综合物探法在矿区岩溶地面塌陷勘查中的应用

周洪博，郝 喆，陈红丹

（1. 辽宁有色勘察研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110013；2. 辽宁大学 环境学院，辽宁 沈阳 110036）

0 引言

岩溶在我国分布面积广泛，其在发育过程中易造成地面塌陷[1]。岩溶塌陷具有隐蔽性和突发性，选择适宜的勘查方法是开展地面塌陷机理分析和综合治理的基础。多位学者针对岩溶塌陷的特点进行过研究工作，金晓文等[2]对岩溶塌陷机理定量研究进行探讨；王明立[3]对煤矿开采诱发岩溶塌陷进行机理分析；王滨等[4]以泰安市东羊娄岩溶塌陷为例进行岩溶塌陷致塌力学模型研究；王延岭等[5]对山东泰莱盆地岩溶塌陷的发育特征及形成机理进行深入研究；Ma，Dan 等[6]以诱发地下水涌水量为例建立岩溶塌陷涌水量预测模型；HE Keqiang 等[7]对岩溶塌陷的机理及稳定性判据进行深入研究，张伟等[8]采用综合物探方法对淮河滨河浅滩岩溶塌陷区进行野外实验研究，郑智杰[9]利用综合物探方法对柳州泗角村进行岩溶塌陷的综合研究，陈贻祥等[10]利用综合物探方法对塌陷区进行探测并对几种综合物探法进行分析对比。

目前在岩溶塌陷勘查方面，比较常用的方法是高密度电测深法、音频大地电磁法、地震折射法等。本文针对辽宁省凤城市青城子镇桃源村罗家沟岩溶地面塌陷地质灾害，通过直流高密度电法结合浅震法的综合物探方法[11]，对异常区进行验证，确认物探异常的性质、状态，查明地面塌陷形成原因，为塌陷区的圈定提供依据。两种方法的结合为岩溶勘探提供了新思路，提高勘探结果的准确性和可靠性，且改善了单一物探方法的局限性问题，充分体现综合物探的优越性。

1 地质条件分析

1.1 地貌及水文地质特征

勘查区处于青城子铅锌矿南部的桃源村罗家沟内，辽东青城子矿田北东部，新岭花岗岩体边部，地面高程363.6～619m。勘查区位于大洋河流域，区内地表水系有流经罗家堡子的桃源河，水流由西向东，水流量受季节影响很大，一般流量0.08～2.72m3/s，最大流量6.35m3/s，目前已经发生地面塌陷地质灾害主要集中在桃源河附近区域。

1.2 地球物理特征

通过资料收集及现场勘查，区内地层主要是白云质大理岩、脉岩、第四系覆盖层。全风化大理岩已无原岩构造，用手易掰断。根据现场试验测试数据，大理岩电阻率为102～104Ω.m，全风化大理岩电阻率更低，与第四系覆盖层电阻率值接近，为10～102Ω.m。脉岩主要为花岗斑岩，电阻率值与大理岩基本相当，有时会略高于大理岩。勘查区空洞基本全部为含水充填。采用地震映像法进行探测时，岩溶在地震时间剖面上的响应主要表现为以下特征：以典型绕射形式存在，反射波的同向轴成弧形，其顶点对应与隧洞顶部对应；反射波信号微弱，甚至缺失，局部形成空白区域；反射波同向轴紊乱，连续性差，有时与旁边的同向轴完全错断。

高密度电法探测仪器选用重庆奔腾数控技术研究所生产的WGMD-9 超级高密度电法系统，测量参数为视电阻率ρs，观测装置是温纳四极（A M N B） 方式。高分辨地震仪（浅震仪） 随采样率自动跟踪；在采样率的0.216 倍处为-3dB，下至120dB；并配有各种数字滤波器，截频点（-3dB 处）。

2 物探区域划定

为节约资源和节省时间，实现物探工作效益最大化，根据岩溶塌陷发育程度和地质灾害危险性，将勘查区划分为重点物探区和次重点物探区（图1），分别进行物探工作，查明勘查区地质灾害成因，为后续岩溶塌陷发育程度分级提供理论依据。

图1 物探工作区域划分图Fig.1 Division map of geophysical prospecting work area

岩溶塌陷发育程度强及地质灾害危险性大的区域为重点勘查区，岩溶塌陷发育程度中等和发育程度弱以及地质灾害危险性中等的区域为次重点勘查区。从图1 可见，重点物探区域整体呈矩形，次重点物探区域呈不规则长条状，重点区域面积远远小于次重点区域。

