江西會昌周田鎮地面塌陷災害CSAMT法勘查實例分析

(江西省地質礦產勘查開發局九二地質大隊,江西新余338000)

江西會昌周田鎮地面塌陷災害CSAMT法勘查實例分析

張焱孫

介紹了江西會昌縣周田鎮地面塌陷災害物探CSAMT法勘查技術、資料分析、勘查成果及驗證情況。對了解塌陷區蓋層有效厚度、塌落現狀、塌陷區后續具體治理方案及決策有十分重要的意義，對在類似地電條件下地質災害物探勘查方法的選擇、資料解釋等具一定的借鑒意義。

地面塌陷；CSAMT法；有效厚度；冒落帶；江西會昌

0 引 言

2010年12月23日中午，江西省會昌縣周田鎮新圩村新豐小組附近農田出現噴水，水頭高出地面達2～3 m，并夾帶廢石噴出，涌砂，發展成地面塌陷；隨后，附近民房出現弧形或放射狀裂縫，并伴隨局部地面下沉，最終形成面積約3 000 m2、深4～5 m的地面塌陷坑，形成圓形水塘。

塌陷區屬丘崗地貌，地形高差20 m左右，礦區內及周邊居民點人口較密集。初步判斷認為礦層頂板偏薄、巖層軟弱、強度低，地面塌陷與礦層頂板不利等工程地質條件與溶腔變形塌落直接有關。據開采情況與地面裂縫綜合情況，初步評估潛在塌陷面積(勘查范圍)約1.7 km2(圖1)(江西省地質礦產勘查開發局九二地質大隊，2011)。

因此，迫切需要及時查明地下采空區溶腔規模、位置及其與塌陷的關系，為后續治理方案與地方政府決策提供科學依據。

1 地質概況與巖(礦)石電性特征

1.1 地質概況

新圩村地處武夷山環狀構造及瑞金—尋烏深大斷裂交會部位之周田斷陷紅層盆地內；礦區地層僅出露白堊系上統周田群紅色碎屑巖層；地層總體走向南北，北部向北西折轉，傾向南西；南部向南西折轉，傾向北西，傾角20°～30°，向深部傾角逐漸變緩，形成一個北西向半收斂的向斜構造。

周田群是礦區含鹽地層，可分為3個組，9個段。巖相自下而上為紫紅色礫巖、砂巖、粉砂巖，過渡到灰綠色泥巖、鹽巖，又從鹽巖、灰綠色泥巖過渡到粉砂巖、砂巖，最后變為礫巖，形成一個完整的沉積旋回。厚度約2 660余m。

石鹽層的直接頂底板均為泥礫巖。含鹽泥礫巖松軟，呈灰色，角礫狀結構，塊狀構造，具成層性；石鹽層頂板泥礫巖厚度變化很大，礦層東北部最厚可達100多m(ZKl2)，礦層西南部薄，僅1 m多(ZKl0)，自東北向西南逐漸變薄。

圖1 塌陷區概況及勘查部署平面圖

1.2 巖(礦)石電性特征

參考江西紅色盆地碎屑巖電阻率實測統計：紅層(碎屑巖)電阻一般在20～100 Ω·m范圍，高低取決于顆粒的粒徑及其中砂礫的含量，常見值約20～30 Ω·m；鹵水電阻率極低，常見約為n×10-1～nΩ·m，巖鹽電阻率與之相當。

目標與圍巖導電性有5～10倍的差異，具備應用電阻率區分蓋層與鹽巖或鹵水的前提。

1.3 可行性分析

因注水溶鹽采鹵，鹽溶解后，理論上會形成一個具一定壓力的鹵水溶腔，形態如圖2。其上部分巖、土層在周圍張力小于自身重力的情況下就會坍塌下去，一旦此現象發生，坍塌會導致上部的連鎖反應，陸續坍塌直至地面，最終達到新的應力穩定為止。該區蓋層巖性松軟，遇水不斷剝落，尤其是當溶腔壓力水與其他區域具動力聯系時，其塌落更易發生。

