山東泰安羊婁巖溶地面塌陷的高密度電法探測應(yīng)用

郭棟棟，趙俐紅，高宗軍

(1.中化地質(zhì)礦山總局泰安地質(zhì)勘查院，山東泰安 271000;2.山東科技大學(xué)，山東青島 266510)

0 引言

巖溶地面塌陷，是一種常見的由于易溶性巖石遇到活躍的巖溶水系而致上覆巖(土)體溶蝕冒落形成的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象［1］，多發(fā)生在人口相對較多、經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)的城鎮(zhèn)或工礦區(qū)。伴隨著2003年泰安羊婁大塌坑的出現(xiàn)，該區(qū)巖溶地面塌陷災(zāi)害越來越受到人們關(guān)注，是北方巖溶地面塌陷的典型實例。目前為止，高密度電法是最適合探測巖溶發(fā)育狀況的物探方法之一，它兼具剖面法與電測深法的效果，并具點距小和數(shù)據(jù)采集密度大等特點，能直接反映研究區(qū)基巖的起浮狀態(tài)［2］。本文擬用高密度電法研究泰安羊婁地區(qū)的巖溶地面塌陷情況，探討高密度電法在巖溶地面塌陷方面的應(yīng)用效果。

1 方法原理

高密度電阻率法同常規(guī)電阻率原理完全相同，但它采用了多電極高密度一次布極并實現(xiàn)了跑極和數(shù)據(jù)采集的自動化［3］，對于近地面淺層電性差異明顯的地層具有非常好的效果。巖溶地面塌陷多成因于地層淺部的巖溶發(fā)育區(qū)，與地下水的活動密切關(guān)聯(lián)［4-5］，而這些區(qū)域的灰?guī)r、巖溶水、溶洞及第四系蓋層的電性異常又非常突出。研究發(fā)現(xiàn)，高密度電法測量的二維地電斷面不僅能較直觀地反映基巖界線，而且還能夠推斷與圍巖存在電性差異的斷裂構(gòu)造［2］。通過在研究區(qū)的高密度一次布極獲得該區(qū)的視電阻率情況，并對其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、預(yù)處理、地形校正、正演和反演計算，得到該區(qū)的視電阻率成像色譜圖［3］。根據(jù)反演得到的電阻率色譜圖，獲取地層中的電阻率分布情況，最后結(jié)合該區(qū)的實際地質(zhì)情況推斷地層、圈定構(gòu)造、確定巖溶發(fā)育帶等。

2 研究區(qū)概況

泰安市羊婁地區(qū)，西起滂河斷裂，東到東羊婁村以東，北至宅子斷裂，南至汶河。該區(qū)本為裂隙巖溶水水源地，巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育頻繁，多年被山東省劃為地質(zhì)災(zāi)害防范重點。區(qū)內(nèi)地層有太古界前震旦系泰山群變質(zhì)巖;下古生界寒武系、奧陶系碳酸鹽巖、頁巖;新古生界第三系砂巖、礫巖、泥巖、泥灰?guī)r、粘土巖及第四系松散巖類［6］。

測區(qū)內(nèi)地勢平坦，高程約130.0m，自然坡降低，地質(zhì)條件較復(fù)雜。主要表層巖性為第四系粘性土、砂土，第三系泥巖，奧陶系灰?guī)r、泥灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r組成。區(qū)內(nèi)形成電性異常的因素主要有由巖性差異、巖溶發(fā)育、斷裂構(gòu)造造成的巖性破碎程度以及地下水的富集程度。其中水的電性在本區(qū)起著主導(dǎo)作用，因此，本區(qū)電阻率測量主要是測水的電性。

3 高密度電法在研究區(qū)的應(yīng)用

為搞清楚區(qū)內(nèi)近地面各地層巖土體電性分布特征，作者在工作區(qū)內(nèi)地表有明顯塌陷位置處布設(shè)了一條高密度電法試驗測線。將所得原始數(shù)據(jù)制成等值線圖1，經(jīng)反演成示意圖2。

