綜合物探法在礦區(qū)巖溶地面塌陷勘查中的應(yīng)用

周洪博，郝 喆，陳紅丹

（1. 遼寧有色勘察研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110013；2. 遼寧大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110036）

0 引言

巖溶在我國(guó)分布面積廣泛，其在發(fā)育過程中易造成地面塌陷[1]。巖溶塌陷具有隱蔽性和突發(fā)性，選擇適宜的勘查方法是開展地面塌陷機(jī)理分析和綜合治理的基礎(chǔ)。多位學(xué)者針對(duì)巖溶塌陷的特點(diǎn)進(jìn)行過研究工作，金曉文等[2]對(duì)巖溶塌陷機(jī)理定量研究進(jìn)行探討；王明立[3]對(duì)煤礦開采誘發(fā)巖溶塌陷進(jìn)行機(jī)理分析；王濱等[4]以泰安市東羊婁巖溶塌陷為例進(jìn)行巖溶塌陷致塌力學(xué)模型研究；王延嶺等[5]對(duì)山東泰萊盆地巖溶塌陷的發(fā)育特征及形成機(jī)理進(jìn)行深入研究；Ma，Dan 等[6]以誘發(fā)地下水涌水量為例建立巖溶塌陷涌水量預(yù)測(cè)模型；HE Keqiang 等[7]對(duì)巖溶塌陷的機(jī)理及穩(wěn)定性判據(jù)進(jìn)行深入研究，張偉等[8]采用綜合物探方法對(duì)淮河濱河淺灘巖溶塌陷區(qū)進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)研究，鄭智杰[9]利用綜合物探方法對(duì)柳州泗角村進(jìn)行巖溶塌陷的綜合研究，陳貽祥等[10]利用綜合物探方法對(duì)塌陷區(qū)進(jìn)行探測(cè)并對(duì)幾種綜合物探法進(jìn)行分析對(duì)比。

目前在巖溶塌陷勘查方面，比較常用的方法是高密度電測(cè)深法、音頻大地電磁法、地震折射法等。本文針對(duì)遼寧省鳳城市青城子鎮(zhèn)桃源村羅家溝巖溶地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，通過直流高密度電法結(jié)合淺震法的綜合物探方法[11]，對(duì)異常區(qū)進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)物探異常的性質(zhì)、狀態(tài)，查明地面塌陷形成原因，為塌陷區(qū)的圈定提供依據(jù)。兩種方法的結(jié)合為巖溶勘探提供了新思路，提高勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，且改善了單一物探方法的局限性問題，充分體現(xiàn)綜合物探的優(yōu)越性。

1 地質(zhì)條件分析

1.1 地貌及水文地質(zhì)特征

勘查區(qū)處于青城子鉛鋅礦南部的桃源村羅家溝內(nèi)，遼東青城子礦田北東部，新嶺花崗巖體邊部，地面高程363.6～619m。勘查區(qū)位于大洋河流域，區(qū)內(nèi)地表水系有流經(jīng)羅家堡子的桃源河，水流由西向東，水流量受季節(jié)影響很大，一般流量0.08～2.72m3/s，最大流量6.35m3/s，目前已經(jīng)發(fā)生地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害主要集中在桃源河附近區(qū)域。

1.2 地球物理特征

通過資料收集及現(xiàn)場(chǎng)勘查，區(qū)內(nèi)地層主要是白云質(zhì)大理巖、脈巖、第四系覆蓋層。全風(fēng)化大理巖已無原巖構(gòu)造，用手易掰斷。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，大理巖電阻率為102～104Ω.m，全風(fēng)化大理巖電阻率更低，與第四系覆蓋層電阻率值接近，為10～102Ω.m。脈巖主要為花崗斑巖，電阻率值與大理巖基本相當(dāng)，有時(shí)會(huì)略高于大理巖。勘查區(qū)空洞基本全部為含水充填。采用地震映像法進(jìn)行探測(cè)時(shí)，巖溶在地震時(shí)間剖面上的響應(yīng)主要表現(xiàn)為以下特征：以典型繞射形式存在，反射波的同向軸成弧形，其頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)與隧洞頂部對(duì)應(yīng)；反射波信號(hào)微弱，甚至缺失，局部形成空白區(qū)域；反射波同向軸紊亂，連續(xù)性差，有時(shí)與旁邊的同向軸完全錯(cuò)斷。

