地球物理联合探测在识别岩溶地面塌陷精细结构中的应用—以武汉市为例

刘道涵，徐俊杰，刘 磊，何 军，齐 信，陈 松

(1.中国地质调查局武汉地质调查中心，湖北武汉 430205；2.中南地质科技创新中心，湖北武汉 430205；3.湖北省地质局地球物理勘探大队，湖北武汉 430056)

0 引言

岩溶地面塌陷是隐伏岩溶区常见的地质灾害类型，具有隐蔽、突发、反复，且危害大等特点(Lei et al.,2015)。我国可溶岩面积约为346.3×104km2,占国土面积的三分之一以上，是全球16个存在严重岩溶地面塌陷问题的国家之一(蒋忠诚等，2012；林良俊等，2017)。武汉市可溶岩分布面积约1161 km2，其中96%为隐伏岩溶区，受地下水、地表水和城市人类工程活动的叠加作用影响，武汉市岩溶地面塌陷事件时有发生，给人民财产安全和城市规划发展产生极大威胁。

目前，我国岩溶地面塌陷“成因机制、识别评价、监测预警、应急处置和风险管理”五位一体的技术理论框架体系已基本形成，但成因机制量化程度不够、隐患识别评价方法精度不足和监测预警阈值难以获取等问题仍然突出，严重制约岩溶地面塌陷的防治(蒙彦和雷明堂，2019)。同时，武汉、广州、长沙、桂林等城市的地下空间开发均面临着岩溶特殊地质问题，其中武汉具有代表性(姜月华等，2017；黄强兵等，2019)。因此，开展岩溶精细结构探测对城市地质灾害防治和国土空间开发利用均具有重要意义。但现有隐伏型岩溶探测技术存在明显不足(黄强兵等，2019)，常规手段难以满足岩溶塌陷精细结构探测的需求。因此，本文拟以武汉市为例，梳理总结武汉市隐伏岩溶区地下空间探测的地质要素特征，并针对性引入三维高密度电阻率法、多源面波勘探和地面核磁共振方法等地球物理新技术方法开展联合探测试验，探讨各方法的优劣势，从而为武汉市岩溶地质结构精细探测提供参考。

1 武汉市岩溶探测地质要素

武汉市大地构造跨及扬子陆块区和秦岭-大别造山带两大一级构造单元。以襄樊-广济大断裂为界，南侧为扬子陆块区下扬子陆块之鄂东南褶冲带，所处四级构造单元为武汉台地褶冲带；北侧为秦岭-大别造山带之秦岭弧盆系，四级构造单元属随南陆缘裂谷(大陆边缘裂谷盆地)、麻城-新洲凹陷。岩溶区主要呈条带状分布于南部扬子地层区下扬子地层分区的大冶地层小区，以隐伏岩溶为主，岩溶形态主要为溶隙、溶孔和小规模溶洞，充填型溶洞为主。主要可溶岩为三叠系中下统嘉陵江组(T1-2j)白云质灰岩、灰岩夹白云岩和下统大冶组(T1d)灰岩，二叠系下统栖霞组(P2q)燧石结核灰岩，石炭系上统船山组(C2c)和黄龙组(C2h)厚层状白云岩、灰岩，以及下统和洲组(C1h)粘土岩夹灰岩。其中，以石炭系上统黄龙组(C2h)和船山组(C2c)的岩溶发育程度最高。

以往岩溶塌陷研究从成因机理、致塌模式和演化机理等方面进行了系统总结(王飞等，2017；郑晓明等，2019)，并根据土体受力后塌陷过程中颗粒的运移方式，将武汉市岩溶塌陷机理分为土洞型和沙漏型2种(罗小杰和沈建，2018；何军等，2020)。其中，岩溶发育程度、土层厚度和结构、地下水构成了岩溶地面塌陷的原生地质条件，也是隐伏岩溶区地下空间探测的关键地质要素，对其进行系统梳理有助于指导地球物理方法技术的选择。因此，结合武汉市以往地质调查和岩溶塌陷专项勘查等成果资料，分别对武汉市可溶岩、土层和地下水等地质要素典型特征进行梳理总结，并确定以下岩溶地下空间探测的具体目标(见表1)。

