高密度电法在某岩溶地陷项目的应用效果分析

朱伟国

广东省地质物探工程勘察院 广东 广州 510800

1 引言

岩溶地陷是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑的自然现象，它的形成演化是水、土、岩之间相互作用的过程，雷明堂等[1]指出岩溶地陷的发生在时间上具有突发性，在空间上具有隐秘性的特点。近来，伴随着国民经济的飞速发展，岩溶地陷灾害变得日益广泛和频繁，不仅破坏建筑物及相应设施、还影响生产，严重情况下还会造成严重的经济损失及消极的社会影响，成为岩溶区常见的地质灾害[2-3]。为减小岩溶塌陷灾害带来的经济损失及威胁，针对岩溶塌陷的上述特点，为了能对岩溶地陷有更针对性的处理，为了给出治理地面岩溶塌陷地质灾害提供科学依据,有必要采用有效手段快速查明岩溶地陷在地下的空间分布形态、位置、规模。近年来，高密度电阻率法、瞬变电磁法、地质雷达法等物探手段以其快速、高效、无损等特点广泛应用于地下溶洞的探测[4-5]。

针对罗定燕子水生产队塌陷区的地质、地形、地貌的特点，笔者采用高密度电法结合地质调查、地质钻探对该塌陷区进行综合分析，确定了塌陷区的岩溶发育带及塌陷隐患区，并为塌陷的形成原因提供了较好的地质背景依据。为下一步的地质灾害治理提供地球物理技术支持。

2 测区概况

勘查区位于罗定市金鸡镇西北部，交通便利，区内海拔相对高差小，地势较缓，为丘陵地貌或山间洼地。经调查和走访，区内地质灾害频发，现状岩溶地面塌陷发现有8处，虽然规模均为小型单体陷坑，若任由其发展，可能发生更大的岩溶地面塌陷等地质灾害，威胁到附近的民房和居民。

3 工区地质及地球物理特征

3.1 工区地质

勘查区出露基岩主要为下石炭统孟公坳组（C1ym）石灰岩，地表大部分地段被残积土（Qel）覆盖。其中残积层（Qel）广泛分布于自然山坡表层和隐伏于村内人工填土之下，为石灰岩风化形成，岩性以褐黄、灰黄色粉质粘土为主，伴有少量砂砾；下石炭统孟公坳组（C1ym）石灰岩，主要出露于勘查区全区或隐伏于残坡积土之下，呈青灰色，厚层状，岩质稍硬，岩石风化裂隙较发育，岩芯多呈现出短柱状，裂面可见石膏层充填或褐铁矿化，本层可见岩溶较发育，多发育有单层或多层溶洞。

3.2 地球物理特征

根据前期的钻孔岩心资料可知，测区内第四系残积层厚度小于10m，工区电阻率物性参数，见表1。岩石土体的空洞随充填介质的不同变化剧烈，随地层岩性变化、岩石风化程度、岩溶内部发育有溶槽、溶隙、溶洞蚀带等岩溶地质体的不一，使得地下介质电性存在较大差异，从而改变原有地层的地球物理特征，可见，各介质的电性差异明显，具备开展高密度电法测量的地球物理条件。

表1 工区电阻率物性参数表

4 工作方法解释

高密度电阻率法是以地下被探测目标体与周围介质之间的电性差为基础，土洞、溶洞由于表现为低阻，具有较好的导电能力，而一般的岩层电阻率较高，导电能力差，因而采用人工在地下建立电场，通过观测和分析人工电场的分布规律，在断面上通过电阻率反映不同地质体的导电能力以达到了解岩土分层、基岩起伏形态，以及地质构造、岩溶、软弱夹层等不良地质体的分布范围的一种地球物理勘探方法，其实质就是直流电阻率法[6]。

5 资料解释及验证

5.1 高密度电阻率法

根据测区的实际地形条件及塌陷区的分布状况，同时受到房屋及实际地形的限制，共布置20条物探测线，编号分别为L1～L20线，测线互相平行，方位为45°，间距为25m。使用中海达公司i5型GNSS-RTK采集系统敷设测线。本次野外数据采集使用由重庆地质仪器厂生产的高密度电法测量系统-DUK-2A。由于小号点一侧靠近陡崖，无法布设电极，因此本次探测采用灵活性强的单边三级装置，考虑到勘探深度的要求，测线电极距均为4m。测线布置如图1所示。