高密度電法探測(cè)儀器選用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所生產(chǎn)的WGMD-9 超級(jí)高密度電法系統(tǒng)，測(cè)量參數(shù)為視電阻率ρs，觀測(cè)裝置是溫納四極（A M N B） 方式。高分辨地震儀（淺震儀） 隨采樣率自動(dòng)跟蹤；在采樣率的0.216 倍處為-3dB，下至120dB；并配有各種數(shù)字濾波器，截頻點(diǎn)（-3dB 處）。

2 物探區(qū)域劃定

為節(jié)約資源和節(jié)省時(shí)間，實(shí)現(xiàn)物探工作效益最大化，根據(jù)巖溶塌陷發(fā)育程度和地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性，將勘查區(qū)劃分為重點(diǎn)物探區(qū)和次重點(diǎn)物探區(qū)（圖1），分別進(jìn)行物探工作，查明勘查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害成因，為后續(xù)巖溶塌陷發(fā)育程度分級(jí)提供理論依據(jù)。

圖1 物探工作區(qū)域劃分圖Fig.1 Division map of geophysical prospecting work area

巖溶塌陷發(fā)育程度強(qiáng)及地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性大的區(qū)域?yàn)橹攸c(diǎn)勘查區(qū)，巖溶塌陷發(fā)育程度中等和發(fā)育程度弱以及地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性中等的區(qū)域?yàn)榇沃攸c(diǎn)勘查區(qū)。從圖1 可見，重點(diǎn)物探區(qū)域整體呈矩形，次重點(diǎn)物探區(qū)域呈不規(guī)則長(zhǎng)條狀，重點(diǎn)區(qū)域面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于次重點(diǎn)區(qū)域。

3 重點(diǎn)區(qū)域物探

3.1 工程布置

勘查區(qū)重點(diǎn)物探區(qū)域工程布置如圖2 所示。

圖2 重點(diǎn)物探區(qū)域工程布置Fig.2 Layout of key geophysical prospecting area engineering

3.2 典型測(cè)線物探解譯分析

圖3-6 為典型測(cè)線的高密度電阻率斷面圖。因篇幅所限，僅4 號(hào)測(cè)線給出α 和β 兩個(gè)剖面，其余測(cè)線給出一個(gè)α 剖面。結(jié)合鉆探資料，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行物探解譯如下。

3.2.1 1#測(cè)線分析

如圖3 所示，1#測(cè)線方位為北東向，點(diǎn)距為2m，電極數(shù)為60 根。該測(cè)線經(jīng)過一塌陷坑，第27-30 號(hào)電極通過塌陷坑位置。由溫納（α）排列探測(cè)結(jié)果，在32 號(hào)電極、深度為377m 處出現(xiàn)一低阻異常，電阻率值為150Ω.m，異常中心位置與地表塌陷位置不吻合，向大里程偏移；同理，由偶極（β）排列探測(cè)結(jié)果，在24 號(hào)電極、深度為377m 處也出現(xiàn)一低阻異常，電阻率值為130Ω.m，異常中心位置與地表塌陷位置不吻合，向小里程偏移。兩種探測(cè)結(jié)果的異常中心分別向兩側(cè)偏移，而兩個(gè)異常中心的中間位置恰好與其塌陷位置對(duì)應(yīng)。根據(jù)以上分析，以水平坐標(biāo)27-32 點(diǎn)、垂向異常中心高程377m 圈定一低阻異常，電阻率值為150～220Ω.m，推斷該異常為采空區(qū)。

圖3 1#測(cè)線α 剖面高密度電阻率斷面圖Fig.3 High-density resistivity profile of line No.1

3.2.2 3#測(cè)線分析

如圖4 所示，3#測(cè)線方位北東向，點(diǎn)距為2m，電極數(shù)為60 根。3 號(hào)測(cè)線經(jīng)過一塌陷坑，地表塌陷位置為40-43 點(diǎn)。由α 和β 兩個(gè)裝置的排列探測(cè)結(jié)果，出現(xiàn)低阻異常中心偏移地表塌陷坑位置的情況，α 排列裝置探測(cè)結(jié)果異常中心向小里程偏移，β 排列裝置探測(cè)結(jié)果異常中心向大里程偏移。根據(jù)以上分析，以水平坐標(biāo)38-48 點(diǎn)、垂向異常中心高程375m 圈定一低阻異常，電阻率值為130～300Ω.m，推斷該異常為采空區(qū)。

