常规直流电法在黄河水库南屯地质灾害评价中的应用

贾方岩，张 帆，郑国辉，朱晓光，张会国，肖伟儒，陶蕴哲，陈 蒙

吉林省第二地质调查所，吉林 吉林市132001

1 地质及地球物理概况

1.1 地质概况

黄河水库南屯塌陷区的西南侧为二叠系下统寿山沟组：上部主要是黑色板岩，并见有灰黑色粉砂质泥岩及黄绿色砂岩互层。北东侧主要为石灰岩。区内基本由第四系砂砾石及黄土覆盖。溶洞的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果。石灰岩的主要成分是碳酸钙，在有水和二氧化碳时发生化学反应生成碳酸氢钙，后者可溶于水，当这种水在地下深处有一定压力时，溶解更甚。石灰岩中的钙被水溶解带走，经过几十万年、百万年甚至上千万年的地下水文地质作用，就会形成溶洞。区域附近的石灰岩分布区有已知的溶洞存在。 区内出现的地面塌陷主要与地下溶洞有关。

1.2 地球物理概况

由于区内居民住宅密度较大，户与户之间有围墙或铁、木栅栏隔离，给物探测量带来很多困难。所以首先在工区进行了不同方法及不同装置的有效性试验。试验发现高密度电法无法有效开展，而激电中梯、激电联剖及视电阻率测深效果相对较好。通过激电中梯初步勘查可知，北东侧的石灰岩分布区其视电阻率值在300～1 150 Ω·m 之间变化，视极化率在1.5%～2.0%之间变化。而在西南侧黑色板岩分布区视电阻率值在150～250 Ω·m 之间变化，视极化率在4.0%～11.0%之间变化。通过对地表捡块的岩石电性标本测定（见表1）可知：石灰岩电阻率值变化范围为396～869 Ω·m，极化率值变化范围为0.3%～0.6%。黑色板岩的电阻率值变化范围为24.31～117 Ω·m，极化率值变化范围为5.3%～9.84%。 很明显黑色板岩与石灰岩在电性上有明显的差异；而对于寻找溶洞而言，因为溶洞都存在于石灰岩中，一般情况下石灰岩都是很致密的，以石灰岩电性值为背景场，当溶洞充水时呈现低阻异常，贫水的溶洞则呈现高阻异常。因此此次在该区开展电法勘查具备了必要的地球物理前提。

表1 岩（矿）石电性标本测定一览表Table 1 The electric test list of the rock (ore) stone

2 技术方法

工作中主要采用的方法为时间域激发激化法，装置形式为激电中梯、视电阻率测深、激电联剖法。激电中梯测量的参数为视电阻率及视极化率值，视电阻率测深法录取的参数为视电阻率值。 激电中梯和激电联剖法主要了解区内地质概况，并划分石灰岩分布区及其界限，圈定地质灾害危险区域。在危险区域靠近居民住宅附近用视电阻率测深法反映地下地电断面的形态，推断解释地下溶洞存在情况。同时还采用了声频大地测量作为辅助性方法，用以对激电测量结果推断解释的参考。

3 主要成果

3.1 划分石灰岩与黑色板岩分布区及接触界限

通过激电中梯的面积性工作确定了黄河水库南屯存在一个近北西向的板岩与石灰岩的接触带。其证据是西南侧的板岩分布区视极化率值一般大于3.0%，而视电阻率值一般为150～300 Ω·m。北东侧的石灰岩分布区视极化率值一般小于2.5%，视电阻率值一般都大于300 Ω·m（见图1）。两种不同岩性反映在激电异常上的区域背景场值差异性非常明显，且与地表岩石露头的岩性吻合。通过激电联剖测量工作可知，视极化率及视电阻率在石灰岩与黑色板岩的界触带附近均出现视极化率“反交点”及视电阻率“正交点”。激电联剖结果确切地反映了石灰岩与黑色板岩接触带的存在及大致位置（见图2）。这样就确定了接触带的北东侧为溶洞发育的石灰岩分布区，也是发生地质灾害的危险区。

图1 黄河水库南屯激电中梯剖面平面图Fig. 1 The plan of IP intermediate gradient prof ile in Huanghe reservoir Nantun

