范长丽，贾慧涛，蔡向阳

(安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽 合肥 230022)

1 引 言

岩溶塌陷是一种典型的地质灾害，与周围可溶岩地层的分布、覆盖层厚度和地下水动力条件密切相关。它对人类生命、工程建筑以及经济都会带来巨大危害，

伴随矿产资源的进一步开采，新的岩溶塌陷仍然可能产生，因此对地下潜在岩溶的调查研究显得尤为重要。

研究区位于安庆怀宁县月山镇附近，怀宁县是安徽省岩溶塌陷高发区，有高达20多个岩溶塌陷，产生塌坑百余个，对工程建筑存在安全隐患，因此探明城区地下地质情况尤为重要。岩溶勘察一般采用的物探方法有高密度电法[1-8]、瞬变电磁[9]和地质雷达[10-13]等勘查方法，并结合钻探、坑探来进行综合分析。高密度电法是一种快速、经济的地球物理方法[14]，在解决岩溶塌陷问题方面有明显的优越性，具有数据量丰富，分辨率高等特点[55]；瞬变电磁法是一种快速有效的工程物探方法，能够有效查明溶洞的分布范围、埋深及空间形态等[16]；地质雷达图像能够圈定岩溶隐患的空间分布及地面的投影位置[17]；但以上物探方法在城区复杂的环境中易受到电磁、噪声干扰，难以获得有效的数据，影响勘探效果。近年来，随着微动探测技术的不断发展，微动在地热资源勘查、采空区勘探、暗浜识别及岩溶勘察中取得了良好的应用效果[18，9]。李耐宾等[20]认为微动技术可以替代传统物探方法在城市轨道交通不良地质体勘察工作中推广应用；黄光明等[21]的研究表明，在复杂城市环境干扰条件下，微动探测能够直观地探测覆盖型岩溶区地下灰岩溶洞的发育及空间分布情况。

本文采用微动技术在研究区开展剖面工作，圈定出多个低速异常区，推测研究区浅埋型岩溶发育区范围，并通过与以往高密度、瞬变电磁及钻探工作结果进行对比，验证微动探测方法在查明城区岩溶勘探中的应用效果。

2 研究区概况

2.1 区域地质构造

研究区位于下扬子地块的沿江褶断带，区内断裂发育，起主要控制作用的为头坡断裂，走向与郯庐带主干断裂相近，呈NE-SW走向。该区位于西马鞍山背斜的南翼，下伏基岩为三叠系下统南陵湖、中统月山组和铜头尖组等。南陵湖组属于浅海相碳酸盐沉积，岩性特征为灰、青灰色石灰岩，夹薄层柔皱灰岩，具蠕虫构造，缝合线发育，与下伏地层关系呈整合接触。月山组呈环状分布于南岭湖组附近，主要岩性为灰白、灰绿色等粉砂岩、粉砂质页岩，夹青灰色白云质灰岩及其凸镜体，微层理及交错层理发育，厚43 m，与下伏地层呈整合接触关系。铜头尖组为陆相碎屑沉积，该组岩性为紫红色钙质粉砂岩，少量紫红、灰紫、灰绿色薄层细砾岩、含砾细砂岩，局部夹灰绿色含铜砂岩透镜体，与下伏地层呈整合接触关系[22]。

2.2 水文地质特征

研究区属于马鞍山河河谷水文地质单元，根据区内地下水的含水介质的不同可分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、基岩裂隙水三种类型地下水。松散岩类孔隙水含水层主要赋存于全新统冲积成因的砂层、砂砾层中，单井用水量达1 000～20 000 m3/d，富水性贫乏含水层岩性由全新统及上更新统冲积成因的砂砾石层等组成，厚度一般为1～3 m。碳酸盐类裂隙岩溶水含水层主要为三叠系南陵湖组地层组成，岩溶中等发育，地表见溶沟、溶蚀裂隙等现象，地下岩溶现象则主要表现为溶孔、溶洞、溶蚀裂隙等。基岩裂隙水赋存条件主要取决于裂隙的发育特征，本区的基岩裂隙水赋存于三叠系中统的铜头尖组地层中，岩性为粉砂岩、砂岩、粉砂质页岩等。

2.3 岩溶分布特征

下伏基岩为三叠系下统南陵湖组灰岩，区内岩溶发育，均为浅覆盖岩溶区，岩溶形态为溶洞及溶蚀裂隙，14个钻孔中见溶洞孔7个，见溶洞率50 %，钻孔平均线岩溶率7.17 %，钻孔见洞17处，洞高0.2～10.25 m,平均洞高1.43 m，第一个溶洞距土层距离0.3～3.2 m，分布深度在6～15 m之间，分布标高主要在4.5～11.5 m。另在溶沟、溶槽位置分布有厚度不等的残积土，岩性为粉质黏土或黏土。

3 微动勘探方法

3.1 工作原理

地球表面何时何地都存在一种天然的微弱振动，被称为“微动”[23]。微动探测是一种采用台振观测天然振动信号的物理探测方法，它从微动信号中提取面波(瑞雷波)频散曲线，通过对频散曲线反演获得地下介质的S波速度结构，以探查地质构造的物探方法[24,25]。通过S波速度在不同深度层次的高低变化，进行介质分层及构造识别。