圖4 3#測(cè)線α 剖面高密度電阻率斷面圖Fig.4 High density resistivity profile of line No.3

3.2.3 4#測(cè)線分析

如圖5 所示，4#測(cè)線探測(cè)結(jié)果異常形態(tài)與3 號(hào)測(cè)線相似。由α 和β 兩個(gè)裝置的排列探測(cè)結(jié)果，出現(xiàn)低阻異常中心偏移地表塌陷坑位置的情況，α 排列裝置探測(cè)結(jié)果異常中心向小里程偏移，β 排列裝置探測(cè)結(jié)果異常中心向大里程偏移。因此，以水平坐標(biāo)38-46 點(diǎn)、垂向異常中心高程376m 圈定一低阻異常，電阻率值為80～260Ω.m，推斷該異常為采空區(qū)。

圖5 4#測(cè)線高密度電阻率斷面圖Fig.5 High density resistivity profile of line No.4

3.2.4 5#測(cè)線分析

如圖6 所示，5#測(cè)線方位南東向，與1 號(hào)測(cè)線垂直，點(diǎn)距為2m，電極數(shù)為50 根。地表塌陷位置為25-27 點(diǎn)，由α 和β 兩個(gè)裝置的排列探測(cè)結(jié)果，也出現(xiàn)低阻異常中心偏移地表塌陷坑位置的情況，取兩個(gè)異常中心的中間部位作為真實(shí)的低阻異常中心。根據(jù)以上分析，以水平坐標(biāo)23-30 點(diǎn)、垂向異常中心高程376m圈定一低阻異常，電阻率值為110～260Ω.m，推斷該異常為采空區(qū)。

圖6 5#測(cè)線α 剖面高密度電阻率斷面圖Fig.6 High density resistivity profile of line No. 5

3.3 高密度電法物探綜合分析

由第 1#、3#、4#、5# 測(cè)線上的 α 和 β 剖面探測(cè)結(jié)果可知，在電阻率值垂向分布上，地表處顯示出高阻異常，中間為低阻異常，深部又為高阻異常。地表處的高阻異常是由于地表第四系松散層、夾石、巖性不均勻造成的，而中間的低阻層與實(shí)際地層情況相符，均為第四系覆蓋層、全風(fēng)化巖層以及巖溶發(fā)育區(qū)。深部高阻異常部分是中風(fēng)化的白云質(zhì)大理巖，巖性比較均勻，電阻率表現(xiàn)為高阻異常。據(jù)此，劃定一條近乎水平的地層分界線，推斷該分界線上部為多條斷裂交匯處的破碎帶，破碎帶厚度約20m。該破碎帶中巖溶比較發(fā)育，往往充填粉質(zhì)粘土、細(xì)砂等物質(zhì)，由于破碎帶內(nèi)導(dǎo)水性較好，在水量豐沛的季節(jié)里，地表水不斷向地下補(bǔ)給，經(jīng)過地下水的不斷沖刷、稀釋，裂隙和溶洞內(nèi)的充填物就會(huì)被帶走，形成一定的空間，此時(shí)的溶洞頂板穩(wěn)定性較差，易發(fā)生塌落。

4 次重點(diǎn)區(qū)域物探

4.1 工程布置

勘查區(qū)次重點(diǎn)區(qū)域物探工程布置如圖7 所示。

圖7 次重點(diǎn)物探區(qū)域工程布置Fig.7 Layout of key geophysical prospecting area engineering

4.2 高密度物探解譯

以測(cè)線W1、W11為例進(jìn)行分析，W1、W11測(cè)線高密度電阻率斷面圖如圖8-9 所示。

圖8 W1 測(cè)線高密度電阻率斷面圖Fig.8 High density resistivity profile of line W1

W1測(cè)線在測(cè)區(qū)中部按東西（偏東南） 方向布設(shè)，長(zhǎng)度207m，點(diǎn)距3m。由圖8 可見，①垂直方向上電阻率由低到高變化，變化范圍98～800Ω·M，對(duì)應(yīng)深度在 0～50m 之間，呈現(xiàn)由淺部第四紀(jì)砂土過渡到全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化巖石再延伸到深部微風(fēng)化巖石；② 水平方向上電極號(hào)在東西兩側(cè)電阻率相對(duì)較低，中間部位電極號(hào)在41 處相對(duì)較高；③ 該剖面未顯示有相對(duì)明顯的低阻異常或高阻異常。

