綜合物探方法在河北保定向陽村地面塌陷區調查中的應用

徐錦山，鄧 波

(華北地質勘查局五一九大隊，河北保定 071051)

0 引言

保定市徐水縣西部屬于低山丘陵區，境內1958年修建以攔洪為主，灌溉為輔的瀑河水庫，水庫庫容9750×104m3，，最高水位標高 45.18m［1］。從 1964 年開始，水庫西側的賈莊村、向陽村等多個村莊陸續出現地面沉降、塌陷地質災害，1994年后災害發展日趨嚴重，其中向陽村已出現塌陷坑20多處，涉及村民25戶，至使30余間民房地基不均勻沉降，墻體開裂甚至房屋倒塌。2008年為對水庫西側村莊地面塌陷地質災害開展有效防治，在向陽村投入淺層地震、高密度電法和鉆探等方法，進行塌陷區災害治理前期調查工作，通過調查分析該區地災形成機理，掌握地面沉降、塌陷分布規律與發展趨勢，確定具體治理范圍，為災害防治選擇正確的技術路線和針對性的施工方法提供科學依據。

1 地質及災害概況

1.1 地質概況

向陽村東距瀑河水庫約300m，西臨西山山腳500m，地勢較平緩，海拔高程56～47m。區內出露地層為第四系(Q)，主要是全新統沖洪積土層，經工程核實自上而下共分四層，其中地表層為褐色耕土層(Q4)，以粉土為主，厚度0.3～0.6m;中部為黃土狀粉土層(Q3)，褐色，稍濕，含砂質土，厚度 7.7～9.1m;下部為粉質粘土層(Q2)，褐色，硬塑，濕，含鐵、錳結核，厚度9.8～10.4m;底層為礫土層(Q1)，雜色，濕，中密，揭露厚度6m，碎石成分主要為強、中等風化石英砂巖，次為強風化泥質頁巖等，呈棱角狀，塊狀結構，一般粒徑為3～6cm，裂隙發育，漏水嚴重。下覆震旦系(Z)基巖地層由老至新分別為鐵嶺組(Z2t)含碎石條帶白云巖、下馬嶺組(Z3x)千枚狀泥質頁巖、景兒峪組(Z3j)石英砂巖等，巖層產狀較平緩，基巖頂板埋深為60m左右。調查區處于近南北向和近東西向兩組斷層構造中，基巖破碎比較發育。

1.2 地面塌陷情況

地面塌陷是巖土體覆蓋層向下陷落，并在地面形成塌陷坑(洞)的一種地質現象［2］。向陽村地面塌陷的主要表現形式為土洞。土洞呈串珠狀分布，以村東出現較多，一般已隨現隨填。土洞多呈不規則圓形，少量呈橢圓形，直徑0.5～1m，深0.5～2m，洞壁上陡下緩，呈壇狀，壁上分布有豎向節理、裂縫。地面塌陷集中在豐水年，特別是雨季中后期，塌陷發展較迅速，而干旱年相對平靜。近年來降水量有所減少，塌陷發展相對平緩。地面塌陷空間上顯示自西向東、自南向北的發展規律。

1.3 地面塌陷成因

向陽村地面塌陷是由地形地貌、地層巖性、地質構造、地表水、地下水等綜合因素疊加引起。該村地形西高東低，西山地表降水自西向東流經村區形成地表水，地表水滲灌補給地下水，第四系中上層黃土狀粉質土疏松多孔、吸水性強，濕陷性的粉質土吸入滲入水之后會向下部空間運移，由于下部的粉質粘土層，韌性中等，中壓縮性，透水性較弱，起到了隔水層和阻止上層土向下流失的作用，一般粘土層穩定的區域內就不會產生塌陷災害。但粘土層下覆的礫土層裂隙發育，透水性較強，加之基底層巖石斷裂破碎發育，縱橫交錯的裂隙帶構成地下水暢流的良好通道，當山區滲入匯集的地下水沿通道形成徑流和礫土層內地下水位升降變化時，上覆的粘土層受到潛蝕作用，粘土層被掏挖流失，經長期地下水持續作用，粘土層變薄、陷落甚至消失，缺失了下部阻隔層的保護，粉土層再遇到地表水滲灌時，即會崩解、坍塌，形成上覆土層中的坑洞，最終導致了地面塌陷。

2 綜合物探技術方法

2.1 物探方法前提

采用淺層地震和高密度電法等綜合物探方法進行勘查測量，查明向陽村及周邊第四系覆蓋層內不同土層的厚度，以及厚度變化分布情況;查明基巖地層的結構、構造和隱伏產狀，以及巖石遭受構造破壞情況，結合已知水文地質資料分析認識地層、構造與地面塌陷的關系，依地面塌陷形成機理，預測劃分主要地面塌陷危險區域及分布范圍，這是降低調查的成本，縮短調查周期的有效手段［3］。

