張健, 馮旭亮，岳想平

(1.甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741020; 2.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065；3.西安西北有色物化探總隊有限公司，陜西 西安 710068)

0 引言

中國是巖溶大國，巖溶分布面積超過340萬km2，約占國土面積的36%[1]。我國巖溶區(qū)不但面積大，而且?guī)r溶地質(zhì)與巖溶地貌非常典型并具有代表性，是在國際上具有地域優(yōu)勢的領(lǐng)域[2]。我國巖溶區(qū)內(nèi)具有豐富的地質(zhì)景觀、地下水、油氣和礦產(chǎn)資源，但存在石漠化、巖溶塌陷、巖溶干旱、地下河污染和礦井突水等非常突出的環(huán)境地質(zhì)問題，因此，巖溶研究在我國科學(xué)研究與技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域占有重要而突出的地位[3]。

巖溶塌陷作為巖溶區(qū)最主要的地質(zhì)環(huán)境問題之一，廣泛分布于世界各國[4]。據(jù)報道，全球多國均有巖溶塌陷發(fā)育。中國巖溶塌陷分布最廣，類型最全，主要分布于西南、東南片區(qū)，涉及大致23個省(市、區(qū))，巖溶塌陷坑總數(shù)超過4.5萬個。

巖溶體與圍巖常常有一種或多種明顯的物性差異，構(gòu)成了用物探方法勘察巖溶的物質(zhì)基礎(chǔ)[5]。目前，巖溶勘察中常用的物探方法有電法、地震法、微重力法、射氣法和地球物理測井等。電法主要分兩類：一類是電阻率法，包括電剖面、電測深、高密度電法、三電位等；另一類是電磁法，包括TEM、CSAMT、EH4、AMT、無線電透視法等。地震法主要是折射波法、反射波法、跨孔地震法、地面—鉆孔地震法、地震剖面法(VSP)。本文選擇CSAMT法和微重力法組合，其優(yōu)勢在于CSAMT不會像電阻率法受到電極附近不均勻體的干擾，而且具有效率高、成本低、分辨率高、抗干擾能力強等優(yōu)勢；微重力法對低密度體反映靈敏、識別準(zhǔn)確，因巖溶的空腔填充物無論是空氣、水還是沉積物，相對圍巖都是非常明顯的低密度體。CSAMT可圈定大范圍的巖溶發(fā)育帶，微重力對巖溶發(fā)育帶進(jìn)一步解析，可較為準(zhǔn)確地圈定巖溶體的邊界及埋深，從而達(dá)到巖溶勘察的目的。

本次研究區(qū)為重慶市中梁山浩瀚園林位于歇馬隧道以南約1 km處，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育，地質(zhì)環(huán)境脆弱，加上大型地下工程施工大量抽排地下水的影響，該區(qū)陸續(xù)發(fā)生嚴(yán)重的地面塌陷、地面沉降、地質(zhì)災(zāi)害，樓房相繼發(fā)生傾斜、變形和開裂，嚴(yán)重威脅人民群眾的生命財產(chǎn)安全，造成了巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)已有資料表明：軌道一號線隧道建設(shè)之后，于2010年10月20日在金剛村龍?zhí)量舶l(fā)生多處塌陷，隨后雙碑隧道于2012年2月進(jìn)入巖溶槽谷施工，陸續(xù)發(fā)生近40余處地面塌陷，其中1處發(fā)生在渝生裝飾板廠，生產(chǎn)廠家被迫停工。

本文以浩瀚園林內(nèi)1處已塌陷區(qū)為重點研究區(qū)，綜合采用CSAMT和微重力進(jìn)行了方法技術(shù)優(yōu)化組合，由已知到未知探測區(qū)內(nèi)隱伏巖溶塌陷，通過對兩種方法取得的成果綜合研究分析，最終圈定巖溶塌陷區(qū)5處，經(jīng)鉆孔驗證，圈定的巖溶塌陷區(qū)埋深、規(guī)模與實際情況基本吻合。

1 測區(qū)水文地質(zhì)、地球物理特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)

研究區(qū)大地構(gòu)造屬于萬縣小區(qū)和瀘州小區(qū)，區(qū)域地質(zhì)如圖1所示。新生界第四系出露不多,主要分布于長江、嘉陵江兩岸，在背斜槽谷和山間谷地也有零星出露。中生界分布范圍較廣，主要為中下三疊統(tǒng)的陸相沉積地層。古生界僅出露了二疊系,在研究區(qū)北部白廟子和南部中梁山一帶有斷續(xù)零星分布,主要為一套海相地層。

