綜合物探方法在地面塌陷成因分析中的應用

王國云 游連強 閆維華 倪澤森 楊藝

摘 要：【目的】查明貴州某地地面塌陷的形成原因。【方法】根據現場地質背景及巖溶發育情況，結合塌陷區巖溶發育、地下水徑流及節理裂隙發育情況，采用高密度電法、音頻大地電磁法及充電法等綜合物探方法對其不良地質體進行勘查。【結果】通過高密度電法查清了地表覆蓋層厚度及巖溶發育的空間位置；通過音頻大地電磁法查清了塌陷區的節理裂隙發育帶；通過充電法大致查清了地下水徑流方向及位置。【結論】該地區地面塌陷的主要原因是某隧道開挖破壞了當地的地下水平衡，地表形成“土洞”，最終導致的地面塌陷。

關鍵詞：綜合物探方法；地面塌陷；充電法；高密度電法；音頻大地電磁法

中圖分類號：P631；P642.26? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1003-5168（2023）10-0110-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.023

Abstract： [Purposes] To find out the causes of ground collapse in Guizhou. [Methods] According to the geological background and karst development of the site， combined with the karst development， groundwater runoff and joint fissure development in the subsidence area， the high-density electrical method， audio magnetotelluric method and charging method were used to explore the unfavorable geological bodies. [Findings] The thickness of the surface overburden and the spatial location of karst development were clarified by high-density electrical method. The joint fracture development zone in the collapse area was identified by audio geomagnetism. The direction and location of groundwater runoff were roughly determined by the charging method. [Conclusions] The main reason for the ground collapse in this area is that the excavation of a tunnel destroys the local groundwater balance， and the surface forms a "soil cave"， which eventually leads to ground collapse.

Keywords： comprehensive geophysical method; ground subsidence; charging method; high-density electric method; audio geodetic electromagnetic method

0 引言

2020年以來，貴州某地頻繁出現地面塌陷、泉水干枯、地面裂縫等不良地質環境問題，造成村民房屋受損、農田耕作困難，嚴重影響了村民的正常生產生活和安全。當地居民懷疑該區出現的地質災害是附近某隧道施工造成的。為切實保障人民群眾生命財產安全，貴州省地質礦產勘查開發局一0四地質大隊組織開展工作。本次物探工作采用高密度電法、音頻大地電磁法以及充電法等綜合物探方法為災害論證提供物探依據。

1 塌陷區水文地質及地球物理特征

1.1 塌陷區地質構造

據區域地質資料，塌陷區位于山江背斜西北翼，塌陷區中心距離山江背斜軸部約1 900 m。區域性地質調查表明，在塌陷區中部發育有兩條相交的正斷層F1、F2。F1斷層近南北走向，傾角約80°，F2斷層走向約90°，傾角約75°。F2斷層把F1斷層切斷，錯斷距離約39 m。巖層產狀在59°～296°∠6°～29°區間變化［1］。受到地質構造應力相關因素的影響，次生構造較發育，如節理、裂隙等，經現場調查統計，塌陷區主要發育2組優勢節理。第一組JL1產狀為134°∠61°，節理面張開約0～9 mm，鈣質充填，約1～2條/m，經露頭觀測，節理裂隙能較好連通，節理面起伏較大，結合較差；第二組JL2產狀為137°∠75°，節理面張開約1～7 mm，充填鐵質，約2～6條/m，經地表露頭觀察，裂隙連通性較差，節理面起伏不平，結合一般。綜上所述，調查區地質構造屬較復雜類型［1］。

1.2 塌陷區水文地質特征

塌陷區地表浮土厚度約0～11 m，多為巖溶剝蝕形成的紅黏土、風化坡積層黏土等。結構較疏松，力學強度不高，可壓縮性較高。塌陷區主要出露巖性為灰巖及白云巖等碳酸鹽巖，巖石結構致密、質地堅硬，屬于較堅硬類型巖層，具有較強的抗壓性以及抗風化能力，巖體基本屬于Ⅱ、Ⅲ類，穩定性較好，具備較好的工程地質條件，但這類巖石巖溶發育較強烈［1］。

地面塌陷區屬于中間低四周高的低洼地形，測區地下水的主要補給來源為雨水等大氣降水，在灰巖及白云巖出露地區，地下水主要來源于大氣降水，地下水沿斷層、破碎帶、巖溶管道以及節理裂隙密集帶等水流通道進行運移，以地下暗河、泉眼等形式在地勢相對較低處排泄。地下水主要集中在巖溶通道、破碎帶、節理裂隙帶等易含水的地質體中。

