综合物探方法在武汉市毛坦港塌陷勘查中的应用

熊志涛，赵德君，文美霞，杨 涛，彭进生，韩德村，彭 慧

(湖北省地质环境总站，湖北武汉 430034)

综合物探方法在武汉市毛坦港塌陷勘查中的应用

熊志涛，赵德君，文美霞，杨 涛，彭进生，韩德村，彭 慧

(湖北省地质环境总站，湖北武汉 430034)

以武汉市毛坦港岩溶塌陷区物探勘查为实例，介绍并总结高密度电法、地质雷达、EH4法、井—地超高密度电法等综合物探方法的应用效果。在对多种物探方法进行综合分析研究的基础上，归纳提出不同勘查阶段物探方法组合意见。与钻探资料对比结果表明，本次地陷物探勘查成果取得较好的地质效果。

岩溶地面塌陷;综合物探方法;地质调查

0 引言

武汉市长江两岸滨江沉积区属岩溶地面塌陷多发区，严重影响了区内社会经济发展和市民生活秩序。而在城区开展岩溶勘查，由于建筑密集、施工条件复杂、经费有限等原因，要详细查明岩溶空间发育情况，仅靠钻探方法难以达到理想效果，物探技术虽具有较好的适用性且施工快捷。但单一物探方法，受多解性影响，制约了应用效果［1］。采用综合物探手段，互相印证、互相补充，可明显地提高物探资料解释的精准度，取得良好的地质效果。

1 塌陷区地质、地球物理特征概述

1.1 塌陷概况

该岩溶塌陷位于武汉市洪山区青菱乡毛坦港小学北东约50 m处的村级公路上。陷坑平面形态呈似圆形，南北方向长 16.5m，东西向长 17.0 m，深约 1.0 m～1.50 m，呈碟形锅状特征。陷坑边缘发育有弧形裂缝，裂缝宽 0.05 ～0.20 m。陷坑面积 250 m2，其影响范围约400 m2。

1.2 地质结构

毛坦港塌陷区周边地质条件较复杂，为覆盖型岩溶区和埋藏型岩溶区交接处。覆盖层为第四系全新统冲积层(Qal

4)，岩性为黏土、粉质黏土及粉细砂，厚度为21.0～25.0 m。局部地段下伏基岩为厚度不均的白垩系公安寨组(K2E1g)紫灰色、棕红色含砾砂岩、砂砾岩，夹砾岩透镜体。三叠系下统大冶组碳酸盐岩(T1d)部分直接隐伏于第四系全新统粉细砂层之下，顶面埋深24.0～25.0 m，岩性为灰岩、生物碎屑灰岩，灰色，生物碎屑结构和块状构造。

1.3 地下水特征

上部松散岩类孔隙承压水含水层岩性以粉细砂为主，厚度 1.80 ～3.60 m，顶板埋深 21.0 m 左右，平水期地下水位标高在18.29～19.23 m;下伏岩溶裂隙水含水层岩性主要为灰岩，顶板埋深24.0～25.0 m。岩溶裂隙水与上部孔隙承压水之间无隔水层存在，主要通过岩溶裂隙、溶洞等连通，两者水力联系密切。

1.4 物性特征

测区土层和基岩电性参数见表1。分析认为，区内不同介质间存在较明显的电性差异:第四系覆盖层以低阻特征为主，受土石比或人工建筑砌块影响会出现高阻变异;白垩系碎屑岩亦为低阻体;而完整的灰岩地层电阻率较高;当其中存在溶洞时，表现出明显的低阻变异。这为该区进行岩溶塌陷物探勘查提供了良好条件。

表1 区内主要岩性电性参数表Table 1 Parameter list of lithology and electrical property

2 物探工作布置及异常成果解释

2.1 工作布置

本次任务是运用综合物探方法与钻探验证相结合，基本查明岩溶地质特征。物探剖面布置于陷坑及其周边隐伏灰岩分布区:其中高密度电法、地质雷达、EH4法测线布置于毛坦港小学，以NE30°方向穿越塌陷区。高密度电法及地质雷达测线长度为400 m;EH4法测线长度为1 000 m。井—地超高密度电法勘测主要布设于ZK04号孔，测线方向为SE35°方向(图1)。

