微動在城區(qū)巖溶勘探中的效果研究

范長麗，賈慧濤，蔡向陽

(安徽省地球物理地球化學(xué)勘查技術(shù)院，安徽 合肥 230022)

1 引 言

巖溶塌陷是一種典型的地質(zhì)災(zāi)害，與周圍可溶巖地層的分布、覆蓋層厚度和地下水動力條件密切相關(guān)。它對人類生命、工程建筑以及經(jīng)濟都會帶來巨大危害，

伴隨礦產(chǎn)資源的進一步開采，新的巖溶塌陷仍然可能產(chǎn)生，因此對地下潛在巖溶的調(diào)查研究顯得尤為重要。

研究區(qū)位于安慶懷寧縣月山鎮(zhèn)附近，懷寧縣是安徽省巖溶塌陷高發(fā)區(qū)，有高達20多個巖溶塌陷，產(chǎn)生塌坑百余個，對工程建筑存在安全隱患，因此探明城區(qū)地下地質(zhì)情況尤為重要。巖溶勘察一般采用的物探方法有高密度電法[1-8]、瞬變電磁[9]和地質(zhì)雷達[10-13]等勘查方法，并結(jié)合鉆探、坑探來進行綜合分析。高密度電法是一種快速、經(jīng)濟的地球物理方法[14]，在解決巖溶塌陷問題方面有明顯的優(yōu)越性，具有數(shù)據(jù)量豐富，分辨率高等特點[55]；瞬變電磁法是一種快速有效的工程物探方法，能夠有效查明溶洞的分布范圍、埋深及空間形態(tài)等[16]；地質(zhì)雷達圖像能夠圈定巖溶隱患的空間分布及地面的投影位置[17]；但以上物探方法在城區(qū)復(fù)雜的環(huán)境中易受到電磁、噪聲干擾，難以獲得有效的數(shù)據(jù)，影響勘探效果。近年來，隨著微動探測技術(shù)的不斷發(fā)展，微動在地?zé)豳Y源勘查、采空區(qū)勘探、暗浜識別及巖溶勘察中取得了良好的應(yīng)用效果[18，9]。李耐賓等[20]認為微動技術(shù)可以替代傳統(tǒng)物探方法在城市軌道交通不良地質(zhì)體勘察工作中推廣應(yīng)用；黃光明等[21]的研究表明，在復(fù)雜城市環(huán)境干擾條件下，微動探測能夠直觀地探測覆蓋型巖溶區(qū)地下灰?guī)r溶洞的發(fā)育及空間分布情況。

本文采用微動技術(shù)在研究區(qū)開展剖面工作，圈定出多個低速異常區(qū)，推測研究區(qū)淺埋型巖溶發(fā)育區(qū)范圍，并通過與以往高密度、瞬變電磁及鉆探工作結(jié)果進行對比，驗證微動探測方法在查明城區(qū)巖溶勘探中的應(yīng)用效果。

2 研究區(qū)概況

2.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于下?lián)P子地塊的沿江褶斷帶，區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，起主要控制作用的為頭坡斷裂，走向與郯廬帶主干斷裂相近，呈NE-SW走向。該區(qū)位于西馬鞍山背斜的南翼，下伏基巖為三疊系下統(tǒng)南陵湖、中統(tǒng)月山組和銅頭尖組等。南陵湖組屬于淺海相碳酸鹽沉積，巖性特征為灰、青灰色石灰?guī)r，夾薄層柔皺灰?guī)r，具蠕蟲構(gòu)造，縫合線發(fā)育，與下伏地層關(guān)系呈整合接觸。月山組呈環(huán)狀分布于南嶺湖組附近，主要巖性為灰白、灰綠色等粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖，夾青灰色白云質(zhì)灰?guī)r及其凸鏡體，微層理及交錯層理發(fā)育，厚43 m，與下伏地層呈整合接觸關(guān)系。銅頭尖組為陸相碎屑沉積，該組巖性為紫紅色鈣質(zhì)粉砂巖，少量紫紅、灰紫、灰綠色薄層細礫巖、含礫細砂巖，局部夾灰綠色含銅砂巖透鏡體，與下伏地層呈整合接觸關(guān)系[22]。

