武汉地区岩溶发育区岩性电性参数研究

答文威, 孟 陈, 沈 铭

((湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430030)

武汉地区岩溶发育区岩性电性参数研究

答文威, 孟 陈, 沈 铭

((湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430030)

在收集和整理武汉地区地质与钻孔资料的基础上,通过统计分析实测高密度电法勘探资料成果,建立该地区岩溶发育区岩性的电性参数模型,并通过实例来证明该模型的准确性和实用性,取得的成果及经验可供武汉地区岩溶发育区的地球物理勘探工作参考及应用。

高密度电法勘探;岩溶;电性参数模型

武汉地区碳酸盐岩(灰岩)条带发育,河流湖泊较多,雨水充沛,导致岩溶发育较为普遍,而由于人类工程活动较为频繁,不少地区发生岩溶地面塌陷,造成不同程度的人员伤亡及财产损失。武汉地区进行了大量的岩溶勘察工作,并取得了一些成果。其中,物探方法作为一种重要的岩溶地质调查手段,主要用于查明岩溶发育区内第四系内部土洞发育情况、灰岩埋深、灰岩分布范围、岩溶及可能与岩溶发育有关的断裂发育情况等,其应用取得了较好的地质效果。

根据岩溶发育地区的地质特征,填充型岩溶与第四系覆盖层的电性差异较小,而与围岩(即灰岩)有较大的电性差异,由于岩溶区所在地房屋、道路一般较为密集,因此在武汉地区,抗干扰能力较强的电法勘探在岩溶勘查中不失为一种行之有效的物探方法[1]。但该地区岩性的电性参数系统性不够,有必要开展系统的分析研究,以指导岩溶地质勘查工作。

1 地质概况与地球物理特征

武汉地区岩溶发育类型大多属于覆盖型,岩溶发育区第四系地层属于典型的“上粘下砂”二元地质结构:上部为全新统粘土、粉质粘土等土层,下部为细砂层、砂砾层等含水层,第四系厚度一般10～30 m;基岩为三叠系下统大冶组灰岩。根据目前掌握的地质资料与钻孔资料分析,本地区岩溶或溶洞多为填充或半填充型,填充物为水或粘性土[2]。

根据武汉地区岩溶发育情况及地质特征,选取高密度电法作为主要物探手段。高密度电阻率法是把很多电极同时排列在测线上,通过对电极自动转换器的控制,实现电阻率法中各种不同装置、不同极距的自动组合,从而一次布极可测得多种装置、多种极距情况下多种视电阻率参数的方法,其主要特点为效率高、数据多、解译数据直观形象及抗干扰能力强等[3]。在岩溶发育区,采用高密度电法中的温纳装置,该装置的优点是测量速度快,施工方便,兼顾剖面测量和测深,数据量大,主要用于查明区内第四系覆盖层厚度、含水层分布及灰岩裂隙、岩溶发育情况。

根据所收集以往工作成果的数据及实际工作成果统计,武汉地区岩性电性参数如表1所示。

表1 武汉地区岩性电性参数表

2 岩性电性参数研究

利用电法勘探的实测资料,来圈定灰岩在完整、裂隙发育、岩溶发育等情况下电阻率值范围,以此得到区域性较为具体的灰岩电性参数[4]。本文重点研究了近几年武汉地区岩溶发育区的电法勘探实测数据,经过反演后的电性参数的统计分析,确定不同岩性、不同岩溶发育程度下的灰岩电性参数(表2)。

表2 武汉地区实测岩性电性参数表

由表2可以看出,对于典型二元地质结构,高密度电法实测数据反演后均有不同反应:第四系覆盖层一般由表层粘土、粉质粘土、下部砂层或者砾石层等含水层构成。粘土、粉质粘土电阻率5～30 Ω·m,砂层电阻率30～80 Ω·m,砾石层电阻率50～100 Ω·m(一般情况下,由于土层与含水层电阻率值较为接近,很难将它们区分开)。完整的灰岩电阻率较高,一般为150～350 Ω·m,如果灰岩内有裂隙或者岩溶发育(一般为填充型),电阻率与围岩相比会明显降低,在反演后的地电断面图上均显示为低阻异常。

通常,呈条带状的低阻异常,电阻率值为15～35 Ω·m,可以判断为灰岩内裂隙发育,其规模一般较大,且下部未闭合,如图1所示;而呈团状的低阻异常,电阻率值为5～10 Ω·m,一般存在于基岩面附近,可以判断为岩溶发育,其规模较小,下部闭合,如图2所示。以上统计结果与后期钻孔资料较为一致。

