山东泰安羊娄岩溶地面塌陷的高密度电法探测应用

郭栋栋，赵俐红，高宗军

(1.中化地质矿山总局泰安地质勘查院，山东泰安 271000;2.山东科技大学，山东青岛 266510)

0 引言

岩溶地面塌陷，是一种常见的由于易溶性岩石遇到活跃的岩溶水系而致上覆岩(土)体溶蚀冒落形成的地质灾害现象［1］，多发生在人口相对较多、经济较发达的城镇或工矿区。伴随着2003年泰安羊娄大塌坑的出现，该区岩溶地面塌陷灾害越来越受到人们关注，是北方岩溶地面塌陷的典型实例。目前为止，高密度电法是最适合探测岩溶发育状况的物探方法之一，它兼具剖面法与电测深法的效果，并具点距小和数据采集密度大等特点，能直接反映研究区基岩的起浮状态［2］。本文拟用高密度电法研究泰安羊娄地区的岩溶地面塌陷情况，探讨高密度电法在岩溶地面塌陷方面的应用效果。

1 方法原理

高密度电阻率法同常规电阻率原理完全相同，但它采用了多电极高密度一次布极并实现了跑极和数据采集的自动化［3］，对于近地面浅层电性差异明显的地层具有非常好的效果。岩溶地面塌陷多成因于地层浅部的岩溶发育区，与地下水的活动密切关联［4-5］，而这些区域的灰岩、岩溶水、溶洞及第四系盖层的电性异常又非常突出。研究发现，高密度电法测量的二维地电断面不仅能较直观地反映基岩界线，而且还能够推断与围岩存在电性差异的断裂构造［2］。通过在研究区的高密度一次布极获得该区的视电阻率情况，并对其进行格式转换、预处理、地形校正、正演和反演计算，得到该区的视电阻率成像色谱图［3］。根据反演得到的电阻率色谱图，获取地层中的电阻率分布情况，最后结合该区的实际地质情况推断地层、圈定构造、确定岩溶发育带等。

2 研究区概况

泰安市羊娄地区，西起滂河断裂，东到东羊娄村以东，北至宅子断裂，南至汶河。该区本为裂隙岩溶水水源地，岩溶塌陷地质灾害发育频繁，多年被山东省划为地质灾害防范重点。区内地层有太古界前震旦系泰山群变质岩;下古生界寒武系、奥陶系碳酸盐岩、页岩;新古生界第三系砂岩、砾岩、泥岩、泥灰岩、粘土岩及第四系松散岩类［6］。

测区内地势平坦，高程约130.0m，自然坡降低，地质条件较复杂。主要表层岩性为第四系粘性土、砂土，第三系泥岩，奥陶系灰岩、泥灰岩及白云质灰岩组成。区内形成电性异常的因素主要有由岩性差异、岩溶发育、断裂构造造成的岩性破碎程度以及地下水的富集程度。其中水的电性在本区起着主导作用，因此，本区电阻率测量主要是测水的电性。

3 高密度电法在研究区的应用

为搞清楚区内近地面各地层岩土体电性分布特征，作者在工作区内地表有明显塌陷位置处布设了一条高密度电法试验测线。将所得原始数据制成等值线图1，经反演成示意图2。

研究表明:在地下水潜水位以上，较大面积空洞的电阻率值最高，泥岩、粘性土最低;地下水潜水位以下，洞穴、断层破碎带内电阻率最低，岩溶不发育地段电阻率值最高(图1和图2)。经物性测试:第四系松散岩类标本电阻率一般在50Ωm以内变动，完整的灰岩标本则反映为200Ωm以上。当有土洞在时，电阻率在110Ωm左右变化;灰岩的溶蚀溶洞反映为同步起伏及低电性特征的继续延伸。土洞充水后电阻率表现为30Ωm以下，当有构造存在时，视电阻率断面上曲线呈现明显的错动、局部的突变现象;当溶洞在潜水面以上时，反映为相对的高阻电性特征。松散的第四系覆盖物与活跃的岩溶水系间存在较大电阻率差异，充填的岩溶水与围岩间亦存在较大电阻率差异。

图1 泰安市羊娄—旧县局域岩体剖面视电阻率等值线测验示意图Fig.1 Taian Yang Lou-Jiuxian measured contour schematic diagram of high-density resistivity method

图2 泰安市羊娄—旧县高密度电阻率方法所测实验线剖面视电阻率反演检测示意图Fig.2 Taian Yang Lou-Jiuxian inversion contour schematic diagram of high-density resistivity method

综上，在该区域内开展高密度电法工作对于能否查清区域内岩层剖面的前提是具备的。

结合区内实际地形条件，依据羊娄村路面的分布情况设计了20条高密度电法剖面(图3)。采用对称四极测深滚动装置，点距5m，MN一个间距，电极距60个。数据采集完成后，对所得原始数据进行对比，剔除，拼接得到剖面初始数据，利用Res2dinv软件平滑，正演，反演等值线成像后得到反演剖面色谱图(图4)。利用PS将这些反演剖面色谱图进行地层回模拟，最后结合前人的研究成果和相关地质资料分析解释。

野外数据采集时地下水水位在4m左右，正值丰水期地下溶洞内多充水饱和。由高密度电法剖面直观示意图(图4)看出，该区第四系盖层、砂层及灰岩的电阻率变化均匀清晰、差异明显，能够较好反映出区内溶洞和土洞的具体位置。第四系粘土电阻率表现为10～50Ωm，深度0～20m不等;砂层表现为50～200Ωm，深度5～30m不等;灰岩则表现为200Ωm以上，深度在8～50m不等，可以较好的分辨出区内第四系、砂层、灰岩间的界面。钻孔资料(图5和图6)直接验证了以上推断。

