李小華，王來(lái)龍，高啟鳳

(1. 華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊(duì),河北 三河 065201；2.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害防治工程行業(yè)協(xié)會(huì),北京 100081)

運(yùn)用激電中梯測(cè)量探測(cè)覆蓋型巖溶發(fā)育程度

李小華1，王來(lái)龍2，高啟鳳1

(1. 華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊(duì),河北 三河 065201；2.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害防治工程行業(yè)協(xié)會(huì),北京 100081)

運(yùn)用激電中梯測(cè)量方法，進(jìn)行巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，研究了覆蓋型巖溶的發(fā)育程度。首先研究了不同地層巖性的視電阻率和視極化率特征，得出了巖溶裂隙發(fā)育的主要地球物理特征；再根據(jù)研究區(qū)的激電中梯測(cè)量成果，劃分了4個(gè)異常區(qū)；結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造條件，推斷解釋認(rèn)為Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)中的局部高阻區(qū)為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)；最后通過(guò)布設(shè)電阻率垂向測(cè)深剖面，進(jìn)行推斷反演，并利用鉆孔進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)了1.6 m深溶洞。研究成果表明，激電中梯測(cè)量方法在探測(cè)覆蓋型巖溶的發(fā)育程度方面，取得了較好的效果。

覆蓋型巖溶；激電中梯測(cè)量；視電阻率；異常

圖1 研究區(qū)基巖地質(zhì)構(gòu)造綱要圖

0 引言

巖溶塌陷是我國(guó)巖溶區(qū)主要地質(zhì)災(zāi)害,巖溶塌陷不僅損壞地表生態(tài)、惡化水文地質(zhì)環(huán)境，還影響著各種資源的開發(fā)和利用、阻礙經(jīng)濟(jì)建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展[1]。巖溶塌陷在時(shí)間上具有突發(fā)性，在空間上具有隱蔽性，而且?guī)r溶塌陷危害性強(qiáng)，因此地質(zhì)工作者利用各種技術(shù)平臺(tái)監(jiān)測(cè)和預(yù)防巖溶塌陷[2-4]。隨著物探技術(shù)的不斷發(fā)展，激電中梯測(cè)量技術(shù)被引用到考古、地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境地質(zhì)等方面[5]。運(yùn)用激電中梯測(cè)量技術(shù)對(duì)研究區(qū)的巖溶發(fā)育程度進(jìn)行探測(cè)并通過(guò)布設(shè)電阻率垂向測(cè)深剖面，進(jìn)行推斷反演以及鉆探驗(yàn)證等，獲得了較好的研究成果。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)隸屬于河北省三河市，南近102國(guó)道，京秦高速?gòu)难芯繀^(qū)穿過(guò)，交通極為便利。三河市地處燕山南麓丘陵區(qū)與河北平原[6]的過(guò)渡地帶?？偟貏?shì)北高南低，自北向南傾斜，平均海拔高程5.9～31.9 m。屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，形成降雨比較集中的季節(jié)，一般6～9月份，降雨量占85%以上。研究區(qū)土地資源及地下巖溶水資源豐富，具有良好的農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)基礎(chǔ)。區(qū)內(nèi)工業(yè)主要以化肥、建材、造紙、機(jī)械、印刷和食品加工為主。

1.1 地質(zhì)特征

研究區(qū)域出露為第四紀(jì)地層，下伏基巖主要為古生界寒武系、奧陶系碳酸鹽巖[7]。區(qū)域內(nèi)基巖埋深及分布見圖1。區(qū)域位于中朝準(zhǔn)地臺(tái)(Ⅰ)華北斷拗(Ⅱ)冀中臺(tái)陷(Ⅲ)的次級(jí)構(gòu)造單元大興斷凸(Ⅳ)。附近斷裂有通州南苑斷裂、大洛泡斷裂、禮賢斷裂、夏墊斷裂、大興斷裂。