图1 灰岩中裂隙发育示意图Fig.1 Schematic diagram of fracture development in limestone

由此,武汉地区岩溶发育区内通用的岩性电性参数模型(表2)具有较高的准确性。

3 应用研究

实例1:武汉市武昌区某小区内曾发生地面塌陷,在工作区内共布设了7条高密度电法剖面,电极距为5 m,图3为其中一条测线的反演地电断面图及解译成果图。该图中,表层电阻率10～40 Ω·m,推测为粘土、杂填土,中间层电阻率30～100 Ω·m,推测为细砂层(含水层),两者构成第四系覆盖层;里程桩号0～320 m及670 m以后的区间,埋深33 m以下出现相对低阻区域,低阻区域电阻率低于10 Ω·m,推断为上第三系泥岩,下部未闭合;测线里程桩号320～900 m区间,埋深33 m以下为相对高阻区,电阻率>100 Ω·m,推断为三叠系灰岩;值得注意的是,在其中的408～430 m区间和660～674 m区间,出现有垂向上的低阻异常带,呈条带状,电阻率在20 Ω·m左右,推测为灰岩内裂隙发育;在550 m和720 m左右,埋深约40 m左右出现团状低阻体,电阻率低于10 Ω·m,推测为溶蚀或溶槽发育区。在该测线里程号544 m处有一钻孔ZK1,孔深70.14 m。根据钻孔资料,0～5.55 m为填土,5.55～10.37 m为粉质粘土,10.37～31.22 m为粉砂,31.22～70.14 m为灰岩(石块破碎,裂隙较发育,RQD=13%)。该地电断面图中各岩性电性参数与模型(表2)吻合,且与后期钻孔资料较为一致。

图2 灰岩中岩溶发育示意图Fig.2 Schematic diagram of karst development in limestone

图3 Ⅰ-Ⅰ′线地电断面及解译推断图Fig.3 Geoelectric section and explain inference of line Ⅰ-Ⅰ′

实例2:武汉市江夏区某地因大桥桩基钻孔施工处地面发生塌陷,并由此诱发了大规模的地质塌陷,塌陷范围南北线状分布。塌陷后统计共产生19处大小不一的塌陷坑。在塌陷区及周边共布设7条高密度电法剖面,其中一条测线的位置图见图4。

图4 7-7’线位置图Fig.4 Location of line 7-7’

图4中,红色不规则封闭曲线为塌陷坑,蓝色为高密度电法测线,绿色短线为推断异常。由图可见,7-7′线经过16-1#和17#塌陷坑,并且在塌陷坑处有异常电性反应,该测线地电断面图及解译成果图见图5。

该测线呈近东西向平行于灰岩条带布设,西边为测线起点,线长300 m。从地电断面图可以看出,表层电阻率20 Ω·m左右,推测为粘土,中间层电阻率值50～100 Ω·m,推测为细砂层(含水层),两者构成第四系覆盖层;下部基岩电阻率100～400 Ω·m,推测为灰岩。水平距离50～65 m、127～141 m、176～190 m和237～252 m处出现团状低阻异常,电阻率值10 Ω·m左右。四处低阻异常分别对应16-1#、16#、17#和18#塌陷坑,根据低阻异常的电阻率值及形态,推测为塌陷回填区。该地电断面图中各岩性电性参数与模型(表2)吻合,且与塌陷坑位置一致。

实际应用表明,武汉地区岩溶发育区的电性参数模型(表2)实用性较强,可推广应用。

4 结论

通过分析本地区所收集的高密度电法数据及钻孔资料,建立了适用于该区域范围内岩性电性参数模型,并通过两个实例验证了该模型的实用性与可推广性。本次研究仅收集了电性参数,且岩性的物性分析较为单一,今后可加强纵波速、波阻抗等其他参数的综合对比研究,以提高参数的精准性。

图5 7-7′线地电断面及解译推断图Fig.5 Geoelectric section and explain inference of line 7-7′

[1] 吴文鹏.电法勘探工作站软件系统简介[J].地质与勘探,2003,39(Z1):147-151.

[2] 常伟.场差电阻率勘探法[C]//水利水电工程物探新技术论文集.郑州:黄河水利出版社,2001.

[3] 刘善军.高密度电法数据处理及成图[M].北京:水利出版社,1997.

[4] 周颐善,钟本善.电法勘探数值模拟技术[M].成都:四川科学技术出版社,1986.

(责任编辑：陈姣霞)

Discussion on Lithological Electrical Parameters in Karst Area of Wuhan

DA Wenwei, MENG Chen, SHEN Ming

(HubeiGeologicalEnvironmentStation,Wuhan,Hubei430030)

Based on the collecting geological and drilling data of Wuhan area,through the statistical analysis of the measured data of high density electrical prospecting results,the paper sets up the electrical parameter model in karst area of Wuhan and through the examples to prove the accuracy and practicability of the model,can be applied to geophysical exploration work in Wuhan karst area district,has a good reference and guidance.

High density electrical prospecting; karst; electrical parameters model

2016-08-29;改回日期:2016-09-23

答文威(1985-),男,工程师,地球探测与信息技术专业,从事地球物理勘探工作。E-mail:390412004@qq.com

P631.3

A

1671-1211(2016)06-0910-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.06.020

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20161026.0907.018.html 数字出版日期:2016-10-26 09:07