综合物探方法在栖霞中桥地区溶洞塌陷地质灾害调查中的应用

周治民

(山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264003)

1 调查区概况

调查区位于山东省烟台市栖霞中桥地区，区内地势平坦，地表高程40～55m。地表分布的河流为东西向白洋河和近南北向燕地河，调查区地下水资源丰富。该区第四系以褐红色腐植土、黏土、沙层为主，厚度5～30m，局部厚度达40m。第四系下伏新元古代蓬莱群香夼组灰岩，灰岩中裂隙发育、溶蚀现象明显，局部发育溶洞。测区北部第四系下伏地层为青山群八亩地组。调查区侵入岩主要为灰绿玢岩脉、石英二长斑岩脉、煌斑岩脉等。

2016年6月--2017年7月，调查区多次发生由岩溶溶洞诱发的地面塌陷，塌陷坑直径一般2～5m，分布面积约10km2。其中，2016年6月中旬，由于降雨量较大，中桥村内发生多处地面塌陷，最为严重一处塌陷导致一户房屋倒塌，周围多户民房裂开、倾斜。在进行地质灾害调查中，为查明地下岩溶溶洞及塌陷区分布情况，以中桥村为重点开展了综合物探勘查工作。

2 地球物理特征与物探方法选择

岩溶一般发育于灰岩地区，灰岩遭受强烈溶蚀作用形成岩溶溶洞。在地下水等地质作用营力下，上覆土层中的砂土沿岩溶通道被带走，导致地表发生塌陷。本区岩溶溶洞发育在新元古代蓬莱群香夼组灰岩中，大部分溶洞为全充填或半充填，充填物一般为可塑--硬塑状粉质黏土。根据实地测量结果，区内各类黏土的电阻率一般低于30～50Ω·m，青山群八亩地组的电阻率一般为50～500Ω·m，蓬莱群香夼组灰岩的电阻率一般在1000Ω·m以上。由于本区的溶洞发育在潜水面以下，溶洞内充填物一般饱和含水，因此，在电场上表现为低阻异常。根据本区实测资料，第四系黏土层的视电阻率(ρs)值一般小于30Ω·m，当地表为干燥路基层时，大于100Ω·m。厚层灰岩的视电阻率(ρs)值大于200Ω·m。当灰岩中存在岩溶溶洞时，电场上反应为低阻异常特征，视电阻率值(ρs)在20～70Ω·m。

溶洞内充填介质的纵波波速Vp在1500～2000m/s之间，介质为水时纵波波速Vp=1500m/s左右，如塌陷坑内介质为流塑状软土，则纵波波速Vp=1400～1600m/s。灰岩的纵波波速Vp在4000～6000m/s之间。含水的第四系土层，纵波波速Vp在1800～2000m/s之间，溶洞与围岩介质存在较明显的波速差异。

本次物探工作根据溶洞与围岩岩石的物性差异，选用高密度电法、瞬变电磁法、地震频率谐振勘探3种物探方法[1-3]，面上勘查以高密度电法为主，按照50～80m的网度布置测线；在高密度电法测量发现的异常区段，布置瞬变电磁法或地震频率谐振方法进行剖面测量，进一步圈定溶洞及塌陷区引起的异常，起到不同物探方法相互验证的作用。最后，对物探推断的溶洞及塌陷区进行了钻探验证[4-5]。

2.1 高密度电法测量

本次高密度电法测量[6-11]使用重庆奔腾数控研究所生产的WDA-1型高密度电法测量仪，采用斯贝装置与三极装置。由于斯贝装置采集的数据具有更高的分辨率，但是，斯贝装置获得似倒梯形的二维电性剖面，在剖面两端存在探测盲区。为了弥补剖面两端的探测盲区，采用单边三极装置，可以获得矩形地电断面。所以在资料解释时以斯贝装置剖面为主，单边三极装置获得矩形剖面为辅。

高密度电法测量剖面沿中桥村内及周边东西向布设，测线间距50～80m。同时沿南北向街道布设了少量剖面，共完成高密度电法测量剖面13条，电极距为5m，电极60根。

2.2 瞬变电磁法(TEM)

在高密度电法测量发现的异常地段进行瞬变电磁法测量(TEM)[12-16]，TEM测量使用加拿大生产的PROTEM47型仪器，采用偶极装置、发射线框匝数6m、边长2m，接收采用圆形线圈，测量点距10m。共施工TEM测量剖面6条。