2.2 物探异常解释

2.2.1 高密度电法

高密度电法分别投入了温纳装置(α1排列)和施伦贝吉装置(α2排列)，其成果资料见图2、图3。

由图2可知，在水平120 m处出现直立柱状高阻异常，其两侧存在明显的低阻异常，推测水平120 m处为断块上升区，两侧为下降区，推测断层为F7(110 m)、F8(150 m)。其左侧，以水平60～90 m处出现一“悬胆”状低阻圈闭异常，清晰地显示了塌陷区土层扰动—回填洞穴的形态特征，下部溶洞开口向上，上部土体在水力及表层荷载作用下产生塌陷;右侧水平140～160 m、200～210 m、240～250 m、280～290 m 处存在低阻凹陷，指示了基岩中岩溶较发育和第四系土层中的扰动现象;水平310～325 m、355～370 m存在浅部低阻异常，主要为第四系土层扰动所致。依据局部低阻凹陷圈定了五处岩溶发育带、七处土层扰动及两处断层带(图4)。

2.2.2 地质雷达

地质雷达探测资料见图5，它主要反映了第四系覆盖土层的地质特征。

图1 毛坦港塌陷区工作布置图Fig.1 Work layout of karst collapse area

该图显示，在剖面水平里程80～120 m段，深度0～2.5 m的同相轴明显出现错断，推测该段为塌陷区，曾经出现过塌陷或沉降;同时深度3.0 m附近的同相轴在水平里程159～166 m段出现错断，推测该段为断层错动引起。剖面水平里程80～120 m、130～160 m、200～220 m、240 ～280 m 段中，深度8.5～9.5 m的同相轴明显出现扭曲、错断，推测该段为土层扰动区，易产生塌陷或沉降现象。

图2 GM1－GM1＇线(α1排列)高密度电法反演断面图Fig.2 Inversion section of GM1-GM1'(α1)by high resistivity method

图3 GM1－GM1'线(α2排列)高密度电法反演断面图Fig.3 Inversion section of GM1-GM1'(α2)by high resistivity method

图4 GM1－GM1'线推测地质断面图Fig.4 Geological section of GM1-GM1'

图5 D1－D1＇剖面地质雷达解译断面图Fig.5 Interpretation sectional drawing of geological radar about D1－D1＇

2.2.3 EH4 法

EH4法属于电磁波勘探方法，其二维剖面反演结果见图6。由图可见，测线圈定多处低阻异常，不同的赋存深度对应反映了不同岩性层位的水文地质构造特征:表层(深度0～25 m)在水平距离150～260 m、360～380 m、470～510 m、670～700 m 所出现的低阻异常显然系第四系土层所存在扰动现象引起，深度在5～20 m之间;中层(深度25～100 m)在水平距离50～80、180～280 m、550～580 m之间存在低阻异常体，推测为岩溶发育区，富水性一般，多充填土体;深层(深度100～200 m)在水平距离120～140 m、450～500 m、590～610 m之间存在低阻异常体，推测为该岩层富水性较好。

2.2.4 井—地超高密度电法

井—地超高密度电法以井—地布极模式进行观测、解析而有别于传统地面高密度电法。CK14井地剖面勘测成果资料如图7所示:该电阻率断面图中基本以－25 m左右为土层和岩层的分界线(图中白线);在测线0～30号点的－25 m处有一个低阻异常区，推测为土层扰动引起。在0～18号点的－40～－45 m之间存在明显低阻区，推测为岩溶发育引起。

图6 EH4法测线反演结果图Fig.6 Inversion results of EH4 survey line

图7 CK14井地剖面真电阻率图Fig.7 True resistivity of profile of CK14 borehole-ground

3 方法有效性的分析讨论

3.1 单方法效果讨论

3.1.1 高密度电阻率法［2］

本次选择了两种测深剖面装置，即温纳装置(α1排列，即等电极间隔的对称四极测深)和施伦贝吉装置(α2排列，即固定MN间距的不等比对称四极测深)。经反演后，它们均生成测深拟断面图，能表达测线的二维电性变化特征，是供推断解释用的重要参数图件。本次半定量解释时以单点测深反演为主，然后组合成二维剖面。

总结认为，高密度电法主要反映浅层—中层电性特征，对于土层和基岩及其岩溶发育状况可做出较精确的刻画，特别是可推断出岩层的高程变化情况，进而推断断层分布特征。

对比发现，α2排列(施伦贝吉装置)的拟断面图异常细节较清晰，反演地质—构造异常的能力(分辨率)优于α1排列。

3.1.2 地质雷达

本次勘查收到了较好地地质效果，特别对第四系土层中扰动土体的圈定，进一步显示了地质雷达方法的‘精细’勘查能力［3］。

总结认为，地质雷达主要反映浅层第四系土层变化情况，对于土层的扰动情况可做出较精准的判断，可信性较高;不足之处在于受土层介质传播能量耗散影响，其探测深度较为有限，当第四系覆盖层较厚时，往往无法判定下伏灰岩的地质构造特征。

