高密度电法在泰安羊娄—旧县岩溶塌陷探测中的应用

郭栋栋,赵俐红,高宗军

(山东科技大学,山东 青岛 266510)

0 前言

从 20世纪 80年代泰安东南羊娄—旧县区域内岩溶塌陷开始活跃发育至今,前人分别对此区域内地层结构、区域内水文地质特征、地下水水位等变化进行了系统总结研究,得出了地下水水位的变动是导致塌陷的最直接原因。高密度电阻率法是目前常用的一套以电信号为中介对地下地层信息进行电性分析的物探方法,其所测深度及精度与岩溶塌陷的需求吻合性非常强,且在岩溶塌陷研究需求中经济实用[8]。为了验证区域内近几年岩溶的发育情况,我们做了对比性的地下剖面电阻率分布示意图,检验近几年的发育情况,再次对前人在本地区内关于诱发塌陷的因素推断提供依据。

1 泰安市东南羊娄—旧县区域地质概况

研究区位于泰安市的东南,其基底为变质作用伴随构造运动,形成泰山、徂徕山复式背斜。区内盖层以断裂为主,主要有泰山断裂、徂徕山断裂、洪沟断裂、滂河断裂、岱道庵断裂、宅子断裂及万家庄断裂等。在构造运动作用下,地块整体升降,使下古生代地层呈现单斜构造。区内第四系冲洪积层厚度较小,在十几米到二、三十米不等,泰山山前第四系最厚处约六十米。第四系以下含下古生界寒武系、奥陶系灰岩,岩溶发育。其中下古生界仅在城区蒿里山和盆地周边零星出现,岩溶水接受降水直接补给较少主要以接受泰山火成岩变质岩裂隙水补给为主,然后向汶河方向径流,岩溶水呈承压状态,水位多高于上覆第四系孔隙水水位,因而在径流途中岩溶水向上顶托排泄于第四系孔隙水中,最终混入大汶河[1]。

2 泰安市东南羊娄—旧县区内岩体电阻率分布特征

一般情况下岩溶塌陷的源头——地下地层岩性的差异基本决定了后期上覆岩体塌陷的可能性与否,易溶性岩层当遇到较为活跃的岩溶水系时便有可能打破原来相互间的应力平衡,从而沿着一种新的不稳定平衡发展,当这种不稳定的平衡发展到一定程度相互间的应力提供已经不能够满足上覆岩体的应力需求时就会出现上覆岩体冒落形成塌陷。岩溶塌陷可分为基岩塌陷和上覆土层塌陷两种,前者由于下部岩体中的洞穴扩大而导致顶板岩体的塌落,后者则由于上覆土层中的土洞顶板因自然或人为的因素失去平衡而产生下陷或塌落。一般天然基岩洞穴发展成的塌陷,常产生深达十几米到数百米的井筒状塌陷漏斗;由土洞发展成的塌陷,也产生深几米到十到几十米的圆形塌陷坑,或盆形、蝶形、锥形等奇形怪状塌陷漏斗。一般情况下,致塌力包括岩土体自重力、地下水的垂向渗透力和侧向渗透力、振动力,岩土体中气体正压力、负压力、荷载力等;抗塌力包括岩土体的内聚力、周边摩擦力、地下水的浮托力。对于一个塌陷来说不是同时受到上述所有力共同作用,而是因其本身所处的地质环境和引起塌陷的因素不同而异。由于受力状态不同,产生的力学效应不一样,形成塌陷的机制就有差异,因而有不同致塌模式存在(据北方岩溶)。根据不同的致塌力我们可以分为不同的致塌模式像重力致塌、潜蚀致塌、吸蚀致塌、溶蚀致塌、冲爆致塌等不同类型的致塌模式[3～7]。由这些不同的致塌模式我们便容易推断出塌陷的基本成因步骤,并为更快更好预防这些塌陷坑提出对策。