表1 武汉市岩溶探测地质要素特征及主要探测目标

2 岩溶探测地球物理方法

地下空间探测一直是地球物理领域关注的热点问题，大量学者开展了富有成效的应用研究工作(Valois et al.，2011；李万伦等，2018)，尤其是电阻率、横波速度等物性参数对地下空间分层和异常体圈定有较好的指示作用。目前，岩溶区地下空间探测中常用的地球物理方法主要有高密度电阻率法、探地雷达、跨孔CT、电磁法和浅层地震勘探等方法(郑智杰等，2017；贾龙等，2018；Djabir et al.，2019；林松等，2019；刘伟等，2019；Verdet et al.，2020)。其中，高密度电阻率法探测深度大、抗干扰能力强，是目前最常用的岩溶探测手段之一。探地雷达主要应用于裸露型和浅覆盖型岩溶，精度高但探测深度浅。跨孔CT被广泛应用于工程施工，但对施工成本和钻孔间距等均有较高要求。电磁法和浅层地震勘探在埋藏型岩溶探测中具有较好效果，主要适用于大深度大规模岩溶探测。此外，微重力探测也被用于探测浅层溶洞和充填型溶洞(Solbakk et al.，2018)。但受场地地质环境和探测精度要求的不断提高，现行物探方法仍难以满足隐伏岩溶区地下空间探测的需求，主要表现为单一方法难以实现全地质要素探测，同时，以武汉市为典型的深覆盖中小型隐伏岩溶体进一步加大了探测的难度。因此，有必要结合物探技术方法的新进展，针对性开展隐伏岩溶区地下空间探测新方法研究。

2.1 三维高密度电阻率法

高密度电阻率法(Electric Resistivity Tomography，ERT)通过对地下供入短时电流建立电场，并用电极探测不同位置的电位差来计算视电阻率值，然后通过对地下半空间进行数值差分，反演计算不同位置的电阻率值。该方法兼具电测深和电剖面法的特点，具有一次完成电极布设，采集数据量大、工作效率高，能直观、准确地反映地下电性异常特征等优点(刘道涵等，2020)。常规高密度电阻率法采用二维剖面探测，将地下地质体假定为二维电性结构进行正反演计算，但在实际岩溶探测中，岩溶体常具有强烈的“三维性”特征，常规二维探测不可避免受“旁侧效应”影响将产生假性异常。三维高密度电阻率法在数据采集和正反演计算中均基于三维网格剖分，使用体元代替常规面元进行电阻率赋值，可刻画电导率在空间三维上的变化，更符合客观实际(Fu et al.，2020；Upadhyay et al.，2020)。同时，供电位置沿电极三维移动，可实现不同方向电场激发-接收组合，降低地下电导率各向异性导致的不利影响，对岩溶、孤石等三维地质体探测具有明显优势。

2.2 多源面波勘探

面波主要是集中于距离自由地表约一个波长范围内的弹性波，它是体波与自由界面相互作用的产物，具有能量强、频率低、频散等特点(李雪燕等，2020)。面波勘探(Surface wave exploration)主要使用多台检波器拾取不同频率的面波数据，再利用一定处理方法提取频散曲线，最后反演获得横波速度结构以实现对地下空间探测。目前，以微动为代表的被动源面波勘探被广泛应用，它突破了源的限制，直接提取嘈杂环境中的面波频散曲线，实现横波速度提取(张若晗等，2020)。多源面波勘探是对微动探测技术的改进，该方法采用人工源、小排列的天然源数据补偿微动频散图像的高频段，有助于提升浅部分辨率和反演地下横波速度的精度。面波勘探具有分辨率高、分层能力强、施工方便、不受高速层影响等优点。