图1 物探测线布设

采集骄佳技术公司的高密度电法数据与极化率层析成像软件Geogiga RTomo 6.0进行计算数据反演与分析。数据处理步骤如下：数据格式转换→坏点数据剔除→数据滤波处理→测点高程输入→地形改正→最小二乘法反演→输出反演电阻率断面→物探解释→地质解释剖面输出→完成。高密度电阻率法反演及成果解释选择典型的测线L10线进行分析。

图2 L10线电阻率反演断面图及地质解释剖面

综合L10测线高密度电法反演断面图可知，该区表电阻率在30～120Ω·m之间，覆盖土层两侧低中间高，平均为6m左右，基岩埋深稍浅，高密度电法反演剖面基本勾画出土层的厚度。由图2a可知，在L10 线 150～170m 测点段电阻率值(50～300Ω·m) 相比两侧变化明显，且电阻率相对基岩较低，ZK6 钻孔揭示 163m 测点下方溶蚀作用弱发育，结合物性资料推测该段为岩溶裂隙发育段。由图 2a 可知，在L10 线225～265m测点段电阻率值 (50～300Ω·m) 相比两侧变化明显，电阻率呈现出下凹异常，结合 ZK4 钻孔可以推断196～229m 区域为岩溶裂隙发育带。

5.2 溶洞异常的圈定

为了更好的展示出溶洞裂隙发育带的分布情况，利用各条测线的高密度剖面数据提取出，n=10层的各剖面电阻率值绘制出该深度对应的平面等值线图，如图5所示，本次勘查共圈定3条岩溶发育带，编号为YRDⅠ～YRDⅢ。岩溶发育带在电阻率平面等值线图上呈低阻异常分布，为低阻异常带，走向与区域地质构造走向一致，具体如下：

1、YRDⅠ：主要位于L1线～L13线之间的140～200号点，呈北东走向，宽度2～5m，有进一步往L15至L20线发育的趋势，控制长度约500m，穿出测区。

2、YRDⅡ：主要位于L12线～L20线之间的200～230号点，呈北东走向，宽度5～20m，控制长度约295m，北东部穿出测区。

3、YRDⅢ：主要位于L6线～L15线之间的220～260号点，呈北东走向，宽度5～35m，控制长度约240m。

从视电阻率平面等值线图还可看出，3条岩溶发育带不是孤立的，YRDⅠ与YRDⅡ在L14和L17线有联系的，YRDⅠ与YRDⅢ在L8线有联系的，而YRDⅡ与YRDⅢ在L14线又有联系的。彼此大致平行，总体呈树枝状分布。

图3 高密度测量反演电阻率切片（n=10m）平面等值线图

5.3 钻孔的验证情况

本次验证孔揭露到基岩岩面埋深从1.9～5.9m不等，岩面较浅；本次钻探有8个钻孔在不同的深度揭露到溶洞，溶洞顶板厚度从2.7～13.4m不等，厚度不大，溶洞洞高从0.5～2.1m不等；其中ZK8、ZK9孔虽未见溶洞，揭露的岩石裂隙风化发育，裂隙物存在褐铁矿化物，风化强烈，裂隙发育，说明物探的推断与实际基本相符，物探成果能基本反映出本测区的地下溶洞分布情况，见表2。

表2 钻孔验证情况一览表

6 结论

1、通过本次高密度电法勘查，在各剖面上解释了基岩面的大致深度，圈定了区内岩溶发育地段，解释了土洞、溶洞的水平位置及其顶底板埋深；在平面上圈定了土洞、溶洞的平面分布。

2、本次验证孔有8个钻孔在不同的深度揭露到溶洞，溶洞顶板厚度从2.7～13.4m不等，厚度不大，溶洞洞高从0.5～2.1m不等；其中ZK8、ZK9孔虽未见溶洞，但揭露的岩石裂隙风化发育，风化强烈，裂隙发育，说明物探的推断与实际基本相符，物探成果能基本反映出本测区的地下溶洞分布情况。

3、综合高密度电法、钻探及地质调查表明：区内岩溶较发育，是引起地面塌陷的主要因素。其次，覆盖土层较薄，基岩岩面埋深小，溶洞顶板不大，当地下水活动频繁时，由于水土流失，土体逐渐掏空形成土洞或空洞，造成了地陷、地裂等地质灾害。高密度电法结合钻孔能较好地反映出地下岩溶的发育区区域及溶洞分布情况，为下一步开展地质灾害治理提供科学的依据。