(1)地層巖性地層較簡(jiǎn)單，主要為古生界奧陶系和寒武系灰?guī)r，其次為古生界石炭系和二疊系頁(yè)巖(見圖1)。(2)地質(zhì)構(gòu)造，穿過(guò)研究區(qū)的斷裂構(gòu)造主要有南苑斷裂、大洛泡斷裂、燕郊斷裂。(3)研究區(qū)位于潮白河、鮑邱河沖積平原水文地質(zhì)區(qū)[8]，主要含水層為新生界第四系松散巖類孔隙含水層和深層古生界奧陶系碳酸鹽巖含水層。第四系沖洪積松散巖類孔隙含水層主要接受大氣降水入滲和灌溉回歸補(bǔ)給，消耗于人工開采、側(cè)向徑流排出，2014年末地下水埋深約22.00 m。深層奧陶系碳酸鹽巖巖溶裂隙含水層在皮各莊、高廟和齊心莊形成三個(gè)基巖淺埋區(qū)，巖溶發(fā)育強(qiáng)度明顯高于深埋地段，形成三個(gè)強(qiáng)富水地段。

2 地球物理特征

根據(jù)鉆孔巖芯進(jìn)行了物性參數(shù)測(cè)量，電性特征見表1，奧陶系灰?guī)r整體電阻率最大，二疊系砂巖、頁(yè)巖次之，石炭系砂巖、頁(yè)巖更小，而以粘土為成分的第四系電阻率最低。所以在工作區(qū)巖性的電阻率特征為灰?guī)r>頁(yè)巖>第四系。

表1 地層巖性電性特征簡(jiǎn)表

巖溶裂隙的主要地球物理特征為：

(1) 巖溶裂隙完全為松散物和水填充，表現(xiàn)為強(qiáng)烈低阻特征。(2)巖溶裂隙不存在填充物，完全為空洞時(shí)，表現(xiàn)為高阻特性。(3)巖溶和裂隙為部分填充，上部為空洞，下部為松散填充，上部表現(xiàn)為高阻，下部表現(xiàn)為低阻，構(gòu)成高阻與低阻斷續(xù)的串珠狀組合異常。

3 激電中梯測(cè)量方法

3.1 工作原理

激發(fā)極化法是以地殼中不同巖、礦石的激電效應(yīng)差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)與研究人工建立的直流(時(shí)間域)或交流(頻率域)激電場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行解決地質(zhì)問(wèn)題的一組電法勘探分支方法。激電中梯測(cè)量是激發(fā)極化法的一種裝置[9]。它是通過(guò)人工場(chǎng)源向地下供電，在供電電流不變的情況下，地表兩個(gè)測(cè)量電極間的電位差隨時(shí)間增大，在一段時(shí)間后達(dá)到某一飽和值，斷電后，測(cè)量電極之間仍然存在一個(gè)隨時(shí)間減小的電位差，并在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間后其電位差衰減區(qū)域零[10]。根據(jù)不同時(shí)段的二次場(chǎng)，獲得視電阻率和是極化率等參數(shù)，探測(cè)地下巖溶裂隙發(fā)育程度。

3.2 儀器檢測(cè)

采用加拿大鳳凰公司的V8電法工作站作為發(fā)射系統(tǒng)，北京地質(zhì)儀器廠的DWJ-3B微機(jī)激電儀作為接收系統(tǒng)。各臺(tái)儀器在相同條件下往返觀測(cè)，取均方相對(duì)誤差最小的一臺(tái)儀器為“標(biāo)準(zhǔn)”，分別計(jì)算各臺(tái)儀器與“標(biāo)準(zhǔn)”儀器的均方相對(duì)誤差。這個(gè)誤差如大于設(shè)計(jì)總精度的2/3，應(yīng)對(duì)該儀器調(diào)試，使其達(dá)到上述要求或不使用。

