巖溶塌陷區綜合物探方法的應用效果

  1. 引言

 

  河北省徐水縣瀑河鄉向陽(yáng)村是1958年由瀑河水庫庫區遷來(lái)，屬于低山丘陵區。北西南三面環(huán)山，東臨瀑河水庫?，F有農戶(hù)136戶(hù)，人口503人。1967年在村內由西向東，由北向南出現塌陷開(kāi)始，此后幾乎每年都出現塌陷，到1995年后災害日益嚴重，出現大面積塌陷。塌陷頻率逐年增高，塌陷范圍逐年擴大。伴隨地面下陷，房屋出現裂縫、傾斜，居民住戶(hù)被迫搬遷。嚴重危及村民的生命財產(chǎn)安全。每逢雨季，人心慌慌，個(gè)個(gè)自危。該村的地質(zhì)災害受到各級政府的關(guān)心，市縣鄉政府多次派人調查，村民采取了部分措施，但難以抵制災害的發(fā)生發(fā)展。2008年保定市國土局申請河北省財政立項，對向陽(yáng)村地質(zhì)災害進(jìn)行綜合調查和恢復治理，消除隱患，保證村民的生命財產(chǎn)安全。

 

  通過(guò)綜合物探測量、工程勘查和水文地質(zhì)調查分析，查明該村地面塌陷主要是由于地表水的滲灌及地下水的經(jīng)流所造成，經(jīng)過(guò)一年多時(shí)間的恢復治理，已取

 

  得了明顯的效果。本文主要介紹淺層地震和高密度電法在該項目中的應用效果。

 

  2. 基本概況

 

  分布的地層主要為第四系，約占全村五分之四面積。上部以黃土狀粉土為主，局部為粉質(zhì)粘土，具自濕陷性及高壓縮性。土層內垂直節理發(fā)育。自上而下可溶性物質(zhì)含量增高。厚度2—30m；底部為碎石夾粉質(zhì)粘土，厚度1—3m。村西和村北厚度小，一般10—20m，村南和村東厚度大，一般為30—40m，村中間受構造影響有一隆起帶，厚度變小，約20—30m。在村子周邊的小山上分布有震旦系上統景兒峪組(Z3J)中厚層石英砂巖，局部夾薄層粉砂質(zhì)頁(yè)巖，受區域變質(zhì)影響，膠結物硅化，巖石堅硬，節理不甚發(fā)育。震旦系上統下馬嶺組(Z3X)出露面積很小，僅在村東排水渠內見(jiàn)到。巖石為褐紅－灰褐色千枚狀泥質(zhì)頁(yè)巖，薄層狀；震旦系中統鐵嶺組(Z2t)出露范圍較大，為白云質(zhì)灰巖。受構造及其它地質(zhì)作用，直立裂隙十分發(fā)育，沿裂隙面有溶蝕，局部可形成溶洞。

 

  向陽(yáng)村正處于近南北向和近東西向兩組斷裂交匯處，斷層構造比較發(fā)育?；鶐r比較破碎，在基底形成大小不等，縱橫交錯的裂隙，構成地下水暢流通道。加上水庫水位隨季節性變化較大，地下水位升降變化強烈，引起孔洞上覆土層擾動(dòng)破壞；地表水徑流強烈，其搬運能力強，將孔洞內細顆粒物帶出，加劇了塌陷的形成。

 

  3. 物探方法與技術(shù)

 

  工程物探的主要任務(wù)是查明向陽(yáng)村及周邊第四系覆蓋厚度，與地面塌陷有關(guān)的斷裂構造，圈定塌陷發(fā)育地帶和隱伏洞穴分布范圍。工作方法使用高密度電法和淺層地震反射波法，共布設高密度電法剖面13條，共5.5km，2條淺層地震反射剖面，共1.0km。受場(chǎng)地限制，無(wú)法采用規則測網(wǎng)。沿村子內的街道和小路布設，高密度電法剖面主要采用南北向布設，淺層地震剖面采用“十”字布設，南北、東西方向各一條。  高密度電法使用重慶奔騰地質(zhì)儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的WGMD-3(60道)高密度電阻率測量系統，淺層地震是采用德國DMT公司研發(fā)的地震數據采集系統—SummitⅡplus地震儀。

 

  通過(guò)野外方法試驗，高密度電法選擇α（溫納四極）工作方式，電極距5m，控制深度數據16層（探測深度約45米）。野外工作時(shí)一次布設60個(gè)電極，電極轉換開(kāi)關(guān)按α方式進(jìn)行組合控制儀器觀(guān)測每個(gè)數據上的ΔU值、I值，經(jīng)自動(dòng)計算視電阻率，存儲在儀器內。一個(gè)排列完成后，向前滾動(dòng)12個(gè)電極，再重復以上測量，直到整個(gè)剖面測量完畢，把數據傳到計算機內，使用專(zhuān)用軟件進(jìn)行資料處理和二維反演計算，最后，根據ρs值繪制等值線(xiàn)擬斷面圖（色階圖）。

 

