物探技术在徐州城市地质调查中的应用

蒋波 黄敬军 姜国庆 张丽 武鑫 徐士银

摘  要：徐州是江苏省地质环境最脆弱的城市，岩溶塌陷、采空塌陷等地质灾害和区域稳定性问题已影响经济社会的可持续发展，解决城市地质问题已成为徐州城市地质调查的首要任务。物探属于无损探测技术，凭借高效、经济、施工灵活、信息丰富，探测效果好等优点在城市地质调查中应用广泛。徐州城市地质调查项目在实施过程中，采用了可控源音频大地电磁、高密度电阻率、瞬变电磁和地质雷达4种物探技术，结合钻孔验证和区域地质资料对比，查证了主要断裂带分布位置，判别了岩溶发育和上覆松散层古河道分布特征，识别采空区空间特征和边界条件，为区域稳定性、岩溶塌陷易发性及采空区稳定性评价提供依据。

关键词：物探技术;可控源音频大地电磁;高密度电阻率;城市地质调查;徐州

中图分类号：P631     文献标识码：A     文章編号：1007-1903（2019）03-0101-08

Geophysical Technology Applied to Xuzhou Urban Geological Survey

JIANG Bo1，2， HUANG Jingjun1，2， JIANG Guoqing1，2， ZHANG Li1，2， WU Xin1，2， XU Shiyi1，2

（1. Key Laboratory of Earth Fissures Geological Disaster of MLR， Nanjing 210018;

2. Geological Survey of Jiangsu Province， Nanjing 210018）

Abstract： Xuzhou is the most fragile city of geological environment in Jiangsu Province. Geological disasters such as karst collapse and goaf collapse and regional stability problems have affected the sustainable development of the economy and society. Solving urban geological problems has become the primary task for Xuzhou urban geological survey. Geophysical prospecting belongs to the non-destructive detection technology. It is widely used in urban geological investigations due to its advantages of high effectiveness， economy， flexible construction， rich information and good detection effect. During the implementation process of Xuzhou urban geological survey， four geophysical techniques including controlled source audio-frequency magnetotelluric， high-density resistivity， transient electromagnetic and geological radar have been adopted. Combined with borehole verification and regional geological data comparison， the location of the major fault zones has been verified， the distribution characteristics of the karst development and the loose strata in paleo-channel has been identified， and the basis of spatial characteristics for boundary conditions of the goaf collapse area has been identified， which can provide the basis of evaluation for regional stability， karst collapse susceptibility and goaf collapse stability.

Keywords： Geophysical technology; Controlled source audio-frequency magnetotelluric; High-density resistivity; Urban geological survey; Xuzhou

0 引言

随着城市经济建设的规模化发展，地质条件及地质环境问题对城市发展的影响日益突出，开展城市地质调查，解决城市地质问题已成为当务之急。城市地质勘察中最多的方法是地质钻探，但城市区域受施工场地、城市交通等多方面因素的限制，施工难度较大，随着地球物理勘探新技术和新方法的推广，越来越多的物探技术应用于城市地质勘探中。物探技术高效、经济、施工灵活、信息丰富、探测效果好（李远强，2015），属于无损探测技术，对探查目的物和已建场地没有任何影响，在城市地质勘察中所起到的作用是无可替代的。

徐州是江苏第4个开展城市地质调查的城市，工作区域为徐州城市规划区，面积3126km2，项目从基础地质、地质资源、地质环境、综合研究、信息系统五个层面上展开工作，系统查明了城市规划区基岩地质、第四纪地质、水文地质、工程地质、岩溶地质、煤田地质条件，摸清了地下水、地下空间、富硒耕地、山体等地质资源禀赋特征，探求了区域稳定性、岩溶塌陷、采空塌陷、土壤环境等地质问题诱发因素，从划定岩溶水水位红线、构建采空区地下水库、调整城市“三线”等方面，找寻资源供给保障与环境安全对策（花修权，2015;姜素等，2018）。项目在勘查过程中，为查证5条主要断裂位置，布设4条可控源音频大地电磁法测线（10.96km）和1条高密度电阻率法测线（4.49km）;为识别贾汪、九里煤田采空区空间结构及边界条件，布设4条可控源音频大地电磁法测线（16.42km）和6条高密度电阻率法测线（11.94km）;为查明主城区岩溶发育层位和上覆松散层古河道特征，布设40条可控源音频大地电磁法测线（49.84km），9条瞬变电磁法测线（11.62km），35条地质雷达法测线（4.73km）。

