張建忠 周曉林

摘要：貴州省仁（懷）赤（水）高速公路K77-K78+800路段從采煤區(qū)、巖溶區(qū)及破碎帶穿過，對工程存在較大的潛在危害性。工程勘查前期采用物探方法先行查清不良地質(zhì)體的基本賦存狀態(tài)，根據(jù)巖溶、破碎帶、煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)表現(xiàn)的地球物理特征，選擇了綜合物探方法進(jìn)行勘探，解釋判定了巖溶區(qū)、破碎帶、采空區(qū)空間賦存狀態(tài)及塌陷狀態(tài)，經(jīng)鉆探工程驗(yàn)證，證實(shí)了物探解釋正確，綜合物探方法有效，避免了單一物探方法的多解性和不確定性，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ)，提高了物探解釋的可靠性，為工程勘查提供了準(zhǔn)確、可靠的信息，為在復(fù)雜地質(zhì)條件下工程勘查提供了有效的物探技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：電磁測深法；土壤測氡法；采空區(qū)及塌陷區(qū)；巖溶；破碎帶

Application of Integrated Geophysical Prospecting Method in Expressway Under Complicated Geological Conditions

Zhang Jianzhong1， Zhou Xiaolin1

The 102 Geological Team， Guizhou Bureau of Exploration and Development of Geology and Mineral Resources， Zunyi， 563003

Abstract： The K77-K78+800 section of the Ren Chi expressway in Guizhou Province， through the coal mining area， the karst area and the broken zone， has great potential hazard to the project. In the early stage of engineering exploration， the basic state of the harmful geologic body is identified by geophysical methods. According to karst， fracture zone， coal mine goaf and subsidence area show geophysical characteristics， chosen comprehensive geophysical methods for exploration， interpretation to determine the fracture zone， karst area， goaf spatial occurrence and collapse state， Verified by drilling engineering， it was proved that the geophysical interpretation is correct. Comprehensive geophysical prospecting method can effectively avoid the ambiguity and uncertainty of single geophysical methods， to achieve the complementary advantages， improve the reliability of the geophysical interpretation， provide accurate and reliable information for engineering exploration， is under complicated geological conditions in engineering exploration provides an effective means of geophysical technology.

Keywords： Electromagnetic sounding method， Soil radon measurement method， Goaf and subsidence area， karst， Fractured zone.

1.引言

煤礦開采形成的采空區(qū)，灰?guī)r巖溶區(qū)及巖層破碎帶改變，破壞了地球表面和巖石圈的自然平衡，通?？赡芤l(fā)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，導(dǎo)致地表沉降、塌陷，道路裂縫，山體崩塌，建筑物損壞等結(jié)果，給社會經(jīng)濟(jì)帶來極大損失[9-15]。貴州省仁（懷）赤（水）高速公路K77-K78+800路段地質(zhì)條件極其復(fù)雜，穿過該區(qū)煤礦采空區(qū)、巖溶發(fā)育區(qū)及斷層破碎帶，對高速公路路基、大橋及隧道存在潛在危害性。應(yīng)用綜合物探方法勘查煤礦采空區(qū)、巖溶區(qū)及破碎帶賦存狀態(tài)及規(guī)模，為高速公路防范治理及方案決策優(yōu)化，提供準(zhǔn)確、可靠、有效的信息。測區(qū)大部分地勢為海拔1000m～1100m的緩坡地，溝壑地帶地形較陡，自然條件差，工程施工條件極差。工程勘查測網(wǎng)采用見縫插針式的非規(guī)則測網(wǎng)，共布置6條測線，點(diǎn)距100m，見圖2。

