康方平 蔣建良 曹創(chuàng)華 彭杰 周立同 韓中驥 何陽(yáng)

摘 要：為在城市周邊快速、綠色、高效的對(duì)石灰?guī)r礦進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文以湘潭市某石灰礦為例，利用以高密度電法為主、地震映像法為輔的思路進(jìn)行了應(yīng)用研究。首先在充分調(diào)研已有地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，對(duì)經(jīng)過(guò)調(diào)查區(qū)的地層、構(gòu)造等信息進(jìn)行分析，在垂直地層主要走向的方位布設(shè)了3條物探剖面;其次利用Resinv2D軟件對(duì)高密度電法野外數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，并選定部分典型剖面段進(jìn)行地震映像探測(cè)進(jìn)行印證;最后利用探測(cè)結(jié)果繪制了剖面解釋圖、覆蓋層厚度分布圖和區(qū)內(nèi)三維切片圖，圈定了不良地質(zhì)體異常范圍，查明了區(qū)內(nèi)覆蓋層厚度分布及基巖面起伏狀況。鉆探驗(yàn)證效果良好，可為城市地質(zhì)調(diào)查中類似工作提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：城市地質(zhì);綜合物探方法;高密度電阻率法;地震映像;石灰?guī)r礦

Geophysical Exploration Methods Applied to Standby Exploration of

Urban Building Materials in Xiang-tan， Hunan Province

KANG Fangping1， JIANG Jianliang2， CAO Chuanghua1， PENG Jie1， ZHOU Litong1， HAN Zhongji1， HE Yang1

（1. Hunan Institute of Geological Survey， Changsha 410116;

2. 405 Team of Hunan Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development， Jishou 416000）

Abstract： In order to evaluate the limestone mine in the fast， green and high-efficiency around the city， this paper takes a limestone mine in Xiangtan City as an example， and uses the idea of high-density electric method and seismic image as the supplement. Firstly， based on the full investigation of the existing geological data， the information of the stratum and structure of the surveyed area was analyzed， and three geophysical profiles were laid in the main direction of the vertical stratum. Secondly， the high-density electric field data was analyzed by Resinv2D software， including processing and selecting some typical sections for seismic image detection to confirm. Finally， the detection results were used to draw the profile interpretation map， the overlay thickness distribution map and the three-dimensional slice map in the area， including delineating the abnormal geological body anomaly range， and identifying the thickness of the inner cover layer and the undulation of the bedrock surface. Drilling verification has a good effect and can provide reference for similar work in urban geological survey.

Keywords： Urban geology; Integrated geophysical methods; High-density resistivity method; Seismic image; Limestone mine

0 前言

城市地質(zhì)調(diào)查是一項(xiàng)服務(wù)于城市可持續(xù)發(fā)展的前瞻性、基礎(chǔ)性和綜合性地質(zhì)調(diào)查工作，其主要任務(wù)是在城市及其周圍城市化發(fā)展地區(qū)，開展地質(zhì)、資源和環(huán)境綜合調(diào)查，評(píng)價(jià)城市發(fā)展的資源保障能力和環(huán)境承載力，為城市規(guī)劃、建設(shè)和管理提供基礎(chǔ)資料和科學(xué)的決策依據(jù)（中國(guó)國(guó)土資源部，2017）。2017年11月，自然資源部頒布了《城市地質(zhì)調(diào)查總體方案》，方案提出：要聚焦城市規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行管理的重大問(wèn)題，大力推進(jìn)“空間、資源、環(huán)境、災(zāi)害”多要素的城市地質(zhì)調(diào)查（國(guó)土資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局，2017）。長(zhǎng)株潭一體化發(fā)展是湖南省城市群建設(shè)近年來(lái)的工作重點(diǎn)，而隨著城市的擴(kuò)張及山水林田湖生態(tài)理念融入規(guī)劃發(fā)展當(dāng)中，城市內(nèi)原有的石灰石礦山都逐一關(guān)閉，但城市發(fā)展對(duì)石灰石建材的需求卻日益旺盛，考慮到長(zhǎng)株潭地區(qū)石灰?guī)r地層的分布情況，在其外圍勘查城市建材備用成為當(dāng)務(wù)之急。

