綜合物探方法在城市建材備用地勘查中的應用

康方平 蔣建良 曹創華 彭杰 周立同 韓中驥 何陽

摘 要：為在城市周邊快速、綠色、高效的對石灰巖礦進行評價，本文以湘潭市某石灰礦為例，利用以高密度電法為主、地震映像法為輔的思路進行了應用研究。首先在充分調研已有地質資料基礎上，對經過調查區的地層、構造等信息進行分析，在垂直地層主要走向的方位布設了3條物探剖面;其次利用Resinv2D軟件對高密度電法野外數據進行了處理，并選定部分典型剖面段進行地震映像探測進行印證;最后利用探測結果繪制了剖面解釋圖、覆蓋層厚度分布圖和區內三維切片圖，圈定了不良地質體異常范圍，查明了區內覆蓋層厚度分布及基巖面起伏狀況。鉆探驗證效果良好，可為城市地質調查中類似工作提供參考和借鑒。

關鍵詞：城市地質;綜合物探方法;高密度電阻率法;地震映像;石灰巖礦

Geophysical Exploration Methods Applied to Standby Exploration of

Urban Building Materials in Xiang-tan， Hunan Province

KANG Fangping1， JIANG Jianliang2， CAO Chuanghua1， PENG Jie1， ZHOU Litong1， HAN Zhongji1， HE Yang1

（1. Hunan Institute of Geological Survey， Changsha 410116;

2. 405 Team of Hunan Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development， Jishou 416000）

Abstract： In order to evaluate the limestone mine in the fast， green and high-efficiency around the city， this paper takes a limestone mine in Xiangtan City as an example， and uses the idea of high-density electric method and seismic image as the supplement. Firstly， based on the full investigation of the existing geological data， the information of the stratum and structure of the surveyed area was analyzed， and three geophysical profiles were laid in the main direction of the vertical stratum. Secondly， the high-density electric field data was analyzed by Resinv2D software， including processing and selecting some typical sections for seismic image detection to confirm. Finally， the detection results were used to draw the profile interpretation map， the overlay thickness distribution map and the three-dimensional slice map in the area， including delineating the abnormal geological body anomaly range， and identifying the thickness of the inner cover layer and the undulation of the bedrock surface. Drilling verification has a good effect and can provide reference for similar work in urban geological survey.

Keywords： Urban geology; Integrated geophysical methods; High-density resistivity method; Seismic image; Limestone mine

0 前言

城市地質調查是一項服務于城市可持續發展的前瞻性、基礎性和綜合性地質調查工作，其主要任務是在城市及其周圍城市化發展地區，開展地質、資源和環境綜合調查，評價城市發展的資源保障能力和環境承載力，為城市規劃、建設和管理提供基礎資料和科學的決策依據（中國國土資源部，2017）。2017年11月，自然資源部頒布了《城市地質調查總體方案》，方案提出：要聚焦城市規劃、建設、運行管理的重大問題，大力推進“空間、資源、環境、災害”多要素的城市地質調查（國土資源部中國地質調查局，2017）。長株潭一體化發展是湖南省城市群建設近年來的工作重點，而隨著城市的擴張及山水林田湖生態理念融入規劃發展當中，城市內原有的石灰石礦山都逐一關閉，但城市發展對石灰石建材的需求卻日益旺盛，考慮到長株潭地區石灰巖地層的分布情況，在其外圍勘查城市建材備用成為當務之急。

地球物理手段具有無損、高效和成本較低的特點，可實現快速、綠色和高效的勘查，在非金屬礦物探測中應用廣泛（蔡柏林等，1985）。特別是在城市建設備用地勘查領域，具有得天獨厚的優勢，不僅可以圈定致密的石灰巖礦石，而且可以圈定石灰巖巖溶裂隙發育區。例如：錢洪春（2016）采用綜合物探方法在廣西、廣東兩省四處礦山圈定了多處巖溶、裂隙異常帶，在解決礦山的巖溶地質問題時卓有成效。高瑞祥（2014）采用綜合電法在四川彭州臥牛坪礦區基本查明了礦體基底的起伏形態，為礦山的儲量估算提供了重要的參考依據。陳軍等（2008）采用探地雷達在巖溶地區工程勘查領域中發揮了重要作用。這些成果均有力的表明了物探方法在石灰巖礦山調查評價當中起到了舉足輕重的作用。

