綜合地球物理方法在巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用研究

陳建龍，湯洪志，杜春龍 ，肖小松，游 陳

（1.東華理工大學(xué)地球物理與測(cè)控技術(shù)學(xué)院，江西南昌330013；2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083；3.湖南省煤田地質(zhì)局，湖南株洲412000)

1 工區(qū)地質(zhì)概況

工作區(qū)位于湖南省新化縣北西的爐觀(guān)鎮(zhèn)和游家鎮(zhèn)境內(nèi)，主要包括新化縣爐觀(guān)鎮(zhèn)荷葉村1～6 組和游家鎮(zhèn)龍?zhí)洞澹瑓^(qū)內(nèi)居民相對(duì)集中，人口密度較大。

工作區(qū)內(nèi)出露地層由新至老依次為：第四系(Q)、石炭系中上統(tǒng)壺天群(C2+3Ht)、石炭系下統(tǒng)梓門(mén)橋組(C1z)、測(cè)水組（C1c）、石磴子組(C1s)。現(xiàn)分述如下：

（1）第四系（Q）：黃、紅色粘土、亞粘土、砂礫石夾碎石。

（2）壺天群（C2+3Ht）：灰褐色淺灰—灰白色或肉紅色厚—巨厚層狀的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。

（3）梓門(mén)橋組（C1z）：灰—深灰色灰?guī)r，灰黑色泥質(zhì)巖，中厚層狀，具隱晶質(zhì)及細(xì)晶質(zhì)結(jié)構(gòu)。

（4）測(cè)水組（C1c）：為區(qū)內(nèi)含煤巖系，按含煤性及標(biāo)志層等，劃分上、下兩段。

1 上段（C1c2）：淺色巖性，灰—灰白、紫紅色、雜色之泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖、石英砂巖。

2 下段（C1c1）：砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖及石英砂巖和煤。

（5）石磴子組（C1s）：黑灰色泥質(zhì)灰?guī)r，上部巖石含大批方解石脈的泥質(zhì)灰?guī)r。中下部常夾黑色鈣質(zhì)泥巖，有時(shí)二者呈互層呈現(xiàn)。

2 地球物理特征

根據(jù)本次物探工作成果及以往物探工作成果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，工作區(qū)各地層地球物理特征見(jiàn)表1。

一般來(lái)說(shuō)巖溶發(fā)育區(qū)：根據(jù)巖溶充填情況不同，其視電阻率、彈性波速一般值亦存在一定的差別，未充填空洞一般表現(xiàn)為相對(duì)高阻、低速，其視電阻率ρs一般值為300～500Ω·m，彈性波速Vp一般值為0.33～0.4km/s；半充填溶洞視電阻率ρs一般值為150～200Ω·m，彈性波速Vp一般值為0.5～0.6km/s；全充填溶洞根據(jù)其充填物不同有一定的差別，但總體表現(xiàn)為低阻、低速，視電阻率ρs一般值為80～120Ω·m，彈性波速Vp一般值為0.6～0.8km/s。

綜合以上各地層的地球物理特征統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，由于巖溶發(fā)育區(qū)一般在灰?guī)r地層中，因此巖溶與石炭系中上統(tǒng)壺天群（C2+3Ht）、下石炭統(tǒng)梓門(mén)橋組（C1z）、石磴子組（C1s）基巖之間存在明顯的物性差異，且本區(qū)地層較為簡(jiǎn)單，因此利用高密度電阻率法、地震映像法對(duì)巖溶裂隙發(fā)育區(qū)進(jìn)行識(shí)別。資料處理解釋時(shí)，結(jié)合已知地質(zhì)資料對(duì)物探資料進(jìn)行比照分析，去除假的異常信息，以達(dá)到物探工作目標(biāo)。

表1 測(cè)區(qū)地層地球物理特征

3 工作方法原理

3.1 高密度電阻率法

高密度電法是基于常規(guī)電阻率法基礎(chǔ)上優(yōu)化而來(lái)，故其原理與常規(guī)電阻率法原理大抵類(lèi)似，依然是以地殼巖石的導(dǎo)電性差異為基礎(chǔ)，通過(guò)研究人工建立的穩(wěn)定電流場(chǎng)的分布規(guī)律以達(dá)到解決地質(zhì)問(wèn)題的一種電探方法[1-2]。該方法具有電距小、數(shù)據(jù)采集密度大的特點(diǎn)，反演的斷面圖可以直觀(guān)、形象地反映出斷面電性異常體的形態(tài)、規(guī)模、產(chǎn)狀、埋藏深度等。聯(lián)合地質(zhì)勘查結(jié)果，能夠較為精確地推斷出地質(zhì)體的空間狀態(tài)、地層巖性、斷裂等信息[3]。

