泰安市巖溶塌陷特征及探測方法研究

汝亮，張業智，朱裕振，高菡，劉雪

(山東省煤田地質規劃勘察研究院，中國地球物理學會煤田地球物理重點實驗室，山東 濟南 250104)

0 引言

泰安市巖溶塌陷區位于泰萊盆地的西北部，國內許多地質、物探人員對此做過大量研究工作。王延嶺[1-2]通過分析影響巖溶塌陷的基本因素，探討了泰萊盆地巖溶塌陷地質災害與其主要影響因素的關系；于麗莎等[3]從鉆井涌水量及淺層巖溶水方面對泰安市地下水賦存特征進行了探討；高培德等[4]基于極限平衡理論建立了隱伏巖溶穩定系數及塌陷范圍計算模型，討論了泰安巖溶塌陷的塌陷機制；王延濤[4]研究了泰萊盆地巖溶塌陷分布特征及形成機理；吳亞楠等[6-7]從巖溶塌陷分布規律與塌陷條件以及物探、鉆探、地下水動態長期監測方面，探討了巖溶塌陷的發育條件、分布特征及成因演化過程，總結了國內外巖溶塌陷的檢測方法的優缺點；賀可強[8]、

高化彬等[9]對南北方巖溶塌陷特征進行了研究，周樂[10]、劉春偉等[11]研究了大汶河流域中游地下水水化學特征，總結了地下巖溶水的富集規律并對地下水質進行了評價。

在總結前人研究成果的基礎上，結合本次地質雷達法、高密度電法及淺層地震法最新勘查成果，提出了以高密度電法為主，地質雷達法、淺層地震法為輔的綜合物探方案，在完成地質任務的基礎上，節約了探測成本，為該區的巖溶塌陷地質災害調查提供了可行思路。

1 研究區概況

研究區位于省莊鎮-邱家店鎮一線以西，舊縣-徂徠鎮一線以北，泰山斷裂帶以南，大洪溝斷裂帶以東，位于盆地中央，屬山間河谷沖積平原或山前沖洪積平原類型。地勢北高南低，總體從北部的泰山山前向南部的牟汶河傾斜，地面標高120～140m，地形較為平坦。

1.1 地質概況

泰安市地層區劃屬華北地層區，魯西地層分區。研究區內地層由老到新分別為太古代泰山巖群變質巖、晚古生代石炭-二疊系、中生代侏羅-白堊系、古近系、第四系。區內地表第四系覆蓋，整體厚度小于30m，下伏地層巖性主要為寒武紀朱砂洞組、饅頭組、張夏組、崮山組、炒米店組、三山子組灰巖，奧陶系馬家溝群灰巖。

1.2 水文地質條件

第四系含水層巖性多為砂、碎石夾黏土層，多伏于黃土狀砂質黏土之下，厚度不穩定，多成薄層透鏡體，富水性弱，單井涌水量200～500m3/d，水化學類型為HCO3-Ca型，屬松散巖類孔隙水。

碳酸鹽類裂隙巖溶水為區內主要地下水類型，也是工農業供水主要目的層，以碳酸鹽巖裂隙巖溶水和碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水為主。

碳酸鹽巖裂隙巖溶水含水巖組由裂隙、巖溶發育的寒武、奧陶紀灰巖、白云質灰巖、泥灰巖、竹葉狀灰巖等組成，以單斜層狀產出。在泰安-灌莊、上高-羊婁-舊縣-埠陽莊一帶，被第四系沖積、沖洪積松散沉積物覆蓋，裂隙巖溶極為發育，易發生巖溶塌陷地質災害，含水層厚度70～80m，富水性強，單井涌水量1000～5000m3/d，單位涌水量18.18～1.30L/s·m。但由于裂隙巖溶發育的不均勻性，富水性差異較大，水化學類型為HCO3-Ca型。

碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶裂隙水：含水巖組由寒武紀朱砂洞組、饅頭組及崮山組灰巖夾頁巖組成，主要分布于舊縣-西顏張以南，以單斜形式不整合于前寒武紀侵入巖之上。巖性為灰巖、泥質灰巖、硅質灰巖夾頁巖，巖溶發育較差，富水性較弱，單井涌水量一般小于500m3/d。地下水埋藏與富水性隨地貌、巖性、構造等條件的變化具有較大差異，巖溶裂隙水多沿不同巖性界面及構造帶附近較富集。水化學類型為HCO3-Ca型，水文地質簡圖見圖1。

1—地下水類型界線；2—推測斷層；3—隱伏含水巖組界線；4—淺層孔隙水富水性界線；5—碳酸鹽巖類裂隙巖溶水；6—碎屑巖孔隙裂隙水；7—松散巖類孔隙水涌水量較大；8—松散巖類孔隙水涌水量較小；9—基巖裂隙水；10—巖溶塌陷點圖1 研究區水文地質及塌陷點分布簡圖

