物探方法組合在巖溶區地面塌陷勘查中的應用

李 星，劉海飛，柳建新，汪強強，施昕祎

(1.中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083；2.有色資源與地質災害探查湖南省重點實驗室，長沙 410083)

0 引言

地面塌陷是巖溶發育區常見的地質災害問題，巖溶空間在外力的作用下通常會造成地面沉降甚至地面塌陷的情況[1]，進而損壞房屋、道路、電力和農田等各種基礎設施，使得人民的生命和財產安全面臨巨大潛在風險。筆者以湖南省寧遠縣山田村為例，該村在2018年3月發生大面積地面沉降與塌陷，村中多處房屋墻體開裂，個別房屋地板發生塌陷，嚴重威脅村民的生命財產安全，另外有部分塌陷坑位于連通四個村的村民出行的村級公路旁，對過往的行人及車輛造成極大的安全隱患。

這里詳細闡述了使用探地雷達(GPR)和高密度電法(ERT)兩種淺層地球物理勘探方法組合起來,精細探測山田村地下巖溶塌陷區域的技術方案。GPR方法對地下介電常數差異明顯的地質體具有很高的成像分辨能力，但當地下介質有高粘土含量或者高含水量特性時，電磁波信號會產生急劇的衰減，使得該方法的穿透深度就會大大降低[2]。而ERT在高含水量、低電阻地層也具有較大的探測深度和良好的電阻率層析成像能力。兩者結合起來會形成優勢互補，能夠大大提高對本區地下隱伏巖溶地質體的水平、垂直尺度的探測分辨率[3]。文中的案例不僅要探測較大的巖溶空洞，而且還要分析研究潛在的狹長的巖溶通道、裂隙和小尺寸的巖溶腔體，使用這兩種物探方法可以獲得更多有效的信息[4-5]，為分析研究該區地面塌陷的形成機理、預測地面塌陷的發展趨勢和評價地面塌陷區的地基穩定性奠定基礎，為進一步開展地面塌陷防治工作提供依據。

1 研究區域地質概況

1.1 地質環境條件

工區處于湖南省寧遠縣城北東約45 km處，具體范圍如圖1所示。從圖1中可見，工區介于九嶷山和陽明山之間，位于玉河沖壓扭性斷裂南東盤、下盤，走向北東，傾角50°～70°，傾向北西。泥盆系上統灰巖、白云巖分布于整個勘查區范圍，區中部平坦部位被第四系殘坡積物(粘土和碎石土)所覆蓋。區內地下水類型主要有松散巖類孔隙水及巖溶裂隙溶洞水兩大類。地下水徑流受到區域地形地貌的控制，巖溶裂隙溶洞水自北東向南西徑流。在勘查區內巖溶裂隙溶洞水在受區域地下水徑流控制的基礎上受區內微地貌特征、含(隔)水層的分布以及斷裂構造的控制。

圖1 工作區域范圍Fig.1 Scope of work area

1.2 災害體基本特征及形成機制

勘查區內災害體的發生是持續性的，破壞程度從輕微墻體開裂到數米直徑的地面塌陷不等，現場情況如圖2所示，塌陷和地面變形處于持續性增強趨勢。分析區內的水文地質特征，勘查區巖溶塌陷的主要形成機制有三點[6]：①巖溶及發育程度，區內可溶巖為泥盆系上統佘田橋組(D3S)灰巖、白云質灰巖、白云巖，受構造影響且又經過了多次巖溶發育階段，因此該區內巖溶發育較強烈；②覆蓋層，在區內殘坡積土主要為泥盆系上統佘田橋組灰巖、白云質灰巖、白云巖之上的殘坡積土由蠕蟲狀紅土及紅色粘土、粉質粘土組成，含少量碎石，殘坡積土一般厚度在7 m～12 m之間，覆蓋層厚度正合適土洞的形成及致塌，為本區發生塌陷地質災害提供了基礎條件；③地下水動力作用，在天然狀態下受地下水徑流比較緩慢、溶洞充填等因素的影響，土洞形成致塌的過程是比較漫長的，地面塌陷發生頻率不會很高，但是當地質環境條件發生變化，會加速土洞的發展，引起地面塌陷頻發，外界誘發因素主要為年內降雨分布不均、年間降雨分布不均、地表水(含農田灌溉)入滲。由于雨季雨量充沛，地下水入滲強烈，引起第四系水位急速上升，引起地下水潛蝕沖蝕作用強烈，加速土洞的發展。冬季由于第四系水位下降，滲透補給巖溶水的活動減弱，土洞的形成速度減緩甚至停止，當降水入滲后對土洞的潛蝕作用繼續進行，土洞的孕育、發展到塌陷發生需要一定的時間，因此說明降雨入滲加速土洞的發展。