采用一致性試驗(yàn)采集參數(shù)一次電位的對(duì)比曲線如圖2，儀器試驗(yàn)結(jié)果見表2。設(shè)計(jì)總精度為7%，各臺(tái)儀器的均方相對(duì)誤差都未超過(guò)設(shè)計(jì)總精度的2/3，其投入生產(chǎn)的所有接收機(jī)均符合設(shè)計(jì)要求。

圖2 激電接收機(jī)一致性試驗(yàn)對(duì)比曲線

表2 激電接收機(jī)一致性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

3.3 極距選擇

在開展激電中梯測(cè)量之前，進(jìn)行了供電極距試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程結(jié)合第四系覆蓋厚度情況，考慮實(shí)際場(chǎng)地條件，在供電極距的中部，以能夠拾取有效信號(hào)為前提盡可能加大供電極距以獲得深部信息。為提高工作成果可靠性，采用的供電極距AB=1260 m，測(cè)量極距MN=80 m，有效觀測(cè)范圍中間840 m，最大旁側(cè)距離200 m。具體布置見圖3。

圖3 激電中梯測(cè)量觀測(cè)示意圖

3.4 測(cè)量要求

每天觀測(cè)前，供電站操作員進(jìn)行以下操作：發(fā)電機(jī)試車，觀察其空載和有負(fù)載時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況；檢查儀器、裝備和通訊工具的基本性能；檢查各線路連接是否正確；檢查導(dǎo)線是否漏電；粗略測(cè)量供電回路電阻，在確定電路接通和人員離開電極后進(jìn)行試供電，選擇合適的供電電壓并調(diào)節(jié)平衡負(fù)載；核對(duì)各電極所在的點(diǎn)線號(hào)。

測(cè)量電極的接地電阻小于15 kΩ，電極坑內(nèi)不得留有礫石和雜物；地表干燥時(shí)，提前向坑內(nèi)澆水；測(cè)量電極避免埋設(shè)在流水、污水里或廢石、沙堆上；盡量減小兩電極間的溫差；在測(cè)量過(guò)程中，電極附近不得有人為擾動(dòng)，嚴(yán)禁在接收機(jī)附近用對(duì)講機(jī)通話；當(dāng)實(shí)際接地點(diǎn)無(wú)法埋設(shè)電極而需移動(dòng)接地點(diǎn)位時(shí)，在測(cè)地誤差容許范圍內(nèi)可以自由移動(dòng)；當(dāng)需要移動(dòng)較大距離時(shí)，可將兩個(gè)測(cè)量電極垂直于測(cè)線作同方向、同距離移動(dòng)，因此造成K值的改變?cè)凇?%內(nèi)時(shí)，可不改算K值。

4 成果解釋

4.1 特征描述及推斷

激電中梯面積性測(cè)量顯示：視電阻率高值主要集中在研究區(qū)西南部及東部地區(qū)，主體呈面狀展布，高低阻區(qū)分明顯。視電阻率低值主要在工作區(qū)西北部和中部，低值區(qū)較連續(xù)，面積較大。依據(jù)視電阻率值可將本區(qū)劃分為4個(gè)大區(qū):Ⅰ號(hào)高阻區(qū)、Ⅱ號(hào)高阻區(qū)、Ⅲ號(hào)高阻區(qū)、低阻區(qū)(圖4)。

圖4 激電中梯測(cè)量視電阻率等值線平面劃分圖

(1) Ⅰ號(hào)異常區(qū)

Ⅰ號(hào)區(qū)分布于工作區(qū)西部，位于高樓-東山西村-皮各莊-高廟之間，高阻帶主軸走向?yàn)楸睎|向，呈面狀，面積約15 km2，視電阻率值約在50～135 Ω·m 之間。該區(qū)除孤山有小面積灰?guī)r出露外，灰?guī)r頂部被第四系蓋層覆蓋，覆蓋厚度在200 m以內(nèi)。根據(jù)工區(qū)地質(zhì)資料皮各莊-高廟一帶為皮各莊古潛山，第四系覆蓋厚度較小。根據(jù)視電阻率等值線平面圖推斷Ⅰ區(qū)的高阻特性為古潛山的反映。