W11測(cè)線在測(cè)區(qū)中部按南北（偏北東） 方向布設(shè)，長(zhǎng)度為177m，點(diǎn)距3m。由圖9 所示，① 垂直方向上電阻率變化不大，在南部電阻率較低，在北部相對(duì)較高；② 水平方向上電阻率呈南低北高，28 號(hào)電極處有一明顯的高低電阻率分界線，顯示該分界線為向南傾斜狀態(tài)，傾角70°左右；③ 該剖面有相對(duì)明顯的高低阻異常帶，推測(cè)該分界線為斷層構(gòu)造或不同巖性的巖層接觸帶，以F1表示。

圖9 W11 測(cè)線高密度電阻率斷面圖Fig.9 High density resistivity profile of line W11

4.3 淺震物探解譯

以DZ3、DZ8剖面為例進(jìn)行淺震分析，物探結(jié)果如圖10 和圖11 所示。

圖10 DZ3 淺層地震剖面成果圖Fig.10 Shallow seismic profile results of line DZ3

圖11 DZ8 淺層地震剖面成果圖Fig.11 Shallow seismic profile results of line DZ8

從DZ3、DZ8的反射波時(shí)間剖面上可見，波形局部表現(xiàn)為波組紊亂、斷續(xù)，同相軸出現(xiàn)上凸下凹以及波組能量突變，反映出巖溶空洞、塌陷區(qū)等地層結(jié)構(gòu)特征。DZ3測(cè)線CMP 反射時(shí)間剖面出現(xiàn)異常范圍點(diǎn)號(hào)在61-68 點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的實(shí)際剖面點(diǎn)號(hào)是33-37 點(diǎn)，時(shí)間深度在70～200ms。DZ8測(cè)線CMP 反射時(shí)間剖面出現(xiàn)異常范圍點(diǎn)號(hào)在16-29 點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的實(shí)際剖面點(diǎn)號(hào)是9-16 點(diǎn)，時(shí)間深度在 70～180ms。

5 結(jié)論

（1）采用直流高密度電測(cè)深法結(jié)合淺震法的綜合物探方法，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，精確查明地面塌陷形成原因，圈定異常區(qū)邊界和范圍。本次勘查依據(jù)巖溶塌陷發(fā)育程度和地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性將物探布置劃分為重點(diǎn)勘查區(qū)域和次重點(diǎn)勘查區(qū)域，提高了物探工作的效率和精度。

（2）重點(diǎn)區(qū)域巖溶塌陷探測(cè)的結(jié)果表明：當(dāng)出現(xiàn)同相軸突然發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、同相軸整體趨于一個(gè)“拱形”、同相軸整體趨于一個(gè)“鍋底形”、同相軸整體產(chǎn)生“波浪起伏”等異常時(shí)，推斷為巖溶發(fā)育區(qū)。結(jié)合高密度電法和鉆探資料，整個(gè)勘查區(qū)均有巖溶發(fā)育，只是發(fā)育的程度不一致，因而，地震映像法解釋的巖溶發(fā)育區(qū)可以認(rèn)為是巖溶發(fā)育重點(diǎn)區(qū)。

（3）次重點(diǎn)區(qū)域巖溶塌陷探測(cè)的結(jié)果表明：高阻異常帶顯示為斷層構(gòu)造或不同巖性的巖層接觸帶；高低阻異常帶顯示為斷層構(gòu)造或不同巖層的接觸帶；明顯低阻異常帶顯示該部位為不同巖性的巖層蝕變接觸帶；地表附近低阻異常推測(cè)為第四紀(jì)覆蓋層引起；次重點(diǎn)區(qū)域波組的起伏變化異常可能與巖溶空洞異常有直接關(guān)系，與地層變化有間接關(guān)系。

（4）根據(jù)地震水平迭加剖面的波組特征，對(duì)次重點(diǎn)區(qū)域各測(cè)線剖面范圍內(nèi)能量較強(qiáng)、連續(xù)性較好并可能具有一定地質(zhì)意義的各反射波（組） 進(jìn)行了對(duì)比追蹤和層位標(biāo)定。時(shí)間剖面上較連續(xù)穩(wěn)定的反射波場(chǎng)同相軸表現(xiàn)了具有一定意義的地質(zhì)分層界限，而波組斷續(xù)、空白和局部的起伏變化異常，分析認(rèn)為與淺表層地層變化、斷層和巖溶空洞塌陷所造成的地層的變化有間接關(guān)系。

直流高密度電測(cè)深法與淺震法的結(jié)合為巖溶勘探提供了新思路，提高了勘探結(jié)果的可靠性，改善了單一物探方法的局限性問題，為類似巖溶地面塌陷勘查工程提供了有益參考。