圖2 災害現場照片Fig.2 Disaster scene photos

2 物探方法組合與外業工作部署

2.1 地質雷達

地質雷達是利用天線發射和接收高頻電磁波，來探測介質內部物質特性和分布規律的一種地球物理方法。電磁波在介質中傳播時遇到巖溶裂隙、巖溶空洞時會產生異常的回波信號。通過分析地質雷達剖面上的異常信號便可得到被探測目標體的類型、位置、大小等信息[7-9]。電磁波在介質中的傳播速度、界面處的反射強度受介電常數影響，工區常見介質的介電常數見表1。

表1 常見介質電性參數Tab.1 Electrical parameters of common media

本文案例所使用的地質雷達儀器為GSSI公司生產的SIR 4000系列雷達，天線頻率為100 MHz，共布設地質雷達測線116條，測線主要分布于重點勘查區的建筑群內，每個建筑群測區以大寫英文字母作為測線首字母標記，各測線、測點號均以西小東大、南小北大的原則進行標記(圖3)。觀測方式為連續剖面測量，空間采樣間隔為1 cm，相對介電常數取9，低通濾波器頻率取300 MHz，高通濾波器頻率取25 MHz。雷達信號處理采用Radan7數據處理系統。

圖3 物探測線布置示意圖Fig.3 Layout of survey line

2.2 高密度電法

高密度電法是一種以陣列式的電極布置向地下供電并同時測量電位差及電流的一種傳導類電阻率法，與常規電法的勘探原理相同。案例區的表層種植土、粘性土的視電阻率值較低，為20 Ω·m～160 Ω·m;灰巖的視電阻率值較高，一般在500 Ω·m～3 000 Ω·m之間。

本文案例所使用的高密度電法儀器為WDJD-4主機和WGMD-4轉換開關，電極距為5 m，共布置7條測線，斷面中心區域有效勘探深度大于40 m，工作裝置選用溫納裝置，具體測線布設如圖2所示。高密度電阻率二維反演處理采用中南大學IPInv直流激電反演解釋系統[10-12]。

3 勘探實例與有效性分析

3.1 物探異常解譯標志的建立

物探異常的準確解譯要遵循從已知到未知的解釋原則，并結合已有地質和鉆探資料，來提高物探推斷解釋的可靠性。

完整的灰巖中，電磁波沒有明顯的異常反射，雷達剖面上同相軸較為均勻、連續，反射波頻率沒有明顯變化。當有溶洞或溶蝕通道時，雷達剖面上同相軸出現明顯的錯斷或畸變。當巖溶內部有黏土或水充填時，電磁波產生嚴重的吸收衰減，在雷達剖面上呈現明顯的低頻特征。

高密度電法異常的解釋基礎是識別反演斷面中電阻率等值線的高阻和低阻異常特征,在完整基巖段，電阻率等值線疏密均勻、連續，在巖溶裂隙發育帶呈低阻“V”字型異常或高、低阻梯度變化特征。

3.2 高密度電法的勘探實例分析

高密度電法選取位于塌陷集中區域的2線、3線和4線為例進行解釋分析。圖4～圖6分別為2線、3線和4線的高密度電法的反演結果及推斷解釋圖，從電阻率反演斷面圖來看，測區斷面地層的電阻率值為十幾歐姆米到數千歐姆米不等，各測線電性不均勻性較為明顯，電性總體變化趨勢是電阻率隨著深度增加而增大。

圖4 2線高密度成果圖Fig.4 ERT results of line 2(a)反演斷面圖;(b)地質推斷圖

圖5 3線高密度成果圖Fig.5 ERT results of line 3(a)反演斷面圖;(b)地質推斷圖

圖6 4線高密度成果圖Fig.6 ERT results of line 4(a)反演斷面圖;(b)地質推斷圖

各測線的反演結果顯示測區地層在有效勘探深度范圍內大體分為兩層：10 m左右以淺電阻率相對較低，推斷為第四系覆蓋層，10 m以深至有效勘探深度范圍內電阻率明顯升高，結合前人地質鉆探資料推斷為奧陶系灰巖。斷面位置在2線310號點和375號、4線110號和190號點處附近10 m～20 m深度范圍內呈漏斗狀低阻異常，推測存在溶腔發育，為潛在地面塌陷區域。3線斷面電阻率整體偏低，280號和420號點處附近存在“V”型低阻異常，深度范圍在20 m～40 m，推測為巖溶孔洞和裂隙發育區域，存在塌陷隱患。