Ⅰ區(qū)又分為Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅰ-4、Ⅰ-5高阻區(qū)，面積約占整個(gè)Ⅰ區(qū)的1/5，視電阻率值約在>80 Ω·m之間，高阻異常區(qū)覆蓋厚度更淺，一般在120 m以內(nèi)，因此巖溶更容易發(fā)育。

(2) Ⅱ號(hào)異常區(qū)

Ⅱ號(hào)區(qū)分布于工作區(qū)東部，位于立家莊-大康莊之間，高阻帶呈面狀，面積約6 km2，視電阻率值約在40～110 Ω·m之間。

根據(jù)調(diào)查區(qū)地質(zhì)資料，齊心莊一帶為齊心莊古潛山，第四系覆蓋厚度較小。根據(jù)視電阻率等值線平面圖推斷Ⅱ區(qū)的高阻特性為古潛山的反映。其Ⅱ區(qū)為齊心莊古潛山的邊緣，其第四系覆蓋厚度也較小，但對(duì)比整體視電阻值Ⅱ區(qū)小于Ⅰ區(qū)，說(shuō)明第四系覆蓋厚度Ⅱ區(qū)大于Ⅰ區(qū)，基巖埋深Ⅱ區(qū)大于Ⅰ區(qū)。

(3) Ⅲ號(hào)異常區(qū)

Ⅲ號(hào)異常區(qū)，位于五福莊一帶，呈面狀分布，面積約2 km2。視電阻率值約在40～87 Ω·m之間。根據(jù)資料顯示，該區(qū)第四系覆蓋厚度較淺，約70～80 m左右，但由于基巖巖性為石炭-二疊系地層，巖溶不發(fā)育。

(4) 低阻異常區(qū)

低阻異常工作區(qū)北西部、北部、中部大面積分布，視電阻率值一般在20～40 Ω·m之間，巖溶弱發(fā)育。北西部低阻區(qū)位于前車坊村-皮各莊-五福莊之間，第四系覆蓋厚度160～350 m。北部低阻區(qū)反映石炭-二疊系巖性特征。中部低阻區(qū)位于韓家莊-小高樓一帶，第四系覆蓋厚度較大，達(dá)300～450 m。

4.2 巖性分界及斷裂構(gòu)造推斷

根據(jù)地球物理特征可知，奧陶系灰?guī)r電阻率最大，二疊系地層次之，石炭系地層最低。根據(jù)視電阻率平面等值線可大致劃分出巖性界線，其界線位于高低阻梯度帶上，分界線以北、以東為石炭系和二疊系地層，分界線以南、以西為奧陶系灰?guī)r地層。五福莊一帶的高阻區(qū)，是由于第四系覆蓋厚度小，基巖埋深淺引起；奧陶系灰?guī)r區(qū)中前車坊村和高樓-大康莊一帶的低阻區(qū)，是由于第四系覆蓋厚度大，基巖埋深大引起。

研究區(qū)內(nèi)存在多條北東向的斷裂構(gòu)造，由于部分地區(qū)第四系覆蓋厚度大，并不能單獨(dú)依靠視電阻值準(zhǔn)確的推斷出每條斷裂的賦存情況。Ⅰ區(qū)內(nèi)的大洛泡斷裂和Ⅲ區(qū)內(nèi)的斷裂存在于高阻區(qū)內(nèi)，位于視電阻率梯度帶上。

