运用激电中梯测量探测覆盖型岩溶发育程度

李小华，王来龙，高启凤

(1. 华北地质勘查局综合普查大队,河北 三河 065201；2.中国地质灾害防治工程行业协会,北京 100081)

运用激电中梯测量探测覆盖型岩溶发育程度

李小华1，王来龙2，高启凤1

(1. 华北地质勘查局综合普查大队,河北 三河 065201；2.中国地质灾害防治工程行业协会,北京 100081)

运用激电中梯测量方法，进行岩溶塌陷地质灾害调查，研究了覆盖型岩溶的发育程度。首先研究了不同地层岩性的视电阻率和视极化率特征，得出了岩溶裂隙发育的主要地球物理特征；再根据研究区的激电中梯测量成果，划分了4个异常区；结合地质构造条件，推断解释认为Ⅰ区和Ⅲ区中的局部高阻区为岩溶裂隙发育区；最后通过布设电阻率垂向测深剖面，进行推断反演，并利用钻孔进行验证，发现了1.6 m深溶洞。研究成果表明，激电中梯测量方法在探测覆盖型岩溶的发育程度方面，取得了较好的效果。

覆盖型岩溶；激电中梯测量；视电阻率；异常

图1 研究区基岩地质构造纲要图

0 引言

岩溶塌陷是我国岩溶区主要地质灾害,岩溶塌陷不仅损坏地表生态、恶化水文地质环境，还影响着各种资源的开发和利用、阻碍经济建设和可持续发展[1]。岩溶塌陷在时间上具有突发性，在空间上具有隐蔽性，而且岩溶塌陷危害性强，因此地质工作者利用各种技术平台监测和预防岩溶塌陷[2-4]。随着物探技术的不断发展，激电中梯测量技术被引用到考古、地质灾害、环境地质等方面[5]。运用激电中梯测量技术对研究区的岩溶发育程度进行探测并通过布设电阻率垂向测深剖面，进行推断反演以及钻探验证等，获得了较好的研究成果。

1 研究区概况

研究区隶属于河北省三河市，南近102国道，京秦高速从研究区穿过，交通极为便利。三河市地处燕山南麓丘陵区与河北平原[6]的过渡地带。总地势北高南低，自北向南倾斜，平均海拔高程5.9～31.9 m。属暖温带大陆性季风气候，形成降雨比较集中的季节，一般6～9月份，降雨量占85%以上。研究区土地资源及地下岩溶水资源丰富，具有良好的农业经营基础。区内工业主要以化肥、建材、造纸、机械、印刷和食品加工为主。

1.1 地质特征

研究区域出露为第四纪地层，下伏基岩主要为古生界寒武系、奥陶系碳酸盐岩[7]。区域内基岩埋深及分布见图1。区域位于中朝准地台(Ⅰ)华北断拗(Ⅱ)冀中台陷(Ⅲ)的次级构造单元大兴断凸(Ⅳ)。附近断裂有通州南苑断裂、大洛泡断裂、礼贤断裂、夏垫断裂、大兴断裂。

(1)地层岩性地层较简单，主要为古生界奥陶系和寒武系灰岩，其次为古生界石炭系和二叠系页岩(见图1)。(2)地质构造，穿过研究区的断裂构造主要有南苑断裂、大洛泡断裂、燕郊断裂。(3)研究区位于潮白河、鲍邱河冲积平原水文地质区[8]，主要含水层为新生界第四系松散岩类孔隙含水层和深层古生界奥陶系碳酸盐岩含水层。第四系冲洪积松散岩类孔隙含水层主要接受大气降水入渗和灌溉回归补给，消耗于人工开采、侧向径流排出，2014年末地下水埋深约22.00 m。深层奥陶系碳酸盐岩岩溶裂隙含水层在皮各庄、高庙和齐心庄形成三个基岩浅埋区，岩溶发育强度明显高于深埋地段，形成三个强富水地段。

2 地球物理特征

根据钻孔岩芯进行了物性参数测量，电性特征见表1，奥陶系灰岩整体电阻率最大，二叠系砂岩、页岩次之，石炭系砂岩、页岩更小，而以粘土为成分的第四系电阻率最低。所以在工作区岩性的电阻率特征为灰岩>页岩>第四系。