2.3 地震频率谐振法

地震频率谐振方法[17-20]是北京派特森公司研发的地震勘探方法，采用主动源配合被动源地震方法及叠加技术，形成三分量地震频率谐振探测方法。在高密度电法发现的异常地段，施工地震频率谐振法测量短剖面6条。

3 物探资料解释

3.1 S-1试验剖面

首先通过中桥村东部的地表塌陷坑(TX1)，施工了高密度电法测量S-1试验剖面，受村内街道通行限制，测量剖面长60m，因剖面较短，探测深度较浅。高密度电法采用斯贝装置、电极距2m，电极30根。图1是高密度电法视电阻率剖面图，在剖面36～48点为低阻区，其中36～38点对应地表塌陷坑(TX1)，剖面上呈现带状低阻异常(蓝色区)。由于岩溶溶洞导致土层塌陷而延伸至地表，塌陷坑内充填含水黏土介质，出现低阻异常反应。剖面42～44点也出现有类似的带状低阻异常，推测地表下岩溶溶洞引发的第四系黏土(或砂土)层塌陷区。剖面36～48点之间的低阻异常区为岩溶溶洞导致土层塌陷区影响的范围，南北宽12m。

1—验证钻孔；2—推断溶洞与塌陷区图1 S-1高密度电法视电阻率剖面图

在43点施工的验证钻孔ZK-1，钻孔揭露第四系厚16.5m，以下为灰岩，25m以下灰岩岩溶发育，溶蚀现象明显；在35～50m之间，揭露了2层溶洞，溶洞高1.2～1.5m。

后期，地表塌陷坑(TX1)施工了地震试验剖面，与电法的S-1剖面重合。图2是S-1地震三分量频率谐振波阻抗比值剖面图。剖面浅部的黑色—黄色区为第四系砂土松散岩层；红色区为灰岩层，红色背景中的黄色区为灰岩上部的岩溶发育区。在-25m～-55m深度，在测线24～28、32～38、42～46点之间，在黑色背景区有灰白色低密度区，为岩溶、溶洞发育区。该剖面地震波速分层与钻孔ZK-1揭露的地层基本吻合。

图2 S-1地震三分量频率谐振拟波阻抗比值剖面图

3.2 物探L-1剖面

综合物探L-1剖面沿中桥村地表塌陷坑(TX1)西侧南北向街道布设，采用高密度电法斯贝装置、电极距5m，电极数60个，图3是L-1剖面高密度电法测量视电阻率拟断面图。剖面的210点对应地表塌坑位置(塌坑西20m)，剖面上有明显带状低阻异常(蓝色区)，推测由溶洞诱发黏土层塌陷引起，溶洞及塌坑充填介质为含水黏土，所以在物探剖面图上出现低阻异常。另外，L-1剖面130～150点为带状低阻异常，经现场调查，2015年该地段地面发生塌陷坑，已被当地村民用砂土填平。另外，在剖面-20m～-60m深度，在50～70点、90～110点、170～190点、230～240点，有明显“O”型低阻异常，推测下伏灰岩层中发育岩溶溶洞，位于地下水位以下，溶洞被水或黏土充填，引起“O”型低阻异常。

在L-1线210点施工的验证孔ZK-3，揭露第四系厚度12.5m，在-34.95m～-64.35m，揭露2层1～2m厚的溶洞，在施工过程中发生掉钻杆现象。

在高密度电法L-1剖面100～250点之间的异常区，施工了地震三分量频率谐振勘查，地震剖面长150m，道间距5m。图4是L-1地震剖面三分量频率谐振拟波阻抗比值剖面图，其中白色区域、灰色区域为相对疏松层(第四系黏土、砂土层)，红色区域为灰岩区。黑色背景的白色区域为灰岩岩溶发育区，在剖面40～65点、黑色异常区明显向下弯曲，与高密度电法140点的低阻异常位置吻合，对应地表塌陷坑的位置。在86～114点红色背景区，有白色—灰色异常区域为岩溶发育带，对应高密度电法低阻异常区，为灰岩中的岩溶及溶洞引起。地震勘探剖面能够比较详细地划分出岩溶溶洞及第四系松散层的分布范围。

1—验证钻孔；2—推断溶洞与塌陷区图3 L-1高密度电法测量视电阻率拟断面图

3.3 物探L-2剖面

物探L-2剖面沿中桥村东西向街道布设，先施工了高密度电法测量，在异常区施工了瞬变电磁法及地震勘探测量，图5是L-2剖面高密度电法与瞬变电磁法视电阻率剖面图。

L-2剖面100点对应中桥村已发生的地表塌陷坑，高密度电法剖面有明细的低阻异常反应。另外，在70～110、170、210点，高密度电法有“V”型、“O”型低阻异常反应，ρs值为35～50Ω·m。