圖2 溶鹽采鹵溶腔示意圖

溶腔顯然不是空腔，并不是所有溶腔都一定會發生塌陷，也不是抽取多少體積的鹽鹵就會塌落多少體積的土層。其塌落的發生及塌陷的規模除蓋層巖性強度之外，主要取決于溶腔水平方向的大小，水平面積越大，其頂載力就越弱，塌陷就越容易發生。因此，溶腔形態規模的劃定可轉為其上部蓋層厚度分布的劃定，亦即蓋層底界或溶腔頂界。是否形成一定規模的溶腔，可依據已有鉆孔當時的見鹽標高對比現時蓋層有效厚度底界標高進行分析評價。由此，根據電阻率量值的大小并參考已知孔的鹽層深度資料，綜合推斷上覆蓋層有效厚度(亦可認為屬未擾動原巖層)趨勢是可行的，因地層電阻率過低，底板則難以識別，但并不影響分辨鹽層(鹵水溶腔)頂板厚度及平面分布特征。

考慮到目標層深達500.0 m以上，又處居民集中區，電磁干擾相對較大，選擇CSAMT法(可控源音頻大地電磁法)開展工作。

2 方法技術

(1) 方法：采用CSAMT法測深，赤道偶極排列標量測量方式。(2) 工作布置：共布置11條測線(圖1)，線距100.0 m，點距20.0～40.0 m，測線方位278°～98°。(3) 測量定位：測線(測點)采用RTK-GPS進行實時差分放樣定位，采集各測點實測坐標值。(4) 主要技術參數：為盡可能避免“過渡場”影響，保證“遠區”數據采集，偶極源方向與測線平行，收發距最小16.5 km，最大17.5 km；觀測區與場源中點最大偏角為9.9°；測量頻率范圍：l～9 600 Hz。每測點掃頻觀測42個頻率，采集磁道與電道信號,磁道一般埋設于排列中部,每個頻點采集時間不小于1min。磁、電道比≥1/3。

3 異常分析

3.1 分析思路

推斷界限按未擾動原巖(有效厚度蓋層)、冒落帶、鹽礦層(溶與未溶)這幾個界面來劃分。認為有效蓋層厚度(屬基本未擾動原巖)巖性層位結構相對完整，地(電性)層基本未擾動，其導電性特征應與紅層基本一致，依據紅層標志性電阻率值而劃定。冒落帶則可以理解為裂隙發育、巖石破碎段，顯然此段地(電性)層電阻率值較未經擾動原巖要低，從鉆孔對比來看，此帶對應斷面視電阻率在2～6 Ω·m區間；含鹽巖層電阻率現低，一般小于2 Ω·m，并對其下伏地(電性)層形成屏蔽，故此，在斷面上未推斷鹽巖層位底界，鹽巖層位底界可依據原勘探鉆孔確定。

本著已知到未知的原則，先解釋已知鹽井較多的測線，得出目標相關異常特征，再由此類推斷其他各測線?？紤]到110線有多個已知采鹵井分布：C312孔位于3200號、C302(C303)位于3360號、C101位于3600號、C103位于3700號測點附近，各井成井時見鹽層標高分別為-184.0，-154.9，-90.0 m,故選擇以110線卡尼亞視電阻率異常反演斷面圖為例進行分析。

3.2 110線卡尼亞視電阻率斷面異常特征與分析

110線斷面異常等值線(圖3a)主體呈西深、東淺的層狀趨勢，這種趨勢與研究區含鹽層上覆蓋層厚度分布(鉆孔)情況基本一致。橫向上，大致以C312井為界，西段標高-160.0 m以淺，東段檔高30 m以淺地層電阻率多在30 Ω·m左右，表明沿剖面蓋層厚度變化的非均勻性，這種突變性往往預示著在此部位存在一斷裂F2；縱向上，依據采鹵井結果，對比斷面圖異常形態與量值特征，斷面上部電阻率平均約20 Ω·m,下部區域為1～2 Ω·m；過渡區帶呈波狀起伏。上部地層電阻率主要反映未擾動原巖厚度沿剖面的變化情況，下部低阻區域則為含鹽(鹵)層的反映，上、下部以較明顯的梯級帶形式過渡，高、低阻過渡區帶呈波狀起伏，認為屬冒落帶范圍，此帶巖石結構松散、裂隙發育區(帶)，裂隙充填物及裂隙處飽水(含鹽)狀態，導電性較上部巖石為好，呈較低電阻率顯示。冒落帶結構強度低，如其下無一定頂托力，在外力誘發下，此帶物質可隨時塌落。

圖3 110、107線卡尼亞視電阻率斷面異常及地質解譯斷面圖A層-蓋層未經擾動原巖，具一定結構強度層；B層-因裂隙發育、地下水力造成巖石破碎、松散、結構強度較低的蓋層部分；C層-含鹽(溶或未溶)巖層

