高密度電法在某巖溶地陷項目的應用效果分析

朱偉國

廣東省地質物探工程勘察院 廣東 廣州 510800

1 引言

巖溶地陷是指地表巖、土體在自然或人為因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑的自然現象，它的形成演化是水、土、巖之間相互作用的過程，雷明堂等[1]指出巖溶地陷的發生在時間上具有突發性，在空間上具有隱秘性的特點。近來，伴隨著國民經濟的飛速發展，巖溶地陷災害變得日益廣泛和頻繁，不僅破壞建筑物及相應設施、還影響生產，嚴重情況下還會造成嚴重的經濟損失及消極的社會影響，成為巖溶區常見的地質災害[2-3]。為減小巖溶塌陷災害帶來的經濟損失及威脅，針對巖溶塌陷的上述特點，為了能對巖溶地陷有更針對性的處理，為了給出治理地面巖溶塌陷地質災害提供科學依據,有必要采用有效手段快速查明巖溶地陷在地下的空間分布形態、位置、規模。近年來，高密度電阻率法、瞬變電磁法、地質雷達法等物探手段以其快速、高效、無損等特點廣泛應用于地下溶洞的探測[4-5]。

針對羅定燕子水生產隊塌陷區的地質、地形、地貌的特點，筆者采用高密度電法結合地質調查、地質鉆探對該塌陷區進行綜合分析，確定了塌陷區的巖溶發育帶及塌陷隱患區，并為塌陷的形成原因提供了較好的地質背景依據。為下一步的地質災害治理提供地球物理技術支持。

2 測區概況

勘查區位于羅定市金雞鎮西北部，交通便利，區內海拔相對高差小，地勢較緩，為丘陵地貌或山間洼地。經調查和走訪，區內地質災害頻發，現狀巖溶地面塌陷發現有8處，雖然規模均為小型單體陷坑，若任由其發展，可能發生更大的巖溶地面塌陷等地質災害，威脅到附近的民房和居民。

3 工區地質及地球物理特征

3.1 工區地質

勘查區出露基巖主要為下石炭統孟公坳組（C1ym）石灰巖，地表大部分地段被殘積土（Qel）覆蓋。其中殘積層（Qel）廣泛分布于自然山坡表層和隱伏于村內人工填土之下，為石灰巖風化形成，巖性以褐黃、灰黃色粉質粘土為主，伴有少量砂礫；下石炭統孟公坳組（C1ym）石灰巖，主要出露于勘查區全區或隱伏于殘坡積土之下，呈青灰色，厚層狀，巖質稍硬，巖石風化裂隙較發育，巖芯多呈現出短柱狀，裂面可見石膏層充填或褐鐵礦化，本層可見巖溶較發育，多發育有單層或多層溶洞。

3.2 地球物理特征

根據前期的鉆孔巖心資料可知，測區內第四系殘積層厚度小于10m，工區電阻率物性參數，見表1。巖石土體的空洞隨充填介質的不同變化劇烈，隨地層巖性變化、巖石風化程度、巖溶內部發育有溶槽、溶隙、溶洞蝕帶等巖溶地質體的不一，使得地下介質電性存在較大差異，從而改變原有地層的地球物理特征，可見，各介質的電性差異明顯，具備開展高密度電法測量的地球物理條件。

表1 工區電阻率物性參數表

4 工作方法解釋

高密度電阻率法是以地下被探測目標體與周圍介質之間的電性差為基礎，土洞、溶洞由于表現為低阻，具有較好的導電能力，而一般的巖層電阻率較高，導電能力差，因而采用人工在地下建立電場，通過觀測和分析人工電場的分布規律，在斷面上通過電阻率反映不同地質體的導電能力以達到了解巖土分層、基巖起伏形態，以及地質構造、巖溶、軟弱夾層等不良地質體的分布范圍的一種地球物理勘探方法，其實質就是直流電阻率法[6]。

5 資料解釋及驗證

5.1 高密度電阻率法

根據測區的實際地形條件及塌陷區的分布狀況，同時受到房屋及實際地形的限制，共布置20條物探測線，編號分別為L1～L20線，測線互相平行，方位為45°，間距為25m。使用中海達公司i5型GNSS-RTK采集系統敷設測線。本次野外數據采集使用由重慶地質儀器廠生產的高密度電法測量系統-DUK-2A。由于小號點一側靠近陡崖，無法布設電極，因此本次探測采用靈活性強的單邊三級裝置，考慮到勘探深度的要求，測線電極距均為4m。測線布置如圖1所示。

