綜合地球物理方法在巖溶地面塌陷地質災害調查中的應用研究

陳建龍，湯洪志，杜春龍 ，肖小松，游 陳

（1.東華理工大學地球物理與測控技術學院，江西南昌330013；2.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南長沙410083；3.湖南省煤田地質局，湖南株洲412000)

1 工區地質概況

工作區位于湖南省新化縣北西的爐觀鎮和游家鎮境內，主要包括新化縣爐觀鎮荷葉村1～6 組和游家鎮龍潭村，區內居民相對集中，人口密度較大。

工作區內出露地層由新至老依次為：第四系(Q)、石炭系中上統壺天群(C2+3Ht)、石炭系下統梓門橋組(C1z)、測水組（C1c）、石磴子組(C1s)。現分述如下：

（1）第四系（Q）：黃、紅色粘土、亞粘土、砂礫石夾碎石。

（2）壺天群（C2+3Ht）：灰褐色淺灰—灰白色或肉紅色厚—巨厚層狀的灰巖、白云質灰巖。

（3）梓門橋組（C1z）：灰—深灰色灰巖，灰黑色泥質巖，中厚層狀，具隱晶質及細晶質結構。

（4）測水組（C1c）：為區內含煤巖系，按含煤性及標志層等，劃分上、下兩段。

1 上段（C1c2）：淺色巖性，灰—灰白、紫紅色、雜色之泥巖、砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖、石英砂巖。

2 下段（C1c1）：砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖及石英砂巖和煤。

（5）石磴子組（C1s）：黑灰色泥質灰巖，上部巖石含大批方解石脈的泥質灰巖。中下部常夾黑色鈣質泥巖，有時二者呈互層呈現。

2 地球物理特征

根據本次物探工作成果及以往物探工作成果統計數據，工作區各地層地球物理特征見表1。

一般來說巖溶發育區：根據巖溶充填情況不同，其視電阻率、彈性波速一般值亦存在一定的差別，未充填空洞一般表現為相對高阻、低速，其視電阻率ρs一般值為300～500Ω·m，彈性波速Vp一般值為0.33～0.4km/s；半充填溶洞視電阻率ρs一般值為150～200Ω·m，彈性波速Vp一般值為0.5～0.6km/s；全充填溶洞根據其充填物不同有一定的差別，但總體表現為低阻、低速，視電阻率ρs一般值為80～120Ω·m，彈性波速Vp一般值為0.6～0.8km/s。

綜合以上各地層的地球物理特征統計數據可知，由于巖溶發育區一般在灰巖地層中，因此巖溶與石炭系中上統壺天群（C2+3Ht）、下石炭統梓門橋組（C1z）、石磴子組（C1s）基巖之間存在明顯的物性差異，且本區地層較為簡單，因此利用高密度電阻率法、地震映像法對巖溶裂隙發育區進行識別。資料處理解釋時，結合已知地質資料對物探資料進行比照分析，去除假的異常信息，以達到物探工作目標。

表1 測區地層地球物理特征

3 工作方法原理

3.1 高密度電阻率法

高密度電法是基于常規電阻率法基礎上優化而來，故其原理與常規電阻率法原理大抵類似，依然是以地殼巖石的導電性差異為基礎，通過研究人工建立的穩定電流場的分布規律以達到解決地質問題的一種電探方法[1-2]。該方法具有電距小、數據采集密度大的特點，反演的斷面圖可以直觀、形象地反映出斷面電性異常體的形態、規模、產狀、埋藏深度等。聯合地質勘查結果，能夠較為精確地推斷出地質體的空間狀態、地層巖性、斷裂等信息[3]。

由于高密度電法異常特征明顯，對于解決巖溶位置及發育情況能得到清晰、直觀的二維效果。

3.2 地震映像法

地震映像法又稱地震共偏移距法，是對反射波法中的最佳偏移距技術開展而來的一種常用的淺層地震探測方法。其原理為地震波在地下介質傳播時，遇到物性分界面或物性劇變處將會產生反射或繞射現狀，溶洞發育區或破碎區與周圍介質有著明顯的物性差異，這為應用地震映像法對巖溶進行探查提供了很好的物探條件。經過對所收到的地震波的振幅、頻率、相位的比照剖析，可查明勘探區域內巖溶裂隙發育散布情況[4]。

4 野外資料采集、處理與解釋方法

本次高密度電阻率法工作所采用的儀器為深圳市賽盈技術有限公司生產的GD-10 高密度電法觀測系統，選擇采集參數為72～120 極，電極距為7～7.5m，采用溫納裝置(α裝置)采集16層，共布設3條測線。

高密度電阻率法的資料處理步驟為：首先將GD-10 型儀器采集的原始數據輸入計算機，啟動整理軟件HXLDFDATA 進行檢查、去非值、干擾值、地形校正，轉換為文本格式存儲；再運用繪圖軟件surfer 進行繪圖。

資料解釋的方法：對比各斷面的等值線擬斷面圖，對異常進行歸類，同時將物探工作成果與已有地質調查及鉆探資料進行充分的比照分析，以獲取地電對比參數及AB/2與實際探測深度的比值，以獲得定量解釋的對比資料成果，以提高定量解釋的精度。

本次地震映像法施工使用的地震儀器為SE2404EI型綜合工程檢測儀，系統及采集參數為：1道60Hz 縱波檢波器接收、2m 道距、6m 偏移距、0.2～0.5ms 采樣率，采樣長度2048 個樣點，重錘激發，共布設測線11條。