地球物理手段具有無(wú)損、高效和成本較低的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)快速、綠色和高效的勘查，在非金屬礦物探測(cè)中應(yīng)用廣泛（蔡柏林等，1985）。特別是在城市建設(shè)備用地勘查領(lǐng)域，具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，不僅可以圈定致密的石灰?guī)r礦石，而且可以圈定石灰?guī)r巖溶裂隙發(fā)育區(qū)。例如：錢洪春（2016）采用綜合物探方法在廣西、廣東兩省四處礦山圈定了多處巖溶、裂隙異常帶，在解決礦山的巖溶地質(zhì)問(wèn)題時(shí)卓有成效。高瑞祥（2014）采用綜合電法在四川彭州臥牛坪礦區(qū)基本查明了礦體基底的起伏形態(tài)，為礦山的儲(chǔ)量估算提供了重要的參考依據(jù)。陳軍等（2008）采用探地雷達(dá)在巖溶地區(qū)工程勘查領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用。這些成果均有力的表明了物探方法在石灰?guī)r礦山調(diào)查評(píng)價(jià)當(dāng)中起到了舉足輕重的作用。

本次以湖南省湘潭市南部某石灰?guī)r礦為例，利用綜合物探方法，通過(guò)鉆探驗(yàn)證，查明了研究區(qū)內(nèi)礦體頂板的起伏形態(tài)及上覆土層厚度，為礦山的儲(chǔ)量估算提供依據(jù);同時(shí)也對(duì)區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況進(jìn)行了查明，圈出了不良地質(zhì)體的范圍，為礦山的合理開采布局及安全高效生產(chǎn)提供了保障。

1 研究區(qū)概況

1.1區(qū)域地質(zhì)

研究區(qū)位于紫云山北東向隆起帶向北延伸部位，黃荊坪-花石斷褶帶中段北部。瓦子坪-黃荊坪滑脫推覆變形帶內(nèi)黃荊坪復(fù)背斜的次級(jí)向斜。黃荊坪復(fù)背斜軸向近東西向，核部地層為泥盆系，兩翼為石炭系，黃荊坪背斜東部被白堊系覆蓋，西部與高澗群和泥盆系地層斷層接觸（湖南省地質(zhì)調(diào)查院，2019）。

區(qū)域內(nèi)構(gòu)造發(fā)育。新塘沖逆沖推覆構(gòu)造由新塘沖斷層及其以北的高澗群與泥盆紀(jì)地層構(gòu)成的推覆塊體組成。新塘沖斷層傾向北-北西，傾角40°～60°，使其上盤推覆塊體覆于石炭紀(jì)和侏羅紀(jì)地層之上。水平錯(cuò)距0.5～2.5km不等。由于該構(gòu)造的右行逆沖作用使下盤形成黃荊坪背斜，該背斜為倒轉(zhuǎn)型不對(duì)稱褶曲。區(qū)內(nèi)無(wú)巖漿活動(dòng)。

1.2礦區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)主要出露泥盆系龍口沖組，石炭系測(cè)水組、梓門橋組、石炭—二疊系壺天群，侏羅系高家田組、白堊系戴家坪組及第四系殘坡積地層（湖南省地質(zhì)調(diào)查院，2019）。其中，物探工作區(qū)內(nèi)出露地層主要為石炭系梓門橋組、石炭—二疊系壺天群及第四系殘坡積層，梓門橋組巖性為灰色中—厚層狀泥灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、生物屑灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r、灰質(zhì)云巖等;壺天群廣布于全區(qū)，為本區(qū)的賦礦層位。區(qū)內(nèi)原生露頭極少，表層均為風(fēng)化紅土覆蓋，巖性為淺灰色厚層塊狀泥晶灰?guī)r、泥粉晶生物屑灰?guī)r，灰色云質(zhì)灰?guī)r、細(xì)晶白云巖等;第四系殘坡積層主要為石炭—二疊系壺天群云巖風(fēng)化形成的紅土，厚度較大，據(jù)附近工程揭露，厚度一般為12～32m，平均厚20m。多為黏土，含砂量低，孔隙率小，透水性一般，可塑（圖1）。

