常規直流電法在黃河水庫南屯地質災害評價中的應用

賈方巖，張 帆，鄭國輝，朱曉光，張會國，肖偉儒，陶蘊哲，陳 蒙

吉林省第二地質調查所，吉林 吉林市132001

1 地質及地球物理概況

1.1 地質概況

黃河水庫南屯塌陷區的西南側為二疊系下統壽山溝組：上部主要是黑色板巖，并見有灰黑色粉砂質泥巖及黃綠色砂巖互層。北東側主要為石灰巖。區內基本由第四系砂礫石及黃土覆蓋。溶洞的形成是石灰巖地區地下水長期溶蝕的結果。石灰巖的主要成分是碳酸鈣，在有水和二氧化碳時發生化學反應生成碳酸氫鈣，后者可溶于水，當這種水在地下深處有一定壓力時，溶解更甚。石灰巖中的鈣被水溶解帶走，經過幾十萬年、百萬年甚至上千萬年的地下水文地質作用，就會形成溶洞。區域附近的石灰巖分布區有已知的溶洞存在。 區內出現的地面塌陷主要與地下溶洞有關。

1.2 地球物理概況

由于區內居民住宅密度較大，戶與戶之間有圍墻或鐵、木柵欄隔離，給物探測量帶來很多困難。所以首先在工區進行了不同方法及不同裝置的有效性試驗。試驗發現高密度電法無法有效開展，而激電中梯、激電聯剖及視電阻率測深效果相對較好。通過激電中梯初步勘查可知，北東側的石灰巖分布區其視電阻率值在300～1 150 Ω·m 之間變化，視極化率在1.5%～2.0%之間變化。而在西南側黑色板巖分布區視電阻率值在150～250 Ω·m 之間變化，視極化率在4.0%～11.0%之間變化。通過對地表撿塊的巖石電性標本測定（見表1）可知：石灰巖電阻率值變化范圍為396～869 Ω·m，極化率值變化范圍為0.3%～0.6%。黑色板巖的電阻率值變化范圍為24.31～117 Ω·m，極化率值變化范圍為5.3%～9.84%。 很明顯黑色板巖與石灰巖在電性上有明顯的差異；而對于尋找溶洞而言，因為溶洞都存在于石灰巖中，一般情況下石灰巖都是很致密的，以石灰巖電性值為背景場，當溶洞充水時呈現低阻異常，貧水的溶洞則呈現高阻異常。因此此次在該區開展電法勘查具備了必要的地球物理前提。

表1 巖（礦）石電性標本測定一覽表Table 1 The electric test list of the rock (ore) stone

2 技術方法

工作中主要采用的方法為時間域激發激化法，裝置形式為激電中梯、視電阻率測深、激電聯剖法。激電中梯測量的參數為視電阻率及視極化率值，視電阻率測深法錄取的參數為視電阻率值。 激電中梯和激電聯剖法主要了解區內地質概況，并劃分石灰巖分布區及其界限，圈定地質災害危險區域。在危險區域靠近居民住宅附近用視電阻率測深法反映地下地電斷面的形態，推斷解釋地下溶洞存在情況。同時還采用了聲頻大地測量作為輔助性方法，用以對激電測量結果推斷解釋的參考。

3 主要成果

3.1 劃分石灰巖與黑色板巖分布區及接觸界限

通過激電中梯的面積性工作確定了黃河水庫南屯存在一個近北西向的板巖與石灰巖的接觸帶。其證據是西南側的板巖分布區視極化率值一般大于3.0%，而視電阻率值一般為150～300 Ω·m。北東側的石灰巖分布區視極化率值一般小于2.5%，視電阻率值一般都大于300 Ω·m（見圖1）。兩種不同巖性反映在激電異常上的區域背景場值差異性非常明顯，且與地表巖石露頭的巖性吻合。通過激電聯剖測量工作可知，視極化率及視電阻率在石灰巖與黑色板巖的界觸帶附近均出現視極化率“反交點”及視電阻率“正交點”。激電聯剖結果確切地反映了石灰巖與黑色板巖接觸帶的存在及大致位置（見圖2）。這樣就確定了接觸帶的北東側為溶洞發育的石灰巖分布區，也是發生地質災害的危險區。

圖1 黃河水庫南屯激電中梯剖面平面圖Fig. 1 The plan of IP intermediate gradient prof ile in Huanghe reservoir Nantun

