综合物探解释在路面沉陷研究中的运用

毛　明， 岳志平， 董　城， 肖兴旺

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺　416700；　2.湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙　410015)



综合物探解释在路面沉陷研究中的运用

毛明1， 岳志平2， 董城2， 肖兴旺1

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺416700；2.湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙410015)

[摘要]采用多种地球物理勘探方法可以有效减少推断解释的多解性，提高解释准确性，借助高密度电法、垂向视电阻率测深和地震映像法对公路路面沉降的地质原因进行了综合分析和解释，基本查清了勘区内的地层结构、岩性接触带和异常分布空间特征，分析了构造的走向以及所影响的地层，并根据地震映像资料推测一处近地表塌陷区域，为公路路面沉降的治理提供了可参考的依据。

[关键词]地球物理勘探； 高密度电法； 电阻率测深； 地震映像法； 塌陷区域

0前言

地球物理勘探具有应用范围广、信息量大和高效快捷等特点，可以多层次、多角度提供大量有用的

地下隐伏构造信息[1]，因此，它在地质灾害调查领域发挥着越来越重要的作用。

在实际地质工作中，由于单一的某种地球物理异常场的分布可能对应于地下多种地质现象，因此，当对地球物理场的观测资料进行推断解释时，应注意反演问题的多解性[2-4]。采用多种地球物理勘察方法进行综合解释可以避免或减少反演问题的多解性或得到唯一解[5]，提高解释精度。本文利用电法及地震映像法对株洲县某村的公路路面沉降灾害的地质背景进行了综合解释，取得了较好的效果。

1工作区概况

湘西某县道由于煤矿生产导致县道路面已经发生开裂、下沉，对当地的道路交通安全构成威胁，由于治理难度大，至今仍未得到根本治理，由于该线路关系到交通、防洪及航运等方面的安全，地政府及国土部门对该路面沉陷地质灾害十分重视，目前根据施工、地形地质条件，对灾害区域进行了高密度电法、垂向视电阻率测深和地震映像法综合地球物理勘探。

区内属大陆性亚热带气候，潮湿而炎热，雨量充沛，四季分明。工作区出露地层区内出露的地层有泥盆系上统锡矿山组，三叠系上统安源组及第四系，由新至老简述如下：

① 第四系(Q)。

上部为硬塑状粉质粘土，下部为砂砾石层。为湘江一级阶地，主要分布于大塘湖、丫塘等地势低洼地段。平均厚度层厚小于10 m。工作区局部地段有人工填土、废渣分布。

② 三叠系上统安源组(T3a)。

大面积分布于工作区。岩性主要为细砂岩、页岩等。节理裂隙发育。与下伏地层呈断层接触关系。

③ 泥盆系上统锡矿山组(D3x)。

仅分布于工作区东部，岩性主要为泥灰岩、灰岩，岩质坚硬、较完整。

当地的交通主干道—县道路面开裂、下沉日趋现象严重，已经对交通安全构成严重隐患。路面开裂、下沉情况见图1，路面变形情况见图2。

图1　路面开裂、下沉Figure 1　Pavement cracking and sinking

图2　路面严重变形Figure 2　Road serious deformation

2物探工作布置与方法

物探工作设计的目的主要有2个： ①探明工作区内的第四系地层厚度、老窑采空区及原堂市煤矿老采区的大致分布情况； ②探明工作区内断裂构造、地层岩性界面的位置及走向。

针对上述不同目的任务，采用不同的物探工作方法。探测第四系厚度、采空区分布情况采用高密度电阻率法；选取地震映像法主要查明路面变形破坏严重区是否存在空洞，扰动土地及其分布范围，为工程治理措施(注浆)提供参考；采用视电阻率垂向电测深测量，确定地下空洞，构造带、电性不均匀体存在位置，为确定验证钻探位置提供依据。

2.1剖面设置

因历史原因，原煤矿开采资料缺失，需查明老采空区范围，实测了7条剖面，采用高密度电法测量和视电阻率垂向电测深测量，编号为G1～G3，长度600 m。实测物探剖面G5和G7，主要查明老窑采空区分布及路面沉陷变形严重区空洞分布位置。设计2条近似平行的剖面(G9和G92)，与路走向基本一致，见表1，地震映像法实测完成工作统计见表2。