研究區(qū)位于黃荊坪背斜北翼次級(jí)向斜構(gòu)造，向斜軸向近東西向，核部出露壺天群地層，翼部出露地層為梓門橋組和測(cè)水組。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以褶皺構(gòu)造為主，復(fù)雜程度較為簡(jiǎn)單。

1.3 地質(zhì)災(zāi)害類型

石灰?guī)r礦山主要發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害包括危巖、崩塌、滑坡以及巖溶地面塌陷等類型（夏瑜，2013）。研究區(qū)目前處于前期調(diào)查評(píng)價(jià)階段，尚未進(jìn)行正式開采，故區(qū)內(nèi)目前暫無(wú)上述地質(zhì)災(zāi)害類型，主要災(zāi)害影響為巖溶裂隙發(fā)育帶等不良地質(zhì)體，查明并圈出區(qū)內(nèi)不良地質(zhì)體，可有效指導(dǎo)礦山開采，為礦山合理布局提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究區(qū)物性特征

研究區(qū)內(nèi)下伏基巖與上覆黏土層相比，它們之間的電性差異非常明顯。泥晶灰?guī)r、灰?guī)r、云質(zhì)灰?guī)r等電阻率值往往較高，通常達(dá)幾百至上千歐姆·米;而黏土的電阻率值則很低，多在幾十歐姆·米以內(nèi)，局部可能含水較少，會(huì)呈現(xiàn)局部高阻特征，其電性存在一定不均勻性。

當(dāng)?shù)叵麓嬖陔[伏構(gòu)造或巖溶、裂隙較發(fā)育時(shí)，且這些巖溶、裂隙帶被水或泥沙填充后，會(huì)呈現(xiàn)出低電阻率特征，在電法勘查中通常表現(xiàn)為低阻異常，從而具備了開展高密度電法的地球物理?xiàng)l件。

此外，巖溶、裂隙和破碎帶，與四周完整基巖相比，其波速存在較明顯的差異。地震波在向地下傳播過(guò)程中，遇到阻抗界面時(shí)，產(chǎn)生反射波并反射回地面，當(dāng)?shù)叵陆橘|(zhì)分布均勻，無(wú)空洞和軟弱層等不良地質(zhì)體時(shí)，反射同相軸連續(xù)穩(wěn)定;若存在不良地質(zhì)體，則會(huì)發(fā)生繞射，出現(xiàn)同相軸錯(cuò)斷、拱起、反相位、波周期變化及振幅異常等現(xiàn)象。故具備了開展地震映像法勘查的地球物理?xiàng)l件。

總之，研究區(qū)內(nèi)完全具備了使用高密度電法與地震映像法來(lái)綜合勘查礦體頂板的起伏形態(tài)及上覆土層厚度、查明并圈出巖溶裂隙發(fā)育帶等不良地質(zhì)體的地球物理?xiàng)l件。

3 方法原理及異常特征

地球物理方法就是利用物理學(xué)的理論和方法，以地下物質(zhì)（巖石或礦體）的物理性質(zhì)（電性、磁性、密度、聲傳播性能、自然放射性等）差異引起的某些物理現(xiàn)象為研究對(duì)象，用不同的探測(cè)方法和儀器，探測(cè)天然或人工地球物理場(chǎng)的特征，并通過(guò)對(duì)各種物理場(chǎng)特征的分析、研究，推斷和解釋礦產(chǎn)資源分布及地質(zhì)異常發(fā)育情況等，從而解決特定的地質(zhì)問(wèn)題（竇念春等，2018）。

高密度電法是一種陣列勘探方法，其基本原理與傳統(tǒng)的電阻率法完全相同，集中了電剖面法和電測(cè)深法的特征。它以巖、土導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ)，研究人工施加穩(wěn)定電流場(chǎng)作用下地中傳導(dǎo)電流分布規(guī)律。野外測(cè)量時(shí)只需將全部電極（幾十至上百根）置于觀測(cè)剖面的各測(cè)點(diǎn)上，然后利用程控電極轉(zhuǎn)換裝置和微機(jī)工程電測(cè)儀便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速和自動(dòng)采集，電極之間可自由組合，能夠提取更多地電信息，并且智能化程度很高（雷在政等，2019）。

當(dāng)巖溶裂隙帶充水或泥時(shí)，往往會(huì)呈現(xiàn)出低阻特征，反之，則呈現(xiàn)為高阻特征。通過(guò)判斷高密度電法反演圖上低阻或高阻異常來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不良地質(zhì)體的勘查和圈定。

