综合地球物理方法在岩溶地面塌陷地质灾害调查中的应用研究

陈建龙，汤洪志，杜春龙 ，肖小松，游 陈

（1.东华理工大学地球物理与测控技术学院，江西南昌330013；2.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙410083；3.湖南省煤田地质局，湖南株洲412000)

1 工区地质概况

工作区位于湖南省新化县北西的炉观镇和游家镇境内，主要包括新化县炉观镇荷叶村1～6 组和游家镇龙潭村，区内居民相对集中，人口密度较大。

工作区内出露地层由新至老依次为：第四系(Q)、石炭系中上统壶天群(C2+3Ht)、石炭系下统梓门桥组(C1z)、测水组（C1c）、石磴子组(C1s)。现分述如下：

（1）第四系（Q）：黄、红色粘土、亚粘土、砂砾石夹碎石。

（2）壶天群（C2+3Ht）：灰褐色浅灰—灰白色或肉红色厚—巨厚层状的灰岩、白云质灰岩。

（3）梓门桥组（C1z）：灰—深灰色灰岩，灰黑色泥质岩，中厚层状，具隐晶质及细晶质结构。

（4）测水组（C1c）：为区内含煤岩系，按含煤性及标志层等，划分上、下两段。

1 上段（C1c2）：浅色岩性，灰—灰白、紫红色、杂色之泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、石英砂岩。

2 下段（C1c1）：砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩及石英砂岩和煤。

（5）石磴子组（C1s）：黑灰色泥质灰岩，上部岩石含大批方解石脉的泥质灰岩。中下部常夹黑色钙质泥岩，有时二者呈互层呈现。

2 地球物理特征

根据本次物探工作成果及以往物探工作成果统计数据，工作区各地层地球物理特征见表1。

一般来说岩溶发育区：根据岩溶充填情况不同，其视电阻率、弹性波速一般值亦存在一定的差别，未充填空洞一般表现为相对高阻、低速，其视电阻率ρs一般值为300～500Ω·m，弹性波速Vp一般值为0.33～0.4km/s；半充填溶洞视电阻率ρs一般值为150～200Ω·m，弹性波速Vp一般值为0.5～0.6km/s；全充填溶洞根据其充填物不同有一定的差别，但总体表现为低阻、低速，视电阻率ρs一般值为80～120Ω·m，弹性波速Vp一般值为0.6～0.8km/s。

综合以上各地层的地球物理特征统计数据可知，由于岩溶发育区一般在灰岩地层中，因此岩溶与石炭系中上统壶天群（C2+3Ht）、下石炭统梓门桥组（C1z）、石磴子组（C1s）基岩之间存在明显的物性差异，且本区地层较为简单，因此利用高密度电阻率法、地震映像法对岩溶裂隙发育区进行识别。资料处理解释时，结合已知地质资料对物探资料进行比照分析，去除假的异常信息，以达到物探工作目标。

表1 测区地层地球物理特征

3 工作方法原理

3.1 高密度电阻率法

高密度电法是基于常规电阻率法基础上优化而来，故其原理与常规电阻率法原理大抵类似，依然是以地壳岩石的导电性差异为基础，通过研究人工建立的稳定电流场的分布规律以达到解决地质问题的一种电探方法[1-2]。该方法具有电距小、数据采集密度大的特点，反演的断面图可以直观、形象地反映出断面电性异常体的形态、规模、产状、埋藏深度等。联合地质勘查结果，能够较为精确地推断出地质体的空间状态、地层岩性、断裂等信息[3]。

由于高密度电法异常特征明显，对于解决岩溶位置及发育情况能得到清晰、直观的二维效果。

3.2 地震映像法

地震映像法又称地震共偏移距法，是对反射波法中的最佳偏移距技术开展而来的一种常用的浅层地震探测方法。其原理为地震波在地下介质传播时，遇到物性分界面或物性剧变处将会产生反射或绕射现状，溶洞发育区或破碎区与周围介质有着明显的物性差异，这为应用地震映像法对岩溶进行探查提供了很好的物探条件。经过对所收到的地震波的振幅、频率、相位的比照剖析，可查明勘探区域内岩溶裂隙发育散布情况[4]。

4 野外资料采集、处理与解释方法

本次高密度电阻率法工作所采用的仪器为深圳市赛盈技术有限公司生产的GD-10 高密度电法观测系统，选择采集参数为72～120 极，电极距为7～7.5m，采用温纳装置(α装置)采集16层，共布设3条测线。

高密度电阻率法的资料处理步骤为：首先将GD-10 型仪器采集的原始数据输入计算机，启动整理软件HXLDFDATA 进行检查、去非值、干扰值、地形校正，转换为文本格式存储；再运用绘图软件surfer 进行绘图。

资料解释的方法：对比各断面的等值线拟断面图，对异常进行归类，同时将物探工作成果与已有地质调查及钻探资料进行充分的比照分析，以获取地电对比参数及AB/2与实际探测深度的比值，以获得定量解释的对比资料成果，以提高定量解释的精度。

本次地震映像法施工使用的地震仪器为SE2404EI型综合工程检测仪，系统及采集参数为：1道60Hz 纵波检波器接收、2m 道距、6m 偏移距、0.2～0.5ms 采样率，采样长度2048 个样点，重锤激发，共布设测线11条。

