綜合物探方法在嘉祥縣青山省級(jí)地質(zhì)公園溶洞勘察中的應(yīng)用效果

孟 慶 旺

(山東省物化探勘查院，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

青山地質(zhì)公園有縱橫交錯(cuò)、出露典型的構(gòu)造形跡，年代久遠(yuǎn)、景觀優(yōu)美的巖溶地貌，保存完整、代表性強(qiáng)的地層剖面，豐富多彩的自然景觀、礦泉遺跡等，構(gòu)成了園區(qū)獨(dú)具特色的地質(zhì)地貌景觀。文化旅游資源獨(dú)特，有2000多年歷史的國(guó)家重點(diǎn)文物保護(hù)單位青山寺，有緬甸玉雕刻的中國(guó)目前保存最完整的佛像，有劉伯承元帥指揮羊山戰(zhàn)役能容納千人的雙層溶洞神游洞。為進(jìn)一步促進(jìn)旅游業(yè)的發(fā)展，開(kāi)拓巖溶洞穴景觀面積，通過(guò)微重力測(cè)量，結(jié)合已知的神游洞微重力異常特征，大致圈定重力低異常區(qū)3處，然后利用高密度電法勘探對(duì)圈定的異常區(qū)進(jìn)行縱向研究，最終通過(guò)合理布設(shè)驗(yàn)證鉆孔，新發(fā)現(xiàn)具備一定規(guī)模的巖溶洞穴3個(gè)，取得了良好的勘察效果。

1 勘察區(qū)地質(zhì)概況

勘察區(qū)大地構(gòu)造位于華北板塊(Ⅰ)魯西隆起 (Ⅱ) 魯西南潛隆起區(qū)(Ⅲ)菏澤—兗州潛斷隆(Ⅳ)之嘉祥凸起(Ⅴ)的中北緣。區(qū)內(nèi)新生界第四系分布廣泛，零星出露地層主要為古生界寒武系、奧陶系地層，寒武系蓋層之下為新太古界泰山巖群沉積變質(zhì)地層。蓋層內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，地表未見(jiàn)巖漿巖分布。

青山地質(zhì)公園(圖1)地層由南到北，由老至新，依次發(fā)育寒武系長(zhǎng)清群、寒武—奧陶系九龍群、奧陶系馬家溝群、石炭—二疊系月門(mén)溝群、二疊系石盒子群、侏羅系淄博群、白堊系萊陽(yáng)群、古近系官莊群、新近系黃驊群及第四系地層，地層總體傾向320°，傾角8°～12°。園區(qū)內(nèi)出露地層主要為寒武—奧陶系九龍群崮山組、炒米店組、三山子組和第四系巨野組、平原組。區(qū)域構(gòu)造錯(cuò)綜復(fù)雜，以斷裂構(gòu)造為主，縣境內(nèi)較大的斷裂構(gòu)造有岳樓大徐莊斷裂、嘉祥城南斷裂、馬村大山頭斷裂和嘉祥斷裂4條，通過(guò)野外地質(zhì)考察在園區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了馬村大山頭斷裂的天然露頭和青山斷裂。

2 勘察方法與工作布置

微重力測(cè)量：由于溶洞的存在，導(dǎo)致地下地質(zhì)體質(zhì)量虧損或盈余，使溶洞區(qū)與圍巖存在明顯的密度差異，表現(xiàn)為連續(xù)的明顯的重力低異常特征，在微重力測(cè)量中表現(xiàn)為連續(xù)的重力低特征，因此在勘察區(qū)利用微重力測(cè)量尋找溶洞具備良好的地球物理前提。

高密度電法：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洞穴。在地下水等地質(zhì)作用營(yíng)力下，上覆土層中的砂土沿巖溶通道被帶走，形成巖溶溶洞。根據(jù)實(shí)地測(cè)量結(jié)果,區(qū)內(nèi)各類(lèi)黏土的電阻率一般低于30～50 Ω·m，灰?guī)r的電阻率一般在1 000 Ω·m 以上。由于本區(qū)的溶洞發(fā)育在潛水面以上，該洞穴空間僅被空氣等高阻體充填，在電場(chǎng)上表現(xiàn)為高阻異常,一般在5 000 Ω·m以上，因此在勘察區(qū)利用高密度電法測(cè)量尋找溶洞亦具備良好的地球物理前提[1-3]。

1—巨野組；2—平原組；3—三山子組a段；4—三山子組b段；5—三山子組c段；6—炒米店組；7—崮山組；8—張夏組；9—斷裂；10—園區(qū)邊界1—Juye formation; 2—Plain formation; 3—Sanshanzi formation a; 4—Sanshanzi formation b; 5—Sanshanzi formation c. 6—Chaomidian formation; 7—Gushan formation; 8—Zhangxia formation; 9—fault; 10—park boundary圖1 青山地質(zhì)公園地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch of Qingshan Geopark