地震映像法即高密度地震單道反射，是一種采用等偏移距或零偏移距進(jìn)行激發(fā)和接收，記錄來(lái)自反射界面近法線或法線反射信號(hào)振幅和走時(shí)的淺層地震反射波法。其利用檢波器將反射波和折射波到達(dá)地面所引起的微弱振動(dòng)變成電信號(hào)，送入地震儀經(jīng)濾波、放大后整理、分析、推解，得到地震影像剖面圖，進(jìn)而得出相關(guān)地質(zhì)信息（周富隆，2018）。

在不良地質(zhì)體附近，地震波會(huì)發(fā)生繞射，出現(xiàn)同相軸錯(cuò)斷、拱起、反相位、波周期變化及振幅異常等現(xiàn)象。地震映像法通過(guò)對(duì)影像剖面圖分析和判斷從而實(shí)現(xiàn)對(duì)異常位置及范圍的圈定。

4 物探解譯

4.1工作布置

在研究區(qū)內(nèi)沿地層傾向方向共布設(shè)了3條平行的物探測(cè)線，每條測(cè)線長(zhǎng)900m，均采用了高密度電法和地震映像法進(jìn)行綜合勘查。首先通過(guò)高密度電法進(jìn)行剖面測(cè)量，基本查明區(qū)內(nèi)的基巖頂板起伏形態(tài)和第四系厚度，同時(shí)，大致圈出巖溶裂隙相對(duì)發(fā)育異常位置。然后，在高密度電法測(cè)定的異常靶區(qū)部位再采用地震映像法進(jìn)行詳細(xì)勘查，進(jìn)一步對(duì)異常進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn)。

高密度電法采用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WDJD-4多功能數(shù)字直流激電儀和WGMD-4高密度電阻率測(cè)量系統(tǒng)，電極距10m，測(cè)量裝置為α排列（溫納裝置AMNB）。

地震映像法采用重慶地質(zhì)儀器廠開發(fā)研制的DZQ48高分辨地震儀，采樣點(diǎn)距0.5m，偏移距5m，震源采用18磅的大錘激發(fā)。

4.2 數(shù)據(jù)處理及典型剖面異常特征分析

（1）數(shù)據(jù)處理

高密度電法數(shù)據(jù)處理利用Resinv2D軟件，其步驟主要包括：首先對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行“飛點(diǎn)”剔除，其次根據(jù)地質(zhì)資料建立初始的二維地電模型、選擇反演參數(shù)（阻尼系數(shù)、迭代次數(shù)、收斂極限），然后再采用最小二乘法進(jìn)行反演，最終獲得地電斷面圖，用于物探解譯（楊振威等，2012）。

地震映像法采用驕佳公司開發(fā)的Geogiga Seismic軟件進(jìn)行道炮編輯、地形校正、道均衡、濾波、去噪等處理，最終形成地震波時(shí)間剖面圖，用于物探解譯。

（2）典型剖面異常分析解譯

以研究區(qū)內(nèi)0線作為典型剖面對(duì)物探異常進(jìn)行分析解譯。如圖2所示，高密度電法反演斷面顯示，表層電阻率值很低，局部（350-700號(hào)測(cè)點(diǎn)）由于地形造成缺水的緣故而呈現(xiàn)為相對(duì)高阻，表層推測(cè)為第四系黏土層，厚幾米至30m不等。下部電阻率值總體較高，推測(cè)高阻層為壺天群組基巖的反映，其巖性以灰?guī)r和云質(zhì)灰?guī)r為主。其中，565-590號(hào)測(cè)點(diǎn)之間下伏有一喇叭狀低阻異常，異常向深部延伸。推測(cè)該低阻異常帶為一隱伏斷裂，傾向南東，斷裂及其影響帶附近巖溶裂隙較為發(fā)育。測(cè)線下伏其余位置基巖相對(duì)完整。

圍繞高密度電法測(cè)線異常，在其附近布置了一條100m長(zhǎng)度的地震映像法剖面。如圖3所示，波形圖上572-580號(hào)測(cè)點(diǎn)之間，波形呈現(xiàn)出同相軸錯(cuò)斷、振幅異常等現(xiàn)象，推測(cè)該處異常為淺部巖溶裂隙發(fā)育帶的反映。

