综合物探法在柳州泗角村岩溶塌陷区调查中的应用

郑智杰，敖文龙，曾 洁，甘伏平，张 伟

(1.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西 桂林 541004；2.国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室， 广西 桂林 541004；3.深圳地质局，广东 深圳 518023)

综合物探法在柳州泗角村岩溶塌陷区调查中的应用

郑智杰1,2，敖文龙3，曾 洁1,2，甘伏平1,2，张 伟1,2

(1.中国地质科学院岩溶地质研究所，广西 桂林 541004；2.国土资源部/广西岩溶动力学重点实验室， 广西 桂林 541004；3.深圳地质局，广东 深圳 518023)

岩溶塌陷往往具有不确定性，隐蔽性及突发性。基于岩溶塌陷的上述特点，文章选取高密度电法、主动源面波法、微动法对泗角村岩溶塌陷区进行综合研究，结果表明：高密度电法能较好地的区分岩土层界面及划分岩溶发育带，但分辨率较低；主动源面波法能较好划分岩土层界面且分辨率较高，但探测深度浅；微动法能较精准地确定岩溶塌陷位置，但抗干扰能力较弱；高密度电法、主动源面波法及微动法结合才能有效查明塌陷区内岩土层结构、确定岩溶发育带位置，并预测划分出塌陷危险区、塌陷潜伏区和相对稳定区，为后续灾害治理工作确定具体范围，给治理施工设计提供科学依据；另外，通过对高密度电法、主动源面波法及微动法解译异常特征的分析，查明了塌陷区塌陷的形成和机井的长年抽水有关。

高密度电法；主动源面波法；微动法；综合物探；岩溶塌陷

岩溶塌陷是指可溶岩洞、隙上方的岩、土体在自然或人为因素作用下发生变形破坏, 并在地面形成塌陷坑的一种岩溶动力作用与现象[1]，因此，岩溶塌陷的发育具有不确定性、隐蔽性及突发性。近年来，随着国民经济的发展，岩溶塌陷灾害日益广泛和频繁，造成严重的经济损失和社会影响，成为岩溶区主要环境地质灾害。为减小岩溶塌陷灾害带来的破坏和经济损失，针对岩溶塌陷的上述特点，国内外对其进行了不同程度的研究[2～6]，其中不乏物探方法的使用：王建军[7]等利用高密度电阻率法划分不同时代地层的分界线，查明扰动土、断层破碎带发育的位置，并探讨了岩溶地面塌陷形成的原因；雷旭友等[8]利用超高密度电阻率法较好地探明了土洞、煤矿采空区、煤矿运煤巷道、复杂地质病害隧道等发育的位置；刘凯等[9]采用时域有限差分法作地质雷达正演模拟研究，总结岩溶探测过程中各种构造的地质雷达响应特征，为岩溶塌陷、溶洞、岩溶通道等的探测提供依据；王庆兵等[10]根据瞬变电磁法的探测结果及地形地貌、地层结构、地下水动力条件及矿坑排水等因素综合分析，查明了矿区塌陷形成的原因；黎华清等[11]利用孔间电磁波CT查明了广西靖西大龙潭水库坝基下破碎带、隐伏溶洞、溶蚀裂隙带的发育规模及分布规律，分析了库内岩溶塌陷形成的原因；陈玉玲等[12]根据可控源音频大地电磁法探测结果，推断塌陷的形成与断层有关，并圈定隐伏岩溶塌陷的可能位置；陈昌彦等[13]指出多道瑞雷波探测技术可以有效地探测地下采空区、软弱结构体等异常结构体的赋存状态及空间分布；王延涛等[14]根据场地特征，利用微重力法查明了采空边界。上述单一物探方法虽在塌陷调查应用中取得了一定成果，但都有其应用的前提条件，且均存在多解性。相比单一的物探方法，综合物探方法具有互相补充、互相映证的特点，因此具有更好的探测效果[15～17]。为了提高物探方法解译资料的准确度，消除多解性，本文结合测区的地形、地貌及地质条件，采用高密度电法、主动源面波法及微动法等物探方法对柳州泗角村塌陷区进行综合地球物理勘探，查明了该区岩溶塌陷的成因、分布及发育状况，为岩溶塌陷地质灾害预警提供有利依据。

