物探技術在徐州城市地質調查中的應用

蔣波 黃敬軍 姜國慶 張麗 武鑫 徐士銀

摘? 要：徐州是江蘇省地質環境最脆弱的城市，巖溶塌陷、采空塌陷等地質災害和區域穩定性問題已影響經濟社會的可持續發展，解決城市地質問題已成為徐州城市地質調查的首要任務。物探屬于無損探測技術，憑借高效、經濟、施工靈活、信息豐富，探測效果好等優點在城市地質調查中應用廣泛。徐州城市地質調查項目在實施過程中，采用了可控源音頻大地電磁、高密度電阻率、瞬變電磁和地質雷達4種物探技術，結合鉆孔驗證和區域地質資料對比，查證了主要斷裂帶分布位置，判別了巖溶發育和上覆松散層古河道分布特征，識別采空區空間特征和邊界條件，為區域穩定性、巖溶塌陷易發性及采空區穩定性評價提供依據。

關鍵詞：物探技術;可控源音頻大地電磁;高密度電阻率;城市地質調查;徐州

中圖分類號：P631? ? ?文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1007-1903（2019）03-0101-08

Geophysical Technology Applied to Xuzhou Urban Geological Survey

JIANG Bo1，2， HUANG Jingjun1，2， JIANG Guoqing1，2， ZHANG Li1，2， WU Xin1，2， XU Shiyi1，2

（1. Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster of MLR， Nanjing 210018;

2. Geological Survey of Jiangsu Province， Nanjing 210018）

Abstract： Xuzhou is the most fragile city of geological environment in Jiangsu Province. Geological disasters such as karst collapse and goaf collapse and regional stability problems have affected the sustainable development of the economy and society. Solving urban geological problems has become the primary task for Xuzhou urban geological survey. Geophysical prospecting belongs to the non-destructive detection technology. It is widely used in urban geological investigations due to its advantages of high effectiveness， economy， flexible construction， rich information and good detection effect. During the implementation process of Xuzhou urban geological survey， four geophysical techniques including controlled source audio-frequency magnetotelluric， high-density resistivity， transient electromagnetic and geological radar have been adopted. Combined with borehole verification and regional geological data comparison， the location of the major fault zones has been verified， the distribution characteristics of the karst development and the loose strata in paleo-channel has been identified， and the basis of spatial characteristics for boundary conditions of the goaf collapse area has been identified， which can provide the basis of evaluation for regional stability， karst collapse susceptibility and goaf collapse stability.

Keywords： Geophysical technology; Controlled source audio-frequency magnetotelluric; High-density resistivity; Urban geological survey; Xuzhou

0 引言

隨著城市經濟建設的規?；l展，地質條件及地質環境問題對城市發展的影響日益突出，開展城市地質調查，解決城市地質問題已成為當務之急。城市地質勘察中最多的方法是地質鉆探，但城市區域受施工場地、城市交通等多方面因素的限制，施工難度較大，隨著地球物理勘探新技術和新方法的推廣，越來越多的物探技術應用于城市地質勘探中。物探技術高效、經濟、施工靈活、信息豐富、探測效果好（李遠強，2015），屬于無損探測技術，對探查目的物和已建場地沒有任何影響，在城市地質勘察中所起到的作用是無可替代的。

徐州是江蘇第4個開展城市地質調查的城市，工作區域為徐州城市規劃區，面積3126km2，項目從基礎地質、地質資源、地質環境、綜合研究、信息系統五個層面上展開工作，系統查明了城市規劃區基巖地質、第四紀地質、水文地質、工程地質、巖溶地質、煤田地質條件，摸清了地下水、地下空間、富硒耕地、山體等地質資源稟賦特征，探求了區域穩定性、巖溶塌陷、采空塌陷、土壤環境等地質問題誘發因素，從劃定巖溶水水位紅線、構建采空區地下水庫、調整城市“三線”等方面，找尋資源供給保障與環境安全對策（花修權，2015;姜素等，2018）。項目在勘查過程中，為查證5條主要斷裂位置，布設4條可控源音頻大地電磁法測線（10.96km）和1條高密度電阻率法測線（4.49km）;為識別賈汪、九里煤田采空區空間結構及邊界條件，布設4條可控源音頻大地電磁法測線（16.42km）和6條高密度電阻率法測線（11.94km）;為查明主城區巖溶發育層位和上覆松散層古河道特征，布設40條可控源音頻大地電磁法測線（49.84km），9條瞬變電磁法測線（11.62km），35條地質雷達法測線（4.73km）。

