高密度電法在某巖溶地陷項(xiàng)目的應(yīng)用效果分析

朱偉國(guó)

廣東省地質(zhì)物探工程勘察院 廣東 廣州 510800

1 引言

巖溶地陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑的自然現(xiàn)象，它的形成演化是水、土、巖之間相互作用的過(guò)程，雷明堂等[1]指出巖溶地陷的發(fā)生在時(shí)間上具有突發(fā)性，在空間上具有隱秘性的特點(diǎn)。近來(lái)，伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，巖溶地陷災(zāi)害變得日益廣泛和頻繁，不僅破壞建筑物及相應(yīng)設(shè)施、還影響生產(chǎn)，嚴(yán)重情況下還會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失及消極的社會(huì)影響，成為巖溶區(qū)常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害[2-3]。為減小巖溶塌陷災(zāi)害帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失及威脅，針對(duì)巖溶塌陷的上述特點(diǎn)，為了能對(duì)巖溶地陷有更針對(duì)性的處理，為了給出治理地面巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù),有必要采用有效手段快速查明巖溶地陷在地下的空間分布形態(tài)、位置、規(guī)模。近年來(lái)，高密度電阻率法、瞬變電磁法、地質(zhì)雷達(dá)法等物探手段以其快速、高效、無(wú)損等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于地下溶洞的探測(cè)[4-5]。

針對(duì)羅定燕子水生產(chǎn)隊(duì)塌陷區(qū)的地質(zhì)、地形、地貌的特點(diǎn)，筆者采用高密度電法結(jié)合地質(zhì)調(diào)查、地質(zhì)鉆探對(duì)該塌陷區(qū)進(jìn)行綜合分析，確定了塌陷區(qū)的巖溶發(fā)育帶及塌陷隱患區(qū)，并為塌陷的形成原因提供了較好的地質(zhì)背景依據(jù)。為下一步的地質(zhì)災(zāi)害治理提供地球物理技術(shù)支持。

2 測(cè)區(qū)概況

勘查區(qū)位于羅定市金雞鎮(zhèn)西北部，交通便利，區(qū)內(nèi)海拔相對(duì)高差小，地勢(shì)較緩，為丘陵地貌或山間洼地。經(jīng)調(diào)查和走訪，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，現(xiàn)狀巖溶地面塌陷發(fā)現(xiàn)有8處，雖然規(guī)模均為小型單體陷坑，若任由其發(fā)展，可能發(fā)生更大的巖溶地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害，威脅到附近的民房和居民。

3 工區(qū)地質(zhì)及地球物理特征

3.1 工區(qū)地質(zhì)

勘查區(qū)出露基巖主要為下石炭統(tǒng)孟公坳組（C1ym）石灰?guī)r，地表大部分地段被殘積土（Qel）覆蓋。其中殘積層（Qel）廣泛分布于自然山坡表層和隱伏于村內(nèi)人工填土之下，為石灰?guī)r風(fēng)化形成，巖性以褐黃、灰黃色粉質(zhì)粘土為主，伴有少量砂礫；下石炭統(tǒng)孟公坳組（C1ym）石灰?guī)r，主要出露于勘查區(qū)全區(qū)或隱伏于殘坡積土之下，呈青灰色，厚層狀，巖質(zhì)稍硬，巖石風(fēng)化裂隙較發(fā)育，巖芯多呈現(xiàn)出短柱狀，裂面可見(jiàn)石膏層充填或褐鐵礦化，本層可見(jiàn)巖溶較發(fā)育，多發(fā)育有單層或多層溶洞。

3.2 地球物理特征

根據(jù)前期的鉆孔巖心資料可知，測(cè)區(qū)內(nèi)第四系殘積層厚度小于10m，工區(qū)電阻率物性參數(shù)，見(jiàn)表1。巖石土體的空洞隨充填介質(zhì)的不同變化劇烈，隨地層巖性變化、巖石風(fēng)化程度、巖溶內(nèi)部發(fā)育有溶槽、溶隙、溶洞蝕帶等巖溶地質(zhì)體的不一，使得地下介質(zhì)電性存在較大差異，從而改變?cè)械貙拥牡厍蛭锢硖卣?，可?jiàn)，各介質(zhì)的電性差異明顯，具備開展高密度電法測(cè)量的地球物理?xiàng)l件。