  淺層地震采用多次覆蓋觀(guān)測系統，道間距2米，偏移距2米，32道接收采用，覆蓋次數為12次，記錄長(cháng)度1s，記錄間隔為0.5ms，24磅錘擊震源。淺層地震資料處理的重點(diǎn)是進(jìn)行消除和壓制干擾、提高信噪比和分辨率。使用軟件是美國FOCUS 2.0進(jìn)行處理，根據本次工作的方法特點(diǎn)和資料特征，采取的基本數據處理流程包括數據格式轉換、道編輯、頻譜分析、數字濾波、動(dòng)校正、速度掃描和速度譜分析、CDP疊加以及道均衡處理，最終得到水平疊加的時(shí)間剖面。由速度譜分析和速度掃描得到較準確的各層均方根速度模型，根據均方根速度與其速度的關(guān)系，對比分析時(shí)間剖面的反射波組，確定反射層的構造形態(tài)，從而獲得相應的解釋剖面。

 

  4. 主要成果解釋

 

  4.1 地層解釋

 

  由高密度電法二維反演電阻率斷面圖分析，本區可分為三個(gè)電性層，視電阻率小于50Ωm的低阻層分布在25-35m以上大部分區域內，主要是黃土狀粉土、粉粘土層的反映；視電阻為50-100Ωm的中阻層分布在6-10m深度范圍內，分布不均勻，成斷續短軸狀、長(cháng)軸狀出現，主要是局部砂卵石層引起。地表水泥路面也為中等電阻率；視電阻率大于100Ωm的高阻層主要分布在25-30m以下，是區內基巖的反映。

 

  淺層地震剖面在100-140ms內有比較強的反射波組，同向軸清晰、連續，是基巖的反映，埋深22-32m，與高密度電法反映深度基本一致。

 

  4.2 隱伏斷裂破碎帶劃分  從水文地質(zhì)資料分析，隱伏的斷裂、破碎帶是造成向陽(yáng)村地面塌陷的主要地質(zhì)因素，查明隱伏的斷裂、破碎帶是本次物探工作的主要任務(wù)。斷裂、破碎帶與圍巖有明顯的物性差異，由于斷裂破碎帶內賦存水或泥土充填，在ρs斷面圖上有明顯的低阻異常帶，ρs等值線(xiàn)密集，呈階梯狀或漏斗狀。在淺層地震時(shí)間剖面上主要表現為反射波同向軸不連續或錯斷等。  區內推測斷裂破碎帶3條，其中北東向斷裂有F1、F2，北西向斷裂F3。

 

  F1位于向陽(yáng)村中南部，北東走向，兩邊都向村子外延伸到山中。6條高密度電法剖面上都為相對低阻異常，低阻異常帶呈漏斗狀，向下深入到基巖，在淺層地震時(shí)間剖面上時(shí)間同向軸明顯錯斷。推測斷裂傾向北西，傾角65-70°。鉆孔ZK2-1孔在深度0-9.5米處為粉土、粉質(zhì)粘土，9.5-20.3米處為礫類(lèi)土，裂隙發(fā)育，漏水嚴重，20.3-33.4米段為強風(fēng)化白云質(zhì)灰巖，巖石破碎，有粉土充填，33.4米以下為白云質(zhì)灰巖，巖石張性裂隙發(fā)育，有粉粘土充填。

 

  F2位于村子北邊，走向北東，北東向延伸出村外。2條高密度電法剖面都有低阻異常帶顯示，呈階梯狀；淺層地震時(shí)間剖面上同向軸增加、有明顯錯斷。推測斷裂傾向北西，傾角較陡。ZK3-1孔在0-21.2米處為耕土、粉土、粉質(zhì)粘土、局部含少量礫類(lèi)土，21.2-28.7米處為風(fēng)化砂巖、巖石破碎，有粉粘土充填，28.7米以下為基巖，基巖張性裂隙發(fā)育，有粘土充填。

 

  F3位于村子西邊靠近山邊，走向北西，南東延伸出村外，4條高密度電法剖 圖2 典型淺層地震剖面（2000線(xiàn)）面有相對低阻異常顯示，異常成階梯狀。推測斷層傾向南東，傾角較陡。

 

  4.3 塌陷區圈定

 

  所圈定的塌陷區是指土層或基巖地層的結構、構造遭受到破壞，已經(jīng)或將會(huì )產(chǎn)生塌陷性地質(zhì)災害的區。主要根據物探資料推測的隱伏斷裂破碎帶，結合地表調查發(fā)現的塌陷現象進(jìn)行圈定的。

 

  共圈定3個(gè)塌陷區，分別位于向陽(yáng)村的南邊、北邊和西邊，主要沿F1、F2、F3斷裂破碎帶分布，都分布于斷層的上盤(pán)。分析認為是由于地下水沿斷裂破碎帶流動(dòng)產(chǎn)生搬運、溶蝕作用造成的塌陷。其中F1、F2斷層已為鉆孔ZK2、ZK3所證實(shí)。

 

  5. 結論

 

  巖溶、塌陷是一種典型的不良地質(zhì)現象，危害越來(lái)越明顯。由于巖溶發(fā)育的不確定性和隱蔽性，因此，僅靠鉆探手段很難以達到要求，工程勘察難度較大。一方面鉆孔的布設有一定的盲目性，局部巖溶發(fā)育地段會(huì )被遺漏，另一方面，發(fā)現有巖溶、塌陷分布的地段，也很難探明其規模、形態(tài)和分布規律。物探方法具有設備輕便、勘探快速、經(jīng)濟，而且可以進(jìn)行連續的剖面勘探。因此物探方法可作為巖溶、塌陷區鉆探的先行手段，在巖溶、塌陷工程勘察中可起到前期指導和后期補充作用。

 

  實(shí)踐證明，在地面塌陷調查中，高密度電法和淺層地震勘探是有效的物探方法，可為塌陷區的調查、塌陷原因分析、災害預測和治理提供重要依據。