4.3 巖溶發(fā)育推斷

根據(jù)地質(zhì)資料，巖溶發(fā)育程度隨埋藏深度的減小而增大，在皮各莊-高廟、齊心莊為基巖淺埋區(qū)的強(qiáng)富水地段，其巖溶發(fā)育強(qiáng)度明顯高于深埋地段。蓋層為第四系地層的地段，巖溶發(fā)育強(qiáng)度比石炭、二疊系埋藏地段的要強(qiáng)，因?yàn)榈谒南档貙映练e前基巖侵蝕基準(zhǔn)面愈低，巖溶發(fā)育的深度及強(qiáng)大隨之也愈大。在斷層附近地段，巖層破碎，巖溶裂隙發(fā)育較強(qiáng)，其發(fā)育深度也較大，而遠(yuǎn)離斷層的地段，巖溶裂隙發(fā)育較弱，其發(fā)育深度較小。

Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)巖性為奧陶系灰?guī)r，并且都存在斷裂構(gòu)造，所以Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)的灰?guī)r淺埋區(qū)更有利于巖溶、裂隙發(fā)育。其中Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)中的局部高阻區(qū)推斷為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)，應(yīng)作為重點(diǎn)研究區(qū)域。

5 異常驗(yàn)證

2線剖面布置于Ⅲ號(hào)高阻區(qū)，根據(jù)視電阻率等值線擬斷面圖，測(cè)線兩端視電阻率顯現(xiàn)出不同形態(tài)，小號(hào)點(diǎn)方向(北西段)明顯低于大號(hào)點(diǎn)方向(南東段)，測(cè)線整體呈現(xiàn)出北西低南東高的電性特征。最大視電阻率值位于大號(hào)點(diǎn)方向1720點(diǎn)AB/2為600 m處，其值為169 Ω·m；最小視電阻率值位于小號(hào)點(diǎn)方向580點(diǎn)AB/2為360 m處，其值為27 Ω·m。

結(jié)合地質(zhì)資料分析反演電阻率等值線斷面圖，可大致推測(cè)出基巖起伏情況和巖性分界線位置。測(cè)線整體基巖起伏變化較大，呈現(xiàn)北西低南東高的特性，北西段基巖埋深在200 m以下，南東段基巖埋深在160 m左右，在測(cè)線的1540點(diǎn)為基巖淺埋區(qū)，埋深為80 m左右。由于奧陶系灰?guī)r電阻率要高于石炭系地層電阻率，所以可大致劃分巖性分界線，小號(hào)點(diǎn)方向(北西段)呈現(xiàn)低阻特性為石炭系地層，大號(hào)點(diǎn)方向(南東段)呈現(xiàn)高阻特性為奧陶系灰?guī)r地區(qū)。在測(cè)線940～1840點(diǎn)為基巖淺埋區(qū)，起伏較大，并且此處存在斷裂，斷裂的存在為巖溶發(fā)育提供有利條件。

圖5 視電阻率垂向測(cè)深斷面綜合圖

經(jīng)1750點(diǎn)位置鉆孔驗(yàn)證，在深度197 m存在高1.6 m的溶洞。綜合分析，在灰?guī)r起伏較大的坡面部位和基巖淺埋區(qū)是巖溶裂隙發(fā)育的有利地段。所以推測(cè)940～1840點(diǎn)間的灰?guī)r為巖溶裂隙發(fā)育區(qū)。

6 結(jié)論

通過(guò)激電中梯視電阻率測(cè)量成果，視電阻率高值主要集中在工作區(qū)西南部及東部地區(qū)，主體呈面狀展布，高低阻區(qū)分明顯。視電阻率低值主要在工作區(qū)西北部和中部，低值區(qū)較連續(xù)，面積較大。依據(jù)視電阻率值特征可將本區(qū)劃分為3處異常區(qū)，即皮各莊-高廟異常區(qū)Ⅰ、五福莊異常區(qū)Ⅱ、齊心莊異常區(qū)Ⅲ。其中齊心莊、皮各莊-高廟異常區(qū)蓋層為第四系覆蓋，巖溶發(fā)育，而五福莊異常區(qū)蓋層為石炭-二疊系砂巖、頁(yè)巖、炭質(zhì)泥巖，巖溶不發(fā)育。調(diào)查區(qū)南部和西北部，電阻率較低，反映基巖覆蓋厚度較大。通過(guò)高阻異常區(qū)Ⅲ的鉆探驗(yàn)證，覆蓋厚度146.8 m，溶孔及裂隙發(fā)育，于196.6～198.2 m見溶洞，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。

[1] 賈玉躍. 中國(guó)北方巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與巖溶水資源保護(hù)對(duì)策研究——以山東棗莊十里泉域巖溶塌陷分析為例[D]. 青島理工大學(xué), 2010.

