毛　明， 岳志平， 董　城， 肖興旺

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700；　2.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙　410015)

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綜合物探解釋在路面沉陷研究中的運(yùn)用

毛明1， 岳志平2， 董城2， 肖興旺1

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 永順416700；2.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙410015)

[摘要]采用多種地球物理勘探方法可以有效減少推斷解釋的多解性，提高解釋準(zhǔn)確性，借助高密度電法、垂向視電阻率測(cè)深和地震映像法對(duì)公路路面沉降的地質(zhì)原因進(jìn)行了綜合分析和解釋，基本查清了勘區(qū)內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)、巖性接觸帶和異常分布空間特征，分析了構(gòu)造的走向以及所影響的地層，并根據(jù)地震映像資料推測(cè)一處近地表塌陷區(qū)域，為公路路面沉降的治理提供了可參考的依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]地球物理勘探； 高密度電法； 電阻率測(cè)深； 地震映像法； 塌陷區(qū)域

0前言

地球物理勘探具有應(yīng)用范圍廣、信息量大和高效快捷等特點(diǎn)，可以多層次、多角度提供大量有用的

地下隱伏構(gòu)造信息[1]，因此，它在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

在實(shí)際地質(zhì)工作中，由于單一的某種地球物理異常場(chǎng)的分布可能對(duì)應(yīng)于地下多種地質(zhì)現(xiàn)象，因此，當(dāng)對(duì)地球物理場(chǎng)的觀測(cè)資料進(jìn)行推斷解釋時(shí)，應(yīng)注意反演問題的多解性[2-4]。采用多種地球物理勘察方法進(jìn)行綜合解釋可以避免或減少反演問題的多解性或得到唯一解[5]，提高解釋精度。本文利用電法及地震映像法對(duì)株洲縣某村的公路路面沉降災(zāi)害的地質(zhì)背景進(jìn)行了綜合解釋，取得了較好的效果。

1工作區(qū)概況

湘西某縣道由于煤礦生產(chǎn)導(dǎo)致縣道路面已經(jīng)發(fā)生開裂、下沉，對(duì)當(dāng)?shù)氐牡缆方煌ò踩珮?gòu)成威脅，由于治理難度大，至今仍未得到根本治理，由于該線路關(guān)系到交通、防洪及航運(yùn)等方面的安全，地政府及國(guó)土部門對(duì)該路面沉陷地質(zhì)災(zāi)害十分重視，目前根據(jù)施工、地形地質(zhì)條件，對(duì)災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行了高密度電法、垂向視電阻率測(cè)深和地震映像法綜合地球物理勘探。

區(qū)內(nèi)屬大陸性亞熱帶氣候，潮濕而炎熱，雨量充沛，四季分明。工作區(qū)出露地層區(qū)內(nèi)出露的地層有泥盆系上統(tǒng)錫礦山組，三疊系上統(tǒng)安源組及第四系，由新至老簡(jiǎn)述如下：

① 第四系(Q)。

上部為硬塑狀粉質(zhì)粘土，下部為砂礫石層。為湘江一級(jí)階地，主要分布于大塘湖、丫塘等地勢(shì)低洼地段。平均厚度層厚小于10 m。工作區(qū)局部地段有人工填土、廢渣分布。

② 三疊系上統(tǒng)安源組(T3a)。

大面積分布于工作區(qū)。巖性主要為細(xì)砂巖、頁(yè)巖等。節(jié)理裂隙發(fā)育。與下伏地層呈斷層接觸關(guān)系。

③ 泥盆系上統(tǒng)錫礦山組(D3x)。

僅分布于工作區(qū)東部，巖性主要為泥灰?guī)r、灰?guī)r，巖質(zhì)堅(jiān)硬、較完整。

當(dāng)?shù)氐慕煌ㄖ鞲傻馈h道路面開裂、下沉日趨現(xiàn)象嚴(yán)重，已經(jīng)對(duì)交通安全構(gòu)成嚴(yán)重隱患。路面開裂、下沉情況見圖1，路面變形情況見圖2。

圖1　路面開裂、下沉Figure 1　Pavement cracking and sinking

圖2　路面嚴(yán)重變形Figure 2　Road serious deformation

2物探工作布置與方法

物探工作設(shè)計(jì)的目的主要有2個(gè)： ①探明工作區(qū)內(nèi)的第四系地層厚度、老窯采空區(qū)及原堂市煤礦老采區(qū)的大致分布情況； ②探明工作區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造、地層巖性界面的位置及走向。