圖1 物探測線布設

采集驕佳技術公司的高密度電法數據與極化率層析成像軟件Geogiga RTomo 6.0進行計算數據反演與分析。數據處理步驟如下：數據格式轉換→壞點數據剔除→數據濾波處理→測點高程輸入→地形改正→最小二乘法反演→輸出反演電阻率斷面→物探解釋→地質解釋剖面輸出→完成。高密度電阻率法反演及成果解釋選擇典型的測線L10線進行分析。

圖2 L10線電阻率反演斷面圖及地質解釋剖面

綜合L10測線高密度電法反演斷面圖可知，該區表電阻率在30～120Ω·m之間，覆蓋土層兩側低中間高，平均為6m左右，基巖埋深稍淺，高密度電法反演剖面基本勾畫出土層的厚度。由圖2a可知，在L10 線 150～170m 測點段電阻率值(50～300Ω·m) 相比兩側變化明顯，且電阻率相對基巖較低，ZK6 鉆孔揭示 163m 測點下方溶蝕作用弱發育，結合物性資料推測該段為巖溶裂隙發育段。由圖 2a 可知，在L10 線225～265m測點段電阻率值 (50～300Ω·m) 相比兩側變化明顯，電阻率呈現出下凹異常，結合 ZK4 鉆孔可以推斷196～229m 區域為巖溶裂隙發育帶。

5.2 溶洞異常的圈定

為了更好的展示出溶洞裂隙發育帶的分布情況，利用各條測線的高密度剖面數據提取出，n=10層的各剖面電阻率值繪制出該深度對應的平面等值線圖，如圖5所示，本次勘查共圈定3條巖溶發育帶，編號為YRDⅠ～YRDⅢ。巖溶發育帶在電阻率平面等值線圖上呈低阻異常分布，為低阻異常帶，走向與區域地質構造走向一致，具體如下：

1、YRDⅠ：主要位于L1線～L13線之間的140～200號點，呈北東走向，寬度2～5m，有進一步往L15至L20線發育的趨勢，控制長度約500m，穿出測區。

2、YRDⅡ：主要位于L12線～L20線之間的200～230號點，呈北東走向，寬度5～20m，控制長度約295m，北東部穿出測區。

3、YRDⅢ：主要位于L6線～L15線之間的220～260號點，呈北東走向，寬度5～35m，控制長度約240m。

從視電阻率平面等值線圖還可看出，3條巖溶發育帶不是孤立的，YRDⅠ與YRDⅡ在L14和L17線有聯系的，YRDⅠ與YRDⅢ在L8線有聯系的，而YRDⅡ與YRDⅢ在L14線又有聯系的。彼此大致平行，總體呈樹枝狀分布。

圖3 高密度測量反演電阻率切片（n=10m）平面等值線圖

5.3 鉆孔的驗證情況

本次驗證孔揭露到基巖巖面埋深從1.9～5.9m不等，巖面較淺；本次鉆探有8個鉆孔在不同的深度揭露到溶洞，溶洞頂板厚度從2.7～13.4m不等，厚度不大，溶洞洞高從0.5～2.1m不等；其中ZK8、ZK9孔雖未見溶洞，揭露的巖石裂隙風化發育，裂隙物存在褐鐵礦化物，風化強烈，裂隙發育，說明物探的推斷與實際基本相符，物探成果能基本反映出本測區的地下溶洞分布情況，見表2。

表2 鉆孔驗證情況一覽表

6 結論

1、通過本次高密度電法勘查，在各剖面上解釋了基巖面的大致深度，圈定了區內巖溶發育地段，解釋了土洞、溶洞的水平位置及其頂底板埋深；在平面上圈定了土洞、溶洞的平面分布。

2、本次驗證孔有8個鉆孔在不同的深度揭露到溶洞，溶洞頂板厚度從2.7～13.4m不等，厚度不大，溶洞洞高從0.5～2.1m不等；其中ZK8、ZK9孔雖未見溶洞，但揭露的巖石裂隙風化發育，風化強烈，裂隙發育，說明物探的推斷與實際基本相符，物探成果能基本反映出本測區的地下溶洞分布情況。

3、綜合高密度電法、鉆探及地質調查表明：區內巖溶較發育，是引起地面塌陷的主要因素。其次，覆蓋土層較薄，基巖巖面埋深小，溶洞頂板不大，當地下水活動頻繁時，由于水土流失，土體逐漸掏空形成土洞或空洞，造成了地陷、地裂等地質災害。高密度電法結合鉆孔能較好地反映出地下巖溶的發育區區域及溶洞分布情況，為下一步開展地質災害治理提供科學的依據。