3.1.3 EH4 法

在地表至－200 m的深度断面上获得了丰富的地质—构造信息，圈定了不同深度层次的异常带，为扰动土体和基岩岩溶的推断解释贡献了有效信息。

总结认为，EH4法探测深度较大，无论是土层扰动还是基岩岩溶发育状况均可作出区分反映，由于能提供丰富的地质信息，具有较高的分辨率。

3.1.4 井—地超高密度电法

本次采用的是井—地方式，圈定了两处不同赋存深度的低阻异常，推断分别系扰动土体和基岩岩溶引起，初步展现了其勘探效果［4］。总结认为，其结果能反映测井周边一定距离岩溶发育状况，若进行井井勘测效果可能更佳。

3.2 不同方法效果的对比分析

本次工作共布置4个验证孔，其中ZK01主要验证EH4法勘测，CK14主要验证井—地超高密度电法勘测，ZK02和CK13验证综合物探成果(表2)。

由表2可知，当采用单方法时，由于各种影响因素的存在，不同物探方法间推断结果有时存在较大误差，且各自存在相应的局限性。当采用多种物探方法时，通过各种方法之间的综合分析，相互验证，提高了物探解译的精度，最终与钻探成果对比，吻合性更为接近。

3.3 物探勘查方法的优化组合

基于上述分析，可以建立不同勘查阶段物探方法的优化组合，以实现相应的勘查目的:

3.3.1 区域调查阶段

首先投入EH4法测线，查明不良岩土体重点发育地区的基本地质构造条件，然后在重点区段布置数量有限的高密度电法剖面进行解译验证，用不多的工作量完成区域性的岩土体稳定性评价［5］。

3.3.2 普查阶段

可布置适量的高密度电法和地质雷达剖面，以探测土体扰动和基岩岩溶状况，最后选取重点地段进行钻孔验证，较有效地控制物探推断成果的准确性，基本查明土体扰动特征和基岩岩溶分布规律［6］。

3.3.3 详查阶段

可布置相当数量的高密度电法和地质雷达剖面，同时在已有钻孔内实施井—井或井—地超高密度电法勘测，以达到相对精细勘探的目的，为塌陷灾害的勘查治理提供地球物理资料和依据。

表2 钻探与物探结果的对比Table 2 Contrast table of drilling and geophysical prospecting

4 结论

(1)岩溶塌陷勘查具有时间紧迫，精度要求高，验证性强等特点。为此，应根据不同地质条件和地质任务，合理地优化物探方法组合，用多种地学参量获得丰富的地学信息，通过综合解释提高物探成果的精准程度。毛坦港地陷勘查实践表明，高密度电法、地质雷达、EH4等物探方法能够胜任勘查要求，取得了良好的地质效果。

(2)物探工作应充分利用前人的成果和经验，特别是要以地质先验信息为指导，保证定性解释的可靠性，注重提高解释推断的定量化程度，指导工程实际。

［1］ 王哲，曹英武.高密度电法在公路路基下伏岩溶勘察中的应用［J］.国土资源导刊，2008(4):75 －78.

［2］ 李桂龙.高密度电法在岩溶地质勘察中的应用［J］.中国西部科技2011(15):17－24.

［3］ 熊究良.物探技术在地质灾害中的应用和发展研究［J］.广东科技，2011(18):211－212.

［4］ 刘宝利.综合物探方法在地质灾害调查中的应用［J］.中国地质灾害与防治学报，1991，2(增刊):68 －73.

［5］ 赵成斌，刘保金，姬继法，李长法，袁宏克.综合物探方法在地质灾害调查中的应用研究［J］.物探与化探，2001，25(6):464 －468.

［6］ 蒋发生.综合物探方法在岩溶塌陷地质灾害勘察中的应用［J］.湖南水利水电，2010(3):36－39.

(责任编辑:陈文宝)

The Application of Comprehensive Geophysical Prospecting in Karst Collapse Investigation，Wuhan City

XIONG Zhitao1，2，ZHAO Dejun1，WEN Meixia1，YANG Tao1，PENG Jinsheng1，HAN Decun1，PENG Hui1

(1.Hubei Geological Environment Station，Wuhan，Hubei430034;2.School of Environment Studies ，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei430074)

Taking the case of geophysical survey，the paper summarizes the application effect of integrated geophysical methods including high density resistivity method，geological radar and Eh4 method.On the basis of a comprehensive analysis of various geophysical methods，the paper proposes combinations opinions of geophysical method in different exploration phase.Contrasting with the drilling data the results indicate that this subsidence geophysical exploration results achieved better geological effects.

karst collapse;comprehensive geophysical prospecting;geological survey

P631;P642.26

B

1671－1211(2014)02－0188－05

2013－05－08;改回日期:2013－07－17

熊志涛 (1981－)，男，工程师，硕士，水工环专业，从事岩溶塌陷勘查工作。E－mail:xiongzhitao@126.com