表1 工區(qū)電阻率物性參數(shù)表

4 工作方法解釋

高密度電阻率法是以地下被探測(cè)目標(biāo)體與周圍介質(zhì)之間的電性差為基礎(chǔ)，土洞、溶洞由于表現(xiàn)為低阻，具有較好的導(dǎo)電能力，而一般的巖層電阻率較高，導(dǎo)電能力差，因而采用人工在地下建立電場(chǎng)，通過(guò)觀測(cè)和分析人工電場(chǎng)的分布規(guī)律，在斷面上通過(guò)電阻率反映不同地質(zhì)體的導(dǎo)電能力以達(dá)到了解巖土分層、基巖起伏形態(tài)，以及地質(zhì)構(gòu)造、巖溶、軟弱夾層等不良地質(zhì)體的分布范圍的一種地球物理勘探方法，其實(shí)質(zhì)就是直流電阻率法[6]。

5 資料解釋及驗(yàn)證

5.1 高密度電阻率法

根據(jù)測(cè)區(qū)的實(shí)際地形條件及塌陷區(qū)的分布狀況，同時(shí)受到房屋及實(shí)際地形的限制，共布置20條物探測(cè)線，編號(hào)分別為L(zhǎng)1～L20線，測(cè)線互相平行，方位為45°，間距為25m。使用中海達(dá)公司i5型GNSS-RTK采集系統(tǒng)敷設(shè)測(cè)線。本次野外數(shù)據(jù)采集使用由重慶地質(zhì)儀器廠生產(chǎn)的高密度電法測(cè)量系統(tǒng)-DUK-2A。由于小號(hào)點(diǎn)一側(cè)靠近陡崖，無(wú)法布設(shè)電極，因此本次探測(cè)采用靈活性強(qiáng)的單邊三級(jí)裝置，考慮到勘探深度的要求，測(cè)線電極距均為4m。測(cè)線布置如圖1所示。

圖1 物探測(cè)線布設(shè)

采集驕佳技術(shù)公司的高密度電法數(shù)據(jù)與極化率層析成像軟件Geogiga RTomo 6.0進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)反演與分析。數(shù)據(jù)處理步驟如下：數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換→壞點(diǎn)數(shù)據(jù)剔除→數(shù)據(jù)濾波處理→測(cè)點(diǎn)高程輸入→地形改正→最小二乘法反演→輸出反演電阻率斷面→物探解釋→地質(zhì)解釋剖面輸出→完成。高密度電阻率法反演及成果解釋選擇典型的測(cè)線L10線進(jìn)行分析。

圖2 L10線電阻率反演斷面圖及地質(zhì)解釋剖面

綜合L10測(cè)線高密度電法反演斷面圖可知，該區(qū)表電阻率在30～120Ω·m之間，覆蓋土層兩側(cè)低中間高，平均為6m左右，基巖埋深稍淺，高密度電法反演剖面基本勾畫出土層的厚度。由圖2a可知，在L10 線 150～170m 測(cè)點(diǎn)段電阻率值(50～300Ω·m) 相比兩側(cè)變化明顯，且電阻率相對(duì)基巖較低，ZK6 鉆孔揭示 163m 測(cè)點(diǎn)下方溶蝕作用弱發(fā)育，結(jié)合物性資料推測(cè)該段為巖溶裂隙發(fā)育段。由圖 2a 可知，在L10 線225～265m測(cè)點(diǎn)段電阻率值 (50～300Ω·m) 相比兩側(cè)變化明顯，電阻率呈現(xiàn)出下凹異常，結(jié)合 ZK4 鉆孔可以推斷196～229m 區(qū)域?yàn)閹r溶裂隙發(fā)育帶。