2.2 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)屬于馬鞍山河河谷水文地質(zhì)單元，根據(jù)區(qū)內(nèi)地下水的含水介質(zhì)的不同可分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙巖溶水、基巖裂隙水三種類型地下水。松散巖類孔隙水含水層主要賦存于全新統(tǒng)沖積成因的砂層、砂礫層中，單井用水量達1 000～20 000 m3/d，富水性貧乏含水層巖性由全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖積成因的砂礫石層等組成，厚度一般為1～3 m。碳酸鹽類裂隙巖溶水含水層主要為三疊系南陵湖組地層組成，巖溶中等發(fā)育，地表見溶溝、溶蝕裂隙等現(xiàn)象，地下巖溶現(xiàn)象則主要表現(xiàn)為溶孔、溶洞、溶蝕裂隙等?；鶐r裂隙水賦存條件主要取決于裂隙的發(fā)育特征，本區(qū)的基巖裂隙水賦存于三疊系中統(tǒng)的銅頭尖組地層中，巖性為粉砂巖、砂巖、粉砂質(zhì)頁巖等。

2.3 巖溶分布特征

下伏基巖為三疊系下統(tǒng)南陵湖組灰?guī)r，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，均為淺覆蓋巖溶區(qū)，巖溶形態(tài)為溶洞及溶蝕裂隙，14個鉆孔中見溶洞孔7個，見溶洞率50 %，鉆孔平均線巖溶率7.17 %，鉆孔見洞17處，洞高0.2～10.25 m,平均洞高1.43 m，第一個溶洞距土層距離0.3～3.2 m，分布深度在6～15 m之間，分布標高主要在4.5～11.5 m。另在溶溝、溶槽位置分布有厚度不等的殘積土，巖性為粉質(zhì)黏土或黏土。

3 微動勘探方法

3.1 工作原理

地球表面何時何地都存在一種天然的微弱振動，被稱為“微動”[23]。微動探測是一種采用臺振觀測天然振動信號的物理探測方法，它從微動信號中提取面波(瑞雷波)頻散曲線，通過對頻散曲線反演獲得地下介質(zhì)的S波速度結(jié)構(gòu)，以探查地質(zhì)構(gòu)造的物探方法[24,25]。通過S波速度在不同深度層次的高低變化，進行介質(zhì)分層及構(gòu)造識別。

3.2 工作方法

從微動信號中提取面波頻散曲線的方法有空間自相關(guān)法(SPAC法)和頻率-波數(shù)法(F-K法)?？臻g自相關(guān)法的野外觀測臺陣為圓形，一臺拾震器位于圓心，其他拾震器布設(shè)在半徑為r的圓周上，以方便接收各方向的來波，在實施過程中應(yīng)盡可能多的布設(shè)拾震器，來提高勘探的精度?？臻g自相關(guān)法是在時間域上對面波進行提取的方法，它的特點是操作簡單，實用性強。頻率-波數(shù)法的布陣方式比較隨機，對場地地形要求不高，盡管如此，拾震器要盡量布設(shè)呈平面，以方便接收各個方向的來波。在實際勘探中，通常采用規(guī)則布陣，通常以一個拾震器為中心，其他測點在周圍形成多個邊長不等的正三角形。它是在頻率域進行面波提取的方法，相比空間自相關(guān)法它的野外布陣更加的靈活，不受地形限制，可有意避開干擾源，間接地提高抗干擾能力。本文面波提取方法采用的就是頻率-波數(shù)法。

3.3 數(shù)據(jù)處理

本文數(shù)據(jù)處理過程先將采集的微動信號進行帶通濾波，保留所需頻率的信號，提取同步采集時間信號數(shù)據(jù)；對時間域信號做傅里葉(FFT)變換，得到頻率域信號；然后將頻率域信號轉(zhuǎn)換到波數(shù)域，得到F-K譜；最后通過每一個頻率對應(yīng)的F-K譜極大值對應(yīng)的K值，計算該頻率對應(yīng)的相速度，進而得到頻散曲線。

將面波頻散曲線反演計算得到測點地下橫波速度結(jié)構(gòu)，再通過插值光滑計算，最終獲得視S波速度-深度剖面圖，以此進行地下介質(zhì)分層以及構(gòu)造識別。

4 應(yīng)用效果分析

在研究區(qū)內(nèi)根據(jù)以往工作內(nèi)容布設(shè)四條微動剖面，一條采用十字型布陣方式，其他三條采用三重圓形布陣方式。本文選擇采用三重圓形布陣方式的兩條剖面(2線、4線)進行分析，三重圓形布陣方式示意圖如圖1所示。