1 测区概况

1.1测区水文地质特征

测区位于柳北区石碑坪镇泗角村，宏观地貌为近东西走向的岩溶谷地，地形北高南低，相对高差约8 m，测区地表水系发育，其东为柳江河，北为东泉河，南为沙浦河；测区地下水汇水面积广，约20 km2，含水岩组为白云岩含水岩组，地下水为碳酸盐岩裂隙溶洞水，地下水富水性好。测区属柳江地下水系单元的径流排泄区，地下水补给来源为大气降水，雨水经岩溶裂隙入渗补给，最终排泄于柳江河。

测区多为第四系黏土覆盖，下伏基岩为石炭系中统大埔组(C2d)，岩性为白云岩，岩层倾向南西，倾角32°～45°。岩溶较发育，富水性好，泗角村北约300 m出露下石炭统大塘阶寺门组(C1d2)地层，岩性以砂岩、泥岩为主，为相对隔水层(表1)。

上雷大断裂于测区北部通过，断裂带裂隙及岩溶发育，属导水性断裂，地下水较丰富。整个测区为东泉向斜蓄水构造东段(图1)。

图1 塌陷区水文地质简图Fig.1 Simplified hydrogeological map of the collapse area1—逆断层；2—导水逆断层；3—性质不明断层；4—地层界线；5—平行不整合；6—角度不整合；7—地层产状；8—地层代号；9—下降泉；10—地下水流向；11—大河流；12—小河流；13—机井；14—物探工作区

地层地层代号岩性第四系Q黏土夹砂、砾石白垩系下统K1钙质泥岩、砂质泥岩、底部砾岩三叠系下统T1页岩夹薄层灰岩，下部夹少量细砂岩二叠系上统大隆组P2d钙质泥岩、硅质岩二叠系上统合山组P2h燧石灰岩夹硅质岩、页岩二叠系下统茅口阶P1m厚层灰岩，含少量燧石团块二叠系下统栖霞阶P1q灰岩、泥质灰岩、下部燧石灰岩石炭系上统C3灰岩夹生物灰岩石炭系中统黄龙组C2h灰岩、白云质灰岩，富含硅质条带石炭系中统大埔组C2d厚层、块状白云岩石炭系下统大唐阶罗城段C1d3灰岩，泥灰岩夹砂岩、页岩、煤线石炭系下统大唐阶寺门段C1d2砂岩、砾状砂岩、泥岩、页岩

1.2测区地球物理特征

测区上覆第四系电阻率值和波速较低，电阻率一般在200 Ω·m以下，波速一般在2 000 m/s以下，灰岩电阻率在n×103～n×105Ω·m之间，波速在3 000 m/s以上。另外，随着岩土体空洞中充填物质的变化，其电阻率及波速差异较大。因此，土层、灰岩及岩土体空洞之间电阻率及波速差异明显，随岩石风化程度、岩溶发育程度等不同，地下介质电性及弹性存在较大差异，形成了不同的电性及弹性界面，为开展电法及地震勘探提供了较好的地球物理前提。物探工作实际材料图见图2。

图2 物探工作实际材料图Fig.2 Map showing the geophysical prospecting work1—推断断层；2—地下水流向；3—河流及其流向；4—塌陷；5—推断岩溶破碎带；6—扰动土；7—塌陷分区代号；8—机井；9—物探测线(点号/线号)；10—测线方位；11—公路；12—房屋

2 野外工作方法

根据探测对象(土洞、溶洞)分布特点与调查区内岩土体的电性、波速差异，结合区内覆盖层厚度信息布置物探测线并选择适宜的物探方法，通过试验选取合适的技术参数，对覆盖层内的土洞和基岩内溶洞进行综合探测并分析确定异常。

2.1高密度电阻率法

高密度电阻率法是以岩、土体之间的电性差异为前提，采用多芯电缆和多道电极人工建立地下稳定直流电场，通过程控式多路电极转换器选择不同的电极组合方式和不同的极距间隔，实现供电和测量电极的自动跑极、自动供电、自动观测和自动记录、自动计算和自动存储，获取地下介质的电阻率分布规律，进而推断地下的地质结构和构造，解决水文地质与工程地质问题的方法。