1 地质条件及地球物理特征

1.1 地质条件

徐州市属华北地层区鲁西分区徐宿地层小区，新元古界主要为震旦系—南华系海相碳酸盐岩沉积及滨浅海碎屑岩沉积，下古生界寒武系—奥陶系为碳酸盐岩为主兼有页岩、砂岩等碎屑岩的地层，上古生界石炭系—二叠系为含煤岩系及陆相红色碎屑岩，中生界侏罗系—白垩系为火山碎屑岩、沉火山碎屑岩沉积，新生界古近纪系为碎屑岩沉积（图1），上覆第四系为松散沉积物。徐州市最主要的构造是徐宿弧形构造，由一系列弧形褶皱（复式背斜与复式向斜）和断裂组成，构造走向与山脉走向一致，背斜核部主要由震旦系组成，向斜核部由二叠系组成。煤系地层有二叠系下石盒子组和山西组、石炭系太原组，下石盒子组含煤地层含煤3～5层，1煤、2煤、3煤为可采层煤;山西组含煤地层含煤2～6层，7煤、8煤、9煤、10煤为可采层煤;太原组含煤地层含煤8～12层，17煤、18煤、20煤、21煤为可采层煤。震旦系、寒武系和奥陶系碳酸盐岩为可溶岩地层，奥陶系马家沟组、三山子组、寒武系张夏组、震旦系九顶山组、赵圩组地层岩石中酸不溶物含量<10%，为纯碳酸盐岩地层，是岩溶发育的主要地层，尤其是陶系马家沟组和寒武系张夏组;奥陶系贾汪组、寒武系炒米店组、馒头组上段和震旦系望山组、魏集组、倪园组、贾园组地层岩石中酸不溶物含量10%～50%，为不纯碳酸盐岩，岩溶发育相对较弱。

1.2 地球物理特征

依据已有物性资料，徐州城市规划区内第四系松散沉积物表现为低阻，粉砂的电阻率20～30Ω·m、粉土和粉质粘土的电阻率15～25Ω·m、粘土的电阻率10～20Ω·m;碳酸盐岩及碎屑岩表现为高阻，白垩系火成岩和侏罗系粉砂岩、含砾砂岩电阻率20～400Ω·m，寒武系—奥陶系灰岩、白云岩电阻率20～500Ω·m，震旦系泥晶灰岩、白云岩电阻率400～1000Ω·m，显然，基岩电阻率高于上覆土层数十倍，是良好的电性高阻标志层。隐伏岩溶区的溶洞和采空區类似，充填、半充填的溶洞和充水的采空区呈现出低阻，未充填的溶洞和未充水的采空区相对于围岩地层表现为高阻特征（姜国庆等，2015），这种电阻率的差异适合探测基岩埋深、岩溶发育情况及确定采空区的边界范围及充水情况。

2 物探在徐州城市地质调查中解决的问题

2.1 查证断裂构造带位置

废黄河断裂是区内具备一定程度发震能力和地震危险性最大的断层之一（张鹏等，2014），由3～4条大致平行的断裂组成，断裂带总体走向NWW，倾向SW，隐伏于第四系之下，延伸方向基本与废黄河展布方向一致，横切区内所有复式褶皱，南北主干断裂均为上盘下降、下盘上升的正断层。第四纪以来为张性活动，断裂带内堆积洼地相对缓慢下降，而两侧低山丘陵继续抬升，在地貌上表现为负地形，沿断裂形成一系列串珠状展布的湖泊。为查证该断裂带向东走向，进行区域稳定性评价，在观音国际机场北布设NE向高密度电阻率法测线，测线总长4.49km，最小电极距10m。由电阻率断面图可知，以2000m桩号为界，南北两侧电性差异显著，南侧地层电阻率变化平稳，横向电阻率等值线成层性较好，断裂构造不发育;北侧地层电阻率变化较为剧烈，横向电阻率等值线成层性差，波浪起伏明显，特别是2200～3200m桩段地层电阻率变化最为剧烈，实测视电阻率断面图上为多处电阻率等值线横向拐折，反演电阻率断面上表现为4处（2450m、2850m、3100m和3900m）明显的电阻率等值线横向错断，推断存在断裂构造，断层倾向南，倾角相对较陡（图2），推断断层与地质图标定断层一致。

