綜合物探方法在棲霞中橋地區溶洞塌陷地質災害調查中的應用

周治民

(山東省第三地質礦產勘查院，山東 煙臺 264003)

1 調查區概況

調查區位于山東省煙臺市棲霞中橋地區，區內地勢平坦，地表高程40～55m。地表分布的河流為東西向白洋河和近南北向燕地河，調查區地下水資源豐富。該區第四系以褐紅色腐植土、黏土、沙層為主，厚度5～30m，局部厚度達40m。第四系下伏新元古代蓬萊群香夼組灰巖，灰巖中裂隙發育、溶蝕現象明顯，局部發育溶洞。測區北部第四系下伏地層為青山群八畝地組。調查區侵入巖主要為灰綠玢巖脈、石英二長斑巖脈、煌斑巖脈等。

2016年6月--2017年7月，調查區多次發生由巖溶溶洞誘發的地面塌陷，塌陷坑直徑一般2～5m，分布面積約10km2。其中，2016年6月中旬，由于降雨量較大，中橋村內發生多處地面塌陷，最為嚴重一處塌陷導致一戶房屋倒塌，周圍多戶民房裂開、傾斜。在進行地質災害調查中，為查明地下巖溶溶洞及塌陷區分布情況，以中橋村為重點開展了綜合物探勘查工作。

2 地球物理特征與物探方法選擇

巖溶一般發育于灰巖地區，灰巖遭受強烈溶蝕作用形成巖溶溶洞。在地下水等地質作用營力下，上覆土層中的砂土沿巖溶通道被帶走，導致地表發生塌陷。本區巖溶溶洞發育在新元古代蓬萊群香夼組灰巖中，大部分溶洞為全充填或半充填，充填物一般為可塑--硬塑狀粉質黏土。根據實地測量結果，區內各類黏土的電阻率一般低于30～50Ω·m，青山群八畝地組的電阻率一般為50～500Ω·m，蓬萊群香夼組灰巖的電阻率一般在1000Ω·m以上。由于本區的溶洞發育在潛水面以下，溶洞內充填物一般飽和含水，因此，在電場上表現為低阻異常。根據本區實測資料，第四系黏土層的視電阻率(ρs)值一般小于30Ω·m，當地表為干燥路基層時，大于100Ω·m。厚層灰巖的視電阻率(ρs)值大于200Ω·m。當灰巖中存在巖溶溶洞時，電場上反應為低阻異常特征，視電阻率值(ρs)在20～70Ω·m。

溶洞內充填介質的縱波波速Vp在1500～2000m/s之間，介質為水時縱波波速Vp=1500m/s左右，如塌陷坑內介質為流塑狀軟土，則縱波波速Vp=1400～1600m/s?；規r的縱波波速Vp在4000～6000m/s之間。含水的第四系土層，縱波波速Vp在1800～2000m/s之間，溶洞與圍巖介質存在較明顯的波速差異。

本次物探工作根據溶洞與圍巖巖石的物性差異，選用高密度電法、瞬變電磁法、地震頻率諧振勘探3種物探方法[1-3]，面上勘查以高密度電法為主，按照50～80m的網度布置測線；在高密度電法測量發現的異常區段，布置瞬變電磁法或地震頻率諧振方法進行剖面測量，進一步圈定溶洞及塌陷區引起的異常，起到不同物探方法相互驗證的作用。最后，對物探推斷的溶洞及塌陷區進行了鉆探驗證[4-5]。

2.1 高密度電法測量

本次高密度電法測量[6-11]使用重慶奔騰數控研究所生產的WDA-1型高密度電法測量儀，采用斯貝裝置與三極裝置。由于斯貝裝置采集的數據具有更高的分辨率，但是，斯貝裝置獲得似倒梯形的二維電性剖面，在剖面兩端存在探測盲區。為了彌補剖面兩端的探測盲區，采用單邊三極裝置，可以獲得矩形地電斷面。所以在資料解釋時以斯貝裝置剖面為主，單邊三極裝置獲得矩形剖面為輔。

高密度電法測量剖面沿中橋村內及周邊東西向布設，測線間距50～80m。同時沿南北向街道布設了少量剖面，共完成高密度電法測量剖面13條，電極距為5m，電極60根。

2.2 瞬變電磁法(TEM)

在高密度電法測量發現的異常地段進行瞬變電磁法測量(TEM)[12-16]，TEM測量使用加拿大生產的PROTEM47型儀器，采用偶極裝置、發射線框匝數6m、邊長2m，接收采用圓形線圈，測量點距10m。共施工TEM測量剖面6條。