5.2 溶洞異常的圈定

為了更好的展示出溶洞裂隙發(fā)育帶的分布情況，利用各條測(cè)線的高密度剖面數(shù)據(jù)提取出，n=10層的各剖面電阻率值繪制出該深度對(duì)應(yīng)的平面等值線圖，如圖5所示，本次勘查共圈定3條巖溶發(fā)育帶，編號(hào)為YRDⅠ～YRDⅢ。巖溶發(fā)育帶在電阻率平面等值線圖上呈低阻異常分布，為低阻異常帶，走向與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造走向一致，具體如下：

1、YRDⅠ：主要位于L1線～L13線之間的140～200號(hào)點(diǎn)，呈北東走向，寬度2～5m，有進(jìn)一步往L15至L20線發(fā)育的趨勢(shì)，控制長(zhǎng)度約500m，穿出測(cè)區(qū)。

2、YRDⅡ：主要位于L12線～L20線之間的200～230號(hào)點(diǎn)，呈北東走向，寬度5～20m，控制長(zhǎng)度約295m，北東部穿出測(cè)區(qū)。

3、YRDⅢ：主要位于L6線～L15線之間的220～260號(hào)點(diǎn)，呈北東走向，寬度5～35m，控制長(zhǎng)度約240m。

從視電阻率平面等值線圖還可看出，3條巖溶發(fā)育帶不是孤立的，YRDⅠ與YRDⅡ在L14和L17線有聯(lián)系的，YRDⅠ與YRDⅢ在L8線有聯(lián)系的，而YRDⅡ與YRDⅢ在L14線又有聯(lián)系的。彼此大致平行，總體呈樹枝狀分布。

圖3 高密度測(cè)量反演電阻率切片（n=10m）平面等值線圖

5.3 鉆孔的驗(yàn)證情況

本次驗(yàn)證孔揭露到基巖巖面埋深從1.9～5.9m不等，巖面較淺；本次鉆探有8個(gè)鉆孔在不同的深度揭露到溶洞，溶洞頂板厚度從2.7～13.4m不等，厚度不大，溶洞洞高從0.5～2.1m不等；其中ZK8、ZK9孔雖未見(jiàn)溶洞，揭露的巖石裂隙風(fēng)化發(fā)育，裂隙物存在褐鐵礦化物，風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，說(shuō)明物探的推斷與實(shí)際基本相符，物探成果能基本反映出本測(cè)區(qū)的地下溶洞分布情況，見(jiàn)表2。

表2 鉆孔驗(yàn)證情況一覽表

6 結(jié)論

1、通過(guò)本次高密度電法勘查，在各剖面上解釋了基巖面的大致深度，圈定了區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育地段，解釋了土洞、溶洞的水平位置及其頂?shù)装迓裆?；在平面上圈定了土洞、溶洞的平面分布?/p>

2、本次驗(yàn)證孔有8個(gè)鉆孔在不同的深度揭露到溶洞，溶洞頂板厚度從2.7～13.4m不等，厚度不大，溶洞洞高從0.5～2.1m不等；其中ZK8、ZK9孔雖未見(jiàn)溶洞，但揭露的巖石裂隙風(fēng)化發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，說(shuō)明物探的推斷與實(shí)際基本相符，物探成果能基本反映出本測(cè)區(qū)的地下溶洞分布情況。

3、綜合高密度電法、鉆探及地質(zhì)調(diào)查表明：區(qū)內(nèi)巖溶較發(fā)育，是引起地面塌陷的主要因素。其次，覆蓋土層較薄，基巖巖面埋深小，溶洞頂板不大，當(dāng)?shù)叵滤顒?dòng)頻繁時(shí)，由于水土流失，土體逐漸掏空形成土洞或空洞，造成了地陷、地裂等地質(zhì)災(zāi)害。高密度電法結(jié)合鉆孔能較好地反映出地下巖溶的發(fā)育區(qū)區(qū)域及溶洞分布情況，為下一步開展地質(zhì)災(zāi)害治理提供科學(xué)的依據(jù)。