综合物探方法在地面塌陷成因分析中的应用

王国云 游连强 闫维华 倪泽森 杨艺

摘 要：【目的】查明贵州某地地面塌陷的形成原因。【方法】根据现场地质背景及岩溶发育情况，结合塌陷区岩溶发育、地下水径流及节理裂隙发育情况，采用高密度电法、音频大地电磁法及充电法等综合物探方法对其不良地质体进行勘查。【结果】通过高密度电法查清了地表覆盖层厚度及岩溶发育的空间位置；通过音频大地电磁法查清了塌陷区的节理裂隙发育带；通过充电法大致查清了地下水径流方向及位置。【结论】该地区地面塌陷的主要原因是某隧道开挖破坏了当地的地下水平衡，地表形成“土洞”，最终导致的地面塌陷。

关键词：综合物探方法；地面塌陷；充电法；高密度电法；音频大地电磁法

中图分类号：P631；P642.26    文献标志码：A        文章编号：1003-5168（2023）10-0110-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.023

Abstract： [Purposes] To find out the causes of ground collapse in Guizhou. [Methods] According to the geological background and karst development of the site， combined with the karst development， groundwater runoff and joint fissure development in the subsidence area， the high-density electrical method， audio magnetotelluric method and charging method were used to explore the unfavorable geological bodies. [Findings] The thickness of the surface overburden and the spatial location of karst development were clarified by high-density electrical method. The joint fracture development zone in the collapse area was identified by audio geomagnetism. The direction and location of groundwater runoff were roughly determined by the charging method. [Conclusions] The main reason for the ground collapse in this area is that the excavation of a tunnel destroys the local groundwater balance， and the surface forms a "soil cave"， which eventually leads to ground collapse.

Keywords： comprehensive geophysical method; ground subsidence; charging method; high-density electric method; audio geodetic electromagnetic method

0 引言

2020年以来，贵州某地频繁出现地面塌陷、泉水干枯、地面裂缝等不良地质环境问题，造成村民房屋受损、农田耕作困难，严重影响了村民的正常生产生活和安全。当地居民怀疑该区出现的地质灾害是附近某隧道施工造成的。为切实保障人民群众生命财产安全，贵州省地质矿产勘查开发局一0四地质大队组织开展工作。本次物探工作采用高密度电法、音频大地电磁法以及充电法等综合物探方法为灾害论证提供物探依据。

1 塌陷区水文地质及地球物理特征

1.1 塌陷区地质构造

据区域地质资料，塌陷区位于山江背斜西北翼，塌陷区中心距离山江背斜轴部约1 900 m。区域性地质调查表明，在塌陷区中部发育有两条相交的正断层F1、F2。F1断层近南北走向，倾角约80°，F2断层走向约90°，倾角约75°。F2断层把F1断层切断，错断距离约39 m。岩层产状在59°～296°∠6°～29°区间变化［1］。受到地质构造应力相关因素的影响，次生构造较发育，如节理、裂隙等，经现场调查统计，塌陷区主要发育2组优势节理。第一组JL1产状为134°∠61°，节理面张开约0～9 mm，钙质充填，约1～2条/m，经露头观测，节理裂隙能较好连通，节理面起伏较大，结合较差；第二组JL2产状为137°∠75°，节理面张开约1～7 mm，充填铁质，约2～6条/m，经地表露头观察，裂隙连通性较差，节理面起伏不平，结合一般。综上所述，调查区地质构造属较复杂类型［1］。

1.2 塌陷区水文地质特征

塌陷区地表浮土厚度约0～11 m，多为岩溶剥蚀形成的红黏土、风化坡积层黏土等。结构较疏松，力学强度不高，可压缩性较高。塌陷区主要出露岩性为灰岩及白云岩等碳酸盐岩，岩石结构致密、质地坚硬，属于较坚硬类型岩层，具有较强的抗压性以及抗风化能力，岩体基本属于Ⅱ、Ⅲ类，稳定性较好，具备较好的工程地质条件，但这类岩石岩溶发育较强烈［1］。

地面塌陷区属于中间低四周高的低洼地形，测区地下水的主要补给来源为雨水等大气降水，在灰岩及白云岩出露地区，地下水主要来源于大氣降水，地下水沿断层、破碎带、岩溶管道以及节理裂隙密集带等水流通道进行运移，以地下暗河、泉眼等形式在地势相对较低处排泄。地下水主要集中在岩溶通道、破碎带、节理裂隙带等易含水的地质体中。