針對(duì)上述不同目的任務(wù)，采用不同的物探工作方法。探測(cè)第四系厚度、采空區(qū)分布情況采用高密度電阻率法；選取地震映像法主要查明路面變形破壞嚴(yán)重區(qū)是否存在空洞，擾動(dòng)土地及其分布范圍，為工程治理措施(注漿)提供參考；采用視電阻率垂向電測(cè)深測(cè)量，確定地下空洞，構(gòu)造帶、電性不均勻體存在位置，為確定驗(yàn)證鉆探位置提供依據(jù)。

2.1剖面設(shè)置

因歷史原因，原煤礦開采資料缺失，需查明老采空區(qū)范圍，實(shí)測(cè)了7條剖面，采用高密度電法測(cè)量和視電阻率垂向電測(cè)深測(cè)量，編號(hào)為G1～G3，長(zhǎng)度600 m。實(shí)測(cè)物探剖面G5和G7，主要查明老窯采空區(qū)分布及路面沉陷變形嚴(yán)重區(qū)空洞分布位置。設(shè)計(jì)2條近似平行的剖面(G9和G92)，與路走向基本一致，見表1，地震映像法實(shí)測(cè)完成工作統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 電法實(shí)測(cè)完成工作統(tǒng)計(jì)表Table1 Workloadofelectricalmethod測(cè)線編號(hào)長(zhǎng)度/m高密度電阻率法測(cè)點(diǎn)數(shù)視電阻率垂向電測(cè)深點(diǎn)數(shù)G16001200G26001201G36001200G59001804G77501501G9135027014G929001800其他位置5合計(jì)5700114025

表2 地震映像法實(shí)測(cè)完成工作統(tǒng)計(jì)表Table2 Workloadofseismicimagemethod測(cè)線編號(hào)長(zhǎng)度/m測(cè)點(diǎn)數(shù)DZ1117118DZ2100101DZ3100101DZ4200201合計(jì)417421

本次測(cè)量共計(jì)7條高密度剖面，4條地震映像剖面，見圖3。粉紅色為實(shí)測(cè)物探高密度測(cè)線，紅色點(diǎn)為實(shí)測(cè)垂向電測(cè)深點(diǎn)。

圖3　工作點(diǎn)位分布圖Figure 3　Working point distribution

2.2工作原理

為探測(cè)第四系厚度、采空區(qū)分布情況及大體特征，本次高密度電法點(diǎn)距采用5 m，電極數(shù)120根。儀器采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制生產(chǎn)的WDJD—3多功能數(shù)字直流激電儀和WDZJ—3多路電極轉(zhuǎn)換器組成的高密度電法測(cè)量系統(tǒng)。地震映像儀器采用NZ24地震儀1套。

2.2.1高密度電法

高密度電阻率法是集電剖面和電測(cè)深為一體采用高密度布點(diǎn)，進(jìn)行二維地電斷面測(cè)量的一種電阻率法勘查技術(shù)。實(shí)際上是一種陣列勘探、以巖土電性差異為基礎(chǔ)的一類電探方法，研究在施加電場(chǎng)的作用下，地下傳導(dǎo)電流的分布規(guī)律，從而達(dá)到解決地質(zhì)目的。野外工作時(shí)將數(shù)十根電極一次性布設(shè)完畢，每根電極既是供電電極，又是測(cè)量電極(見圖4)。通過(guò)程控多路電極轉(zhuǎn)換開關(guān)和電測(cè)儀實(shí)施數(shù)據(jù)的自動(dòng)、快速采集。極距的遞增一般以電極間距為單位，每個(gè)極距依固定的裝置形式逐點(diǎn)由左向右移動(dòng)完成該極距的數(shù)據(jù)采集，然后增大極距進(jìn)行下一個(gè)極距的數(shù)據(jù)采集。隨著隔離系數(shù)的增大，測(cè)點(diǎn)數(shù)逐漸減少，測(cè)點(diǎn)在斷面上的分布呈倒三角形[6，7]。

圖4　高密度電法工作原理圖Figure 4　Working principle of the high-density electrical 　　　method

2.2.2垂向電測(cè)深

測(cè)深采用對(duì)稱四極裝置：其主要特點(diǎn)是在測(cè)量電極M、N不變(或少變)的情況下，供電電極A、B對(duì)稱地逐漸向兩邊拉開，見圖5，通過(guò)不斷加大AB的距離，以達(dá)到了解從淺到深地下電性(導(dǎo)電性和激發(fā)極化效應(yīng))變化的目的[8]。

