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
摘要：该文论述了在溶洞引发的地面塌陷地质灾害调查中，应用高密度电法、瞬变电磁法、地震频率谐振法进行综合物探勘查的效果，根据本区第四纪地层、灰岩及溶洞充填物质的物性差异，分析研究了岩溶溶洞及塌陷区的物探异常分布特征，并结合钻探验证，有效圈定了调查区岩溶溶洞及地表塌陷区的分布范围，为地质灾害调查与防治提供了科学依据。结合本次综合物探勘查效果，分析了高密度电法、瞬变电磁法及地震频率谐振法在探测溶洞及塌陷区的有效性及局限性。
关键词：高密度电法；瞬变电磁法；地震勘探；物探异常特征；岩溶溶洞
中图分类号：Ｐ６４２．２；Ｐ６３１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１２１２８／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－６９７９．２０１９．０８．００８
引文格式：周治民．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［Ｊ］．山东国土资源，２０１９，３５（８）：４７－５２．ＺＨＯＵＺｈｉｍｉｎ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＧｅｏｐｈｙｓｉｃａｌＰｒｏｓｐｅｃｔｉｎｇＭｅｔｈｏｄｉｎＧｅｏｌｏｇｉｃａｌＨａｚａｒｄｉｎｖｅｓｔｉ－ ｇａｔｉｏｎｏｆＫａｒｓｔＣａｖｅＣｏｌｌａｐｓｅｉｎＺｈｏｎｇｑｉａｏＡｒｅａｉｎＱｉｘｉａＣｉｔｙ［Ｊ］．ＳｈａｎｄｏｎｇＬａｎｄａｎｄＲｅｓｏｕｒｃｅｓ，２０１９，３５（８）：４７－５２．
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２～５ ｍ，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应力下，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。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＝１５００ ｍ／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１０ ｍ。共施工ＴＥＭ 测量剖面６条。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。
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。
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～－６０ ｍ 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 ～２ ｍ 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１５０ ｍ，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。
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显的低阻异常反应。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
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。
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４１～４５ ｍ 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。
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）。
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。
原文来源：山东国土资源.2019年8月.第35卷 第8期
文章编号：1672-6979.2019.08.008
