大地电磁测深在广德太极洞地质公园地下溶洞群探测中的应用

张春雷，吴斐，李泽义，葛涛，胡晨

（1.安徽省地质实验研究所， 安徽合肥 230001； 2.太极洞风景区管理委员会， 安徽宣城 242000）

0 引言

广德县境内的太极洞国家地质公园，因其独特的地质构造、奇幻的溶洞景观和深厚的文化底蕴吸引了越来越多的游客和地学爱好者来参观考察[1]。目前，景区可供游览的太极洞溶洞群分布于石龙山西部，开发长度约5400m。随着游客日益增多，公园环境容量的压力也与日俱增。为丰富太极洞国家地质公园的地质遗迹内容、优化地质旅游路线，以及对地质遗迹保护的客观要求，在石龙山东部山区中持续探索未开发的太极溶洞群成为景区管理者的迫切需要。

EH4作为大地电磁测深技术之一[2]，主要是利用天然或人工电磁场，通过观测记录电磁场信号，后经傅立叶转换测定一系列参数值，最终求取地下介质电阻率的分布规律[3]，进而达到解决如断层破碎带[4～5]、地下采空区[6]、岩溶洞穴[7]等工程地质问题，并能取得良好的应用效果。

1 区域地质背景[8]

1.1 地层

太极洞国家地质公园位于扬子板块东南部的皖南褶皱带。园区周边出露地层有志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系和第四系，缺失古近系和新近系。太极洞溶洞群主体多发育于上石炭统厚层灰岩中，其地层特征如下：

黄龙组（C2h）：下部主要为浅灰、浅灰白色厚层生物屑微晶灰岩夹泥微晶灰岩，偏下部夹灰黑色燧石团块或条带；上部为浅灰白略带肉红色厚层生物屑灰岩夹微晶灰岩。该组的底部为浅灰白色厚层粗晶灰岩。该组总厚72.88m，与下伏老虎洞组大多为平行不整合接触。

船山组（C2c）：下部为浅红色厚层生物碎屑角砾状灰岩，厚13.2m；中部为灰色厚层状夹少量中层状生物碎屑泥晶灰岩，厚38.7m；上部为深灰色核形石生物碎屑灰岩，厚4.2m。船山组与下伏地层黄龙组为平行不整合接触。

1.2 构造

研究区构造发展过程分为印支、燕山、喜马拉雅3个阶段。主要褶皱构造由印支运动形成，燕山运动虽也造成舒缓的继承性褶皱和坳陷，但以断裂和岩浆活动为主，喜马拉雅运动以地壳差异性升降为主，继承性燕山晚期坳陷形成更加平缓的构造盆地。

1.2.1 褶皱

太极洞-燕子岭向斜：该向斜北起自青头山—长青岭一带，往南西方向延伸经太极洞、涧东村，过牛头山直达燕子岭及其以南地区，再往南西被白垩系或第四系覆盖，出露长度大于14km，宽度约4km。向斜轴走向北北东向（15°～45°）。向斜核部地层为三叠系南陵湖组及和龙山组，两翼出露地层依次为二叠系龙潭组—梁山组，石炭系船山组—高骊山组以及泥盆系五通组和部分志留系唐家坞组。向斜外貌似箱状，北仰起端成矩形，仰起角20°～30°。在向斜的北部（转折端）及两翼发育一系列断层，总体呈放射状（或半辐射状）展布。向斜转折端地层倾角一般小于25°，两翼突变为35°～45°，故近似箱状。

1.2.2 断裂

太极洞地质公园园区的断裂构造十分发育，有断裂44条，主要为北东向、北西向、东西向及北北东向4组。这些断裂总体上有几个鲜明的特点：①是褶皱岩层弯曲最大的地段，断裂发育相对较集中，且断裂规模相对较大；②断裂性质均以剪切平移为主；③发育在转折端西部的断裂，表现为左行剪切，发育在转折端东部的断裂，表现为右行剪切。

图1 太极洞-燕子岭向斜仰起端半辐射状断裂系分布图Figure 1.Distribution map of semi-radial fault system at the facing-up end of the Taiji cave-Yanziling syncline