2.3 地震頻率諧振法

地震頻率諧振方法[17-20]是北京派特森公司研發的地震勘探方法，采用主動源配合被動源地震方法及疊加技術，形成三分量地震頻率諧振探測方法。在高密度電法發現的異常地段，施工地震頻率諧振法測量短剖面6條。

3 物探資料解釋

3.1 S-1試驗剖面

首先通過中橋村東部的地表塌陷坑(TX1)，施工了高密度電法測量S-1試驗剖面，受村內街道通行限制，測量剖面長60m，因剖面較短，探測深度較淺。高密度電法采用斯貝裝置、電極距2m，電極30根。圖1是高密度電法視電阻率剖面圖，在剖面36～48點為低阻區，其中36～38點對應地表塌陷坑(TX1)，剖面上呈現帶狀低阻異常(藍色區)。由于巖溶溶洞導致土層塌陷而延伸至地表，塌陷坑內充填含水黏土介質，出現低阻異常反應。剖面42～44點也出現有類似的帶狀低阻異常，推測地表下巖溶溶洞引發的第四系黏土(或砂土)層塌陷區。剖面36～48點之間的低阻異常區為巖溶溶洞導致土層塌陷區影響的范圍，南北寬12m。

1—驗證鉆孔；2—推斷溶洞與塌陷區圖1 S-1高密度電法視電阻率剖面圖

在43點施工的驗證鉆孔ZK-1，鉆孔揭露第四系厚16.5m，以下為灰巖，25m以下灰巖巖溶發育，溶蝕現象明顯；在35～50m之間，揭露了2層溶洞，溶洞高1.2～1.5m。

后期，地表塌陷坑(TX1)施工了地震試驗剖面，與電法的S-1剖面重合。圖2是S-1地震三分量頻率諧振波阻抗比值剖面圖。剖面淺部的黑色—黃色區為第四系砂土松散巖層；紅色區為灰巖層，紅色背景中的黃色區為灰巖上部的巖溶發育區。在-25m～-55m深度，在測線24～28、32～38、42～46點之間，在黑色背景區有灰白色低密度區，為巖溶、溶洞發育區。該剖面地震波速分層與鉆孔ZK-1揭露的地層基本吻合。

圖2 S-1地震三分量頻率諧振擬波阻抗比值剖面圖

3.2 物探L-1剖面

綜合物探L-1剖面沿中橋村地表塌陷坑(TX1)西側南北向街道布設，采用高密度電法斯貝裝置、電極距5m，電極數60個，圖3是L-1剖面高密度電法測量視電阻率擬斷面圖。剖面的210點對應地表塌坑位置(塌坑西20m)，剖面上有明顯帶狀低阻異常(藍色區)，推測由溶洞誘發黏土層塌陷引起，溶洞及塌坑充填介質為含水黏土，所以在物探剖面圖上出現低阻異常。另外，L-1剖面130～150點為帶狀低阻異常，經現場調查，2015年該地段地面發生塌陷坑，已被當地村民用砂土填平。另外，在剖面-20m～-60m深度，在50～70點、90～110點、170～190點、230～240點，有明顯“O”型低阻異常，推測下伏灰巖層中發育巖溶溶洞，位于地下水位以下，溶洞被水或黏土充填，引起“O”型低阻異常。

在L-1線210點施工的驗證孔ZK-3，揭露第四系厚度12.5m，在-34.95m～-64.35m，揭露2層1～2m厚的溶洞，在施工過程中發生掉鉆桿現象。

在高密度電法L-1剖面100～250點之間的異常區，施工了地震三分量頻率諧振勘查，地震剖面長150m，道間距5m。圖4是L-1地震剖面三分量頻率諧振擬波阻抗比值剖面圖，其中白色區域、灰色區域為相對疏松層(第四系黏土、砂土層)，紅色區域為灰巖區。黑色背景的白色區域為灰巖巖溶發育區，在剖面40～65點、黑色異常區明顯向下彎曲，與高密度電法140點的低阻異常位置吻合，對應地表塌陷坑的位置。在86～114點紅色背景區，有白色—灰色異常區域為巖溶發育帶，對應高密度電法低阻異常區，為灰巖中的巖溶及溶洞引起。地震勘探剖面能夠比較詳細地劃分出巖溶溶洞及第四系松散層的分布范圍。

1—驗證鉆孔；2—推斷溶洞與塌陷區圖3 L-1高密度電法測量視電阻率擬斷面圖

3.3 物探L-2剖面

物探L-2剖面沿中橋村東西向街道布設，先施工了高密度電法測量，在異常區施工了瞬變電磁法及地震勘探測量，圖5是L-2剖面高密度電法與瞬變電磁法視電阻率剖面圖。

L-2剖面100點對應中橋村已發生的地表塌陷坑，高密度電法剖面有明細的低阻異常反應。另外，在70～110、170、210點，高密度電法有“V”型、“O”型低阻異常反應，ρs值為35～50Ω·m。

