基于高密度電阻率法和瞬變電磁法的巖溶塌陷綜合探測應(yīng)用

梁 風(fēng)，史文兵，李洪建，張 霞

(1．貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2．貴州大學(xué) 喀斯特地質(zhì)資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴州 貴陽 550025；3．貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊(duì)，貴州 都勻 558000； 4．黃河水利委員會黃河上中游管理局，陜西 西安 710021)

貴州省是巖溶分布較為集中的地區(qū)之一，由于特殊的地質(zhì)環(huán)境條件以及工程活動的影響，經(jīng)常發(fā)生巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重影響和威脅著人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。為了給政府治理地面巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)，采用有效手段快速查明居民集中居住區(qū)下伏地下溶洞的空間分布形態(tài)、位置、規(guī)模等是必不可少的。近年來，高密度電阻率法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法等物探手段廣泛應(yīng)用于地下溶洞的探測。江玉樂等[1]采用高密度電阻率法應(yīng)用于某高速公路的巖溶勘察中，通過對視電阻率二維成像圖異常形態(tài)、高低阻等特征的分析，推斷出地下溶洞的分布范圍、大小和埋深。王建軍等[2]采用高密度電阻率法對武漢市某巖溶地面塌陷進(jìn)行了類似的探測，取得了較好的效果。陳清禮等[3]等采用瞬變電磁法在一個中型水庫大壩上進(jìn)行了地下溶洞探測，經(jīng)鉆孔驗(yàn)證，效果十分明顯。其他學(xué)者[4-9]結(jié)合實(shí)際工作，在使用高密度電阻率法、地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法等物探手段探測或勘察地下溶洞方面做了一些有益探索，表明物探手段在地下溶洞探測是可行的。 每種方法都有自己的“特長”，以解決特定的問題，為了避免單一物探方法的多解性，在工程地質(zhì)勘探中多采用綜合物探方法。段緒勝等[10]在溶洞探測過程中，將地質(zhì)雷達(dá)法與高密度電阻率法兩種物探手段結(jié)合使用不僅是科學(xué)可行的，而且能夠提高探測精度。張志豪等[11]則采用高密度電阻率法、地震映像法及聲波測井和鉆孔CT法等地表和地下物探手段相結(jié)合的方法來探測巖溶分布與發(fā)育情況。盧貴清等[12]、朱亞軍等[13]在高密度電阻率法和瞬變電磁法綜合探測巖溶方面做了非常好的探索。

本文以貴州黔南某礦區(qū)巖溶塌陷為例，采用高密度電阻率法和瞬變電磁法兩種物探手段，查明研究區(qū)內(nèi)塌陷坑的形體特征，包括位置、形態(tài)、尺寸、規(guī)模、影響范圍等，并結(jié)合現(xiàn)有理論分析了巖溶塌陷形成機(jī)理，為政府部門決策提供參考。

1 地質(zhì)環(huán)境條件及地球物理特征

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)內(nèi)總體為構(gòu)造侵蝕-溶蝕低中山地貌，地勢為南東高北西低。最高點(diǎn)位于調(diào)查區(qū)東北部一山頂，海拔標(biāo)高1 330.0 m；最低點(diǎn)位于區(qū)內(nèi)西部河床，海拔標(biāo)高1 123.0 m；最大相對高差207 m，一般高差60～100 m。

場地上部地層主要為第四系殘坡積黏土、含礫黏土覆蓋。下伏基巖為寒武系下統(tǒng)明心寺組(∈1m)頁巖、粉砂質(zhì)頁巖夾薄至中厚層狀砂巖、泥質(zhì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖，寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組(∈1n)黑色炭質(zhì)黏土質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)黏土巖、水云母黏土巖，震旦系上統(tǒng)燈影組(Z2dy)白云巖和震旦系上統(tǒng)陡山沱組(Z2ds)磷塊巖、硅質(zhì)巖、白云巖及礫巖。地層分布情況如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境圖Fig.1 Geological environment map in the study area