本次以湖南省湘潭市南部某石灰巖礦為例，利用綜合物探方法，通過鉆探驗證，查明了研究區內礦體頂板的起伏形態及上覆土層厚度，為礦山的儲量估算提供依據;同時也對區內的地質災害發育情況進行了查明，圈出了不良地質體的范圍，為礦山的合理開采布局及安全高效生產提供了保障。

1 研究區概況

1.1區域地質

研究區位于紫云山北東向隆起帶向北延伸部位，黃荊坪-花石斷褶帶中段北部。瓦子坪-黃荊坪滑脫推覆變形帶內黃荊坪復背斜的次級向斜。黃荊坪復背斜軸向近東西向，核部地層為泥盆系，兩翼為石炭系，黃荊坪背斜東部被白堊系覆蓋，西部與高澗群和泥盆系地層斷層接觸（湖南省地質調查院，2019）。

區域內構造發育。新塘沖逆沖推覆構造由新塘沖斷層及其以北的高澗群與泥盆紀地層構成的推覆塊體組成。新塘沖斷層傾向北-北西，傾角40°～60°，使其上盤推覆塊體覆于石炭紀和侏羅紀地層之上。水平錯距0.5～2.5km不等。由于該構造的右行逆沖作用使下盤形成黃荊坪背斜，該背斜為倒轉型不對稱褶曲。區內無巖漿活動。

1.2礦區地質概況

研究區主要出露泥盆系龍口沖組，石炭系測水組、梓門橋組、石炭—二疊系壺天群，侏羅系高家田組、白堊系戴家坪組及第四系殘坡積地層（湖南省地質調查院，2019）。其中，物探工作區內出露地層主要為石炭系梓門橋組、石炭—二疊系壺天群及第四系殘坡積層，梓門橋組巖性為灰色中—厚層狀泥灰巖、泥晶灰巖、生物屑灰巖、云質灰巖、灰質云巖等;壺天群廣布于全區，為本區的賦礦層位。區內原生露頭極少，表層均為風化紅土覆蓋，巖性為淺灰色厚層塊狀泥晶灰巖、泥粉晶生物屑灰巖，灰色云質灰巖、細晶白云巖等;第四系殘坡積層主要為石炭—二疊系壺天群云巖風化形成的紅土，厚度較大，據附近工程揭露，厚度一般為12～32m，平均厚20m。多為黏土，含砂量低，孔隙率小，透水性一般，可塑（圖1）。

研究區位于黃荊坪背斜北翼次級向斜構造，向斜軸向近東西向，核部出露壺天群地層，翼部出露地層為梓門橋組和測水組。區內構造以褶皺構造為主，復雜程度較為簡單。

1.3 地質災害類型

石灰巖礦山主要發育的地質災害包括危巖、崩塌、滑坡以及巖溶地面塌陷等類型（夏瑜，2013）。研究區目前處于前期調查評價階段，尚未進行正式開采，故區內目前暫無上述地質災害類型，主要災害影響為巖溶裂隙發育帶等不良地質體，查明并圈出區內不良地質體，可有效指導礦山開采，為礦山合理布局提供科學依據。

2 研究區物性特征

研究區內下伏基巖與上覆黏土層相比，它們之間的電性差異非常明顯。泥晶灰巖、灰巖、云質灰巖等電阻率值往往較高，通常達幾百至上千歐姆·米;而黏土的電阻率值則很低，多在幾十歐姆·米以內，局部可能含水較少，會呈現局部高阻特征，其電性存在一定不均勻性。

當地下存在隱伏構造或巖溶、裂隙較發育時，且這些巖溶、裂隙帶被水或泥沙填充后，會呈現出低電阻率特征，在電法勘查中通常表現為低阻異常，從而具備了開展高密度電法的地球物理條件。

