泰安市岩溶塌陷特征及探测方法研究

汝亮，张业智，朱裕振，高菡，刘雪

(山东省煤田地质规划勘察研究院，中国地球物理学会煤田地球物理重点实验室，山东 济南 250104)

0 引言

泰安市岩溶塌陷区位于泰莱盆地的西北部，国内许多地质、物探人员对此做过大量研究工作。王延岭[1-2]通过分析影响岩溶塌陷的基本因素，探讨了泰莱盆地岩溶塌陷地质灾害与其主要影响因素的关系；于丽莎等[3]从钻井涌水量及浅层岩溶水方面对泰安市地下水赋存特征进行了探讨；高培德等[4]基于极限平衡理论建立了隐伏岩溶稳定系数及塌陷范围计算模型，讨论了泰安岩溶塌陷的塌陷机制；王延涛[4]研究了泰莱盆地岩溶塌陷分布特征及形成机理；吴亚楠等[6-7]从岩溶塌陷分布规律与塌陷条件以及物探、钻探、地下水动态长期监测方面，探讨了岩溶塌陷的发育条件、分布特征及成因演化过程，总结了国内外岩溶塌陷的检测方法的优缺点；贺可强[8]、

高化彬等[9]对南北方岩溶塌陷特征进行了研究，周乐[10]、刘春伟等[11]研究了大汶河流域中游地下水水化学特征，总结了地下岩溶水的富集规律并对地下水质进行了评价。

在总结前人研究成果的基础上，结合本次地质雷达法、高密度电法及浅层地震法最新勘查成果，提出了以高密度电法为主，地质雷达法、浅层地震法为辅的综合物探方案，在完成地质任务的基础上，节约了探测成本，为该区的岩溶塌陷地质灾害调查提供了可行思路。

1 研究区概况

研究区位于省庄镇-邱家店镇一线以西，旧县-徂徕镇一线以北，泰山断裂带以南，大洪沟断裂带以东，位于盆地中央，属山间河谷冲积平原或山前冲洪积平原类型。地势北高南低，总体从北部的泰山山前向南部的牟汶河倾斜，地面标高120～140m，地形较为平坦。

1.1 地质概况

泰安市地层区划属华北地层区，鲁西地层分区。研究区内地层由老到新分别为太古代泰山岩群变质岩、晚古生代石炭-二叠系、中生代侏罗-白垩系、古近系、第四系。区内地表第四系覆盖，整体厚度小于30m，下伏地层岩性主要为寒武纪朱砂洞组、馒头组、张夏组、崮山组、炒米店组、三山子组灰岩，奥陶系马家沟群灰岩。

1.2 水文地质条件

第四系含水层岩性多为砂、碎石夹黏土层，多伏于黄土状砂质黏土之下，厚度不稳定，多成薄层透镜体，富水性弱，单井涌水量200～500m3/d，水化学类型为HCO3-Ca型，属松散岩类孔隙水。

碳酸盐类裂隙岩溶水为区内主要地下水类型，也是工农业供水主要目的层，以碳酸盐岩裂隙岩溶水和碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水为主。

碳酸盐岩裂隙岩溶水含水岩组由裂隙、岩溶发育的寒武、奥陶纪灰岩、白云质灰岩、泥灰岩、竹叶状灰岩等组成，以单斜层状产出。在泰安-灌庄、上高-羊娄-旧县-埠阳庄一带，被第四系冲积、冲洪积松散沉积物覆盖，裂隙岩溶极为发育，易发生岩溶塌陷地质灾害，含水层厚度70～80m，富水性强，单井涌水量1000～5000m3/d，单位涌水量18.18～1.30L/s·m。但由于裂隙岩溶发育的不均匀性，富水性差异较大，水化学类型为HCO3-Ca型。

碳酸盐岩夹碎屑岩岩溶裂隙水：含水岩组由寒武纪朱砂洞组、馒头组及崮山组灰岩夹页岩组成，主要分布于旧县-西颜张以南，以单斜形式不整合于前寒武纪侵入岩之上。岩性为灰岩、泥质灰岩、硅质灰岩夹页岩，岩溶发育较差，富水性较弱，单井涌水量一般小于500m3/d。地下水埋藏与富水性随地貌、岩性、构造等条件的变化具有较大差异，岩溶裂隙水多沿不同岩性界面及构造带附近较富集。水化学类型为HCO3-Ca型，水文地质简图见图1。