1.3 塌陷区地球物理特征

根据收集邻区及相似地区地层岩性的电性资料，结合工作时观测到的岩层出露情况、收集到的地质资料以及剖面电阻率测量结果，得出该工区岩石电性参数，见表1。

根据表1统计结果综合分析得出本工作区地层岩性的电性特征如下：

①区内出露基岩主要为灰岩、白云岩以及第四系浮土层，灰岩及白云岩的电阻率值相对大，平均值大于2 000 Ω·m，第四系浮土的电阻率值相对较低，约为几十Ω·m到一百Ω·m，所以塌陷区灰岩及白云岩地层与第四系浮土之间电阻率值相差较大［2-5］。

②浅部的基岩因风化剥蚀，受地下水、地表水及大气降水影响，含水量高，呈现为相对低阻区域，地势低洼处低阻区域较深，地势较高处无低阻或低阻区域较浅，往深部完整基岩呈现高电阻区，在谷坡和山脊地带地下水埋藏较深区为相对高电阻率区［2-5］。

③断层破碎带及节理裂隙发育带是地下水运移、富集的区域，相比较完整基岩呈现相对低电阻区。

④断层破碎带及深度节理裂隙发育带往往呈下凹型及“V”字形连续相对低电阻区［6-7］。

⑤塌陷区白云岩及灰岩分布范围较广，溶蚀及岩溶现象随处可见，地下水径流通道主要为岩溶空洞、岩溶裂隙、岩溶管道，是本次物探勘查的目的层［8］。

⑥塌陷区存在水量泉眼，可作为充电法工作的充电点。

综上，塌陷区内目的层与完整岩石的电性差异较明显，具备开展物探工作的物性依据。

2 工作方法技术

本次物探工作主要探测地下岩溶发育、节理裂隙及地下水径流与隧道的连通情况，针对路面塌陷勘查布置5条高密度测线、5条音频大地电磁法（EH-4）测线、1个充电点（6条充电测线）。物探工作充电法测点为未干枯溶洞，该溶洞内部水流流向为南西向，为隧道方向，且隧道内有涌水点，故充电法测线布设为南东向，垂直于推测水流方向布设，目的是隧道内涌点水流是否来源于塌陷区。音频大地电磁法测线基本与隧道走向及充电测线平行，目的是探测塌陷区与隧道之间有无节理裂隙带及断层发育。因音频大地电磁法测量浅部有盲区，故布设高密度电法与音频大地电磁法局部重合，对音频大地电磁法浅部信息进行补充。故本次物探工作采用高密度电法、音频大地电磁法及充电法为灾害论证提供物探依据。

3 工作方法原理

3.1 高密度电法

高密度电法是以不同地质体之间的导电性差异作为物质基础，研究人为施加恒定电流的作用下，地下空间的电场分布特征的一种地球物理勘探方法［2］。本次测量使用的是西安澳立华勘探开发有限责任公司生产的多通道、超高密度直流电法勘探系统，该仪器既可以选择常规的数据采集装置，又可以选择用户自定义的数据采集装置进行电法测量。

3.2 音频大地电磁法

本次物探勘查采用EH4型StrataGem电磁系统，理论上可探测到地下几米到一千米区间内的电性特征，通过对剖面电阻率特征的处理和分析，可应用于地质构造、金属矿、断裂型矿产的找矿突破，水井钻孔定位、工程勘查、尾矿库处理等领域。它利用天然源的电磁场信号作为一次场，又叫激发场源，该激发场源是平面电磁波，垂直入射到地下地质体中，由电磁场理论可知，地下地质体会因此产生感应电磁场，该感应电磁场与激发场是相同频率的，引入波阻抗Z。在水平、均匀、层状大地情况下，波阻抗Z是磁场H的水平分量除以电场E的值［4］。计算公式为式（1）至式（3）。

式中：f是频率，Hz；ρ是电阻率，Ω·m；E是電场强度，mv/km；H是磁场强度，nT；φH是磁场相位，φE是电场相位，mrad。在电磁理论中，把电场和磁场（E、H）在地下空间中传播时，其振幅衰减到初始值1/e时的深度，定义为趋肤深度或穿透深度（δ）［4-5］，计算公式为式（4）。

由式（4）可知，穿透深度（δ）将根据频率（f）和电阻率（ρ）的变化而变化。通常情况下，高频数据主要突出的是浅部的电性特征，低频数据主要突出的是深部电性特征。因此，根据磁场和电场特性计算出视电阻率值和相位，就可以推测出大地的电性特征和地质体结构，这就是EH4观测系统的方法及原理［4-6］。

