郭棟棟,趙俐紅,高宗軍

(山東科技大學(xué),山東 青島 266510)

0 前言

從 20世紀(jì) 80年代泰安東南羊婁—舊縣區(qū)域內(nèi)巖溶塌陷開始活躍發(fā)育至今,前人分別對(duì)此區(qū)域內(nèi)地層結(jié)構(gòu)、區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)特征、地下水水位等變化進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)研究,得出了地下水水位的變動(dòng)是導(dǎo)致塌陷的最直接原因。高密度電阻率法是目前常用的一套以電信號(hào)為中介對(duì)地下地層信息進(jìn)行電性分析的物探方法,其所測(cè)深度及精度與巖溶塌陷的需求吻合性非常強(qiáng),且在巖溶塌陷研究需求中經(jīng)濟(jì)實(shí)用[8]。為了驗(yàn)證區(qū)域內(nèi)近幾年巖溶的發(fā)育情況,我們做了對(duì)比性的地下剖面電阻率分布示意圖,檢驗(yàn)近幾年的發(fā)育情況,再次對(duì)前人在本地區(qū)內(nèi)關(guān)于誘發(fā)塌陷的因素推斷提供依據(jù)。

1 泰安市東南羊婁—舊縣區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于泰安市的東南,其基底為變質(zhì)作用伴隨構(gòu)造運(yùn)動(dòng),形成泰山、徂徠山復(fù)式背斜。區(qū)內(nèi)蓋層以斷裂為主,主要有泰山斷裂、徂徠山斷裂、洪溝斷裂、滂河斷裂、岱道庵?jǐn)嗔?、宅子斷裂及萬家莊斷裂等。在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下,地塊整體升降,使下古生代地層呈現(xiàn)單斜構(gòu)造。區(qū)內(nèi)第四系沖洪積層厚度較小,在十幾米到二、三十米不等,泰山山前第四系最厚處約六十米。第四系以下含下古生界寒武系、奧陶系灰?guī)r,巖溶發(fā)育。其中下古生界僅在城區(qū)蒿里山和盆地周邊零星出現(xiàn),巖溶水接受降水直接補(bǔ)給較少主要以接受泰山火成巖變質(zhì)巖裂隙水補(bǔ)給為主,然后向汶河方向徑流,巖溶水呈承壓狀態(tài),水位多高于上覆第四系孔隙水水位,因而在徑流途中巖溶水向上頂托排泄于第四系孔隙水中,最終混入大汶河[1]。

2 泰安市東南羊婁—舊縣區(qū)內(nèi)巖體電阻率分布特征

一般情況下巖溶塌陷的源頭——地下地層巖性的差異基本決定了后期上覆巖體塌陷的可能性與否,易溶性巖層當(dāng)遇到較為活躍的巖溶水系時(shí)便有可能打破原來相互間的應(yīng)力平衡,從而沿著一種新的不穩(wěn)定平衡發(fā)展,當(dāng)這種不穩(wěn)定的平衡發(fā)展到一定程度相互間的應(yīng)力提供已經(jīng)不能夠滿足上覆巖體的應(yīng)力需求時(shí)就會(huì)出現(xiàn)上覆巖體冒落形成塌陷。巖溶塌陷可分為基巖塌陷和上覆土層塌陷兩種,前者由于下部巖體中的洞穴擴(kuò)大而導(dǎo)致頂板巖體的塌落,后者則由于上覆土層中的土洞頂板因自然或人為的因素失去平衡而產(chǎn)生下陷或塌落。一般天然基巖洞穴發(fā)展成的塌陷,常產(chǎn)生深達(dá)十幾米到數(shù)百米的井筒狀塌陷漏斗;由土洞發(fā)展成的塌陷,也產(chǎn)生深幾米到十到幾十米的圓形塌陷坑,或盆形、蝶形、錐形等奇形怪狀塌陷漏斗。一般情況下,致塌力包括巖土體自重力、地下水的垂向滲透力和側(cè)向滲透力、振動(dòng)力,巖土體中氣體正壓力、負(fù)壓力、荷載力等;抗塌力包括巖土體的內(nèi)聚力、周邊摩擦力、地下水的浮托力。對(duì)于一個(gè)塌陷來說不是同時(shí)受到上述所有力共同作用,而是因其本身所處的地質(zhì)環(huán)境和引起塌陷的因素不同而異。由于受力狀態(tài)不同,產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)不一樣,形成塌陷的機(jī)制就有差異,因而有不同致塌模式存在(據(jù)北方巖溶)。根據(jù)不同的致塌力我們可以分為不同的致塌模式像重力致塌、潛蝕致塌、吸蝕致塌、溶蝕致塌、沖爆致塌等不同類型的致塌模式[3～7]。由這些不同的致塌模式我們便容易推斷出塌陷的基本成因步驟,并為更快更好預(yù)防這些塌陷坑提出對(duì)策。