研究表明:在地下水潛水位以上，較大面積空洞的電阻率值最高，泥巖、粘性土最低;地下水潛水位以下，洞穴、斷層破碎帶內(nèi)電阻率最低，巖溶不發(fā)育地段電阻率值最高(圖1和圖2)。經(jīng)物性測試:第四系松散巖類標(biāo)本電阻率一般在50Ωm以內(nèi)變動，完整的灰?guī)r標(biāo)本則反映為200Ωm以上。當(dāng)有土洞在時，電阻率在110Ωm左右變化;灰?guī)r的溶蝕溶洞反映為同步起伏及低電性特征的繼續(xù)延伸。土洞充水后電阻率表現(xiàn)為30Ωm以下，當(dāng)有構(gòu)造存在時，視電阻率斷面上曲線呈現(xiàn)明顯的錯動、局部的突變現(xiàn)象;當(dāng)溶洞在潛水面以上時，反映為相對的高阻電性特征。松散的第四系覆蓋物與活躍的巖溶水系間存在較大電阻率差異，充填的巖溶水與圍巖間亦存在較大電阻率差異。

圖1 泰安市羊婁—舊縣局域巖體剖面視電阻率等值線測驗示意圖Fig.1 Taian Yang Lou-Jiuxian measured contour schematic diagram of high-density resistivity method

圖2 泰安市羊婁—舊縣高密度電阻率方法所測實驗線剖面視電阻率反演檢測示意圖Fig.2 Taian Yang Lou-Jiuxian inversion contour schematic diagram of high-density resistivity method

綜上，在該區(qū)域內(nèi)開展高密度電法工作對于能否查清區(qū)域內(nèi)巖層剖面的前提是具備的。

結(jié)合區(qū)內(nèi)實際地形條件，依據(jù)羊婁村路面的分布情況設(shè)計了20條高密度電法剖面(圖3)。采用對稱四極測深滾動裝置，點距5m，MN一個間距，電極距60個。數(shù)據(jù)采集完成后，對所得原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，剔除，拼接得到剖面初始數(shù)據(jù)，利用Res2dinv軟件平滑，正演，反演等值線成像后得到反演剖面色譜圖(圖4)。利用PS將這些反演剖面色譜圖進(jìn)行地層回模擬，最后結(jié)合前人的研究成果和相關(guān)地質(zhì)資料分析解釋。

野外數(shù)據(jù)采集時地下水水位在4m左右，正值豐水期地下溶洞內(nèi)多充水飽和。由高密度電法剖面直觀示意圖(圖4)看出，該區(qū)第四系蓋層、砂層及灰?guī)r的電阻率變化均勻清晰、差異明顯，能夠較好反映出區(qū)內(nèi)溶洞和土洞的具體位置。第四系粘土電阻率表現(xiàn)為10～50Ωm，深度0～20m不等;砂層表現(xiàn)為50～200Ωm，深度5～30m不等;灰?guī)r則表現(xiàn)為200Ωm以上，深度在8～50m不等，可以較好的分辨出區(qū)內(nèi)第四系、砂層、灰?guī)r間的界面。鉆孔資料(圖5和圖6)直接驗證了以上推斷。

地下水電阻率不大于10Ωm，充水的溶洞一般反映為深層直立三角狀低阻閉合區(qū)域，而水洞或潮濕的土洞反映為第四系內(nèi)倒立的三角狀低阻閉合區(qū)域，可由區(qū)域內(nèi)整體電性的不均勻異常密度帶推斷區(qū)內(nèi)的構(gòu)造跡象。由圖4可知，研究區(qū)自南向北:北部、南部相對平穩(wěn)，中部是巖溶溶洞發(fā)育頻繁區(qū);自西向東:整個區(qū)域內(nèi)大大小小的溶洞相互關(guān)聯(lián)貫穿在一條自西向東的構(gòu)造帶上，而后被中部東西走向的不易溶蝕灰?guī)r隔斷后繼續(xù)向東展布，并呈“啞鈴”狀。