3.2 视电阻率测深反映地下溶洞的地电断面形态

视电阻率测深主要在地质灾害危险区针对居民住宅附近进行。现场已知的3 处塌陷点都出现在石灰岩一侧的接触带附近。在两种岩性的接触带的灰岩一侧，由于酸碱度的变化，引起碳酸氢钙溶于水，石灰岩中的钙被地下水溶解带走而形成空洞。因此，石灰岩分布区尤其在靠近接触带附近区域是出现塌陷的危险区域，所以在该区域进行了比较详细的视电阻率测深，并对异常作出相应的推断解释。

3.2.1 零号测线上的异常推断解释（见图3）

89.5 /0～92.5/0 点：视电阻率在断面图上呈“V”字形出现，ρS值以10 Ω·m 形成低阻半封闭圈，向下影响深度约17.0 m。声频大地电场法曲线呈低值区，△Vs=5.0 mV。推断异常由石灰岩空洞充填含水淤泥引起。

97.5 /0～98.5/0 点：视电阻率在断面图上呈“V”字形出现，ρS值以40 Ω·m 形成低阻半封闭圈，向下影响深度约10 m。声频大地电场出现低值，△Vs= 0.2 mV。推断异常由石灰岩中的空洞充填含水淤泥引起，地表建筑物已经发生变形和开裂。

3.2.2 二号测线上的异常推断解释（见图4）

56.5 /2～61/2 点：视电阻率值在断面图上以20 Ω·m 圈定呈倒梯形，影响深度约20 m。声频大地电场法呈低值反映，△Vs ≤0.5 mV。推测由石灰岩中的空洞塌陷引起。

64/2～68.5/2 点：视电阻率值在断面图上以20 Ω·m 圈定呈三角形，影响深度约12 m。声频大地呈低阻反映，△Vs ＜0.3 mV。推测由石灰岩中的空洞沉积含水淤泥引起。

71.5 /2～74.5/2 点：视电阻率值在断面图上以20 Ω·m 圈定呈口字形，影响深度约10 m。声频大地电场法呈低值，△Vs=1.0 mV。推测由石灰岩凹陷的沉积物引起。

82/2 点：视电阻率值在断面图上以20 Ω·m圈定呈条形，上下长约10 m，宽约3 m，影响深度约10 m。声频大地呈低值反映，△Vs=0.2 mV。推测由石灰岩中的裂隙引起。

85/2～88/2 点：视电阻率值在断面图上 以30 Ω·m 圈 定 呈“ 八” 字 形， 影 响 深度 约10 m。 声 频 大 地 在85.0 点 呈 低 值，△Vs=1.0 mV。推测由石灰岩中的溶洞充填含水淤泥引起。已经造成地表沉降、围墙开裂。

上述分析基本推断出了地下溶洞的存在，且与实际验证情况吻合。

图2 黄河水库南屯激电联剖剖面平面图Fig. 2 The plan of IP combined prof ile in Huanghe reservoir Nantun

图3 黄河水库南屯0线视电阻率测深断面图Fig. 3 apparent resistivity sounding section of No. 0 line in Huanghe reservoir Nantun

图4 黄河水库南屯2线视电阻率测深断面图Fig. 4 apparent resistivity sounding section of No.2 line in Huanghe reservoir Nantun

4 结束语

通过激电中梯和激电联剖测量发现并解释了在黄河水库南屯存在的板岩与石灰岩接触带的情况，有效划分出了地质灾害危险区域石灰岩的分布范围；通过激电测深测量也较好的反映了危险区地下溶洞的存在，确定溶洞的塌陷位置与地表已知塌陷点一致。这说明在黄河水库南屯居民住宅较密集区域进行常规直流电法勘查地下溶洞、划分板岩和石灰岩分布区、确定两种岩石接触带位置是有效的。这些成果对以后区内地质灾害评价及其它地质工作的开展具有一定的指导意义。对于石灰岩地区由溶洞导致地质灾害的评价过程中采用常规直流电法在我省尚属首次，今后这方面的工作还有待进一步深入研究探讨。

[1] 傅良魁,李金铭 .电法勘探教程[M].北京：地质出版社，1980.

[2]丁绪荣.金属物探简明教程[M].北京：地质出版社，1980.

[3]刘春华，李其光,等.水文地质与电测找水技术[M].黄河水利出版社，2008.