武漢市地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害勘查中的物探工作

（貴州理工學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550001）

【摘要】：本文通過(guò)歷次武漢市地面塌陷物探工作的總結(jié)，討論了各種物探方法的應(yīng)用地質(zhì)效果，總結(jié)了合理的物探勘查方法組合，對(duì)今后工作提出了建議。

【關(guān)鍵詞】：地面塌陷；物探方法技術(shù)；方法組合

1、引言

武漢市地跨長(zhǎng)江、漢水，獨(dú)特的地理、地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，形成了復(fù)雜的水工地質(zhì)條件。在東西走向的灰?guī)r條帶中，不同程度地發(fā)育著巖溶。歷史上多次發(fā)生地面塌陷，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)危害。為抗災(zāi)救災(zāi)，防治并進(jìn)，湖北省地質(zhì)環(huán)境總站開(kāi)展了大量的地質(zhì)工作，基本查明了地面塌陷發(fā)生的地質(zhì)構(gòu)造特征，提出了防治措施，起到了較好的效果。作為現(xiàn)代化勘查技術(shù)的物探方法，在其中也得到較廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮了應(yīng)有的作用，積累了有益的經(jīng)驗(yàn)。

2.地質(zhì)與地球物理?xiàng)l件

武漢市地處長(zhǎng)江、漢水兩岸階地，第四系覆蓋廣泛，具粘土-砂（礫石、卵石）層的二元結(jié)構(gòu)；下伏基巖從志留系-三疊系分布基本完整，地層走向主要呈近東西向。地面塌陷主要發(fā)生在一級(jí)階地的東西向灰?guī)r條帶上，構(gòu)造部位屬向斜軸部，巖性為三疊系大冶灰?guī)r，二疊系棲霞灰?guī)r，石炭系黃龍灰?guī)r。當(dāng)灰?guī)r與白堊系-晚近系，砂巖接觸部位，巖溶相對(duì)較為發(fā)育，如武昌陸家街-烽火村一帶，最具代表性?；鶐r中的巖溶及其第四系覆蓋層中的擾動(dòng)土層是地面塌陷害發(fā)生的地質(zhì)原因。

多年的物探工作積累了較豐富的物性資料，歸納后得出如下規(guī)律：

第四系土層（Q）：具有最低電阻率，低介電常數(shù)，最低密度特征；

頁(yè)巖、泥巖（P）：具有低電阻率，低介電常數(shù)，低密度特征；

砂巖（K-E）、砂頁(yè)巖（S）：具有較低電阻率，較低介電常數(shù)，較低密度特征；

石英砂巖（D）、硅質(zhì)巖（P）：具有最高電阻率，高介電常數(shù)，較高密度特征；

灰?guī)r（T.P.C）：具有高電阻率，高介電常數(shù)，較高密度特征；

上述物性特征均是在致密塊狀賦存條件下（第四系除外）基巖所具有的物性特征。當(dāng)然，基巖中所發(fā)育的巖溶裂隙帶和斷裂破碎帶都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的物性變異而呈現(xiàn)出低電阻率、低介電常數(shù)、低密度的物性特征。

應(yīng)指出的是，位于鬧市的塌陷區(qū)一般工業(yè)游散電流及高壓線、地面（表）電性不均勻體，電氣設(shè)備等干擾因素復(fù)雜且相當(dāng)強(qiáng)度；相對(duì)地震法而言，人文干擾震動(dòng)也具相當(dāng)強(qiáng)度。

工作中，只要物探方法選擇合適，技術(shù)措施得當(dāng)，就有可能獲得目標(biāo)（的）物的地球物理信息，為我們所識(shí)別。

3.物探方法技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

自上個(gè)世紀(jì)七十年代中南軋鋼廠地面塌陷物探工作之始至今，歷時(shí)三十多年的地面塌陷物探工作大致可劃分為三個(gè)階段。它們的推進(jìn)反映了物探勘查技術(shù)的科技進(jìn)步歷史。