場區(qū)內(nèi)地下水主要受季節(jié)性降水及場地地形的影響，其水量隨大氣降水而有較大的變化。殘坡積土中的孔隙水以蒸發(fā)方式排泄或下滲補(bǔ)給基巖或溶洞中；基巖中的裂隙水沿裂隙徑流于坡腳陡坎處呈散點(diǎn)狀排泄，或下滲到下伏巖溶地層中；排泄方式以大氣蒸發(fā)及向臨區(qū)徑流排泄為主。

研究區(qū)內(nèi)地下開采磷礦活動強(qiáng)烈，其在開采過程中改變了水文地質(zhì)條件，對地下巖溶通道徑流有一定的影響。溶洞主要集中分布在東北部的震旦系上統(tǒng)燈影組白云巖地層內(nèi)，以洞穴、半充填、充填、土洞等形式體現(xiàn)。

1.2 地面塌陷基本特征

根據(jù)調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)共發(fā)育5處地面塌陷坑，其中，4處發(fā)育于震旦系上統(tǒng)燈影組地層內(nèi)，1處發(fā)育于寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組地層內(nèi)。這5處塌陷坑均為小型，其中1～4號塌陷坑，發(fā)生于4～5年前，陸續(xù)形成，附近無居民點(diǎn)，都位于沖溝內(nèi)，危害不大；而5號塌陷坑規(guī)模最大(直徑約28.5 m，深20多米)，毗鄰居民點(diǎn)，坑口邊緣距離最近的民房僅5 m左右(圖2)，阻斷進(jìn)村道路。5號塌陷坑為調(diào)查前新發(fā)生的，對當(dāng)?shù)乩习傩丈a(chǎn)生活影響巨大，迫切需要探測塌陷坑下伏溶洞的位置、規(guī)模、形態(tài)等，同時也需要查明村寨下方是否有其他溶洞，以便為開展下一步工作提供參考，因此，本次物探調(diào)查以探測5號塌陷坑為重點(diǎn)。

圖2 研究區(qū)內(nèi)5號地面塌陷坑Fig.2 Surface subsidence pit of the No.5 in the study area

1.3 地球物理特征

由于白云巖內(nèi)部發(fā)育有溶槽、溶隙、溶洞或溶蝕帶(通道)等巖溶地質(zhì)體，其會影響正常地層的結(jié)構(gòu)及其完整性，從而改變原有地層的地球物理特征，形成新的物性特點(diǎn)(波阻抗、電阻率、磁化率等)。這與周圍地層形成物性差異，為采用相應(yīng)的物探技術(shù)探測奠定了基礎(chǔ)[4]。依據(jù)物性差異，可以采用高密度電阻率法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法等手段探測溶洞。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)地層巖性，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值，本文物探技術(shù)采用表1所示的巖土物性參數(shù)。

表1 場地巖土物性參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值[4]Tab.1 Reference physical properties standard parameters of the rock and soil

2 物探方法工作原理

2.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種新型電阻率方法，屬直流電阻率法，集電剖面法和電測深法為一體，采用高密度布點(diǎn)進(jìn)行二維地電斷面測量。其以地下介質(zhì)導(dǎo)電性差異為物理基礎(chǔ)，通過向大地供直流電，采用點(diǎn)陣式電極來探測地下介質(zhì)和構(gòu)造的電性[14]。高密度電阻率法具有點(diǎn)距小，數(shù)據(jù)密度大、工作效率高的特點(diǎn)，能較直觀、準(zhǔn)確地反映地下電性異常體的形態(tài)。

高密度電阻率法野外數(shù)據(jù)采集是確定采集參數(shù)后，通過主機(jī)控制多路電極轉(zhuǎn)換器經(jīng)由電極系形成供電、測量的數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集完成后，通過通訊程序?qū)⒃紨?shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、二維反演后輸出二維地電斷面圖，即完成整個采集與處理全過程。

