大地電磁測深在廣德太極洞地質(zhì)公園地下溶洞群探測中的應(yīng)用

張春雷，吳斐，李澤義，葛濤，胡晨

（1.安徽省地質(zhì)實驗研究所， 安徽合肥 230001； 2.太極洞風景區(qū)管理委員會， 安徽宣城 242000）

0 引言

廣德縣境內(nèi)的太極洞國家地質(zhì)公園，因其獨特的地質(zhì)構(gòu)造、奇幻的溶洞景觀和深厚的文化底蘊吸引了越來越多的游客和地學愛好者來參觀考察[1]。目前，景區(qū)可供游覽的太極洞溶洞群分布于石龍山西部，開發(fā)長度約5400m。隨著游客日益增多，公園環(huán)境容量的壓力也與日俱增。為豐富太極洞國家地質(zhì)公園的地質(zhì)遺跡內(nèi)容、優(yōu)化地質(zhì)旅游路線，以及對地質(zhì)遺跡保護的客觀要求，在石龍山東部山區(qū)中持續(xù)探索未開發(fā)的太極溶洞群成為景區(qū)管理者的迫切需要。

EH4作為大地電磁測深技術(shù)之一[2]，主要是利用天然或人工電磁場，通過觀測記錄電磁場信號，后經(jīng)傅立葉轉(zhuǎn)換測定一系列參數(shù)值，最終求取地下介質(zhì)電阻率的分布規(guī)律[3]，進而達到解決如斷層破碎帶[4～5]、地下采空區(qū)[6]、巖溶洞穴[7]等工程地質(zhì)問題，并能取得良好的應(yīng)用效果。

1 區(qū)域地質(zhì)背景[8]

1.1 地層

太極洞國家地質(zhì)公園位于揚子板塊東南部的皖南褶皺帶。園區(qū)周邊出露地層有志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系和第四系，缺失古近系和新近系。太極洞溶洞群主體多發(fā)育于上石炭統(tǒng)厚層灰?guī)r中，其地層特征如下：

黃龍組（C2h）：下部主要為淺灰、淺灰白色厚層生物屑微晶灰?guī)r夾泥微晶灰?guī)r，偏下部夾灰黑色燧石團塊或條帶；上部為淺灰白略帶肉紅色厚層生物屑灰?guī)r夾微晶灰?guī)r。該組的底部為淺灰白色厚層粗晶灰?guī)r。該組總厚72.88m，與下伏老虎洞組大多為平行不整合接觸。

船山組（C2c）：下部為淺紅色厚層生物碎屑角礫狀灰?guī)r，厚13.2m；中部為灰色厚層狀夾少量中層狀生物碎屑泥晶灰?guī)r，厚38.7m；上部為深灰色核形石生物碎屑灰?guī)r，厚4.2m。船山組與下伏地層黃龍組為平行不整合接觸。

1.2 構(gòu)造

研究區(qū)構(gòu)造發(fā)展過程分為印支、燕山、喜馬拉雅3個階段。主要褶皺構(gòu)造由印支運動形成，燕山運動雖也造成舒緩的繼承性褶皺和坳陷，但以斷裂和巖漿活動為主，喜馬拉雅運動以地殼差異性升降為主，繼承性燕山晚期坳陷形成更加平緩的構(gòu)造盆地。

1.2.1 褶皺

太極洞-燕子嶺向斜：該向斜北起自青頭山—長青嶺一帶，往南西方向延伸經(jīng)太極洞、澗東村，過牛頭山直達燕子嶺及其以南地區(qū)，再往南西被白堊系或第四系覆蓋，出露長度大于14km，寬度約4km。向斜軸走向北北東向（15°～45°）。向斜核部地層為三疊系南陵湖組及和龍山組，兩翼出露地層依次為二疊系龍?zhí)督M—梁山組，石炭系船山組—高驪山組以及泥盆系五通組和部分志留系唐家塢組。向斜外貌似箱狀，北仰起端成矩形，仰起角20°～30°。在向斜的北部（轉(zhuǎn)折端）及兩翼發(fā)育一系列斷層，總體呈放射狀（或半輻射狀）展布。向斜轉(zhuǎn)折端地層傾角一般小于25°，兩翼突變?yōu)?5°～45°，故近似箱狀。

1.2.2 斷裂

太極洞地質(zhì)公園園區(qū)的斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，有斷裂44條，主要為北東向、北西向、東西向及北北東向4組。這些斷裂總體上有幾個鮮明的特點：①是褶皺巖層彎曲最大的地段，斷裂發(fā)育相對較集中，且斷裂規(guī)模相對較大；②斷裂性質(zhì)均以剪切平移為主；③發(fā)育在轉(zhuǎn)折端西部的斷裂，表現(xiàn)為左行剪切，發(fā)育在轉(zhuǎn)折端東部的斷裂，表現(xiàn)為右行剪切。

圖1 太極洞-燕子嶺向斜仰起端半輻射狀斷裂系分布圖Figure 1.Distribution map of semi-radial fault system at the facing-up end of the Taiji cave-Yanziling syncline