表1 电法实测完成工作统计表Table1 Workloadofelectricalmethod测线编号长度/m高密度电阻率法测点数视电阻率垂向电测深点数G16001200G26001201G36001200G59001804G77501501G9135027014G929001800其他位置5合计5700114025

表2 地震映像法实测完成工作统计表Table2 Workloadofseismicimagemethod测线编号长度/m测点数DZ1117118DZ2100101DZ3100101DZ4200201合计417421

本次测量共计7条高密度剖面，4条地震映像剖面，见图3。粉红色为实测物探高密度测线，红色点为实测垂向电测深点。

图3　工作点位分布图Figure 3　Working point distribution

2.2工作原理

为探测第四系厚度、采空区分布情况及大体特征，本次高密度电法点距采用5 m，电极数120根。仪器采用重庆奔腾数控技术研究所研制生产的WDJD—3多功能数字直流激电仪和WDZJ—3多路电极转换器组成的高密度电法测量系统。地震映像仪器采用NZ24地震仪1套。

2.2.1高密度电法

高密度电阻率法是集电剖面和电测深为一体采用高密度布点，进行二维地电断面测量的一种电阻率法勘查技术。实际上是一种阵列勘探、以岩土电性差异为基础的一类电探方法，研究在施加电场的作用下，地下传导电流的分布规律，从而达到解决地质目的。野外工作时将数十根电极一次性布设完毕，每根电极既是供电电极，又是测量电极(见图4)。通过程控多路电极转换开关和电测仪实施数据的自动、快速采集。极距的递增一般以电极间距为单位，每个极距依固定的装置形式逐点由左向右移动完成该极距的数据采集，然后增大极距进行下一个极距的数据采集。随着隔离系数的增大，测点数逐渐减少，测点在断面上的分布呈倒三角形[6，7]。

图4　高密度电法工作原理图Figure 4　Working principle of the high-density electrical 　　　method

2.2.2垂向电测深

测深采用对称四极装置：其主要特点是在测量电极M、N不变(或少变)的情况下，供电电极A、B对称地逐渐向两边拉开，见图5，通过不断加大AB的距离，以达到了解从浅到深地下电性(导电性和激发极化效应)变化的目的[8]。

图5　对称四极测深装置观测示意图Figure 5　Symmetric four-pole sounding device schematic 　　　diagram

2.2.3地震映像法

地震映像法，又称地震共偏移距法，是以相同的小偏移距逐步移动测点接收地震信号，在地面或水面对地下地层或地下目的物进行连续扫描，利用多种地震波信息来探测地下介质变化的浅层地震勘探方法，其前提是地下介质密度、速度、泊松比具有差异。在地震映像测量过程中，激发后在接收点用单个检波器接收。仪器记录后，激发点和接收点同时向前移动一定的距离(称为点距)，重复上述过程可获得一条地震映像时间剖面[9]。

地震映像法的主要特点有：可以利用反射波、折射波、面波等多种弹性波作为有效波来进行探测，也可以根据探测目的要求仅采用一种特定的地震波作为有效波；炮检距小，激发点和接收点之间的反射波近似垂直，类似于自激自收，因而采集数据的信噪比高，且测量点设在激发和接收距离的中点，该点正反映了偏移距范围内的地下岩层、岩性的变化；由于每个记录道都采用了相同的偏移距，地震记录上的时间变化主要为地下地质体的反映，连接起来的地震时间剖面即是地下界面形态的反映，资料处理时，可直接对资料进行部分数字分析，如频谱分析、相关分析等；由于采用的是单炮激发、单道接收，在资料处理过程中不需要进行动校正、叠加等处理，节省了资料处理时间，避开了动校正对浅层反射波的拉伸、畸变影响，可以全部保留反射波动力学特征，减少了处理误差[10，11]。

3物探成果解释

3.1高密度电法测深

本次的7条线高密度电法剖面长短不一，最小600 m，最长为G9线，长度1.35 km，对于短剖面一次布设120道，5 m电极距即可测量完成；对于长剖面为连续滚动测量，下个剖面的起始点是上个的起始点+150 m远，经过对视电阻率二维反演，各测线的拟断面图、二维反演结果及解译分别如图6～图8所示，整个测区所有图件色标统一，由低到高的反演颜色由蓝色逐渐变为红色，蓝色表示低阻，红色表示高阻，推测断层(或者岩性接触带)用红色虚线表示，推测异常靶区用蓝色虚线圈状表示。由于篇幅有限，本文主要介绍G1～G3线的解释。

