江西会昌周田镇地面塌陷灾害CSAMT法勘查实例分析

(江西省地质矿产勘查开发局九二地质大队,江西新余338000)

江西会昌周田镇地面塌陷灾害CSAMT法勘查实例分析

张焱孙

介绍了江西会昌县周田镇地面塌陷灾害物探CSAMT法勘查技术、资料分析、勘查成果及验证情况。对了解塌陷区盖层有效厚度、塌落现状、塌陷区后续具体治理方案及决策有十分重要的意义，对在类似地电条件下地质灾害物探勘查方法的选择、资料解释等具一定的借鉴意义。

地面塌陷；CSAMT法；有效厚度；冒落带；江西会昌

0 引 言

2010年12月23日中午，江西省会昌县周田镇新圩村新丰小组附近农田出现喷水，水头高出地面达2～3 m，并夹带废石喷出，涌砂，发展成地面塌陷；随后，附近民房出现弧形或放射状裂缝，并伴随局部地面下沉，最终形成面积约3 000 m2、深4～5 m的地面塌陷坑，形成圆形水塘。

塌陷区属丘岗地貌，地形高差20 m左右，矿区内及周边居民点人口较密集。初步判断认为矿层顶板偏薄、岩层软弱、强度低，地面塌陷与矿层顶板不利等工程地质条件与溶腔变形塌落直接有关。据开采情况与地面裂缝综合情况，初步评估潜在塌陷面积(勘查范围)约1.7 km2(图1)(江西省地质矿产勘查开发局九二地质大队，2011)。

因此，迫切需要及时查明地下采空区溶腔规模、位置及其与塌陷的关系，为后续治理方案与地方政府决策提供科学依据。

1 地质概况与岩(矿)石电性特征

1.1 地质概况

新圩村地处武夷山环状构造及瑞金—寻乌深大断裂交会部位之周田断陷红层盆地内；矿区地层仅出露白垩系上统周田群红色碎屑岩层；地层总体走向南北，北部向北西折转，倾向南西；南部向南西折转，倾向北西，倾角20°～30°，向深部倾角逐渐变缓，形成一个北西向半收敛的向斜构造。

周田群是矿区含盐地层，可分为3个组，9个段。岩相自下而上为紫红色砾岩、砂岩、粉砂岩，过渡到灰绿色泥岩、盐岩，又从盐岩、灰绿色泥岩过渡到粉砂岩、砂岩，最后变为砾岩，形成一个完整的沉积旋回。厚度约2 660余m。

石盐层的直接顶底板均为泥砾岩。含盐泥砾岩松软，呈灰色，角砾状结构，块状构造，具成层性；石盐层顶板泥砾岩厚度变化很大，矿层东北部最厚可达100多m(ZKl2)，矿层西南部薄，仅1 m多(ZKl0)，自东北向西南逐渐变薄。

图1 塌陷区概况及勘查部署平面图

1.2 岩(矿)石电性特征

参考江西红色盆地碎屑岩电阻率实测统计：红层(碎屑岩)电阻一般在20～100 Ω·m范围，高低取决于颗粒的粒径及其中砂砾的含量，常见值约20～30 Ω·m；卤水电阻率极低，常见约为n×10-1～nΩ·m，岩盐电阻率与之相当。

目标与围岩导电性有5～10倍的差异，具备应用电阻率区分盖层与盐岩或卤水的前提。

1.3 可行性分析

因注水溶盐采卤，盐溶解后，理论上会形成一个具一定压力的卤水溶腔，形态如图2。其上部分岩、土层在周围张力小于自身重力的情况下就会坍塌下去，一旦此现象发生，坍塌会导致上部的连锁反应，陆续坍塌直至地面，最终达到新的应力稳定为止。该区盖层岩性松软，遇水不断剥落，尤其是当溶腔压力水与其他区域具动力联系时，其塌落更易发生。