图2 太极洞地质公园已开发溶洞群平面分布图Figure 2.Planar distribution of developed karst cave group in the geopark

1.3 水文地质

广德县属北亚热带湿润季风气候区，受海洋气候和季风环境的影响，四季分明、气候温和、光照充足、雨量充沛，年平均降雨量1347mm。太极洞国家地质公园地下水类型依据含水介质性质可分为：碳酸盐岩裂隙溶洞水，岩溶裂隙水和松散岩类孔隙水。

2 溶洞群特征及形成机理

2.1 平面分布

太极洞地质公园内岩溶洞穴十分发育。位于长青岕中石龙山一侧的灰岩中分布有大小落水洞共5处，其形成均受局部放射状断层及地表水冲蚀影响。

石龙山南侧，经调查分布有两处洞口，位于洗砚池源头的太极洞口以及位于冯家冲水库源头的无名洞口。太极洞洞口底板标高114m，无名洞口底板标高130m。太极洞地质公园溶洞平面分布见图2。

2.2 溶洞特征

太极洞位于石龙山中，洞口朝南，面积约14000m2。洞分东、西两支（也称旱、水两洞），交汇于两仪宫。其走向从平面上看，如右斜的“ν”字，见图3。

西洞总体走向北北东，水平溶洞共分3层。上层为壶天宫，洞底标高151m；中层洞从南向北有八景宫、云境宫和埋藏峪，为数个北东向和北西向地下廊道或洞厅连接而成，洞底标高116～120m；下层为地下河，洞底标高114m。3层溶洞之间有竖孔连接。壶天宫葛氏斑鹿出土处的竖孔直通八景宫的不老泉（见图4）。

图3 太极洞平面分布图Figure 3.Planar distribution of the Taiji Cave

图4 西洞纵剖面图Figure 4.Longitudinal profile of the west cave

图5 东洞纵剖面Figure 5.Longitudinal profile of the east cave

东洞总体走向北东东，由数个近东西向和北东向廊道或洞厅连接而成。水平溶洞共分5层，从南西西向北东东呈台阶式逐步上升，最低层为地下河，洞底标高114m；第2层玉皇宫，洞底标高120m；第三层为海天宫和黄山宫，洞底标高127～131m；第四层为万象宫，洞底标高137m；第五层为长青岕水平溶洞，洞底标高213m。由于长青岕水平溶洞位于邻省境内，没有对其进行开发，尚未与第四层溶洞连通（见图5）。

2.3 溶洞群形成机理

(1)碳酸盐岩是溶洞群形成的物质基础。太极洞国家地质公园内的岩溶洞穴主要发育在石炭系上统黄龙组、船山组，二叠系下统栖霞组碳酸盐岩中。

(2)构造形态是溶洞群形成的控制因素。石龙山处于牛头山箱状褶皱。在南北和东西向两组不同方向褶皱的作用下，该地区发育了一系列交错的裂隙和断层。此为太极洞地质公园内的溶洞群形成提供了必要的控制条件。

(3)充足的水源是溶洞群形成的先决条件。石龙山北部有青龙山，地势高，透水性弱。降雨时雨水汇集，进入长青岕落水洞，在流水的冲刷、溶蚀作用下最终形成了各式岩溶通道。

(4)新构造运动形成多层次溶洞群。晚第三纪末以来的新构造运动，使该区间歇式抬升，形成了太极溶洞群的多层结构。

3 EH4探测与分析

3.1 EH4系统方法原理

EH4电磁成像系统属于部分可控源与天然源相结合的一种大地电磁测深系统。深部构造通过天然背景场源成像(MT)，其信息源为10Hz～100kHz。浅部构造则通过一个新型的便携式低功率发射器发射1～100kHz人工电磁讯号，补偿天然讯号的不足，从而获得高分辨率的成像。基本假设是将大地作为水平介质，大地电磁场是垂直投射到地下的平面电磁波，则在地面上可观测到相互正交的电磁场分类分别为Ex，Hy；Hx，Ey。通过计算可确定介质的电阻率值。其计算公式为：