1.3 塌陷區地球物理特征

根據收集鄰區及相似地區地層巖性的電性資料，結合工作時觀測到的巖層出露情況、收集到的地質資料以及剖面電阻率測量結果，得出該工區巖石電性參數，見表1。

根據表1統計結果綜合分析得出本工作區地層巖性的電性特征如下：

①區內出露基巖主要為灰巖、白云巖以及第四系浮土層，灰巖及白云巖的電阻率值相對大，平均值大于2 000 Ω·m，第四系浮土的電阻率值相對較低，約為幾十Ω·m到一百Ω·m，所以塌陷區灰巖及白云巖地層與第四系浮土之間電阻率值相差較大［2-5］。

②淺部的基巖因風化剝蝕，受地下水、地表水及大氣降水影響，含水量高，呈現為相對低阻區域，地勢低洼處低阻區域較深，地勢較高處無低阻或低阻區域較淺，往深部完整基巖呈現高電阻區，在谷坡和山脊地帶地下水埋藏較深區為相對高電阻率區［2-5］。

③斷層破碎帶及節理裂隙發育帶是地下水運移、富集的區域，相比較完整基巖呈現相對低電阻區。

④斷層破碎帶及深度節理裂隙發育帶往往呈下凹型及“V”字形連續相對低電阻區［6-7］。

⑤塌陷區白云巖及灰巖分布范圍較廣，溶蝕及巖溶現象隨處可見，地下水徑流通道主要為巖溶空洞、巖溶裂隙、巖溶管道，是本次物探勘查的目的層［8］。

⑥塌陷區存在水量泉眼，可作為充電法工作的充電點。

綜上，塌陷區內目的層與完整巖石的電性差異較明顯，具備開展物探工作的物性依據。

2 工作方法技術

本次物探工作主要探測地下巖溶發育、節理裂隙及地下水徑流與隧道的連通情況，針對路面塌陷勘查布置5條高密度測線、5條音頻大地電磁法（EH-4）測線、1個充電點（6條充電測線）。物探工作充電法測點為未干枯溶洞，該溶洞內部水流流向為南西向，為隧道方向，且隧道內有涌水點，故充電法測線布設為南東向，垂直于推測水流方向布設，目的是隧道內涌點水流是否來源于塌陷區。音頻大地電磁法測線基本與隧道走向及充電測線平行，目的是探測塌陷區與隧道之間有無節理裂隙帶及斷層發育。因音頻大地電磁法測量淺部有盲區，故布設高密度電法與音頻大地電磁法局部重合，對音頻大地電磁法淺部信息進行補充。故本次物探工作采用高密度電法、音頻大地電磁法及充電法為災害論證提供物探依據。

3 工作方法原理

3.1 高密度電法

高密度電法是以不同地質體之間的導電性差異作為物質基礎，研究人為施加恒定電流的作用下，地下空間的電場分布特征的一種地球物理勘探方法［2］。本次測量使用的是西安澳立華勘探開發有限責任公司生產的多通道、超高密度直流電法勘探系統，該儀器既可以選擇常規的數據采集裝置，又可以選擇用戶自定義的數據采集裝置進行電法測量。

3.2 音頻大地電磁法

本次物探勘查采用EH4型StrataGem電磁系統，理論上可探測到地下幾米到一千米區間內的電性特征，通過對剖面電阻率特征的處理和分析，可應用于地質構造、金屬礦、斷裂型礦產的找礦突破，水井鉆孔定位、工程勘查、尾礦庫處理等領域。它利用天然源的電磁場信號作為一次場，又叫激發場源，該激發場源是平面電磁波，垂直入射到地下地質體中，由電磁場理論可知，地下地質體會因此產生感應電磁場，該感應電磁場與激發場是相同頻率的，引入波阻抗Z。在水平、均勻、層狀大地情況下，波阻抗Z是磁場H的水平分量除以電場E的值［4］。計算公式為式（1）至式（3）。

式中：f是頻率，Hz；ρ是電阻率，Ω·m；E是電場強度，mv/km；H是磁場強度，nT；φH是磁場相位，φE是電場相位，mrad。在電磁理論中，把電場和磁場（E、H）在地下空間中傳播時，其振幅衰減到初始值1/e時的深度，定義為趨膚深度或穿透深度（δ）［4-5］，計算公式為式（4）。