图2 溶盐采卤溶腔示意图

溶腔显然不是空腔，并不是所有溶腔都一定会发生塌陷，也不是抽取多少体积的盐卤就会塌落多少体积的土层。其塌落的发生及塌陷的规模除盖层岩性强度之外，主要取决于溶腔水平方向的大小，水平面积越大，其顶载力就越弱，塌陷就越容易发生。因此，溶腔形态规模的划定可转为其上部盖层厚度分布的划定，亦即盖层底界或溶腔顶界。是否形成一定规模的溶腔，可依据已有钻孔当时的见盐标高对比现时盖层有效厚度底界标高进行分析评价。由此，根据电阻率量值的大小并参考已知孔的盐层深度资料，综合推断上覆盖层有效厚度(亦可认为属未扰动原岩层)趋势是可行的，因地层电阻率过低，底板则难以识别，但并不影响分辨盐层(卤水溶腔)顶板厚度及平面分布特征。

考虑到目标层深达500.0 m以上，又处居民集中区，电磁干扰相对较大，选择CSAMT法(可控源音频大地电磁法)开展工作。

2 方法技术

(1) 方法：采用CSAMT法测深，赤道偶极排列标量测量方式。(2) 工作布置：共布置11条测线(图1)，线距100.0 m，点距20.0～40.0 m，测线方位278°～98°。(3) 测量定位：测线(测点)采用RTK-GPS进行实时差分放样定位，采集各测点实测坐标值。(4) 主要技术参数：为尽可能避免“过渡场”影响，保证“远区”数据采集，偶极源方向与测线平行，收发距最小16.5 km，最大17.5 km；观测区与场源中点最大偏角为9.9°；测量频率范围：l～9 600 Hz。每测点扫频观测42个频率，采集磁道与电道信号,磁道一般埋设于排列中部,每个频点采集时间不小于1min。磁、电道比≥1/3。

3 异常分析

3.1 分析思路

推断界限按未扰动原岩(有效厚度盖层)、冒落带、盐矿层(溶与未溶)这几个界面来划分。认为有效盖层厚度(属基本未扰动原岩)岩性层位结构相对完整，地(电性)层基本未扰动，其导电性特征应与红层基本一致，依据红层标志性电阻率值而划定。冒落带则可以理解为裂隙发育、岩石破碎段，显然此段地(电性)层电阻率值较未经扰动原岩要低，从钻孔对比来看，此带对应断面视电阻率在2～6 Ω·m区间；含盐岩层电阻率现低，一般小于2 Ω·m，并对其下伏地(电性)层形成屏蔽，故此，在断面上未推断盐岩层位底界，盐岩层位底界可依据原勘探钻孔确定。

本着已知到未知的原则，先解释已知盐井较多的测线，得出目标相关异常特征，再由此类推断其他各测线。考虑到110线有多个已知采卤井分布：C312孔位于3200号、C302(C303)位于3360号、C101位于3600号、C103位于3700号测点附近，各井成井时见盐层标高分别为-184.0，-154.9，-90.0 m,故选择以110线卡尼亚视电阻率异常反演断面图为例进行分析。

3.2 110线卡尼亚视电阻率断面异常特征与分析

110线断面异常等值线(图3a)主体呈西深、东浅的层状趋势，这种趋势与研究区含盐层上覆盖层厚度分布(钻孔)情况基本一致。横向上，大致以C312井为界，西段标高-160.0 m以浅，东段档高30 m以浅地层电阻率多在30 Ω·m左右，表明沿剖面盖层厚度变化的非均匀性，这种突变性往往预示着在此部位存在一断裂F2；纵向上，依据采卤井结果，对比断面图异常形态与量值特征，断面上部电阻率平均约20 Ω·m,下部区域为1～2 Ω·m；过渡区带呈波状起伏。上部地层电阻率主要反映未扰动原岩厚度沿剖面的变化情况，下部低阻区域则为含盐(卤)层的反映，上、下部以较明显的梯级带形式过渡，高、低阻过渡区带呈波状起伏，认为属冒落带范围，此带岩石结构松散、裂隙发育区(带)，裂隙充填物及裂隙处饱水(含盐)状态，导电性较上部岩石为好，呈较低电阻率显示。冒落带结构强度低，如其下无一定顶托力，在外力诱发下，此带物质可随时塌落。

图3 110、107线卡尼亚视电阻率断面异常及地质解译断面图A层-盖层未经扰动原岩，具一定结构强度层；B层-因裂隙发育、地下水力造成岩石破碎、松散、结构强度较低的盖层部分；C层-含盐(溶或未溶)岩层