1 地質條件及地球物理特征

1.1 地質條件

徐州市屬華北地層區魯西分區徐宿地層小區，新元古界主要為震旦系—南華系海相碳酸鹽巖沉積及濱淺海碎屑巖沉積，下古生界寒武系—奧陶系為碳酸鹽巖為主兼有頁巖、砂巖等碎屑巖的地層，上古生界石炭系—二疊系為含煤巖系及陸相紅色碎屑巖，中生界侏羅系—白堊系為火山碎屑巖、沉火山碎屑巖沉積，新生界古近紀系為碎屑巖沉積（圖1），上覆第四系為松散沉積物。徐州市最主要的構造是徐宿弧形構造，由一系列弧形褶皺（復式背斜與復式向斜）和斷裂組成，構造走向與山脈走向一致，背斜核部主要由震旦系組成，向斜核部由二疊系組成。煤系地層有二疊系下石盒子組和山西組、石炭系太原組，下石盒子組含煤地層含煤3～5層，1煤、2煤、3煤為可采層煤;山西組含煤地層含煤2～6層，7煤、8煤、9煤、10煤為可采層煤;太原組含煤地層含煤8～12層，17煤、18煤、20煤、21煤為可采層煤。震旦系、寒武系和奧陶系碳酸鹽巖為可溶巖地層，奧陶系馬家溝組、三山子組、寒武系張夏組、震旦系九頂山組、趙圩組地層巖石中酸不溶物含量<10%，為純碳酸鹽巖地層，是巖溶發育的主要地層，尤其是陶系馬家溝組和寒武系張夏組;奧陶系賈汪組、寒武系炒米店組、饅頭組上段和震旦系望山組、魏集組、倪園組、賈園組地層巖石中酸不溶物含量10%～50%，為不純碳酸鹽巖，巖溶發育相對較弱。

1.2 地球物理特征

依據已有物性資料，徐州城市規劃區內第四系松散沉積物表現為低阻，粉砂的電阻率20～30Ω·m、粉土和粉質粘土的電阻率15～25Ω·m、粘土的電阻率10～20Ω·m;碳酸鹽巖及碎屑巖表現為高阻，白堊系火成巖和侏羅系粉砂巖、含礫砂巖電阻率20～400Ω·m，寒武系—奧陶系灰巖、白云巖電阻率20～500Ω·m，震旦系泥晶灰巖、白云巖電阻率400～1000Ω·m，顯然，基巖電阻率高于上覆土層數十倍，是良好的電性高阻標志層。隱伏巖溶區的溶洞和采空區類似，充填、半充填的溶洞和充水的采空區呈現出低阻，未充填的溶洞和未充水的采空區相對于圍巖地層表現為高阻特征（姜國慶等，2015），這種電阻率的差異適合探測基巖埋深、巖溶發育情況及確定采空區的邊界范圍及充水情況。

2 物探在徐州城市地質調查中解決的問題

2.1 查證斷裂構造帶位置

廢黃河斷裂是區內具備一定程度發震能力和地震危險性最大的斷層之一（張鵬等，2014），由3～4條大致平行的斷裂組成，斷裂帶總體走向NWW，傾向SW，隱伏于第四系之下，延伸方向基本與廢黃河展布方向一致，橫切區內所有復式褶皺，南北主干斷裂均為上盤下降、下盤上升的正斷層。第四紀以來為張性活動，斷裂帶內堆積洼地相對緩慢下降，而兩側低山丘陵繼續抬升，在地貌上表現為負地形，沿斷裂形成一系列串珠狀展布的湖泊。為查證該斷裂帶向東走向，進行區域穩定性評價，在觀音國際機場北布設NE向高密度電阻率法測線，測線總長4.49km，最小電極距10m。由電阻率斷面圖可知，以2000m樁號為界，南北兩側電性差異顯著，南側地層電阻率變化平穩，橫向電阻率等值線成層性較好，斷裂構造不發育;北側地層電阻率變化較為劇烈，橫向電阻率等值線成層性差，波浪起伏明顯，特別是2200～3200m樁段地層電阻率變化最為劇烈，實測視電阻率斷面圖上為多處電阻率等值線橫向拐折，反演電阻率斷面上表現為4處（2450m、2850m、3100m和3900m）明顯的電阻率等值線橫向錯斷，推斷存在斷裂構造，斷層傾向南，傾角相對較陡（圖2），推斷斷層與地質圖標定斷層一致。