由于高密度電法異常特征明顯，對(duì)于解決巖溶位置及發(fā)育情況能得到清晰、直觀(guān)的二維效果。

3.2 地震映像法

地震映像法又稱(chēng)地震共偏移距法，是對(duì)反射波法中的最佳偏移距技術(shù)開(kāi)展而來(lái)的一種常用的淺層地震探測(cè)方法。其原理為地震波在地下介質(zhì)傳播時(shí)，遇到物性分界面或物性劇變處將會(huì)產(chǎn)生反射或繞射現(xiàn)狀，溶洞發(fā)育區(qū)或破碎區(qū)與周?chē)橘|(zhì)有著明顯的物性差異，這為應(yīng)用地震映像法對(duì)巖溶進(jìn)行探查提供了很好的物探條件。經(jīng)過(guò)對(duì)所收到的地震波的振幅、頻率、相位的比照剖析，可查明勘探區(qū)域內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育散布情況[4]。

4 野外資料采集、處理與解釋方法

本次高密度電阻率法工作所采用的儀器為深圳市賽盈技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GD-10 高密度電法觀(guān)測(cè)系統(tǒng)，選擇采集參數(shù)為72～120 極，電極距為7～7.5m，采用溫納裝置(α裝置)采集16層，共布設(shè)3條測(cè)線(xiàn)。

高密度電阻率法的資料處理步驟為：首先將GD-10 型儀器采集的原始數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，啟動(dòng)整理軟件HXLDFDATA 進(jìn)行檢查、去非值、干擾值、地形校正，轉(zhuǎn)換為文本格式存儲(chǔ)；再運(yùn)用繪圖軟件surfer 進(jìn)行繪圖。

資料解釋的方法：對(duì)比各斷面的等值線(xiàn)擬斷面圖，對(duì)異常進(jìn)行歸類(lèi)，同時(shí)將物探工作成果與已有地質(zhì)調(diào)查及鉆探資料進(jìn)行充分的比照分析，以獲取地電對(duì)比參數(shù)及AB/2與實(shí)際探測(cè)深度的比值，以獲得定量解釋的對(duì)比資料成果，以提高定量解釋的精度。

本次地震映像法施工使用的地震儀器為SE2404EI型綜合工程檢測(cè)儀，系統(tǒng)及采集參數(shù)為：1道60Hz 縱波檢波器接收、2m 道距、6m 偏移距、0.2～0.5ms 采樣率，采樣長(zhǎng)度2048 個(gè)樣點(diǎn)，重錘激發(fā)，共布設(shè)測(cè)線(xiàn)11條。

地震映像法資料處理，采用的處理軟件為CSP5.1，其主要處理流程為：炮時(shí)校正→道數(shù)據(jù)編輯→置道頭→二維濾波→振幅平衡→切除→濾波→剖面繪制。

地震映像法解譯辦法是利用波組比照跟蹤原則，在某些有顯著反射同相軸的區(qū)域標(biāo)定反射波，利用數(shù)據(jù)處理中提取的速度或某些已知深度位置的校正速度進(jìn)行時(shí)—深轉(zhuǎn)換，然后參考少量鉆井資料和地質(zhì)填圖資料進(jìn)行校正、修正，并繪制解釋剖面圖。在無(wú)穩(wěn)定反射界面地區(qū)的解釋方法是分析局部反射波的特征，分析反射波的振幅、頻率和相位變化，確定地質(zhì)特征，繪制解釋剖面圖[5]。

5 解釋成果及其分析

因測(cè)線(xiàn)多達(dá)十幾條篇幅有限，僅舉出ZK1 號(hào)鉆孔所在G2測(cè)線(xiàn)成果解釋與D1測(cè)線(xiàn)成果解釋。

G2：測(cè)線(xiàn)上73～81m段，平面投影長(zhǎng)度約8m，異常發(fā)育標(biāo)高179～168m，埋深17～29m左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則；測(cè)線(xiàn)上127～134m 段，平面投影長(zhǎng)度約7m，異常發(fā)育標(biāo)高186～179m，埋深18～26m左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則；測(cè)線(xiàn)上359～404m 段，平面投影長(zhǎng)度約45m，為斷層；測(cè)線(xiàn)上429～433m 段，平面投影長(zhǎng)度約4m，異常發(fā)育標(biāo)高216～208m，埋深3～11m左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則；測(cè)線(xiàn)上428～454m 段，平面投影長(zhǎng)度約26m，異常發(fā)育標(biāo)高206～177m，埋深12～42m 左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則；測(cè)線(xiàn)上458～478m段，平面投影長(zhǎng)度約20m，異常發(fā)育標(biāo)高205～193m，埋深13～25m左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則；測(cè)線(xiàn)上509～518m 段，平面投影長(zhǎng)度約9m，異常發(fā)育標(biāo)高206～198m，埋深12.8～20.5m 左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則；測(cè)線(xiàn)上607～616m 段，平面投影長(zhǎng)度約9m，異常發(fā)育標(biāo)高205～170m，埋深29～64.5m 左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則；測(cè)線(xiàn)上737～745m 段，平面投影長(zhǎng)度約8m，異常發(fā)育標(biāo)高233～225m，埋深13～20.3m 左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)；發(fā)育形態(tài)不規(guī)則。