圖1 三重圓形臺陣觀測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of triple circular array observation system

圓點代表微動觀測點

圖2 月山2線物探成果Fig.2 Geophysical prospecting results of line 2 in Yueshan

圖3 月山2線微動剖面及推斷地質(zhì)剖面Fig.3 Fretting profile and inferred geological profile of line 2 in Yueshan

微動2線上已發(fā)生過巖溶塌陷，南京地調(diào)中心在2018年進行過高密度電法、瞬變電磁測深和鉆探工作。圖2是2線瞬變電磁(圖2a)、高密度視電阻率(圖2b)及微動速度-深度(圖2c)剖面對比圖，從圖中可以看出：瞬變電磁測深反演剖面呈水平層狀特征，對本區(qū)巖溶未能進行較好的識別；高密度電法剖面在里程70～100 m存在低阻異常，在里程220～250 m也存在低阻異常，通過鉆探驗證，這些異常都為地下巖溶發(fā)育引起。微動2線速度-深度剖面中，從縱向上分析，10 m以淺為速度較低，10 m以深整體表現(xiàn)為速度較高，推測為基巖面，低速區(qū)域為第四系覆蓋層，高速區(qū)域為基巖，這與高密度電法剖面中電阻率分層界面位置基本吻合； 在橫向上，5～7號點(里程70～100 m)、12號點(里程180 m)、15～17號點(里程220～260 m)存在低速異常，其中5～7號點和15～17號點的低速異常和高密度電法剖面的低阻異常推斷結(jié)果一致，綜合推斷為斷層。通過與前期鉆孔數(shù)據(jù)對比，微動剖面上速度為200 m/s的層位與鉆孔標定的第四系覆蓋層位置基本一致。根據(jù)微動速度-深度剖面中閉合的低速層及鉆孔數(shù)據(jù)，推測5～7號點及15～17號點為巖溶發(fā)育區(qū)，而且與深部巖溶連通性較好(圖3)。

圖4 月山4線微動剖面(調(diào)整縱橫比)與水文地質(zhì)剖面對比Fig.4 Comparison of fretting profile (adjusted aspect ratio) and hydrogeological profile of line 4 in Yueshan

圖5 月山4線微動剖面及推斷地質(zhì)剖面Fig.5 Fretting profile and inferred geological profile of line 4 in Yueshan

前期已完成的水文地質(zhì)剖面與微動4線對比如圖4所示，對照水文地質(zhì)剖面可知，微動剖面9～17號點的低速異常是由黏土填充的溶洞引起，26～28號點之間的低速異常由未填充的溶洞引起，通過與已知鉆孔CK25、XK6、CK12對比可知，微動剖面上深度10 m以淺(200 m/s速度層位)與鉆孔標定的第四系覆蓋層位置一致。從圖5微動速度-深度剖面(圖5a)中可看出，8號、10號點附近高低速分界線明顯，分析推測為斷層，其中8號點斷層走向南傾，10號點斷層走向為東傾，這一結(jié)果與前期物探、鉆探工作推斷的斷層位置基本一致。根據(jù)前期工作成果及本次微動剖面推測出疑似巖溶區(qū)域，如圖5b所示，在5～21號點區(qū)域為可能巖溶發(fā)育區(qū)，且與深部巖溶連通性較好。

5 結(jié) 論

城區(qū)巖溶勘探采用傳統(tǒng)物探方法易受人口、交通和電磁干擾影響，而微動勘探利用天然場源對環(huán)境友好，抗干擾能力強，儀器設(shè)備相對輕便，操作簡單，不僅提高了工作效率，也降低了后期數(shù)據(jù)處理的難度。本文采用微動勘探技術(shù)對月山附近的巖溶發(fā)育情況進行探測，圈定巖溶發(fā)育區(qū)，并與以往電法工作及水文地質(zhì)剖面對比，研究結(jié)果表明：微動勘探能很好地識別巖溶發(fā)育區(qū)，從微動速度-深度剖面上能夠有效提取高、低速異常體的特征信息，可以準確、直觀地顯示地下巖層縱、橫向變化，并且對已填充的溶洞也有明顯異常表現(xiàn)，值得進一步研究和推廣應(yīng)用。