1—地下水类型界线；2—推测断层；3—隐伏含水岩组界线；4—浅层孔隙水富水性界线；5—碳酸盐岩类裂隙岩溶水；6—碎屑岩孔隙裂隙水；7—松散岩类孔隙水涌水量较大；8—松散岩类孔隙水涌水量较小；9—基岩裂隙水；10—岩溶塌陷点图1 研究区水文地质及塌陷点分布简图

灰岩与地表水或第四系含水层直接接触，使岩溶水与地表水或孔隙水之间的水交替作用增强，加速了对浅部灰岩的溶蚀，致使塌陷频繁发生。据统计，自1991年开始，旧县水源地水位长期维持在110m标高以下，低于同期牟汶河水位，河水常年补给岩溶地下水；因岩溶塌陷地质灾害频发，2003年旧县水源地采取限采措施，从8月份开始，水源地水位出现大幅回升，并与河水呈季节性的补排转化。2010年10月以来汶河旧县长测点水位，基本长期维持在114m以上。

1.3 岩溶塌陷区特征及分布

根据可溶岩类埋藏条件，泰安市主要有3种岩溶类型，即裸露型岩溶区、覆盖型岩溶区和埋藏型岩溶区。研究区岩溶塌陷主要发生在埋藏型岩溶区内，地表为第四系耕植土，浅层为黄褐色—土黄色黏土、中粗砂岩，基岩为奥陶-寒武系灰岩、白云岩，溶洞内充填少量细砂及灰岩岩块。

根据以往岩溶塌陷资料分析，泰安市岩溶塌陷区集中在泰安城区塌陷区、旧县水源地塌陷区、东西羊娄村塌陷区，属于旧县水源地塌陷区的外围部分。据统计火车站三角区、中上高村及附近存在塌陷坑129个，塌陷坑最大直径10m，最大深度6m，塌陷面积大于1000m2；泰煤机厂附近存在塌陷坑260个，塌陷坑最大直径9m，最大深度3m，塌陷面积约1000m2；东、西羊娄附近存在塌陷坑66个，塌陷坑最大直径35m，最大深度26m，塌陷面积大于2100m2。三处塌陷区基本上连成一片，形成一个南北长18km，东西宽9km的塌陷带(图1)，给当地居民生活造成了极大的危险。火车站附近—东羊娄塌陷坑一带存在岩溶水主径流带，塌陷坑呈串珠状分布。旧县水源地塌陷区岩溶发育由北西向东南方向延伸，该区附近由于抽排水影响，塌陷坑往往围绕水源地发育，并受地下水径流和第四系厚度影响，塌陷坑呈南北向带状，并在旧县镇地区集中发育。具体塌陷点分布情况见表1。

2 地球物理特征

收集了常见岩石物性参数，第四系覆盖层电阻率平均值约172Ω·m，平均密度1.73g/cm3，砂质黏土电阻率平均值约200Ω·m，平均密度1.87g/cm3，裂隙灰岩平均值约2500Ω·m，平均密度2.65g/cm3，根据填充物的不同，其电阻率和密度变化较大，下伏完整灰岩平均电阻率约23000Ω·m，平均密度2.72g/cm3，岩溶水由于矿化度较高，电阻率值小于50Ω·m，物性特征(表2)。第四纪地层和下伏基岩在电阻率和密度上存在明显差异，可用高密度电法、地质雷达与浅层地震等物探方法探测第四系覆盖层厚度和下伏基岩顶面起伏形态[12]。

表1 泰安市城区-旧县水源地岩溶塌陷统计

表2 常见岩石物性统计

下伏基岩完整时，基岩在电阻率等值线断面图上表现为高阻，在地震时间剖面图上表现为高速，反射波同相轴连续性较好，在雷达图像上表现为反射波平稳连续，无间断或跳跃；当基岩破碎，岩溶发育充水，由于地下水的电阻率较低，在电阻率反演剖面上表现为低阻，在时间剖面上表现为低速，反射波同相轴错断、不连续，在雷达图像上，裂隙或空洞处雷达反射波低频信号较丰富，颜色较浅，空洞处则易形成双弧线等表现；土层塌陷会改变介质的疏密特性从而影响其导电性及介电性。据此可以推断岩溶和裂隙带的分布情况。

3 工作方法

为了查明岩溶塌陷区内隐伏溶洞空间分布形态、覆盖层厚度及土洞发育位置，采用高密度电法、浅层地震法及地质雷达法进行综合探测。其中高密度电法主要探测岩溶及溶蚀裂隙发育空间分布、覆盖层厚度；地质雷达法主要探测土洞发育位置及浅部岩溶发育区；浅层地震法主要探测覆盖层厚度、基岩顶面起伏状况及隐伏断层、裂隙密集带、破碎带位置、宽度及展布方向，并推测岩溶及地下溶洞等赋存状态[13-21]。