第一階段：由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地質(zhì)-地球物理?xiàng)l件不明，方法選擇主觀因素居重；投入方法較單一，以重力，直流電測(cè)深為主；應(yīng)用效果不明顯；

第二階段：資料積累有限，地質(zhì)構(gòu)造和物性條件認(rèn)識(shí)欠全面深入，盡管開(kāi)始注重綜合方法投入但方法應(yīng)用針對(duì)性不強(qiáng)，方法效果得到了改進(jìn)；

第三階段（現(xiàn)階段）：隨著查證工作的深入和認(rèn)真總結(jié)，對(duì)地面塌陷產(chǎn)生的地質(zhì)構(gòu)造要件和機(jī)理有了新的認(rèn)識(shí)，注重不斷應(yīng)用新的物探方法技術(shù)，靈活地進(jìn)行方法優(yōu)選組合，經(jīng)濟(jì)快速地獲取最佳探測(cè)效果。

近些年來(lái)，在發(fā)揮傳統(tǒng)方法功效的同時(shí)，也將一些新的方法陸續(xù)引入到武漢市地面塌陷災(zāi)害勘測(cè)中來(lái)，諸如高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、淺層地震層析成像技術(shù)、瞬變電磁測(cè)深（TEM）、EH-4（大地電磁測(cè)深）、可控源音頻大地電磁測(cè)深、核磁共振探水技術(shù)等。不少新方法取得了較好的探測(cè)效果，代表了災(zāi)害物探發(fā)展的現(xiàn)代化進(jìn)步。

此外，針對(duì)市區(qū)工況條件復(fù)雜，干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，采用一些抗干擾技術(shù)，如直流電法的“軟接地”技術(shù)，基本可以克服水泥-瀝青路面的接地干擾；新電法儀器應(yīng)用“陷波”技術(shù)，可使抗工頻電流干擾達(dá)800dB以上；淺震引進(jìn)抗干擾軟件，可以較有效的壓制人文震源干擾等。

4.探測(cè)的地質(zhì)效果

4.1地質(zhì)填圖的探測(cè)效果

物探進(jìn)行地質(zhì)填圖主要是查明覆蓋條件下的基巖巖性和各種構(gòu)造，巖性界面，褶皺與斷裂構(gòu)造，地層產(chǎn)狀等。其中灰?guī)r是填圖工作的基礎(chǔ)目標(biāo)物。

2000年4月6日，武昌烽火村一帶發(fā)生較大規(guī)模地面塌陷，陷坑多達(dá)20余個(gè)。規(guī)模大者直徑達(dá)幾十米見(jiàn)方，最小者直徑僅1米。由于陷坑位于居民區(qū)，引起了社會(huì)關(guān)注和市政府的高度重視。為全面查清塌陷區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征，及時(shí)安排了物探綜合方法，開(kāi)展地質(zhì)填圖工作。經(jīng)過(guò)方法試驗(yàn)對(duì)比，方法試驗(yàn)，主要有直流電測(cè)深、瞬變電磁法（TEM）、淺層地震、地質(zhì)雷達(dá)等。認(rèn)為直流電測(cè)深抗干擾能力較強(qiáng)，效果較直觀，成本較低，而被選中。

填圖工作中，直流電測(cè)深發(fā)揮了很好的功效，準(zhǔn)確地區(qū)分了覆蓋條件下面K-E的沙巖與灰?guī)r（T）的復(fù)雜接觸關(guān)系，呈犬牙交錯(cuò)的格局。后經(jīng)鉆探驗(yàn)證，巖性判斷準(zhǔn)確率達(dá)90%以上?；?guī)r的高阻異常十分清晰，其“斷開(kāi)”部位則指示了斷裂帶或巖性接觸界面；較有意義的是那種“階梯異?！?，往往指示了灰?guī)r頂板還覆蓋了一層厚度不大（數(shù)米至十余米）的粘土巖，后為鉆探成果證實(shí)。