3.2 視電阻率測深反映地下溶洞的地電斷面形態

視電阻率測深主要在地質災害危險區針對居民住宅附近進行。現場已知的3 處塌陷點都出現在石灰巖一側的接觸帶附近。在兩種巖性的接觸帶的灰巖一側，由于酸堿度的變化，引起碳酸氫鈣溶于水，石灰巖中的鈣被地下水溶解帶走而形成空洞。因此，石灰巖分布區尤其在靠近接觸帶附近區域是出現塌陷的危險區域，所以在該區域進行了比較詳細的視電阻率測深，并對異常作出相應的推斷解釋。

3.2.1 零號測線上的異常推斷解釋（見圖3）

89.5 /0～92.5/0 點：視電阻率在斷面圖上呈“V”字形出現，ρS值以10 Ω·m 形成低阻半封閉圈，向下影響深度約17.0 m。聲頻大地電場法曲線呈低值區，△Vs=5.0 mV。推斷異常由石灰巖空洞充填含水淤泥引起。

97.5 /0～98.5/0 點：視電阻率在斷面圖上呈“V”字形出現，ρS值以40 Ω·m 形成低阻半封閉圈，向下影響深度約10 m。聲頻大地電場出現低值，△Vs= 0.2 mV。推斷異常由石灰巖中的空洞充填含水淤泥引起，地表建筑物已經發生變形和開裂。

3.2.2 二號測線上的異常推斷解釋（見圖4）

56.5 /2～61/2 點：視電阻率值在斷面圖上以20 Ω·m 圈定呈倒梯形，影響深度約20 m。聲頻大地電場法呈低值反映，△Vs ≤0.5 mV。推測由石灰巖中的空洞塌陷引起。

64/2～68.5/2 點：視電阻率值在斷面圖上以20 Ω·m 圈定呈三角形，影響深度約12 m。聲頻大地呈低阻反映，△Vs ＜0.3 mV。推測由石灰巖中的空洞沉積含水淤泥引起。

71.5 /2～74.5/2 點：視電阻率值在斷面圖上以20 Ω·m 圈定呈口字形，影響深度約10 m。聲頻大地電場法呈低值，△Vs=1.0 mV。推測由石灰巖凹陷的沉積物引起。

82/2 點：視電阻率值在斷面圖上以20 Ω·m圈定呈條形，上下長約10 m，寬約3 m，影響深度約10 m。聲頻大地呈低值反映，△Vs=0.2 mV。推測由石灰巖中的裂隙引起。

85/2～88/2 點：視電阻率值在斷面圖上 以30 Ω·m 圈 定 呈“ 八” 字 形， 影 響 深度 約10 m。 聲 頻 大 地 在85.0 點 呈 低 值，△Vs=1.0 mV。推測由石灰巖中的溶洞充填含水淤泥引起。已經造成地表沉降、圍墻開裂。

上述分析基本推斷出了地下溶洞的存在，且與實際驗證情況吻合。

圖2 黃河水庫南屯激電聯剖剖面平面圖Fig. 2 The plan of IP combined prof ile in Huanghe reservoir Nantun

圖3 黃河水庫南屯0線視電阻率測深斷面圖Fig. 3 apparent resistivity sounding section of No. 0 line in Huanghe reservoir Nantun

圖4 黃河水庫南屯2線視電阻率測深斷面圖Fig. 4 apparent resistivity sounding section of No.2 line in Huanghe reservoir Nantun

4 結束語

通過激電中梯和激電聯剖測量發現并解釋了在黃河水庫南屯存在的板巖與石灰巖接觸帶的情況，有效劃分出了地質災害危險區域石灰巖的分布范圍；通過激電測深測量也較好的反映了危險區地下溶洞的存在，確定溶洞的塌陷位置與地表已知塌陷點一致。這說明在黃河水庫南屯居民住宅較密集區域進行常規直流電法勘查地下溶洞、劃分板巖和石灰巖分布區、確定兩種巖石接觸帶位置是有效的。這些成果對以后區內地質災害評價及其它地質工作的開展具有一定的指導意義。對于石灰巖地區由溶洞導致地質災害的評價過程中采用常規直流電法在我省尚屬首次，今后這方面的工作還有待進一步深入研究探討。

[1] 傅良魁,李金銘 .電法勘探教程[M].北京：地質出版社，1980.

[2]丁緒榮.金屬物探簡明教程[M].北京：地質出版社，1980.

[3]劉春華，李其光,等.水文地質與電測找水技術[M].黃河水利出版社，2008.