其中：f：频率（Hz）；ρ：电阻率（Ω·m）；

E：电磁场（mV/km)；H：磁场强度（nT）

在电磁理论中把电磁场（E、H）在大地中传播时，其振幅衰减到初始值1/e时的深度，定义为穿透深度或趋肤深度（Σ）：

图6 太极洞EH4勘测线分布图Figure 6.Distribution of the Taiji cave EH4 survey lines

由上式可知，趋肤深度将随电阻率ρ和频率f而变化。一般来说，频率较高的数据反映浅部的电性特征，频率较低的数据反映较深的地层特征。由此，在一个宽频带上观测电场和磁场信息，并由此计算出视电阻率和相位，可确定出大地的地电特征和地下构造。

3.2 物探点布设

本次溶洞群探测，应使电磁勘探线方向与岩溶构造方向相交，以期捕获更多异常区。依此原则，结合地质构造及溶洞形成机理，本次物探勘查工作将勘探线方向设为320°左右。共布设8条相互平行的勘探线。具体见图6。

3.3 物探成果及释义

测区内地表存在的工业及人为活动干扰较少，使得本次工作所观测的数据具有较高的质量。通过实测和计算后，得到8条物探剖面的卡尼亚电阻率断面图，断面标高-100～250m。具体如图7、图8、图9。

其中，Ⅰ线—Ⅲ线剖面位于石龙山以西的已开发太极洞溶洞群地表，Ⅲ线剖面、Ⅱ线剖面部分区域均存在较为陡立的低阻异常（为已知岩溶发育区），其异常区标高与已有溶洞标高吻合（110～150m）。表明：地下溶洞在卡尼亚电阻率断面图显示为低阻异常区。

据此，将上述异常投影到平面，根据相邻异常位置，把低阻异常在平面上分为9块（图10）。其中③号、④号及⑤号异常为已知的溶洞景点部位。⑥号经过验证，为新发现的溶洞。

3.4 异常排除

EH4在不同岩性地层上探测具有差异性。在碳酸盐岩地层中，岩溶发育地段反映出了低阻异常，非岩溶地段则是高阻；而在粉砂岩、粉砂质泥岩地层中也统一反映出了低阻的特征。太极洞地质公园以长青岕为界，北部地层以高骊山组砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩为主。本次物探工作中①号低阻异常区，位于高骊山组砂岩、粉砂岩、碳质泥岩中，经研究进行排除。Ⅷ线剖面⑨号低阻异常区，位于二叠系孤峰组中，此段地层亦不可能出现岩溶洞穴，经研究排除。

图7 太极洞溶洞群物探Ⅰ—Ⅵ线卡尼亚电阻率断面Figure 7.Geophysical survey linesⅠ—Ⅵ Kania resistivity profiles across the Taiji cave group

图8 太极洞溶洞群物探Ⅶ—Ⅷ线卡尼亚电阻率断面Figure 8.Geophysical survey linesⅦ—Ⅷ Kania resistivity profiles across the Taiji cave group

图9 石龙山东侧Ⅳ-Ⅷ线剖面卡尼亚电阻率三维视图Figure 9.Lines IV-VIII profiles of Kania resistivity 3D view of the east side of Shilongshan

图10 卡尼亚低阻异常体平面分布图Figure 10.Planar distribution of Kania low resisticity anomalous body

4 结论

（1）太极洞溶洞群所处的石龙山位于牛头山向斜转折端的箱状构造端，该区碳酸盐岩地层受箱状构造伴生的半辐射状断裂和近东西向断裂的影响，地层受构造应力破坏严重，具有极高的次生渗透性，为石龙山岩溶洞穴发育提供了较好的发育条件，加之第三纪末以来的新构造运动引起的间歇式抬升使得石龙山山体内岩溶洞穴十分发育，并且形成了多层溶洞系统。

（2）选用了大地电磁勘测（EH4）方法，在石龙山进行了物探勘测，获取了查区的电性特征，结合已知溶洞的低阻特征，并在排除了非可疑区基础之上，总结得到了除现有已开发的太极溶洞群外，在石龙山东侧还分布有成系统的溶洞群。

（3）通过卡尼亚低阻异常体断面图，可大体推测出未开发溶洞的埋藏深度以及顶底板标高，对后期人工开发提供了重要的基础资料。

文中涉及物探工作由安徽省地球物理地球化学勘查技术院完成，在此表示感谢。