地探測(cè)覆蓋層厚度和地層內(nèi)部結(jié)構(gòu)。目前常用的微動(dòng)測(cè)量主要有：(1)利用周期小于1 s的微動(dòng)信號(hào)(常時(shí)微動(dòng))，基于微動(dòng)信號(hào)的振幅和周期等特性，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)場(chǎng)地振動(dòng)特征進(jìn)行研究，推斷地層結(jié)構(gòu)，該情況下探測(cè)深度較淺；(2)利用周期大于1 s的微動(dòng)信號(hào)(長(zhǎng)波微動(dòng))，通過(guò)大半徑陣列測(cè)量，基于SPAC法、F-K法等求取頻散曲線，并由此反演S波速度結(jié)構(gòu)，該情況通常用來(lái)探測(cè)深部構(gòu)造[20-21]。

3 應(yīng)用實(shí)例分析

3.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于北京平原區(qū)東部，地勢(shì)較平坦。區(qū)內(nèi)主要地層有第四系、寒武系、青白口系和薊縣系(圖1)。第四系與下伏地層呈不整合接觸，厚度范圍為200～700 m；寒武系和薊縣系直接下伏于第四系，與第四系有一定的水力聯(lián)系，是該區(qū)具有巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)的地層。區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，主要斷裂有NW向的張家灣斷裂(F4)和李橋斷裂(F5)，NE向的南苑—通縣斷裂(F1)、宋莊斷裂(F2)和燕郊斷裂(F3)。

圖1 研究區(qū)基巖圖Fig.1 Geological map of the study area

3.2 地球物理方法調(diào)查主控因子應(yīng)用效果分析

深層隱伏巖溶塌陷主控因素包括空間條件、物質(zhì)條件和水動(dòng)力條件。結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件和前人研究成果，確定研究區(qū)深層隱伏巖溶塌陷主控因子為：斷裂構(gòu)造、碳酸鹽巖地層(薊縣系霧迷山組白云巖和寒武系灰?guī)r)頂板破碎程度、覆蓋層厚度、覆蓋層底部土層結(jié)構(gòu)、地下水位變幅等。由于地下水位變幅主要依靠水文地質(zhì)資料確定，因此本文主要分析利用物探方法調(diào)查另4個(gè)主控因子的應(yīng)用效果。

3.2.1斷裂構(gòu)造

斷裂構(gòu)造發(fā)育區(qū)，尤其是張性活動(dòng)斷裂交匯區(qū)，巖石破碎程度高，易于匯集地下水。距離斷裂越遠(yuǎn)，塌陷發(fā)生的可能性越小。因此，研究斷裂位置及其在巖溶含水層中的展布形態(tài)十分重要。由于斷裂附近地層較為破碎，且落差較大的斷裂兩側(cè)第四系厚度不同，存在密度差異，因此，在斷裂帶附近剩余重力水平梯度模存在明顯沿?cái)嗔炎呦虻母咧祹?，由此可以利用重力水平梯度?即重力在水平方向?qū)?shù)沿最大變化率方向的數(shù)值，極值對(duì)應(yīng)密度變化最大的地方)對(duì)斷裂構(gòu)造平面展布情況進(jìn)行解釋。

圖2 1∶50 000剩余重力水平梯度模圖Fig.2 Horizontal gradient of gravity residual anomaly (1∶50 000)

圖2顯示區(qū)內(nèi)主要斷裂均為條帶狀高值異常，很好地展示了斷裂構(gòu)造平面展布特征。在平面解釋基礎(chǔ)上，可以有針對(duì)性地布設(shè)剖面物探測(cè)量(如CSAMT和電阻率測(cè)深等)，進(jìn)一步勾勒斷裂構(gòu)造垂向發(fā)育特征。由于斷層錯(cuò)斷巖層形成破碎帶，導(dǎo)致巖層的電性特征發(fā)生明顯變化，主要有：①斷層破碎帶表現(xiàn)為低阻帶；②斷層兩側(cè)巖性不同，電阻率表現(xiàn)為不同巖性分界面；③斷層兩側(cè)巖性相同且斷距較小時(shí)，電阻率等值線出現(xiàn)不同程度扭曲。圖3(a)為某CSAMT反演剖面，根據(jù)電阻率等值線的橫向變化可以較容易確定斷裂構(gòu)造位于X軸1 200～1 300 m處。

3.2.2碳酸鹽巖地層頂板破碎程度

第四系下伏基巖如寒武系灰?guī)r或薊縣系白云巖，其頂板的破碎程度與巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)高低有一定的關(guān)系。完整的巖溶地層電阻率值相對(duì)較高；若地層相對(duì)破碎，賦水性較好，則表現(xiàn)為在高阻背景中的低阻異常。因此，可利用電阻率測(cè)深圈劃碳酸鹽巖地區(qū)高阻背景中的低阻異常區(qū)。