灰巖與地表水或第四系含水層直接接觸，使巖溶水與地表水或孔隙水之間的水交替作用增強，加速了對淺部灰巖的溶蝕，致使塌陷頻繁發生。據統計，自1991年開始，舊縣水源地水位長期維持在110m標高以下，低于同期牟汶河水位，河水常年補給巖溶地下水；因巖溶塌陷地質災害頻發，2003年舊縣水源地采取限采措施，從8月份開始，水源地水位出現大幅回升，并與河水呈季節性的補排轉化。2010年10月以來汶河舊縣長測點水位，基本長期維持在114m以上。

1.3 巖溶塌陷區特征及分布

根據可溶巖類埋藏條件，泰安市主要有3種巖溶類型，即裸露型巖溶區、覆蓋型巖溶區和埋藏型巖溶區。研究區巖溶塌陷主要發生在埋藏型巖溶區內，地表為第四系耕植土，淺層為黃褐色—土黃色黏土、中粗砂巖，基巖為奧陶-寒武系灰巖、白云巖，溶洞內充填少量細砂及灰巖巖塊。

根據以往巖溶塌陷資料分析，泰安市巖溶塌陷區集中在泰安城區塌陷區、舊縣水源地塌陷區、東西羊婁村塌陷區，屬于舊縣水源地塌陷區的外圍部分。據統計火車站三角區、中上高村及附近存在塌陷坑129個，塌陷坑最大直徑10m，最大深度6m，塌陷面積大于1000m2；泰煤機廠附近存在塌陷坑260個，塌陷坑最大直徑9m，最大深度3m，塌陷面積約1000m2；東、西羊婁附近存在塌陷坑66個，塌陷坑最大直徑35m，最大深度26m，塌陷面積大于2100m2。三處塌陷區基本上連成一片，形成一個南北長18km，東西寬9km的塌陷帶(圖1)，給當地居民生活造成了極大的危險。火車站附近—東羊婁塌陷坑一帶存在巖溶水主徑流帶，塌陷坑呈串珠狀分布。舊縣水源地塌陷區巖溶發育由北西向東南方向延伸，該區附近由于抽排水影響，塌陷坑往往圍繞水源地發育，并受地下水徑流和第四系厚度影響，塌陷坑呈南北向帶狀，并在舊縣鎮地區集中發育。具體塌陷點分布情況見表1。

2 地球物理特征

收集了常見巖石物性參數，第四系覆蓋層電阻率平均值約172Ω·m，平均密度1.73g/cm3，砂質黏土電阻率平均值約200Ω·m，平均密度1.87g/cm3，裂隙灰巖平均值約2500Ω·m，平均密度2.65g/cm3，根據填充物的不同，其電阻率和密度變化較大，下伏完整灰巖平均電阻率約23000Ω·m，平均密度2.72g/cm3，巖溶水由于礦化度較高，電阻率值小于50Ω·m，物性特征(表2)。第四紀地層和下伏基巖在電阻率和密度上存在明顯差異，可用高密度電法、地質雷達與淺層地震等物探方法探測第四系覆蓋層厚度和下伏基巖頂面起伏形態[12]。

表1 泰安市城區-舊縣水源地巖溶塌陷統計

表2 常見巖石物性統計

下伏基巖完整時，基巖在電阻率等值線斷面圖上表現為高阻，在地震時間剖面圖上表現為高速，反射波同相軸連續性較好，在雷達圖像上表現為反射波平穩連續，無間斷或跳躍；當基巖破碎，巖溶發育充水，由于地下水的電阻率較低，在電阻率反演剖面上表現為低阻，在時間剖面上表現為低速，反射波同相軸錯斷、不連續，在雷達圖像上，裂隙或空洞處雷達反射波低頻信號較豐富，顏色較淺，空洞處則易形成雙弧線等表現；土層塌陷會改變介質的疏密特性從而影響其導電性及介電性。據此可以推斷巖溶和裂隙帶的分布情況。

3 工作方法

為了查明巖溶塌陷區內隱伏溶洞空間分布形態、覆蓋層厚度及土洞發育位置，采用高密度電法、淺層地震法及地質雷達法進行綜合探測。其中高密度電法主要探測巖溶及溶蝕裂隙發育空間分布、覆蓋層厚度；地質雷達法主要探測土洞發育位置及淺部巖溶發育區；淺層地震法主要探測覆蓋層厚度、基巖頂面起伏狀況及隱伏斷層、裂隙密集帶、破碎帶位置、寬度及展布方向，并推測巖溶及地下溶洞等賦存狀態[13-21]。

