胡磊磊，黃德軍，何 輝，楊 榮

(1.廣西壯族自治區(qū)地球物理勘察院，廣西 柳州 545005；2.中國有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西 桂林 541004 )

0 引言

巖溶塌陷是覆蓋型巖溶區(qū)最突出的地質(zhì)災(zāi)害問題，是廣西重要的地質(zhì)災(zāi)害之一，對經(jīng)濟建設(shè)和人民的生活構(gòu)成嚴重危害。夏季多雨時節(jié)，降雨量增加，地下水位波動較大，屬于巖溶地面塌陷多發(fā)季節(jié)[1-4]。

廣西都安可溶性巖石廣泛分布，巖溶地貌十分發(fā)育，一向被認為是桂西北巖溶山地的代表性地點，為我國重點巖溶研究地區(qū)之一，受到國內(nèi)外的重視[5]。2019年夏季，都安縣高嶺鎮(zhèn)弄名村弄旺、旺林、弄元隊等多個村屯發(fā)生地面塌陷、地裂縫現(xiàn)象。塌陷區(qū)上覆結(jié)構(gòu)松散的第四系殘坡積土層，厚度超過4 m，下伏巖性為可溶性強的碳酸鹽巖，下伏基巖溶洞發(fā)育，成為裂隙溶洞水的徑流通道。在孔隙潛水與裂隙溶洞水的徑流影響下，上覆土層遭受潛蝕與掏蝕作用，易形成土洞。地下水位波動易導致土洞或溶洞頂板垮塌，形成塌陷[6]。

目前，探測塌陷區(qū)主要以物探為主，進一步可分為高密度電法、淺層地震映像法、瞬變電磁法、管波探測法、地質(zhì)雷達探測法及鉆孔電磁波CT、鉆孔地震波CT等多種方法，各有其優(yōu)缺點[7]。

本次勘查區(qū)上覆主要為第四系沖洪積粉質(zhì)黏土層、含礫黏土層及溶余堆積黏土層，層厚0.7～21.8 m；下伏基巖為中石炭統(tǒng)黃龍組(C2h)灰?guī)r，經(jīng)對比選用高密度電阻率法及地質(zhì)雷達法應(yīng)用于勘查區(qū)物探勘查[8-12]，通過物探勘查手段了解不同探測對象的電性結(jié)構(gòu)，查明覆蓋層厚度、巖面埋深、起伏、巖溶發(fā)育情況，推斷出測區(qū)內(nèi)巖溶等不良地質(zhì)體發(fā)育區(qū)域，同時在場地內(nèi)布設(shè)鉆孔進行對比分析，結(jié)果表明高密度電阻率法及地質(zhì)雷達法推斷異常與鉆孔資料吻合程度高。此次調(diào)查總體上查明了勘查區(qū)內(nèi)巖溶的空間展布、規(guī)模等地球物理特征，為勘查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評價提供基礎(chǔ)資料。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)

都安縣在構(gòu)造上位于右江再生地槽東側(cè)的都陽山隆起南東端，東鄰桂中凹陷的來賓斷褶帶，南接西大明山隆起帶，西與桂西坳陷的西林—百色斷褶帶相接。相當于廣西“山字型”構(gòu)造前弧西翼中段?？h境內(nèi)的褶皺和斷裂均較發(fā)育，并多呈NNW向展布(圖1)。

圖1 勘查區(qū)地貌圖

1.2 勘查區(qū)地質(zhì)

1.2.1 地層

勘查區(qū)地處峰叢洼地，上覆蓋層主要為第四系沖洪積粉質(zhì)黏土層、含礫黏土層及溶余堆積黏土層，層厚0.7～21.8 m；下伏基巖為中石炭統(tǒng)黃龍組灰?guī)r，區(qū)域上巖層傾向西，傾角一般小于25°。