本次高密度電阻率法勘探使用儀器為吉林大學(xué)研發(fā)的驕鵬E60DN型分布式高密度電阻率法工作站。該設(shè)備是一種新型的電法儀，是目前工程上使用最先進(jìn)的電法儀之一。儀器采用程控方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和電極控制，采集的數(shù)據(jù)以圖像的形式實(shí)時顯示在屏幕上，以便隨時可以監(jiān)控資料的質(zhì)量。

2.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法是一種脈沖感應(yīng)電法勘探，屬于時間域電磁法。它通過在地表敷設(shè)不接地線框或接地電極(Tx)，向勘探目標(biāo)發(fā)送一次磁場，測量一次場的激勵電源關(guān)斷后一段時間內(nèi)的二次磁場變化；通過二次磁場衰減變化的信號特征來解釋和反演地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的性狀。當(dāng)?shù)叵麓嬖诹紝?dǎo)體時，良導(dǎo)體在一次場的激勵下產(chǎn)生感應(yīng)渦流，渦流磁場在脈沖磁場斷掉后不立即消失，而是大致按照指數(shù)規(guī)律衰減；反之，若地下存在隱伏高阻介質(zhì)，由于沒有相當(dāng)?shù)母袘?yīng)渦流，其一次感應(yīng)場的變化幅度小，二次磁場很快衰減。

由于是在沒有一次場背景的情形下觀測純二次場異常，因而異常更直接，探測效果更明顯，原始數(shù)據(jù)的保真度更高。本次工作使用福州華虹物探公司生產(chǎn)的YCS512大功率探水儀。

3 資料分析及成果解譯

3.1 高密度電阻率法

根據(jù)現(xiàn)場地形、塌陷坑分布和居民點(diǎn)分布等情況，同時受到地形起伏和房屋、水田的限制，現(xiàn)場布置了兩條測線。測線1總體沿橫穿居民區(qū)的東西向沖溝布置；測線2與第一條測線近十字交叉，交叉點(diǎn)布置于5號塌陷坑旁。采用溫納法裝置進(jìn)行探測，考慮到勘探深度的要求，測線電極距都為10 m。測線1共布置48個電極，測線長470 m；測線2共布置40個電極，測線長390 m。測線布置示意如圖3所示。圖3中，實(shí)線為高密度電阻率法布置的測線(測線1和測線2)，虛線為瞬變電磁法布置的測線(測線3、4、5)。

圖3 測線布置示意圖Fig.3 No.3 Line layout diagram

采集的數(shù)據(jù)采用RES2DINV ver.3.5軟件進(jìn)行計(jì)算反演分析。高密度電阻率法反演及成果解譯如圖4—圖7所示。

圖4 測線1電阻率斷面反演圖Fig.4 Inversion of resistivity section of No.1 line

圖5 測線1電阻率斷面解譯圖Fig.5 Explanation of resistivity section of No.1 line

圖6 測線2電阻率斷面反演圖Fig.6 Inversion of resistivity section of No.2 line

圖7 測線2電阻率斷面解譯圖Fig.7 Explanation of resistivity section of No.2 line

由圖4—圖7可知：(1)在測線1的150～270 m段，即在5號地面塌陷坑下有一規(guī)模較大的溶洞。溶洞目前為干溶洞，發(fā)育于震旦系上統(tǒng)燈影組白云巖(可溶巖)與寒武系下統(tǒng)牛蹄塘組炭質(zhì)頁巖(非可溶巖)地層交界處。溶洞頂板埋深26～38 m，底板埋深45～60 m，平均高約30 m，長約120 m。該溶洞在測線2上也有反應(yīng)。(2)居民點(diǎn)部分民房坐落于溶洞上方。(3)在測線2中部位置，地下埋深約30 m處有一低阻區(qū)，推測為巖溶發(fā)育區(qū)。