3.1 高密度電法

物探測線布置原則：①沿地下水流向方向或已知塌陷坑發育長軸方向；②重點探測已調查的巖溶隱患區；③結合實際地形地物情況進行布置。根據不同塌陷點探測深度和探測目的要求，基本電極距設置為5m和2m，其中5m極距主要探測隱伏灰巖溶洞發育形態，2m極距主要探測第四系覆蓋層土洞發育形態。

高密度電法常用工作裝置有溫納裝置和施倫貝爾裝置，為了合理選擇工作裝置及施工參數，在泰安市泰山區省莊鎮東羊婁村已知塌陷坑處進行了對比試驗，測線從塌陷坑南側穿過，塌陷坑投影位置在測線142～160m位置處。反演結果如圖2所示，可以看出，上部覆蓋層在溫納裝置和施倫貝爾裝置電阻率斷面圖上都表現為低阻，下伏基巖表現為高阻，隱伏溶洞在溫納裝置電阻率反演等值線斷面圖上表現為低阻反映，其空間展布特征不夠明顯，施倫貝爾裝置對地下溶洞空間的展布特征反映更加清晰，圖中紅色虛線圈定范圍，故選用施倫貝爾裝置。

根據現場試驗可知，第四系底界面電阻率值在20Ω·m左右，整體上呈低阻反映，據此可以推斷第四紀地層厚度變化形態；下伏灰巖在電阻率等值線斷面圖上表現為高阻，電阻率值大于100Ω·m，當基巖破碎，巖溶發育充水，由于地下水的電阻率較低，阻值小于20Ω·m，巖溶及裂隙密集帶在電阻率斷面圖上表現為低阻；在第四紀地層裂縫發育區，由于第四系隔水層受到破壞，其多層土體結構在電阻率等值線斷面圖上整體呈現為低阻。

3.2 淺層地震法

現場進行了5m道距和2m道距的對比試驗(圖3)，通過對比2張時間剖面圖效果，2m道距得出的時間剖面反射波同相軸清楚連續，信噪比高，效果更好，故該次淺層地震采用2m道距進行數據采集。根據實驗結果，確定淺層地震法觀測參數為：接收道距2m，激發炮距4m，覆蓋次數23次，接收道數92道，采用錘擊震源，同一炮點多次激發。

a—溫納裝置；b—施倫貝爾裝置；1—高密度電法電阻率色標；2—推測地層界線；3—推測溶洞范圍圖2 裝置對比試驗

a—5m道距時間剖面；b—2m道距時間剖面圖3 不同道距時間剖面對比圖

地震資料處理主要為疊前組合去噪、反褶積、速度分析及保幅疊加等。結合已知地質資料，采用折射波法解釋第四系地層厚度。反射波法資料處理采用速度主要參考鄰近物探成果進行地質層位的綜合標定。

3.3 地質雷達法

探測儀器為LTD2100型數字化地質雷達儀，采用中心頻率50MHz天線連續測量，有效探測深度約10m。

4 推斷解釋與效果分析

4.1 羊西村東北方向塌陷點

西羊婁村以北東300m處存在已知塌陷坑，長軸3m，短軸2m，深約3m，已回填，地表可見直徑約2m、深約0.5m的淺坑。穿過已知塌陷坑近EW方向布置高密度測線1條，極距5m，剖面長度295m。

由圖4可知，剖面上部電阻率較低，小于16Ω·m，圖中黑色虛線為推測的覆蓋層和下伏基巖分界面，覆蓋層厚約17m，分界面位置電阻率變化較大，推測沿測線方向巖溶較發育，下部電阻率較高，推測為下伏基巖的電性反映。在電阻率反演剖面20m～40m處的低阻異常推測為已知塌陷回填介質的電性反映，剖面70～95m處的低阻異常推測為地下巖溶的電性反映，圖中紅色虛線圈出了低阻異常體的范圍，140～185m處的低阻異常范圍大，頂部埋深約16m，底部深度約32m，該異常電阻率值較低，小于15Ω·m，推測該處灰巖裂隙發育，賦存溶洞的可能性較大。

1—高密度電法電阻率色標；2—推測地層界線；3推測溶洞范圍圖4 羊西村高密度電法電阻率反演斷面圖

經鉆探驗證，在高密度電阻率反演剖面154m處，第四系厚度17m，上部主要成分為腐殖質和黏土，中部主要成分為黏土和細砂，靠近溶洞頂部為中粗砂層，在深度24.5～32.5m發育巖溶洞穴，并有砂質充填物和灰巖碎塊，受埋鉆影響，未探得溶洞底部(圖5)。

