綜合物探方法在武漢市毛坦港塌陷勘查中的應(yīng)用

熊志濤，趙德君，文美霞，楊 濤，彭進生，韓德村，彭 慧

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢 430034)

綜合物探方法在武漢市毛坦港塌陷勘查中的應(yīng)用

熊志濤，趙德君，文美霞，楊 濤，彭進生，韓德村，彭 慧

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢 430034)

以武漢市毛坦港巖溶塌陷區(qū)物探勘查為實例，介紹并總結(jié)高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、EH4法、井—地超高密度電法等綜合物探方法的應(yīng)用效果。在對多種物探方法進行綜合分析研究的基礎(chǔ)上，歸納提出不同勘查階段物探方法組合意見。與鉆探資料對比結(jié)果表明，本次地陷物探勘查成果取得較好的地質(zhì)效果。

巖溶地面塌陷;綜合物探方法;地質(zhì)調(diào)查

0 引言

武漢市長江兩岸濱江沉積區(qū)屬巖溶地面塌陷多發(fā)區(qū)，嚴(yán)重影響了區(qū)內(nèi)社會經(jīng)濟發(fā)展和市民生活秩序。而在城區(qū)開展巖溶勘查，由于建筑密集、施工條件復(fù)雜、經(jīng)費有限等原因，要詳細(xì)查明巖溶空間發(fā)育情況，僅靠鉆探方法難以達(dá)到理想效果，物探技術(shù)雖具有較好的適用性且施工快捷。但單一物探方法，受多解性影響，制約了應(yīng)用效果［1］。采用綜合物探手段，互相印證、互相補充，可明顯地提高物探資料解釋的精準(zhǔn)度，取得良好的地質(zhì)效果。

1 塌陷區(qū)地質(zhì)、地球物理特征概述

1.1 塌陷概況

該巖溶塌陷位于武漢市洪山區(qū)青菱鄉(xiāng)毛坦港小學(xué)北東約50 m處的村級公路上。陷坑平面形態(tài)呈似圓形，南北方向長 16.5m，東西向長 17.0 m，深約 1.0 m～1.50 m，呈碟形鍋狀特征。陷坑邊緣發(fā)育有弧形裂縫，裂縫寬 0.05 ～0.20 m。陷坑面積 250 m2，其影響范圍約400 m2。

1.2 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

毛坦港塌陷區(qū)周邊地質(zhì)條件較復(fù)雜，為覆蓋型巖溶區(qū)和埋藏型巖溶區(qū)交接處。覆蓋層為第四系全新統(tǒng)沖積層(Qal

4)，巖性為黏土、粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂，厚度為21.0～25.0 m。局部地段下伏基巖為厚度不均的白堊系公安寨組(K2E1g)紫灰色、棕紅色含礫砂巖、砂礫巖，夾礫巖透鏡體。三疊系下統(tǒng)大冶組碳酸鹽巖(T1d)部分直接隱伏于第四系全新統(tǒng)粉細(xì)砂層之下，頂面埋深24.0～25.0 m，巖性為灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r，灰色，生物碎屑結(jié)構(gòu)和塊狀構(gòu)造。

1.3 地下水特征

上部松散巖類孔隙承壓水含水層巖性以粉細(xì)砂為主，厚度 1.80 ～3.60 m，頂板埋深 21.0 m 左右，平水期地下水位標(biāo)高在18.29～19.23 m;下伏巖溶裂隙水含水層巖性主要為灰?guī)r，頂板埋深24.0～25.0 m。巖溶裂隙水與上部孔隙承壓水之間無隔水層存在，主要通過巖溶裂隙、溶洞等連通，兩者水力聯(lián)系密切。

1.4 物性特征

測區(qū)土層和基巖電性參數(shù)見表1。分析認(rèn)為，區(qū)內(nèi)不同介質(zhì)間存在較明顯的電性差異:第四系覆蓋層以低阻特征為主，受土石比或人工建筑砌塊影響會出現(xiàn)高阻變異;白堊系碎屑巖亦為低阻體;而完整的灰?guī)r地層電阻率較高;當(dāng)其中存在溶洞時，表現(xiàn)出明顯的低阻變異。這為該區(qū)進行巖溶塌陷物探勘查提供了良好條件。