3.3 充电法

充电法是根据不同地质体的电性差异，通过测量和分析良好导体充电后，产生的二次场和激发场合成的总电场的分布规律，探测充电体的平面分布位置、走向及规模等，以此解决地下金属矿体的平面位置、连通关系及走向、地下水径流、滑坡面等地质问题［3-4］。充电法的实施前提是具目标体连续，该方法对于串珠状断裂型金属矿的勘查效果不佳。

4 物探成果展示

4.1 高密度电法

高密度电法典型剖面如图1所示。根据测量结果，高密度电法能较好地判断出岩土分界面及岩溶通道位置，且岩溶上方为土层，当隐伏溶洞上覆的浮土等堆积物中的有机质、胶结物等物质被大量带走，在覆盖层中形成土质空洞即“土洞”，导致地表下面脱空，后期地下应力失衡后“土洞”崩塌进而导致地表形成塌陷及地面开裂等地质灾害的发生。

4.2 音频大地电磁法

音频大地电磁法典型剖面如图2所示。断裂贯穿地表塌陷区及某隧道标高，当隧道开挖破坏地下水平衡时，地下水通过隧道流走，间接导致地面塌陷，所以音频大地电磁法能较好地推测出塌陷区的节理裂隙带。

4.3 充电法

充电法典型剖面如图3所示。本次物探充电法测量仪器采用湖南继善高科生产的SQ-5型双频激电仪，频率选择4 Hz和4/13 Hz，所求的二次场[?U]等效为观测得到的电位差的绝对值[?U]MN。根据充电场的特性，当电位梯度曲线形状呈现“M”形时，两侧极大值中间的极小值（趋近于0值）处即为地下水流的位置，通过多条平行测线，最终确定地下水的径流方向［3-4］。

5 结论

①塌陷区地下岩溶发育密集，断裂贯穿地表塌陷区及某隧道。地表水经落水洞、断层破碎带、节理裂隙带等流入地下，通过岩溶通道、节理裂隙、断裂破碎带等自北东向南西径流运移，期间隐伏溶洞上覆的浮土等堆积物中的有机质、胶结物等物质被大量带走，在覆盖层中形成土质空洞即“土洞”，导致地表下面脱空，后期地下应力失衡后“土洞”崩塌进而导致地表形成塌陷及地面开裂等地质灾害的发生。

②采用音频大地电磁法、充电法以及高密度电法综合物探勘查，可以较准确地确定塌陷区地下管道的发育方向和位置，其中充电法电位梯度等值线图直观地反映岩溶管道的平面分布情况，高密度电法视电阻率等值线图可以圈定管道在测线上的空间分布位置，音频大地电磁法视电阻率等值线图能有效地识别深大断裂及节理裂隙带，效果较为明显。此外，三者结合还可以有效地相互验证。

③高密度电法可以有效地探测第四系厚度［2］。通过该塌陷区物探成果分析，充电法对地下水径流位置的查找效果明显，高密度电法对于浅部的岩溶发育及岩土分界面探测效果较好，音频大地电磁法对深部节理裂隙发育带的勘查效果明显。因此，对于地面塌陷成因分析，综合物探方法至关重要。

参考文献：

［1］陈鸿宇，常亚婷.地面塌陷地质灾害成因分析：以贵州某地面塌陷为例［J］.河南科技，2022，41（22）：107-110.

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［3］羊文，张西君，冯娟，等.充电法和高密度电法在贵州贞丰者相二金矿岩溶勘查中的应用［J］.贵州地质，2021，38（2）：192-200.

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［5］趙立波，杨吉武，黄书华.音频大地电磁法在断裂探测中的应用［J］.西部探矿工程，2022，34（2）：129-130.

［6］黄国民，黄昌先，李世平.综合物探方法在岩溶地下水勘查中的应用效果［J］.南方国土资源，2010（11）：23-25.

［7］杨洲，潘剑伟，王中美，等.综合物探方法在地下岩溶通道探测中的应用研究［J］.中国水运（下半月），2022，22（4）：120-122.

［8］雷伟平，尹剑，陈爽爽，等.综合电法在引水线路岩溶勘察中的应用［J］.水利水电快报，2022，43（S2）：23-26，31.

收稿日期：2023-02-23

作者简介：王国云（1996—），男，本科，助理工程师，研究方向：工程物探、矿产物探等；游连强（1969—），男，专科，高级工程师，研究方向：工程物探、矿产物探等；闫维华（1985—），男，硕士，高级工程师，研究方向：工程物探、矿产物探等；倪泽森（1995—），男，本科，助理工程师，研究方向：工程物探、矿产物探等；杨艺（1995—），男，本科，助理工程师，研究方向：工程物探、矿产物探等。