1.2.2 構(gòu)造

根據(jù)資料及現(xiàn)場調(diào)查，勘查區(qū)內(nèi)無斷層通過，地質(zhì)構(gòu)造簡單。勘查區(qū)附近區(qū)域斷層：北冊—弄強斷層于勘查區(qū)東側(cè)約3.5 km處通過；永安—關(guān)峒斷層于勘查區(qū)西側(cè)約1.0 km通過。區(qū)域構(gòu)造形跡主要以NW、NNW走向為主。

勘查區(qū)附近主要斷層特征：北冊—弄強斷層和永安—關(guān)峒斷層：性質(zhì)均為正斷層，兩者呈平行狀發(fā)育于縣境的中部。斷層長40～50 km，斷層面傾向SWW，傾角40°～85°。斷層標志明顯，具10～15 m破碎帶，局部有硅化、白云巖化及銅礦化，破裂面被具鐵質(zhì)浸染之方解石脈充填。

1.2.3 地形地貌

勘查區(qū)地貌類型屬峰叢洼地，微地貌類型有山峰、洼地、天坑。

弄旺、旺林隊塌陷勘查區(qū)為長方形近南北走向的巖溶洼地，洼地長約310 m，寬約220 m，洼地地勢高低起伏，地面高程320～340 m，四周山頂高程500～540 m。

弄元隊塌陷勘查區(qū)為平面形態(tài)呈菱形、長軸東西走向的巖溶洼地，洼地長約300 m，寬約200 m，洼地地勢整體為四周高、中間低，低洼處高程約313 m，四周山頂高程440～580 m。

在兩個勘查區(qū)中間發(fā)育1個天坑，推測為古塌陷。天坑平面呈不規(guī)則多邊形，長軸近東西走向，長約300 m，平均寬約200 m，南、北及西面為直立巖壁，東面開口，坑底高程約200 m，兩側(cè)峰頂高程540～580 m。

1.3 勘查區(qū)水文地質(zhì)條件

1.3.1 地下水類型、富水性及地下水開采現(xiàn)狀

根據(jù)地下水的賦存條件、水理性質(zhì)、水力特征及各含水巖組的空間分布狀況，將場區(qū)地下水類型劃分為松散巖類孔隙水、碳酸鹽巖類裂隙溶(孔)洞水兩類。

根據(jù)調(diào)查，勘查區(qū)村屯及附近村屯均未開采利用地下水，生活用水主要來源于修建水柜收集雨水。

1.3.2 地下水動態(tài)特征

根據(jù)調(diào)查及收集水文地質(zhì)資料分析，勘查區(qū)區(qū)域地下水整體為自東向西流向，勘查區(qū)枯水季節(jié)水位變幅不大，一般小于10 m，水位在基巖中變動；但在雨季、暴雨季節(jié)，水位動態(tài)反應(yīng)靈敏，漲落迅速，水位變幅為80～100 m，接近在土巖界面或土體中的變動幅度。2019年7月15日20時至7月16日20時，弄名村降雨量達180.1 mm，短時間的強降雨，使勘查區(qū)地下水位暴漲，低洼處積水2～3天方才消退，洼地水質(zhì)渾濁，有明顯的消水洞。

1.3.3 地下水與塌陷形成關(guān)系

塌陷區(qū)位于區(qū)域巖溶地下水的補給區(qū)域。鉆探資料顯示，塌陷區(qū)主要巖溶發(fā)育段高程在290 m以上，淺層巖溶非常發(fā)育。勘查區(qū)在2019年7月15日20時至7月16日20時段暴雨，地下水水位變幅為80～100 m，變幅帶恰好位于土層與基巖面接觸帶上，地下水位在垂直方向上的交替變化及地表水下滲淘蝕，使基巖面附近的土層逐漸被掏空而形成土洞，當土洞迅速擴大，導致上部土層頂板的臨界穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，在巖溶地下水水位的再次升降、降雨或地表水體入滲潛蝕等作用下，土洞頂板失穩(wěn)而形成塌陷。