表1 區(qū)內(nèi)主要巖性電性參數(shù)表Table 1 Parameter list of lithology and electrical property

2 物探工作布置及異常成果解釋

2.1 工作布置

本次任務(wù)是運用綜合物探方法與鉆探驗證相結(jié)合，基本查明巖溶地質(zhì)特征。物探剖面布置于陷坑及其周邊隱伏灰?guī)r分布區(qū):其中高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、EH4法測線布置于毛坦港小學(xué)，以NE30°方向穿越塌陷區(qū)。高密度電法及地質(zhì)雷達(dá)測線長度為400 m;EH4法測線長度為1 000 m。井—地超高密度電法勘測主要布設(shè)于ZK04號孔，測線方向為SE35°方向(圖1)。

2.2 物探異常解釋

2.2.1 高密度電法

高密度電法分別投入了溫納裝置(α1排列)和施倫貝吉裝置(α2排列)，其成果資料見圖2、圖3。

由圖2可知，在水平120 m處出現(xiàn)直立柱狀高阻異常，其兩側(cè)存在明顯的低阻異常，推測水平120 m處為斷塊上升區(qū)，兩側(cè)為下降區(qū)，推測斷層為F7(110 m)、F8(150 m)。其左側(cè)，以水平60～90 m處出現(xiàn)一“懸膽”狀低阻圈閉異常，清晰地顯示了塌陷區(qū)土層擾動—回填洞穴的形態(tài)特征，下部溶洞開口向上，上部土體在水力及表層荷載作用下產(chǎn)生塌陷;右側(cè)水平140～160 m、200～210 m、240～250 m、280～290 m 處存在低阻凹陷，指示了基巖中巖溶較發(fā)育和第四系土層中的擾動現(xiàn)象;水平310～325 m、355～370 m存在淺部低阻異常，主要為第四系土層擾動所致。依據(jù)局部低阻凹陷圈定了五處巖溶發(fā)育帶、七處土層擾動及兩處斷層帶(圖4)。

2.2.2 地質(zhì)雷達(dá)

地質(zhì)雷達(dá)探測資料見圖5，它主要反映了第四系覆蓋土層的地質(zhì)特征。

圖1 毛坦港塌陷區(qū)工作布置圖Fig.1 Work layout of karst collapse area

該圖顯示，在剖面水平里程80～120 m段，深度0～2.5 m的同相軸明顯出現(xiàn)錯斷，推測該段為塌陷區(qū)，曾經(jīng)出現(xiàn)過塌陷或沉降;同時深度3.0 m附近的同相軸在水平里程159～166 m段出現(xiàn)錯斷，推測該段為斷層錯動引起。剖面水平里程80～120 m、130～160 m、200～220 m、240 ～280 m 段中，深度8.5～9.5 m的同相軸明顯出現(xiàn)扭曲、錯斷，推測該段為土層擾動區(qū)，易產(chǎn)生塌陷或沉降現(xiàn)象。

圖2 GM1－GM1＇線(α1排列)高密度電法反演斷面圖Fig.2 Inversion section of GM1-GM1'(α1)by high resistivity method

圖3 GM1－GM1'線(α2排列)高密度電法反演斷面圖Fig.3 Inversion section of GM1-GM1'(α2)by high resistivity method

圖4 GM1－GM1'線推測地質(zhì)斷面圖Fig.4 Geological section of GM1-GM1'

圖5 D1－D1＇剖面地質(zhì)雷達(dá)解譯斷面圖Fig.5 Interpretation sectional drawing of geological radar about D1－D1＇

2.2.3 EH4 法

EH4法屬于電磁波勘探方法，其二維剖面反演結(jié)果見圖6。由圖可見，測線圈定多處低阻異常，不同的賦存深度對應(yīng)反映了不同巖性層位的水文地質(zhì)構(gòu)造特征:表層(深度0～25 m)在水平距離150～260 m、360～380 m、470～510 m、670～700 m 所出現(xiàn)的低阻異常顯然系第四系土層所存在擾動現(xiàn)象引起，深度在5～20 m之間;中層(深度25～100 m)在水平距離50～80、180～280 m、550～580 m之間存在低阻異常體，推測為巖溶發(fā)育區(qū)，富水性一般，多充填土體;深層(深度100～200 m)在水平距離120～140 m、450～500 m、590～610 m之間存在低阻異常體，推測為該巖層富水性較好。