地下水电阻率不大于10Ωm，充水的溶洞一般反映为深层直立三角状低阻闭合区域，而水洞或潮湿的土洞反映为第四系内倒立的三角状低阻闭合区域，可由区域内整体电性的不均匀异常密度带推断区内的构造迹象。由图4可知，研究区自南向北:北部、南部相对平稳，中部是岩溶溶洞发育频繁区;自西向东:整个区域内大大小小的溶洞相互关联贯穿在一条自西向东的构造带上，而后被中部东西走向的不易溶蚀灰岩隔断后继续向东展布，并呈“哑铃”状。

图3 高密度电法剖面布设工程直观示意图Fig.3 The laid engineering map of HDRM

图4 高密度电法剖面直观示意图Fig.4 The ocular sketh map of HDRM

由岩溶溶洞在反演剖面(图4)中的反映，可以推断岩溶发育与构造之间存在着很强的依附关系——接近构造的区域内溶洞发育较为稠密，而远离构造的南部则相对稀且少一些。同时以上也间接证明了前期由构造引起的庞大裂隙发育带是岩溶塌陷发育前提的地质推断。另外，研究区南部土洞的分布可以推断为古塌陷区的痕迹，而这些区域在测量期间已大都被第四系粘土填充或蓄水。

图5 ZK1资料图Fig.5 The graph of ZK1 information

图6 ZK2资料图Fig.6 The graph of ZK2 information

4 讨论

综上，岩溶溶洞的发育与地下水依附紧密。

在岩溶塌陷前，上覆地层受地下水向上的浮托力和自身的重力使地层岩体间受力保持平衡。当抽排岩溶水而致地下水水位猛烈骤降时，溶蚀物颗粒或砂砾被地下水搬运而致彼此关联的溶洞群失去了地下水的浮托力呈“拱桥”形，改变了原有地层间的受力平衡关系使上覆岩土体悬空，且空洞受气压影响对上覆地层有吸附作用，形成了塌陷发生的先决条件。

当自然降水量增多时，上覆岩体在承受自身重力的前提下持续受大气降水的荷载力再次改变了岩体间的受力平衡;随地下水水位的回升，上覆岩土体此时受地下水向上的浮托力，且空洞受气压影响对上覆岩体有顶托作用。由此可见，短期内地层间岩体的受力关系改变频繁，上覆岩体在不同时期内反复受到向上、向下的推力作用是该区岩溶地面塌陷发生的最直接因素。伴随着地下水水位的上下波动，岩性间电阻率也相应发生较大波动变化，由此可以得出:地下水的大幅升降是短期内加速岩溶塌陷的地质前提。

使用物探手段能够为岩溶地面塌陷这种地质灾害提供科学的论据。结合岩溶塌陷的实际地质情况，可以归结出各种地质反映信号以静态或动态地分析地下岩溶塌陷的发育程度、变化特征、成熟状态。由于岩溶塌陷的形成方式和发育状态的不同，自然界的岩溶塌陷在实际存在中呈现着千奇百怪的特性，要推断好这些地层特性，地层与地下水间叠合依托关系特别是岩溶发育导致地下空洞所引起的地面起伏变化时间及程度的预测，单一靠表层的地质反映不能满足查清地下岩溶分布的确切条件。物探方法引用了地层间的物性差异的规律，对地下岩层间很好的定位是重要的控制检测方法。它对先前地层的推测起到了检验效果，一般而言在判读岩溶塌陷时都对地表进行地质分析推断其发育来源，空洞形成时间，发育状况，是否受近代人类活动的影响等提出各种理论方案，对区内实施物探方法就是对先前地质推断的一个基本总结和验证。这种总结和验证是从科学的角度出发的，提高了对地质推断逻辑的严谨性。针对岩溶塌陷的发育程度来说，其不同的发育时期对应着不同的发育状况，其岩性的空间定位必然也发生变化，高密度电阻率法提供了科学的数据，基本把握了地下地层及地下水的接触关系，为判定岩溶塌陷的发育程度及走向趋势提供了有力证据。伴随地下水水位的监测，系统的利用物探手段对岩溶塌陷监测有利于这种地质灾害的预警工作。

［1］贺可强，王滨，杜濡林.中国北方岩溶塌陷［M］.北京:地质出版社，2005.HE Keqiang，WANG Bin，DU Rulin.Karst collapse in North China［M］.Beijing:Geological Publishing Press，2005.

［2］傅良魁，应用地球物理教程—电法勘探［M］.北京:地质出版社，1991.FU Liangkui.Physical geography application courseelectrical prospecting［M］. Beijing: Geological Publishing Press，1991.

［3］李金铭，地电场与电法勘探［M］.北京:地质出版社，1991.Li Jinming.Geoelectric field and electrical prospecting［M］.Beijing:Geological Publishing Press，1991.

［4］骆荣，郑小战，易顺民.广州花都区赤坭镇岩溶地面塌陷地质灾害现状及防治对策［J］.中国地质灾害与防治学报，2012，23(1):75-78.LUO Rong，ZHENG Xiaozhan，YI Shunmin.Current situation and prevention measures of Guangzhou Huadu district Chinitown Karstground collapsegeological disaster［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2012，23(1):75-78.

［5］袁杰，高宗军，马海会.论岩溶地下水位对岩溶塌陷形成的控制作用［J］.中国地质灾害与防治学报，2010，21(4):99-102.YUAN Jie，GAO Zongjun，MA Haihui.Discuss about the control action of Karstic ground water on Karst collapse［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2010，21(4):99-102.

［6］高宗军.泰安岩溶地面塌陷形成机理与防治对策［J］.中国地质灾害与防治学报，2001，12(4):74-76.GAO Zongjun.Formation mechanism and prevention measures of Taian Karst ground collapse［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2001，12(4):74-76.