綜合物探在桂西北巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用

胡磊磊，黃德軍，何 輝，楊 榮

(1.廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院，廣西 柳州 545005；2.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西 桂林 541004 )

0 引言

巖溶塌陷是覆蓋型巖溶區(qū)最突出的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，是廣西重要的地質(zhì)災(zāi)害之一，對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民的生活構(gòu)成嚴(yán)重危害。夏季多雨時(shí)節(jié)，降雨量增加，地下水位波動(dòng)較大，屬于巖溶地面塌陷多發(fā)季節(jié)[1-4]。

廣西都安可溶性巖石廣泛分布，巖溶地貌十分發(fā)育，一向被認(rèn)為是桂西北巖溶山地的代表性地點(diǎn)，為我國(guó)重點(diǎn)巖溶研究地區(qū)之一，受到國(guó)內(nèi)外的重視[5]。2019年夏季，都安縣高嶺鎮(zhèn)弄名村弄旺、旺林、弄元隊(duì)等多個(gè)村屯發(fā)生地面塌陷、地裂縫現(xiàn)象。塌陷區(qū)上覆結(jié)構(gòu)松散的第四系殘坡積土層，厚度超過(guò)4 m，下伏巖性為可溶性強(qiáng)的碳酸鹽巖，下伏基巖溶洞發(fā)育，成為裂隙溶洞水的徑流通道。在孔隙潛水與裂隙溶洞水的徑流影響下，上覆土層遭受潛蝕與掏蝕作用，易形成土洞。地下水位波動(dòng)易導(dǎo)致土洞或溶洞頂板垮塌，形成塌陷[6]。

目前，探測(cè)塌陷區(qū)主要以物探為主，進(jìn)一步可分為高密度電法、淺層地震映像法、瞬變電磁法、管波探測(cè)法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法及鉆孔電磁波CT、鉆孔地震波CT等多種方法，各有其優(yōu)缺點(diǎn)[7]。

本次勘查區(qū)上覆主要為第四系沖洪積粉質(zhì)黏土層、含礫黏土層及溶余堆積黏土層，層厚0.7～21.8 m；下伏基巖為中石炭統(tǒng)黃龍組(C2h)灰?guī)r，經(jīng)對(duì)比選用高密度電阻率法及地質(zhì)雷達(dá)法應(yīng)用于勘查區(qū)物探勘查[8-12]，通過(guò)物探勘查手段了解不同探測(cè)對(duì)象的電性結(jié)構(gòu)，查明覆蓋層厚度、巖面埋深、起伏、巖溶發(fā)育情況，推斷出測(cè)區(qū)內(nèi)巖溶等不良地質(zhì)體發(fā)育區(qū)域，同時(shí)在場(chǎng)地內(nèi)布設(shè)鉆孔進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明高密度電阻率法及地質(zhì)雷達(dá)法推斷異常與鉆孔資料吻合程度高。此次調(diào)查總體上查明了勘查區(qū)內(nèi)巖溶的空間展布、規(guī)模等地球物理特征，為勘查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)資料。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)

都安縣在構(gòu)造上位于右江再生地槽東側(cè)的都陽(yáng)山隆起南東端，東鄰桂中凹陷的來(lái)賓斷褶帶，南接西大明山隆起帶，西與桂西坳陷的西林—百色斷褶帶相接。相當(dāng)于廣西“山字型”構(gòu)造前弧西翼中段?？h境內(nèi)的褶皺和斷裂均較發(fā)育，并多呈NNW向展布(圖1)。

圖1 勘查區(qū)地貌圖

1.2 勘查區(qū)地質(zhì)

1.2.1 地層

勘查區(qū)地處峰叢洼地，上覆蓋層主要為第四系沖洪積粉質(zhì)黏土層、含礫黏土層及溶余堆積黏土層，層厚0.7～21.8 m；下伏基巖為中石炭統(tǒng)黃龍組灰?guī)r，區(qū)域上巖層傾向西，傾角一般小于25°。

1.2.2 構(gòu)造

根據(jù)資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，勘查區(qū)內(nèi)無(wú)斷層通過(guò)，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單?？辈閰^(qū)附近區(qū)域斷層：北冊(cè)—弄強(qiáng)斷層于勘查區(qū)東側(cè)約3.5 km處通過(guò)；永安—關(guān)峒斷層于勘查區(qū)西側(cè)約1.0 km通過(guò)。區(qū)域構(gòu)造形跡主要以NW、NNW走向?yàn)橹鳌?/p>

