岩溶塌陷区综合物探方法的应用效果

  1. 引言

 

  河北省徐水县瀑河乡向阳村是1958年由瀑河水库库区迁来，属于低山丘陵区。北西南三面环山，东临瀑河水库。现有农户136户，人口503人。1967年在村内由西向东，由北向南出现塌陷开始，此后几乎每年都出现塌陷，到1995年后灾害日益严重，出现大面积塌陷。塌陷频率逐年增高，塌陷范围逐年扩大。伴随地面下陷，房屋出现裂缝、倾斜，居民住户被迫搬迁。严重危及村民的生命财产安全。每逢雨季，人心慌慌，个个自危。该村的地质灾害受到各级政府的关心，市县乡政府多次派人调查，村民采取了部分措施，但难以抵制灾害的发生发展。2008年保定市国土局申请河北省财政立项，对向阳村地质灾害进行综合调查和恢复治理，消除隐患，保证村民的生命财产安全。

 

  通过综合物探测量、工程勘查和水文地质调查分析，查明该村地面塌陷主要是由于地表水的渗灌及地下水的经流所造成，经过一年多时间的恢复治理，已取

 

  得了明显的效果。本文主要介绍浅层地震和高密度电法在该项目中的应用效果。

 

  2. 基本概况

 

  分布的地层主要为第四系，约占全村五分之四面积。上部以黄土状粉土为主，局部为粉质粘土，具自湿陷性及高压缩性。土层内垂直节理发育。自上而下可溶性物质含量增高。厚度2—30m；底部为碎石夹粉质粘土，厚度1—3m。村西和村北厚度小，一般10—20m，村南和村东厚度大，一般为30—40m，村中间受构造影响有一隆起带，厚度变小，约20—30m。在村子周边的小山上分布有震旦系上统景儿峪组(Z3J)中厚层石英砂岩，局部夹薄层粉砂质页岩，受区域变质影响，胶结物硅化，岩石坚硬，节理不甚发育。震旦系上统下马岭组(Z3X)出露面积很小，仅在村东排水渠内见到。岩石为褐红－灰褐色千枚状泥质页岩，薄层状；震旦系中统铁岭组(Z2t)出露范围较大，为白云质灰岩。受构造及其它地质作用，直立裂隙十分发育，沿裂隙面有溶蚀，局部可形成溶洞。

 

  向阳村正处于近南北向和近东西向两组断裂交汇处，断层构造比较发育。基岩比较破碎，在基底形成大小不等，纵横交错的裂隙，构成地下水畅流通道。加上水库水位随季节性变化较大，地下水位升降变化强烈，引起孔洞上覆土层扰动破坏；地表水径流强烈，其搬运能力强，将孔洞内细颗粒物带出，加剧了塌陷的形成。

 

  3. 物探方法与技术

 

  工程物探的主要任务是查明向阳村及周边第四系覆盖厚度，与地面塌陷有关的断裂构造，圈定塌陷发育地带和隐伏洞穴分布范围。工作方法使用高密度电法和浅层地震反射波法，共布设高密度电法剖面13条，共5.5km，2条浅层地震反射剖面，共1.0km。受场地限制，无法采用规则测网。沿村子内的街道和小路布设，高密度电法剖面主要采用南北向布设，浅层地震剖面采用“十”字布设，南北、东西方向各一条。  高密度电法使用重庆奔腾地质仪器厂生产的WGMD-3(60道)高密度电阻率测量系统，浅层地震是采用德国DMT公司研发的地震数据采集系统—SummitⅡplus地震仪。

 

  通过野外方法试验，高密度电法选择α（温纳四极）工作方式，电极距5m，控制深度数据16层（探测深度约45米）。野外工作时一次布设60个电极，电极转换开关按α方式进行组合控制仪器观测每个数据上的ΔU值、I值，经自动计算视电阻率，存储在仪器内。一个排列完成后，向前滚动12个电极，再重复以上测量，直到整个剖面测量完毕，把数据传到计算机内，使用专用软件进行资料处理和二维反演计算，最后，根据ρs值绘制等值线拟断面图（色阶图）。

 

  浅层地震采用多次覆盖观测系统，道间距2米，偏移距2米，32道接收采用，覆盖次数为12次，记录长度1s，记录间隔为0.5ms，24磅锤击震源。浅层地震资料处理的重点是进行消除和压制干扰、提高信噪比和分辨率。使用软件是美国FOCUS 2.0进行处理，根据本次工作的方法特点和资料特征，采取的基本数据处理流程包括数据格式转换、道编辑、频谱分析、数字滤波、动校正、速度扫描和速度谱分析、CDP叠加以及道均衡处理，最终得到水平叠加的时间剖面。由速度谱分析和速度扫描得到较准确的各层均方根速度模型，根据均方根速度与其速度的关系，对比分析时间剖面的反射波组，确定反射层的构造形态，从而获得相应的解释剖面。