2.地質(zhì)及地球物理特征

2.1地質(zhì)特征

測區(qū)出露地層有二疊系中統(tǒng)茅口組（P2m）灰?guī)r地層、二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M（P3l）含煤碎屑巖系地層、二疊系上統(tǒng)長興組（P3c）灰?guī)r地層、三疊系下統(tǒng)夜朗組沙堡灣段（T1y1）頁巖及鈣質(zhì)頁巖地層、三疊系下統(tǒng)夜朗組玉龍山段（T1y2）中薄層灰?guī)r夾鈣質(zhì)泥頁巖地層、三疊系下統(tǒng)夜朗組九級灘段（T1y3）鈣質(zhì)泥頁巖夾灰?guī)r及泥灰?guī)r地層及第四系浮土。區(qū)內(nèi)構(gòu)造為單斜地層構(gòu)造，地層傾向西或南西，傾角15°～21°。斷層構(gòu)造發(fā)育，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖溶發(fā)育，煤系煤層基本被采空[20]。

2.2電性特征

根據(jù)周邊同類型地質(zhì)層位部分測井資料統(tǒng)計，以地層為單位劃分物性單元，夜朗組九級灘段（T1y3）電阻率總體最低；龍?zhí)督M（P3l）電阻率比九級灘段電阻率稍高，總體為低阻；夜朗組沙堡灣段和玉龍山段（T1y1+2）電阻率總體為中低；長興組（P3c）電阻率總體為高阻；茅口組（P2m）電阻率為超高阻[21]，見表1。一般情況下，巖溶空洞及煤礦采空區(qū)（未積水或垮塌的）視電阻率值為最高。煤礦采空區(qū)松散堆積區(qū)隨塌陷狀況不同電阻率將出現(xiàn)較大變化，情況復(fù)雜。充填巖溶裂隙和破碎帶電阻率總體表現(xiàn)為低阻。由電性特征可見，各物性單元間、巖溶裂隙、采空區(qū)、破碎帶在電性上存在差異，具備電法勘探的基本條件。

2.3放射性特征

當(dāng)采空區(qū)未塌陷時，形成的采空區(qū)由于致密性差，孔隙發(fā)育，放射性元素（氡氣）可不斷地在此聚集，形成氡氣的富集區(qū)，氡氣沿一定通道不斷向上運(yùn)移至地表，形成氡氣高濃度異常。當(dāng)采空區(qū)產(chǎn)生塌陷，巖層破碎帶、地表覆蓋層下塌，與塌陷區(qū)相連時，形成較發(fā)育的裂隙，對氡氣運(yùn)移有利，導(dǎo)致氡氣保存條件變差，在地表形成氡氣濃度異常不高。而在較完整巖層處，由于巖層的孔隙及斷裂不發(fā)育，上覆地層的應(yīng)力破壞較小，地層斷裂不發(fā)育，所以不利于氡的運(yùn)移，因此在地表覆蓋層中形成氡氣濃度較低。由此可以根據(jù)氡氣濃度異常高低推斷采空區(qū)、采空區(qū)塌陷區(qū)、巖層破碎帶位置及范圍。由此可見，在放射性特征上存在差異，具備放射性勘探的基本條件[16-20]。

3.物探方法選擇

目前，探測巖溶、破碎帶、采空區(qū)可供選擇的物探方法較多，例如，電阻率高密度法、電阻率測深法、電阻率剖面法、高頻大地電磁測深法、瞬變電磁法、淺層地震法及土壤測氡法等。針對測區(qū)的地質(zhì)特征、高壓電線干擾、采空區(qū)埋深等因素，根據(jù)掌握的物性特征，同時為降低單一物探方法解釋的多解性，提高物探解釋精度，采用了高頻大地電磁測深法和土壤測氡方法綜合物探方法進(jìn)行勘查，該組合可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)、提高工效。