3 重点区域物探

3.1 工程布置

勘查区重点物探区域工程布置如图2 所示。

图2 重点物探区域工程布置Fig.2 Layout of key geophysical prospecting area engineering

3.2 典型测线物探解译分析

图3-6 为典型测线的高密度电阻率断面图。因篇幅所限，仅4 号测线给出α 和β 两个剖面，其余测线给出一个α 剖面。结合钻探资料，对重点区域进行物探解译如下。

3.2.1 1#测线分析

如图3 所示，1#测线方位为北东向，点距为2m，电极数为60 根。该测线经过一塌陷坑，第27-30 号电极通过塌陷坑位置。由温纳（α）排列探测结果，在32 号电极、深度为377m 处出现一低阻异常，电阻率值为150Ω.m，异常中心位置与地表塌陷位置不吻合，向大里程偏移；同理，由偶极（β）排列探测结果，在24 号电极、深度为377m 处也出现一低阻异常，电阻率值为130Ω.m，异常中心位置与地表塌陷位置不吻合，向小里程偏移。两种探测结果的异常中心分别向两侧偏移，而两个异常中心的中间位置恰好与其塌陷位置对应。根据以上分析，以水平坐标27-32 点、垂向异常中心高程377m 圈定一低阻异常，电阻率值为150～220Ω.m，推断该异常为采空区。

图3 1#测线α 剖面高密度电阻率断面图Fig.3 High-density resistivity profile of line No.1

3.2.2 3#测线分析

如图4 所示，3#测线方位北东向，点距为2m，电极数为60 根。3 号测线经过一塌陷坑，地表塌陷位置为40-43 点。由α 和β 两个装置的排列探测结果，出现低阻异常中心偏移地表塌陷坑位置的情况，α 排列装置探测结果异常中心向小里程偏移，β 排列装置探测结果异常中心向大里程偏移。根据以上分析，以水平坐标38-48 点、垂向异常中心高程375m 圈定一低阻异常，电阻率值为130～300Ω.m，推断该异常为采空区。

图4 3#测线α 剖面高密度电阻率断面图Fig.4 High density resistivity profile of line No.3

3.2.3 4#测线分析

如图5 所示，4#测线探测结果异常形态与3 号测线相似。由α 和β 两个装置的排列探测结果，出现低阻异常中心偏移地表塌陷坑位置的情况，α 排列装置探测结果异常中心向小里程偏移，β 排列装置探测结果异常中心向大里程偏移。因此，以水平坐标38-46 点、垂向异常中心高程376m 圈定一低阻异常，电阻率值为80～260Ω.m，推断该异常为采空区。

图5 4#测线高密度电阻率断面图Fig.5 High density resistivity profile of line No.4

3.2.4 5#测线分析

如图6 所示，5#测线方位南东向，与1 号测线垂直，点距为2m，电极数为50 根。地表塌陷位置为25-27 点，由α 和β 两个装置的排列探测结果，也出现低阻异常中心偏移地表塌陷坑位置的情况，取两个异常中心的中间部位作为真实的低阻异常中心。根据以上分析，以水平坐标23-30 点、垂向异常中心高程376m圈定一低阻异常，电阻率值为110～260Ω.m，推断该异常为采空区。

图6 5#测线α 剖面高密度电阻率断面图Fig.6 High density resistivity profile of line No. 5

3.3 高密度电法物探综合分析

由第 1#、3#、4#、5# 测线上的 α 和 β 剖面探测结果可知，在电阻率值垂向分布上，地表处显示出高阻异常，中间为低阻异常，深部又为高阻异常。地表处的高阻异常是由于地表第四系松散层、夹石、岩性不均匀造成的，而中间的低阻层与实际地层情况相符，均为第四系覆盖层、全风化岩层以及岩溶发育区。深部高阻异常部分是中风化的白云质大理岩，岩性比较均匀，电阻率表现为高阻异常。据此，划定一条近乎水平的地层分界线，推断该分界线上部为多条断裂交汇处的破碎带，破碎带厚度约20m。该破碎带中岩溶比较发育，往往充填粉质粘土、细砂等物质，由于破碎带内导水性较好，在水量丰沛的季节里，地表水不断向地下补给，经过地下水的不断冲刷、稀释，裂隙和溶洞内的充填物就会被带走，形成一定的空间，此时的溶洞顶板稳定性较差，易发生塌落。