3.1 高密度电法

物探测线布置原则：①沿地下水流向方向或已知塌陷坑发育长轴方向；②重点探测已调查的岩溶隐患区；③结合实际地形地物情况进行布置。根据不同塌陷点探测深度和探测目的要求，基本电极距设置为5m和2m，其中5m极距主要探测隐伏灰岩溶洞发育形态，2m极距主要探测第四系覆盖层土洞发育形态。

高密度电法常用工作装置有温纳装置和施伦贝尔装置，为了合理选择工作装置及施工参数，在泰安市泰山区省庄镇东羊娄村已知塌陷坑处进行了对比试验，测线从塌陷坑南侧穿过，塌陷坑投影位置在测线142～160m位置处。反演结果如图2所示，可以看出，上部覆盖层在温纳装置和施伦贝尔装置电阻率断面图上都表现为低阻，下伏基岩表现为高阻，隐伏溶洞在温纳装置电阻率反演等值线断面图上表现为低阻反映，其空间展布特征不够明显，施伦贝尔装置对地下溶洞空间的展布特征反映更加清晰，图中红色虚线圈定范围，故选用施伦贝尔装置。

根据现场试验可知，第四系底界面电阻率值在20Ω·m左右，整体上呈低阻反映，据此可以推断第四纪地层厚度变化形态；下伏灰岩在电阻率等值线断面图上表现为高阻，电阻率值大于100Ω·m，当基岩破碎，岩溶发育充水，由于地下水的电阻率较低，阻值小于20Ω·m，岩溶及裂隙密集带在电阻率断面图上表现为低阻；在第四纪地层裂缝发育区，由于第四系隔水层受到破坏，其多层土体结构在电阻率等值线断面图上整体呈现为低阻。

3.2 浅层地震法

现场进行了5m道距和2m道距的对比试验(图3)，通过对比2张时间剖面图效果，2m道距得出的时间剖面反射波同相轴清楚连续，信噪比高，效果更好，故该次浅层地震采用2m道距进行数据采集。根据实验结果，确定浅层地震法观测参数为：接收道距2m，激发炮距4m，覆盖次数23次，接收道数92道，采用锤击震源，同一炮点多次激发。

a—温纳装置；b—施伦贝尔装置；1—高密度电法电阻率色标；2—推测地层界线；3—推测溶洞范围图2 装置对比试验

a—5m道距时间剖面；b—2m道距时间剖面图3 不同道距时间剖面对比图

地震资料处理主要为叠前组合去噪、反褶积、速度分析及保幅叠加等。结合已知地质资料，采用折射波法解释第四系地层厚度。反射波法资料处理采用速度主要参考邻近物探成果进行地质层位的综合标定。

3.3 地质雷达法

探测仪器为LTD2100型数字化地质雷达仪，采用中心频率50MHz天线连续测量，有效探测深度约10m。

4 推断解释与效果分析

4.1 羊西村东北方向塌陷点

西羊娄村以北东300m处存在已知塌陷坑，长轴3m，短轴2m，深约3m，已回填，地表可见直径约2m、深约0.5m的浅坑。穿过已知塌陷坑近EW方向布置高密度测线1条，极距5m，剖面长度295m。

由图4可知，剖面上部电阻率较低，小于16Ω·m，图中黑色虚线为推测的覆盖层和下伏基岩分界面，覆盖层厚约17m，分界面位置电阻率变化较大，推测沿测线方向岩溶较发育，下部电阻率较高，推测为下伏基岩的电性反映。在电阻率反演剖面20m～40m处的低阻异常推测为已知塌陷回填介质的电性反映，剖面70～95m处的低阻异常推测为地下岩溶的电性反映，图中红色虚线圈出了低阻异常体的范围，140～185m处的低阻异常范围大，顶部埋深约16m，底部深度约32m，该异常电阻率值较低，小于15Ω·m，推测该处灰岩裂隙发育，赋存溶洞的可能性较大。

1—高密度电法电阻率色标；2—推测地层界线；3推测溶洞范围图4 羊西村高密度电法电阻率反演断面图

经钻探验证，在高密度电阻率反演剖面154m处，第四系厚度17m，上部主要成分为腐殖质和黏土，中部主要成分为黏土和细砂，靠近溶洞顶部为中粗砂层，在深度24.5～32.5m发育岩溶洞穴，并有砂质充填物和灰岩碎块，受埋钻影响，未探得溶洞底部(图5)。