2.2 判別巖溶發育層位和古河道特征

巖溶塌陷是“巖溶-蓋層-水”構成的系統在各種因素下表現出來的系統失穩過程在地表的宏觀表現，巖溶發育和覆蓋層結構是巖溶塌陷的內因。巖溶發育尤其是發育向上開口的溶洞，為地下水強烈活動和塌落物質的運移提供了有利空間;覆蓋層結構中“單一透水型蓋層”（砂土單層結構）和“透-阻型蓋層”（砂性土-粘性土雙層結構），在地下水流沖刷及潛蝕作用下，土粒被水帶走而形成土洞，產生滲透變形破壞。在降雨等觸發因素下塌陷（黃敬軍等，2017;2019）。因此，查明隱伏巖溶區巖溶發育分布特征和上覆土層結構特征是巖溶塌陷地質調查評價的主要目標任務，本次采用高密度電阻率和瞬變電磁法，結合鉆探的勘探手段判別巖溶發育位置和上覆松散層土層結構及古河道分布特征。

2.2.1 上覆土層結構及巖溶發育層位判別

（1）高密度電阻率和瞬變電磁綜合勘探

三環南路高密度電阻率和瞬變電磁綜合物探線，測線長度1495m，測線方向為近南北向，最小電極距5m。由電阻率斷面圖可知，由淺到深分2個電性層，0～20m為相對低阻層，地層電阻率低于20Ω·m，推斷為第四系粘土;20m以深為相對高阻層，電阻率100～500Ω·m，推斷為奧陶系灰巖，由此可知該測線下方覆蓋層結構為“粘土單層結構”，表明該處為阻型蓋層。

反演電阻率斷面圖上750～800m樁號附近在高密度電阻率法和瞬變電磁法斷面上均表現為較為明顯的“V”字型低阻異常，符合基巖面附近巖溶異常的電性特征，推斷為巖溶異常區，存在斷裂構造，推斷斷層傾向北，傾角70°左右。高密度斷面在100～220m、700～850m和1000～1130m樁號處存在3處巖溶破碎區，瞬變電磁斷面800～920m和1020～1130樁號存在明顯的巖溶異常區低阻反映（圖3）。

（2）地質雷達勘探

市文化大廈后院的地質雷達測線長24m，測點距0.2m，斷面圖上26m深度附近存在連續性好、波組清晰、信號強的反射波組，推斷為基巖面。12～16m樁的16～18m深、20～24m樁的21～23m深，可見2處雙曲線異常，推斷為土洞。8～12m樁的26～29m深反射波同相軸明顯錯斷，反射波較為凌亂，且反射波延遲，推斷為巖溶破碎帶。該處的YGC43-1工程孔揭露地層表明：基巖埋深26.30m，26.30～29.60m揭露未充填溶洞，地質雷達推斷基巖面、溶洞位置與鉆探驗證結果基本吻合（圖4）。

2.2.2 上覆松散層古河道圈定

2014年3月21日銅山柳新鈕莊發生巖溶塌陷，塌陷坑直徑2m，可見深度1.5m，為查明巖塌陷形成的地質條件，在巖溶塌陷區域布設6條高密度電阻率法測線，試圖找出上覆松散層土層結構及流經該區域的古泗水河道位置。從L3線高密度電阻率法綜合斷面（圖5）可知，塌陷區域由淺到深可分為3個電性層，淺部為高電阻率的第四系砂性土，電阻率在15Ω·m以上，底部為高電阻率的碳酸鹽巖，電阻率大于500Ω·m，中間為低電阻率的第四系粘土，電阻率低于15Ω·m。由此可判別該區域巖溶塌陷發育的地質模式為“透-阻型蓋層”。

實測視電阻率斷面上510～720m樁號±0m高程以淺，電阻率等值線明顯表現為橫向不連續，表現出自上而下貫通的高阻異常區，經二維反演后該高阻異常區表現為下凹的弧形特征，對比鉆孔資料及數值模擬結果，可知該異常形態為全新世古河道形態，推斷該樁號段為古泗水河道位置，古河道下方老粘土層遭受侵蝕變薄，而在遠離古河道的位置，第四系覆蓋層則表現為較為平整的砂性土—粘土雙層結構。

由反演電阻率斷面三維立體圖（圖6）可知，10m和20m高程的反演電阻率平面上顯現一條高阻條帶，NNW走向的高阻帶內地層電阻率超過15Ω·m，對應地層為全新世砂性土（粉砂和粉土），兩側地層電阻率則相對較低，對應地層為全新世粘性土（粘土、粉質粘土），據此推斷高阻條帶為古河道位置。各斷面上古河道造成的高阻帶連續性好，據此也可確定古河道寬度及邊界（姜國慶等，2018）。

2.3 識別采空區空間特征和邊界條件

徐州是全國重要煤炭能源基地之一，煤炭資源的大規模開發利用給徐州城市規劃區留下了140km2的采空區，但由于開采歷史久、開采層次多及小煤窯的不規范開采，使煤礦采掘資料不全，采空區分布不明。為評價采空區穩定性，通過物探方法查清采空區分布狀況，為城市規劃建設提供了重要的基礎資料和地質依據。