由式（4）可知，穿透深度（δ）將根據頻率（f）和電阻率（ρ）的變化而變化。通常情況下，高頻數據主要突出的是淺部的電性特征，低頻數據主要突出的是深部電性特征。因此，根據磁場和電場特性計算出視電阻率值和相位，就可以推測出大地的電性特征和地質體結構，這就是EH4觀測系統的方法及原理［4-6］。

3.3 充電法

充電法是根據不同地質體的電性差異，通過測量和分析良好導體充電后，產生的二次場和激發場合成的總電場的分布規律，探測充電體的平面分布位置、走向及規模等，以此解決地下金屬礦體的平面位置、連通關系及走向、地下水徑流、滑坡面等地質問題［3-4］。充電法的實施前提是具目標體連續，該方法對于串珠狀斷裂型金屬礦的勘查效果不佳。

4 物探成果展示

4.1 高密度電法

高密度電法典型剖面如圖1所示。根據測量結果，高密度電法能較好地判斷出巖土分界面及巖溶通道位置，且巖溶上方為土層，當隱伏溶洞上覆的浮土等堆積物中的有機質、膠結物等物質被大量帶走，在覆蓋層中形成土質空洞即“土洞”，導致地表下面脫空，后期地下應力失衡后“土洞”崩塌進而導致地表形成塌陷及地面開裂等地質災害的發生。

4.2 音頻大地電磁法

音頻大地電磁法典型剖面如圖2所示。斷裂貫穿地表塌陷區及某隧道標高，當隧道開挖破壞地下水平衡時，地下水通過隧道流走，間接導致地面塌陷，所以音頻大地電磁法能較好地推測出塌陷區的節理裂隙帶。

4.3 充電法

充電法典型剖面如圖3所示。本次物探充電法測量儀器采用湖南繼善高科生產的SQ-5型雙頻激電儀，頻率選擇4 Hz和4/13 Hz，所求的二次場[?U]等效為觀測得到的電位差的絕對值[?U]MN。根據充電場的特性，當電位梯度曲線形狀呈現“M”形時，兩側極大值中間的極小值（趨近于0值）處即為地下水流的位置，通過多條平行測線，最終確定地下水的徑流方向［3-4］。

5 結論

①塌陷區地下巖溶發育密集，斷裂貫穿地表塌陷區及某隧道。地表水經落水洞、斷層破碎帶、節理裂隙帶等流入地下，通過巖溶通道、節理裂隙、斷裂破碎帶等自北東向南西徑流運移，期間隱伏溶洞上覆的浮土等堆積物中的有機質、膠結物等物質被大量帶走，在覆蓋層中形成土質空洞即“土洞”，導致地表下面脫空，后期地下應力失衡后“土洞”崩塌進而導致地表形成塌陷及地面開裂等地質災害的發生。

②采用音頻大地電磁法、充電法以及高密度電法綜合物探勘查，可以較準確地確定塌陷區地下管道的發育方向和位置，其中充電法電位梯度等值線圖直觀地反映巖溶管道的平面分布情況，高密度電法視電阻率等值線圖可以圈定管道在測線上的空間分布位置，音頻大地電磁法視電阻率等值線圖能有效地識別深大斷裂及節理裂隙帶，效果較為明顯。此外，三者結合還可以有效地相互驗證。

③高密度電法可以有效地探測第四系厚度［2］。通過該塌陷區物探成果分析，充電法對地下水徑流位置的查找效果明顯，高密度電法對于淺部的巖溶發育及巖土分界面探測效果較好，音頻大地電磁法對深部節理裂隙發育帶的勘查效果明顯。因此，對于地面塌陷成因分析，綜合物探方法至關重要。

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收稿日期：2023-02-23

作者簡介：王國云（1996—），男，本科，助理工程師，研究方向：工程物探、礦產物探等；游連強（1969—），男，專科，高級工程師，研究方向：工程物探、礦產物探等；閆維華（1985—），男，碩士，高級工程師，研究方向：工程物探、礦產物探等；倪澤森（1995—），男，本科，助理工程師，研究方向：工程物探、礦產物探等；楊藝（1995—），男，本科，助理工程師，研究方向：工程物探、礦產物探等。