圖2 太極洞地質(zhì)公園已開發(fā)溶洞群平面分布圖Figure 2.Planar distribution of developed karst cave group in the geopark

1.3 水文地質(zhì)

廣德縣屬北亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，受海洋氣候和季風環(huán)境的影響，四季分明、氣候溫和、光照充足、雨量充沛，年平均降雨量1347mm。太極洞國家地質(zhì)公園地下水類型依據(jù)含水介質(zhì)性質(zhì)可分為：碳酸鹽巖裂隙溶洞水，巖溶裂隙水和松散巖類孔隙水。

2 溶洞群特征及形成機理

2.1 平面分布

太極洞地質(zhì)公園內(nèi)巖溶洞穴十分發(fā)育。位于長青岕中石龍山一側(cè)的灰?guī)r中分布有大小落水洞共5處，其形成均受局部放射狀斷層及地表水沖蝕影響。

石龍山南側(cè)，經(jīng)調(diào)查分布有兩處洞口，位于洗硯池源頭的太極洞口以及位于馮家沖水庫源頭的無名洞口。太極洞洞口底板標高114m，無名洞口底板標高130m。太極洞地質(zhì)公園溶洞平面分布見圖2。

2.2 溶洞特征

太極洞位于石龍山中，洞口朝南，面積約14000m2。洞分東、西兩支（也稱旱、水兩洞），交匯于兩儀宮。其走向從平面上看，如右斜的“ν”字，見圖3。

西洞總體走向北北東，水平溶洞共分3層。上層為壺天宮，洞底標高151m；中層洞從南向北有八景宮、云境宮和埋藏峪，為數(shù)個北東向和北西向地下廊道或洞廳連接而成，洞底標高116～120m；下層為地下河，洞底標高114m。3層溶洞之間有豎孔連接。壺天宮葛氏斑鹿出土處的豎孔直通八景宮的不老泉（見圖4）。

圖3 太極洞平面分布圖Figure 3.Planar distribution of the Taiji Cave

圖4 西洞縱剖面圖Figure 4.Longitudinal profile of the west cave

圖5 東洞縱剖面Figure 5.Longitudinal profile of the east cave

東洞總體走向北東東，由數(shù)個近東西向和北東向廊道或洞廳連接而成。水平溶洞共分5層，從南西西向北東東呈臺階式逐步上升，最低層為地下河，洞底標高114m；第2層玉皇宮，洞底標高120m；第三層為海天宮和黃山宮，洞底標高127～131m；第四層為萬象宮，洞底標高137m；第五層為長青岕水平溶洞，洞底標高213m。由于長青岕水平溶洞位于鄰省境內(nèi)，沒有對其進行開發(fā)，尚未與第四層溶洞連通（見圖5）。

2.3 溶洞群形成機理

(1)碳酸鹽巖是溶洞群形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。太極洞國家地質(zhì)公園內(nèi)的巖溶洞穴主要發(fā)育在石炭系上統(tǒng)黃龍組、船山組，二疊系下統(tǒng)棲霞組碳酸鹽巖中。

(2)構(gòu)造形態(tài)是溶洞群形成的控制因素。石龍山處于牛頭山箱狀褶皺。在南北和東西向兩組不同方向褶皺的作用下，該地區(qū)發(fā)育了一系列交錯的裂隙和斷層。此為太極洞地質(zhì)公園內(nèi)的溶洞群形成提供了必要的控制條件。

(3)充足的水源是溶洞群形成的先決條件。石龍山北部有青龍山，地勢高，透水性弱。降雨時雨水匯集，進入長青岕落水洞，在流水的沖刷、溶蝕作用下最終形成了各式巖溶通道。

(4)新構(gòu)造運動形成多層次溶洞群。晚第三紀末以來的新構(gòu)造運動，使該區(qū)間歇式抬升，形成了太極溶洞群的多層結(jié)構(gòu)。

3 EH4探測與分析

3.1 EH4系統(tǒng)方法原理

EH4電磁成像系統(tǒng)屬于部分可控源與天然源相結(jié)合的一種大地電磁測深系統(tǒng)。深部構(gòu)造通過天然背景場源成像(MT)，其信息源為10Hz～100kHz。淺部構(gòu)造則通過一個新型的便攜式低功率發(fā)射器發(fā)射1～100kHz人工電磁訊號，補償天然訊號的不足，從而獲得高分辨率的成像。基本假設(shè)是將大地作為水平介質(zhì)，大地電磁場是垂直投射到地下的平面電磁波，則在地面上可觀測到相互正交的電磁場分類分別為Ex，Hy；Hx，Ey。通過計算可確定介質(zhì)的電阻率值。其計算公式為：

