綜合物探方法在巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的研究與應(yīng)用

張亦朋

廣東省化工地質(zhì)勘查院 廣東 廣州 510800

英德市沙口鎮(zhèn)洲西村三墩下村民小組于2020年2月-4月發(fā)生多處地面塌陷，塌陷坑位于耕地及山坡坡腳，未造成人員傷亡事件，主要為破壞耕地，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厝嗣袢罕娚?cái)產(chǎn)安全。受當(dāng)?shù)卣醒杆賹?duì)地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害開展地災(zāi)應(yīng)急搶險(xiǎn)工作，隨后組織了工程師進(jìn)行綜合勘查，在塌陷區(qū)投入高密度電阻率法（剖面長(zhǎng)10.8km）、瞬態(tài)面波法（剖面長(zhǎng)1.83km）和鉆探等方法，主要大致查明區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育及構(gòu)造破碎帶的分布情況，通過綜合勘查分析巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理，大致查明潛在巖溶塌陷分布范圍及發(fā)展規(guī)律，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防、設(shè)計(jì)及施工提供技術(shù)路線和科學(xué)依據(jù)。

1 測(cè)區(qū)地質(zhì)、地球物理特征

區(qū)內(nèi)地層主要由第四系覆蓋層（人工填土層（Qml）素填土；沖積層（Qal+pl）粉質(zhì)黏土、粉砂、含卵石粉質(zhì)黏土和卵石層；殘積層（Qel）粉質(zhì)黏土、泥盆系棋梓橋組（D2q）泥頁巖和泥盆系天子嶺組（D3t）灰?guī)r等組成。

灰?guī)r表現(xiàn)為高阻、高速區(qū)，土體表現(xiàn)為相對(duì)較低阻、低速區(qū)，而巖溶主要表現(xiàn)為低阻低速特征。表1列出了場(chǎng)地主要介質(zhì)的物性參數(shù)。

由表1可知，土層、灰?guī)r和溶洞、土洞之間，彈性波波速和電阻率均存在較大差異，而這些物性差異是作為開展高密度電阻率法和瑞雷面波法的前提。

2 方法技術(shù)

開展工作前，選擇綜合典型剖面對(duì)各種物探方法進(jìn)行方法有效性試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)選取適宜的裝置和參數(shù)進(jìn)行探測(cè)。使用高密度電阻率法進(jìn)行剖面測(cè)量，在高密度電阻率法劃分物探異常區(qū)的重點(diǎn)地段開展多道瞬態(tài)面波探測(cè)。

2.1 高密度電阻率法

高密度電法是以地層中圍巖和目的物的導(dǎo)電性差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過觀測(cè)和研究人工建立的地下穩(wěn)恒電流場(chǎng)的分布規(guī)律，以達(dá)到解決工程地質(zhì)及其它地質(zhì)問題的一種勘探方法[1]。高密度電阻率法就是最近幾年發(fā)展起來的新的電法勘探方法，它以密度大、電極排列多、獲取信息量大為特點(diǎn)，通過相應(yīng)解釋軟件判讀地下地質(zhì)信息[2]。

本次物探數(shù)據(jù)采集采用重慶萬馬物探儀器有限公司研制的WDJD-4高密度電法測(cè)量系統(tǒng)，高密度電阻率法的電極組合排列形式多樣，根據(jù)不同工作目的和工作條件選取不同的測(cè)量裝置。由于本次工作目的通過獲取深度較大、場(chǎng)地條件有一定限制，需要在有限的工作面獲取較完整的、豐富的電阻率剖面，從而掌握深部巖溶發(fā)育信息，因此選取三極測(cè)深（M-N-B）裝置，選擇工作參數(shù)：電極間距（點(diǎn)距）為5m，MN系數(shù)為1，每個(gè)測(cè)點(diǎn)采集30層。60道集中式轉(zhuǎn)換器，根據(jù)剖面長(zhǎng)度一次敷設(shè)好所需電極。該裝置相較于其他裝置，該裝置中始終保持測(cè)量MN極距不變，減少了體積平均效應(yīng)的影響。

利用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行成圖解譯，其數(shù)據(jù)處理流程：（1）將原始數(shù)據(jù)從儀器導(dǎo)出保存至電腦存儲(chǔ)盤；（2）剔除壞點(diǎn)數(shù)據(jù)、電阻率負(fù)值；（3）利用相關(guān)軟件進(jìn)行視電阻率擬斷面圖繪制[3]。