1—侏羅系遂寧組；2—侏羅系上沙溪廟組；3—侏羅系下沙溪廟組；4—侏羅系珍珠沖組、自流井組、新田溝組；5—三疊系須家河組；6—三疊系中下統(tǒng)；7—二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M；8—CSAMT測線PM01位置；9—河流

1.2 研究區(qū)地層巖性及斷裂構(gòu)造

研究區(qū)位于觀音峽背斜西翼槽谷地帶，區(qū)內(nèi)地層由表1所示，出露地層較為齊全，主要有二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、新近系、第四系等，研究區(qū)地質(zhì)如圖2所示。研究表明，嘉陵江組二段(T1j2)、四段(T1j4)，飛仙關(guān)組三段(T1f3)為巖溶發(fā)育主要地層；飛仙關(guān)組二段(T1f2)、四段(T1f4)的泥巖為主要隔水層。測區(qū)內(nèi)發(fā)育壓扭性逆沖斷層F3，斷層發(fā)育于背斜西翼近軸部，走向與背斜軸線大體一致，在中梁鎮(zhèn)以北走向北偏東35°，中梁山向南漸變?yōu)楸逼珫|15°～5°，傾向SE，傾角60°～80°。地面斷開地層為飛仙關(guān)組至須家河組，斷距40～180 m。

1—須家河組上段；2—須家河組下段；3—雷口坡組；4—嘉陵江組四段；5—嘉陵江組三段；6—嘉陵江組二段；7—嘉陵江組一段；8—飛仙關(guān)組四段；9—飛仙關(guān)組三段；10—飛仙關(guān)組二段；11—飛仙關(guān)組一段；12—天池；13—實測斷層；14—CSAMT剖面線；15—微重力剖面線；16—背斜標(biāo)志；17—巖溶塌陷區(qū)；18—歇馬隧道

表1 研究區(qū)地層巖性

1.3 巖溶發(fā)育規(guī)律及特征

區(qū)內(nèi)可溶性巖絕大部分分布于研究區(qū)槽谷內(nèi)，少部分分布于槽谷邊緣,在背斜核部，即山脊線附近局部分布有二疊系可溶巖。而部分地區(qū)山嶺地段主要分布地層為須家河組及其以上新地層,該地段主要以隱伏巖溶形式發(fā)育。

可溶巖從地層時代上具有中心向外越來越新的特點，中心地帶局部范圍出露二疊系灰?guī)r夾薄層頁巖,外側(cè)依次為飛仙關(guān)組一、二段泥巖、頁巖夾灰?guī)r、泥灰?guī)r，三段灰?guī)r，四段頁巖夾泥灰?guī)r，飛仙關(guān)組外側(cè)嘉陵江組和雷口坡組地層巖性由內(nèi)到外為灰?guī)r夾角礫狀灰?guī)r—薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r鈣質(zhì)頁巖—頁巖，此類分布特征十分有利于巖溶水在灰?guī)r與頁巖交界處的灰?guī)r一側(cè)聚集,形成巖溶強烈發(fā)育且十分富水地帶。本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)暗河及大泉主要分布在飛仙關(guān)組三段與四段接觸帶、雷口坡組和嘉陵江組地層交界處及雷口坡組與須家河組接觸帶，該現(xiàn)象也是區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育的佐證。

1.4 地球物理特征

在研究區(qū)及周邊采集了多組巖石標(biāo)本，分布范圍較廣，具有一定的代表性，物性標(biāo)本統(tǒng)計見表2所示，據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可見，黏土、溶洞充填物、炭質(zhì)板巖、泥巖、頁巖、砂巖表現(xiàn)為低阻特征，鹽溶角礫巖表現(xiàn)為中高阻，灰?guī)r類則為明顯的高阻特征。

表2 巖石物性參數(shù)統(tǒng)計

溶洞填充物平均密度為1.16 g/cm3，均低于其他各類巖石，尤其是與溶洞較為發(fā)育的灰?guī)r相比較，密度差可達(dá)-1.44 g/cm3。為了正演溶洞在地表引起的重力異常，設(shè)置了一個直徑5 m的圓形溶洞模型，埋深距離地表50 m，溶洞填充物密度為1.16 g/cm3，溶洞圍巖密度為2.60 g/cm3，在GeoIPAS V4.02軟件重磁正反演模塊中進(jìn)行正演計算，溶洞模型在其正上方可產(chǎn)生-0.785×10-5m/s2的重力異常。若溶洞未填充，空腔內(nèi)是空氣(標(biāo)準(zhǔn)狀況下為0.001 293 g/cm3)，在其正上方的地表處可產(chǎn)生-1.315×10-5m/s2重力異常,由此可見重力異常非常明顯。因此研究區(qū)具備CSAMT、微重力勘查的地球物理前提。