4.2 東羊婁村東北方向塌陷點

東羊婁村北東350m處存在已知塌陷坑，于2013年1月塌陷，長軸35m，短軸27m，深約20m，為查明已知塌陷坑深部的展布情況，近EW向布置1條測線，該測線進行淺層地震法和高密度電法探測。高密度電法剖面142～160m段為塌陷坑投影位置。由地震時間剖面可知：在測線樁號80m處，視傾角70°，解釋落差大約4m，同相軸錯動較為明顯，為可靠斷層。推斷第四系厚度約20m，與以往勘探資料吻合，基底起伏明顯，與風化剝蝕程度不同造成凹凸不平有一定關系(圖6)。位于測線樁號150～180m處，能量變化明顯，同相軸連續性較差，下伏地層巖性以灰巖為主，溶蝕裂隙發育，推斷為灰巖溶洞，埋深約18～60m。

圖5 ZK5-2鉆孔柱狀圖

圖7為淺層地震時間剖面和高密度電法反演斷面綜合解釋圖，圖中紅色粗線圈定位置為推測隱伏溶洞范圍，高密度電法推測溶洞頂部埋深約17m，底部埋深約55m，可以看出隱伏溶洞位置在淺層地震剖面和高密度電法剖面上吻合較好。

經ZK4-2鉆探驗證，覆蓋層厚18.6m，其上部主要成分為腐殖質和黏土，中部主要成分為黏土和細砂，靠近溶洞頂部為中粗砂層，在埋深17m處發育溶洞(圖8)。監測井于2019年12月份建成，根據近期觀測，水位穩定，年變幅2～5m，近年周圍沒有發生新的塌陷。

1—推測溶洞范圍；2—驗證鉆孔；3—推測破碎區圖6 東羊婁村淺層地震法時間剖面

1—淺層地震推測地層界線；2—推測溶洞范圍；3—推測斷層圖7 高密度電法-地震剖面綜合解釋

4.3 北許村北塌陷點

泰安市省莊鎮北許村塌陷點位于北許村以北280m處，長軸2m，短軸0.5m，調查發現多處地面裂縫，部分已回填。為查明地裂縫發育區的范圍，近南北向布置了高密度電法測線1條，長度118m，點距2m。

第四系地層厚約15m，下伏基巖頂面起伏變化不大；第四系地層存在2層明顯的低阻異常，上層低阻層埋深約4m，厚約1m，電阻率值小于25Ω·m，下層低阻層埋深約8m，厚約5m，電阻率值小于16Ω·m，中間高阻層電阻率值約100Ω·m。在測線55m以北,即圖中紅色虛線圈定范圍，中間高阻層電阻率變化較大，兩低阻層存在聯通現象，推測由于第四系隔水層被破壞沖刷之后，導致沉降、貫通，使上部滲水嚴重。根據實地調查，該區域地表存在不同程度的裂縫(圖9)。

圖8 ZK4-2鉆孔柱狀圖

為進一步查明土洞發育位置，進行了地質雷達探測，受實際地形影響，地質雷達測線無法和高密度電法測線重合，在高密度電法測線西約50m處布置地質雷達剖面30m，自北向南13～14m及18～20m處，雷達反射同相軸出現斷續，推斷兩處位置存在土洞或松散區，和實地調查結果吻合(圖10)。

1—高密度電法電阻率色標；2—推測地層界線；3—推測地裂縫發育區圖9 北許村高密度電法電阻率反演斷面圖

1—推測淺層松散區圖10 北許村雷達探測圖像

5 結論

高密度電法、淺層地震法及地質雷達法在泰安市巖溶塌陷區探測中解釋了多處隱伏溶洞及淺層土洞，經鉆探驗證及實地調查，證明該方法準確有效。

(1)淺部土洞在地質雷達探測圖像上表現為反射同相軸錯斷，第四系地層在高密度電阻率反演斷面圖表現為低阻特征，土洞表現為淺部高阻層不連續特征。

(2)灰巖地層在高密度電法反演斷面圖上表現為高阻特征，隱伏溶洞表現為灰巖地層中的低阻特征，灰巖頂界面在地震時間剖面上反射軸明顯，隱伏溶洞存在時，地震時間剖面同相軸錯動，高密度電法和淺層地震能較好的分辨溶洞和灰巖頂界面。

(3)在該區主要采用高密度電法進行探測，2m電極距探測土洞，5m電極距探測灰巖頂界面和隱伏溶洞，采用地質雷達法標定淺部土洞形態，淺層地震與鉆孔標定地層分界面及隱伏溶洞埋藏形態，幾種物探方法配合使用可以取得最佳探測效果。

研究成果為類似地區提供了物探經驗參考，結合實際工區情況選擇合適的物探方法，可以節約勘探成本，提高工作效率，其解釋成果互相印證，互為補充，可減少單一物探方法的多解性，提高地質推斷解釋的準確度。