調查區屬于北方半干旱區，工作期間雨水較少，地下水水位較深，在勘查深度范圍內的土質層、基巖層和破碎構造帶均處于含水不飽和狀態，濕度則因組成質地、結構、密實度、透水性等不同而存在差異，巖石的不同質地、濕度決定了巖石的電阻率相對高低，其中粉質土層含水較少電阻率較高，含水較多的粘土層電阻率較低，礫土層(破碎帶)透水性強，其電阻率高于粘土層，基巖電阻率最高，這些電阻率差異是高密度直流電阻率法評價的物理前提。調查區土層、基巖層和構造帶地震波傳播物性差異明顯，存在淺層地震方法劃分地層、構造的地球物理條件。

2.2 綜合物探方法

綜合物探工作方法布設在包括村住宅建筑用地的0.25 km2正方形區域內，根據施工條件，沿村子內的街道和小路布設東西方向高密度電法剖面13條，共5.5km，依村中心為基點布設南北、東西方向“十”字淺層地震反射剖面2條，共1.0km。

高密度電法使用WGMD-3(60道)高密度電阻率測量系統，淺層地震反射波法采用SummitⅡplus地震儀。高密度電法數據資料使用國產專用軟件進行資料處理和二維反演計算，淺層地震數據資料使用美國FOCUS 2.0軟件進行處理。

高密度電法選擇 α(溫納四極)工作方式［4］，電極距5m。野外工作時一次布設60個電極，觀測每個數據道上的ΔU值、I值，一個排列完成后，向前滾動12個電極，再重復以上測量，直到整個剖面測量完畢，經計算機數據處理后，繪制ρs值等值線擬斷面色階圖。淺層地震反射波法采用32道接收多次覆蓋觀測方法工作，道間距2m，偏移距2m，覆蓋次數為12次，記錄長度1s，記錄間隔為0.5ms，震源采用24磅重錘錘擊方式。為提高信噪比和分辨率，突出淺層勘查效果，在淺層地震原始數據資料處理過程中，重點對干擾信號進行消除和壓制。經數據處理后最終得到水平疊加的時間剖面。由速度譜分析和速度掃描得到較準確的各層均方根速度模型，再根據均方根速度與其速度的關系，對比分析時間剖面的反射波組，確定反射層的構造形態，從而獲得相應的解釋剖面。

3 綜合物探成果解釋

3.1 成果解釋分析

由高密度電法二維反演電阻率斷面圖分析，調查區斷面圖均顯示為四個電性層，自上而下分別是淺表層:視電阻率中等，高低變化雜亂無序，一般在20～80Ω·m變化，深度在1m左右，主要是地表水泥、磚石等構筑、回填物的反映;過渡層:分布在1～9m以內區域，處于向下視電阻率由高變低的過渡帶上，應是黃土狀粉土層的反映;低阻層:視電阻率小于25Ω·m的低阻區，分布在9～20m深度范圍內，低阻區分布一般呈水平長軸狀出現，間有收縮或斷續現象，主要是低阻的粘土層引起;高阻梯度層:視電阻率向下逐漸增高，視電阻率大于25Ω·m，主要分布在20m以下，應是區內礫土層、風化基巖層的反映(圖1)。

高密度電法解釋的地質巖性分層結果與勘察成果基本一致。各巖性層基本呈水平展布，整體略顯西高東低，厚度不均勻，其中低阻層薄厚變化或消失反映了粘土層的穩定和受破壞程度，因此，在低阻層中，視電阻率在20～25Ω·m的低阻粘土層變薄區域，粘土層受破壞程度較高，推測為塌陷危險區，原低阻層層位上視電阻率在25Ω·m以上，說明此處低阻粘土層基本消失，是已經或正在發生的塌陷點，視電阻率在20Ω·m以下區，低阻粘土層仍存在，推測為塌陷預防區(圖2)。

圖1 10線高密度電法擬斷面(上)及解釋圖(下)Fig.1 10-line electricity method proposed section(on)and the interpretation chart(bottom)

圖2 7線高密度電法擬斷面(上)及解釋圖(下)Fig.2 7-line electricity method proposed section(on)and the interpretation chart(bottom)