3.2 瞬變電磁法

瞬變電磁法選擇采用5 m×5 m發(fā)射線框，2.5 Hz發(fā)射頻率，疊加次數(shù)不低于64次，供電電流6～10 A。

根據(jù)高密度電阻率法布線以及居民點(diǎn)分布等情況，共布置了3條測線：測線3和測線4的布線方式基本與高密度電阻率法測試的測線2和測線1基本一致；測線5布置在居民點(diǎn)南側(cè)。具體的布線情況如圖3所示。

瞬變電磁法測試采用點(diǎn)測法，即沿測線方向根據(jù)地形和地質(zhì)情況每隔5～10 m定一個數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后再把所有數(shù)據(jù)點(diǎn)組合成一條完整的測線。測線3布置長度420 m，測線4布置長度640 m，測線5布置長度120 m；這3條測線完全覆蓋了居民區(qū)和5號塌陷坑區(qū)域。采集數(shù)據(jù)采用設(shè)備廠家研發(fā)的瞬變電磁分析軟件YCS512進(jìn)行計(jì)算反演分析。瞬變電磁法反演及成果解譯如圖8—圖10所示。瞬變電磁法反演結(jié)果也采用電阻率表示，但是為相對視電阻率，不是真電阻率。圖8—圖10中，藍(lán)色—綠色—黃色—橙色—紅色表示相對電阻率逐步增高。

圖8 測線3電阻率斷面反演及解譯圖Fig.8 Inversion and explanation of resistivity section of No.3 line

圖9 測線4電阻率斷面反演及解譯圖Fig.9 Inversion and explanation of resistivity section of No.4 line

圖10 測線5電阻率斷面反演及解譯圖Fig.10 Inversion and explanation of resistivity section of No.5 line

圖11 5號巖溶塌陷坑地質(zhì)剖面圖Fig.11 Geological profile of the No.5 karst collapse pit

由圖8可以看出：測線3在探測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)兩處高阻異常區(qū)域，其中一處異常區(qū)域?yàn)?號塌陷坑附近，推測此異常為溶洞發(fā)育，該溶洞發(fā)育相對較大；另一處異常區(qū)域范圍相對較小，推測為小溶洞發(fā)育。由圖9可以看出：測線4在探測區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)兩處明顯的高阻異常區(qū)域，一處為5號塌陷坑位置，一處為4號塌陷坑位置。該測試結(jié)果淺部區(qū)域與高密度電阻率法測試成果基本一致。由圖10可以看出：測線西側(cè)發(fā)育溶洞，但是距離居民區(qū)較遠(yuǎn)。

3.3 兩種物探方法綜合探測結(jié)果分析

高密度電阻率法的測線1和瞬變電磁法的測線4布置位置大致一致。兩種方法均探測到了5號塌陷坑下方有溶洞的現(xiàn)象，探測到的溶洞位置和規(guī)模是相似的。由于瞬變電磁法測線不受電纜線長度的限制，所以彌補(bǔ)了高密度電阻率法受地形和長度的限制。一般而言，高密度電阻率法在淺部地下的探測精度高于瞬變電磁法，因此，對溶洞的規(guī)模、位置等探測結(jié)果以高密度電阻率法為準(zhǔn)。瞬變電磁法的測線4探測到村寨東側(cè)溝谷有一處發(fā)育地下溶洞，埋深30～40 m，且規(guī)模較大。在現(xiàn)場調(diào)查過程中也發(fā)現(xiàn)了該區(qū)域地表有塌陷坑發(fā)育(即4號塌陷坑)，證明了瞬變電磁法的可靠性。