D1：測(cè)線(xiàn)上0.6～13m 段，平面投影長(zhǎng)度約12.4m，異常發(fā)育標(biāo)高171～162m，埋深15.5～25m左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則；測(cè)線(xiàn)上45～60m 段，平面投影長(zhǎng)度約15m，異常發(fā)育標(biāo)高169～157m，埋深16～28m 左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則；測(cè)線(xiàn)上99～116m 段，平面投影長(zhǎng)度約17m，異常發(fā)育標(biāo)高164～154m，埋深21～31m 左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則；測(cè)線(xiàn)上161～178m段，平面投影長(zhǎng)度約17m，異常發(fā)育標(biāo)高168～152m，埋深13～29.5m 左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則。

在G1 測(cè)線(xiàn)與D1 測(cè)線(xiàn)交點(diǎn)處存在異常體，通過(guò)對(duì)兩種方法在該交點(diǎn)處不良地質(zhì)體圈定的位置信息對(duì)比分析，判斷兩種方法在圈定地下異常體成果的一致性。圖1為G1與D1測(cè)線(xiàn)部分物探平面圖。

圖1 G1與D1測(cè)線(xiàn)部分物探平面圖

其中該異常體在G1 測(cè)線(xiàn)上圈定的位置信息為測(cè)線(xiàn)上782～799m 段，平面投影長(zhǎng)度約17m，異常發(fā)育標(biāo)高162～147m，埋深18.5～35m 左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則。在D1測(cè)線(xiàn)上圈定的位置信息為測(cè)線(xiàn)上161～178m 段，平面投影長(zhǎng)度約17m，異常發(fā)育標(biāo)高168～152m，埋深13～29.5m左右為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，發(fā)育形態(tài)不規(guī)則。其中兩者方法考慮到各種影響因素下圈定的異常體的發(fā)育標(biāo)高及埋深基本一致。有效驗(yàn)證了兩種方法的結(jié)果具有較好的一致性。

為了驗(yàn)證高密度電阻率法及地震映像法勘探成果對(duì)物探異常進(jìn)行鉆孔驗(yàn)證。在本區(qū)分別在G2、G1線(xiàn)上布設(shè) ZK1、ZK2 兩個(gè)鉆孔，孔深均為 40m。ZK1 孔在4.3～10.6m、11～12m 、12.4～18m、22.45～26.6m 處見(jiàn)巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，巖芯破碎不成塊，巖石夾中有少量泥質(zhì)充填物，與G2測(cè)線(xiàn)物探解釋成果較吻合。ZK2孔在6.4～8m、8.6～12m、15～18m、21.4～28m、37.5～39m 處為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，巖芯破碎，有少量泥質(zhì)充填物；與G1測(cè)線(xiàn)物探解釋成果較吻合。

圖2 為D1 測(cè)線(xiàn)地震時(shí)間剖面圖及物探地質(zhì)斷面。圖3為G2測(cè)線(xiàn)等視電阻率圖及物探地質(zhì)斷面。

圖2 D1測(cè)線(xiàn)地震時(shí)間剖面圖及物探地質(zhì)斷面圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)高密度電阻率法為主，地震映像法為輔的綜合勘探方法（在高密度電阻率法解譯成果的基礎(chǔ)上，在重點(diǎn)地段、房屋密集區(qū)域內(nèi)或不適合采用高密度電阻率法的地段設(shè)計(jì)地震映像法）對(duì)工作區(qū)巖溶裂隙發(fā)育區(qū)進(jìn)行探測(cè)，為驗(yàn)證兩種方法的物探資料解釋可靠性以?xún)煞N方法測(cè)線(xiàn)交點(diǎn)異常體的反演結(jié)果圈定信息對(duì)比分析，同時(shí)以所圈定的巖溶裂隙為基礎(chǔ)，對(duì)物探異常進(jìn)行兩個(gè)鉆孔驗(yàn)證，驗(yàn)證了巖石裂隙發(fā)育區(qū)位置。在今后調(diào)查探測(cè)巖溶地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題時(shí)高密度電阻率法與地震映像法能夠起到很好的指引作用。

圖3 G2測(cè)線(xiàn)等視電阻率圖及物探地質(zhì)斷面圖