2.3.1 采空區空間分布特征查證

九里煤田主采煤層為上石炭統太原組20、21煤層、下二疊統山西組7、9煤層和下石盒子組1、2、3煤層，由于構造復雜，NE-SW展布復式褶皺被一系列NE向的斷層復雜化，逆沖推覆構造改變了原始地層賦存狀態（張傳鳳等，2015），分割了煤系地層的完整性，全區可采僅2、7煤層，其它為零星可采，造成煤田內煤礦開采分散，煤礦開采后形成的采空區相對獨立。為查證已有采空區資料的準確性，布設4條穿越多個礦區的可控源音頻大地電磁測線，其中3號線穿越龐莊礦和王莊礦采空區。

反演電阻率斷面圖顯示，由淺到深地層電阻率逐漸升高，淺部電阻率10～20Ω·m的低阻層推斷為第四系粘土、粉土，其下電阻率20～200Ω·m，推斷為二疊系和石炭系砂質頁巖、砂巖，據龐莊礦和王莊礦地質資料，二疊系有可采煤層7、9煤，石炭系有可采煤層20、21煤。深部高阻地層推測為奧陶系灰巖?；鶐r電阻率呈現兩端高中間低，中間地層電性平緩，兩側地層上抬，推斷該測線由3個褶皺組成，由南向北依次為向斜、背斜和向斜。圖7上2000-2500m點號和4200-4800點號電阻率等值線呈現明顯的“V”字型低阻異常，推斷該區段煤層已經被開采，且頂板離層、空洞、裂縫具有一定的含水性;2500-4200點號間地層連續性好，未發現明顯的煤層采空區低阻或高阻電性異常，推斷此處煤層未被開采。

2.3.2 采空區空間邊界條件判別

賈汪煤田是徐州最開采的煤礦區，主采煤層為上石炭統太原組17、20、21煤層、下二疊統山西組7、9煤層和下石盒子組1、3煤層。由于開采歷史悠久（130多年）、鄉鎮小煤窯多（200多家）、開采層深度差異大（10～1000m）、多次復采（小礦復采大礦的殘留煤柱），造成采空區資料不完整，可信度差，為判別采空區邊界，尤其是西部與巖溶水源地的關系，垂直邊界布設6條高密度電阻率測線。

30線實測視電阻率斷面（圖8）顯示，900m樁號以東淺部存在一層相對低阻層，電阻率10～20Ω·m，推斷為第四系粉土和粘土。低阻層下方東西兩側電性差異顯著，1100m樁號以西地層電阻率超過100Ω·m，且電性變化平緩，推斷為奧陶系馬家溝組灰巖，以東地層電阻率20～100Ω·m，且電性變化劇烈，推斷地層為二疊、石炭系砂巖、含礫砂巖夾煤層。1500～1800m樁號上石炭統太原組可采煤層（17、20、21煤）位置，電阻率等值線呈現明顯的“V”字型低阻異常，且低阻等值線拐點的連線與煤層產狀基本一致，推斷為煤層采空區且含水;1850～2050m樁號下二疊統山西組可采煤層（7煤）位置，電阻率等值線明顯下凹，低阻特征明顯，為典型的充水采空區異常電性特征，推斷為煤層采空區。

綜合分析6條高密度電阻率測線推知，賈汪煤田西部采空邊界位于10線1600m樁號、20線1700m樁號、30線1500m樁號和40線800m樁號，北部采空邊界位于50線400m樁號和60線600m樁號，據此圈定的采空區邊界如圖9所示。

3 結語

城市地質調查是城市建設發展的基礎性和先行性工作，是緩解城市地質資源約束、保障城市地質環境安全、促進城市經濟發展的重要舉措。受施工場地、城市交通等因素的限制，物探技術在城市地質調查中起到的作用越來越重要，是摸清城市地質資源，保障城市地質安全，構建城市三維地質結構必然采取的技術手段。徐州城市地質調查采用了可控源音頻大地電磁、高密度電阻率、瞬變電磁和地質雷達4種物探技術進行斷裂構造探查定位、巖溶及采空等不良地質體探查，應用于區域穩定性、巖溶塌陷易發性及采空區穩定性評價。

但物探技術也受到外部客觀環境的制約，如在探查采空區的高密度電阻率測線穿過高壓輸電線路，不可避免地影響原始數據質量，雖在數據處理中采取了畸變點剔除、濾波等有效技術手段來壓制干擾，但是探測結果仍不可避免地受到影響。因此，在使用物探成果時應結合采礦資料及鉆探數據進行綜合分析，可減少由于干擾及多解性而帶來的誤判，提高解釋的準確度。同時，應加大開發研究新技術、新方法和新儀器的力度，改進探測資料處理與解釋技術，推進城市工程地球物理探測技術發展。

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