高密度電阻率法的測線2和瞬變電磁法的測線3布置基本一致。兩種方法都探測到了5號塌陷坑下方有溶洞的現(xiàn)象，但是位置不盡相同。高密度電阻率法由于兩端受測深的限制，只探測到溶洞的上部空間，瞬變電磁法探測到溶洞全部范圍，并顯示溶洞往北部方向有延伸趨勢。根據(jù)現(xiàn)場地形和地下溶洞發(fā)育特征推斷瞬變電磁法的測線3測到的這部分延伸的溶洞可能是個分支溶洞。

兩種物探方法綜合來看，可以明確5號塌陷坑下方具有規(guī)模較大的溶洞發(fā)育，在其他地方有零星地下溶洞出現(xiàn)，溶洞出現(xiàn)的埋深大概在地下20～50 m，主要存在于上覆炭質(zhì)頁巖與下伏白云巖的交界面附近(圖11)。5號塌陷坑下伏的溶洞對居民點(diǎn)存在很大威脅，是地質(zhì)災(zāi)害防治工作的重點(diǎn)。

4 巖溶塌陷的形成機(jī)理分析

目前，比較公認(rèn)的巖溶塌陷的形成機(jī)理主要有“潛蝕論”和“真空吸蝕論”，除此之外，尚有“重力論”“液化論”“滲壓效應(yīng)論”等諸多提法[15]。這些理論雖然未自成體系，但在解決巖溶塌陷機(jī)理方面有著重要作用。本次5號塌陷坑覆蓋地層為頁巖和黏土巖，溶洞發(fā)育在下伏的白云巖地層中。在地面塌陷未發(fā)生之前，5號塌陷坑存在一眼供當(dāng)?shù)鼐用袷褂玫奶烊蝗c(diǎn)(大龍井)。在附近磷礦開采后，該泉點(diǎn)隨即干枯。在2011年曾發(fā)生一起由于礦井排水不及時，導(dǎo)致地下水從泉眼冒出的現(xiàn)象。在5號塌陷坑未大規(guī)模發(fā)生塌陷之前，其所在位置就隨著礦山磷礦開采逐年發(fā)生過小規(guī)模塌陷，但都沒有本次塌陷規(guī)模大。結(jié)合5號塌陷坑的情況，可以認(rèn)為這次塌陷是由于巖溶水排放(地下水開采或礦山排水)引起，沒有地震和震動擾動，形成機(jī)理符合真空吸蝕理論。

真空吸蝕理論[16]認(rèn)為：由于地下巖溶水處于相對密閉的承壓環(huán)境，地下水突然大幅度下降到覆蓋層底板以下，所以地下水由承壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為無壓狀態(tài)，在地下水位與覆蓋層底板之間形成低氣壓狀態(tài)的相對真空腔?！罢婵涨弧钡男纬?，產(chǎn)生兩種作用，即對覆蓋層底板軟弱巖體產(chǎn)生吸蝕掏空和引起腔外大氣壓對覆蓋層表面產(chǎn)生“沖壓”作用。在兩種“內(nèi)吸外壓”作用下，便形成突發(fā)性塌陷。5號塌陷坑附近，礦山開采排放水使得地下巖溶水位處于不斷變化。當(dāng)排水強(qiáng)度大時，就會造成地下水位下降幅度大而形成真空吸蝕作用；而當(dāng)瞬間或間斷的停采時，就會造成巖溶水位的急劇恢復(fù)而形成“推鼓”或“膨脹效應(yīng)”。這兩種作用都會使溶洞上覆覆蓋層發(fā)生松動，并最終形成塌陷。

根據(jù)真空吸蝕理論數(shù)學(xué)模型[17]

(1)