表1 地层岩性电性特征简表

岩溶裂隙的主要地球物理特征为：

(1) 岩溶裂隙完全为松散物和水填充，表现为强烈低阻特征。(2)岩溶裂隙不存在填充物，完全为空洞时，表现为高阻特性。(3)岩溶和裂隙为部分填充，上部为空洞，下部为松散填充，上部表现为高阻，下部表现为低阻，构成高阻与低阻断续的串珠状组合异常。

3 激电中梯测量方法

3.1 工作原理

激发极化法是以地壳中不同岩、矿石的激电效应差异为物质基础，通过观测与研究人工建立的直流(时间域)或交流(频率域)激电场的分布规律进行解决地质问题的一组电法勘探分支方法。激电中梯测量是激发极化法的一种装置[9]。它是通过人工场源向地下供电，在供电电流不变的情况下，地表两个测量电极间的电位差随时间增大，在一段时间后达到某一饱和值，断电后，测量电极之间仍然存在一个随时间减小的电位差，并在相当长时间后其电位差衰减区域零[10]。根据不同时段的二次场，获得视电阻率和是极化率等参数，探测地下岩溶裂隙发育程度。

3.2 仪器检测

采用加拿大凤凰公司的V8电法工作站作为发射系统，北京地质仪器厂的DWJ-3B微机激电仪作为接收系统。各台仪器在相同条件下往返观测，取均方相对误差最小的一台仪器为“标准”，分别计算各台仪器与“标准”仪器的均方相对误差。这个误差如大于设计总精度的2/3，应对该仪器调试，使其达到上述要求或不使用。

采用一致性试验采集参数一次电位的对比曲线如图2，仪器试验结果见表2。设计总精度为7%，各台仪器的均方相对误差都未超过设计总精度的2/3，其投入生产的所有接收机均符合设计要求。

图2 激电接收机一致性试验对比曲线

表2 激电接收机一致性试验统计表

3.3 极距选择

在开展激电中梯测量之前，进行了供电极距试验。试验过程结合第四系覆盖厚度情况，考虑实际场地条件，在供电极距的中部，以能够拾取有效信号为前提尽可能加大供电极距以获得深部信息。为提高工作成果可靠性，采用的供电极距AB=1260 m，测量极距MN=80 m，有效观测范围中间840 m，最大旁侧距离200 m。具体布置见图3。

图3 激电中梯测量观测示意图

3.4 测量要求

每天观测前，供电站操作员进行以下操作：发电机试车，观察其空载和有负载时的运转情况；检查仪器、装备和通讯工具的基本性能；检查各线路连接是否正确；检查导线是否漏电；粗略测量供电回路电阻，在确定电路接通和人员离开电极后进行试供电，选择合适的供电电压并调节平衡负载；核对各电极所在的点线号。

测量电极的接地电阻小于15 kΩ，电极坑内不得留有砾石和杂物；地表干燥时，提前向坑内浇水；测量电极避免埋设在流水、污水里或废石、沙堆上；尽量减小两电极间的温差；在测量过程中，电极附近不得有人为扰动，严禁在接收机附近用对讲机通话；当实际接地点无法埋设电极而需移动接地点位时，在测地误差容许范围内可以自由移动；当需要移动较大距离时，可将两个测量电极垂直于测线作同方向、同距离移动，因此造成K值的改变在±4%内时，可不改算K值。

4 成果解释

4.1 特征描述及推断

激电中梯面积性测量显示：视电阻率高值主要集中在研究区西南部及东部地区，主体呈面状展布，高低阻区分明显。视电阻率低值主要在工作区西北部和中部，低值区较连续，面积较大。依据视电阻率值可将本区划分为4个大区:Ⅰ号高阻区、Ⅱ号高阻区、Ⅲ号高阻区、低阻区(图4)。