3.1高頻大地電磁測深法及EH-4儀器簡介

高頻大地電磁測深法是測量場源信號為幾百～幾萬Hz的一種勘探方法，其測量頻率很高。本次高頻大地電磁測深法勘查選用EH-4儀器。EH-4是美國著名的Geometrics公司和EMI公司聯(lián)合研制的雙源型電磁系統(tǒng)。EH-4作為全新概念的電導(dǎo)率張量測量儀，利用大地電磁的測量原理，配置了特殊的人工電磁波發(fā)射源，深部構(gòu)造通過天然場源成像（MT），其信號源為（10kHz～1kHz）；淺部構(gòu)造則通過一個新型的便攜式低功率發(fā)射器發(fā)射500kHz～100kHz的人工電磁訊號，補(bǔ)償天然信號的不足，實(shí)現(xiàn)了天然信號源與人工信號源的采集和處理。儀器具有以下特點(diǎn)：①使用人工電磁場和天然電磁場兩種組合場源；②既具有有源電探法的穩(wěn)定性，又具有無源電磁法的節(jié)能和輕便性；③能同時接收和分析X、Y兩個方向的電場和磁場，反演X-Y電導(dǎo)率張量剖面，對判斷二維構(gòu)造特別有利；④高精度反演地下0m～ 1000m的地質(zhì)體的電性結(jié)構(gòu)，連續(xù)的測深點(diǎn)陣可以組成地下二維電阻率剖面，甚至三維立體電阻率成像；⑤實(shí)時數(shù)據(jù)處理和顯示，資料解釋簡捷，圖像直觀。具有精度較高、分辨率好、不受地形的影響、快速、輕便的特點(diǎn)，能很好地預(yù)測煤礦采空區(qū)、溶洞、斷層等的賦存情況，適合惡劣地形條件下的煤礦采空區(qū)、公路隧道的勘探[1-8]。

3.2土壤測氡法及儀器簡介

土壤測氡法是通過測量地表土壤中氡氣元素的濃度，用氡氣濃度異常來圈定煤礦采空區(qū)、采空區(qū)塌陷區(qū)、巖層破碎帶位置和范圍的一種勘探方法，具有不受地形、地電、電磁場、探測對象埋深等條件制約，操作簡便、快捷、成本低、工作效率高的特點(diǎn)。本次測量使用FD-3017RaA測氡儀器，該儀器是一種瞬時測氡儀器，利用靜電收集氡衰變的第一代子體RaA作為測量對象，不存在氡射氣的干擾影響。