結(jié)合高密度電法和地震映像法綜合分析，兩種方法均顯示570-585號(hào)測(cè)點(diǎn)之間下伏存在巖溶裂隙發(fā)育帶等不良地質(zhì)體，吻合較好。此外，高密度電法還反映出測(cè)線其余位置下伏基巖相對(duì)完整，測(cè)線表層第四系黏土覆蓋層厚幾米至30m不等，平均厚約為16m。

（3）三維切片成果及綜合解釋

圖4為研究區(qū)內(nèi)高密度電法的三維切片圖，三條平行布置的測(cè)線大致反映出了區(qū)內(nèi)的第四系黏土覆蓋層厚度分布及下伏基巖面起伏狀況。同時(shí)，基本查明了區(qū)內(nèi)的隱伏斷層F3（紅色虛線）及巖溶裂隙帶等不良地質(zhì)體的發(fā)育狀況。

圖4顯示，三條測(cè)線上580-600號(hào)測(cè)點(diǎn)附近，均存在一低阻異常帶，異常在平面與剖面上均呈現(xiàn)為連續(xù)發(fā)育，推測(cè)該3處低阻帶為一條隱伏斷層的反映，傾向東南。斷層及其影響帶附近巖溶裂隙較發(fā)育，非常不利于石灰?guī)r礦床的開采，建議開采時(shí)合理規(guī)劃。

圖5為研究區(qū)內(nèi)第四系黏土覆蓋層厚度分布圖。測(cè)區(qū)絕大部分范圍黏土層厚度在12～25m之間，而西南部與北東部?jī)蓚?cè)黏土層厚度較大，局部厚度甚至大于30m。

仔細(xì)觀察分析后可發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)厚度高值大致沿南西-北東向呈條帶狀分布，而兩側(cè)厚度值則較低。事實(shí)上，位于該處的山體亦呈南西-北東向條帶狀走勢(shì)，山體兩側(cè)為丘陵平地。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)的覆蓋層厚度值與地形地勢(shì)相互吻合。

5 鉆探驗(yàn)證

結(jié)合物探成果及地質(zhì)資料，在0測(cè)線590號(hào)測(cè)點(diǎn)附近布鉆布置鉆孔并實(shí)施，鉆孔基本情況見(jiàn)表1。經(jīng)驗(yàn)證，鉆孔揭露的巖溶裂隙發(fā)育段與物探推測(cè)部位基本吻合。

6 結(jié)論

綜合分析物探成果和鉆探結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）研究區(qū)內(nèi)存在一條南西-北東向發(fā)育的隱伏斷裂，該斷裂及其影響帶附近巖溶裂隙較發(fā)育，建議礦床開采時(shí)合理規(guī)劃。

（2）研究區(qū)絕大部分范圍黏土覆蓋層厚度在12～25m之間，而西南部與北東部?jī)蓚?cè)黏土層厚度較大，局部深達(dá)30m。區(qū)內(nèi)的覆蓋層厚度趨勢(shì)與地形地勢(shì)相互吻合。

（3）研究區(qū)內(nèi)地層較為簡(jiǎn)單，黏土覆蓋層下部即為基巖，故區(qū)內(nèi)基巖起伏面與覆蓋層厚度分布狀況緊密相關(guān)。區(qū)內(nèi)除隱伏斷裂及其影響帶外，下伏基巖電阻率值總體較高，推測(cè)下伏基巖以灰?guī)r為主，在勘探深度內(nèi)（100m），基巖較為致密且相對(duì)完整，非常適合石灰?guī)r礦床開采。

（4）對(duì)比分析物探成果與鉆探資料可知，鉆探揭露的巖溶裂隙發(fā)育段與物探推測(cè)異常部位基本吻合，勘查區(qū)內(nèi)除隱伏斷裂外的其余位置，經(jīng)多處鉆探驗(yàn)證后證實(shí)下伏基巖均致密完整。從而有效的說(shuō)明了采用高密度電法和地震映像法等綜合物探手段在石灰?guī)r礦床勘查時(shí)效果明顯，可為類似的勘查提供參考和借鑒。

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