為進(jìn)一步控制巖溶發(fā)育地帶兼顧方便野外施工，微重力測(cè)量(圖2)測(cè)線(xiàn)大致沿等高線(xiàn)布設(shè)，測(cè)線(xiàn)方位角為54°，網(wǎng)度5 m×5 m，根據(jù)已知的神游洞低重力異常特征，大致圈定3處溶洞分布范圍；在圈定低重力異常區(qū)布設(shè)高密度電法剖面3條(溫納裝置)，點(diǎn)距5.0 m，每條勘探線(xiàn)剖面線(xiàn)長(zhǎng)度均為300 m，通過(guò)對(duì)圈定的異常區(qū)進(jìn)行研究，在異常區(qū)均為高阻反映，且與微重力異常范圍基本一致，最終合理布設(shè)驗(yàn)證鉆孔，進(jìn)一步對(duì)勘察區(qū)溶洞分布情況進(jìn)行了控制，最終發(fā)現(xiàn)具備一定規(guī)模的巖溶洞穴3個(gè)，取得了良好的勘察效果[4-6]。

圖2 青山地質(zhì)公園巖溶勘察工作布置Fig.2 Layout of karst investigation in Qingshan Geopark

3 物探資料解釋

3.1 重力異常特征

由于溶洞的存在，導(dǎo)致地下地質(zhì)體質(zhì)量虧損或盈余，使溶洞區(qū)與圍巖存在明顯的密度差異，表現(xiàn)為連續(xù)的明顯的重力低異常特征[7]。

3.1.1 布格重力異常

由勘察區(qū)布格重力異常圖(圖3)可知，布格重力異常特征表現(xiàn)為WN高SE低的分布特征，總體為重力梯級(jí)帶反映，布格重力異常值范圍為(9.46～11.14)×10-5m/s2。

局部布格重力低異常區(qū)有3處，第一處位于勘察區(qū)中部，面積約1 401 m2，總體表現(xiàn)為梯級(jí)帶上的重力低反映，布格重力異常值范圍為(10.24～10.70)×10-5m/s2，該低重力異常的西部為已知的神游洞的反映，西部低異常東側(cè)異?？趶阶冃?，但再往東異常具備一定的連續(xù)性，推斷亦為溶洞的反映。第二處位于勘察區(qū)東部，面積約418 m2，總體表現(xiàn)為梯級(jí)帶上的重力低反映，布格重力異常值范圍為(10.46～10.72)×10-5m/s2，且該低重力異常往東未封閉，因此往東可能還有一定延伸，該異常的西側(cè)存在一處相對(duì)高布格重力異常，將此異常與西側(cè)第一處低重力異常分開(kāi)，從異常走向上看這兩處異?？赡芟噙B通，已知的玉液池及感應(yīng)泉的連線(xiàn)往南延伸穿過(guò)該重力低異常區(qū)。第三處位于勘察區(qū)南部，面積約533 m2，總體表現(xiàn)為條帶狀重力低反特征，布格重力異常值范圍為(9.70～9.88)×10-5m/s2。異常具備一定的連續(xù)性，推斷可能為溶洞的反映[8]。

圖3 青山地質(zhì)公園布格重力異常Fig.3 Bouguer gravity anomaly map of Qingshan Geopark

馬村—大山頭斷裂位于勘察區(qū)的西南部，穿過(guò)勘察區(qū)，該斷裂在布格重力異常圖上表現(xiàn)為同向扭曲的特征，臥龍洞即位于該斷裂往北的延長(zhǎng)線(xiàn)上，對(duì)溶洞的發(fā)育有利。

3.1.2 剩余布格重力異常特征

為突出異常分布，對(duì)布格重力數(shù)據(jù)進(jìn)行位場(chǎng)轉(zhuǎn)換，求取剩余布格重力異常(圖4)，上述3處局部重力低異?？陀^存在，第一處布格重力低異常區(qū)往南口徑變窄，但往東的延伸趨勢(shì)基本一致，且范圍大致相同。其他兩處異常范圍較原平面基本相同，且低重力異常較為明顯，表明該低重力異常客觀存在，可能為溶洞發(fā)育引起[9]。

3.1.3 綜合推斷

通過(guò)本次重力測(cè)量，發(fā)現(xiàn)較為明顯的布格重力低異常區(qū)3處，第一處為已知的神游洞的反映，其他兩處在布格重力異常原平面，以及剩余布格重力異常圖上均有明顯反映，推斷可能為溶洞的反映。