2.2 判别岩溶发育层位和古河道特征

岩溶塌陷是“岩溶-盖层-水”构成的系统在各种因素下表现出来的系统失稳过程在地表的宏观表现，岩溶发育和覆盖层结构是岩溶塌陷的内因。岩溶发育尤其是发育向上开口的溶洞，为地下水强烈活动和塌落物质的运移提供了有利空间;覆盖层结构中“单一透水型盖层”（砂土单层结构）和“透-阻型盖层”（砂性土-粘性土双层结构），在地下水流冲刷及潜蚀作用下，土粒被水带走而形成土洞，产生渗透变形破坏。在降雨等触发因素下塌陷（黄敬军等，2017;2019）。因此，查明隐伏岩溶区岩溶发育分布特征和上覆土层结构特征是岩溶塌陷地质调查评价的主要目标任务，本次采用高密度电阻率和瞬变电磁法，结合钻探的勘探手段判别岩溶发育位置和上覆松散层土层结构及古河道分布特征。

2.2.1 上覆土层结构及岩溶发育层位判别

（1）高密度电阻率和瞬变电磁综合勘探

三环南路高密度电阻率和瞬变电磁综合物探线，测线长度1495m，测线方向为近南北向，最小电极距5m。由电阻率断面图可知，由浅到深分2个电性层，0～20m为相对低阻层，地层电阻率低于20Ω·m，推断为第四系粘土;20m以深为相对高阻层，电阻率100～500Ω·m，推断为奥陶系灰岩，由此可知该测线下方覆盖层结构为“粘土单层结构”，表明该处为阻型盖层。

反演电阻率断面图上750～800m桩号附近在高密度电阻率法和瞬变电磁法断面上均表现为较为明显的“V”字型低阻异常，符合基岩面附近岩溶异常的电性特征，推断为岩溶异常区，存在断裂构造，推断断层倾向北，倾角70°左右。高密度断面在100～220m、700～850m和1000～1130m桩号处存在3处岩溶破碎区，瞬变电磁断面800～920m和1020～1130桩号存在明显的岩溶异常区低阻反映（图3）。

（2）地质雷达勘探

市文化大厦后院的地质雷达测线长24m，测点距0.2m，断面图上26m深度附近存在连续性好、波组清晰、信号强的反射波组，推断为基岩面。12～16m桩的16～18m深、20～24m桩的21～23m深，可见2处双曲线异常，推断为土洞。8～12m桩的26～29m深反射波同相轴明显错断，反射波较为凌乱，且反射波延迟，推断为岩溶破碎带。该处的YGC43-1工程孔揭露地层表明：基岩埋深26.30m，26.30～29.60m揭露未充填溶洞，地质雷达推断基岩面、溶洞位置与钻探验证结果基本吻合（图4）。

2.2.2 上覆松散层古河道圈定

2014年3月21日铜山柳新钮庄发生岩溶塌陷，塌陷坑直径2m，可见深度1.5m，为查明岩塌陷形成的地质条件，在岩溶塌陷区域布设6条高密度电阻率法测线，试图找出上覆松散层土层结构及流经该区域的古泗水河道位置。从L3线高密度电阻率法综合断面（图5）可知，塌陷区域由浅到深可分为3个电性层，浅部为高电阻率的第四系砂性土，电阻率在15Ω·m以上，底部为高电阻率的碳酸盐岩，电阻率大于500Ω·m，中间为低电阻率的第四系粘土，电阻率低于15Ω·m。由此可判别该区域岩溶塌陷发育的地质模式为“透-阻型盖层”。

实测视电阻率断面上510～720m桩号±0m高程以浅，电阻率等值线明显表现为横向不连续，表现出自上而下贯通的高阻异常区，经二维反演后该高阻异常区表现为下凹的弧形特征，对比钻孔资料及数值模拟结果，可知该异常形态为全新世古河道形态，推断该桩号段为古泗水河道位置，古河道下方老粘土层遭受侵蚀变薄，而在远离古河道的位置，第四系覆盖层则表现为较为平整的砂性土—粘土双层结构。

由反演电阻率断面三维立体图（图6）可知，10m和20m高程的反演电阻率平面上显现一条高阻条带，NNW走向的高阻带内地层电阻率超过15Ω·m，对应地层为全新世砂性土（粉砂和粉土），两侧地层电阻率则相对较低，对应地层为全新世粘性土（粘土、粉质粘土），据此推断高阻条带为古河道位置。各断面上古河道造成的高阻带连续性好，据此也可确定古河道宽度及边界（姜国庆等，2018）。

2.3 识别采空区空间特征和边界条件

徐州是全国重要煤炭能源基地之一，煤炭资源的大规模开发利用给徐州城市规划区留下了140km2的采空区，但由于开采历史久、开采层次多及小煤窑的不规范开采，使煤矿采掘资料不全，采空区分布不明。为评价采空区稳定性，通过物探方法查清采空区分布状况，为城市规划建设提供了重要的基础资料和地质依据。