4.2 东羊娄村东北方向塌陷点

东羊娄村北东350m处存在已知塌陷坑，于2013年1月塌陷，长轴35m，短轴27m，深约20m，为查明已知塌陷坑深部的展布情况，近EW向布置1条测线，该测线进行浅层地震法和高密度电法探测。高密度电法剖面142～160m段为塌陷坑投影位置。由地震时间剖面可知：在测线桩号80m处，视倾角70°，解释落差大约4m，同相轴错动较为明显，为可靠断层。推断第四系厚度约20m，与以往勘探资料吻合，基底起伏明显，与风化剥蚀程度不同造成凹凸不平有一定关系(图6)。位于测线桩号150～180m处，能量变化明显，同相轴连续性较差，下伏地层岩性以灰岩为主，溶蚀裂隙发育，推断为灰岩溶洞，埋深约18～60m。

图5 ZK5-2钻孔柱状图

图7为浅层地震时间剖面和高密度电法反演断面综合解释图，图中红色粗线圈定位置为推测隐伏溶洞范围，高密度电法推测溶洞顶部埋深约17m，底部埋深约55m，可以看出隐伏溶洞位置在浅层地震剖面和高密度电法剖面上吻合较好。

经ZK4-2钻探验证，覆盖层厚18.6m，其上部主要成分为腐殖质和黏土，中部主要成分为黏土和细砂，靠近溶洞顶部为中粗砂层，在埋深17m处发育溶洞(图8)。监测井于2019年12月份建成，根据近期观测，水位稳定，年变幅2～5m，近年周围没有发生新的塌陷。

1—推测溶洞范围；2—验证钻孔；3—推测破碎区图6 东羊娄村浅层地震法时间剖面

1—浅层地震推测地层界线；2—推测溶洞范围；3—推测断层图7 高密度电法-地震剖面综合解释

4.3 北许村北塌陷点

泰安市省庄镇北许村塌陷点位于北许村以北280m处，长轴2m，短轴0.5m，调查发现多处地面裂缝，部分已回填。为查明地裂缝发育区的范围，近南北向布置了高密度电法测线1条，长度118m，点距2m。

第四系地层厚约15m，下伏基岩顶面起伏变化不大；第四系地层存在2层明显的低阻异常，上层低阻层埋深约4m，厚约1m，电阻率值小于25Ω·m，下层低阻层埋深约8m，厚约5m，电阻率值小于16Ω·m，中间高阻层电阻率值约100Ω·m。在测线55m以北,即图中红色虚线圈定范围，中间高阻层电阻率变化较大，两低阻层存在联通现象，推测由于第四系隔水层被破坏冲刷之后，导致沉降、贯通，使上部渗水严重。根据实地调查，该区域地表存在不同程度的裂缝(图9)。

图8 ZK4-2钻孔柱状图

为进一步查明土洞发育位置，进行了地质雷达探测，受实际地形影响，地质雷达测线无法和高密度电法测线重合，在高密度电法测线西约50m处布置地质雷达剖面30m，自北向南13～14m及18～20m处，雷达反射同相轴出现断续，推断两处位置存在土洞或松散区，和实地调查结果吻合(图10)。

1—高密度电法电阻率色标；2—推测地层界线；3—推测地裂缝发育区图9 北许村高密度电法电阻率反演断面图

1—推测浅层松散区图10 北许村雷达探测图像

5 结论

高密度电法、浅层地震法及地质雷达法在泰安市岩溶塌陷区探测中解释了多处隐伏溶洞及浅层土洞，经钻探验证及实地调查，证明该方法准确有效。

(1)浅部土洞在地质雷达探测图像上表现为反射同相轴错断，第四系地层在高密度电阻率反演断面图表现为低阻特征，土洞表现为浅部高阻层不连续特征。

(2)灰岩地层在高密度电法反演断面图上表现为高阻特征，隐伏溶洞表现为灰岩地层中的低阻特征，灰岩顶界面在地震时间剖面上反射轴明显，隐伏溶洞存在时，地震时间剖面同相轴错动，高密度电法和浅层地震能较好的分辨溶洞和灰岩顶界面。

(3)在该区主要采用高密度电法进行探测，2m电极距探测土洞，5m电极距探测灰岩顶界面和隐伏溶洞，采用地质雷达法标定浅部土洞形态，浅层地震与钻孔标定地层分界面及隐伏溶洞埋藏形态，几种物探方法配合使用可以取得最佳探测效果。

研究成果为类似地区提供了物探经验参考，结合实际工区情况选择合适的物探方法，可以节约勘探成本，提高工作效率，其解释成果互相印证，互为补充，可减少单一物探方法的多解性，提高地质推断解释的准确度。