CSAMT對(duì)碳酸鹽巖地層的完整性具有較明顯的異常顯示。圖3(b)為北京某剖面CSAMT反演成果，在X軸700～1 100 m處，反演電阻率橫向上呈現(xiàn)明顯低阻下凹變化，推測(cè)與巖溶發(fā)育有關(guān)，地層可能較為破碎。在該區(qū)域施工的鉆孔(孔號(hào)：SP-K-3)，穿過(guò)基巖界面(基巖地層為寒武系灰?guī)r)時(shí)，因未采取妥善措施而發(fā)生塌孔事故，也驗(yàn)證了該推斷。

圖4為研究區(qū)AB/2=1 500 m情況下電阻率測(cè)深視電阻率等值線平面圖。圖中顯示該區(qū)存在一條明顯的NE向高阻異常帶，反映了背斜核部碳酸鹽巖地層的分布，在高阻異常區(qū)內(nèi)存在幾處明顯的低阻異常，推斷與碳酸鹽巖地層頂板巖溶發(fā)育有關(guān)，地層可能較為破碎。

圖3 CSAMT反演電阻率等值線斷面分析圖Fig.3 Comprehensive analyses of the CSAMT inversion resistivity contour section

圖4 電阻率測(cè)深視電阻率等值線平面圖(AB/2=1 500 m)Fig.4 Contour graph of apparent resistivity of the electrical sounding (AB/2=1 500 m)

利用重力也能探查碳酸鹽巖地層頂板破碎情況。質(zhì)量相對(duì)虧損較多的區(qū)域，頂板可能較為破碎，發(fā)生巖溶塌陷的風(fēng)險(xiǎn)也相對(duì)較高。但在構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)、第四系巖性橫向變化較大的區(qū)域，巖溶孔洞的異常往往與基巖和第四系巖性變化產(chǎn)生的重力異常疊加在一起而不容易被分離出來(lái)，影響解釋精度。

3.2.3覆蓋層厚度

在巖溶發(fā)育程度和水動(dòng)力等條件相似的情況下，覆蓋層厚度與巖溶塌陷的發(fā)生概率近似呈反比關(guān)系。研究區(qū)上覆地層主要為第四系，該層中橫波波速一般小于1 000 m/s，而區(qū)內(nèi)基巖中橫波速度大多在2 000 m/s以上，速度差異明顯。因此，可利用微動(dòng)測(cè)量，通過(guò)反演橫波速度結(jié)構(gòu)變化特征來(lái)勾畫(huà)覆蓋層厚度變化情況。

圖5為通過(guò)微動(dòng)測(cè)量得到的研究區(qū)覆蓋層厚度等值線圖。由圖可知，區(qū)內(nèi)中部覆蓋層相對(duì)較薄(在200～350 m之間)，西北次之，東南最厚(約700 m)。由微動(dòng)測(cè)量點(diǎn)頻散曲線反演得到的橫波速度結(jié)構(gòu)圖，則可以較好地指示主要地層垂向分界面。

圖5 微動(dòng)測(cè)量法解釋推斷覆蓋層厚度等值線圖Fig.5 Contour map of the overburden thickness based on the microtremor survey

通常，第四系較松散，表現(xiàn)為相對(duì)低阻；寒武系灰?guī)r和薊縣系白云巖較致密，表現(xiàn)為相對(duì)高阻。因此，第四系與基巖的分層界線可以根據(jù)兩者之間的電性差異，根據(jù)電阻率測(cè)深和CSAMT獲取的反演電阻率推斷確定，由此推斷覆蓋層的厚度。

圖3(a)CSAMT反演剖面中，縱向上反演電阻率密集帶位置在400 m左右；圖3(b)縱向上反演電阻率密集帶位置在300 m左右，均反映了覆蓋層與下伏碳酸鹽巖地層的分界面位置。

3.2.4覆蓋層底部土層結(jié)構(gòu)

砂性土由于砂粒間無(wú)黏結(jié)力，易被地下水侵蝕、掏空和搬運(yùn)，容易產(chǎn)生塌陷。與砂性土相比，黏性土在遇水后，其土體的壓縮系數(shù)、凝聚力、內(nèi)摩擦角都比砂性土大，但其孔隙比又較砂性土小，不易發(fā)生塌陷。砂礫石顆粒的大小和含量的變化，會(huì)導(dǎo)致電阻率發(fā)生變化。如黏性土電阻率一般小于20 Ω·m，含水率較大時(shí)電阻率會(huì)更小，但砂礫石含量的增加則會(huì)使電阻率值變大。因此，可以利用電阻率測(cè)深調(diào)查覆蓋層底部土層結(jié)構(gòu)。