从图3可以看到：顶板标高线东段均在当时成井时见盐标高线之上、目前盖层有效厚度(未扰动原岩)较薄处C303、C302、C101、C103孔附近，形成一向上突出的三角形区域，平均宽度60.0～100.0 m，有效厚度层底限标高一般在-30 m左右，厚度约170 m；西段盖层厚度一般在350.0 m以上，与当时见盐标高相差不大。

其他各断面异常大同小异(图3b)，可同理分析类推。各断面均呈较明显的二层地电断面结构，上部ρk≈30 Ω·m，为结构完整、未经扰动的红层岩性导电性反映，局部达100 Ω·m的相对高异常呈不规则形态分布于浅表部，主要为浅表存在的局部不均匀地质体反映；下部电阻率一般小于3 Ω·m，属含盐层或盐卤反映，已采盐矿层多为卤水(或水溶物)充填；3～4 Ω·m范围组成的过渡带(区)认为属岩石结构松散、基本无结构强度的裂隙发育带(区)，过渡区带的起伏状态主要反映了冒落带(裂隙发育、岩石破碎、结构松散)沿剖面的分布现状。

3.3 异常平面特征与分析

为了解塌陷在平面的影响范围，对各测线解释结果绘制平面图，图4为有效厚度盖层底板等深度图，较好地反映了地灾区勘查工作时盖层有效厚度在平面上的宏观变化趋势。

图4 有效盖层底板等高线平面图

(1) 盖层厚度总体呈东薄西厚、北薄南厚，与研究区地层、矿层倾向基本一致。

(2) 102、103、104线东延部分盖层较厚，一般都在标高-250.0 m以深，其结果与此区域ZK2及东部ZK31孔钻探结果(未见盐)基本一致。

(3) C310—C306一线东北，原钻孔见矿标高一般在-80 m左右，盖层厚度在280 m左右，现时盖层有效厚度下限标高一般在40 m左右，反映盖层有效厚度在160 m左右；C310—C306一线东南C307、C301、C303、C305区域及现陷坑至ZK4孔一线附近，原钻孔见矿深度一般在400.0～500.0 m，断面反映现盖层有效厚度一般在150 m左右。盖层有效厚度相对偏小的区域(图上以红色调表示)在平面上呈弯月状分布，平均宽度在150 m左右，范围约1 km2。ZK26—C311—ZK1孔一线以东，盖层有效厚度相对较大，一般在350.0 m以上(图上以蓝色基调表示)。

(4) ZK4孔与ZK2孔之间标高等值线以较密集梯级带形式出现，反映盖层厚度有变突，其中ZK2孔未见盐，推断在此部位存在北东向断裂(F1)。

(5) 自3240/110—3160/109—3240/108—3360/107—3360/106一线存在盖层有效厚度急剧变化带，此带北东盖层厚度明显比南西部薄，存在突变迹象；2011年评价验证孔ZK4、ZK5孔均出现裂隙发育；在106—110线各断面图上，此带北东侧低阻异常明显上突，盖层有效厚度变小，认为沿此线具存在北西向断裂(F2)迹象。

4 验证情况对比分析

勘查区共施工了6个验证孔，一是为验证物探成果，二是为地灾评估提供依据。验证情况与物探推断结果基本吻合，以下对其中110线、107线ZK2、ZK4和ZK5这3个孔钻遇情况进行分析对比。

(1) ZK2孔。位于3720/107号桩号附近，该处物探推断盖层有效厚度为220 m左右。钻孔揭示：190.0 m以浅仅在22.9～75.0 m区间存在裂隙发育段，其余均属裂隙不发育段，岩石相对完整，具一定的结构强度，属未扰动原岩类；190.0～267.5 m区间岩芯呈碎块，裂隙发育，在256.0 m以深见及局部空洞，此段应属冒落带或软弱层，结构强度低；190.0 m以浅地层岩性相对完整，具一定结构强度；256.0 m以深岩性相对破碎，结构强度低，与物探推断结果基本吻合。