此外，巖溶、裂隙和破碎帶，與四周完整基巖相比，其波速存在較明顯的差異。地震波在向地下傳播過程中，遇到阻抗界面時，產生反射波并反射回地面，當地下介質分布均勻，無空洞和軟弱層等不良地質體時，反射同相軸連續穩定;若存在不良地質體，則會發生繞射，出現同相軸錯斷、拱起、反相位、波周期變化及振幅異常等現象。故具備了開展地震映像法勘查的地球物理條件。

總之，研究區內完全具備了使用高密度電法與地震映像法來綜合勘查礦體頂板的起伏形態及上覆土層厚度、查明并圈出巖溶裂隙發育帶等不良地質體的地球物理條件。

3 方法原理及異常特征

地球物理方法就是利用物理學的理論和方法，以地下物質（巖石或礦體）的物理性質（電性、磁性、密度、聲傳播性能、自然放射性等）差異引起的某些物理現象為研究對象，用不同的探測方法和儀器，探測天然或人工地球物理場的特征，并通過對各種物理場特征的分析、研究，推斷和解釋礦產資源分布及地質異常發育情況等，從而解決特定的地質問題（竇念春等，2018）。

高密度電法是一種陣列勘探方法，其基本原理與傳統的電阻率法完全相同，集中了電剖面法和電測深法的特征。它以巖、土導電性的差異為基礎，研究人工施加穩定電流場作用下地中傳導電流分布規律。野外測量時只需將全部電極（幾十至上百根）置于觀測剖面的各測點上，然后利用程控電極轉換裝置和微機工程電測儀便可實現數據的快速和自動采集，電極之間可自由組合，能夠提取更多地電信息，并且智能化程度很高（雷在政等，2019）。

當巖溶裂隙帶充水或泥時，往往會呈現出低阻特征，反之，則呈現為高阻特征。通過判斷高密度電法反演圖上低阻或高阻異常來實現對不良地質體的勘查和圈定。

地震映像法即高密度地震單道反射，是一種采用等偏移距或零偏移距進行激發和接收，記錄來自反射界面近法線或法線反射信號振幅和走時的淺層地震反射波法。其利用檢波器將反射波和折射波到達地面所引起的微弱振動變成電信號，送入地震儀經濾波、放大后整理、分析、推解，得到地震影像剖面圖，進而得出相關地質信息（周富隆，2018）。

在不良地質體附近，地震波會發生繞射，出現同相軸錯斷、拱起、反相位、波周期變化及振幅異常等現象。地震映像法通過對影像剖面圖分析和判斷從而實現對異常位置及范圍的圈定。

4 物探解譯

4.1工作布置

在研究區內沿地層傾向方向共布設了3條平行的物探測線，每條測線長900m，均采用了高密度電法和地震映像法進行綜合勘查。首先通過高密度電法進行剖面測量，基本查明區內的基巖頂板起伏形態和第四系厚度，同時，大致圈出巖溶裂隙相對發育異常位置。然后，在高密度電法測定的異常靶區部位再采用地震映像法進行詳細勘查，進一步對異常進行驗證確認。

高密度電法采用重慶奔騰數控技術研究所研制的WDJD-4多功能數字直流激電儀和WGMD-4高密度電阻率測量系統，電極距10m，測量裝置為α排列（溫納裝置AMNB）。

地震映像法采用重慶地質儀器廠開發研制的DZQ48高分辨地震儀，采樣點距0.5m，偏移距5m，震源采用18磅的大錘激發。

4.2 數據處理及典型剖面異常特征分析

（1）數據處理

高密度電法數據處理利用Resinv2D軟件，其步驟主要包括：首先對原始數據進行“飛點”剔除，其次根據地質資料建立初始的二維地電模型、選擇反演參數（阻尼系數、迭代次數、收斂極限），然后再采用最小二乘法進行反演，最終獲得地電斷面圖，用于物探解譯（楊振威等，2012）。