本次研究的目的是調(diào)查區(qū)內(nèi)第四系下伏基巖面埋深和巖溶發(fā)育情況。第四系視電阻率一般在 50ΩM左右,當(dāng)有土洞在時(shí),電阻率在 110ΩM左右變化,灰?guī)r的溶蝕溶洞則反映為同步起伏,以及低電性特征的繼續(xù)延伸,一般視電阻率表現(xiàn)為 30ΩM以下(圖 1,圖 2),完整的灰?guī)r,則反映為 200ΩM以上,當(dāng)有構(gòu)造存在時(shí),視電阻率斷面上視電阻率曲線出現(xiàn)明顯的錯(cuò)動(dòng),局部的突變現(xiàn)象,當(dāng)溶洞在潛水面以上時(shí),反映為相對(duì)的高阻電性特征,松散的第四系沉積物與活躍的巖溶水系間存在較大的電阻率差異,充填的巖溶水與圍巖間也應(yīng)存在較大的電阻率差異,所以總體在該區(qū)開展電法勘查的地球物理前提是具備的。但結(jié)合本地區(qū)的地質(zhì)狀況,其附近區(qū)域內(nèi)斷裂分布復(fù)雜多變,而且由于單一地層內(nèi)所含介質(zhì)的成份不同而致電性也不甚相同,故分析各巖石層位的總體電性差異是工作的重心所在。

圖1 泰安市羊婁—舊縣局域巖體剖面視電阻率等值線測(cè)驗(yàn)示意圖

圖2 泰安市羊婁—舊縣高密度電阻率方法所測(cè)實(shí)驗(yàn)線剖面視電阻率反演檢測(cè)示意圖

3 對(duì)研究區(qū)典型剖面的對(duì)比性物探分析研究

2003年 5月 31日凌晨 4點(diǎn),在泰安市東羊婁村東北400m處的麥田里出現(xiàn)了特大巖溶塌陷坑,塌陷坑呈橢圓形,南北長(zhǎng) 28m,東西長(zhǎng) 35m,可見深度 26.5 m,塌陷伴隨著粘土的塌落聲及刺耳的哨聲…這是當(dāng)時(shí)對(duì)泰安市東南羊婁—舊縣巖溶塌陷的真實(shí)寫照[2],2004年山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院及山東省地質(zhì)調(diào)查院在區(qū)域內(nèi)設(shè)計(jì)并開展了利用高密度電阻率方法探尋致塌因素及控制塌陷發(fā)育程度的研究。圖 3為西羊婁村內(nèi)某條高密度電法勘探線剖面反演圖,共推斷溶洞四個(gè)。2009年 9月作者到達(dá)塌陷坑周圍觀測(cè)發(fā)現(xiàn)南北東西已比初期時(shí)加長(zhǎng)愈 10m且?guī)r溶水已經(jīng)很深。并在塌陷坑西 500m處針對(duì)巖溶塌陷做了部分剖面區(qū)域電阻率檢測(cè)試驗(yàn)。2010年 11月作者再次到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)并開展了對(duì)比檢驗(yàn)性高密度電阻率法實(shí)驗(yàn)。

由實(shí)驗(yàn)可知灰?guī)r的電阻率一般在 200ΩM左右,當(dāng)電阻率值大于這個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí),則推斷為地下溶洞,這便是造成塌陷的根本致塌因素。當(dāng)溶洞一經(jīng)坍塌,上浮體冒落使得局部地基變形第四系沉積物中間出現(xiàn)富水的水洞或者土洞,這便形成了地基的大幅沉降以致最后坍塌的最直接原因。圖 3和圖 4同為該剖面同一位置對(duì)比的物探斷面,我們可以明顯的看出溶洞塌陷前后的局部電阻率分布變化的差異,并在附近的住宅內(nèi)找到了地基變動(dòng)所致的房屋裂縫。.

