湖南省岳家桥典型岩溶发育区电性特征及构造格架研究

曹创华， 徐定芳， 康方平， 文武飞， 尹欧， 邓专

(湖南省地质调查院, 长沙 410116)

0 引言

随着我国经济的高速发展，各类地下工程施工加剧、地下空间资源利用及人文活动增加，导致了各地的岩溶塌陷、地面沉降频频发生[1-2]。湖南省作为我国西南岩溶发育重点区域，特别是张家界、吉首、娄底、邵阳、永州和郴州大部分区域碳酸盐岩层分布广泛[3-4]。岳家桥地区属于新化—娄底岩溶塌陷区带[5]，是湖南省地质灾害突发严重并较为典型的区域之一。

本文将在研究区地质调查工作基础上[5-7]，借鉴前人在岩溶等地质灾害区域的物探方法技术应用经验[8-11]，利用长剖面高密度电法勘探，配合适当的长剖面视电阻率联合剖面法进行相关技术方法研究。

1 研究区地质概况

岳家桥地处益阳市赫山区、宁乡市、桃江县三区(县)交界处，行政区划属益阳市赫山区岳家桥镇管辖，交通较为便利。地形总体上南高北低,处于湘中丘陵与洞庭湖冲积平原的过渡地带，并以丘陵谷地地貌为主。区域构造位于湘东北断隆带西北部，洞庭湖凹陷南缘的过渡带，株洲—永州大断裂的北部(图1)。其基底由加里东及吕梁构造层组成，中部主要由印支构造层组成，中部以褶曲为主，边缘以断裂为主，轴向近EW向，核部在煤炭坝向斜附近，主要由二叠系组成，边缘分布有次级褶皱，北翼部分地层产状较陡，倾角40°～50°，局部达到60°，南翼较缓，倾角25°～30°[12-14]。

研究区大部分被第四系覆盖，出露地层较少，主要有白垩系、二叠系等(图1)。

(1)第四系白沙井组(Qpb)。根据以往工作成果及本次地质调查资料，区内第四系厚度1～32 m，且深部存在砂砾土、砾石土层。

(2)白垩系车江组(K2c)。分布于研究区东南部至东北部。上部为紫红色、暗紫色中层至块状钙质细砂岩、粉砂岩、砂砾岩、泥岩； 下部为灰砾岩，岩溶发育。区域最大厚度大于714.6 m。据已有野外调查资料[5]显示，岩层倾向NE，倾角一般在10°～20°。

(3)二叠系茅口组(P2m)。分布于研究区南部附近，绝大部分被第四系覆盖，露头极少(图1中因比例尺较小未标注)。已有地质钻探工作成果揭示： 上部为灰至深灰色微晶—细晶厚层状灰岩、含泥质灰岩，局部夹硅质岩及白云质灰岩，含条带状或结核状硅质层及燧石结核，裂隙溶洞发育； 中部以灰—灰白色微晶—细晶厚层状灰岩及含泥质生物灰岩为主，局部夹白云质灰岩，偶含硅质岩及燧石结核； 下部以灰—灰白色隐晶—细晶厚层状灰岩及泥质灰岩为主，夹硅质岩并含硅质结核。区域总厚度约300 m。

1.第四系； 2.白垩系； 3.中泥盆统至下三叠统； 4.震旦系至下志留统； 5.板溪群； 6.中粒斑状二长花岗岩； 7.中粒斑状黑云母二长花岗岩； 8.喷发岩脉； 9.背斜轴线； 10.向斜轴线； 11.扭性断裂； 12.推断断裂； 13.角度不整合； 14.河流； 15.地市； 16.县级市； 17.乡镇； 18.研究区

图1湖南省益阳市岳家桥地区区域地质简图[6]

Fig.1GeologicalmapofYuejiaqiaoareainYiyangCityofHunanProvince[6]

2 研究区电性特征

2.1 区域地球物理特征

研究区域内以往地球物理工作较为丰富，湖南省1∶20万区域重力资料显示调查区位于麻阳—常德—湘潭—衡阳弧形重力高值区的东部和南西边缘，布格重力异常值为-50×10-5～-20×10-5m/s2，该弧形重力高值区等值线主要反映了变质结晶基底隆起及莫霍面的抬升[13-14]。研究区位于NW向的航磁递变带的东北部，该带与区域上的常德—安仁NW向构造-岩浆带有关。