3.2 工作方法

从微动信号中提取面波频散曲线的方法有空间自相关法(SPAC法)和频率-波数法(F-K法)。空间自相关法的野外观测台阵为圆形，一台拾震器位于圆心，其他拾震器布设在半径为r的圆周上，以方便接收各方向的来波，在实施过程中应尽可能多的布设拾震器，来提高勘探的精度。空间自相关法是在时间域上对面波进行提取的方法，它的特点是操作简单，实用性强。频率-波数法的布阵方式比较随机，对场地地形要求不高，尽管如此，拾震器要尽量布设呈平面，以方便接收各个方向的来波。在实际勘探中，通常采用规则布阵，通常以一个拾震器为中心，其他测点在周围形成多个边长不等的正三角形。它是在频率域进行面波提取的方法，相比空间自相关法它的野外布阵更加的灵活，不受地形限制，可有意避开干扰源，间接地提高抗干扰能力。本文面波提取方法采用的就是频率-波数法。

3.3 数据处理

本文数据处理过程先将采集的微动信号进行带通滤波，保留所需频率的信号，提取同步采集时间信号数据；对时间域信号做傅里叶(FFT)变换，得到频率域信号；然后将频率域信号转换到波数域，得到F-K谱；最后通过每一个频率对应的F-K谱极大值对应的K值，计算该频率对应的相速度，进而得到频散曲线。

将面波频散曲线反演计算得到测点地下横波速度结构，再通过插值光滑计算，最终获得视S波速度-深度剖面图，以此进行地下介质分层以及构造识别。

4 应用效果分析

在研究区内根据以往工作内容布设四条微动剖面，一条采用十字型布阵方式，其他三条采用三重圆形布阵方式。本文选择采用三重圆形布阵方式的两条剖面(2线、4线)进行分析，三重圆形布阵方式示意图如图1所示。

图1 三重圆形台阵观测系统示意图Fig.1 Schematic diagram of triple circular array observation system

圆点代表微动观测点

图2 月山2线物探成果Fig.2 Geophysical prospecting results of line 2 in Yueshan

图3 月山2线微动剖面及推断地质剖面Fig.3 Fretting profile and inferred geological profile of line 2 in Yueshan

微动2线上已发生过岩溶塌陷，南京地调中心在2018年进行过高密度电法、瞬变电磁测深和钻探工作。图2是2线瞬变电磁(图2a)、高密度视电阻率(图2b)及微动速度-深度(图2c)剖面对比图，从图中可以看出：瞬变电磁测深反演剖面呈水平层状特征，对本区岩溶未能进行较好的识别；高密度电法剖面在里程70～100 m存在低阻异常，在里程220～250 m也存在低阻异常，通过钻探验证，这些异常都为地下岩溶发育引起。微动2线速度-深度剖面中，从纵向上分析，10 m以浅为速度较低，10 m以深整体表现为速度较高，推测为基岩面，低速区域为第四系覆盖层，高速区域为基岩，这与高密度电法剖面中电阻率分层界面位置基本吻合； 在横向上，5～7号点(里程70～100 m)、12号点(里程180 m)、15～17号点(里程220～260 m)存在低速异常，其中5～7号点和15～17号点的低速异常和高密度电法剖面的低阻异常推断结果一致，综合推断为断层。通过与前期钻孔数据对比，微动剖面上速度为200 m/s的层位与钻孔标定的第四系覆盖层位置基本一致。根据微动速度-深度剖面中闭合的低速层及钻孔数据，推测5～7号点及15～17号点为岩溶发育区，而且与深部岩溶连通性较好(图3)。

图4 月山4线微动剖面(调整纵横比)与水文地质剖面对比Fig.4 Comparison of fretting profile (adjusted aspect ratio) and hydrogeological profile of line 4 in Yueshan

图5 月山4线微动剖面及推断地质剖面Fig.5 Fretting profile and inferred geological profile of line 4 in Yueshan

前期已完成的水文地质剖面与微动4线对比如图4所示，对照水文地质剖面可知，微动剖面9～17号点的低速异常是由黏土填充的溶洞引起，26～28号点之间的低速异常由未填充的溶洞引起，通过与已知钻孔CK25、XK6、CK12对比可知，微动剖面上深度10 m以浅(200 m/s速度层位)与钻孔标定的第四系覆盖层位置一致。从图5微动速度-深度剖面(图5a)中可看出，8号、10号点附近高低速分界线明显，分析推测为断层，其中8号点断层走向南倾，10号点断层走向为东倾，这一结果与前期物探、钻探工作推断的断层位置基本一致。根据前期工作成果及本次微动剖面推测出疑似岩溶区域，如图5b所示，在5～21号点区域为可能岩溶发育区，且与深部岩溶连通性较好。

5 结 论

城区岩溶勘探采用传统物探方法易受人口、交通和电磁干扰影响，而微动勘探利用天然场源对环境友好，抗干扰能力强，仪器设备相对轻便，操作简单，不仅提高了工作效率，也降低了后期数据处理的难度。本文采用微动勘探技术对月山附近的岩溶发育情况进行探测，圈定岩溶发育区，并与以往电法工作及水文地质剖面对比，研究结果表明：微动勘探能很好地识别岩溶发育区，从微动速度-深度剖面上能够有效提取高、低速异常体的特征信息，可以准确、直观地显示地下岩层纵、横向变化，并且对已填充的溶洞也有明显异常表现，值得进一步研究和推广应用。