2 方法技術(shù)及資料處理

2.1 CSAMT

CSAMT是以有限長接地電偶極子為場源，在距偶極中心一定距離處同時觀測電、磁場參數(shù)的一種人工源方法，本次采用赤道偶極裝置進(jìn)行標(biāo)量測量，同時觀測與場源平行的電場分量Ex和場源正交的磁場分量Hy,計算卡尼亞電阻率[6-8]。其計算公式為:ρEx/HY=|Ex/Hy|2/5f，式中f為頻率，當(dāng)從低頻到高頻逐漸改變頻率時，每個頻率得到一個卡尼亞電阻率，因而可得到卡尼亞電阻率隨頻率變化的曲線。CSAMT法工作效率高、勘探深度大、水平方向分辨能力強，具有較好的探知效果。

2.1.1 前期試驗

在勘探前，對CSAMT進(jìn)行了方法有效性試驗，針對研究區(qū)勘察鉆孔資料豐富的歇馬隧道開展CSAMT試驗測量，以鉆孔CK101為中心，穿越須家河組、雷口坡組、嘉陵江組以及飛仙關(guān)組4段巖層布設(shè)，長度為600 m，CSAMT物理測量點31個，其目的是以已有鉆孔資料對比CSAMT測量結(jié)果，分析地層巖性以及巖溶發(fā)育情況與可控源音頻大地電磁測深電阻率斷面的對應(yīng)關(guān)系。經(jīng)過多次調(diào)整測量參數(shù)及二維反演參數(shù)，確定了數(shù)據(jù)采集、信號發(fā)射、反演的最佳參數(shù)，如表3所示。用試驗最佳參數(shù)采集的數(shù)據(jù)及反演結(jié)果與實際地質(zhì)及鉆孔資料基本吻合(圖3)，效果較好，為后期勘探線測量線提供了參數(shù)保障。

1—鹽溶角礫巖；2—長石砂巖；3—粉砂質(zhì)泥巖；4—白云巖；5—灰?guī)r；6—泥巖；7—剖面方向；8—推測斷層；9—實測斷層；10—推測地層界限；11—推測巖溶發(fā)育地帶；12—勘察鉆孔；13—地物標(biāo)注

表3 CSAMT測量及反演參數(shù)

2.1.2 資料處理

CSAMT數(shù)據(jù)處理過程中，首先將*.raw格式原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為*.FLD格式文件，查看單點曲線，對干擾引起的突變點進(jìn)行剔除，將編輯好的*.FLD文件轉(zhuǎn)化為*. AVG格式文件。其次進(jìn)行近場校正，把各個頻點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成可以利用卡尼亞電阻率公式計算的遠(yuǎn)區(qū)數(shù)據(jù)，同時對有明顯靜態(tài)位移的曲線進(jìn)行靜態(tài)校正，各項校正完成后進(jìn)行反演。將頻率域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成深度的ρs斷面圖，在此基礎(chǔ)上結(jié)合地質(zhì)資料進(jìn)行解釋，研究ρs斷面與實際地質(zhì)及構(gòu)造特征的關(guān)系。

2.2 微重力

微重力測量一詞最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，當(dāng)時是指在一個較小范圍內(nèi)進(jìn)行的高精度重力測量，多用于工程勘察、資源開發(fā)、小構(gòu)造探測等方面，近年來在巖溶勘查方面取得了較好的探測效果[9-13]。本次微重力測量共布設(shè)5條剖面線(圖2)，每條剖面長330 m，線距5 m，點距5 m，測線方向98°，布格重力異?？偩秸`差ε(Δgb)為±0.017×10-5m/s2。資料處理包括：

1)固體潮改正

由于日、月等星體的共同作用，使得彈性地球表面發(fā)生周期性漲落，從而使重力觀測值發(fā)生變化，這種變化的量級可達(dá)(0.2～0.3)×10-5m/s2，因此必須從理論上進(jìn)行精確計算并予以清除，本次采用GeoIPAS4.2軟件進(jìn)行改正。

2)漂移改正

CG-5是石英彈簧重力儀，由于儀器自身的彈性疲勞等原因，其觀測值一般都含有一定的漂移量。但由于拉科斯特重力儀內(nèi)恒溫精度高，漂移小，一般呈線性，而且測線上閉合時間較短，選用線性漂移改正模型，可以較好地消除這一影響。