此次勘探选择施伦贝尔(α2)装置进行对称四极电测深测量，其中1、2线测量点距为5 m，3线测量点距为10 m，采集层数为20层。仪器采用重庆奔腾仪器厂生产的WGMD-3型多功能数字直流激电仪。

2.2主动源面波法

主动源面波法利用瑞雷波的几何频散特性提取层状介质中的瑞雷波速度(近似横波速度)进行岩性分层。在自由界面(如地面)上进行塑向激振时，均会在其表面附近产生各种波长的瑞雷波，瑞雷波波速与岩土物理力学参数密切相关，波速高介质的刚度大，同时不同波长的瑞雷波，反映不同深度范围内的波速变化。所以测试出地面以下不同深度处的瑞雷波传播速度和波长，就可区分岩土体的地球物理特征，从而划分不同岩土体的界限，识别空洞、塌陷、富含水区、孤石等。

经现场测试，选取2线最佳偏移距为2 m，检波器频率为4.5 Hz，道距为1 m，道数为30，采样长度为2 048，采样率为500 μs，叠加次数为3，震源类型为锤击震源；3线最佳偏移距为4 m，检波器频率为4.5 Hz，道距为1 m，道数为30，采样长度为2 048，采样率为500 μs，叠加次数为3，震源类型为锤击震源。仪器采用瑞典ABEM 公司生产的MK6地震仪。

2.3微动法

大地无时无刻不在振动，通过测量大地的三分量振动信号可以分析场地的固有周期，所以微动分析被用于地震小区划、震动监测中。微动的阵列测量能计算成阵列中心地下的横波速度随深度的变化，而单站测量可以利用H/V特征频率、谱形态来推断大地的地质结构和振动状态，从而识别地下空洞、塌陷、地下河等。

此次勘探采用罗盘定向，主要技术参数为：点距为5 m，局部地区加密至2.5 m，采集时间20 min，采样频率128 Hz。

3 结果分析与讨论

3.1第1测线

由第1测线高密度对称四极电测深视电阻率反演断面图(图3 a)可知，土层平均厚度约10 m(电阻率值为0～120 Ω·m)，整个剖面覆盖层厚度变化较小。在整个电阻率反演断面图中，由电阻率的分布可知，315～505 m测点段，土层与岩层界面明显，横、纵向电阻率均一；至505～550 m测点段电阻率值减小，且向深部电阻率等值曲线斜率逐渐增大，电阻率呈“U”型低阻异常；至550～610 m测点段，电阻率值进一步减小，向深部电阻率等值曲线斜率有增大趋势，浅部视电阻率较小。受场地条件限制，再往大号方向为居民住宅区，物探测线难以延伸。由上所述，推断315～505 m测点段地下岩石较完整，505～550 m测点段下部灰岩受到弱岩溶作用，550～610 m测点段下部灰岩受到较强的岩溶作用。

结合上述高密度电阻率异常及场地条件，选择在物探异常段530～600 m测点段开展微动法测量。由微动H/V比值谱等值线图(图3 b)可知，在频率为10～15 Hz、530～550 m测点段在H/V谱上存在高值闭合能量团，H/V谱值极大值常与岩溶发育结相关，高频对应浅部的发育特征，结合高密度电法在此段的电阻率分布特征，推断在该段可能浅部扰动土发育；在频率为0～7 Hz、580～590 m测点段H/V谱上存在串珠状高值闭合能量团，H/V谱值串珠状极大值常与强岩溶作用相关，低频对应深部的发育特征，结合高密度电法在此段的电阻率特征，推断该测点段岩层内有溶洞发育。

图3 第1测线物探综合图Fig.3 Comprehensive geophysical prospecting map of the first line(a)高密度对称四极电测深视电阻率反演断面图；(b)微动H/V比值谱等值线剖面图

3.2第2测线

由第2测线高密度对称四极电测深视电阻率反演断面图(图4 a)可知，土层平均厚度约10 m(电阻率值为0～120 Ω·m)，整个剖面覆盖层厚度变化较小。在整个电阻率反演断面图中，由电阻率的分布可知，305～505 m测点段，土层与岩层界面明显，横、纵向电阻率相对均一，至505～550 m测点段电阻率值减小，且向深部电阻率等值曲线斜率逐渐增大；至550～600 m测点段，电阻率值进一步减小，向深部电阻率等值曲线斜率有增大趋势，浅部视电阻率较小。受场地条件限制，再往大号方向为居民住宅区，物探测线难以延伸。