圖5　對(duì)稱四極測(cè)深裝置觀測(cè)示意圖Figure 5　Symmetric four-pole sounding device schematic 　　　diagram

2.2.3地震映像法

地震映像法，又稱地震共偏移距法，是以相同的小偏移距逐步移動(dòng)測(cè)點(diǎn)接收地震信號(hào)，在地面或水面對(duì)地下地層或地下目的物進(jìn)行連續(xù)掃描，利用多種地震波信息來(lái)探測(cè)地下介質(zhì)變化的淺層地震勘探方法，其前提是地下介質(zhì)密度、速度、泊松比具有差異。在地震映像測(cè)量過(guò)程中，激發(fā)后在接收點(diǎn)用單個(gè)檢波器接收。儀器記錄后，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)同時(shí)向前移動(dòng)一定的距離(稱為點(diǎn)距)，重復(fù)上述過(guò)程可獲得一條地震映像時(shí)間剖面[9]。

地震映像法的主要特點(diǎn)有：可以利用反射波、折射波、面波等多種彈性波作為有效波來(lái)進(jìn)行探測(cè)，也可以根據(jù)探測(cè)目的要求僅采用一種特定的地震波作為有效波；炮檢距小，激發(fā)點(diǎn)和接收點(diǎn)之間的反射波近似垂直，類似于自激自收，因而采集數(shù)據(jù)的信噪比高，且測(cè)量點(diǎn)設(shè)在激發(fā)和接收距離的中點(diǎn)，該點(diǎn)正反映了偏移距范圍內(nèi)的地下巖層、巖性的變化；由于每個(gè)記錄道都采用了相同的偏移距，地震記錄上的時(shí)間變化主要為地下地質(zhì)體的反映，連接起來(lái)的地震時(shí)間剖面即是地下界面形態(tài)的反映，資料處理時(shí)，可直接對(duì)資料進(jìn)行部分?jǐn)?shù)字分析，如頻譜分析、相關(guān)分析等；由于采用的是單炮激發(fā)、單道接收，在資料處理過(guò)程中不需要進(jìn)行動(dòng)校正、疊加等處理，節(jié)省了資料處理時(shí)間，避開了動(dòng)校正對(duì)淺層反射波的拉伸、畸變影響，可以全部保留反射波動(dòng)力學(xué)特征，減少了處理誤差[10，11]。

3物探成果解釋

3.1高密度電法測(cè)深

本次的7條線高密度電法剖面長(zhǎng)短不一，最小600 m，最長(zhǎng)為G9線，長(zhǎng)度1.35 km，對(duì)于短剖面一次布設(shè)120道，5 m電極距即可測(cè)量完成；對(duì)于長(zhǎng)剖面為連續(xù)滾動(dòng)測(cè)量，下個(gè)剖面的起始點(diǎn)是上個(gè)的起始點(diǎn)+150 m遠(yuǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)視電阻率二維反演，各測(cè)線的擬斷面圖、二維反演結(jié)果及解譯分別如圖6～圖8所示，整個(gè)測(cè)區(qū)所有圖件色標(biāo)統(tǒng)一，由低到高的反演顏色由藍(lán)色逐漸變?yōu)榧t色，藍(lán)色表示低阻，紅色表示高阻，推測(cè)斷層(或者巖性接觸帶)用紅色虛線表示，推測(cè)異常靶區(qū)用藍(lán)色虛線圈狀表示。由于篇幅有限，本文主要介紹G1～G3線的解釋。

圖7為G1線結(jié)果：圖中上部為視電阻率擬斷面等值線圖，中部為二維反演結(jié)果圖，下部為地質(zhì)解釋結(jié)果。其中推測(cè)接觸帶用紅色虛線表示。

圖6　高密度電法G1線2D反演電阻率及地質(zhì)解釋斷面圖Figure 6　G1 line 2—D inversion of resistivity profile and 　　　geological explanation