图7为G1线结果：图中上部为视电阻率拟断面等值线图，中部为二维反演结果图，下部为地质解释结果。其中推测接触带用红色虚线表示。

图6　高密度电法G1线2D反演电阻率及地质解释断面图Figure 6　G1 line 2—D inversion of resistivity profile and 　　　geological explanation

测线长度为600 m，点距5 m，可以看出，高低阻分界线明显，整体上从左到右电阻率断面呈低-高阻特征，推测测点300号存在向小号点(南)的接触带，浅部较缓，深部产状逐渐变陡；推测在接触带JCD1的左部为三叠系上统安源组(T3a)泥质岩类，右部为泥盆系上统锡矿山组(D3x)灰岩岩类；在左部的泥碳质岩类内存在一个低阻带，推断为采空后渗水后形成的低阻，存在塌陷的可能。异常在200号测点下方70 m左右。

图7为G2线结果：图中上部为视电阻率拟断面等值线图，中部为二维反演结果图，下部为地质解释结果。其中推测接触带用红色虚线表示。图6和图7类似，均为左边为三叠系上统安源组(T3a)泥质岩类，右边为泥盆系上统锡矿山组(D3x)灰岩岩类；中间存在接触带JCD1，推测其在450号测点附近出露，但相比G1线，接触带变陡。异常分别推断在120号测点和340号测点下方。

图7　高密度电法G2线2D反演电阻率及地质解释断面图Figure 7　G2 line 2—D inversion of resistivity profile and 　　　geological explanation

图8　高密度电法G3线2D反演电阻率及地质解释断面图Figure 8　G3 line 2—D inversion of resistivity profile and 　　　geological explanation

图8为G3线结果：与G1线和G2线相似，均是类似特征，推断接触带JCD1在370号测点出露，倾向和G2线基本一致，在推断接触带左部为三叠系上统安源组(T3a)泥质岩类，右边为泥盆系上统锡矿山组(D3x)灰岩岩类；不同的是推断了2个低阻异常带，140～170测点之间为一个，200～250号测点为一个，推断200～250号测点深部的低阻带为采空区的塌陷所致而成。

3.2电阻率垂向测深

根据高密度探测结果，在地质和物探专家的商讨下进行了垂向电测深，目的是验证目前发现和推断的异常分布，其中具有代表性的结果如图9所示。

图9　单点电测深层状反演曲线图Figure 9　Inversion curve of single point electric sounding

分析图9可知：测区在地层上基本可分为四层，对应电阻率为低-高-低-高，第一层低电阻率推测为表层覆盖层厚度，第二层高阻推测为煤矿顶板围岩，第三层低阻推测为煤层及煤层采空区不完全填充所致，第四层高阻推测为煤层底板基岩，整体该区域煤层发育深度在30～150 m的范围内，由于单点电测深层状反演具有多解性，因此电测深结果应结合实际地质情况综合分析应用。

3.3地震影像

本次的4条地震映像测线长短不一，长度0.417 km，炮检偏移距离8 m，每次前进1 m，按测线依次测量完成，成果图件中粉红色虚线表示推测岩土分界面，蓝色虚线表示推测塌陷区域或采空区域。考虑到篇幅有限，本文主要对DZ1、DZ3的解释进行介绍。

① DZ1测线解释。

图10为DZ1测线地震映像波形及综合解释断面图，根据地震波波形图可知，该段地震映像资料整体反射波同相轴凌乱，推测基岩面较为破碎或风化较严重，在10～40 ms的范围内存在一较明显的反射界面，推测为岩土界面，具体如图中粉色虚线所示。在里程40～50 m、时间50～70 ms的范围内，振幅增强，有振荡现象和类似于短弧形的同相轴，具体如蓝色虚线所示，推测该区域为充填型采用区域，在里程100～110 m、时间70～90 ms的范围内，反射波振幅变大，频率变低，推测该区域为半充填型采空区域。综合断面图深度是根据高密度资料结合区域地质调查资料确定，存在一定误差，但地震映像资料的平面位置准确性较高。

图10　地震映像DZ1测线波形图及地质解释断面图Figure 10　DZ1 line seismic image wave profile and 　　　geological explanation

