综合物探在北京地区岩溶塌陷勘查中的应用

马志飞，廖海军，李远强，李军辉

（北京市地质研究所，北京 100120）

0 前言

近年来，随着城市化进程的不断加速，越来越多的土地成为人群密集的居住区。但是，潜在的地面塌陷灾害逐渐暴露出来，越来越引起人们的关注，无论是自然成因的岩溶塌陷，还是由于人类地下采矿活动引起的采空塌陷，以及修建地铁、开挖埋设管线和人防工程等开发地下空间而引起的塌陷，都威胁着人们的生命和财产安全[1]。要查明地面塌陷灾害的成因，首先就是要寻找地下隐伏的空洞。在常用地球物理勘探方法中，高密度电阻率法和孔间电磁波CT法以其施工效率高、数据信息丰富、解释方便等突出特点，在探测地下空洞、防治地面塌陷灾害这一领域逐渐表现出优势。

1 工作区地质概况

1.1 地质概况

工作区位于北京市海淀区四季青镇香山村普安店，为丘陵向平原过渡的区域，地势平坦，地形坡度在1°～2°之间，地面标高约57～59m，现状地物主要为房屋建筑。地表沉积物为山前残积、坡积堆积层，厚度10～30m不等，局部厚度小于10m。下伏基岩为奥陶系石灰岩，灰色，强—中等风化，中—厚层状，主要层面与水平夹角约30°～40°，节理裂隙发育，有溶蚀现象，地下水埋深在35m左右。

工作区内发育有冷泉村断裂，该断裂为平移断裂，东侧北移，西侧南移，走向近NS，长15km，宽10m，断距1000～1500m，结构面比较平直，断面倾向西，倾角80°～90°。

1.2 地面塌陷灾害情况

北京市海淀区四季青镇香山村普安店已经发生多起地面塌陷灾害，其中较严重的一次是发生在2009年7月25日，村中一块空地突然塌陷，形成一个面积超过10m2、深约4～5m的塌陷坑，造成一人坠入坑中，后被救起。一棵大树下半截被埋在坑内，坑内的一条污水管道被砸断，坑口周围出现多处裂缝。至中午，塌陷面积扩大，危及旁边的3根电线杆。电力工人将3根电线杆紧急转移。受此影响，附近100多户村民家中断电。2013年8月1日，该塌陷坑东侧约5m处再次发生塌陷，导致电线杆倾斜。

2 技术路线与工作布置

整体的工作思路是：在整理、分析工作区内各类相关地质资料的基础上，首先现场调查，查明工作区地面塌陷灾害的分布现状，再利用高密度电阻率法进行全面勘查，在此基础上布置钻孔进行验证，最后选取重点区域利用孔间电磁波CT进行地下空间的精细勘查，工作技术路线见图1。

图1 勘查工作技术路线图

2.1 高密度电阻率法

（1）工作原理

高密度电阻率法是一种阵列勘探方法，由于它采用了多电极高密度一次布设并实现了跑极和数据采集的自动化，因此相对常规电阻率法来说，它具有成本低、效率高等优点。由于各种电极排列方式对异常体所表现的视电阻率特征各不相同，在探测中需要根据目标体的特征选择适当的探测方式[2～3]，这就要求在野外探测时，应先收集相关资料，对地下空洞的大小、埋深进行大致了解，然后设计合理的极距，使探测目标落在排列探测区域的有效范围内。据调查，试验工作区曾出现的塌陷坑深度为4～5m，基岩埋深约10～30m，为查明地下空洞的规模及成因需探测至基岩以下，根据郭秀军等人的观点，最小电极间距一般应为探测深度的1/10～1/15 ，如果小于1/15 ，观测结果中就包含有不稳定的随机因素，易产生“伪像”[4]，故按照测点间距为3m，东西方向平行布设测线两条，线距30m，每条测线共120个电极，测线长度357m，采集数据的工作装置为温纳法。

（2）解译原则

当地下出现空洞时，形成的空间即为空气，相对于地下的土层、岩石等地质体而言，空气的电阻率明显较高，电流线在空洞位置产生强烈的排斥作用，从而表现出低阻围岩之间的相对高阻。相反，当空洞被地下水充填，或者洞体坍塌，被碎屑物质及孔隙度较高的黏土充填，从而具有一定的含水量之后，其电阻率与围岩相比，就会表现为相对低阻。无论地下空洞中有无被地下水充填，其电学特性与围岩相比都具有明显的差异，这就为高密度电阻率法的探测工作提供了物理前提。