其中：f：頻率（Hz）；ρ：電阻率（Ω·m）；

E：電磁場（mV/km)；H：磁場強度（nT）

在電磁理論中把電磁場（E、H）在大地中傳播時，其振幅衰減到初始值1/e時的深度，定義為穿透深度或趨膚深度（Σ）：

圖6 太極洞EH4勘測線分布圖Figure 6.Distribution of the Taiji cave EH4 survey lines

由上式可知，趨膚深度將隨電阻率ρ和頻率f而變化。一般來說，頻率較高的數(shù)據(jù)反映淺部的電性特征，頻率較低的數(shù)據(jù)反映較深的地層特征。由此，在一個寬頻帶上觀測電場和磁場信息，并由此計算出視電阻率和相位，可確定出大地的地電特征和地下構(gòu)造。

3.2 物探點布設(shè)

本次溶洞群探測，應(yīng)使電磁勘探線方向與巖溶構(gòu)造方向相交，以期捕獲更多異常區(qū)。依此原則，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造及溶洞形成機理，本次物探勘查工作將勘探線方向設(shè)為320°左右。共布設(shè)8條相互平行的勘探線。具體見圖6。

3.3 物探成果及釋義

測區(qū)內(nèi)地表存在的工業(yè)及人為活動干擾較少，使得本次工作所觀測的數(shù)據(jù)具有較高的質(zhì)量。通過實測和計算后，得到8條物探剖面的卡尼亞電阻率斷面圖，斷面標高-100～250m。具體如圖7、圖8、圖9。

其中，Ⅰ線—Ⅲ線剖面位于石龍山以西的已開發(fā)太極洞溶洞群地表，Ⅲ線剖面、Ⅱ線剖面部分區(qū)域均存在較為陡立的低阻異常（為已知巖溶發(fā)育區(qū)），其異常區(qū)標高與已有溶洞標高吻合（110～150m）。表明：地下溶洞在卡尼亞電阻率斷面圖顯示為低阻異常區(qū)。

據(jù)此，將上述異常投影到平面，根據(jù)相鄰異常位置，把低阻異常在平面上分為9塊（圖10）。其中③號、④號及⑤號異常為已知的溶洞景點部位。⑥號經(jīng)過驗證，為新發(fā)現(xiàn)的溶洞。

3.4 異常排除

EH4在不同巖性地層上探測具有差異性。在碳酸鹽巖地層中，巖溶發(fā)育地段反映出了低阻異常，非巖溶地段則是高阻；而在粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖地層中也統(tǒng)一反映出了低阻的特征。太極洞地質(zhì)公園以長青岕為界，北部地層以高驪山組砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主。本次物探工作中①號低阻異常區(qū)，位于高驪山組砂巖、粉砂巖、碳質(zhì)泥巖中，經(jīng)研究進行排除。Ⅷ線剖面⑨號低阻異常區(qū)，位于二疊系孤峰組中，此段地層亦不可能出現(xiàn)巖溶洞穴，經(jīng)研究排除。

圖7 太極洞溶洞群物探Ⅰ—Ⅵ線卡尼亞電阻率斷面Figure 7.Geophysical survey linesⅠ—Ⅵ Kania resistivity profiles across the Taiji cave group

圖8 太極洞溶洞群物探Ⅶ—Ⅷ線卡尼亞電阻率斷面Figure 8.Geophysical survey linesⅦ—Ⅷ Kania resistivity profiles across the Taiji cave group

圖9 石龍山東側(cè)Ⅳ-Ⅷ線剖面卡尼亞電阻率三維視圖Figure 9.Lines IV-VIII profiles of Kania resistivity 3D view of the east side of Shilongshan

圖10 卡尼亞低阻異常體平面分布圖Figure 10.Planar distribution of Kania low resisticity anomalous body

4 結(jié)論

（1）太極洞溶洞群所處的石龍山位于牛頭山向斜轉(zhuǎn)折端的箱狀構(gòu)造端，該區(qū)碳酸鹽巖地層受箱狀構(gòu)造伴生的半輻射狀斷裂和近東西向斷裂的影響，地層受構(gòu)造應(yīng)力破壞嚴重，具有極高的次生滲透性，為石龍山巖溶洞穴發(fā)育提供了較好的發(fā)育條件，加之第三紀末以來的新構(gòu)造運動引起的間歇式抬升使得石龍山山體內(nèi)巖溶洞穴十分發(fā)育，并且形成了多層溶洞系統(tǒng)。

（2）選用了大地電磁勘測（EH4）方法，在石龍山進行了物探勘測，獲取了查區(qū)的電性特征，結(jié)合已知溶洞的低阻特征，并在排除了非可疑區(qū)基礎(chǔ)之上，總結(jié)得到了除現(xiàn)有已開發(fā)的太極溶洞群外，在石龍山東側(cè)還分布有成系統(tǒng)的溶洞群。

（3）通過卡尼亞低阻異常體斷面圖，可大體推測出未開發(fā)溶洞的埋藏深度以及頂?shù)装鍢烁?，對后期人工開發(fā)提供了重要的基礎(chǔ)資料。

文中涉及物探工作由安徽省地球物理地球化學勘查技術(shù)院完成，在此表示感謝。