圖6為高密度電法測(cè)深視電阻率反演斷面圖。圖中斷面呈3層結(jié)構(gòu)特征：①上部H1層，電阻率整體較大(5～140 Ω·m)，主要集中在30 m以淺，推測(cè)為以砂巖為主的第四系地層；②中間H2層，為低阻區(qū)域(電阻率為0～50 Ω·m)，厚度變化范圍為20～60 m，推測(cè)為含水層或砂黏土含量較高；③下部H3層，電阻率整體最高，推測(cè)該層砂質(zhì)含量較高。但該方法探測(cè)深度有限，對(duì)于覆蓋層厚度大于200 m的區(qū)域，很難探測(cè)到覆蓋層底部。

圖6 高密度電法測(cè)深視電阻率反演斷面圖Fig.6 Apparent resistivity inversion section of the high density resistivity sounding

由于第四系內(nèi)部巖性顆粒變化導(dǎo)致橫波速度差異的存在，也可以根據(jù)微動(dòng)信號(hào)處理后得到的地層橫波速度結(jié)構(gòu)信息對(duì)地層巖性進(jìn)行解釋推斷；此外可以借助微動(dòng)測(cè)量反演橫波結(jié)構(gòu)圖，對(duì)覆蓋層底部土層結(jié)構(gòu)進(jìn)行解釋。

4 結(jié)論及適用性分析

4.1 結(jié)論

(1)地球物理調(diào)查方法是定性、定量化研究深層隱伏巖溶塌陷發(fā)育因素的適用手段，可用于查明影響巖溶塌陷的斷裂構(gòu)造位置及產(chǎn)狀、碳酸鹽巖地層頂板破碎程度、覆蓋層厚度以及覆蓋層底部土層結(jié)構(gòu)等主控因子。

(2)重力測(cè)量法不受城市電磁干擾，對(duì)于埋藏較淺的巖溶探測(cè)效果較好，不能有效識(shí)別200 m以深的巖溶孔洞；電阻率測(cè)深法的勘探深度和分層能力適中，可以在強(qiáng)干擾的背景中提取微弱的有用信號(hào)；CSAMT勘探深度范圍大，較適合深部巖溶的探測(cè)；高密度電法的分層能力最強(qiáng)，但其勘探深度偏淺；微動(dòng)測(cè)量法勘探深度大，對(duì)覆蓋層內(nèi)部的分層能力取決于不同層巖性的速度差異和厚度。

(3)平原區(qū)深層隱伏巖溶塌陷覆蓋層厚度探測(cè)可以使用CSAMT、微動(dòng)測(cè)量和電阻率測(cè)深等方法，基于覆蓋層與下伏碳酸鹽巖地層的物性差異推斷界面位置，從而得到覆蓋層厚度變化信息；覆蓋層底部土層結(jié)構(gòu)的探測(cè)方法優(yōu)先選擇微動(dòng)測(cè)量和電阻率測(cè)深；斷裂幾何特征的探測(cè)可選擇重力測(cè)量和CSAMT; 碳酸鹽巖地層頂板破碎程度探測(cè)以電阻率測(cè)深和CSAMT為好。對(duì)于深層隱伏巖溶塌陷的調(diào)查，應(yīng)以在深部具有較高分辨能力的物探方法組合為主，以降低物探解釋的不確定性。

4.2 適用性分析

本文所探討的利用重力測(cè)量、電阻率測(cè)深、CSAMT、高密度電法以及微動(dòng)測(cè)量等方法調(diào)查深層隱伏巖溶塌陷的斷裂構(gòu)造、碳酸鹽巖地層頂板破碎程度、覆蓋層厚度、覆蓋層底部土層結(jié)構(gòu)等主控因子，其結(jié)論不具有普適性，并非對(duì)所有地區(qū)的深層隱伏巖溶塌陷均適用，而是需滿足一定的條件：當(dāng)研究區(qū)為平原區(qū)(地面自然坡度≤3°)，且碳酸鹽巖地層上部覆蓋著較均質(zhì)的、以土質(zhì)為主的松散地層時(shí)，才能很好地得到上述結(jié)論；當(dāng)研究區(qū)為山區(qū)，或碳酸鹽巖地層上部覆蓋其它具有一定厚度的較堅(jiān)硬巖層時(shí)，上述結(jié)論則不明顯。