2.2 瞬態(tài)面波勘探法

面波是一種在介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，且在層狀介質(zhì)中傳播時(shí)具有頻散特性，即不同頻率的面波具有不同的傳播速度，在沿介質(zhì)層面?zhèn)鞑r(shí)，衰減速度較慢，而在介質(zhì)內(nèi)部傳播時(shí)衰減速度較快。面波傳播時(shí)與土層的力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，其傳播速度與剪切波波速基本相近，并且在隨土體的泊松比的變化不大，在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過面波頻散特性分析判斷地下空間的變化。

瞬態(tài)面波法采用中地裝(重慶)地質(zhì)儀器有限公司的DZQ24-2A 高分辨地震儀進(jìn)行探測(cè)，接收傳感器使用4.5Hz檢波器器。采集參數(shù)主要有：接收道數(shù)為12道，道間距為2m，采樣間隔0.25ms，記錄長(zhǎng)度1024ms，通頻帶為全通，35磅大錘激震。

理論上無充填的土洞（或溶洞）等的其電阻率比周邊土體（或基巖）電阻率高，但根據(jù)多年工作實(shí)踐，由于多數(shù)土溶洞呈充填或半充填狀態(tài)且地下水位較淺，充填物為低阻，并且一般溶腔周邊會(huì)有低電阻物質(zhì)（如鈣化層或鐘乳石）依附在上面。由于低阻屏蔽的影響，溶土洞一般呈現(xiàn)低阻特征，從波速上其以低速特征呈現(xiàn)；剖面中出現(xiàn)高阻（或高速度）巖體被低阻（或低速度）巖體錯(cuò)斷，或高阻（或高速度）巖體中出現(xiàn)帶狀低阻（或低速度）區(qū)，則推測(cè)可能為溶洞或破碎帶。

3 異常特征及解釋

3.1 異常特征

巖溶在電阻率法和瞬態(tài)面波法中表現(xiàn)的異常主要為低阻（或低速）異常和高阻（或高速）異常兩大類，在工作實(shí)際中，巖溶一般以低阻（或低速）異常特征呈現(xiàn)。巖溶形成與地下水有著密切聯(lián)系，巖溶發(fā)展方向可分為水平和垂直兩大方向，垂直方向上巖溶主要有石芽、溶溝、溶槽、巖溶漏斗、巖溶洼地、巖溶豎井、落水洞等，水平方向上主要為溶洞、巖溶地下河等。巖溶形態(tài)影響著異常形態(tài)，同時(shí)異常形態(tài)還受其上覆地層厚薄變化的影響而有所不同。

一般來說，巖溶漏斗、溶溝和溶槽等的異常特征通常為“V”或“U”字型低阻（或低速）異常，落水洞、巖溶豎井、溶蝕破碎帶或溶蝕接觸帶一般表現(xiàn)為傾斜或垂直型條帶狀低阻（或低速）異常，而溶洞則為封閉的低阻異常，或者深部的低阻（或低速）異常或高阻（或低速）異常。同時(shí)應(yīng)注意任何巖溶現(xiàn)象不會(huì)孤立存在，而通常是相互關(guān)聯(lián)的[4]。

3.2 異常解釋

在灰?guī)r地區(qū)不良地質(zhì)體發(fā)育于巖面以上可能為軟弱土層（淤泥、飽和液化砂層等）或土洞，發(fā)育于巖面及以下主要為溶蝕發(fā)育（表現(xiàn)為溶隙、溶洞和溶槽等）。因此，劃分不良地質(zhì)體的性質(zhì)，首要的工作是在視電阻率擬斷面圖（或視橫波波速影像圖）上勾劃巖面位置。

不良地質(zhì)體（軟弱土層、巖溶發(fā)育帶）及巖面推測(cè)主要依據(jù)以下三方面進(jìn)行。如下：

（1）基巖面的確定即第四系覆蓋層的厚度的確定，利用視電阻率（或視橫波波速）等值線形態(tài)，結(jié)合地質(zhì)鉆孔資料標(biāo)定對(duì)應(yīng)視電阻率（或是橫波波速）范圍值作為推斷巖面的一個(gè)統(tǒng)計(jì)值，從而進(jìn)行剖面劃分巖土分界面。如下圖2所示，WT7線綜合物探剖面根據(jù)視電阻率（或視橫波波速）等值線形態(tài)，結(jié)合鉆孔資料標(biāo)定確定電阻率在100～120Ω·m和波速在500～550m/s作為巖土分界線的一個(gè)統(tǒng)計(jì)值。