2.2 孔间电磁波CT法

（1）工作原理

其工作原理是利用无线电波（工作频率0.5～32MHz）在两个钻孔中分别发射和接收，根据不同位置上接收的场强大小，使用计算机层析成像技术（方法），反演两孔间地下地质体吸收系数分布的一种地下地球物理勘探方法，也称井中无线电波透视法[5～6]。电磁波在地下传播过程中，由于地质体吸收了一部分电磁波能量而使场强减小，减小的程度用介质的视吸收系数βs来表示，它的定义为介质在单位距离内对电磁波的吸收值，单位为nep/m。

此次勘查工作选取了均发现有岩溶空洞、直线距离33m的ZK04和ZK05之间开展电磁波CT探测。采用双边观测系统，使用5MHz的工作频率，发射点距和接收点距均为1m。

（2）解译原则

根据探测结果和钻孔资料的对比，去除电磁波CT视吸收系数βs剖面图上的上部和底部由于射线稀疏出现的假异常，依据有效异常的βs值大小和βs等值线的形态、产状，结合测区地质资料，对有效异常进行定性定量分析。

对比发现，工作区内较完整灰岩的βs＜0.1nep/m，节理裂隙密集带的βs=0.1～0.3nep/m，溶洞的βs＜0.3～0.4nep/m，所以当两孔间存在规模较大的岩溶或断层破碎带时接收点上的场强要比无岩溶时的小得多。而且，根据前人的工作经验，石灰岩、大理岩等碳酸盐类岩石的吸收系数约0.02～0.03nep/m[7]。依据这样原则，最终确定βs＜0.1nep/m且连续呈连片状分布的区域为正常区，把其他区域划分为异常区。

3 勘探成果

3.1 高密度电阻率法勘探成果

图2为测线G01的反演结果，图3为测线G02的反演结果。两条相邻测线异常特征也具有相似性。在反演模型电阻率剖面上，测线G01水平位置144～159m、深度19～50m处和测线G02水平位置153～168m、深度18～50m处均出现了相对高阻闭合圈，而且边界处电阻率等值线密集，符合地下空洞的反映特征。

测线G01水平位置129～138m、深度19～60m处和测线G02水平位置141～150m、深度18～50m处均出现了高阻中的相对低阻条带，电阻率等值线陡倾、密集，推断为断裂破碎带。

而测线G01水平位置261～291m、深度18～50m处和测线G02水平位置255～285m、深度13～50m处也出现了相对高阻闭合圈，但相比之下，其水平分布范围较大，根据物探经验，在第四系地层中有地下空洞与砂砾石层同时存在时，要根据相临剖面上高阻异常分布特征综合分析其规律来区分，砂砾石层或古河道一般具有一定的规律性如连续性和分布范围大等，地下空洞多数独立性较强，故推断该处为砂砾石层。

为验证物探成果，进行了钻孔验证，共布设4个钻孔，分别位于两条测线之上。

钻孔ZK05孔深70m，其中19.0m以上主要为素填土、粉质粘土并含有碎石层，之下为石灰岩。共发现4层空洞，分别位于18.2～19.0m、22.5～24.0m、27.8～29.0m、36.7～40.8m，空洞中含有碎石和粘土，其他部分岩石存在小规模溶孔。钻孔ZK04情况类似。但是，反演电阻率剖面中的空洞表现为一个整体，无法准确区分四层空洞，这是由于高密度电法在地表供电测量电位差，其在纵向上的异常会对下方产生影响，因此，高密度电法的横向分辨率一般高于纵向分辨率。

钻孔ZK07、ZK08揭露的物探异常区为粉质粘土中夹杂的一层砂砾石层，卵石一般粒径2～4cm，最大粒径8cm，磨圆度较好，中粗砂充填。

图2 测线G01反演电阻率剖面图

图3 测线G02反演电阻率剖面图

3.2 孔间电磁波CT法勘探成果

ZK04—ZK05钻孔之间的电磁波CT视吸收系数βs剖面图为CT-01，见图4。由于浅表为第四系，电磁波信号吸收强烈，采集的数据从ZK04号孔深16m开始、ZK05号孔从深22m开始。其中，ZK04号孔地下水位为26m，ZK05号孔为33m。在ZK04号孔附近10m内，深度17～19m范围，推断存在岩溶空洞分布。在ZK05号钻孔附近，深度20～33m范围内，存在2个岩溶空洞，空洞达到2m规模，深度41m处，存在一个小规模的空洞区域，空洞为1m规模，在42m以下岩石完整性很好。在剖面上其他弱异常范围较大，推断为存在节理或裂隙。其他弱异常区呈连片分布，规模较大，推断为存在较少的节理、裂隙影响导致。异常统计见表1。CT-01-01、CT-01-03、CT-01-05、CT-01-06、CT-01-07、CT-01-08数据量较少，受到边界影响，为无效异常，不能作为判断依据。