4.物探綜合解釋及驗(yàn)證

物探綜合解釋以1號剖面為例，見圖1。在1號剖面上，從小號至大號測點(diǎn)依次出露地層有茅口組（P2m）、龍?zhí)督M（P3l）、長興組（P3c）、夜郎組沙堡灣段和玉龍山段（T1y1+2）、夜朗組九級灘段（T1y3），地表界線清楚。從圖1看出，在長達(dá)1800m的剖面上，地質(zhì)情況比較復(fù)雜，根據(jù)反演電阻率圖形及掌握的物性特征綜合解釋，①7與8號中點(diǎn)至9與10號中點(diǎn)、13點(diǎn)右側(cè)至16號點(diǎn)左側(cè)電阻率為近似直立的低阻板狀異常，電性與兩側(cè)差異明顯，且對應(yīng)RaA曲線異常，解釋為斷層破碎帶，斷層編號為WF1和WF2，破碎帶地表寬度分別為約200m、270m，WF1和WF2將剖面分割成三段，WF1與WF2之間地層略有抬升。②地表1～3號點(diǎn)及向右下延伸的深部高阻異常（800Ω·m～4600Ω·m）解釋為茅口組（P2m）；茅口組（P2m）之上從高向低過渡帶異常（25Ω·m～300Ω·m）解釋為龍?zhí)督M（P3l）；13號測點(diǎn)左側(cè)至19號測點(diǎn)低阻異常（5Ω·m～50Ω·m）解釋為夜朗組九級灘段（T1y3）；地表7與8號點(diǎn)中點(diǎn)至13號點(diǎn)右側(cè)及九級灘段之下中低阻異常（250Ω·m～400Ω·m）解釋為夜郎組沙堡灣段和玉龍山段（T1y1+2）；夜郎組沙堡灣和玉龍山段與龍?zhí)督M（P3l）之間推斷為長興組（P3c）。③7號點(diǎn)之下，埋深約30m～46m紅線圈定異常位于龍?zhí)督M（P3l）內(nèi)，異常寬度約50m，且與RaA曲線1號異常對應(yīng)較好，解釋為采空區(qū)。④13至16號點(diǎn)之下，埋深約226m～251m洋紅線圈定異常位于龍?zhí)督M（P3l）內(nèi)，且與RaA曲線2號異常對應(yīng)較好，異常寬度約310m，異常幅度比1號異常低得多，解釋為采空區(qū)松散堆積區(qū)。⑤2至4號點(diǎn)茅口組（P2m）內(nèi)黑線圈定的串珠狀相對高阻異常解釋為巖溶發(fā)育區(qū)，異常中心埋深約108m、寬度大于200m；8號點(diǎn)長興組（P3c）內(nèi)黑線圈定的相對高阻異常解釋為巖溶發(fā)育區(qū)，異常中心埋深約39m，寬度約100m；8號點(diǎn)茅口組（P2m）內(nèi)黑線圈定的極低阻異常解釋為巖溶發(fā)育區(qū)，異常中心埋深約265m，寬度約100m；14號點(diǎn)淺部夜郎組沙堡灣段和玉龍山段（T1y1+2）內(nèi)黑線圈定的相對高阻異常解釋為巖溶發(fā)育區(qū)，異常中心埋深約59m，寬度約30m；13左側(cè)至15號點(diǎn)深部長興組（P3c）內(nèi)黑線圈定的低阻異常解釋為巖溶發(fā)育區(qū)，異常中心埋深約290m，寬度約230m；18至19號點(diǎn)夜郎組沙堡灣段和玉龍山段（T1y1+2）內(nèi)黑線圈定的串珠狀相對高阻異常解釋為巖溶發(fā)育區(qū)，異常中心埋深約136m，寬度約110m。

通過對測區(qū)6條剖面推斷解釋，在平面圈定巖溶異常有4處，圈定斷層2條，圈定巖層破碎帶異常2處，煤礦采空區(qū)、采空區(qū)塌陷區(qū)異常各1處，見圖2。

針對綜合解釋結(jié)果，布置了ZK01（1號剖面7號點(diǎn)）、ZK02（1號剖面14號點(diǎn)）鉆探工程驗(yàn)證鉆孔。ZK01鉆孔在孔深為39.50m～41.77m揭露采空區(qū)（物探解釋為30m～ 46m）。ZK02鉆孔在50.33m揭穿夜郎組九節(jié)灘段（T1y3）底板（物探解釋為49m），在189.26m揭穿夜郎組玉龍山段及沙堡灣段（T1y1+2）底板（物探解釋為194m），其中54.36m～ 64.58m為溶洞（物探解釋為52m～66m），在216.28m揭穿長興組（P3c）底板（物探解釋為219m），235.56m～244.65m（終孔）揭露采空塌陷區(qū)（物探解釋為226m～251m）。鉆探工程驗(yàn)證結(jié)果證實(shí)物探定性綜合解釋結(jié)果正確，吻合度較好，分層深度相差不大，最大相差為9.56m。

5.結(jié)論

（1）選擇放射性RaA法和高頻大地電磁測深法綜合物探方法探測一定深度的巖溶區(qū)、破碎帶、采空區(qū)空間賦存狀態(tài)及塌陷區(qū)現(xiàn)狀，其方法是可行有效的，克服了任何單一的物探方法所具有的局限性，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢互補(bǔ)，降低了物探解釋的多解性，提高了物探解釋的可靠性，為高速公路工程勘查、設(shè)計、施工提供了準(zhǔn)確、可靠、有效的信息。

（2）通過一定數(shù)量鉆孔進(jìn)行物探異常驗(yàn)證，鉆孔揭露的相應(yīng)層位、巖溶區(qū)、采空區(qū)及塌陷區(qū)與物探解釋完全正確，為在復(fù)雜地質(zhì)條件下工程提供了有效的綜合物探勘探方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]何繼善，湯井田.可控源音頻大地電磁法[M].長沙：中南工業(yè)大學(xué)出版社， l990.