2.2 地层岩石地球物理特征

参考长株潭区域以往资料[14-15]，按照常见岩石电阻率平均值进行统计对比分析(图2)，其结果是灰质砾岩、砂岩、变质砂板岩和灰岩、白云岩的电阻率较高，均大于其他岩石的3倍。岳家桥地层有茅口组灰岩类、白垩系粉质泥砂岩和第四系黏土，第四系黏土电阻率普遍小于100 Ω·m，白垩系粉质泥砂岩在200 Ω·m左右，灰岩电阻率在2 590 Ω·m左右，裂隙在106～341 Ω·m之间。区域内的岩石电阻率普遍不高，探测的主要构造和产生的岩石裂隙与围岩都有约一个数量级的电阻率差异，这是以电法为物探工作手段进行探测应满足的前提条件。

图2 湖南省长株潭地区常见岩性视电阻率测试结果[14]

3 方法技术及异常特征

3.1 方法原理及测线布设

高密度电法是以电性差异为物性基础的电法勘探，测量其剖面下部横向和垂向的电性变化特征。探测的数据量较大，探测精度较高[16]。联合剖面法是2个三极测量，其对低阻较为敏感，视电阻率曲线对异常带(特别是具有低电阻率特征的构造带)的分辨较为准确。

为了研究岳家桥岩溶区的电性结构特征，设计了呈近似“井”字型的高密度电法测线和联合剖面法剖面(图3)。其中高密度电法布设了5条测线，分别为G1、G2、G3、G4和G5，采集数据时采用连续滚动跑极方法，即每次共用30个电极(这样一方面保证了采集数据的接地电阻，另一方面保证了电极连续滚动时所测视电阻率的一致性)。联合剖面法采用OA(或OB)为100 m的极距，无穷远极在采集数据时每1 000 m对无穷远极进行了移动，移动后对连接的测量段重复测量了5个数据，然后求其平均值作为测量数据。联合剖面共布设了3条，分别为L2、L4和L6，其中点距为20 m，测量极距(MN)为80 m，OA极距为100 m，无穷远极实际距离为651 m。

1.二叠系茅口组； 2.白垩系车江组； 3.第四系白沙井组； 4.全新统； 5.地层界线； 6.水系； 7.高密度电法剖面； 8.视电阻率联合剖面法剖面； 9.视电阻率联合剖面法无穷远点； 10.三维建模区域

图3研究区地质及物探测线布设

Fig.3Geologicalandphysicalsurveylinelayoutofthestudyarea

3.2 数据处理及典型剖面异常特征分析

3.2.1 数据处理

首先对采集的野外数据进行传输整理，其次对连续滚动的重复数据进行平均合并,使得数据成为反演软件标准格式，最后利用目前最为成熟的最小二乘方法进行最优化反演(Resinv2D)并成图。

联合剖面法数据处理的具体步骤为： ①对野外采集的数据进行整理编辑，按照点线号排序，对连接点的重复测量数据进行平均求值，剔除视电阻率数值“飞点”; ②对地形起伏较大的地方进行地形校正，排除因地形等因素引起的假的异常“交点”，对每个交点的特征进行初步判别，划分出有意义的“正交点”“反交点”; ③将处理好的数据成图，结合地质资料综合研究，利用曲线的切点极值、最值分析异常体顶板的埋深和规模，利用不同OA极距来分析计算异常的产状，利用平行的剖面对比判别异常的走向等。

3.2.2 典型剖面异常特征分析

以G2线的处理结果来说明本次高密度电阻率法和联合剖面法成果。选取2种方法重合的部位，其中G2线高密度测点起始点为G2-0点，末端点为G2-2 700点，视电阻率联合剖面起始点为600点，末端点为2 500点。按照本文处理方法，对2种方法野外采集的原始数据进行处理，其结果见图4。