瞬變電磁法剖面的淺部，視電阻率曲線變化比較平穩。在20m～-40m深度，為明顯的低阻層，主要反應第四系含水層與灰巖上部的溶蝕層，與地震諧波勘探的松散層相對應。在-40m以下，視電阻率值向下逐漸增大，等值線密集，為高阻的灰巖層的反映。在L-2剖面的60～110點、160～170點、210點有低阻異常顯示，與高密度電法低阻異常位置基本對應，推測為灰巖中巖溶及溶洞所引起。由于本區第四系含水層的低阻屏蔽作用，瞬變電磁法對于淺部巖溶及溶洞反應不明顯。

在L-2電法剖面異常區38～120點施工了地震勘探,圖6是L-2地震三分量頻率諧振擬波阻抗比值圖。該剖面上部(0～25m)黑色—灰白色區域為相對疏松層。剖面中—深部(25～60m)的紅色區域為灰巖分布區，黃色區域為灰巖溶蝕區，在紅色背景區的灰色色區為巖溶和溶洞發育區。

圖4 L-1地震三分量頻率諧振擬波阻抗比值剖面圖

1—驗證鉆孔；2—推斷溶洞與塌陷區圖5 L-2高密度電法與瞬變電磁法視電阻率剖面圖

對應地震剖面淺部(0～25m)38～50點、70～84點，灰色背景區中出現的黑色異常區，推測為第四系砂土層的塌陷區，由于塌陷黏土層松動而松散，波速變小而引起。在剖面深部(25～60m)38～40點、72～82點，在紅色背景區出現灰白色異常區，為灰巖中發育的巖溶溶洞，巖溶溶洞充填物為流塑狀軟土，縱波波速Vp=1400～1600m/s，引起較明顯低波速異常。

圖6 L-2地震三分量頻率諧振擬波阻抗比值圖

為驗證上述推斷結果，在L-2線100點(地震測線40點)施工了驗證孔ZK4。鉆孔揭露第四系厚度24.25m，以下為灰巖,灰巖巖溶發育，在41～45m之間，揭露溶洞2層，溶洞高1.5～2m。

3.4 物探L-10剖面

物探L-10剖面布置在中橋村南部，先施工了高密度電法測量、在異常區200～500點又施工了瞬變電磁法測量，圖7是L-10視電阻率剖面圖。在高密度電法剖面240～260點、290～310點、340～360點、380～400點、430～450點之間有明顯“O”型低阻異常，視電阻率值35～50Ω·m，根據物性資料和異常分布，推測該地段第四系下伏的灰巖中巖溶溶洞發育。

1—驗證鉆孔；2—推斷溶洞與塌陷區圖7 L-10視電阻率剖面圖

從圖7瞬變電磁法測量(TEM)剖面分析，淺部視電阻率曲線比較平穩，反映淺部第四系及基巖風化層的變化較小。在-40m以下，視電阻率向下逐漸增大，等值線密集，為深部高阻的灰巖層的反映。在TEM測量剖面310～400點，為明顯的低阻異常區，與高密度電法低阻區基本對應，推測上述異常區為巖溶溶洞分布區。從剖面可以看出，瞬變電磁探測深度較大，對深部規模較小的低阻異常體也有較高的分辨率。

為驗證上述推斷結果，在L-10剖面395點施工驗證孔GK-2，鉆孔揭露第四系厚25.2m，以下為灰巖；在27.5～32.2m見3層溶洞，溶洞充填物為黏土，55.6～60m為塊狀灰巖(圖8)。

圖8 L-10剖面GK-2鉆孔巖心照片

4 結論

本次巖溶溶洞及塌陷區的探測采用高密度電阻率法、瞬變電磁法和地震頻率諧振法三種物探方法進行綜合物探勘探與解釋，取得了比較理想的勘探效果。根據高密度電法剖面上“V”“O”型低阻異常特征及分布規律，結合其他物探方法進行綜合解釋與鉆探驗證，快速、高效的圈出了巖溶溶洞及塌陷區的分布范圍及空間分布形態。鉆探驗證結論與推斷結果基本一致，驗證情況佐證效果好，可信度高。由于淺部低阻屏蔽，瞬變電磁法對于淺部巖溶溶洞的反應不明顯，對中深部巖溶裂隙構造、溶洞反應比較明顯。地震頻率諧振勘探方法可以較詳細劃分巖溶溶洞及第四系塌陷區空間分布形態。