綜合物探方法在地質災害勘查的應用

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摘要：巖溶塌陷引發的地質災害對人民生命財產造成的影響巨大。目前，探測塌陷區的物探方法種類繁多，通過綜合運用物探方法，取其優點。通過對杉樹坡中心地面塌陷為研究對象，運用高密度電法、瞬間電磁法和地質雷達相結合的物探方法探測重點塌陷區域，查明塌陷區及覆蓋層厚度、地質構造和地層巖性變化，為后期地面塌陷災害治理提供了科學依據。通過三種物探方法相結合的應用，物探勘查效果顯著。證明這三種方法相結合是碳酸鹽巖地區巖溶塌陷地質災害勘查中非常有效的綜合物探方法。

關鍵詞：高密度電法；巖溶塌陷；綜合物探；碳酸鹽巖；地質災害

1.前言

巖溶塌陷（KARSTCOLLAPSE）是巖溶洞穴、上覆沉積物及地下水，構成固體、液體及氣體三相力學平衡體系，地下水位變動達到一定幅度，平衡破壞，上覆松散沉積物突然塌落，形成上大下小的圓錐形塌陷坑。巖溶塌陷可分為兩種，一種是“土層塌陷”；另一種是“基巖塌陷”，在碳酸鹽巖分布區上有松散土層覆蓋，塌陷主要發生在土層中，稱為“土層塌陷”，發育數量多、分布廣；若洞隙頂板的各類巖石較破碎時，導致頂板陷落的塌陷稱為“基巖塌陷”。針對地面塌陷勘查的地球物理探測技術方法較多，目前，地表塌陷區勘查主要以物探為主，結合鉆探驗證的方法。充分利用物探方法的優點，選擇合適的物探勘查方法，本文通過選用高密度電法、瞬變電磁法、地質雷達法三種物探方法結合進行。

2.物探方法的選擇

巖溶塌陷地質災害的發生是由于可溶巖的存在，特別是在西南山區碳酸鹽巖的大面積分布，巖溶塌陷地質災害給人民生命財產造成了極大損失。詳見表1。初步查明塌陷點的成因以及附近區域淺部可能存在的巖溶、裂隙、巖石破碎分布情況。隱伏土洞發生和發展是導致巖溶地區地表塌陷的直接原因，危害極大。在碳酸巖鹽巖地區巖溶塌陷地質災害勘查中最重要的物探方法為瞬變電磁法、地質雷達等方法，對勘查隱伏土洞效果顯著且測線受地形地物限制較小。

3.工程實例

若汛期持續，各地地質災害頻發，在杉樹坡村共出現三處塌陷，給當地村民帶來嚴重的安全隱患。為查明塌陷成因，為下步災害治理提供依據，為此承擔杉樹坡村巖溶塌陷物探勘查工作，在杉樹坡村指定范圍內開展物探測量工作，并根據實測成果編制提交物探勘查報告。3.1勘查方法技術概述。在巖溶發育地區物探勘查方法的選擇對目標體的探測尤為重要，方法的有效性和針對性直接關系探測精度，是否高質量高標準完成目的任務，取決于方法選用以及解釋結果。本次物探工作共完成實測高密度電法剖面1條，點距2m~3m。實測瞬變電磁法剖面1條，點距2m~4m。實測地質雷達剖面1條，點距0.5m。3.1.1高密度電法工作方法及效果評價。高密度電阻率法是一次性布極，多道高密度采樣的地面電阻率法的一個變種，其實質是具有測深與剖面測量性質的電阻率法，與傳統電阻率方法原理完全相同,即以地下介質的電性差異為物質前提,通過分析研究人工場源的分布及變化規律尋找目標異常體。特點是：信息量大、分辨率高，全自動、快速采樣、效率高、解釋方便和精度高等優點。通過高密度電法測量,對測量數據處理，結合地質資料綜合分析，推測出滑坡堆積體的分布及厚度。本工作區最終主要采用溫納排列高密度電阻率法裝置進行測量。溫納排列工作方式為見圖1：從圖2分析：電阻率反應明顯，物性層位清晰，電性層為高阻—低阻—高阻三個層位，根據收集資料及實際情況分析：物探推斷分別為素填土（砂土、碎石等松散堆積體）—紅黏土層—基巖層（石灰巖）三層。具體分析如下：剖面0m~297m，埋深0m~16m為一橫向間斷高阻反映，電阻率在300Ω•m~3000Ω•m，推測為砂土、碎石等松散堆積體。在整條剖面，埋深2m至25m為一似層狀低阻異常，電阻率在2Ω•m~70Ω•m，推測為紅黏土層。在整條剖面的中深部，電阻率整體為高阻特征，電阻率在300Ω•m~3000Ω•m，推測為完整的石灰巖層。本次高密度電法物性層位清晰，素填土層、紅黏土層以及關嶺組（T2g）石灰巖層均反應明顯，未發現較大的裂隙、巖溶等含水低阻異常體。3.1.2瞬變電磁法工作方法及效果評價。瞬變電磁法是利用不接地回線或電極向地下發送脈沖式一次電磁場，用線圈或接地電極觀測由該脈沖電磁場感應的地下渦流產生的二次電磁場的空間和時間分布，來解決有關地質問題的時間域電磁法。該方法受地形影響相對較小,觀測的是純二次場,勘探深度相對較深等優勢。根據地球物理條件、勘探目的與任務，經周邊地區經驗及以往物探方法選擇應用綜合考慮，本次物探勘查選用重疊回線裝置。圖3為本次測量裝置原理示意圖。全區共發現較明顯物探低阻異常區4個，分別推測為裂隙發育導含水或砂泥巖充填引起，本次瞬變電磁法異常主要集中在素填土層，因此未推測異常帶。整條剖面共發現4處較明顯異常區（S2-1、S2-2、S2-3、S2-4）（見圖4杉樹坡村巖溶塌陷物探工作S02線剖面成果圖）。具體解釋如下：3.1.3地質雷達工作方法及效果評價。地質雷達利用超高頻電磁波探測地下介質分布，它的基本原理（如下圖）是：發射機通過發射天線發射中心頻率為12.5M至1200M、脈沖寬度為0.1ns的脈沖電磁波訊號。當這一訊號在巖層中遇到探測目標時，產生一個反射訊號。直達訊號和反射訊號通過接收天線輸入到接收機，放大后由示波器顯示出來。根據示波器有無反射汛號，可以判斷有無被測目標；根據反射訊號到達滯后時間及目標物體平均反射波速,大致計算出探測目標的距離。如圖4所示。本次地質雷達測線異常主要以線/剖面異常為主，地質雷達探測發現剖面異常4處，異常反映深度3m~30m內部分巖體較破碎，裂隙發育，部分強反射段存在巖溶發育。解釋結果如表3。

4.結語

通過本次物探工作，工作區內有低電阻率異常區，視電阻率小于200Ω•m，工作區大部分位于巖溶發育區之上。通過本次物探工作研究得出如下結論:（1）本次杉樹坡村巖溶塌陷物探研究工作，應用高密度電法、瞬變電磁法、地質雷達進行綜合物探勘查，方法可行，對異常的反應明顯、有效，幾種方法互相驗證，為下一步防治工程提供可靠依據。（2）本次工作完成高密度電法、瞬變電磁法、地質雷達成果剖面圖3幅；由剖面成果圖看，異常較明顯，物性層位清晰，素填土層、紅黏土層以及關嶺組（T2g）石灰巖層三層均反應明顯。

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作者:趙慶鋼 馬晨 曾國龍 單位:貴州省地礦局113地質大隊