圖2 WT7線綜合地質(zhì)物探剖面成果圖

（2）巖溶通常位于地下水位之下，被水、土等低阻體充填而表現(xiàn)為低阻異常特征，并且在灰?guī)r面周圍，在等值線斷面圖上表現(xiàn)為等值線特征主要呈“V”或“U”字型，或低值封閉等畸變低阻異常。根據(jù)高密度電法剖面視電阻率異常，以低阻異常特征來圈定；同樣面波勘探剖面視橫波波速異常，以低速異常特征來圈定。結(jié)合地質(zhì)鉆孔資料，推斷低阻（或低速）異常為巖溶中充填軟流塑狀粘性土等低阻物質(zhì)引起。

（3）軟弱土層、土洞或流沙層位于巖面之上，由于本區(qū)地下水較淺，從而土洞位于地下水之下，被水、土等充填而表現(xiàn)為低阻（或低速）異常特征，且位于基巖面上附近，在視電阻率斷面圖上表現(xiàn)為等值線大幅度下凹，低電阻率等值線封閉圈等畸變異常。根據(jù)高密度電法剖面視電阻率異常，以低阻封閉異常特征來圈定；面波勘探剖面視橫波波速異常，以低速異常特征來圈定。

4 應(yīng)用實(shí)例

圖2為WT7線綜合物探剖面，剖面上分別采用高密度電阻率法和瑞雷面波法探測(cè)。剖面成果圖的視電阻率（或視橫波波速）等值線總體呈水平層狀分布，由淺至深電阻率（或橫波波速）值逐漸增大，反映出該剖面地下巖土層相對(duì)均勻密實(shí)（如圖2點(diǎn)位70～110段），但局部區(qū)域等值線發(fā)生畸變，電阻率值（或波速值）呈陡立狀減小、呈現(xiàn)出較大的起伏（如凹陷等），然而將這種畸變體且位于巖面以下異常，推測(cè)灰?guī)r中發(fā)育的巖溶（溶槽或溶溝）的特征。如圖2中對(duì)應(yīng)點(diǎn)位120～130段位置的“V”型部位。

瑞雷面波法測(cè)線點(diǎn)號(hào)55～60m、深度在10～15m之間和點(diǎn)號(hào)122～128m、深度在12～20m之間出現(xiàn)波速等值線向下凹陷物探低速異常；其對(duì)應(yīng)高密度電阻率法測(cè)線點(diǎn)號(hào)55～59m、深度在11～14m之間和點(diǎn)號(hào)120～132m、深度在11m～22m之間出現(xiàn)視電阻率等值線向下凹陷低阻異常，兩種方法出現(xiàn)物探異常位置相吻合。經(jīng)鉆孔ZK8和WTZK2揭露驗(yàn)證，ZK8鉆孔在12.50～14.80m見溶洞，覆蓋層在12.10m；WTZK2鉆孔在13.80-16.60m、17.10-18.90m見串珠狀溶洞，覆蓋層為12.70m，深度20.0m終孔，推測(cè)底部可能還存在多層串珠狀溶洞。

5 勘探成果

采用高密度電阻率法進(jìn)行剖面測(cè)量，圈定多處物探低阻異常（推測(cè)為溶蝕發(fā)育區(qū)），并對(duì)局部低阻異?；驍?shù)據(jù)干擾區(qū)進(jìn)行瑞雷面波法進(jìn)行探測(cè)，綜合物探方法相互驗(yàn)證或資料補(bǔ)充。本次根據(jù)綜合物探工作成果共布設(shè)11個(gè)物探驗(yàn)證孔，鉆孔均勻布設(shè)在物探異常上，其中見溶洞8處，構(gòu)造破碎的1處。采用綜合物探方法進(jìn)行探測(cè)效果顯著。

根據(jù)鉆孔和綜合物探資料，推測(cè)構(gòu)造破碎帶1處，劃分易引起巖溶塌陷區(qū)2處。

6 結(jié)語

英德市沙口鎮(zhèn)洲西村三墩下村民小組巖溶塌陷地災(zāi)應(yīng)急勘查中，通過綜合運(yùn)用多種物探方法和鉆探驗(yàn)證手段對(duì)探測(cè)區(qū)內(nèi)巖溶進(jìn)行勘查，探測(cè)效果顯著，為地災(zāi)勘查和設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)性的基礎(chǔ)資料。

高密度電阻率法具有數(shù)據(jù)密度大、高效經(jīng)濟(jì)、獲取信息量大的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)巖溶發(fā)育位置定性勘探效果顯著；瑞雷面波法在淺層工程勘查中具有高效、適應(yīng)性強(qiáng)、分別率高、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。本次應(yīng)用效果說明，在巖溶探測(cè)方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體條件，在條件允許情況下，運(yùn)用綜合物探方法加上必要的鉆孔驗(yàn)證，可以取得很好勘探效果，起到相互驗(yàn)證的作用，減少由于干擾及多解性而帶來的誤判，提高解釋的準(zhǔn)確度。