勘查區(qū)附近主要斷層特征：北冊(cè)—弄強(qiáng)斷層和永安—關(guān)峒斷層：性質(zhì)均為正斷層，兩者呈平行狀發(fā)育于縣境的中部。斷層長(zhǎng)40～50 km，斷層面傾向SWW，傾角40°～85°。斷層標(biāo)志明顯，具10～15 m破碎帶，局部有硅化、白云巖化及銅礦化，破裂面被具鐵質(zhì)浸染之方解石脈充填。

1.2.3 地形地貌

勘查區(qū)地貌類型屬峰叢洼地，微地貌類型有山峰、洼地、天坑。

弄旺、旺林隊(duì)塌陷勘查區(qū)為長(zhǎng)方形近南北走向的巖溶洼地，洼地長(zhǎng)約310 m，寬約220 m，洼地地勢(shì)高低起伏，地面高程320～340 m，四周山頂高程500～540 m。

弄元隊(duì)塌陷勘查區(qū)為平面形態(tài)呈菱形、長(zhǎng)軸東西走向的巖溶洼地，洼地長(zhǎng)約300 m，寬約200 m，洼地地勢(shì)整體為四周高、中間低，低洼處高程約313 m，四周山頂高程440～580 m。

在兩個(gè)勘查區(qū)中間發(fā)育1個(gè)天坑，推測(cè)為古塌陷。天坑平面呈不規(guī)則多邊形，長(zhǎng)軸近東西走向，長(zhǎng)約300 m，平均寬約200 m，南、北及西面為直立巖壁，東面開(kāi)口，坑底高程約200 m，兩側(cè)峰頂高程540～580 m。

1.3 勘查區(qū)水文地質(zhì)條件

1.3.1 地下水類型、富水性及地下水開(kāi)采現(xiàn)狀

根據(jù)地下水的賦存條件、水理性質(zhì)、水力特征及各含水巖組的空間分布狀況，將場(chǎng)區(qū)地下水類型劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶(孔)洞水兩類。

根據(jù)調(diào)查，勘查區(qū)村屯及附近村屯均未開(kāi)采利用地下水，生活用水主要來(lái)源于修建水柜收集雨水。

1.3.2 地下水動(dòng)態(tài)特征

根據(jù)調(diào)查及收集水文地質(zhì)資料分析，勘查區(qū)區(qū)域地下水整體為自東向西流向，勘查區(qū)枯水季節(jié)水位變幅不大，一般小于10 m，水位在基巖中變動(dòng)；但在雨季、暴雨季節(jié)，水位動(dòng)態(tài)反應(yīng)靈敏，漲落迅速，水位變幅為80～100 m，接近在土巖界面或土體中的變動(dòng)幅度。2019年7月15日20時(shí)至7月16日20時(shí)，弄名村降雨量達(dá)180.1 mm，短時(shí)間的強(qiáng)降雨，使勘查區(qū)地下水位暴漲，低洼處積水2～3天方才消退，洼地水質(zhì)渾濁，有明顯的消水洞。

1.3.3 地下水與塌陷形成關(guān)系

塌陷區(qū)位于區(qū)域巖溶地下水的補(bǔ)給區(qū)域。鉆探資料顯示，塌陷區(qū)主要巖溶發(fā)育段高程在290 m以上，淺層巖溶非常發(fā)育?？辈閰^(qū)在2019年7月15日20時(shí)至7月16日20時(shí)段暴雨，地下水水位變幅為80～100 m，變幅帶恰好位于土層與基巖面接觸帶上，地下水位在垂直方向上的交替變化及地表水下滲淘蝕，使基巖面附近的土層逐漸被掏空而形成土洞，當(dāng)土洞迅速擴(kuò)大，導(dǎo)致上部土層頂板的臨界穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，在巖溶地下水水位的再次升降、降雨或地表水體入滲潛蝕等作用下，土洞頂板失穩(wěn)而形成塌陷。