2.3 地面核磁共振方法

地面核磁共振方法也叫地面磁共振测深(Surface nuclear magnetic resonance,SNMR)，是近30年发展起来的地球物理高新技术，也是目前唯一直接能够直接探测地下水的地球物理方法，具有灵敏、高效、无损的特点(陈斌等，2013)。与医学磁共振成像(MRI)原理类似，地面核磁共振测深通过对地面线圈供入拉莫尔频率的交变电流，产生激发磁场激发地下水中的氢核发生能级跃迁，同时接收能级自发跃迁产生的核磁共振信号，并反演得到地下含水量和弛豫时间随深度变化，从而达到探测地下水和含水层结构的目的。随着核磁共振仪器的改进，目前“死区时间”可缩短至4 ms，拓展了地面核磁共振方法对小孔隙含水层的识别能力，同时，多道分离线圈采集系统、参考道和自适应消噪等新技术的应用，极大增强了地面磁共振方法的抗干扰能力(Behroozmand et al.，2015；林君和张洋，2016)。目前，地面核磁共振方法主要被应用于地下水探测、水资源评价和隧道超前探测等领域(Flinchum et al.，2019；刘道涵等，2019)。

3 实例分析

本文将以武汉市法泗街岩溶塌陷区为例，开展地球物理联合探测应用研究。法泗街岩溶塌陷区位于武汉市西南部，地处长江一级阶地，于2014年9月发生地面塌陷，共有18个塌陷坑分布于金水河两岸，塌陷坑总体走向近NE50°，呈串珠状排列(如图1)。钻孔揭露塌陷区下伏基岩为二叠系中统栖霞组灰岩(P2q)，塌陷区内岩溶较发育，以溶隙、溶槽及溶孔为主，少有溶洞发育，受基岩岩性和NE向 50°～60°构造裂隙及层间裂隙控制，具有明显的成带性、方向性(郑晓明等，2019)；覆盖层为“上黏下砂”河流相二元结构，细砂层直接覆盖于碳酸盐岩之上。同时，该区地下水以第四系全新统孔隙承压水和碳酸盐岩裂隙岩溶水为主，第四系全新统孔隙承压水地下水位埋深一般较浅，水位差较大，渗透系数阶地前缘一般比后缘大。

结合区内地层岩性结构，该区浅部物性主要由“低阻、低速”的二元结构覆盖层和“高阻、高速”的碳酸盐岩组成。低阻低速层厚度约25～30 m，岩溶发育区受地下水和充填物质影响，波速和电阻率将明显降低。因此，不同地层和地质体的物性差异将为地球物理勘探提供必要前提。同时，区内武深高速、居民区和河道为区内主要干扰源，在测线布设时需重点考虑。

3.1 三维高密度电阻率法

采用高密度电阻率法分别进行了二维剖面和三维塌陷体探测。其中，二维高密度电阻率布设“十字形”L1、L2测线，极距为5 m，采用偶极-偶极和斯伦贝谢组合装置。三维高密度电阻率法布设于15号塌陷坑处，采用5 m×5 m点线距进行数据采集，采集装置为径向偶极-梯度装置。对采集的视电阻率数据分别进行统计分析，并以3%重复观测误差为阈值进行噪声剔除，同时采用光滑反演算法进行迭代计算，以视电阻率均一模型为初始模型，多次试验后选取圆滑系数为10，阻尼因子为10，并约束电阻率在1～105Ω·m，经过多次迭代计算模型收敛得到电阻率反演结果以及反演迭代次数和拟合差数据(如图2)。