利用地球物理勘探方法發(fā)射接收并分析人工(或天然)物性場(chǎng)信息的差異來判定地下巖溶體大小、形狀、深度等存在狀態(tài)是目前常用的探查區(qū)域巖溶塌陷的手段。在不斷的結(jié)合巖溶塌陷的實(shí)際地質(zhì)情況我們可以歸結(jié)出各種地質(zhì)反映信號(hào)以靜態(tài)或動(dòng)態(tài)地分析地下巖溶塌陷的發(fā)育程度、變化特征、成熟狀態(tài)[9]。由于巖溶塌陷的形成方式和發(fā)育狀態(tài)的不同,自然界的巖溶塌陷在實(shí)際存在中呈現(xiàn)著千奇百怪的特性,要推斷好這些地層特性,地層與地下水間疊合依托關(guān)系特別是巖溶發(fā)育導(dǎo)致地下空洞所引起的地面起伏變化時(shí)間及程度的預(yù)測(cè),單一靠表層的地質(zhì)反映還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足。物探方法引用了地層間的電性差異的規(guī)律,對(duì)地下巖層間很好的定位是重要的控制檢測(cè)方法。它對(duì)先前地質(zhì)推測(cè)的起到了檢驗(yàn)效果,一般而言在判讀巖溶塌陷時(shí)都對(duì)地表進(jìn)行地質(zhì)分析推斷其發(fā)育來源,空洞形成時(shí)間,發(fā)育狀況,是否受近代人類活動(dòng)的影響等提出各種理論方案,對(duì)區(qū)內(nèi)實(shí)施物探方法就是對(duì)先前地質(zhì)推斷的一個(gè)基本總結(jié)和驗(yàn)證。這種總結(jié)和驗(yàn)證是從科學(xué)的角度出發(fā)的,大大提高了對(duì)地質(zhì)推斷邏輯的嚴(yán)謹(jǐn)性。針對(duì)巖溶塌陷的發(fā)育程度來說,其不同的發(fā)育時(shí)期對(duì)應(yīng)著不同的發(fā)育狀況,其巖性的空間定位必然也發(fā)生變化,高密度電阻率法提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)基本把握了地下地層及地下水的接觸關(guān)系,為后來判定巖溶塌陷的發(fā)育程度及走向趨勢(shì)提供有力證據(jù)。