3.2 高密度電法測(cè)量視電阻率特征

由地球物理特征可知，視電阻率變化與地層變化存在一定的規(guī)律性，當(dāng)某一地層因受力錯(cuò)動(dòng)或地層突變時(shí)，在視電阻率曲線(xiàn)上會(huì)表現(xiàn)出高阻或是低阻的異常特征。若某一地層因某種需要而挖除或是受地下流體沖刷，從而形成洞穴，該洞穴空間僅被空氣等高阻體充填，地球物理場(chǎng)上則反映為高阻地質(zhì)體的異常特征，但洞穴被水、黏土等低阻體充填，則反映為低阻地質(zhì)體的異常特征，根據(jù)以上電阻率變化特征，現(xiàn)以L(fǎng)105線(xiàn)為例解釋如下。

圖4 青山地質(zhì)公園剩余布格重力異常Fig.4 Residual bouguer gravity anomaly map of Qingshan Geopark

從高密度電法勘探L105線(xiàn)視電阻率擬斷面(圖5)可以看出，該剖面與L103線(xiàn)視電阻率特征相類(lèi)似，ρs范圍在500～9 000 Ω·m，視電阻率曲線(xiàn)隨勘探深度增加而增大，這與地下賦存的三山子組灰?guī)r相對(duì)應(yīng)。

剖面上視電阻率變化較大，高阻異常較為明顯，且高阻異常主要分布在測(cè)線(xiàn)中間部位，剖面上明顯的高阻異常主要有3處。第一處在點(diǎn)號(hào)120 m處，視深度為55 m，為呈圓形高阻異常，視電阻率峰值為 9 000 Ω·m，該處異常位置與布格重力異常的第一處高阻異常相對(duì)應(yīng)，為神游洞的反映，異常連續(xù)性較好，且異常往東具有一定的延伸。第二處在點(diǎn)號(hào)165 m處，視深度為55 m，為呈圓柱形高阻異常，視電阻率峰值為8 000 Ω·m，該處異常位置與布格重力異常第一處異常往東延伸部位相對(duì)應(yīng)，推斷為溶洞的反映概率較大。第3處在點(diǎn)號(hào)200 m處，視深度為60 m，為圓形高阻異常，視電阻率峰值為6 500 Ω·m，經(jīng)查證，該處異常位置與第二處布格重力低異常位置對(duì)應(yīng)，推斷可能為溶洞的反映。

綜上所述，剖面上較為明顯的高阻異常有3處，高阻異常位置與布格重力低異常位置大致對(duì)應(yīng)，除此之外未見(jiàn)明顯異常，進(jìn)一步證實(shí)了3處溶洞的存在。

3.3 勘察成果

通過(guò)本次微重力測(cè)量，圈定布格重力低異常區(qū)3處(圖6)，利用高密度電法勘探對(duì)布格重力低異常進(jìn)行縱向剖析，發(fā)現(xiàn)了與圈定的布格重力低異常大致對(duì)應(yīng)的高阻異常，結(jié)合已知的神游洞，對(duì)重力推斷溶洞進(jìn)行了確認(rèn)。為了進(jìn)一步確認(rèn)推斷結(jié)果，進(jìn)行了鉆孔驗(yàn)證，證實(shí)了物探工作所圈定的溶洞，取得了較好的勘察效果[10-12]。

圖5 L105測(cè)線(xiàn)視電阻率擬斷面Fig.5 Contour map of apparent resistivity section of line 105

圖6 青山地質(zhì)公園溶洞范圍平面Fig.6 Plan for karst cave area in Qingshan Geopark

4 結(jié)論

1) 微重力法對(duì)于溶洞的勘察較為適宜和有效，具有受電磁及地形環(huán)境干擾小、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)本次重力測(cè)量，發(fā)現(xiàn)較為明顯的連續(xù)重力低異常3處，且一處為已知的神游洞的反映，其他兩處為新發(fā)現(xiàn)溶洞的反映，重力勘探在溶洞的勘察中具有獨(dú)特的效果。

2) 高密度電法具有勘探精度高、成本低、效率高、信息豐富、解釋方便等優(yōu)點(diǎn)，利用高密度電法勘探對(duì)布格重力低異常進(jìn)行縱向剖析，發(fā)現(xiàn)了與圈定的布格重力低異常大致對(duì)應(yīng)的高阻異常，兩種物探方法相互印證，提高了勘察成果的可靠性。

3) 鉆孔資料與勘察成果吻合度較高，連續(xù)重力低高電阻區(qū)即為溶洞的反映，由此可見(jiàn)綜合物探方法在溶洞的勘察中應(yīng)用效果良好，在發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)的同時(shí)，可以減少技術(shù)瓶頸導(dǎo)致的假異常，提高解釋精度。