图1 武汉市法泗塌陷区工作示意图

图2 二维三维高密度电阻率法探测结果对比

图2a为二维高密度电阻率法L1线视电阻率断面图，其反映了采集原始视电阻率值，可见采集数据中“跳点”、负值等畸变数据较少，层状特征明显。结合数据重复观测误差和观测电位等数据，表明此次野外数据采集质量高。图2b为L1线二维反演结果，可见该区电性上具有明显的“深高浅低”三层结构特征，与钻孔资料揭露岩性分层能够较好对应。深部电阻率可达800 Ω·m以上，为区内主要高阻层，钻孔揭露该层为栖霞组灰岩(P2q)，顶部岩溶较发育，与该层顶部电阻率梯度变化具有相关性，同时，电阻率参数显示该灰岩顶界面埋深介于16～33 m；浅部低阻层电阻率小于15 Ω·m，为粘土层，厚度约8～11 m；中间电性层与灰岩层和粘土层电阻率差异明显，钻孔揭露为细砂层，电阻率介于60～200 Ω·m，其内部可见多处低阻体(小于30 Ω· m)，并与浅部粘土层呈连续展示，尤其测线西南端30～80 m段低阻体与8号和11号塌陷体位置对应，因此，推断其为粘土层进入细砂层导致电阻率降低。

图2c为三维高密度电阻率法采集视电阻率散点图，对数据整理后进行三维圆滑反演，得到反演结果如图2d，其探测深度约14 m，反演电阻率最高约150 Ω·m，结合二维探测结果推断，该探测深度应未到达灰岩地层。在14 m深度内，三维反演电阻率仍表现为高低差异明显的两层电性特征，与二维反演结果类似，浅部电阻率小于15 Ω·m，为粘土层，深部电阻率大于60 Ω·m。利用粘土层与砂层电阻率差异特征，采用电阻率梯度极值进行电性提取，并单独显示15 Ω·m等值面(如图2e)，可将地表粘土层与砂层进行较好分离，由此实现粘土层分布范围的圈定。探测结果显示，三维高密度电阻率法对二维探测未见明显异常的15号塌陷体反映明显，测区中部存在一漏斗状低阻体，边界连续，深度约10 m；西北角可见一部分凹陷状异常，与14号塌陷体能够较好对应；同时，还可见许多小型低阻凹陷体，推断为进入砂层中的粘土体导致，显示出该区覆盖土层扰动明显的特征。

3.2 多源面波勘探

多源面波勘探分别采用主动源和被动源面波方法，主动源面波勘探采用使用24道4.5 Hz单分量检波器采集，道间距为1 m，最小偏移距10 m，单炮排列长度33 m，炮距为5 m；被动源面波采用0.1 Hz低频检波器，道间距为4 m，单点排列长度36 m，采集时间20分钟。对采集的主动源面波数据和被动源面波数据分别进行数据预处理、多道数据相关分析、数据叠加和计算频散谱，并提取的频散曲线和反演横波速度。将多源面波勘探得到的视横波速度与高密度电阻率法反演结果进行对比(如图3)。

如图3c分别为被动源面波频散谱、主动源面波频散谱和多源面波融合后得到的频散谱，可见经过主动源面波数据叠加，被动源面波数据的频散谱更加收敛，且有效压制了空间杂频和多次波数据，从而有助于拾取更加精准的频散曲线，频带范围亦得到扩展。由图3b和图3d可见，多源面波勘探结果与高密度电阻率法反演结果能够较好对应，两种方法分别反映了横波速度和电阻率参数对塌陷区地层结构的表征能力。结合钻孔资料进行对比分析，可见电阻率和横波速度参数均能较好实现岩土体界面分层，尤其多源面波勘探似乎对基岩顶界面岩溶发育情况更灵敏，而高密度电阻率法反演基岩顶界面仅表现为电阻梯度带，尤其在测线两端垂向分辨率降低较明显；而对于浅部进入砂层中的粘土体，高密度电阻率法显示出更强的识别效果。