3)高度改正、維度改正

對于同一觀測點，儀器安置的高度、位置不同，其重力觀測值也不同。本次高度、緯度采用金維GeoIPAS V4.2進(jìn)行改正。

4)地形改正

地形改正按近區(qū)(0～20 m)、中區(qū)(20～500 m)、遠(yuǎn)區(qū)(500～2 000 m)分別進(jìn)行。

近區(qū)地改采用野外實地測量方法，分0～20 m八方位。中區(qū)地改(20～500 m)采用在國家地理信息中心購買的該地區(qū)1∶1萬DEM高程數(shù)據(jù)庫，在金維GeoIPAS4.2軟件中計算中區(qū)地改。遠(yuǎn)區(qū)地改(500～2 000 m)利用1 km×1 km節(jié)點高程資料，采用平面公式計算。

5)小波分析剩余場提取法

利用重力數(shù)據(jù)研究巖溶塌陷區(qū)時，需要采用合適有效的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行重力場異常信息的分離，提取出與研究對象相關(guān)的信息部分，進(jìn)而對場源所引起的局部場異常進(jìn)行分析研究[8-9]。根據(jù)小波多尺度分解原理，重力異常可分解為[10-13]:

Δg(x，y) =Ai+Di+Di-1+…+D1

，

(1)

其中:Ai為重力異常的i階近似，即重力異常的低頻成分；Di(i=1，2，…)為經(jīng)i次分解后得到的各階小波細(xì)節(jié)，即重力異常的高頻成分[14]。為了將巖溶塌陷引起的異常從總的重力異常中分離出來，我們用二維重力異常分解雙正交小波基函數(shù)，對重力場動態(tài)變化異常進(jìn)行小波多階尺度分解，從而提取淺中部的巖溶塌陷異常。

3 結(jié)果分析

3.1 CSAMT劃分巖性界面、識別巖溶發(fā)育區(qū)

CSAMT測量PM01線二維反演斷面見圖4，電阻率斷面中具有明顯的垂向分層特點，并且高低阻相間分布。在0～215 m以及2 295～2 680 m所在段主要表現(xiàn)為低阻特征，電阻率變化在1～630 Ω·m之間，與其相鄰的中高阻電性層以密集的等值線分割。結(jié)合地質(zhì)測量剖面以及巖石物性特征，推測該電性層主要為須家河組(T3xj)粉砂質(zhì)泥巖、頁巖、粉砂巖等。在305～2 295 m所在段主要表現(xiàn)為中高阻特征，其間穿插多條低阻電性帶，高阻電阻率變化在1 000～400 000 Ω·m之間，對比地質(zhì)測量剖面及物性統(tǒng)計結(jié)果，推測高阻電性帶主要為嘉陵江組一段(T1j1)、嘉陵江組三段(T1j3)微晶灰?guī)r、泥晶灰?guī)r，飛仙關(guān)組三段(T1f3)薄至中厚層塊狀砂屑灰?guī)r、微晶灰?guī)r。中低阻電性帶電阻率變化在630～1 000 Ω·m之間，結(jié)合地質(zhì)剖面主要為嘉陵江組二段(T1j2)、四段(T1j4)厚層塊狀鹽溶角礫巖、塊狀鹽溶角礫巖。低阻電性帶變化在30～630 Ω·m之間，主要為飛仙關(guān)組二段(T1f2)、四段(T1f4)鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、頁巖及泥質(zhì)灰?guī)r不等厚互層。

1—鹽溶角礫巖；2—長石砂巖；3—粉砂質(zhì)泥巖；4—白云巖；5—灰?guī)r；6—泥巖；7—剖面方向；8—巖層產(chǎn)狀；9—實測斷層；10—推測斷層；11—推測地層界限；12—推測巖溶發(fā)育地帶；13—溶洞；14—地物標(biāo)注；15—水文觀測鉆孔；16—勘察鉆孔

位于西槽附近的剖面300 m處，在210號點附近，根據(jù)電性特征可以看出一朝東錯動的電性帶，對比地質(zhì)資料，與F3斷裂帶位置及傾向吻合，故推測該錯動為白廟子逆斷層(F3)的反映。位于東槽中部近SN走向順層發(fā)育的串珠狀落水洞，在電阻率斷面上表現(xiàn)為朝西傾斜的狹窄低阻電性帶，為逆斷層(F5)的反映。位于背斜東翼2 350號點附近，嘉陵江組三段(T1j3)有一朝西傾斜的低阻電性帶，推測可能存在一隱伏的斷裂構(gòu)造。根據(jù)電性特征劃分的地層界限清晰地反映出觀音峽背斜構(gòu)造，可見觀音峽背斜以核部為中軸兩翼較為對稱。