[2] 雷明堂, 蔣小珍. 巖溶塌陷研究現(xiàn)狀,發(fā)展趨勢(shì)及其支撐技術(shù)方法[J]. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào), 1998(3):1-6.

[3] 康厚榮,羅強(qiáng),凌建明，等. 巖溶地區(qū)公路修筑理論與實(shí)踐[M]. 人民交通出版社, 2008.

[4] 劉秀敏, 陳從新, 沈強(qiáng),等. 覆蓋型巖溶塌陷的空間預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(9):2785-2790.

[5] 李炳貴. 激電中梯掃面物探技術(shù)在探礦中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè), 2013(5):182-183.

[6] 王濱, 于開寧. 河北省巖溶塌陷的分布與形成特征[J]. 工程勘察, 2006(3):32-36.

[7] 姜忠, 賀鵬起, 邸志成. 秦皇島市柳江水源地巖溶塌陷形成條件及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[J]. 中國(guó)巖溶, 1992(3):22-32.

[8] 潘健, 周森, 林培源,等. 廣州市白云區(qū)巖溶塌陷風(fēng)險(xiǎn)初探[J]. 巖土力學(xué), 2013(9):2589-2600.

[9] 汪玉瓊. 激電中梯和激電測(cè)深在織金新麥鉛鋅礦區(qū)的綜合應(yīng)用[J]. 工程地球物理學(xué)報(bào), 2008, 5(5):551-553.

[10] 蔣元安, 李永年, 雷建華,等. 激電中梯勘探深度探討[J]. 西部探礦工程, 2010, 22(10):145-147.

Using the induced polarization intermediate gradien survey to investigate covered karst’s development degree

LI Xiao-hua1, WANG Lai-long2, GAO Qi-feng1

(1.ExplorationUnitofNorth-ChinaGeologicalExplorationBureau,Sanhe，065201,China; 2.ChinaAssociationofGeologicalHazardPrevention,Beijing, 100081,China)

In the paper, we used induced polarization intermediate gradien survey method to investigate karst collapse geological disaster and covered karst’s development degree in the area. Firstly, in order to summarize the main geophysical characteristics of the karst fracture we studied the different formation lithology of apparent resistivity and apparent chargeability characteristics. Secondly, according to the research results of induced polarization intermediate gradien survey, the area was divided into four anomaly area. Then we make investigation risk assessment of the karst collapse in the area, according to the result. And the most important is making the classification and evaluation of karst collapse. Combined with geological structure conditions, we deduced part high resistance areas both inⅠandⅢwere karst fracture development zone. Finally, we discovered a 1.6 meters’ deep karst-cave in the area, by setting the resistivity vertical sounding profiles and inferring inversion. Then drilling verification shows that there really is a karst-cave. Good results have been achieved by the induced polarization intermediate gradien survey method in detecting of the karst’s development degree. The results for economic development and location of the project to provide basic data, which will provide the scientific basis for prevention of ground subsidence of geological disasters, in order to achieve the purpose of disaster prevention and mitigation.

covered karst; induced polarization intermediate gradien survey; apparent resistivity; abnormity

2017-03-09

三河市地方財(cái)政基金項(xiàng)目(YCZB201502-587)

李小華(1983-)，男，江西九江人，碩士，地質(zhì)工程師，華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊(duì)地質(zhì)環(huán)境院總工，研究方向：災(zāi)害地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等。E-mail:115775909@qq.com

P631.32

A

1672-7169(2017)02-0055-06