地震映像法采用驕佳公司開發的Geogiga Seismic軟件進行道炮編輯、地形校正、道均衡、濾波、去噪等處理，最終形成地震波時間剖面圖，用于物探解譯。

（2）典型剖面異常分析解譯

以研究區內0線作為典型剖面對物探異常進行分析解譯。如圖2所示，高密度電法反演斷面顯示，表層電阻率值很低，局部（350-700號測點）由于地形造成缺水的緣故而呈現為相對高阻，表層推測為第四系黏土層，厚幾米至30m不等。下部電阻率值總體較高，推測高阻層為壺天群組基巖的反映，其巖性以灰巖和云質灰巖為主。其中，565-590號測點之間下伏有一喇叭狀低阻異常，異常向深部延伸。推測該低阻異常帶為一隱伏斷裂，傾向南東，斷裂及其影響帶附近巖溶裂隙較為發育。測線下伏其余位置基巖相對完整。

圍繞高密度電法測線異常，在其附近布置了一條100m長度的地震映像法剖面。如圖3所示，波形圖上572-580號測點之間，波形呈現出同相軸錯斷、振幅異常等現象，推測該處異常為淺部巖溶裂隙發育帶的反映。

結合高密度電法和地震映像法綜合分析，兩種方法均顯示570-585號測點之間下伏存在巖溶裂隙發育帶等不良地質體，吻合較好。此外，高密度電法還反映出測線其余位置下伏基巖相對完整，測線表層第四系黏土覆蓋層厚幾米至30m不等，平均厚約為16m。

（3）三維切片成果及綜合解釋

圖4為研究區內高密度電法的三維切片圖，三條平行布置的測線大致反映出了區內的第四系黏土覆蓋層厚度分布及下伏基巖面起伏狀況。同時，基本查明了區內的隱伏斷層F3（紅色虛線）及巖溶裂隙帶等不良地質體的發育狀況。

圖4顯示，三條測線上580-600號測點附近，均存在一低阻異常帶，異常在平面與剖面上均呈現為連續發育，推測該3處低阻帶為一條隱伏斷層的反映，傾向東南。斷層及其影響帶附近巖溶裂隙較發育，非常不利于石灰巖礦床的開采，建議開采時合理規劃。

圖5為研究區內第四系黏土覆蓋層厚度分布圖。測區絕大部分范圍黏土層厚度在12～25m之間，而西南部與北東部兩側黏土層厚度較大，局部厚度甚至大于30m。

仔細觀察分析后可發現，區內厚度高值大致沿南西-北東向呈條帶狀分布，而兩側厚度值則較低。事實上，位于該處的山體亦呈南西-北東向條帶狀走勢，山體兩側為丘陵平地。對比發現，區內的覆蓋層厚度值與地形地勢相互吻合。

5 鉆探驗證

結合物探成果及地質資料，在0測線590號測點附近布鉆布置鉆孔并實施，鉆孔基本情況見表1。經驗證，鉆孔揭露的巖溶裂隙發育段與物探推測部位基本吻合。

6 結論

綜合分析物探成果和鉆探結果，得出以下結論：

（1）研究區內存在一條南西-北東向發育的隱伏斷裂，該斷裂及其影響帶附近巖溶裂隙較發育，建議礦床開采時合理規劃。

（2）研究區絕大部分范圍黏土覆蓋層厚度在12～25m之間，而西南部與北東部兩側黏土層厚度較大，局部深達30m。區內的覆蓋層厚度趨勢與地形地勢相互吻合。

（3）研究區內地層較為簡單，黏土覆蓋層下部即為基巖，故區內基巖起伏面與覆蓋層厚度分布狀況緊密相關。區內除隱伏斷裂及其影響帶外，下伏基巖電阻率值總體較高，推測下伏基巖以灰巖為主，在勘探深度內（100m），基巖較為致密且相對完整，非常適合石灰巖礦床開采。

（4）對比分析物探成果與鉆探資料可知，鉆探揭露的巖溶裂隙發育段與物探推測異常部位基本吻合，勘查區內除隱伏斷裂外的其余位置，經多處鉆探驗證后證實下伏基巖均致密完整。從而有效的說明了采用高密度電法和地震映像法等綜合物探手段在石灰巖礦床勘查時效果明顯，可為類似的勘查提供參考和借鑒。

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