② DZ3测线解释。

图11为DZ3测线地震映像波形及综合解释断面图，根据地震波波形图可知，该段地震映像资料整体反射波同相轴凌乱，推测基岩面较为破碎或风化较严重，在10～20 ms的范围内存在一较明显的反射界面，推测为岩土界面，具体如图中粉色虚线所示。在里程75～110 m、时间10～60 ms的范围内，反射波同相轴凌乱，振幅增强，频率变低，具体如蓝色虚线所示，推测该区域为采空塌陷区域，由于采空塌陷造成岩层破环导致地震波速降低，频率变低。

图11　地震映像DZ3测线波形图及地质解释断面图Figure 11　DZ3 line seismic image wave profile and 　　　geological explanation

4结论

① 本区推断了2个断裂，17个物理异常测点，通过高密度电法法勘探，基本查清了勘区内的地层结构、岩性接触带和异常分布空间特征；

② 安源组含煤地层，由砂质泥岩及少量细砂岩、泥岩及煤与炭质泥岩组成，为目前主要塌陷积水区。

③ 正断层F1 断层使锡矿山组岩溶裂隙含水层与煤系地层接触，该断层的富水性及导水性较强，且南部切穿了湘江。

④ 地震映像资料推测一处近地表塌陷区域，位于DZ3线75-110 m范围内，推测1处采空区域，深度基本地下15～30 m范围内，由于地震映像方法只能反映浅地表异常，探测深度较浅，资料中反映的异常也可能是近地表岩体破碎所致。

[参考文献]

[1]申安斌，刘建利，陈小龙.重磁电联合反演在银-额盆地勘探中的应用[J].陕西地质，2012，30(1)：41-47.

[2]曾华霖.重磁勘探反演问题研究评述[J].物探与化探，1990，14(3)：182-189.

[3]安玉林，陈玉东，黄金明.重磁勘探正反演理论方法研究的新进展[J].地学前缘，2003，10(1)：141-149.

[4]罗孝宽，郭绍雍.应用地球物理学教程[M].北京：地质出版社，1991.

[5]李怡.中上扬子及油气远景区重磁电剖面地质-地球物理综合解译[D].成都：成都理工大学，2014.

[6]刘晓东.高密度电法在工程物探中的应用[J].工程勘察，2001(4)：64-66.

[7]董浩斌.高密度电法和瞬变电磁法几个问题探讨[A].中国工程地球物理检测技术[C].北京：地震出版社，2001.

[8]雷宛，肖宏跃，邓一谦.工程与环境物探教程[M].北京：地质出版社，2006.

[9]赵鸿儒，郭铁栓.工程地震勘探综述[J].地球物理学进展，1994，9(3)：80-85.

[10]陈楚.复杂工程地震勘探数据高精度处理应用研究[D].成都：成都理工大学，2012.

[11]吴小平，赵鸿儒.我国工程多波地震勘探研究与应用现状[J].地震学报，1996，18(2)：262-268.

The Application of Integrated Geophysical Interpretation to the Study of Road Surface Subsidence

MAO Ming1， YUE Zhiping2， DONG Cheng2， XIAO Xingwang1

(1.Hunan Yonglong Expressway Construction Development Company Ltd， Yongshun, Hunan 416700， China；2.Hunan Communications Research Institute， Changsha, Hunan 410015， China)

[Abstract]Using various geophysical exploration methods can effectively reduce the uncertainty of inference and interpretation，furthermore improve the interpretation accuracy.In this paper，with high-density electrical method，vertical apparent resistivity sounding and seismic image method，the geological reasons for road surface subsidence in Zhuzhou were comprehensively analysed and interpreted.The formation in the contact zone and the abnormal distribution of space structure，lithology were basically investigated.The directions of the structures were analysed.Finally，according to the seismic image data，a near surface subsidence area was found.The work above provided reference for disaster controlling.

[Key words]geophysical exploration； high-density electrical method； vertical apparent resistivity sounding； seismic image method； subsidence area

[中图分类号]TU 416.217； U 418.6+2

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0151—06

[作者简介]毛明(1985—)，男，湖南岳阳人，助理工程师，从事高速公路建设与管理工作。

[基金项目]交通部西部交通建设科技项目(2014 318 785 090)；湖南省属科研机构技术创新发展专项项目(20012TF1001)

[收稿日期]2016—01—18