從圖3可以看到：頂板標高線東段均在當時成井時見鹽標高線之上、目前蓋層有效厚度(未擾動原巖)較薄處C303、C302、C101、C103孔附近，形成一向上突出的三角形區域，平均寬度60.0～100.0 m，有效厚度層底限標高一般在-30 m左右，厚度約170 m；西段蓋層厚度一般在350.0 m以上，與當時見鹽標高相差不大。

其他各斷面異常大同小異(圖3b)，可同理分析類推。各斷面均呈較明顯的二層地電斷面結構，上部ρk≈30 Ω·m，為結構完整、未經擾動的紅層巖性導電性反映，局部達100 Ω·m的相對高異常呈不規則形態分布于淺表部，主要為淺表存在的局部不均勻地質體反映；下部電阻率一般小于3 Ω·m，屬含鹽層或鹽鹵反映，已采鹽礦層多為鹵水(或水溶物)充填；3～4 Ω·m范圍組成的過渡帶(區)認為屬巖石結構松散、基本無結構強度的裂隙發育帶(區)，過渡區帶的起伏狀態主要反映了冒落帶(裂隙發育、巖石破碎、結構松散)沿剖面的分布現狀。

3.3 異常平面特征與分析

為了解塌陷在平面的影響范圍，對各測線解釋結果繪制平面圖，圖4為有效厚度蓋層底板等深度圖，較好地反映了地災區勘查工作時蓋層有效厚度在平面上的宏觀變化趨勢。

圖4 有效蓋層底板等高線平面圖

(1) 蓋層厚度總體呈東薄西厚、北薄南厚，與研究區地層、礦層傾向基本一致。

(2) 102、103、104線東延部分蓋層較厚，一般都在標高-250.0 m以深，其結果與此區域ZK2及東部ZK31孔鉆探結果(未見鹽)基本一致。

(3) C310—C306一線東北，原鉆孔見礦標高一般在-80 m左右，蓋層厚度在280 m左右，現時蓋層有效厚度下限標高一般在40 m左右，反映蓋層有效厚度在160 m左右；C310—C306一線東南C307、C301、C303、C305區域及現陷坑至ZK4孔一線附近，原鉆孔見礦深度一般在400.0～500.0 m，斷面反映現蓋層有效厚度一般在150 m左右。蓋層有效厚度相對偏小的區域(圖上以紅色調表示)在平面上呈彎月狀分布，平均寬度在150 m左右，范圍約1 km2。ZK26—C311—ZK1孔一線以東，蓋層有效厚度相對較大，一般在350.0 m以上(圖上以藍色基調表示)。

(4) ZK4孔與ZK2孔之間標高等值線以較密集梯級帶形式出現，反映蓋層厚度有變突，其中ZK2孔未見鹽，推斷在此部位存在北東向斷裂(F1)。

(5) 自3240/110—3160/109—3240/108—3360/107—3360/106一線存在蓋層有效厚度急劇變化帶，此帶北東蓋層厚度明顯比南西部薄，存在突變跡象；2011年評價驗證孔ZK4、ZK5孔均出現裂隙發育；在106—110線各斷面圖上，此帶北東側低阻異常明顯上突，蓋層有效厚度變小，認為沿此線具存在北西向斷裂(F2)跡象。

4 驗證情況對比分析

勘查區共施工了6個驗證孔，一是為驗證物探成果，二是為地災評估提供依據。驗證情況與物探推斷結果基本吻合，以下對其中110線、107線ZK2、ZK4和ZK5這3個孔鉆遇情況進行分析對比。

(1) ZK2孔。位于3720/107號樁號附近，該處物探推斷蓋層有效厚度為220 m左右。鉆孔揭示：190.0 m以淺僅在22.9～75.0 m區間存在裂隙發育段，其余均屬裂隙不發育段，巖石相對完整，具一定的結構強度，屬未擾動原巖類；190.0～267.5 m區間巖芯呈碎塊，裂隙發育，在256.0 m以深見及局部空洞，此段應屬冒落帶或軟弱層，結構強度低；190.0 m以淺地層巖性相對完整，具一定結構強度；256.0 m以深巖性相對破碎，結構強度低，與物探推斷結果基本吻合。

