彭海輝，張湖源，歐元超，陳 雨

(1. 安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313地質(zhì)隊(duì)，安徽 六安 237010；2.安徽理工大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院，安徽 淮南 232001)

在我國(guó)一些地區(qū)的地下介質(zhì)中會(huì)存溶洞、空洞等的不良地質(zhì)體，常引發(fā)地表塌陷等安全事故[1-2]。因此，需對(duì)地下巖溶、空洞等隱伏災(zāi)害埋藏位置及大小相關(guān)特征進(jìn)行精準(zhǔn)探測(cè)。目前，對(duì)地下不良地質(zhì)體探測(cè)的方法有地震波法、探地雷達(dá)法、電阻率法等。其中，文獻(xiàn)[3]采用數(shù)值模擬方法從理論方面對(duì)地下不良地質(zhì)體的瑞雷波傳播特征進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)在地下軟弱層中及破碎層中其相速度有所降低；文獻(xiàn)[4]則是采用探地雷達(dá)技術(shù)對(duì)道路結(jié)構(gòu)層及道路內(nèi)部損壞進(jìn)行探測(cè)研究；文獻(xiàn)[5]采用高密度電法對(duì)地下空洞進(jìn)行探查，從測(cè)量裝置、空洞埋深、分布形態(tài)及覆蓋層厚度等多方面因素進(jìn)行分析研究。各探測(cè)方法各具優(yōu)越性，同時(shí)也存在一定的不足。地震數(shù)據(jù)采集需進(jìn)行震源的激發(fā)，可能導(dǎo)致新的塌陷隱患產(chǎn)生，甚至引發(fā)塌陷；探地雷達(dá)技術(shù)受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境約束較大，且對(duì)較深層地質(zhì)隱患探測(cè)效果有待改善。目前，采用單一的探測(cè)手段，可靠性不足，難以精準(zhǔn)圈定巖溶的空間分布范圍。因此，文章采用高密度電法與瞬變電磁法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖溶塌陷區(qū)進(jìn)行綜合地球物理探查，并結(jié)合鉆探資料對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，準(zhǔn)確圈定了地下溶洞的發(fā)育位置和分布范圍。

1 區(qū)域地質(zhì)條件

研究區(qū)位于霍邱某鐵礦廠附近，該區(qū)內(nèi)地層屬華北區(qū)淮河分區(qū)，除西部長(zhǎng)山丘陵一帶有零星的新元古界青白口系和下古生界寒武系出露外，余者均為第四系覆蓋，該系沉積類型屬河湖相沉積，多為棕紅、黃褐色，第四系之下，分布有較大面積的新太古界霍邱群變質(zhì)巖系及中生代地層。其中，該區(qū)淺部第四系以砂性土發(fā)育為主，為孔隙水賦存提供了良好的空間。西部四十里長(zhǎng)山丘陵分布有碳酸鹽類巖石，巖溶較為發(fā)育，為地下水的賦存和運(yùn)移提供了條件。第四系和新近系之下為變質(zhì)巖類巖石，裂隙不發(fā)育，含水較貧乏，唯風(fēng)化帶含有較豐富的風(fēng)化裂隙水。研究區(qū)內(nèi)砂巖及灰?guī)r層發(fā)育，地下水較為豐富，為巖溶發(fā)育提供良好的物質(zhì)及環(huán)境條件。

該研究區(qū)于2018年發(fā)生面積約4.4×104m2的地面塌陷，最大下沉量大0.52m，并且存在進(jìn)一步塌陷的危險(xiǎn)。經(jīng)前期勘探資料發(fā)現(xiàn)，礦床內(nèi)無斷層發(fā)育，但在本次研究區(qū)附近有斷層通過。另外，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育形成的若干巖溶受到礦區(qū)地下開采影響而導(dǎo)致巖溶結(jié)構(gòu)受到破壞是引起本次塌陷的主要誘因。因此，為避免因現(xiàn)場(chǎng)勘探而造成安全隱患的情況下，選擇了瞬變電磁法和高密度電法相結(jié)合的綜合勘探方法對(duì)研究區(qū)深部巖溶空間發(fā)育及分布位置進(jìn)行精確探測(cè)，為下一步的災(zāi)害治理措施的制定提供指導(dǎo)。

2 探測(cè)技術(shù)

2.1 物性基礎(chǔ)