[2]A A考夫曼， G V凱勒.頻率域和時間域電磁測深[M].北京：地質(zhì)出版社， 1987.

[3]陳樂壽.大地電磁測深方法[M].北京：地質(zhì)出版社1990.

[4]傅良魁.應(yīng)用地球物理教程[M].北京：地質(zhì)出版社， 1991.

[5]魏勝.大地電磁解釋工作站[J].物探與化探， 1994，（18）： 50-54.

[6]陳慶凱，席振銖. EH4電磁成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理過程研究[J].有色礦冶， 2005， 21（5）： 7-9.

[7]張瑩，張勝業(yè). EH4資料處理解釋系統(tǒng)的研究[J].工程地球物理學(xué)報， 2005， 2（4）： 311-315.

[8]郭建強(qiáng)，武毅，邵汝君，等. Stratagem ^TM EH—4電導(dǎo)率成像系統(tǒng)簡介及應(yīng)用[J].物探與化探， 1998， 000（006）：458-464.

[9]孫升林，倪新輝，龔惠民，等. EH4電磁成像系統(tǒng)在中西部巖溶區(qū)地下水勘查中的應(yīng)用[J].中國煤田地質(zhì)， 2001 ，13（3）：67-68.

[10]柳建新，蔣玲霞，嚴(yán)家斌，等. EH4電磁成像系統(tǒng)在高速公路隧道工程勘察中的應(yīng)用[J].工程地球物理學(xué)報， 2008， 5（6）： 652-656.

[11]童立元，等，高速公路下伏采空區(qū)問題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[ J] .巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 200423（7）：1 198～1202.

[12]柳建新，羅曦，童孝忠，等. EH4時頻數(shù)據(jù)聯(lián)合處理及其在煤礦采空區(qū)的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進(jìn)展， 2012， 27（5）：2160-2167.

[13]趙智能，劉建，邢保國， EH 4電磁成像系統(tǒng)在高速公路隧道工程勘察中的應(yīng)用研究[J].工程地球物理學(xué)報， 2010， 7（3）： 323-326.

[14]孫英勛. EH4電磁成像系統(tǒng)在高速公路長大深埋隧道勘察中的應(yīng)用研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報， 2005（13）： 32-36

[15]劉菁華，等.煤礦采空區(qū)及塌陷區(qū)的地球物理探查[J].煤炭學(xué)報， 2005（6）：22-26.

[16]劉春來，庹先國，黃連美，等.地下氡氣測量推斷隱伏斷層走向[J].物探與化探， 2011， 35（2）： 226-229.

[17]韓許恒，郁春霞.氡射氣探測在采空區(qū)勘察中的應(yīng)用[J].工程勘察， 1996（5）：63-66.

[18]楊華，劉鴻福.測氡在煤礦采空區(qū)的應(yīng)用[J].山西煤炭， 2003， 23（02）：38-40.

[19]段鴻杰，唐岱茂，曹為民.測氡技術(shù)圈定采空區(qū)影響邊界的應(yīng)用[J].華北地質(zhì)礦產(chǎn)雜志， 1999， 14（1）： 71-76.

[20]郭崇光，李敬宇，劉君.氡氣測量在山西采空區(qū)探測中的應(yīng)用[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)， 2004， 14（1）： 180-181.

[21]周明平.貴州省仁（懷）赤（水）高速公路部分路段（K77～K83+ 600）勘查物探報告[R].貴州遵義：貴州省地礦局一○二地質(zhì)大隊(duì)， 2012.

[22]蔡方國.貴州省仁懷市長崗嶺煤礦普查測井報告[R].貴州省地礦局一〇二地質(zhì)大隊(duì)， 2004. 11.