图4 激电中梯测量视电阻率等值线平面划分图

(1) Ⅰ号异常区

Ⅰ号区分布于工作区西部，位于高楼-东山西村-皮各庄-高庙之间，高阻带主轴走向为北东向，呈面状，面积约15 km2，视电阻率值约在50～135 Ω·m 之间。该区除孤山有小面积灰岩出露外，灰岩顶部被第四系盖层覆盖，覆盖厚度在200 m以内。根据工区地质资料皮各庄-高庙一带为皮各庄古潜山，第四系覆盖厚度较小。根据视电阻率等值线平面图推断Ⅰ区的高阻特性为古潜山的反映。

Ⅰ区又分为Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5高阻区，面积约占整个Ⅰ区的1/5，视电阻率值约在>80 Ω·m之间，高阻异常区覆盖厚度更浅，一般在120 m以内，因此岩溶更容易发育。

(2) Ⅱ号异常区

Ⅱ号区分布于工作区东部，位于立家庄-大康庄之间，高阻带呈面状，面积约6 km2，视电阻率值约在40～110 Ω·m之间。

根据调查区地质资料，齐心庄一带为齐心庄古潜山，第四系覆盖厚度较小。根据视电阻率等值线平面图推断Ⅱ区的高阻特性为古潜山的反映。其Ⅱ区为齐心庄古潜山的边缘，其第四系覆盖厚度也较小，但对比整体视电阻值Ⅱ区小于Ⅰ区，说明第四系覆盖厚度Ⅱ区大于Ⅰ区，基岩埋深Ⅱ区大于Ⅰ区。

(3) Ⅲ号异常区

Ⅲ号异常区，位于五福庄一带，呈面状分布，面积约2 km2。视电阻率值约在40～87 Ω·m之间。根据资料显示，该区第四系覆盖厚度较浅，约70～80 m左右，但由于基岩岩性为石炭-二叠系地层，岩溶不发育。

(4) 低阻异常区

低阻异常工作区北西部、北部、中部大面积分布，视电阻率值一般在20～40 Ω·m之间，岩溶弱发育。北西部低阻区位于前车坊村-皮各庄-五福庄之间，第四系覆盖厚度160～350 m。北部低阻区反映石炭-二叠系岩性特征。中部低阻区位于韩家庄-小高楼一带，第四系覆盖厚度较大，达300～450 m。

4.2 岩性分界及断裂构造推断

根据地球物理特征可知，奥陶系灰岩电阻率最大，二叠系地层次之，石炭系地层最低。根据视电阻率平面等值线可大致划分出岩性界线，其界线位于高低阻梯度带上，分界线以北、以东为石炭系和二叠系地层，分界线以南、以西为奥陶系灰岩地层。五福庄一带的高阻区，是由于第四系覆盖厚度小，基岩埋深浅引起；奥陶系灰岩区中前车坊村和高楼-大康庄一带的低阻区，是由于第四系覆盖厚度大，基岩埋深大引起。

研究区内存在多条北东向的断裂构造，由于部分地区第四系覆盖厚度大，并不能单独依靠视电阻值准确的推断出每条断裂的赋存情况。Ⅰ区内的大洛泡断裂和Ⅲ区内的断裂存在于高阻区内，位于视电阻率梯度带上。

4.3 岩溶发育推断

根据地质资料，岩溶发育程度随埋藏深度的减小而增大，在皮各庄-高庙、齐心庄为基岩浅埋区的强富水地段，其岩溶发育强度明显高于深埋地段。盖层为第四系地层的地段，岩溶发育强度比石炭、二叠系埋藏地段的要强，因为第四系地层沉积前基岩侵蚀基准面愈低，岩溶发育的深度及强大随之也愈大。在断层附近地段，岩层破碎，岩溶裂隙发育较强，其发育深度也较大，而远离断层的地段，岩溶裂隙发育较弱，其发育深度较小。

Ⅰ区和Ⅲ区岩性为奥陶系灰岩，并且都存在断裂构造，所以Ⅰ区和Ⅲ区的灰岩浅埋区更有利于岩溶、裂隙发育。其中Ⅰ区和Ⅲ区中的局部高阻区推断为岩溶裂隙发育区，应作为重点研究区域。

