高密度電法評價巖溶地下水分布

邵長慶,王生俊

(1.石家莊經濟學院,石家莊 050036;2.北京勘察技術工程有限公司)

地面塌陷是地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落,并在地面形成塌陷坑(洞)的一種動力地質現象,包括了巖溶塌陷和非巖溶塌陷.在巖溶塌陷中土層塌陷發育數量多,分布廣,是上覆第四系土層在地下水(氣)作用下,發生破壞并向下伏巖溶管道系統運動的結果.在第四系上部土層為粘性土時,由于具有較好的頂板形成條件,往往先形成土洞,土層塌陷就是土洞進一步發展的結果[1].

高密度電阻率法是以巖土體的電性差異為基礎的一種電法勘探,由于第四系各土層存在電性差異,利用此方法可以第四系土層部分巖性、結構特征、厚度分布以及埋深范圍,對于研究第四系土層中土洞的分布和隱患地帶具有重要的意義[2].

1 地質環境背景和工程概況

唐山市地處燕山臺褶帶與華北平原的過渡地帶,地層有薊縣系,青白口系,寒武系,奧陶系,石炭系,二疊系和第四系.北部山區地層主要為太古宇、元古宇地層,地區內褶皺構造發育,主要有開平向斜、卑子院背斜,斷層大致沿陡河分布,斜穿市區,并均為活動斷層.

唐山地區地下水主要存在著第四系孔隙水和基巖巖溶裂隙水兩大含水系統,第四系孔隙水屬潛水承壓水,水位埋深15～30m,含水厚度20～30m,巖性以中砂、細砂為主、基巖巖溶裂隙水包括寒武系灰巖巖溶水和薊縣系白云巖巖溶水,二者水利關系密切[3].

試驗靶區近似長方形,東西長1100m,南北長900m,面積近1km2.東南側是山地,巖石出露,其余是平原,第四紀覆蓋,覆蓋層厚度為幾米到十幾米.區域內奧陶系灰巖埋深在80m,巖溶較為發育,區內曾發生過大的塌陷,存在塌陷地質災害隱患.

2 工作方法及工程布置

地質結構體存在電性差異,表現為各種地質體的電阻率值的大小是高密度電阻率法勘查的物理基礎.高密度測量的儀器很多,本次采用的是美國AGI公司生產的8通道SuperSting R8 IP 8 channel Memory Earth Resistivity and IP Meter.其儀器的主要優點是靈敏度高,自動化程度高,施工方便,比常規儀器測量的數據量大和效率高.

本次采用高密度電法的偶極-偶極裝置,測線布置沿試驗靶區內道路,其中東西向測線11條,南北向測線6條,具體布置如圖1.由于高密度電阻率法的勘探深度與測線的長度相關,實際布置的物探測線對要求探測的區域相應外延,以保證探測區域內的有效勘探深度,測線電極距布置間距5m.測線測量使用高精度GPS(MobileMapperTM)定位.

圖1 測線平面布置圖

3 物探剖面和數據解釋

在試驗靶區選擇6#、7#線勘查測線,根據其高密度電法勘查在工作區的電阻率反演剖面(圖2)結合電阻率等值分布剖面圖,可見靶區內土層界限清晰,電阻率從地面起呈現低阻-高阻-低阻-高阻-低阻的趨勢,且土層向西北傾斜.根據電阻率值的變化可分為:第一層為粉土層,主要受地表水的影響呈現相對低阻,且變化不均勻;第二層為砂土層,電阻率顯示為相對高阻;第三層為粉質粘土層,表現為相對低阻,是隔水層;第四層為砂土層,受地下水位線下降影響表現為高阻;第五層卵石層,由于位于水位線以下而呈現低阻;以下為基巖分布.

圖2 6#、7#測線反演剖面圖

4 視電阻率平面形態分析

試驗靶區內的水位線是48m,基巖埋深是80m±.將各條測線不同深度的電阻率值繪制成平面等值線圖,分別取80m、88m、96m深平面電阻率等值線圖(如圖3、圖4、圖5),可見低阻帶在視深度為80m、88m、96m,變化規律是整體由西向東運移,推斷地下水也是由西向東運移;在這3個深度范圍內,低阻明顯隨著深度加深,低阻帶向西偏移;推斷整體上地下水由西向東、按照淺到深的形式流動.

根據高密度電阻率勘查資料和平面電阻率等值線圖,推斷試驗靶區東側的水泥廠抽水形成的地下水通道,深部通道明顯.由地下水動態與均衡[4]可知,水泥廠的大量用水,使地下水量發生變化,破壞了地下水的均衡,導致試驗靶區內在一定的時間內,地下水量的補給量小于消耗量,地下水在一定時間內處于負均衡狀態,最終導致水位線的下降[4-5].

水泥廠的長期大量抽水形成了以抽水井為對稱軸的下降漏斗[6],地下水的不斷流動加劇了地下水對下伏碳酸鹽巖的溶蝕作用,從而形成巖溶空洞.巖溶空洞的形成為上覆第四系松散砂的流動和儲存提供了通道和場所,進而形成了上覆第四系土洞[3],存在地面塌陷的隱患.

圖3 高密度電阻率反演80m視深度等值線圖

圖4 高密度電阻率反演88m視深度等值線圖

圖5 高密度電阻率反演96m視深度等值線圖

5 結語

通過本次試驗,認為靶區內塌陷和低阻充填的土洞與深部的巖溶相關,特別是深層的巖溶水活動有關,深層巖溶水的活動規律,對災害治理有重大的意義.通過對高密度電阻率剖面的分析,切片,形成等深度的高密度電阻率勘查反演電阻率平面分布,推斷地下水的平面活動規律,進行了一次有益的嘗試,為下一步的災害治理提供了依據.

[1] 王思敬,黃鼎成.中國工程地質世紀成就 [M].北京:地質出版社,2004,284～294.

[2] 劉曉東,張虎生等.高密度電法在宜春市巖溶地質調查中的應用 [J].中國地質災害與防治學報,2002,13(1):72～75.

[3] 張 梁 ,張業成 ,羅元華.地質災害災情評估理論與實踐 [M].北京 :地質出版社,1998,274～283.

[4] 李智毅,楊裕云.工程地質學概論 [M].北京 :中國地質大學出版社,1994,147～152.

[5] 房佩賢,衛中鼎,廖資生.專門水文地質學 [M].北京 :地質出版社,1996,47～58.

[6] 王大純,張人權,史毅虹等.水文地質學基礎 [M].北京 :地質出版社,1994.

[7] 薛禹群.地下水動力學 [M].北京 :地質出版社, 1994.