本次研究的目的是调查区内第四系下伏基岩面埋深和岩溶发育情况。第四系视电阻率一般在 50ΩM左右,当有土洞在时,电阻率在 110ΩM左右变化,灰岩的溶蚀溶洞则反映为同步起伏,以及低电性特征的继续延伸,一般视电阻率表现为 30ΩM以下(图 1,图 2),完整的灰岩,则反映为 200ΩM以上,当有构造存在时,视电阻率断面上视电阻率曲线出现明显的错动,局部的突变现象,当溶洞在潜水面以上时,反映为相对的高阻电性特征,松散的第四系沉积物与活跃的岩溶水系间存在较大的电阻率差异,充填的岩溶水与围岩间也应存在较大的电阻率差异,所以总体在该区开展电法勘查的地球物理前提是具备的。但结合本地区的地质状况,其附近区域内断裂分布复杂多变,而且由于单一地层内所含介质的成份不同而致电性也不甚相同,故分析各岩石层位的总体电性差异是工作的重心所在。

图1 泰安市羊娄—旧县局域岩体剖面视电阻率等值线测验示意图

图2 泰安市羊娄—旧县高密度电阻率方法所测实验线剖面视电阻率反演检测示意图

3 对研究区典型剖面的对比性物探分析研究

2003年 5月 31日凌晨 4点,在泰安市东羊娄村东北400m处的麦田里出现了特大岩溶塌陷坑,塌陷坑呈椭圆形,南北长 28m,东西长 35m,可见深度 26.5 m,塌陷伴随着粘土的塌落声及刺耳的哨声…这是当时对泰安市东南羊娄—旧县岩溶塌陷的真实写照[2],2004年山东省第一地质矿产勘查院及山东省地质调查院在区域内设计并开展了利用高密度电阻率方法探寻致塌因素及控制塌陷发育程度的研究。图 3为西羊娄村内某条高密度电法勘探线剖面反演图,共推断溶洞四个。2009年 9月作者到达塌陷坑周围观测发现南北东西已比初期时加长愈 10m且岩溶水已经很深。并在塌陷坑西 500m处针对岩溶塌陷做了部分剖面区域电阻率检测试验。2010年 11月作者再次到达现场设计并开展了对比检验性高密度电阻率法实验。

由实验可知灰岩的电阻率一般在 200ΩM左右,当电阻率值大于这个数量级时,则推断为地下溶洞,这便是造成塌陷的根本致塌因素。当溶洞一经坍塌,上浮体冒落使得局部地基变形第四系沉积物中间出现富水的水洞或者土洞,这便形成了地基的大幅沉降以致最后坍塌的最直接原因。图 3和图 4同为该剖面同一位置对比的物探断面,我们可以明显的看出溶洞塌陷前后的局部电阻率分布变化的差异,并在附近的住宅内找到了地基变动所致的房屋裂缝。.

利用地球物理勘探方法发射接收并分析人工(或天然)物性场信息的差异来判定地下岩溶体大小、形状、深度等存在状态是目前常用的探查区域岩溶塌陷的手段。在不断的结合岩溶塌陷的实际地质情况我们可以归结出各种地质反映信号以静态或动态地分析地下岩溶塌陷的发育程度、变化特征、成熟状态[9]。由于岩溶塌陷的形成方式和发育状态的不同,自然界的岩溶塌陷在实际存在中呈现着千奇百怪的特性,要推断好这些地层特性,地层与地下水间叠合依托关系特别是岩溶发育导致地下空洞所引起的地面起伏变化时间及程度的预测,单一靠表层的地质反映还远远不能满足。物探方法引用了地层间的电性差异的规律,对地下岩层间很好的定位是重要的控制检测方法。它对先前地质推测的起到了检验效果,一般而言在判读岩溶塌陷时都对地表进行地质分析推断其发育来源,空洞形成时间,发育状况,是否受近代人类活动的影响等提出各种理论方案,对区内实施物探方法就是对先前地质推断的一个基本总结和验证。这种总结和验证是从科学的角度出发的,大大提高了对地质推断逻辑的严谨性。针对岩溶塌陷的发育程度来说,其不同的发育时期对应着不同的发育状况,其岩性的空间定位必然也发生变化,高密度电阻率法提供了科学的数据基本把握了地下地层及地下水的接触关系,为后来判定岩溶塌陷的发育程度及走向趋势提供有力证据。