图4 第2测线物探综合图Fig.4 Comprehensive geophysical prospecting map of the second line(a)高密度对称四极电测深视电阻率反演断面图；(b)微动H/V比值谱等值线剖面图；(c)主动源面波速度剖面图

结合上述高密度电阻率异常及场地条件，选择在物探异常段530～600 m测点段开展微动法测量。由微动H/V比值谱等值线图(图4 b)可知，在频率为5～7 Hz，530～550 m测点段在H/V谱上存在高值闭合能量团，揭示相对较深的岩溶发育特征；在频率为5～11 Hz，570～600 m测点段H/V谱上存在高值闭合能量团，对应于相对较浅的岩溶发育特征。

结合高密度电法及微动法异常及场地条件，选择在555～572 m测点段开展主动源面波法测量。由图4(c)可知，土层的平均厚度约10 m(波速为190～260 m/s)，由速度的分布及变化特点可知：土层与岩层界面明显，土层的局部变化清晰，局部呈现相对高速区，推测为浅部碎石土的影响。

综上所述，由2线综合物探的结果可推断在305～505 m测点段地下岩石相对完整，505～550 m测点段下部灰岩受到弱岩溶作用，550～600 m测点段下部灰岩受到较强的岩溶作用。555～575 m测点段推断为浅部扰动土发育。

3.3第3测线

由第3测线高密度对称四极电测深视电阻率反演断面图(图5 a)可知，土层平均厚度约10 m(电阻率值为0～120 Ω·m)，由电阻率的分布可知，210～380 m测点段土层厚度较薄，380～800 m测点段土层厚度变化较小。在整个电阻率反演断面图中，370～420 m测点段相比两侧电阻率值均较小，推断为岩溶破碎带或断裂带(F)发育(图5 a)，465～580 m测点段相比小号方向电阻率值较小，且向深部电阻率等值曲线斜率逐渐增大；至580～650 m测点段相比大号方向电阻率值较小，向深部电阻率等值曲线斜率有增大趋势。

结合高密度电法异常及场地条件，选择在物探异常段606～621 m测点段开展主动源面波法测量。由图5(b)可知，土层的平均厚度约13 m，由速度的分布及变化特点可知：土层与岩层界面明显，土层的局部变化清晰，且在8～13 m之间出现一层波速较小的软弱层。

图5 第3测线物探综合图Fig.5 Comprehensive geophysical prospecting map of the third line(a)高密度对称四极电测深视电阻率反演断面图；(b)主动源面波速度剖面图

综上所述，由3线综合物探的结果可推断在395 m测点段有一NE—SW向断层，推测为塌陷区北东部NE—SW断层的延伸段，465～650 m测点段地下灰岩可能受到岩溶作用产生了不同程度破坏，606～621 m测点段推断为浅部扰动土发育。

3.4讨论

综合1、2、3线物探反演资料圈定出塌陷区岩溶发育带范围，分别经过1线505 m测点、2线505 m测点、3线465 m测点及650 m测点，并向1、2线大号方向向外扩展。结合高密度电法反演断面的电阻率变化将该岩溶发育带划分为弱岩溶发育带及强岩溶发育带。弱岩溶发育带(图1中Ⅱ区)分别经过1线505 m、550 m测点，2线505 m、550 m测点，3线465 m、580 m测点，为岩溶塌陷潜伏区，应注意监测预防；强岩溶发育带(图1中Ⅰ区)左侧分别经过1线550 m测点，2线550 m测点，3线580 m、 650 m测点，并向1、2线大号方向向外扩展，为岩溶塌陷危险区。在物探工作结束后两天，在强岩溶发育带1线580～590 m测点段再次发生地面塌陷，证实该区域为危险区，应加强监管。其余区域为相对稳定区(图1中Ⅲ区)。