圖3 高密度電法剖面布設(shè)工程直觀示意圖Fig.3 The laid engineering map of HDRM

圖4 高密度電法剖面直觀示意圖Fig.4 The ocular sketh map of HDRM

由巖溶溶洞在反演剖面(圖4)中的反映，可以推斷巖溶發(fā)育與構(gòu)造之間存在著很強(qiáng)的依附關(guān)系——接近構(gòu)造的區(qū)域內(nèi)溶洞發(fā)育較為稠密，而遠(yuǎn)離構(gòu)造的南部則相對稀且少一些。同時以上也間接證明了前期由構(gòu)造引起的龐大裂隙發(fā)育帶是巖溶塌陷發(fā)育前提的地質(zhì)推斷。另外，研究區(qū)南部土洞的分布可以推斷為古塌陷區(qū)的痕跡，而這些區(qū)域在測量期間已大都被第四系粘土填充或蓄水。

圖5 ZK1資料圖Fig.5 The graph of ZK1 information

圖6 ZK2資料圖Fig.6 The graph of ZK2 information

4 討論

綜上，巖溶溶洞的發(fā)育與地下水依附緊密。

在巖溶塌陷前，上覆地層受地下水向上的浮托力和自身的重力使地層巖體間受力保持平衡。當(dāng)抽排巖溶水而致地下水水位猛烈驟降時，溶蝕物顆粒或砂礫被地下水搬運(yùn)而致彼此關(guān)聯(lián)的溶洞群失去了地下水的浮托力呈“拱橋”形，改變了原有地層間的受力平衡關(guān)系使上覆巖土體懸空，且空洞受氣壓影響對上覆地層有吸附作用，形成了塌陷發(fā)生的先決條件。

當(dāng)自然降水量增多時，上覆巖體在承受自身重力的前提下持續(xù)受大氣降水的荷載力再次改變了巖體間的受力平衡;隨地下水水位的回升，上覆巖土體此時受地下水向上的浮托力，且空洞受氣壓影響對上覆巖體有頂托作用。由此可見，短期內(nèi)地層間巖體的受力關(guān)系改變頻繁，上覆巖體在不同時期內(nèi)反復(fù)受到向上、向下的推力作用是該區(qū)巖溶地面塌陷發(fā)生的最直接因素。伴隨著地下水水位的上下波動，巖性間電阻率也相應(yīng)發(fā)生較大波動變化，由此可以得出:地下水的大幅升降是短期內(nèi)加速巖溶塌陷的地質(zhì)前提。

使用物探手段能夠為巖溶地面塌陷這種地質(zhì)災(zāi)害提供科學(xué)的論據(jù)。結(jié)合巖溶塌陷的實際地質(zhì)情況，可以歸結(jié)出各種地質(zhì)反映信號以靜態(tài)或動態(tài)地分析地下巖溶塌陷的發(fā)育程度、變化特征、成熟狀態(tài)。由于巖溶塌陷的形成方式和發(fā)育狀態(tài)的不同，自然界的巖溶塌陷在實際存在中呈現(xiàn)著千奇百怪的特性，要推斷好這些地層特性，地層與地下水間疊合依托關(guān)系特別是巖溶發(fā)育導(dǎo)致地下空洞所引起的地面起伏變化時間及程度的預(yù)測，單一靠表層的地質(zhì)反映不能滿足查清地下巖溶分布的確切條件。物探方法引用了地層間的物性差異的規(guī)律，對地下巖層間很好的定位是重要的控制檢測方法。它對先前地層的推測起到了檢驗效果，一般而言在判讀巖溶塌陷時都對地表進(jìn)行地質(zhì)分析推斷其發(fā)育來源，空洞形成時間，發(fā)育狀況，是否受近代人類活動的影響等提出各種理論方案，對區(qū)內(nèi)實施物探方法就是對先前地質(zhì)推斷的一個基本總結(jié)和驗證。這種總結(jié)和驗證是從科學(xué)的角度出發(fā)的，提高了對地質(zhì)推斷邏輯的嚴(yán)謹(jǐn)性。針對巖溶塌陷的發(fā)育程度來說，其不同的發(fā)育時期對應(yīng)著不同的發(fā)育狀況，其巖性的空間定位必然也發(fā)生變化，高密度電阻率法提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)，基本把握了地下地層及地下水的接觸關(guān)系，為判定巖溶塌陷的發(fā)育程度及走向趨勢提供了有力證據(jù)。伴隨地下水水位的監(jiān)測，系統(tǒng)的利用物探手段對巖溶塌陷監(jiān)測有利于這種地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警工作。

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