從淺層地震剖面上看，在100～140ms內有比較強的反射波組，同向軸清晰、連續，推測為弱風化基巖地質界面的反映，埋深50～70m，基巖同向軸在剖面的90m和480m兩處明顯錯斷，水平斷距不大，應為兩條隱伏擠壓性逆沖斷裂構造的反映，斷裂均傾向南東，傾角65°～70°，基巖同向軸以上至 40 ～60ms，對應風化石英砂巖，泥質頁巖等，一般反射波強度較弱，但在部分區域顯示一定的連續性，說明對應巖層相對穩定，另部分區域內雜亂無章，連續性差，反映巖石破碎嚴重，如在剖面上的150m、255m和380m等三處，分別存在有寬度不等的破碎區域，推測為破碎帶位置(圖3)。

淺層地震剖面解釋結果，調查區內推測斷裂構造 F1、F2共 2條，破碎帶共 4條，分別為 P1、P2、P3、P4。F1、F2斷裂均呈北東走向，相互基本平行，間距約130m，F1位于向陽村中南部，F2位于村子北邊，斷裂兩邊都延伸到村外。P1、P2、P3、P4破碎帶位于兩條斷裂之間，間距50～60m，呈北東向并行排列。

3.2 預測劃分塌陷區

在地表調查發現的塌陷基礎上，根據高密度電法解釋推斷的起隔阻作用的粘土層薄厚狀況與受破壞程度，以及淺層地震反射波法推測的隱伏斷裂破碎帶走向與分布狀態等，將調查區劃分為塌陷危險區、塌陷預防區和相對穩定區等三類區域(圖4)。塌陷危險區是指土層的結構、構造已經或正在產生塌陷變化的地質災害區，調查區內共圈定出4個危險區，主要分布于向陽村的中偏東北部，均為北西走向的條帶狀，一般寬度為30～40m，長度100～130m，整體呈北東向并行排列。塌陷危險區位于F1、F2斷裂之間，其分布、走向與破碎帶 P1、P2、P3、P4基本吻合，這是由于地下水沿破碎帶流動產生搬運、溶蝕作用造成，符合該區地面塌陷形成機理，也得到工程勘察證實;塌陷預防區是指F1、F2斷裂之間除危險區之外的區域，其粘土層雖受到一定程度破壞，但仍能起到隔阻作用，當遇較長豐水季節時，不排除出現塌陷災害的風險;其余區域地層結構、構造相對穩定，土層破壞程度弱，目前也未發現塌陷災害，圈定為相對穩定區。

圖3 B線淺層地震剖面(上)及解釋圖(下)Fig.3 B line shallow earthshock profile(on)and the interpretation chart(below)

圖4 向陽村地面塌陷點及災害區預測分布圖Fig.4 Xiangyang Village of ground subsidence and disaster area prediction distribution1-居民區;2-推斷斷裂;3-推斷破碎帶;4-地面塌陷坑;5-鉆孔及孔號;6-電法勘探線;7-地震勘探線;8-塌陷危險區;9-塌陷預防區;10-相對穩定區

4 結論與建議

(1)向陽村民宅建筑區大部分位于兩條斷裂之間的塌陷預防區內，部分還處在塌陷危險區中，應作為地面塌陷災害治理的重點區域范圍，并根據所處分區差異，選擇相應的施工方法進行綜合治理。

(2)高密度電法對解決塌陷災害區第四系分層厚度特別是低阻層厚度變化與分布效果明顯，淺層地震勘探對探測分析隱伏斷裂、破碎帶及基巖界面空間位置方法有效。在瀑河水庫地面塌陷區防治工作中，可作為前期調查的主要方法。

(3)自然地面塌陷地質災害成因復雜，查明其規模、形態、分布和發展規律難度很大。綜合物探方法可以進行二維斷面甚至三維立體的探測并形成解釋圖像，有利于對災害區進行分析評估，這是從點推面的鉆探勘察方法所不能取代的。

［1］王景山，田級生，陳秀萍.河北省瀑河水庫側向倒灌巖溶塌陷［J］.中國地質災害與防治學報，2004，15(4):123-124.WANG Jingshan，TIAN Jisheng，CHEN Xiuping.Baohe reservoir lateral intrusion of karst collapse in Hebei［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2004，15(4):123-124.

［2］郭建強.地質災害勘查地球物理技術手冊［M］.北京:地質出版社，2003.GUO Jianqiang.Geological disasters geophysical technical manuals［M］.Beijing:Geological Publishing House，2003.

［3］田鋼，劉菁華，曾紹發.環境地球物探教程［M］.北京:地質出版社，2005.TIAN Gang，LU Jinghua，ZENG Shaofa.The geophysical tutorial for the environment and earth［M］.Beijing:Geological Publishing House，2005.

［4］傅良魁.電法勘探教程［M］.北京:地質出版社，1983.FU Liangkui.Electricalprospecting tutorials［M］.Beijing:Geological Publishing House，1983.