该岩溶发育带由南向北呈扫帚状发育，南段朝机井方向发育，推测该岩溶发育带的形成与机井长年抽水有关，由于塌陷区土层厚度较薄(10 m左右)，机井长年抽水造成地下水位变化，迫使浅部扰动土及破碎岩石随水流迁移，导致地下形成空洞，在强降雨季节，容易形成塌陷。由该工作区塌陷的分布(图1)可知，已知塌陷主要分布在强岩溶发育带(Ⅰ)，另外，由上述方法推断的扰动土(均由钻探资料证实)主要分布在强岩溶发育带(Ⅰ)与弱岩溶发育带(Ⅱ)的边界附近(图1)，与高密度电法、主动源面波法及微动法揭示的位置吻合，证实了在塌陷区开展高密度电法、主动源面波法及微动法相结合进行相关研究的可靠性。

通过以上资料分析可知，上述三种物探方法在岩溶塌陷的应用中各有利弊：高密度电法根据电阻率值的变化能较好地区分岩土层的分界面及确定岩溶发育带，但其分辨率较低；主动源面波法根据速度的变化能较好地区分岩土的界面，且分辨率比高密度电法高，但探测深度小且易受场地条件限制；微动法根据H/V值能量团的大小可以较精准地确定岩溶塌陷位置，但易受外界干扰且易受场地条件限制。因此，在岩溶塌陷的调查中，应结合多种物探方法进行综合分析。

4 结论

(1)该岩溶塌陷区存在一条由南向北呈扫帚状的岩溶发育带，尾部向机井方延伸；塌陷的形成与机井长年抽水有关，水位变化引起土层松动及岩土迁移，导致塌陷形成。

(2)预测并划分出塌陷危险区、塌陷潜伏区和相对稳定区，为后续灾害治理工作确定具体范围，给治理施工设计提供科学依据。

(3)高密度电法能较好地区分岩土层界面及划分岩溶发育带，但分辨率较低；主动源面波法能较好划分岩土层界面且分辨率较高，但探测深度浅；微动法能较精准地确定岩溶塌陷位置，但抗干扰能力较弱。

(4)高密度电法、主动源面波法及微动法结合能有效查明塌陷区内地层结构、岩溶发育带，并划分出塌陷区范围，而单一物探方法对异常的解释常具多解性。应根据场地条件采用多种物探方法进行综合勘探。

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责任编辑：汪美华

ApplicationofintegratedgeophysicalmethodstokarstcollapseinvestigationintheSijiaovillagenearLiuzhou

ZHENG Zhijie1,2, AO Wenlong3, ZENG Jie1,2, GAN Fuping1,2, ZHANG Wei1,2

(1.InstituteofKarstGeology,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Guilin,Guangxi514004,China； 2.KarstDynamicsLaboratory,MLR&GZAR,Guilin,Guangxi514004,China; 3.GeologicalBureauofShenzhen,Shenzhen,Guangdong518023,China)

The Sijiao village is the typical karst collapse area, in which karst collapse is uncertain, subtle and unexpected. Based on the characteristics of karst collapse, this paper selects the high density resistivity method, the active source surface wave method and the microtremor method to make a comprehensive study of this kind of karst collapse. The results indicate that the high density resistivity method can well divide the interface of rock and soil layer and the karst development zones, but the resolution is relatively low; the active source surface wave method can well divide the interface of rock and soil layer, and has a higher resolution, but the detection depth is relatively shallow; and the microtremor can accurately determine the karst collapse position but the anti-interference ability is relatively weak. The combination of the high density resistivity method, the active source surface wave method and the microtremor method can effectively identify the structure of the rock and soil layer in the collapse area, determine the location of the karst development zones, and predict the collapse risk areas, the collapse latent area and the relatively stable area. These work can determine the specific scope of the follow-up hazards treatment work and provides a scientific basis for the management of construction design. In addition, it is also found that the formation of collapse is related to the years of well pumping according to the abnormal characteristics of the three geophysical prospecting methods mentioned above.

high density resistivity method; active source surface wave method; microtremor method; integrated geophysical; karst collapse

P631.3

A

1000-3665(2017)05-0143-07

曾洁(1986-)，女，助理研究员，硕士，主要从事岩溶水文地质研究。E-mail：zengjie@karst.ac.cn

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.05.22

2016-10-24;

2016-12-27

中国地质调查局地质调查项目 (DD20160300)；中国地质调查局地质调查项目(1212371213031)；中国地质科学院院控基金项目(YYWF201643)

郑智杰(1987-)，男，助理研究员，硕士，主要从事岩溶物探方法的应用研究。E-mail：zhengzhijie1@163.com