 

  4. 主要成果解释

 

  4.1 地层解释

 

  由高密度电法二维反演电阻率断面图分析，本区可分为三个电性层，视电阻率小于50Ωm的低阻层分布在25-35m以上大部分区域内，主要是黄土状粉土、粉粘土层的反映；视电阻为50-100Ωm的中阻层分布在6-10m深度范围内，分布不均匀，成断续短轴状、长轴状出现，主要是局部砂卵石层引起。地表水泥路面也为中等电阻率；视电阻率大于100Ωm的高阻层主要分布在25-30m以下，是区内基岩的反映。

 

  浅层地震剖面在100-140ms内有比较强的反射波组，同向轴清晰、连续，是基岩的反映，埋深22-32m，与高密度电法反映深度基本一致。

 

  4.2 隐伏断裂破碎带划分  从水文地质资料分析，隐伏的断裂、破碎带是造成向阳村地面塌陷的主要地质因素，查明隐伏的断裂、破碎带是本次物探工作的主要任务。断裂、破碎带与围岩有明显的物性差异，由于断裂破碎带内赋存水或泥土充填，在ρs断面图上有明显的低阻异常带，ρs等值线密集，呈阶梯状或漏斗状。在浅层地震时间剖面上主要表现为反射波同向轴不连续或错断等。  区内推测断裂破碎带3条，其中北东向断裂有F1、F2，北西向断裂F3。

 

  F1位于向阳村中南部，北东走向，两边都向村子外延伸到山中。6条高密度电法剖面上都为相对低阻异常，低阻异常带呈漏斗状，向下深入到基岩，在浅层地震时间剖面上时间同向轴明显错断。推测断裂倾向北西，倾角65-70°。钻孔ZK2-1孔在深度0-9.5米处为粉土、粉质粘土，9.5-20.3米处为砾类土，裂隙发育，漏水严重，20.3-33.4米段为强风化白云质灰岩，岩石破碎，有粉土充填，33.4米以下为白云质灰岩，岩石张性裂隙发育，有粉粘土充填。

 

  F2位于村子北边，走向北东，北东向延伸出村外。2条高密度电法剖面都有低阻异常带显示，呈阶梯状；浅层地震时间剖面上同向轴增加、有明显错断。推测断裂倾向北西，倾角较陡。ZK3-1孔在0-21.2米处为耕土、粉土、粉质粘土、局部含少量砾类土，21.2-28.7米处为风化砂岩、岩石破碎，有粉粘土充填，28.7米以下为基岩，基岩张性裂隙发育，有粘土充填。

 

  F3位于村子西边靠近山边，走向北西，南东延伸出村外，4条高密度电法剖 图2 典型浅层地震剖面（2000线）面有相对低阻异常显示，异常成阶梯状。推测断层倾向南东，倾角较陡。

 

  4.3 塌陷区圈定

 

  所圈定的塌陷区是指土层或基岩地层的结构、构造遭受到破坏，已经或将会产生塌陷性地质灾害的区。主要根据物探资料推测的隐伏断裂破碎带，结合地表调查发现的塌陷现象进行圈定的。

 

  共圈定3个塌陷区，分别位于向阳村的南边、北边和西边，主要沿F1、F2、F3断裂破碎带分布，都分布于断层的上盘。分析认为是由于地下水沿断裂破碎带流动产生搬运、溶蚀作用造成的塌陷。其中F1、F2断层已为钻孔ZK2、ZK3所证实。

 

  5. 结论

 

  岩溶、塌陷是一种典型的不良地质现象，危害越来越明显。由于岩溶发育的不确定性和隐蔽性，因此，仅靠钻探手段很难以达到要求，工程勘察难度较大。一方面钻孔的布设有一定的盲目性，局部岩溶发育地段会被遗漏，另一方面，发现有岩溶、塌陷分布的地段，也很难探明其规模、形态和分布规律。物探方法具有设备轻便、勘探快速、经济，而且可以进行连续的剖面勘探。因此物探方法可作为岩溶、塌陷区钻探的先行手段，在岩溶、塌陷工程勘察中可起到前期指导和后期补充作用。

 

  实践证明，在地面塌陷调查中，高密度电法和浅层地震勘探是有效的物探方法，可为塌陷区的调查、塌陷原因分析、灾害预测和治理提供重要依据。