2 勘查區(qū)物性特征

測(cè)區(qū)上覆地層主要為第四系沖洪積粉質(zhì)黏土層、含礫黏土層及溶余堆積黏土層，下伏基巖為中石炭統(tǒng)黃龍組灰?guī)r，覆蓋層與圍巖、圍巖與巖溶、裂隙破碎帶的接觸邊界兩側(cè)存在明顯的電性(如介電常數(shù)、電阻率、電導(dǎo)率等電性參數(shù))差異(表1、表2)，形成明顯的電性界面，為該區(qū)開(kāi)展物探勘查提供了良好基礎(chǔ)。當(dāng)基巖中存在溶洞、裂隙破碎帶時(shí)，將導(dǎo)致這些區(qū)域的電阻率發(fā)生變化，于是區(qū)域水平方向電性的均一性被打破。當(dāng)其在三維空間上達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，電阻率在縱向上的變化規(guī)律同樣被打破，從而表現(xiàn)出局部和區(qū)域上的電性異常，故可通過(guò)研究地質(zhì)體的電性異常來(lái)解決相應(yīng)的地質(zhì)問(wèn)題[13]。

表1 常見(jiàn)介質(zhì)電阻率

表2 常見(jiàn)介質(zhì)的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、速度和衰減參數(shù)

3 物探測(cè)線布置

本次物探工作采用高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)法，布置了22條剖面線(高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)剖面重疊一致)，其中弄旺、旺林隊(duì)13條，弄元隊(duì)9條(圖2、圖3)。

圖2 弄旺、旺林隊(duì)物探工作布置及推斷成果圖

圖3 弄元隊(duì)物探工作布置及推斷成果圖

測(cè)網(wǎng)布設(shè)原則：

1)測(cè)網(wǎng)的布置應(yīng)根據(jù)任務(wù)要求、探測(cè)方法及探測(cè)對(duì)象規(guī)模、埋深等因素綜合確定，測(cè)網(wǎng)和工作比例尺應(yīng)能觀測(cè)被探測(cè)的目標(biāo)體，并在平面圖上清楚地反映探測(cè)對(duì)象的規(guī)模和走向。

2)測(cè)線方向宜垂直于構(gòu)造或主要探測(cè)對(duì)象的走向，并根據(jù)勘查區(qū)實(shí)際地形較為均勻的布設(shè)，最好能與地質(zhì)勘探線及其他物探方法測(cè)線一致，盡量避開(kāi)干擾源。

4 結(jié)果分析

4.1 勘查區(qū)高密度電阻率法電性特征

勘查區(qū)高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理主要是用計(jì)算機(jī)將原始采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成處理軟件要求的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)畸變點(diǎn)剔除、地形校正等預(yù)處理后進(jìn)行分析，最終得到各勘測(cè)剖面推斷地質(zhì)斷面圖。

覆蓋層厚度的確定：利用高密度電法視電阻率等值線剖面圖、對(duì)稱四極電測(cè)深解譯的深度取其拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)極距(AB/2)的50%～60%，綜合地質(zhì)調(diào)查工作成果確定地層分界。

裂隙發(fā)育區(qū)的圈定：根據(jù)裂隙發(fā)育區(qū)(段)高密度電法的視電阻率在垂向及水平方向上的變化規(guī)律，結(jié)合地面地質(zhì)調(diào)查來(lái)綜合確定?？辈閰^(qū)淺部(巖面)裂隙發(fā)育特征在高密度電法測(cè)深曲線上呈“A”型及“H”型；深部巖溶發(fā)育的電性異常特征在高密度電法測(cè)深曲線上呈“A”型、“KH”型(尾支小于45°上升)，視電阻率等值線剖面上相應(yīng)地段的等值線變化呈現(xiàn)梯度大、等值線低阻呈閉合圈(帶)。

4.2 勘查區(qū)地質(zhì)雷達(dá)法電性特征

勘查區(qū)地質(zhì)雷達(dá)數(shù)據(jù)處理采用意大利IDS公司的 GRESWIN2 處理軟件，將野外采集的原始雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波、去除直達(dá)波、背景消除、線性增益、平滑增益、速度調(diào)整等各種數(shù)據(jù)處理，然后按一定比例直接生成地質(zhì)雷達(dá)圖像。