2 勘查區(qū)物性特征

測區(qū)上覆地層主要為第四系沖洪積粉質(zhì)黏土層、含礫黏土層及溶余堆積黏土層，下伏基巖為中石炭統(tǒng)黃龍組灰?guī)r，覆蓋層與圍巖、圍巖與巖溶、裂隙破碎帶的接觸邊界兩側(cè)存在明顯的電性(如介電常數(shù)、電阻率、電導率等電性參數(shù))差異(表1、表2)，形成明顯的電性界面，為該區(qū)開展物探勘查提供了良好基礎(chǔ)。當基巖中存在溶洞、裂隙破碎帶時，將導致這些區(qū)域的電阻率發(fā)生變化，于是區(qū)域水平方向電性的均一性被打破。當其在三維空間上達到一定規(guī)模時，電阻率在縱向上的變化規(guī)律同樣被打破，從而表現(xiàn)出局部和區(qū)域上的電性異常，故可通過研究地質(zhì)體的電性異常來解決相應(yīng)的地質(zhì)問題[13]。

表1 常見介質(zhì)電阻率

表2 常見介質(zhì)的介電常數(shù)、電導率、速度和衰減參數(shù)

3 物探測線布置

本次物探工作采用高密度電法和地質(zhì)雷達法，布置了22條剖面線(高密度電法與地質(zhì)雷達剖面重疊一致)，其中弄旺、旺林隊13條，弄元隊9條(圖2、圖3)。

圖2 弄旺、旺林隊物探工作布置及推斷成果圖

圖3 弄元隊物探工作布置及推斷成果圖

測網(wǎng)布設(shè)原則：

1)測網(wǎng)的布置應(yīng)根據(jù)任務(wù)要求、探測方法及探測對象規(guī)模、埋深等因素綜合確定，測網(wǎng)和工作比例尺應(yīng)能觀測被探測的目標體，并在平面圖上清楚地反映探測對象的規(guī)模和走向。

2)測線方向宜垂直于構(gòu)造或主要探測對象的走向，并根據(jù)勘查區(qū)實際地形較為均勻的布設(shè)，最好能與地質(zhì)勘探線及其他物探方法測線一致，盡量避開干擾源。

4 結(jié)果分析

4.1 勘查區(qū)高密度電阻率法電性特征

勘查區(qū)高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理主要是用計算機將原始采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成處理軟件要求的數(shù)據(jù)格式，經(jīng)畸變點剔除、地形校正等預(yù)處理后進行分析，最終得到各勘測剖面推斷地質(zhì)斷面圖。

覆蓋層厚度的確定：利用高密度電法視電阻率等值線剖面圖、對稱四極電測深解譯的深度取其拐點所對應(yīng)極距(AB/2)的50%～60%，綜合地質(zhì)調(diào)查工作成果確定地層分界。

裂隙發(fā)育區(qū)的圈定：根據(jù)裂隙發(fā)育區(qū)(段)高密度電法的視電阻率在垂向及水平方向上的變化規(guī)律，結(jié)合地面地質(zhì)調(diào)查來綜合確定?？辈閰^(qū)淺部(巖面)裂隙發(fā)育特征在高密度電法測深曲線上呈“A”型及“H”型；深部巖溶發(fā)育的電性異常特征在高密度電法測深曲線上呈“A”型、“KH”型(尾支小于45°上升)，視電阻率等值線剖面上相應(yīng)地段的等值線變化呈現(xiàn)梯度大、等值線低阻呈閉合圈(帶)。

4.2 勘查區(qū)地質(zhì)雷達法電性特征

勘查區(qū)地質(zhì)雷達數(shù)據(jù)處理采用意大利IDS公司的 GRESWIN2 處理軟件，將野外采集的原始雷達探測數(shù)據(jù)，進行濾波、去除直達波、背景消除、線性增益、平滑增益、速度調(diào)整等各種數(shù)據(jù)處理，然后按一定比例直接生成地質(zhì)雷達圖像。