測(cè)線長(zhǎng)度為600 m，點(diǎn)距5 m，可以看出，高低阻分界線明顯，整體上從左到右電阻率斷面呈低-高阻特征，推測(cè)測(cè)點(diǎn)300號(hào)存在向小號(hào)點(diǎn)(南)的接觸帶，淺部較緩，深部產(chǎn)狀逐漸變陡；推測(cè)在接觸帶JCD1的左部為三疊系上統(tǒng)安源組(T3a)泥質(zhì)巖類，右部為泥盆系上統(tǒng)錫礦山組(D3x)灰?guī)r巖類；在左部的泥碳質(zhì)巖類內(nèi)存在一個(gè)低阻帶，推斷為采空后滲水后形成的低阻，存在塌陷的可能。異常在200號(hào)測(cè)點(diǎn)下方70 m左右。

圖7為G2線結(jié)果：圖中上部為視電阻率擬斷面等值線圖，中部為二維反演結(jié)果圖，下部為地質(zhì)解釋結(jié)果。其中推測(cè)接觸帶用紅色虛線表示。圖6和圖7類似，均為左邊為三疊系上統(tǒng)安源組(T3a)泥質(zhì)巖類，右邊為泥盆系上統(tǒng)錫礦山組(D3x)灰?guī)r巖類；中間存在接觸帶JCD1，推測(cè)其在450號(hào)測(cè)點(diǎn)附近出露，但相比G1線，接觸帶變陡。異常分別推斷在120號(hào)測(cè)點(diǎn)和340號(hào)測(cè)點(diǎn)下方。

圖7　高密度電法G2線2D反演電阻率及地質(zhì)解釋斷面圖Figure 7　G2 line 2—D inversion of resistivity profile and 　　　geological explanation

圖8　高密度電法G3線2D反演電阻率及地質(zhì)解釋斷面圖Figure 8　G3 line 2—D inversion of resistivity profile and 　　　geological explanation

圖8為G3線結(jié)果：與G1線和G2線相似，均是類似特征，推斷接觸帶JCD1在370號(hào)測(cè)點(diǎn)出露，傾向和G2線基本一致，在推斷接觸帶左部為三疊系上統(tǒng)安源組(T3a)泥質(zhì)巖類，右邊為泥盆系上統(tǒng)錫礦山組(D3x)灰?guī)r巖類；不同的是推斷了2個(gè)低阻異常帶，140～170測(cè)點(diǎn)之間為一個(gè)，200～250號(hào)測(cè)點(diǎn)為一個(gè)，推斷200～250號(hào)測(cè)點(diǎn)深部的低阻帶為采空區(qū)的塌陷所致而成。

3.2電阻率垂向測(cè)深

根據(jù)高密度探測(cè)結(jié)果，在地質(zhì)和物探專家的商討下進(jìn)行了垂向電測(cè)深，目的是驗(yàn)證目前發(fā)現(xiàn)和推斷的異常分布，其中具有代表性的結(jié)果如圖9所示。

圖9　單點(diǎn)電測(cè)深層狀反演曲線圖Figure 9　Inversion curve of single point electric sounding

分析圖9可知：測(cè)區(qū)在地層上基本可分為四層，對(duì)應(yīng)電阻率為低-高-低-高，第一層低電阻率推測(cè)為表層覆蓋層厚度，第二層高阻推測(cè)為煤礦頂板圍巖，第三層低阻推測(cè)為煤層及煤層采空區(qū)不完全填充所致，第四層高阻推測(cè)為煤層底板基巖，整體該區(qū)域煤層發(fā)育深度在30～150 m的范圍內(nèi)，由于單點(diǎn)電測(cè)深層狀反演具有多解性，因此電測(cè)深結(jié)果應(yīng)結(jié)合實(shí)際地質(zhì)情況綜合分析應(yīng)用。

3.3地震影像

本次的4條地震映像測(cè)線長(zhǎng)短不一，長(zhǎng)度0.417 km，炮檢偏移距離8 m，每次前進(jìn)1 m，按測(cè)線依次測(cè)量完成，成果圖件中粉紅色虛線表示推測(cè)巖土分界面，藍(lán)色虛線表示推測(cè)塌陷區(qū)域或采空區(qū)域?？紤]到篇幅有限，本文主要對(duì)DZ1、DZ3的解釋進(jìn)行介紹。