對(duì)接收到的反射高頻電磁波進(jìn)行分析，在存在溶洞等不良地質(zhì)體或小裂隙情況下，易形成明顯的弧型異常或多次反射現(xiàn)象。目標(biāo)較小、埋藏較深以及介質(zhì)電性差異不大時(shí)，可能看不到拋物線結(jié)構(gòu)。探地雷達(dá)在接收有效信號(hào)的同時(shí)，也不可避免地接收到各種干擾信號(hào)，產(chǎn)生干擾信號(hào)的原因很多，干擾波一般都有特殊形狀，在分析中要加以辨別和確認(rèn)。

4.3 綜合分析

都安高嶺鎮(zhèn)弄名村弄旺、旺林、弄元隊(duì)巖溶地面塌陷區(qū)上覆蓋層為結(jié)構(gòu)松散的第四系殘坡積土層，厚度超過(guò)4 m，下伏巖性為可溶性強(qiáng)的碳酸鹽巖，下伏基巖溶洞發(fā)育，成為裂隙溶洞水的徑流通道。在孔隙潛水與裂隙溶洞水的徑流影響下，上覆土層遭受潛蝕與淘蝕作用，易形成土洞。

弄旺、旺林隊(duì)2線剖面RD6異常中心位置位于152.5 m處，異常規(guī)模(高×寬)5 m×2 m，異常埋深(頂—底)15～20 m。物探異常特征及推斷：物探綜合成果圖上視電阻率等值線下凹，呈低阻半閉合圈、閉合圈型態(tài)，電測(cè)深曲線呈“H”、“KH”型。巖體內(nèi)部界面地質(zhì)雷達(dá)反射信號(hào)強(qiáng)，呈水平或傾斜帶狀長(zhǎng)條形或垂直方向多次孤立體反射信號(hào)，三振相明顯，有兩次以上反射信號(hào)，推斷異?？赡転槿芏窗l(fā)育引起。驗(yàn)證鉆孔ZK15揭露中石炭統(tǒng)黃龍組以少量溶蝕裂隙發(fā)育石灰?guī)r為主，在鉆孔深度13.80～14.30 m、14.90～15.60 m處為含礫粉質(zhì)黏土充填溶洞(圖4a)。

圖4 弄旺、旺林隊(duì)2線與7線物探綜合成果圖

弄旺、旺林隊(duì)7線剖面RD21異常中心位置位于62.5 m處，異常規(guī)模(高×寬)3 m×1 m，異常埋深(頂—底)10～13 m。物探異常特征及推斷：物探綜合成果圖上視電阻率等值線呈低阻半閉合圈型態(tài)，電測(cè)深曲線呈“H”、“KH”型。巖體內(nèi)部界面地質(zhì)雷達(dá)反射信號(hào)強(qiáng)，呈水平或傾斜帶狀長(zhǎng)條形或垂直方向多次孤立體反射信號(hào)，三振相明顯，有兩次以上反射信號(hào)，推斷異?？赡転槿芏窗l(fā)育引起。驗(yàn)證鉆孔ZK6揭露中石炭統(tǒng)黃龍組以少量溶蝕裂隙發(fā)育石灰?guī)r為主，在鉆孔深度9.40～12.60 m處為含礫粉質(zhì)黏土充填溶洞(圖4b)。

弄元隊(duì)4線剖面RD34異常中心位置位于97.5 m處，異常規(guī)模(高×寬)3 m×3 m，異常埋深(頂—底)25～28 m。物探異常特征及推斷：物探綜合成果圖上視電阻率等值線下凹，呈低阻半閉合圈、閉合圈型態(tài)，電測(cè)深曲線呈“H”、“KH”型。巖體內(nèi)部界面地質(zhì)雷達(dá)反射信號(hào)強(qiáng)，呈水平或傾斜帶狀長(zhǎng)條形或垂直方向多次孤立體反射信號(hào)，三振相明顯，有兩次以上反射信號(hào)，推斷異?？赡転槿芏窗l(fā)育引起。驗(yàn)證鉆孔ZK35揭露中石炭統(tǒng)黃龍組以少量溶蝕裂隙發(fā)育石灰?guī)r為主，在鉆孔深度20.50～23.60 m、24.00～26.70 m處灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育，巖體破碎；23.60～24.00 m、26.70～27.60 m處為含礫粉質(zhì)黏土充填溶洞。