3.3 地質雷達的勘探實例分析

地質雷達測線與高密度測線距離較近，因此部分異常可以相互驗證、相互補充。這里選取測線I2、B7和F2線的探測結果進行分析與解釋。圖7～圖9分別為I2、B7和F2線的雷達剖面與地質推斷結果。由測線的雷達剖面可見在深度2 m～2.5 m左右存在不連續的彎曲反射界面，推斷為第四系碎石土覆蓋層與下層奧陶系灰巖的分界面。I2線水平位置在2 m～5 m之間，深度在7.5 m～12.5 m的范圍內有明顯的同相軸錯斷和低頻特征，推測為潛在的巖溶空腔，并且異常位置與高密度電法結果有所對應。B7線水平位置在3.5 m～5 m之間，深度范圍7.5 m～12.5 m區域內存在電磁波同相軸明顯錯斷，推測存在溶洞或溶蝕裂隙。F2線水平位置在4 m～8 m之間，深度范圍10 m～15 m區域內存在明顯的強反射信號，同相軸錯斷且電磁波衰減強烈，該異常區域與高密度結果相對應，推測存在巖溶空腔的可能性較大。結合高密度電法的異常分布，可將勘查區的物探異常聯系起來，推測為巖溶發育帶(圖10)。

圖7 I2線探地雷達成果圖Fig.7 GPR results of line I2(a)地質雷達剖面;(b)雷達剖面地質推斷圖

圖8 B7線探地雷達成果圖Fig.8 GPR results of line B7(a)地質雷達剖面;(b)雷達剖面地質推斷圖

圖9 F2線探地雷達成果圖Fig.9 GPR results of line F2(a)地質雷達剖面;(b)雷達剖面地質推斷圖

圖10 物探異常推斷示意圖Fig.10 Geophysical anomaly inference

3.4 鉆探驗證與有效性分析

為進一步驗證探測結果，對部分異常區域進行鉆孔驗證。鉆孔ZK1和鉆孔ZK2均處于塌陷區域內，其中鉆孔ZK1位于F2線上水平位置6 m點位處，并且靠近高密度2線310號點，鉆探過程記錄見表2。

表2 鉆探過程記錄Tab.2 Record of the drilling process

根據ZK1鉆孔資料，該處高密度電法結果與地質雷達結果對應較好且與鉆孔揭露吻合，說明在兩測線對應的區域內存在巖溶孔洞發育；根據鉆孔ZK2鉆孔資料，16 m處可見巖心表面發育溶蝕小孔與高密度1線和高密度2線所對應的異常條帶的平面位置與深度都有較好地對應。

結合鉆探結果可以發現，高密度電法與地質雷達的探測結果都得到了較好地印證。綜合對比兩種方法的探測結果，地質雷達的探測結果更為準確，但探測深度偏淺；高密度電法的縱向分辨率偏低，但探測深度大，可以探測更深處的大型溶洞。

高密度電法與地質雷達組合準確發現了勘查區中存在的多個可能發生地表沉降或塌陷的高危區巖溶空腔，有效保障了周邊居民的安全。

4 結論

筆者綜合探地雷達和高密度電法在巖溶塌陷區開展應用研究，得到以下結論：

1)地質雷達與高密度電法組合在巖溶塌陷區勘查效果明顯，能夠準確定位地下巖溶空腔和裂隙帶的位置。

2)綜合對比兩種物探方法，地質雷達在數據采集效率和探測精度方面明顯高于高密度電法，特別在建筑群的內、外開展短剖面測量時更具優勢，但在富水巖溶區探測深度偏淺。而高密度電法由于受體積效應影響，電性異常規模相比實際明顯偏大，并且縱向分辨能力偏低，但可以作為地質雷達在探測較大深度巖溶時的必要補充。

3)由于該區第四系覆蓋層為碎石土結構，厚度較薄，土體承載力小，若溶洞與溶隙繼續發生溶解擴大，加上人類活動的擾動將加速該區域的地面塌陷和地表沉降的風險，應對風險源進行結構性的預防和治理措施，以最大程度降低地面塌陷變形的風險。