2.3.1 采空区空间分布特征查證

九里煤田主采煤层为上石炭统太原组20、21煤层、下二叠统山西组7、9煤层和下石盒子组1、2、3煤层，由于构造复杂，NE-SW展布复式褶皱被一系列NE向的断层复杂化，逆冲推覆构造改变了原始地层赋存状态（张传凤等，2015），分割了煤系地层的完整性，全区可采仅2、7煤层，其它为零星可采，造成煤田内煤矿开采分散，煤矿开采后形成的采空区相对独立。为查证已有采空区资料的准确性，布设4条穿越多个矿区的可控源音频大地电磁测线，其中3号线穿越庞庄矿和王庄矿采空区。

反演电阻率断面图显示，由浅到深地层电阻率逐渐升高，浅部电阻率10～20Ω·m的低阻层推断为第四系粘土、粉土，其下电阻率20～200Ω·m，推断为二叠系和石炭系砂质页岩、砂岩，据庞庄矿和王庄矿地质资料，二叠系有可采煤层7、9煤，石炭系有可采煤层20、21煤。深部高阻地层推测为奥陶系灰岩。基岩电阻率呈现两端高中间低，中间地层电性平缓，两侧地层上抬，推断该测线由3个褶皱组成，由南向北依次为向斜、背斜和向斜。图7上2000-2500m点号和4200-4800点号电阻率等值线呈现明显的“V”字型低阻异常，推断该区段煤层已经被开采，且顶板离层、空洞、裂缝具有一定的含水性;2500-4200点号间地层连续性好，未发现明显的煤层采空区低阻或高阻电性异常，推断此处煤层未被开采。

2.3.2 采空区空间边界条件判别

贾汪煤田是徐州最开采的煤矿区，主采煤层为上石炭统太原组17、20、21煤层、下二叠统山西组7、9煤层和下石盒子组1、3煤层。由于开采历史悠久（130多年）、乡镇小煤窑多（200多家）、开采层深度差异大（10～1000m）、多次复采（小矿复采大矿的残留煤柱），造成采空区资料不完整，可信度差，为判别采空区边界，尤其是西部与岩溶水源地的关系，垂直边界布设6条高密度电阻率测线。

30线实测视电阻率断面（图8）显示，900m桩号以东浅部存在一层相对低阻层，电阻率10～20Ω·m，推断为第四系粉土和粘土。低阻层下方东西两侧电性差异显著，1100m桩号以西地层电阻率超过100Ω·m，且电性变化平缓，推断为奥陶系马家沟组灰岩，以东地层电阻率20～100Ω·m，且电性变化剧烈，推断地层为二叠、石炭系砂岩、含砾砂岩夹煤层。1500～1800m桩号上石炭统太原组可采煤层（17、20、21煤）位置，电阻率等值线呈现明显的“V”字型低阻异常，且低阻等值线拐点的连线与煤层产状基本一致，推断为煤层采空区且含水;1850～2050m桩号下二叠统山西组可采煤层（7煤）位置，电阻率等值线明显下凹，低阻特征明显，为典型的充水采空区异常电性特征，推断为煤层采空区。

综合分析6条高密度电阻率测线推知，贾汪煤田西部采空边界位于10线1600m桩号、20线1700m桩号、30线1500m桩号和40线800m桩号，北部采空边界位于50线400m桩号和60线600m桩号，据此圈定的采空区边界如图9所示。

3 结语

城市地质调查是城市建设发展的基础性和先行性工作，是缓解城市地质资源约束、保障城市地质环境安全、促进城市经济发展的重要举措。受施工场地、城市交通等因素的限制，物探技术在城市地质调查中起到的作用越来越重要，是摸清城市地質资源，保障城市地质安全，构建城市三维地质结构必然采取的技术手段。徐州城市地质调查采用了可控源音频大地电磁、高密度电阻率、瞬变电磁和地质雷达4种物探技术进行断裂构造探查定位、岩溶及采空等不良地质体探查，应用于区域稳定性、岩溶塌陷易发性及采空区稳定性评价。

但物探技术也受到外部客观环境的制约，如在探查采空区的高密度电阻率测线穿过高压输电线路，不可避免地影响原始数据质量，虽在数据处理中采取了畸变点剔除、滤波等有效技术手段来压制干扰，但是探测结果仍不可避免地受到影响。因此，在使用物探成果时应结合采矿资料及钻探数据进行综合分析，可减少由于干扰及多解性而带来的误判，提高解释的准确度。同时，应加大开发研究新技术、新方法和新仪器的力度，改进探测资料处理与解释技术，推进城市工程地球物理探测技术发展。

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