目標(biāo)體與其周圍地質(zhì)體間存在較為明顯的物性差異是開展地球物理探測(cè)工作的前提。前期勘察資料表明探測(cè)區(qū)內(nèi)的第四系覆蓋層電阻率值相對(duì)較低，下伏基巖層則表現(xiàn)相對(duì)高電阻率；而在巖溶塌陷區(qū)，由于巖溶內(nèi)部充水明顯，相較于周圍地質(zhì)體，該區(qū)域則會(huì)整體表現(xiàn)為具有明顯圈閉形態(tài)的低電阻率區(qū)。據(jù)此，可根據(jù)地質(zhì)體與異常體之間的電性差異以及異常體的空間展布形態(tài)進(jìn)而確定巖溶發(fā)育特征。

2.2 探測(cè)技術(shù)原理

1)瞬變電磁法。瞬變電磁法測(cè)試裝置是由發(fā)射回線和接收回線兩部分組成，工作過程分為發(fā)射、電磁感應(yīng)和接收三部分。瞬變電磁法屬時(shí)間域電磁感應(yīng)方法[6-9]，其探測(cè)原理是：在向發(fā)射線圈供入發(fā)射電流I1的同時(shí)，線圈周圍建立了頻率和相位都相同的交變磁場(chǎng)H1，稱其為一次場(chǎng)。若這個(gè)磁場(chǎng)穿過地下良導(dǎo)體，則由于電磁感應(yīng)，可在良導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生二次感應(yīng)電流I2。這個(gè)電流又在周圍空間建立了交變磁場(chǎng)H2，稱其為二次場(chǎng)。如果沒有良導(dǎo)體存在時(shí)，將觀測(cè)到二次場(chǎng)快速衰減的過渡過程；當(dāng)存在良導(dǎo)體時(shí)，由于電源切斷的一瞬間，在導(dǎo)體內(nèi)部將產(chǎn)生渦流以維持一次場(chǎng)的切斷，所觀測(cè)到的過渡過程衰變速度將會(huì)變慢，分析和處理其觀測(cè)的數(shù)據(jù)，最終對(duì)地下異常電性參數(shù)進(jìn)行解釋。

2)高密度電法。高密度電法[10-13]是在直流電阻率法基礎(chǔ)上的優(yōu)化改進(jìn)后形成的，其是以異常體與周圍地質(zhì)體間的電性差異為前提，通過研究在地下人為建立穩(wěn)定電流場(chǎng)時(shí)的各深度位置處電阻率分布情況，進(jìn)而判斷地質(zhì)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及判斷異常體分布位置。高密度電法集電剖面和電測(cè)深為一體，具有更高的工作效率、更豐富的數(shù)據(jù)量及更高的分辨率，在地質(zhì)災(zāi)害探測(cè)等領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用[14-18]。

探測(cè)區(qū)地下介質(zhì)存在較大的電性差異，瞬變電磁法及高密度電法正是利用電性差異對(duì)介質(zhì)的進(jìn)行探查，利用這兩種物探方法對(duì)巖溶塌陷區(qū)進(jìn)行巖溶空間分布的探測(cè)具有一定的優(yōu)越性及可靠性。

3 現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)

3.1 測(cè)線布置

根據(jù)測(cè)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，選擇垂直塌陷區(qū)走向方向布置測(cè)線，以充分獲取測(cè)區(qū)地下介質(zhì)信息，測(cè)線布置圖如圖1(a)～(b)所示。瞬變電磁法與高密度電法測(cè)線布置參數(shù)如表1、表2所示。瞬變電磁剖面測(cè)量和測(cè)深工作同時(shí)完成，從二維及三維斷面上對(duì)地層分布、斷裂構(gòu)造及塌陷區(qū)發(fā)育范圍進(jìn)行探查研究。

(a)瞬變電磁測(cè)線布置 (b)高密度電法測(cè)線布置圖1 現(xiàn)場(chǎng)綜合物探各測(cè)線布置示意圖

表1 瞬變電磁法測(cè)線布置參數(shù)

表2 高密度電法測(cè)線布置參數(shù)