2.2.4 井—地超高密度電法

井—地超高密度電法以井—地布極模式進行觀測、解析而有別于傳統(tǒng)地面高密度電法。CK14井地剖面勘測成果資料如圖7所示:該電阻率斷面圖中基本以－25 m左右為土層和巖層的分界線(圖中白線);在測線0～30號點的－25 m處有一個低阻異常區(qū)，推測為土層擾動引起。在0～18號點的－40～－45 m之間存在明顯低阻區(qū)，推測為巖溶發(fā)育引起。

圖6 EH4法測線反演結(jié)果圖Fig.6 Inversion results of EH4 survey line

圖7 CK14井地剖面真電阻率圖Fig.7 True resistivity of profile of CK14 borehole-ground

3 方法有效性的分析討論

3.1 單方法效果討論

3.1.1 高密度電阻率法［2］

本次選擇了兩種測深剖面裝置，即溫納裝置(α1排列，即等電極間隔的對稱四極測深)和施倫貝吉裝置(α2排列，即固定MN間距的不等比對稱四極測深)。經(jīng)反演后，它們均生成測深擬斷面圖，能表達(dá)測線的二維電性變化特征，是供推斷解釋用的重要參數(shù)圖件。本次半定量解釋時以單點測深反演為主，然后組合成二維剖面。

總結(jié)認(rèn)為，高密度電法主要反映淺層—中層電性特征，對于土層和基巖及其巖溶發(fā)育狀況可做出較精確的刻畫，特別是可推斷出巖層的高程變化情況，進而推斷斷層分布特征。

對比發(fā)現(xiàn)，α2排列(施倫貝吉裝置)的擬斷面圖異常細(xì)節(jié)較清晰，反演地質(zhì)—構(gòu)造異常的能力(分辨率)優(yōu)于α1排列。

3.1.2 地質(zhì)雷達(dá)

本次勘查收到了較好地地質(zhì)效果，特別對第四系土層中擾動土體的圈定，進一步顯示了地質(zhì)雷達(dá)方法的‘精細(xì)’勘查能力［3］。

總結(jié)認(rèn)為，地質(zhì)雷達(dá)主要反映淺層第四系土層變化情況，對于土層的擾動情況可做出較精準(zhǔn)的判斷，可信性較高;不足之處在于受土層介質(zhì)傳播能量耗散影響，其探測深度較為有限，當(dāng)?shù)谒南蹈采w層較厚時，往往無法判定下伏灰?guī)r的地質(zhì)構(gòu)造特征。

3.1.3 EH4 法

在地表至－200 m的深度斷面上獲得了豐富的地質(zhì)—構(gòu)造信息，圈定了不同深度層次的異常帶，為擾動土體和基巖巖溶的推斷解釋貢獻(xiàn)了有效信息。

總結(jié)認(rèn)為，EH4法探測深度較大，無論是土層擾動還是基巖巖溶發(fā)育狀況均可作出區(qū)分反映，由于能提供豐富的地質(zhì)信息，具有較高的分辨率。

3.1.4 井—地超高密度電法

本次采用的是井—地方式，圈定了兩處不同賦存深度的低阻異常，推斷分別系擾動土體和基巖巖溶引起，初步展現(xiàn)了其勘探效果［4］?？偨Y(jié)認(rèn)為，其結(jié)果能反映測井周邊一定距離巖溶發(fā)育狀況，若進行井井勘測效果可能更佳。

3.2 不同方法效果的對比分析

本次工作共布置4個驗證孔，其中ZK01主要驗證EH4法勘測，CK14主要驗證井—地超高密度電法勘測，ZK02和CK13驗證綜合物探成果(表2)。

由表2可知，當(dāng)采用單方法時，由于各種影響因素的存在，不同物探方法間推斷結(jié)果有時存在較大誤差，且各自存在相應(yīng)的局限性。當(dāng)采用多種物探方法時，通過各種方法之間的綜合分析，相互驗證，提高了物探解譯的精度，最終與鉆探成果對比，吻合性更為接近。