4 次重点区域物探

4.1 工程布置

勘查区次重点区域物探工程布置如图7 所示。

图7 次重点物探区域工程布置Fig.7 Layout of key geophysical prospecting area engineering

4.2 高密度物探解译

以测线W1、W11为例进行分析，W1、W11测线高密度电阻率断面图如图8-9 所示。

图8 W1 测线高密度电阻率断面图Fig.8 High density resistivity profile of line W1

W1测线在测区中部按东西（偏东南） 方向布设，长度207m，点距3m。由图8 可见，①垂直方向上电阻率由低到高变化，变化范围98～800Ω·M，对应深度在 0～50m 之间，呈现由浅部第四纪砂土过渡到全风化、强风化岩石再延伸到深部微风化岩石；② 水平方向上电极号在东西两侧电阻率相对较低，中间部位电极号在41 处相对较高；③ 该剖面未显示有相对明显的低阻异常或高阻异常。

W11测线在测区中部按南北（偏北东） 方向布设，长度为177m，点距3m。由图9 所示，① 垂直方向上电阻率变化不大，在南部电阻率较低，在北部相对较高；② 水平方向上电阻率呈南低北高，28 号电极处有一明显的高低电阻率分界线，显示该分界线为向南倾斜状态，倾角70°左右；③ 该剖面有相对明显的高低阻异常带，推测该分界线为断层构造或不同岩性的岩层接触带，以F1表示。

图9 W11 测线高密度电阻率断面图Fig.9 High density resistivity profile of line W11

4.3 浅震物探解译

以DZ3、DZ8剖面为例进行浅震分析，物探结果如图10 和图11 所示。

图10 DZ3 浅层地震剖面成果图Fig.10 Shallow seismic profile results of line DZ3

图11 DZ8 浅层地震剖面成果图Fig.11 Shallow seismic profile results of line DZ8

从DZ3、DZ8的反射波时间剖面上可见，波形局部表现为波组紊乱、断续，同相轴出现上凸下凹以及波组能量突变，反映出岩溶空洞、塌陷区等地层结构特征。DZ3测线CMP 反射时间剖面出现异常范围点号在61-68 点，对应的实际剖面点号是33-37 点，时间深度在70～200ms。DZ8测线CMP 反射时间剖面出现异常范围点号在16-29 点，对应的实际剖面点号是9-16 点，时间深度在 70～180ms。

5 结论

（1）采用直流高密度电测深法结合浅震法的综合物探方法，可以实现优势互补，精确查明地面塌陷形成原因，圈定异常区边界和范围。本次勘查依据岩溶塌陷发育程度和地质灾害危险性将物探布置划分为重点勘查区域和次重点勘查区域，提高了物探工作的效率和精度。

（2）重点区域岩溶塌陷探测的结果表明：当出现同相轴突然发生错动、同相轴整体趋于一个“拱形”、同相轴整体趋于一个“锅底形”、同相轴整体产生“波浪起伏”等异常时，推断为岩溶发育区。结合高密度电法和钻探资料，整个勘查区均有岩溶发育，只是发育的程度不一致，因而，地震映像法解释的岩溶发育区可以认为是岩溶发育重点区。

（3）次重点区域岩溶塌陷探测的结果表明：高阻异常带显示为断层构造或不同岩性的岩层接触带；高低阻异常带显示为断层构造或不同岩层的接触带；明显低阻异常带显示该部位为不同岩性的岩层蚀变接触带；地表附近低阻异常推测为第四纪覆盖层引起；次重点区域波组的起伏变化异常可能与岩溶空洞异常有直接关系，与地层变化有间接关系。

（4）根据地震水平迭加剖面的波组特征，对次重点区域各测线剖面范围内能量较强、连续性较好并可能具有一定地质意义的各反射波（组） 进行了对比追踪和层位标定。时间剖面上较连续稳定的反射波场同相轴表现了具有一定意义的地质分层界限，而波组断续、空白和局部的起伏变化异常，分析认为与浅表层地层变化、断层和岩溶空洞塌陷所造成的地层的变化有间接关系。

直流高密度电测深法与浅震法的结合为岩溶勘探提供了新思路，提高了勘探结果的可靠性，改善了单一物探方法的局限性问题，为类似岩溶地面塌陷勘查工程提供了有益参考。