3.2 探測(cè)數(shù)據(jù)分析

1)瞬變電磁數(shù)據(jù)分析。瞬變電磁數(shù)據(jù)采集完成，采用專業(yè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得各測(cè)線二維剖面圖(見圖2)，另外，通過提取各測(cè)線二維剖面中相同深度數(shù)據(jù)并進(jìn)行從新組合，最終獲得不同深度下的水平切片圖(見圖3)。其中，圖2為瞬變電磁Y-Z方向各測(cè)線二維剖面圖，橫坐標(biāo)為測(cè)線長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)為高程，圖3為瞬變電磁X-Y水平方向不同深度切片圖，水平坐標(biāo)為平面二維坐標(biāo)，垂向坐標(biāo)為高程。

(a)1～4號(hào)測(cè)線剖面圖

(b)5～8號(hào)測(cè)線剖面圖

(c)9～11號(hào)測(cè)線剖面圖

(d)9～14測(cè)線剖面圖圖2 瞬變電磁Y-Z方向各測(cè)線二維剖面圖

由圖2可知，表層第四系土層表現(xiàn)為低電阻率，電阻率值多分布在10～25Ω·m，下部巖石層表現(xiàn)為較高電阻率，電阻率值多分布在30～65Ω·m。由圖2(a)，1～4號(hào)測(cè)線下部的基巖中出現(xiàn)多個(gè)低阻異常區(qū)，其中，YC-1與YC-2異常區(qū)發(fā)育范圍較大，分布在高程-35～-280 m范圍，電阻率值多分布在10～35Ω·m；YC-3異常區(qū)發(fā)育范圍相對(duì)較小，分布在高程-35～-220 m。由圖2(b)，5～8號(hào)測(cè)線剖面圖中呈現(xiàn)出三個(gè)較小低阻異常區(qū)，分別為YC-4、YC-5、YC-6，分布在高程-40～-150 m范圍。由圖2(c)、(d)，9～14號(hào)測(cè)線剖面圖中未出現(xiàn)明顯異常區(qū)，巖體結(jié)構(gòu)整體較為完整，分析測(cè)線已在地下巖溶發(fā)育區(qū)范圍外。

為更加直觀呈現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)各測(cè)線測(cè)量數(shù)據(jù)所得到的低阻異常體空間分布特征，故對(duì)各條二維測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行提取整理后得到圖3。由圖3能清晰呈現(xiàn)不同深度異常區(qū)域空間發(fā)育情況，可以看出YC-1、YC-2異常區(qū)范圍較大、發(fā)育程度較高，YC-3～YC-6異常區(qū)發(fā)育程度較小，同時(shí)，各低阻異常區(qū)之間均有一定的連通且空間分布較為靠近。故推斷YC-1～YC-6位置在基巖內(nèi)部出現(xiàn)的低阻異常區(qū)域可能為巖溶發(fā)育，其中YC-1、YC-2為主要巖溶發(fā)育區(qū)。

2)高密度電阻率法數(shù)據(jù)分析。為進(jìn)一步判斷在研究區(qū)內(nèi)通過瞬變電磁探測(cè)到的低阻異常區(qū)是否為巖溶發(fā)育以及確定其準(zhǔn)確的空間展布范圍，故在上述得到的異常區(qū)附近地表增加布設(shè)了三條高密度電法測(cè)線，用于進(jìn)一步綜合探測(cè)及準(zhǔn)確圈定巖溶位置。圖4為對(duì)三條高密度電法測(cè)線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到的電阻率反演剖面圖，其橫坐標(biāo)為測(cè)線長(zhǎng)度，縱坐標(biāo)為高程。

圖3 瞬變電磁X-Y水平方向不同深度切片圖

(a)一號(hào)測(cè)線高密度電法剖面圖

(b)二號(hào)測(cè)線高密度電法剖面圖

(c)三號(hào)測(cè)線高密度電法剖面圖圖4 高密度電法電阻率反演剖面圖

由圖4可見，測(cè)區(qū)內(nèi)淺部主要為第四系表土層，而深部的基巖結(jié)構(gòu)并不完整，且其內(nèi)部存在多處明顯低阻異常區(qū)，電阻率約為1～10 Ω·m。

其中，圖4(a)可見探測(cè)斷面內(nèi)在測(cè)線長(zhǎng)度在350～500m處的低阻異常主要在-50m高程的淺部，在平面位置上與TEM解釋推測(cè)的YC-1號(hào)異常相對(duì)應(yīng)；測(cè)線長(zhǎng)度在700～750m處的低阻異常深度到-150m高程位置向下未閉合，說明仍向下延深，在平面位置上與TEM解釋推測(cè)的YC-2號(hào)異常相對(duì)應(yīng)。