(2) ZK4孔。位于3400/110号桩号附近，物探推断此处存在“伞”型溶腔，盖层有效厚度110 m左右。从钻孔钻遇情况分析：239.0 m以浅为灰绿、灰—深灰色泥岩，岩芯呈碎块，局部裂隙发育。可细分为：在102.0 m以浅存在37.7～41.0，46.5～51.0，64.6～74.0，84.0～102.0 m共4段总厚35.3 m的紫红色泥质粉砂岩夹层；64.5～79.0，156.0～165.0，210.0～224.0 m均存在岩石破碎、岩芯呈碎屑状，结构松散的描述，其中192.0～210.0 m局部有大小不一的深蚀现象，至424.0 m见含盐层，其中仅部分段存在岩石坚硬、裂隙不发育。从上述钻遇情况描述可知，102.0 m以浅因存在数层具一定厚度的紫红色粉砂岩层而显一定结构强度，102.0 m以深则以岩石破碎、岩芯呈碎屑、结构松散特征为主，反映在此深度以下地层岩性结构强度低，与物探推断的有效厚度是一致的。

(3) ZK5孔。位于3400/107号桩号附近，物探推断此处有效厚度为100.0 m左右。钻孔揭示：8.0～265.3 m为灰-深灰色泥岩，岩芯呈碎块状，裂隙较发育。其中27.8～32.0，41.0～43.0，55.5～56.5，62.9～64.0，77.0～90.5,221.5～232.0 m为紫红色粉砂岩夹层；42.0～43.0，58.0～69.0，124.3～143.0，146.7～148.3，153.4～159.6，185.0～205.0，259.0～265.3 m描述为岩石破碎、结构松散。在100.0 m以浅岩石破碎、结构松散之夹层只存在2段总厚度12.0 m的夹层，其余发育于100.0 m以深。钻遇现象反映在100.0 m以浅，以结构松散、岩石破碎为主，与物探推断盖层有效厚度在100.0 m左右相一致，反映此区域盖层100.0 m以内具一定的强度结构，100.0 m以浅地层岩性结构强度低。

5 结 论

(1) 从物探推断盖层厚度与钻孔揭示的地层岩性对比情况分析，说明物探成果较好地反映了勘查区岩石完整，具一定结构强度的岩性层及岩石破碎，松散、结构强度较低的岩性层的分布状况与宏观变化趋势。说明应用CSAMT法对了解塌陷的盖层及发育现状具较好的效果。

(2) 在类似地电条件下，地面塌陷等地质灾害应用CSAMT(或AMT)法调查，可以较准确地确定塌陷位置及现状、有效盖层厚度，以取得较好的勘查效果，对地面塌陷灾害的治理方案制定及地方政府决策可及时提供科学依据。

(3) 认真分析目标任务与物探异常之间的关系，论证所选方法完成目标任务的可行性，是做好物探工作的首要任务。勘探目标与背景存在的可能物性差异，并对其相关关系进行定性分析，把握好勘探目标任务与物探异常之间的转换。考虑勘探目标与背景物性参数特征、干扰程度、目标深度等因素选择有效的物探方法技术是关键。结合已知资料对物探资料解释至关重要，应以定性解释为主，定量解释为辅。

底青云,王若.2008.可控源音频大地电磁数据正反演及方法应用[M].北京：科学出版社.

汤井田,何继善.2005.可控源音频大地电磁法及其应用[M].长沙：中南大学出版社.

Analysis of CSAMT investigation on surface collapse in Zhoutian Town in Jiangxi

ZHANGYan-sun

(No. 902 Geological Party of Jiangxi Bureau of Geology and Minerals Exploration and Development, Xinyu 338000, Jiangxi, China)

The author introduced CSAMT exploration method, data analysis, exploration results and testifications about the surface collapse in Zhoutian Town of Huichang County in Jiangxi Province, the study was helpful to the understanding of the effective thickness of the cover layer in the collapsed area, collapsed situation, the further treatment plan and policy decision for the collapsed area as well as for the method selection and data explanations for similar geological disasters.

Surface collapse; CSAMT method; Effective thickness; Caving zone; Huichang, Jiangxi

10.3969/j.issn.1674-3636.2014.04.682

2014-06-16；编辑：陆李萍

江西省国土资源厅项目“江西省会昌县周田镇地面塌陷地质灾害调查”

张焱孙(1963— )，男，高级工程师，主要从事物探勘查与技术质量管理工作,E-mail: 902zhy@163.com

P631;TP392

：A

：1674-3636(2014)04-0682-05