(a) G2线长剖面视电阻率联合剖面探测曲线

实线表示B为无穷远时所测视电阻率(ρsA)，虚线表示A为无穷远时所测视电阻率(ρsB)，2种线的交点在1 900号测点左右； 图4(b)中，反演电阻率分层分段较为明显，1 500号测点之前电阻率较高，大部分在1 500 Ω·m之上，1 500—2 100测点之间电阻率较低，大部分在200 Ω·m以下，2 100—2 400号测点之间的电阻率在750 Ω·m左右，测点2 400后的电阻率又变小，其电阻率在350 Ω·m左右； 图4(c)为根据图4(a)和(b)结果综合解释的地质剖面图，第四系厚度较浅，普遍在15 m以内，而白垩系地层的厚度为20 m左右，深部基岩为二叠系茅口组灰岩； 特别注意到的是虽然高密度电法反演剖面较好地展示了不同地层在剖面垂向上的分布，但在测点1 500—2 100之间仅仅通过高密度电阻率法难以确定构造的精确位置，而通过视电阻率联合剖面法可以探测出构造的倾向等产状信息。

4 构造格架

4.1 电性构造格架

区内的高密度勘探线为G1—G5线，其剖面成果(图5)显示，整体上电阻率范围在1～4 000 Ω·m之间; 测试结果说明此典型岩溶发育区深部都存在灰岩类岩石; 浅层多为低阻区，浅部电阻率一般都小于500 Ω·m，说明大多为黏土、泥质等岩类。区内为覆盖型岩溶发育区，部分测线段具有溶槽性质，证实存在岩溶发育带。

(a) G1线长剖面高密度电法探测反演剖面

(b) G2线长剖面高密度电法探测反演剖面

(c) G3线长剖面高密度电法探测反演剖面

(d) G4线长剖面高密度电法探测反演剖面

(e) G5线长剖面高密度电法探测反演剖面

4.2 地层构造构架

利用高密度电法资料并结合钻探结果校准第四系及基岩深度进行地层格架建模预测。研究区近几年的地质调查工作已完成了一定量的水文孔和工程孔，在充分搜集岩心编录资料统计出第四系的深度和平面坐标基础上，结合高密度电法数据处理结果，绘制了区内的第四系厚度图(图6)。

图6 高密度电法所得研究区第四系厚度

4.3 地质灾害评价

区内第四系厚度分布极不均匀: 西南和东北部较深，第四系最深可达70 m； 中部呈哑铃状分布，其中哑铃状的第四系核部在圳边上村； 核部的西南方向第四系较薄，厚度10 ～20 m，核部的东北部较深，第四系厚度在25～50 m之间(图6)。目前塌陷岩溶区都与区内的构造关系密切，结合钻探数据进行三维建模，其地层结构构架如图7所示。

发现的断层分别以F1、F2和 F3命名，是区内的主干断裂，其走向以NE向为主，基本呈平行分布，大体呈45°； 每两条断裂平距为300～500 m，向东北部显有收敛趋势。F1位于岳家桥大泉至曾家屋场一带，长约2.5 km，宽数米； F2倾向SE或近直立，破碎带宽度较宽(以G2线为例，破碎溶蚀带宽约300 m)，溶蚀现象严重，地面沉降明显; F3位于研究区中西部桐子山—厚门冲—鸾凤山，走向呈NE向，近于直立或以高倾角倾向SW，长约4 km，断裂带宽一般几米，呈压扭逆断层的特征。

1.第四系； 2.白垩系车江组； 3.二叠系茅口组灰岩； 4.推断断裂； 5.高密度电法长剖面； 6.推断岩溶发育灾害区； 7.村部

图7推断研究区地层三维构造格架

Fig.7Estimatedthree-dimensionalstructureofthestratainthestudyarea

根据原国土资源部和湖南省地质灾害评价指标[17-18]，叠加各种因素综合分析，研究区有三级铁路和县级公路通过，目前存在建筑物变形、地面裂缝等“病态”现象，属于地质灾害危害等级二级，地质灾害发育中等。

5 结论

通过本次地质调查研究工作，对区内的工作认识如下：

(1)研究区近似“井”字型电法勘探成果分析表明，典型岩溶发育区地面沉降塌陷主要受NE向的3条隐伏断裂控制，塌陷沉降区域基本沿3条断裂两侧呈带状分布，异常带长约8 km，宽约0.8 km，断裂可为塌陷区域和区内河流的通道。

(2)以本研究区域的G2线长剖面为例，采用联合剖面法，用异常的“正交点”对剖面进行分析，是一种简单、快速而有效的构造定位方法。

(3)岳家桥镇典型岩溶发育区的电法勘探说明，高密度电阻率法和联合剖面法在探测地下岩溶和评价地质灾害中是一种有效的地球物理方法。