圖3 2004年泰安市羊婁—舊縣高密度電阻率方法所測(cè)實(shí)驗(yàn)線剖面視電阻率反演示意圖

圖4 2010年泰安市羊婁—舊縣高密度電阻率方法所測(cè)實(shí)驗(yàn)線剖面視電阻率反演對(duì)比示意圖

圖 5 2004年泰安市羊婁—舊縣高密度電阻率方法所測(cè)實(shí)驗(yàn)線剖面視電阻率反演示意圖

圖 6 2010年泰安市羊婁—舊縣高密度電阻率方法所測(cè)實(shí)驗(yàn)線剖面視電阻率反演對(duì)比示意圖

本區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)與巖溶塌陷的形成條件完全符合,是典型的巖溶塌陷危害區(qū)。其致塌原因是多方面的：其一為易溶性的地下灰?guī)r地層存在,構(gòu)成了巖溶塌陷形成的先決條件。可溶性的灰?guī)r巖層被相對(duì)活躍的地下水侵蝕并順?biāo)飨虮坏叵滤疤涂铡毙纬煽斩椿蛲炼?這直接改變了原來的地層間的受力平衡關(guān)系,使得上覆第四系松散沉積物“懸空”。其二為地下水水位的浮動(dòng)變化大。其產(chǎn)生原因(包括當(dāng)?shù)厝藗冮_采利用地下水)往往是多方面的。在這種地下水水位相對(duì)浮動(dòng)變化大的地區(qū),這也直接使得地下地層間形成空洞,且這些空洞里面時(shí)而呈現(xiàn)高壓狀態(tài)時(shí)而呈現(xiàn)低壓狀態(tài)(由塌陷坑開始周圍的哨響所驗(yàn)證),這間接導(dǎo)致了地下地層間相互應(yīng)力的平衡失調(diào)最終進(jìn)一步形成塌陷。其塌陷方式屬于上覆土層塌陷。其致塌力以上覆第四系沉積物自身的重力及下面空洞內(nèi)低壓吸蝕力為主,另外地下水的溶蝕力及侵蝕力也對(duì)上覆土層產(chǎn)生了極大的破壞作用,故其致塌模式為自身重力致塌及吸蝕致塌為主要致塌模式。隨著泰安市對(duì)該地區(qū)內(nèi)深層地下水的不斷開發(fā)和利用導(dǎo)致第四系孔隙水與深層地下水之間交匯對(duì)流進(jìn)一步加劇該區(qū)內(nèi)地下水水位的浮動(dòng)變化對(duì)巖溶塌陷的范圍影響會(huì)越來越廣,且如果按照目前情況推測(cè)該區(qū)內(nèi)塌陷還將會(huì)進(jìn)一步發(fā)生。結(jié)合所作成果,我們可以分析出該地區(qū)呈現(xiàn)低阻異常的巖溶水系發(fā)育非常龐大,而電阻率較高的圍巖(為灰?guī)r)極易被活躍的巖溶水(低電阻率)系溶蝕致上浮松散的第四系沉積物塌陷從而驗(yàn)證了我們以上的推斷。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合所做工作分析,發(fā)現(xiàn)本區(qū)內(nèi)地下水的開采問題仍然沒有規(guī)劃好,地下水水位依然在上下波動(dòng)之中,特別是遇上豐水期或者枯水期的交界時(shí)期塌陷發(fā)生的可能性非常大,由此提出以下幾點(diǎn)建議：

(1)在本區(qū)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)期的物探監(jiān)測(cè)特別是巖溶塌陷的發(fā)育活躍期內(nèi)對(duì)地下塌陷的發(fā)育進(jìn)程和發(fā)育程度都是最直接有效的控制方式,對(duì)于豐富區(qū)域控制型數(shù)據(jù)庫(kù)以及巖溶塌陷的整體發(fā)育理論提供寶貴的典型依據(jù)。

(2)許多受到巖溶塌陷危害的當(dāng)?shù)厝藗冸m然對(duì)致使他們受到危害的“大坑”產(chǎn)生很大的恐懼心理但是對(duì)于這些“大坑”的來源大都知之甚少,地下水仍然過量開采,建議當(dāng)?shù)夭块T查清并結(jié)合相關(guān)機(jī)構(gòu)規(guī)劃合理利用地下水資源。

(3)建立區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)模型庫(kù),使具有各種物探數(shù)據(jù)的特性一一歸類總結(jié)出來,結(jié)合巖溶塌陷的實(shí)際情況預(yù)測(cè)分析好各類塌陷的條件,定性的分析好各類塌陷發(fā)育等級(jí)。在長(zhǎng)期觀測(cè)的途中可以劃分出巖溶塌陷發(fā)育的程度并預(yù)測(cè)沿著某種途徑發(fā)展的趨勢(shì),更好避免災(zāi)害造成的損失。

[1]高宗軍.泰安巖溶地面塌陷形成機(jī)理與防治對(duì)策[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2001,12(4)：74-76.

[2]高宗軍,張富中,魯峰.山東泰安巖溶地面塌陷前兆及其預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[J]中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2004,(03)：149-150

[3]蔣小珍.巖溶塌陷中水壓力的觸發(fā)作用 [J]中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1998,(03)

[4]闕金聲.巖溶塌陷的形成機(jī)理與預(yù)測(cè)方法[J].山西建筑,2009,35(23)：91-92.

[5]賀可強(qiáng),王濱,杜濡林.中國(guó)北方巖溶塌陷[M].北京：地質(zhì)出版社,2005

[6]雷金山,陽(yáng)軍生,肖武權(quán),劉成軍.廣州巖溶塌陷形成條件及主要影響因素[J]地質(zhì)與勘探,2009,(04).

[7]楊立中,王建秀 .國(guó)外巖溶塌陷研究的發(fā)展及我國(guó)的研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1997,(8)：6-10.

[8]董浩斌,王傳雷.高密度電法的發(fā)展與應(yīng)用[J].地學(xué)前緣,2003,10(1)：171-176.

[9]姚道平,張藝峰,鄭韶鵬.高密度電法在灰?guī)r區(qū)的勘察應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報(bào),2008,(04)