3.2 微重力識別溶洞

根據(jù)電性特征結(jié)合地質(zhì)資料以及實地測量過程中的調(diào)查情況，共推測圈定了2處巖溶發(fā)育帶，巖溶-1位于西槽，巖溶-2位于東槽。微重力測量以CSAMT圈定巖溶-1為研究區(qū)，選取浩瀚園林內(nèi)一處地面沉降為中心，布置了5條微重力剖面，測網(wǎng)為5 m×5 m。

根據(jù)微重力測量布格異常、自由空間異常、剩余重力異常等值圖(圖5)可見：布格重力異常表現(xiàn)為西低東高的趨勢，反映出測區(qū)基底西深北淺；對布格重力進(jìn)行小波分析剩余場提取，除去邊界影響后，共圈定6處微重力低異常，分別為L0、L1、L2、L3、L4、L5重力低異常，由剩余異常場可以看出異常界限清晰，尤其是L2異常為已知溶洞塌陷位置，其位置及范圍與地面塌陷情況基本吻合，其余異常為新圈定隱伏溶洞引起的重力低異常。

1—重力異常等值線；2—圈定巖溶塌陷范圍； 3—布格重力異常等值線；4—小波分解提取的剩余重力異常等值線圖；5—勘察鉆孔；6—微重力測線及編號

選取中心剖面線G3，采用GeoIPAS4.2軟件進(jìn)行二度半重力剖面聯(lián)合反演(圖6)，該剖面均穿過上述已圈定的塌陷溶洞L0、L1、L2、L3、L4、L5重力低異常區(qū)。經(jīng)反演圈定塌陷溶洞特征如表4所示。

表4 二度半反演圈定塌陷異常體特征

ρL0=0.8 g/cm3；ρL1=0.8 g/cm3；ρL2-1=1.5 g/cm3；ρL2-2=0.2 g/cm3；ρL3=0.8 g/cm3；ρL4=1.5 g/cm3;ρL5=1.5 g/cm3

3.3 鉆孔驗證

在重力低異常L2處施工了勘察鉆孔CK1，鉆孔顯示在0～6.3 m為第四系黏土，6.3～24.3 m為嘉陵江組四段白云質(zhì)灰?guī)r，24.3～32.3 m為溶洞填充物?？梢娐裆钤?4.3～32.3 m范圍內(nèi)為塌陷溶洞，與微重力分析反演的溶洞的位置和深度相符合，表明利用小波分析提取剩余重力異常圈定的巖溶塌陷范圍，以及利用二度半重力剖面聯(lián)合反演得到的溶洞空間分布特征較為可靠。在CSAMT測量剖面260 m處施工了水文觀測孔SK01，孔深350.5 m，鉆孔資料顯示，在0～4.65 m為第四系黏土；4.65～265.10 m為嘉陵江組第四巖性段，巖性以角礫巖為主，巖溶現(xiàn)象較為發(fā)育，部分地段巖溶發(fā)育強烈，溶蝕面可見淺黃色黏土；265.10～350.53 m為嘉陵江組第三巖性段，巖性主要為白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶現(xiàn)象弱發(fā)育，巖心較為完整。從鉆孔驗證情況來看，CSAMT解釋的巖土界面及強巖溶發(fā)育帶與實際情況較為吻合。

4 結(jié)論

本次研究區(qū)巖溶發(fā)育強烈，受大型隧道工程施工抽水影響，地面塌陷頻繁[14-17]，利用CSAMT可較好地劃分區(qū)內(nèi)巖土界面以及強巖溶發(fā)育帶，同時CSAMT對斷裂構(gòu)造反應(yīng)靈敏，可較好地反映并發(fā)現(xiàn)隱伏斷裂帶在深部傾向及延伸情況。

微重力可對CSAMT圈定的強巖溶發(fā)育帶進(jìn)一步剖析，通過提取剩余場圈定巖溶塌陷區(qū)位置、埋深、規(guī)模及空間分布情況，后期鉆孔驗證結(jié)果與推測圈定的溶洞情況基本吻合，說明微重力測量在巖溶塌陷區(qū)精細(xì)化探測中效果較為顯著。

CSAMT與微重力方法組合的勘探方法在巖溶塌陷區(qū)取得了較好的勘察效果，類似還可以采用的方法組合有：①廣域電磁法與微重力組合；②瞬變電磁法與微重力的組合；③高密度電法與地質(zhì)雷達(dá)的組合；④跨孔地震成像法與微重力組合。以上方法技術(shù)組合均可為潛在巖溶塌陷區(qū)及類似地質(zhì)災(zāi)害防治預(yù)警提供科學(xué)探查方法技術(shù)依據(jù)。