瞬变电磁法剖面的浅部，视电阻率曲线变化比较平稳。在20m～-40m深度，为明显的低阻层，主要反应第四系含水层与灰岩上部的溶蚀层，与地震谐波勘探的松散层相对应。在-40m以下，视电阻率值向下逐渐增大，等值线密集，为高阻的灰岩层的反映。在L-2剖面的60～110点、160～170点、210点有低阻异常显示，与高密度电法低阻异常位置基本对应，推测为灰岩中岩溶及溶洞所引起。由于本区第四系含水层的低阻屏蔽作用，瞬变电磁法对于浅部岩溶及溶洞反应不明显。

在L-2电法剖面异常区38～120点施工了地震勘探,图6是L-2地震三分量频率谐振拟波阻抗比值图。该剖面上部(0～25m)黑色—灰白色区域为相对疏松层。剖面中—深部(25～60m)的红色区域为灰岩分布区，黄色区域为灰岩溶蚀区，在红色背景区的灰色色区为岩溶和溶洞发育区。

图4 L-1地震三分量频率谐振拟波阻抗比值剖面图

1—验证钻孔；2—推断溶洞与塌陷区图5 L-2高密度电法与瞬变电磁法视电阻率剖面图

对应地震剖面浅部(0～25m)38～50点、70～84点，灰色背景区中出现的黑色异常区，推测为第四系砂土层的塌陷区，由于塌陷黏土层松动而松散，波速变小而引起。在剖面深部(25～60m)38～40点、72～82点，在红色背景区出现灰白色异常区，为灰岩中发育的岩溶溶洞，岩溶溶洞充填物为流塑状软土，纵波波速Vp=1400～1600m/s，引起较明显低波速异常。

图6 L-2地震三分量频率谐振拟波阻抗比值图

为验证上述推断结果，在L-2线100点(地震测线40点)施工了验证孔ZK4。钻孔揭露第四系厚度24.25m，以下为灰岩,灰岩岩溶发育，在41～45m之间，揭露溶洞2层，溶洞高1.5～2m。

3.4 物探L-10剖面

物探L-10剖面布置在中桥村南部，先施工了高密度电法测量、在异常区200～500点又施工了瞬变电磁法测量，图7是L-10视电阻率剖面图。在高密度电法剖面240～260点、290～310点、340～360点、380～400点、430～450点之间有明显“O”型低阻异常，视电阻率值35～50Ω·m，根据物性资料和异常分布，推测该地段第四系下伏的灰岩中岩溶溶洞发育。

1—验证钻孔；2—推断溶洞与塌陷区图7 L-10视电阻率剖面图

从图7瞬变电磁法测量(TEM)剖面分析，浅部视电阻率曲线比较平稳，反映浅部第四系及基岩风化层的变化较小。在-40m以下，视电阻率向下逐渐增大，等值线密集，为深部高阻的灰岩层的反映。在TEM测量剖面310～400点，为明显的低阻异常区，与高密度电法低阻区基本对应，推测上述异常区为岩溶溶洞分布区。从剖面可以看出，瞬变电磁探测深度较大，对深部规模较小的低阻异常体也有较高的分辨率。

为验证上述推断结果，在L-10剖面395点施工验证孔GK-2，钻孔揭露第四系厚25.2m，以下为灰岩；在27.5～32.2m见3层溶洞，溶洞充填物为黏土，55.6～60m为块状灰岩(图8)。

图8 L-10剖面GK-2钻孔岩心照片

4 结论

本次岩溶溶洞及塌陷区的探测采用高密度电阻率法、瞬变电磁法和地震频率谐振法三种物探方法进行综合物探勘探与解释，取得了比较理想的勘探效果。根据高密度电法剖面上“V”“O”型低阻异常特征及分布规律，结合其他物探方法进行综合解释与钻探验证，快速、高效的圈出了岩溶溶洞及塌陷区的分布范围及空间分布形态。钻探验证结论与推断结果基本一致，验证情况佐证效果好，可信度高。由于浅部低阻屏蔽，瞬变电磁法对于浅部岩溶溶洞的反应不明显，对中深部岩溶裂隙构造、溶洞反应比较明显。地震频率谐振勘探方法可以较详细划分岩溶溶洞及第四系塌陷区空间分布形态。