4.2物探技術(shù)在地面塌陷中的應(yīng)用效果和監(jiān)測(cè)預(yù)警

近年來(lái)，在開(kāi)展地面塌陷災(zāi)害監(jiān)測(cè)與預(yù)警工作，選擇了高密度電法+地質(zhì)雷達(dá)+大地電磁測(cè)深（EH-4）的方法組合，目標(biāo)十分明確；灰?guī)r中發(fā)育的巖溶裂隙帶是目標(biāo)（的）物，以高密度電法為主，探測(cè)深度40～50米；第四系中的“擾動(dòng)土層”和洞穴是淺層目標(biāo)（的）物，以地質(zhì)雷達(dá)為主，探測(cè)深度約20m；大地電磁測(cè)深則主要研究中深部地質(zhì)構(gòu)造特征，提供地質(zhì)背景信息。深部高阻異常范圍大且基本連續(xù)，為灰?guī)r反映；在120點(diǎn)出現(xiàn)直立柱狀高阻異常，其兩側(cè)存在明顯的地阻變異。而在80點(diǎn)出現(xiàn)一處“懸膽”狀低阻圈閉異常，清晰地顯示了當(dāng)年地面塌陷區(qū)土層擾動(dòng)-回填洞穴的形態(tài)特征；大號(hào)點(diǎn)一側(cè)存在低阻凹陷，還伴生有中淺部位的低阻異常，指示了基巖中巖溶發(fā)育特征和第四系土層中的擾動(dòng)現(xiàn)象。該區(qū)是地面塌陷的“敏感區(qū)”，依據(jù)局部低阻凹陷異常圈定了四處巖溶裂隙帶，并嘗試性地推斷了兩處土層擾動(dòng)，供地質(zhì)上參考。這些成果對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警項(xiàng)目提供了地球物理資料。

4.3治理效果的檢測(cè)

在陸家街地面塌陷治理中，運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)第四系底部土層高壓水泥注漿密實(shí)度，效果較為理想。注漿密實(shí)部位反射信號(hào)增強(qiáng)，經(jīng)彩色圖像處理后為紅色亮點(diǎn)密集區(qū)；反之，注漿密實(shí)程度差的部位則呈現(xiàn)暗灰色圖像特征，兩者差異一目了然，為評(píng)價(jià)注漿質(zhì)量提供了較準(zhǔn)確的依據(jù)。

3.4方法探測(cè)效果的小結(jié)

武漢市地面塌陷物探所投入的方法可以合為以下幾類：

（1）直流電法：電剖面，電測(cè)深，高密度電法。（2）電磁法：地質(zhì)雷達(dá)、瞬變（TEM）、大地電磁測(cè)深（含可控源）。（3）淺震。（4）高精度重力。（5）高精度磁測(cè)。

直流電法中，電測(cè)深，高密度電法效果較好。相較而言，高密度精度更好一些，但推測(cè)深度有限；電測(cè)深可深可淺，施工條件受布線影響更大。

電磁法均具有更好的精度和橫向分辨力，由于觀測(cè)信號(hào)弱易受干擾影響。地質(zhì)雷達(dá)淺層探測(cè)能力很強(qiáng)，但深度有限；大地電磁測(cè)深經(jīng)濟(jì)成本較高，主要用于中深探測(cè)；瞬變電磁測(cè)深存在起始深度問(wèn)題，淺表層信息往往會(huì)“損失”掉。

淺層地震效果較好，但成本稍高，且易受人文震動(dòng)干擾，此外，對(duì)巖溶裂隙帶的空間形態(tài)推斷在相當(dāng)程度上依賴解釋人員的經(jīng)驗(yàn)。

重力方法在陸家街塌陷陷坑上觀測(cè)到了清晰的重力低異常，方法是有效的，但工作周期較長(zhǎng)，成本較高。

高精度磁測(cè)效果不明顯，這與目標(biāo)物與圍巖的磁性差異小有關(guān)。

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