(2) ZK4孔。位于3400/110號樁號附近，物探推斷此處存在“傘”型溶腔，蓋層有效厚度110 m左右。從鉆孔鉆遇情況分析：239.0 m以淺為灰綠、灰—深灰色泥巖，巖芯呈碎塊，局部裂隙發育?？杉毞譃椋涸?02.0 m以淺存在37.7～41.0，46.5～51.0，64.6～74.0，84.0～102.0 m共4段總厚35.3 m的紫紅色泥質粉砂巖夾層；64.5～79.0，156.0～165.0，210.0～224.0 m均存在巖石破碎、巖芯呈碎屑狀，結構松散的描述，其中192.0～210.0 m局部有大小不一的深蝕現象，至424.0 m見含鹽層，其中僅部分段存在巖石堅硬、裂隙不發育。從上述鉆遇情況描述可知，102.0 m以淺因存在數層具一定厚度的紫紅色粉砂巖層而顯一定結構強度，102.0 m以深則以巖石破碎、巖芯呈碎屑、結構松散特征為主，反映在此深度以下地層巖性結構強度低，與物探推斷的有效厚度是一致的。

(3) ZK5孔。位于3400/107號樁號附近，物探推斷此處有效厚度為100.0 m左右。鉆孔揭示：8.0～265.3 m為灰-深灰色泥巖，巖芯呈碎塊狀，裂隙較發育。其中27.8～32.0，41.0～43.0，55.5～56.5，62.9～64.0，77.0～90.5,221.5～232.0 m為紫紅色粉砂巖夾層；42.0～43.0，58.0～69.0，124.3～143.0，146.7～148.3，153.4～159.6，185.0～205.0，259.0～265.3 m描述為巖石破碎、結構松散。在100.0 m以淺巖石破碎、結構松散之夾層只存在2段總厚度12.0 m的夾層，其余發育于100.0 m以深。鉆遇現象反映在100.0 m以淺，以結構松散、巖石破碎為主，與物探推斷蓋層有效厚度在100.0 m左右相一致，反映此區域蓋層100.0 m以內具一定的強度結構，100.0 m以淺地層巖性結構強度低。

5 結 論

(1) 從物探推斷蓋層厚度與鉆孔揭示的地層巖性對比情況分析，說明物探成果較好地反映了勘查區巖石完整，具一定結構強度的巖性層及巖石破碎，松散、結構強度較低的巖性層的分布狀況與宏觀變化趨勢。說明應用CSAMT法對了解塌陷的蓋層及發育現狀具較好的效果。

(2) 在類似地電條件下，地面塌陷等地質災害應用CSAMT(或AMT)法調查，可以較準確地確定塌陷位置及現狀、有效蓋層厚度，以取得較好的勘查效果，對地面塌陷災害的治理方案制定及地方政府決策可及時提供科學依據。

(3) 認真分析目標任務與物探異常之間的關系，論證所選方法完成目標任務的可行性，是做好物探工作的首要任務。勘探目標與背景存在的可能物性差異，并對其相關關系進行定性分析，把握好勘探目標任務與物探異常之間的轉換?？紤]勘探目標與背景物性參數特征、干擾程度、目標深度等因素選擇有效的物探方法技術是關鍵。結合已知資料對物探資料解釋至關重要，應以定性解釋為主，定量解釋為輔。

底青云,王若.2008.可控源音頻大地電磁數據正反演及方法應用[M].北京：科學出版社.

湯井田,何繼善.2005.可控源音頻大地電磁法及其應用[M].長沙：中南大學出版社.

Analysis of CSAMT investigation on surface collapse in Zhoutian Town in Jiangxi

ZHANGYan-sun

(No. 902 Geological Party of Jiangxi Bureau of Geology and Minerals Exploration and Development, Xinyu 338000, Jiangxi, China)

The author introduced CSAMT exploration method, data analysis, exploration results and testifications about the surface collapse in Zhoutian Town of Huichang County in Jiangxi Province, the study was helpful to the understanding of the effective thickness of the cover layer in the collapsed area, collapsed situation, the further treatment plan and policy decision for the collapsed area as well as for the method selection and data explanations for similar geological disasters.

Surface collapse; CSAMT method; Effective thickness; Caving zone; Huichang, Jiangxi

10.3969/j.issn.1674-3636.2014.04.682

2014-06-16；編輯：陸李萍

江西省國土資源廳項目“江西省會昌縣周田鎮地面塌陷地質災害調查”

張焱孫(1963— )，男，高級工程師，主要從事物探勘查與技術質量管理工作,E-mail: 902zhy@163.com

P631;TP392

：A

：1674-3636(2014)04-0682-05