① DZ1測(cè)線解釋。

圖10為DZ1測(cè)線地震映像波形及綜合解釋斷面圖，根據(jù)地震波波形圖可知，該段地震映像資料整體反射波同相軸凌亂，推測(cè)基巖面較為破碎或風(fēng)化較嚴(yán)重，在10～40 ms的范圍內(nèi)存在一較明顯的反射界面，推測(cè)為巖土界面，具體如圖中粉色虛線所示。在里程40～50 m、時(shí)間50～70 ms的范圍內(nèi)，振幅增強(qiáng)，有振蕩現(xiàn)象和類似于短弧形的同相軸，具體如藍(lán)色虛線所示，推測(cè)該區(qū)域?yàn)槌涮钚筒捎脜^(qū)域，在里程100～110 m、時(shí)間70～90 ms的范圍內(nèi)，反射波振幅變大，頻率變低，推測(cè)該區(qū)域?yàn)榘氤涮钚筒煽諈^(qū)域。綜合斷面圖深度是根據(jù)高密度資料結(jié)合區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料確定，存在一定誤差，但地震映像資料的平面位置準(zhǔn)確性較高。

圖10　地震映像DZ1測(cè)線波形圖及地質(zhì)解釋斷面圖Figure 10　DZ1 line seismic image wave profile and 　　　geological explanation

② DZ3測(cè)線解釋。

圖11為DZ3測(cè)線地震映像波形及綜合解釋斷面圖，根據(jù)地震波波形圖可知，該段地震映像資料整體反射波同相軸凌亂，推測(cè)基巖面較為破碎或風(fēng)化較嚴(yán)重，在10～20 ms的范圍內(nèi)存在一較明顯的反射界面，推測(cè)為巖土界面，具體如圖中粉色虛線所示。在里程75～110 m、時(shí)間10～60 ms的范圍內(nèi)，反射波同相軸凌亂，振幅增強(qiáng)，頻率變低，具體如藍(lán)色虛線所示，推測(cè)該區(qū)域?yàn)椴煽账輩^(qū)域，由于采空塌陷造成巖層破環(huán)導(dǎo)致地震波速降低，頻率變低。

圖11　地震映像DZ3測(cè)線波形圖及地質(zhì)解釋斷面圖Figure 11　DZ3 line seismic image wave profile and 　　　geological explanation

4結(jié)論

① 本區(qū)推斷了2個(gè)斷裂，17個(gè)物理異常測(cè)點(diǎn)，通過(guò)高密度電法法勘探，基本查清了勘區(qū)內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)、巖性接觸帶和異常分布空間特征；

② 安源組含煤地層，由砂質(zhì)泥巖及少量細(xì)砂巖、泥巖及煤與炭質(zhì)泥巖組成，為目前主要塌陷積水區(qū)。

③ 正斷層F1 斷層使錫礦山組巖溶裂隙含水層與煤系地層接觸，該斷層的富水性及導(dǎo)水性較強(qiáng)，且南部切穿了湘江。

④ 地震映像資料推測(cè)一處近地表塌陷區(qū)域，位于DZ3線75-110 m范圍內(nèi)，推測(cè)1處采空區(qū)域，深度基本地下15～30 m范圍內(nèi)，由于地震映像方法只能反映淺地表異常，探測(cè)深度較淺，資料中反映的異常也可能是近地表巖體破碎所致。

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The Application of Integrated Geophysical Interpretation to the Study of Road Surface Subsidence

MAO Ming1， YUE Zhiping2， DONG Cheng2， XIAO Xingwang1

(1.Hunan Yonglong Expressway Construction Development Company Ltd， Yongshun, Hunan 416700， China；2.Hunan Communications Research Institute， Changsha, Hunan 410015， China)

[Abstract]Using various geophysical exploration methods can effectively reduce the uncertainty of inference and interpretation，furthermore improve the interpretation accuracy.In this paper，with high-density electrical method，vertical apparent resistivity sounding and seismic image method，the geological reasons for road surface subsidence in Zhuzhou were comprehensively analysed and interpreted.The formation in the contact zone and the abnormal distribution of space structure，lithology were basically investigated.The directions of the structures were analysed.Finally，according to the seismic image data，a near surface subsidence area was found.The work above provided reference for disaster controlling.

[Key words]geophysical exploration； high-density electrical method； vertical apparent resistivity sounding； seismic image method； subsidence area

[中圖分類號(hào)]TU 416.217； U 418.6+2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674—0610(2016)02—0151—06

[作者簡(jiǎn)介]毛明(1985—)，男，湖南岳陽(yáng)人，助理工程師，從事高速公路建設(shè)與管理工作。

[基金項(xiàng)目]交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2014 318 785 090)；湖南省屬科研機(jī)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展專項(xiàng)項(xiàng)目(20012TF1001)

[收稿日期]2016—01—18