3.3 物探勘查方法的優(yōu)化組合

基于上述分析，可以建立不同勘查階段物探方法的優(yōu)化組合，以實現(xiàn)相應(yīng)的勘查目的:

3.3.1 區(qū)域調(diào)查階段

首先投入EH4法測線，查明不良巖土體重點發(fā)育地區(qū)的基本地質(zhì)構(gòu)造條件，然后在重點區(qū)段布置數(shù)量有限的高密度電法剖面進行解譯驗證，用不多的工作量完成區(qū)域性的巖土體穩(wěn)定性評價［5］。

3.3.2 普查階段

可布置適量的高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)剖面，以探測土體擾動和基巖巖溶狀況，最后選取重點地段進行鉆孔驗證，較有效地控制物探推斷成果的準(zhǔn)確性，基本查明土體擾動特征和基巖巖溶分布規(guī)律［6］。

3.3.3 詳查階段

可布置相當(dāng)數(shù)量的高密度電法和地質(zhì)雷達(dá)剖面，同時在已有鉆孔內(nèi)實施井—井或井—地超高密度電法勘測，以達(dá)到相對精細(xì)勘探的目的，為塌陷災(zāi)害的勘查治理提供地球物理資料和依據(jù)。

表2 鉆探與物探結(jié)果的對比Table 2 Contrast table of drilling and geophysical prospecting

4 結(jié)論

(1)巖溶塌陷勘查具有時間緊迫，精度要求高，驗證性強等特點。為此，應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件和地質(zhì)任務(wù)，合理地優(yōu)化物探方法組合，用多種地學(xué)參量獲得豐富的地學(xué)信息，通過綜合解釋提高物探成果的精準(zhǔn)程度。毛坦港地陷勘查實踐表明，高密度電法、地質(zhì)雷達(dá)、EH4等物探方法能夠勝任勘查要求，取得了良好的地質(zhì)效果。

(2)物探工作應(yīng)充分利用前人的成果和經(jīng)驗，特別是要以地質(zhì)先驗信息為指導(dǎo)，保證定性解釋的可靠性，注重提高解釋推斷的定量化程度，指導(dǎo)工程實際。

［1］ 王哲，曹英武.高密度電法在公路路基下伏巖溶勘察中的應(yīng)用［J］.國土資源導(dǎo)刊，2008(4):75 －78.

［2］ 李桂龍.高密度電法在巖溶地質(zhì)勘察中的應(yīng)用［J］.中國西部科技2011(15):17－24.

［3］ 熊究良.物探技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用和發(fā)展研究［J］.廣東科技，2011(18):211－212.

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［5］ 趙成斌，劉保金，姬繼法，李長法，袁宏克.綜合物探方法在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用研究［J］.物探與化探，2001，25(6):464 －468.

［6］ 蔣發(fā)生.綜合物探方法在巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害勘察中的應(yīng)用［J］.湖南水利水電，2010(3):36－39.

(責(zé)任編輯:陳文寶)

The Application of Comprehensive Geophysical Prospecting in Karst Collapse Investigation，Wuhan City

XIONG Zhitao1，2，ZHAO Dejun1，WEN Meixia1，YANG Tao1，PENG Jinsheng1，HAN Decun1，PENG Hui1

(1.Hubei Geological Environment Station，Wuhan，Hubei430034;2.School of Environment Studies ，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei430074)

Taking the case of geophysical survey，the paper summarizes the application effect of integrated geophysical methods including high density resistivity method，geological radar and Eh4 method.On the basis of a comprehensive analysis of various geophysical methods，the paper proposes combinations opinions of geophysical method in different exploration phase.Contrasting with the drilling data the results indicate that this subsidence geophysical exploration results achieved better geological effects.

karst collapse;comprehensive geophysical prospecting;geological survey

P631;P642.26

B

1671－1211(2014)02－0188－05

2013－05－08;改回日期:2013－07－17

熊志濤 (1981－)，男，工程師，碩士，水工環(huán)專業(yè)，從事巖溶塌陷勘查工作。E－mail:xiongzhitao@126.com