3.3 地面核磁共振方法

地面核磁共振测深测点布设于12号塌陷坑附近，采用2匝“方型”线圈进行数据采集，边长为50 m，采用FID脉冲序列，脉冲时长20 ms，叠加次数为16次；并布设2个参考线圈来压制噪声，参考线圈布设于居民区和高速公路等干扰源附近。图4a为地面核磁共振采集的原始数据(蓝色)，以及经过参考线圈自适应去噪后的磁共振信号(红色)，可见地面核磁共振信号受周边环境噪声影响严重，甚至可能淹没在干扰中，利用参考线圈能够有效压制噪声信号。使用高密度电阻率法获取的区内电性结构特征，代入地面核磁共振核函数计算中，并进行采用多指数拟合反演，结合线圈边长设置反演深度为80 m，反演层数为40层，得到地面核磁共振测深反演结果(如图4b)。

图3 高密度电阻率法与多源面波勘探成果对比图

4 讨论

三维高密度电阻率法不仅显示更加形象立体，而且对塌陷坑等小型三维地质体表现出更强的分辨能力，其在发射-接收的维度和数据量上均有提升，且更符合实际地质情况，但探测效率较低、施工难度相对较大，受电极电缆道数和数据处理能力的限制，难以实现大区域探测。同时，海量数据反演也对三维电阻率反演算法提出了更高要求。因此，在岩溶探测时，可根据实际条件，选用真三维和拟三维探测，对于高精细度小型三维地质体探测可采用本文介绍的真三维高密度电阻率法探测，而对于较大型岩溶体，可采用多条平行测线组合的“二维采集三维反演”的拟三维高密度电阻率法进行折中。多源面波勘探技术兼具主动源和被动源面波勘探的优点，提升了频散曲线提取的可靠性，弥补了主动源面波探测深度浅、被动源高频分辨率低的缺点。通过对比多源面波勘探和高密度电阻率法探测结果，可见多源面波勘探对岩土界面的探测效果更好，但对于覆盖层内部粘土体的识别能力相对高密度电阻率法较差。地面核磁共振测深方法直接对地下水作用，可用于划定地下含水层，确定含水层顶底板埋深，并量化含水量，同时，弛豫时间参数反映了地下含水层孔隙度大小，因此，对含水介质的类型和岩溶发育及充填情况等也具有一定的指示作用。但在城市开展地面核磁共振方法应用时，需严格关注周边电磁噪声水平，于噪声源附近敷设多个参考线圈，并多次叠加以获取较高信噪比数据。综合三种地球物理方法，分别从土层精细结构、岩体特征和含水层结构及含水量等方面对岩溶地面塌陷体实现了三维联合探测，实现了对岩溶塌陷结构及机理研究中重点关注的岩-土-水三要素地质特征的获取，从而为岩溶地面塌陷勘查及防治提供了一套有效的综合探测技术方法。

图4 地面核磁共振测深探测结果

5 结论

武汉市的地质环境特征为岩溶地面塌陷的形成和发展提供了物质基础，自然与人为因素的叠加作用于岩土水导致了地面塌陷的发生。覆盖层厚度与结构、岩溶发育程度和地下水作用是岩溶地面塌陷的原生地质条件，也是隐伏岩溶区地下空间探测的主要地质要素。通过对三维高密度电阻率法、多源面波勘探和地面核磁共振测深等地球物理方法开展的实例探索研究，实现了对岩溶地面塌陷地质要素的精细探测，并取得了以下认识：

(1)三维高密度电阻率法探测结果更直观、可靠，能够圈定塌陷体边界，探测土层内部扰动。

(2)多源面波勘探兼具主被动源面波探测优点，适用于岩溶发育程度和岩土界面探测，以及覆盖层厚度和结构分层。

(3)地面核磁共振测深尤其对地下水敏感，可辅助划定含水层顶底板，查明含水层富水性特征，并对含水层孔隙度大小提供参考。

致谢：感谢匿名审稿专家对论文提出的宝贵修改意见！