5 异常验证

2线剖面布置于Ⅲ号高阻区，根据视电阻率等值线拟断面图，测线两端视电阻率显现出不同形态，小号点方向(北西段)明显低于大号点方向(南东段)，测线整体呈现出北西低南东高的电性特征。最大视电阻率值位于大号点方向1720点AB/2为600 m处，其值为169 Ω·m；最小视电阻率值位于小号点方向580点AB/2为360 m处，其值为27 Ω·m。

结合地质资料分析反演电阻率等值线断面图，可大致推测出基岩起伏情况和岩性分界线位置。测线整体基岩起伏变化较大，呈现北西低南东高的特性，北西段基岩埋深在200 m以下，南东段基岩埋深在160 m左右，在测线的1540点为基岩浅埋区，埋深为80 m左右。由于奥陶系灰岩电阻率要高于石炭系地层电阻率，所以可大致划分岩性分界线，小号点方向(北西段)呈现低阻特性为石炭系地层，大号点方向(南东段)呈现高阻特性为奥陶系灰岩地区。在测线940～1840点为基岩浅埋区，起伏较大，并且此处存在断裂，断裂的存在为岩溶发育提供有利条件。

图5 视电阻率垂向测深断面综合图

经1750点位置钻孔验证，在深度197 m存在高1.6 m的溶洞。综合分析，在灰岩起伏较大的坡面部位和基岩浅埋区是岩溶裂隙发育的有利地段。所以推测940～1840点间的灰岩为岩溶裂隙发育区。

6 结论

通过激电中梯视电阻率测量成果，视电阻率高值主要集中在工作区西南部及东部地区，主体呈面状展布，高低阻区分明显。视电阻率低值主要在工作区西北部和中部，低值区较连续，面积较大。依据视电阻率值特征可将本区划分为3处异常区，即皮各庄-高庙异常区Ⅰ、五福庄异常区Ⅱ、齐心庄异常区Ⅲ。其中齐心庄、皮各庄-高庙异常区盖层为第四系覆盖，岩溶发育，而五福庄异常区盖层为石炭-二叠系砂岩、页岩、炭质泥岩，岩溶不发育。调查区南部和西北部，电阻率较低，反映基岩覆盖厚度较大。通过高阻异常区Ⅲ的钻探验证，覆盖厚度146.8 m，溶孔及裂隙发育，于196.6～198.2 m见溶洞，岩溶强烈发育区。

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Using the induced polarization intermediate gradien survey to investigate covered karst’s development degree

LI Xiao-hua1, WANG Lai-long2, GAO Qi-feng1

(1.ExplorationUnitofNorth-ChinaGeologicalExplorationBureau,Sanhe，065201,China; 2.ChinaAssociationofGeologicalHazardPrevention,Beijing, 100081,China)

In the paper, we used induced polarization intermediate gradien survey method to investigate karst collapse geological disaster and covered karst’s development degree in the area. Firstly, in order to summarize the main geophysical characteristics of the karst fracture we studied the different formation lithology of apparent resistivity and apparent chargeability characteristics. Secondly, according to the research results of induced polarization intermediate gradien survey, the area was divided into four anomaly area. Then we make investigation risk assessment of the karst collapse in the area, according to the result. And the most important is making the classification and evaluation of karst collapse. Combined with geological structure conditions, we deduced part high resistance areas both inⅠandⅢwere karst fracture development zone. Finally, we discovered a 1.6 meters’ deep karst-cave in the area, by setting the resistivity vertical sounding profiles and inferring inversion. Then drilling verification shows that there really is a karst-cave. Good results have been achieved by the induced polarization intermediate gradien survey method in detecting of the karst’s development degree. The results for economic development and location of the project to provide basic data, which will provide the scientific basis for prevention of ground subsidence of geological disasters, in order to achieve the purpose of disaster prevention and mitigation.

covered karst; induced polarization intermediate gradien survey; apparent resistivity; abnormity

2017-03-09

三河市地方财政基金项目(YCZB201502-587)

李小华(1983-)，男，江西九江人，硕士，地质工程师，华北地质勘查局综合普查大队地质环境院总工，研究方向：灾害地质、环境地质等。E-mail:115775909@qq.com

P631.32

A

1672-7169(2017)02-0055-06