綜合物探及地質(zhì)、鉆探資料，本次物探勘查工作共圈定了65個(gè)物探異常。其中弄旺、旺林勘查區(qū)裂隙破碎異常18處，溶洞異常30個(gè)(圖2)；弄元勘查區(qū)裂隙破碎異常7處，溶洞異常8個(gè)，土洞異常2個(gè)(圖3)。巖溶發(fā)育形態(tài)主要為基巖中的裂隙破碎及個(gè)體溶洞，推斷發(fā)育區(qū)域位于巖溶漏斗及溶蝕洼地區(qū)域，強(qiáng)降雨時(shí)為地表水的主要排水通道，地表水與地下水變動(dòng)頻繁，對(duì)建筑物穩(wěn)定性影響較大，屬易發(fā)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害區(qū)段?？辈閰^(qū)其他區(qū)段為巖溶中等發(fā)育或巖溶弱發(fā)育，推斷淺部巖體溶蝕、節(jié)理裂隙較發(fā)育，深部巖體較完整。

5 結(jié)論

1)結(jié)合本次高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法成果及測(cè)區(qū)地質(zhì)、鉆探資料，綜合研究推斷，在裂隙發(fā)育區(qū)，高密度電法的視電阻率在淺部(巖面)裂隙發(fā)育的特征是測(cè)深曲線上呈“A”型及“H”型；在深部巖溶發(fā)育的電性異常特征是測(cè)深曲線上呈“A”型、“KH”型尾支小于45°上升，視電阻率等值線剖面上等值線變化梯度大。破碎裂隙或土洞在地質(zhì)雷達(dá)時(shí)間剖面圖上表現(xiàn)為與周圍巖體反射波不一致，視圖表現(xiàn)空散。地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)法在存在溶洞等不良地質(zhì)體或小裂隙情況下，易形成明顯的弧型異常或多次反射現(xiàn)象，目標(biāo)較小、埋藏較深以及介質(zhì)電性差異不大時(shí)，可能看不到拋物線結(jié)構(gòu)。

2)據(jù)本次工作資料分析解釋，推斷弄旺、旺林勘查區(qū)裂隙破碎異常18處，溶洞異常30個(gè)；弄元勘查區(qū)裂隙破碎異常7處，溶洞異常8個(gè)，土洞異常2個(gè)。

3)根據(jù)異常分布位置和特征，通過(guò)地面調(diào)查及鉆探工作，證實(shí)勘查區(qū)地下巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，發(fā)育深度為2.0～26.7 m，平面上表現(xiàn)為帶狀發(fā)育，垂向上表現(xiàn)為層狀發(fā)育。推斷勘查區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育2處，弄旺、旺林測(cè)區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)域?yàn)榕?duì)中部及西北側(cè)，巖溶主要發(fā)育走向?yàn)镹W向；弄元測(cè)區(qū)巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)域主要位于弄元隊(duì)中部玉米地及東面塌陷點(diǎn)附近，巖溶主要發(fā)育方向?yàn)镹W向。

4)本次物探勘查工作總體上查明了勘查區(qū)不良地質(zhì)體發(fā)育和空間分布情況，結(jié)合鉆探等工作，圈定了2處巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)域，為勘查區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害勘查工作提供了詳實(shí)可靠的物探基礎(chǔ)資料，較好地實(shí)現(xiàn)了物探工作的目的。

物探方法能否發(fā)揮其應(yīng)有的應(yīng)用效果，首先取決于物探工作者對(duì)各種物探方法的原理以及適用范圍的正確了解，并能根據(jù)場(chǎng)地工作環(huán)境條件選用合適的方法及設(shè)備，結(jié)合場(chǎng)地工程、水文地質(zhì)條件進(jìn)行資料處理與解釋。本次桂西北巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的物探結(jié)果表明，采用高密度電阻率法與地質(zhì)雷達(dá)法組合能夠較好解決場(chǎng)地的巖溶隱患的探測(cè)問(wèn)題，為勘查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)資料。

通過(guò)比較多處鉆探資料及鉆探驗(yàn)證表明，本次物探工作勘探效果良好，可以滿足工程勘探要求。該方法探測(cè)無(wú)損、快速、簡(jiǎn)捷、成本低，具有儀器設(shè)備輕便、數(shù)據(jù)采集能力高效、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，適宜在以后的桂西北巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害中進(jìn)行推廣使用。