對接收到的反射高頻電磁波進行分析，在存在溶洞等不良地質(zhì)體或小裂隙情況下，易形成明顯的弧型異常或多次反射現(xiàn)象。目標較小、埋藏較深以及介質(zhì)電性差異不大時，可能看不到拋物線結(jié)構(gòu)。探地雷達在接收有效信號的同時，也不可避免地接收到各種干擾信號，產(chǎn)生干擾信號的原因很多，干擾波一般都有特殊形狀，在分析中要加以辨別和確認。

4.3 綜合分析

都安高嶺鎮(zhèn)弄名村弄旺、旺林、弄元隊巖溶地面塌陷區(qū)上覆蓋層為結(jié)構(gòu)松散的第四系殘坡積土層，厚度超過4 m，下伏巖性為可溶性強的碳酸鹽巖，下伏基巖溶洞發(fā)育，成為裂隙溶洞水的徑流通道。在孔隙潛水與裂隙溶洞水的徑流影響下，上覆土層遭受潛蝕與淘蝕作用，易形成土洞。

弄旺、旺林隊2線剖面RD6異常中心位置位于152.5 m處，異常規(guī)模(高×寬)5 m×2 m，異常埋深(頂—底)15～20 m。物探異常特征及推斷：物探綜合成果圖上視電阻率等值線下凹，呈低阻半閉合圈、閉合圈型態(tài)，電測深曲線呈“H”、“KH”型。巖體內(nèi)部界面地質(zhì)雷達反射信號強，呈水平或傾斜帶狀長條形或垂直方向多次孤立體反射信號，三振相明顯，有兩次以上反射信號，推斷異?？赡転槿芏窗l(fā)育引起。驗證鉆孔ZK15揭露中石炭統(tǒng)黃龍組以少量溶蝕裂隙發(fā)育石灰?guī)r為主，在鉆孔深度13.80～14.30 m、14.90～15.60 m處為含礫粉質(zhì)黏土充填溶洞(圖4a)。

圖4 弄旺、旺林隊2線與7線物探綜合成果圖

弄旺、旺林隊7線剖面RD21異常中心位置位于62.5 m處，異常規(guī)模(高×寬)3 m×1 m，異常埋深(頂—底)10～13 m。物探異常特征及推斷：物探綜合成果圖上視電阻率等值線呈低阻半閉合圈型態(tài)，電測深曲線呈“H”、“KH”型。巖體內(nèi)部界面地質(zhì)雷達反射信號強，呈水平或傾斜帶狀長條形或垂直方向多次孤立體反射信號，三振相明顯，有兩次以上反射信號，推斷異?？赡転槿芏窗l(fā)育引起。驗證鉆孔ZK6揭露中石炭統(tǒng)黃龍組以少量溶蝕裂隙發(fā)育石灰?guī)r為主，在鉆孔深度9.40～12.60 m處為含礫粉質(zhì)黏土充填溶洞(圖4b)。

弄元隊4線剖面RD34異常中心位置位于97.5 m處，異常規(guī)模(高×寬)3 m×3 m，異常埋深(頂—底)25～28 m。物探異常特征及推斷：物探綜合成果圖上視電阻率等值線下凹，呈低阻半閉合圈、閉合圈型態(tài)，電測深曲線呈“H”、“KH”型。巖體內(nèi)部界面地質(zhì)雷達反射信號強，呈水平或傾斜帶狀長條形或垂直方向多次孤立體反射信號，三振相明顯，有兩次以上反射信號，推斷異?？赡転槿芏窗l(fā)育引起。驗證鉆孔ZK35揭露中石炭統(tǒng)黃龍組以少量溶蝕裂隙發(fā)育石灰?guī)r為主，在鉆孔深度20.50～23.60 m、24.00～26.70 m處灰?guī)r溶蝕裂隙發(fā)育，巖體破碎；23.60～24.00 m、26.70～27.60 m處為含礫粉質(zhì)黏土充填溶洞。