地震映像法资料处理，采用的处理软件为CSP5.1，其主要处理流程为：炮时校正→道数据编辑→置道头→二维滤波→振幅平衡→切除→滤波→剖面绘制。

地震映像法解译办法是利用波组比照跟踪原则，在某些有显著反射同相轴的区域标定反射波，利用数据处理中提取的速度或某些已知深度位置的校正速度进行时—深转换，然后参考少量钻井资料和地质填图资料进行校正、修正，并绘制解释剖面图。在无稳定反射界面地区的解释方法是分析局部反射波的特征，分析反射波的振幅、频率和相位变化，确定地质特征，绘制解释剖面图[5]。

5 解释成果及其分析

因测线多达十几条篇幅有限，仅举出ZK1 号钻孔所在G2测线成果解释与D1测线成果解释。

G2：测线上73～81m段，平面投影长度约8m，异常发育标高179～168m，埋深17～29m左右为岩溶裂隙发育区，发育形态不规则；测线上127～134m 段，平面投影长度约7m，异常发育标高186～179m，埋深18～26m左右为岩溶裂隙发育区，发育形态不规则；测线上359～404m 段，平面投影长度约45m，为断层；测线上429～433m 段，平面投影长度约4m，异常发育标高216～208m，埋深3～11m左右为岩溶裂隙发育区，发育形态不规则；测线上428～454m 段，平面投影长度约26m，异常发育标高206～177m，埋深12～42m 左右为岩溶裂隙发育区，发育形态不规则；测线上458～478m段，平面投影长度约20m，异常发育标高205～193m，埋深13～25m左右为岩溶裂隙发育区，发育形态不规则；测线上509～518m 段，平面投影长度约9m，异常发育标高206～198m，埋深12.8～20.5m 左右为岩溶裂隙发育区，发育形态不规则；测线上607～616m 段，平面投影长度约9m，异常发育标高205～170m，埋深29～64.5m 左右为岩溶裂隙发育区，发育形态不规则；测线上737～745m 段，平面投影长度约8m，异常发育标高233～225m，埋深13～20.3m 左右为岩溶裂隙发育区；发育形态不规则。

D1：测线上0.6～13m 段，平面投影长度约12.4m，异常发育标高171～162m，埋深15.5～25m左右为岩溶裂隙发育区，发育形态不规则；测线上45～60m 段，平面投影长度约15m，异常发育标高169～157m，埋深16～28m 左右为岩溶裂隙发育区，发育形态不规则；测线上99～116m 段，平面投影长度约17m，异常发育标高164～154m，埋深21～31m 左右为岩溶裂隙发育区，发育形态不规则；测线上161～178m段，平面投影长度约17m，异常发育标高168～152m，埋深13～29.5m 左右为岩溶裂隙发育区，发育形态不规则。

在G1 测线与D1 测线交点处存在异常体，通过对两种方法在该交点处不良地质体圈定的位置信息对比分析，判断两种方法在圈定地下异常体成果的一致性。图1为G1与D1测线部分物探平面图。

图1 G1与D1测线部分物探平面图

其中该异常体在G1 测线上圈定的位置信息为测线上782～799m 段，平面投影长度约17m，异常发育标高162～147m，埋深18.5～35m 左右为岩溶裂隙发育区，发育形态不规则。在D1测线上圈定的位置信息为测线上161～178m 段，平面投影长度约17m，异常发育标高168～152m，埋深13～29.5m左右为岩溶裂隙发育区，发育形态不规则。其中两者方法考虑到各种影响因素下圈定的异常体的发育标高及埋深基本一致。有效验证了两种方法的结果具有较好的一致性。

为了验证高密度电阻率法及地震映像法勘探成果对物探异常进行钻孔验证。在本区分别在G2、G1线上布设 ZK1、ZK2 两个钻孔，孔深均为 40m。ZK1 孔在4.3～10.6m、11～12m 、12.4～18m、22.45～26.6m 处见岩溶裂隙发育区，岩芯破碎不成块，岩石夹中有少量泥质充填物，与G2测线物探解释成果较吻合。ZK2孔在6.4～8m、8.6～12m、15～18m、21.4～28m、37.5～39m 处为岩溶裂隙发育区，岩芯破碎，有少量泥质充填物；与G1测线物探解释成果较吻合。

图2 为D1 测线地震时间剖面图及物探地质断面。图3为G2测线等视电阻率图及物探地质断面。

图2 D1测线地震时间剖面图及物探地质断面图

6 结语

本文通过高密度电阻率法为主，地震映像法为辅的综合勘探方法（在高密度电阻率法解译成果的基础上，在重点地段、房屋密集区域内或不适合采用高密度电阻率法的地段设计地震映像法）对工作区岩溶裂隙发育区进行探测，为验证两种方法的物探资料解释可靠性以两种方法测线交点异常体的反演结果圈定信息对比分析，同时以所圈定的岩溶裂隙为基础，对物探异常进行两个钻孔验证，验证了岩石裂隙发育区位置。在今后调查探测岩溶地面塌陷等地质灾害问题时高密度电阻率法与地震映像法能够起到很好的指引作用。

图3 G2测线等视电阻率图及物探地质断面图