圖4(b)斷面內(nèi)異常在測(cè)線長(zhǎng)度在450m處的深部低阻異常延深到-150m高程向下未閉合，說明向下延深較大，在平面位置上與TEM解釋推測(cè)的YC-1號(hào)異常相對(duì)應(yīng)；測(cè)線長(zhǎng)度在600～650m處的低阻異常深度到-200m高程位置向下未閉合，在平面位置上與TEM解釋推測(cè)的YC-2號(hào)異常相對(duì)應(yīng)。

圖4(c)斷面內(nèi)在測(cè)線長(zhǎng)度在120～250m處的低阻異常向深部未閉合，在平面位置上與TEM解釋推測(cè)的YC-1號(hào)異常相對(duì)應(yīng)；測(cè)線長(zhǎng)度在300～400m低阻異常深部-70m高程位置出現(xiàn)下凹異常，在平面位置上與TEM解釋推測(cè)的YC-2號(hào)異常相對(duì)應(yīng)。

由瞬變電磁法及高密度電法綜合勘探得到的結(jié)果可知，兩種測(cè)量得到的異常區(qū)分布基本一致，在測(cè)區(qū)內(nèi)分布多處疑似巖溶發(fā)育，且YC-1、YC-2為主要巖溶發(fā)育區(qū)。該塌陷沉降區(qū)形成的主要原因認(rèn)為是由礦山巷道長(zhǎng)期排水，YC-1、YC-2異常區(qū)中的溶洞與深部斷層及異常帶中裂隙間形成了人為的地下水通道，使第四系和新近系砂層、泥灰?guī)r與基巖風(fēng)化帶含水層中的砂、土顆粒流失，局部地段形成充水空洞，加上外部因素的礦山開采、爆破震動(dòng)及大氣降水等因素的綜合影響，達(dá)到巖溶及充水空洞坍塌的臨界值進(jìn)而形成的突發(fā)性地表塌陷沉降事件。建議礦山生產(chǎn)工作進(jìn)行合理的抽排水，防止巖溶進(jìn)一步發(fā)育；對(duì)探測(cè)結(jié)果中明顯巖溶發(fā)育區(qū)進(jìn)行注漿充填等合理的施工治理。

3.3 鉆探驗(yàn)證

為驗(yàn)證綜合勘探結(jié)果的準(zhǔn)確性，在疑似巖溶發(fā)育位置選擇低阻異常規(guī)模相對(duì)較大的YC-2異常中心附近打鉆驗(yàn)證。根據(jù)查證鉆孔鉆探結(jié)果：淺部高程0～50m間為第四系土層；高程-150～0m范圍內(nèi)巖體破碎、裂隙構(gòu)造發(fā)育明顯且充填大量泥水，其為斷層的延伸區(qū)；電阻率等值線圖反應(yīng)的完整基巖面頂部與鉆探結(jié)果相比有一定偏差，主要因在高程-208～-150m間由大量破碎巖體及斷層泥等充填，斷層帶及兩盤破碎巖石的裂隙可能是水的通道，因此產(chǎn)生了深部的低阻異常。鉆探施工結(jié)果與瞬變電磁法、高密度電法探測(cè)結(jié)果基本一致，說明了探測(cè)方法的可行性與有效性。

4 結(jié)論

(1)在測(cè)區(qū)內(nèi)圈定2個(gè)主要低阻異常區(qū)，其中YC-1、YC-2異常區(qū)中巖溶發(fā)育明顯且影響范圍及深度較大，深度到-200m高程位置，推測(cè)其是引起塌陷的主要因素；其余4個(gè)低阻異常延深較小，主要是淺部溶洞引起，不是引起塌陷的主要因素。

(2)高密度電阻率法探測(cè)分辨率較高，對(duì)溶洞等地質(zhì)異常體的空間發(fā)育形態(tài)反映準(zhǔn)確，但勘探深度較淺；而瞬變電磁法則可彌補(bǔ)勘探深度不足的問題，提高對(duì)研究區(qū)內(nèi)深部結(jié)構(gòu)的探測(cè)能力，獲得更加全面的地質(zhì)數(shù)據(jù)信息。將上述兩種勘探方法相結(jié)合對(duì)巖溶塌陷區(qū)進(jìn)行綜合地球物理探測(cè)可明顯提高探測(cè)結(jié)果的可靠性及精確性，應(yīng)用效果良好。