綜合物探及地質(zhì)、鉆探資料，本次物探勘查工作共圈定了65個物探異常。其中弄旺、旺林勘查區(qū)裂隙破碎異常18處，溶洞異常30個(圖2)；弄元勘查區(qū)裂隙破碎異常7處，溶洞異常8個，土洞異常2個(圖3)。巖溶發(fā)育形態(tài)主要為基巖中的裂隙破碎及個體溶洞，推斷發(fā)育區(qū)域位于巖溶漏斗及溶蝕洼地區(qū)域，強降雨時為地表水的主要排水通道，地表水與地下水變動頻繁，對建筑物穩(wěn)定性影響較大，屬易發(fā)塌陷等地質(zhì)災(zāi)害區(qū)段?？辈閰^(qū)其他區(qū)段為巖溶中等發(fā)育或巖溶弱發(fā)育，推斷淺部巖體溶蝕、節(jié)理裂隙較發(fā)育，深部巖體較完整。

5 結(jié)論

1)結(jié)合本次高密度電法、地質(zhì)雷達探測法成果及測區(qū)地質(zhì)、鉆探資料，綜合研究推斷，在裂隙發(fā)育區(qū)，高密度電法的視電阻率在淺部(巖面)裂隙發(fā)育的特征是測深曲線上呈“A”型及“H”型；在深部巖溶發(fā)育的電性異常特征是測深曲線上呈“A”型、“KH”型尾支小于45°上升，視電阻率等值線剖面上等值線變化梯度大。破碎裂隙或土洞在地質(zhì)雷達時間剖面圖上表現(xiàn)為與周圍巖體反射波不一致，視圖表現(xiàn)空散。地質(zhì)雷達探測法在存在溶洞等不良地質(zhì)體或小裂隙情況下，易形成明顯的弧型異?；蚨啻畏瓷洮F(xiàn)象，目標較小、埋藏較深以及介質(zhì)電性差異不大時，可能看不到拋物線結(jié)構(gòu)。

2)據(jù)本次工作資料分析解釋，推斷弄旺、旺林勘查區(qū)裂隙破碎異常18處，溶洞異常30個；弄元勘查區(qū)裂隙破碎異常7處，溶洞異常8個，土洞異常2個。

3)根據(jù)異常分布位置和特征，通過地面調(diào)查及鉆探工作，證實勘查區(qū)地下巖溶強烈發(fā)育，發(fā)育深度為2.0～26.7 m，平面上表現(xiàn)為帶狀發(fā)育，垂向上表現(xiàn)為層狀發(fā)育。推斷勘查區(qū)巖溶強烈發(fā)育2處，弄旺、旺林測區(qū)巖溶強烈發(fā)育區(qū)域為弄旺隊中部及西北側(cè)，巖溶主要發(fā)育走向為NW向；弄元測區(qū)巖溶強烈發(fā)育區(qū)域主要位于弄元隊中部玉米地及東面塌陷點附近，巖溶主要發(fā)育方向為NW向。

4)本次物探勘查工作總體上查明了勘查區(qū)不良地質(zhì)體發(fā)育和空間分布情況，結(jié)合鉆探等工作，圈定了2處巖溶強烈發(fā)育區(qū)域，為勘查區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害勘查工作提供了詳實可靠的物探基礎(chǔ)資料，較好地實現(xiàn)了物探工作的目的。

物探方法能否發(fā)揮其應(yīng)有的應(yīng)用效果，首先取決于物探工作者對各種物探方法的原理以及適用范圍的正確了解，并能根據(jù)場地工作環(huán)境條件選用合適的方法及設(shè)備，結(jié)合場地工程、水文地質(zhì)條件進行資料處理與解釋。本次桂西北巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害的物探結(jié)果表明，采用高密度電阻率法與地質(zhì)雷達法組合能夠較好解決場地的巖溶隱患的探測問題，為勘查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害評價提供基礎(chǔ)資料。

通過比較多處鉆探資料及鉆探驗證表明，本次物探工作勘探效果良好，可以滿足工程勘探要求。該方法探測無損、快速、簡捷、成本低，具有儀器設(shè)備輕便、數(shù)據(jù)采集能力高效、工作效率高等優(yōu)點，適宜在以后的桂西北巖溶塌陷地質(zhì)災(zāi)害中進行推廣使用。