图3 2004年泰安市羊娄—旧县高密度电阻率方法所测实验线剖面视电阻率反演示意图

图4 2010年泰安市羊娄—旧县高密度电阻率方法所测实验线剖面视电阻率反演对比示意图

图 5 2004年泰安市羊娄—旧县高密度电阻率方法所测实验线剖面视电阻率反演示意图

图 6 2010年泰安市羊娄—旧县高密度电阻率方法所测实验线剖面视电阻率反演对比示意图

本区内地层结构与岩溶塌陷的形成条件完全符合,是典型的岩溶塌陷危害区。其致塌原因是多方面的：其一为易溶性的地下灰岩地层存在,构成了岩溶塌陷形成的先决条件。可溶性的灰岩岩层被相对活跃的地下水侵蚀并顺水流向被地下水“掏空”形成空洞或土洞,这直接改变了原来的地层间的受力平衡关系,使得上覆第四系松散沉积物“悬空”。其二为地下水水位的浮动变化大。其产生原因(包括当地人们开采利用地下水)往往是多方面的。在这种地下水水位相对浮动变化大的地区,这也直接使得地下地层间形成空洞,且这些空洞里面时而呈现高压状态时而呈现低压状态(由塌陷坑开始周围的哨响所验证),这间接导致了地下地层间相互应力的平衡失调最终进一步形成塌陷。其塌陷方式属于上覆土层塌陷。其致塌力以上覆第四系沉积物自身的重力及下面空洞内低压吸蚀力为主,另外地下水的溶蚀力及侵蚀力也对上覆土层产生了极大的破坏作用,故其致塌模式为自身重力致塌及吸蚀致塌为主要致塌模式。随着泰安市对该地区内深层地下水的不断开发和利用导致第四系孔隙水与深层地下水之间交汇对流进一步加剧该区内地下水水位的浮动变化对岩溶塌陷的范围影响会越来越广,且如果按照目前情况推测该区内塌陷还将会进一步发生。结合所作成果,我们可以分析出该地区呈现低阻异常的岩溶水系发育非常庞大,而电阻率较高的围岩(为灰岩)极易被活跃的岩溶水(低电阻率)系溶蚀致上浮松散的第四系沉积物塌陷从而验证了我们以上的推断。

4 结语

结合所做工作分析,发现本区内地下水的开采问题仍然没有规划好,地下水水位依然在上下波动之中,特别是遇上丰水期或者枯水期的交界时期塌陷发生的可能性非常大,由此提出以下几点建议：

(1)在本区内长时期的物探监测特别是岩溶塌陷的发育活跃期内对地下塌陷的发育进程和发育程度都是最直接有效的控制方式,对于丰富区域控制型数据库以及岩溶塌陷的整体发育理论提供宝贵的典型依据。

(2)许多受到岩溶塌陷危害的当地人们虽然对致使他们受到危害的“大坑”产生很大的恐惧心理但是对于这些“大坑”的来源大都知之甚少,地下水仍然过量开采,建议当地部门查清并结合相关机构规划合理利用地下水资源。

(3)建立区域内数据模型库,使具有各种物探数据的特性一一归类总结出来,结合岩溶塌陷的实际情况预测分析好各类塌陷的条件,定性的分析好各类塌陷发育等级。在长期观测的途中可以划分出岩溶塌陷发育的程度并预测沿着某种途径发展的趋势,更好避免灾害造成的损失。

[1]高宗军.泰安岩溶地面塌陷形成机理与防治对策[J].中国地质灾害与防治学报,2001,12(4)：74-76.

[2]高宗军,张富中,鲁峰.山东泰安岩溶地面塌陷前兆及其预测预报[J]中国地质灾害与防治学报,2004,(03)：149-150

[3]蒋小珍.岩溶塌陷中水压力的触发作用 [J]中国地质灾害与防治学报,1998,(03)

[4]阙金声.岩溶塌陷的形成机理与预测方法[J].山西建筑,2009,35(23)：91-92.

[5]贺可强,王滨,杜濡林.中国北方岩溶塌陷[M].北京：地质出版社,2005

[6]雷金山,阳军生,肖武权,刘成军.广州岩溶塌陷形成条件及主要影响因素[J]地质与勘探,2009,(04).

[7]杨立中,王建秀 .国外岩溶塌陷研究的发展及我国的研究现状[J].中国地质灾害与防治学报,1997,(8)：6-10.

[8]董浩斌,王传雷.高密度电法的发展与应用[J].地学前缘,2003,10(1)：171-176.

[9]姚道平,张艺峰,郑韶鹏.高密度电法在灰岩区的勘察应用[J].工程地球物理学报,2008,(04)