地震映像法資料處理，采用的處理軟件為CSP5.1，其主要處理流程為：炮時校正→道數據編輯→置道頭→二維濾波→振幅平衡→切除→濾波→剖面繪制。

地震映像法解譯辦法是利用波組比照跟蹤原則，在某些有顯著反射同相軸的區域標定反射波，利用數據處理中提取的速度或某些已知深度位置的校正速度進行時—深轉換，然后參考少量鉆井資料和地質填圖資料進行校正、修正，并繪制解釋剖面圖。在無穩定反射界面地區的解釋方法是分析局部反射波的特征，分析反射波的振幅、頻率和相位變化，確定地質特征，繪制解釋剖面圖[5]。

5 解釋成果及其分析

因測線多達十幾條篇幅有限，僅舉出ZK1 號鉆孔所在G2測線成果解釋與D1測線成果解釋。

G2：測線上73～81m段，平面投影長度約8m，異常發育標高179～168m，埋深17～29m左右為巖溶裂隙發育區，發育形態不規則；測線上127～134m 段，平面投影長度約7m，異常發育標高186～179m，埋深18～26m左右為巖溶裂隙發育區，發育形態不規則；測線上359～404m 段，平面投影長度約45m，為斷層；測線上429～433m 段，平面投影長度約4m，異常發育標高216～208m，埋深3～11m左右為巖溶裂隙發育區，發育形態不規則；測線上428～454m 段，平面投影長度約26m，異常發育標高206～177m，埋深12～42m 左右為巖溶裂隙發育區，發育形態不規則；測線上458～478m段，平面投影長度約20m，異常發育標高205～193m，埋深13～25m左右為巖溶裂隙發育區，發育形態不規則；測線上509～518m 段，平面投影長度約9m，異常發育標高206～198m，埋深12.8～20.5m 左右為巖溶裂隙發育區，發育形態不規則；測線上607～616m 段，平面投影長度約9m，異常發育標高205～170m，埋深29～64.5m 左右為巖溶裂隙發育區，發育形態不規則；測線上737～745m 段，平面投影長度約8m，異常發育標高233～225m，埋深13～20.3m 左右為巖溶裂隙發育區；發育形態不規則。

D1：測線上0.6～13m 段，平面投影長度約12.4m，異常發育標高171～162m，埋深15.5～25m左右為巖溶裂隙發育區，發育形態不規則；測線上45～60m 段，平面投影長度約15m，異常發育標高169～157m，埋深16～28m 左右為巖溶裂隙發育區，發育形態不規則；測線上99～116m 段，平面投影長度約17m，異常發育標高164～154m，埋深21～31m 左右為巖溶裂隙發育區，發育形態不規則；測線上161～178m段，平面投影長度約17m，異常發育標高168～152m，埋深13～29.5m 左右為巖溶裂隙發育區，發育形態不規則。

在G1 測線與D1 測線交點處存在異常體，通過對兩種方法在該交點處不良地質體圈定的位置信息對比分析，判斷兩種方法在圈定地下異常體成果的一致性。圖1為G1與D1測線部分物探平面圖。

圖1 G1與D1測線部分物探平面圖

其中該異常體在G1 測線上圈定的位置信息為測線上782～799m 段，平面投影長度約17m，異常發育標高162～147m，埋深18.5～35m 左右為巖溶裂隙發育區，發育形態不規則。在D1測線上圈定的位置信息為測線上161～178m 段，平面投影長度約17m，異常發育標高168～152m，埋深13～29.5m左右為巖溶裂隙發育區，發育形態不規則。其中兩者方法考慮到各種影響因素下圈定的異常體的發育標高及埋深基本一致。有效驗證了兩種方法的結果具有較好的一致性。

為了驗證高密度電阻率法及地震映像法勘探成果對物探異常進行鉆孔驗證。在本區分別在G2、G1線上布設 ZK1、ZK2 兩個鉆孔，孔深均為 40m。ZK1 孔在4.3～10.6m、11～12m 、12.4～18m、22.45～26.6m 處見巖溶裂隙發育區，巖芯破碎不成塊，巖石夾中有少量泥質充填物，與G2測線物探解釋成果較吻合。ZK2孔在6.4～8m、8.6～12m、15～18m、21.4～28m、37.5～39m 處為巖溶裂隙發育區，巖芯破碎，有少量泥質充填物；與G1測線物探解釋成果較吻合。

圖2 為D1 測線地震時間剖面圖及物探地質斷面。圖3為G2測線等視電阻率圖及物探地質斷面。

圖2 D1測線地震時間剖面圖及物探地質斷面圖

6 結語

本文通過高密度電阻率法為主，地震映像法為輔的綜合勘探方法（在高密度電阻率法解譯成果的基礎上，在重點地段、房屋密集區域內或不適合采用高密度電阻率法的地段設計地震映像法）對工作區巖溶裂隙發育區進行探測，為驗證兩種方法的物探資料解釋可靠性以兩種方法測線交點異常體的反演結果圈定信息對比分析，同時以所圈定的巖溶裂隙為基礎，對物探異常進行兩個鉆孔驗證，驗證了巖石裂隙發育區位置。在今后調查探測巖溶地面塌陷等地質災害問題時高密度電阻率法與地震映像法能夠起到很好的指引作用。

圖3 G2測線等視電阻率圖及物探地質斷面圖