式中：c、φ分別為覆蓋層巖體的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角，牛蹄塘組黑色頁巖取150 kPa和30°；K0為側(cè)向壓力系數(shù)，取0.45；γ為覆蓋層容重，取27.2 kN/m3；Z為溶洞頂板埋深，取最大值38 m；γw為水的容重，取10 kN/m3；h0為初始水位，取覆蓋層底板，為30 m；Δh為水位變幅，m；Uw為水的流速，m/s；g為重力加速度，m/s2；ΔP為洞內(nèi)外壓力差，kPa；R為洞室半徑，按洞室剖面面積的等效圓面積計(jì)算，為34 m。若f(Δh)=0時，溶洞頂板處于極限平衡狀態(tài)；當(dāng)f(Δh)>0時，溶洞頂板穩(wěn)定，不發(fā)生塌陷；當(dāng)f(Δh)<0時，溶洞頂板將產(chǎn)生塌陷。

γw(Δh-h0)-0.29ΔP，

(2)

將各值代入得。

f(Δh)=91.69-10×(Δh-30)。

(3)

如果f(Δh)<0則發(fā)生塌陷，因此計(jì)算得：當(dāng)Δh>39.2 m時，5號塌陷坑發(fā)生塌陷。5號塌陷坑底板標(biāo)高約1 100 m，其東側(cè)磷礦采空區(qū)埋深標(biāo)高在海拔900 m以下，高差約200 m。前文所述磷礦開采和疏排水曾引起5號塌陷坑位置上原有泉點(diǎn)水位、水量發(fā)生變化，因此采空區(qū)與5號塌陷坑處的溶洞存在水力聯(lián)系。當(dāng)暴雨來臨后，5號塌陷坑下溶洞內(nèi)充滿水，采空區(qū)也出現(xiàn)較多積水，礦區(qū)采取緊急排水措施，導(dǎo)致5號塌陷坑處溶洞內(nèi)水位迅速下降，下降水位超過39.2 m時發(fā)生了溶洞頂板塌陷。

5 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際工程問題需要，采用高密度電阻率法和瞬變電磁法兩種物探方法綜合探測地下溶洞，查明了場地地下橫向和垂向隱伏溶洞、破碎帶、溶蝕裂隙帶的發(fā)育規(guī)模及分布規(guī)律，具有良好的探測效果，為下一步開展工作提供了較可靠的地質(zhì)資料和科學(xué)依據(jù)。研究得到以下結(jié)論：

(1)介質(zhì)的物性差異是高密度電阻率法和瞬變電磁法適用與否的重要基礎(chǔ)。

(2)對于礦區(qū)巖溶塌陷場地，由于對地下溶洞及采空區(qū)兩方面的探測要求，為了達(dá)到最佳的探測效果，應(yīng)采用多種物探方法相結(jié)合，以達(dá)到理想的探測深度和探測精度。事實(shí)說明，高密度電阻率法兼具剖面法和測深的功能，且點(diǎn)距小，數(shù)據(jù)采集密度大，能直觀反映斷面電性異常體的形態(tài)、規(guī)模、位置等，可用于淺部探測。而瞬變電磁法則具有體積小、分辨能力強(qiáng)、工作效率高、測深大等特點(diǎn)，尤其對探測電阻異常目標(biāo)物敏感，可用于深部探測，同時也能對溶洞淺部探測效果進(jìn)行驗(yàn)證。

(3)由于各種物探方法都存在一定的條件性和局限性，單一的物探方法一般難以查明或解決有關(guān)地質(zhì)和工程問題，而綜合物探可以提高物探成果的地質(zhì)解釋精度和質(zhì)量。

(4)5號塌陷坑發(fā)生的機(jī)理可用真空吸蝕理論來解釋，上覆頁巖和黏土巖在地下水位劇烈變動下受到吸蝕掏空、沖壓以及膨脹效應(yīng)等共同作用而發(fā)生塌陷，利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算可知該塌陷坑具備地下水位變化條件。

致謝：貴州有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊(duì)陳宗權(quán)隊(duì)長和王洪副隊(duì)長在野外及物探成果解譯方面給予了寶貴的協(xié)助和指導(dǎo)，貴州省福泉市國土資源局袁煒局長提供了翔實(shí)的資料，在此一并致以衷心的感謝！