表1 孔间电磁波CT异常分布统计表

图4 CT-01视吸收系数剖面图

4 灾害成因分析

在勘查过程中，按照高密度电阻率法寻找异常区、钻探验证、孔间电磁波CT精细勘探这3个步骤，不仅可以勘查清楚地下空洞的埋深和规模大小，而且还可以经过综合分析查明地面塌陷的成因。

此处覆盖物厚度为15.80m，表层覆盖物为10.70m厚的粘质粉土、2.10m厚的碎石土、3.00m厚的粉质粘土（含少量碎石），之下为石灰岩。高密度电法和孔间电磁波CT均在此发现地下空洞，经钻孔ZK04、ZKO5验证，岩溶发育，存在多处溶洞。综合分析认为，由于该处地下水位深度为28.50～34.0m，位于基岩面以下，下部基岩中裂隙较发育且富水性较好，为典型的上覆地层裂隙与下部岩溶裂隙形成强径流带通道，在水流长期作用下造成局部地层被冲蚀后形成空洞。见图5，其形成过程具体为：①当地下水动力条件改变时，原来被堵塞的洞隙及其相连的下部排水通道复活，成为地下水集中活动地段；②地下水位上升，抗水性差的土强烈瓦解，一部分顺喇叭口落入下部溶洞中，初步形成上覆土层中的土洞；③土颗粒沿岩溶洞隙继续被地下水带走，上覆土中空洞逐渐扩大，向上呈拱形发展；④土洞进一步扩大，向地表发展，顶板渐薄，当拱顶薄到不能支持上部土的重量时，便突然发生塌落。

图5 ZK04-ZK05地质剖面图

5 结论

通过此次综合物探在北京地区岩溶塌陷灾害勘查中的应用实践，得出以下结论：

（1）运用物探方法进行地质勘探，解译结果存在多解性。因此，必须采取两种或两种以上不同工作原理的方法进行综合勘探，去除假异常，在重点异常区域利用钻孔进行验证解译结果，才能保证勘探结果的准确性。

（2）在高密度电阻率法的反演电阻率剖面图中，具有一定空间规模的地下空洞的反映是封闭同心圆状，其边界的电阻率等值线密集，由于体积效应的影响，该方法可以准确反应空洞的水平位置和深度位置，但准确反映空洞的剖面形态尚有一定困难。地下空洞与砂砾石层的异常表现有显著区别，地下空洞通常水平展布规模较小，垂向变化较大，而砂砾石层则具有一定的成层性和连续性，水平展布规模较大。

（3）在孔间电磁波CT剖面图中，当岩体完整性较好时，介质中单位距离对电子波的吸收较小，即吸收系数较小，随着岩石中节理、裂隙的增多，岩体变得较为破碎，吸收系数逐渐增大，当岩体中出现溶洞时，吸收系数最大。

（4）地面塌陷是北京常见的地质灾害，通常表现为西部山区的煤矿采空塌陷，岩溶塌陷十分少见，此次应用充分证实了北京也存在岩溶塌陷，必须引起重视，只有提前在人类聚集区查明地下岩溶空洞的分布，才能有效防治地面塌陷灾害。

[1]马志飞.城市地面塌陷危机[J].百科知识，2010，(17)：12～14.

[2]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.

[3]马志飞，刘鸿福，叶 章，等.高密度电法不同装置的勘探效果对比[J].物探装备，2009，19(1)：52～55，67.

[4]郭秀军，王兴泰.用高密度电阻率法进行空洞探测的几个问题[J].物探与化探，2001，25(4)：306～311，315.

[5]李永涛，陶喜林，余建河，等.井间电磁波 CT 技术在长江大堤岩溶探测中的应用[J].CT 理论与应用研究，2009，18(1)：55～62.

[6]李远强.孔间电磁波CT技术在北京普安店岩溶勘查中的应用[J].城市地质，2014，9(3)：47～52.

[7]吴以仁，邢凤桐，易永森，等.钻孔电磁波法[M].北京：地质出版社，1982.