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黄光明1,2,徐佩芬3,4,李长安1,凌甦群5,赵举兴2,杜亚楠3，4,游志伟3，4,江秋明6,李传金7
(1.中国地质大学(武汉) 地球科学学院，湖北 武汉 430074; 2.福建省煤田地质勘查院，福建 福州 350005; 3.中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029; 4.中国科学院大学，北京 100049; 5.北京中科吉奥能源环境科技有限公司，北京 100083; 6.福建省水利水电工程局有限公司，福建 泉州 362000; 7.福建工程学院，福建 福州 350118)
摘 要:基于岩溶发育位置及程度等规律对现代城市开发建设的重要意义，利用二维微动剖面探测方法开展灰岩岩溶区地层结构探测，获得关于隐伏岩溶洞穴发育规律的新认识。二维微动探测方法利用天然源面波的优势，不受人文居住环境干扰限制，在浅层地质结构探测方面凸显出优势。利用该方法研究覆盖区岩溶发育规律，在福建永安大湖盆地内两处岩溶国家地下水监测井钻孔旁，通过钻孔孔内S波速度波速测试结果分析总结地层速度规律，同时二维微动剖面探测结果与钻探结果对比揭示，灰岩岩溶发育、不发育段的视S波速度分别为1 000～1 600 m/s，1 700 m/s以上，灰岩中溶洞的视S波速度为300～850 m/s，存在显著差异。利用微动视S波速度剖面，进一步揭示坑边和霞鹤地区地下岩溶洞穴虽整体发育形态表现为层状，但其发育形式主要为岩溶管道型;区内岩溶深度达160 m，发育深度与地形起伏有一定相关性。基于2处试验区的总结性规律，分析了大湖盆地内另一微动测线处的岩溶发育规律并得到验证。由此可见，通过微动剖面结果与钻孔对比分析规律，可利用该规律以微动剖面结果为基础推测该区域其他无钻孔区域的岩溶发育情况。结果表明，微动探测能较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，并可追踪分析岩溶的横向变化规律。
关键词:微动探测;视S波速度;覆盖型岩溶;永安大湖盆地
中图分类号:P631
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2019)02-0536-09
收稿日期:2019-01-09
修回日期:2019-01-23
责任编辑:毕永华
基金项目:国家自然科学基金资助项目(41671011,41474044);福建省自然科学基金高校联合资助面上项目(2018J01620)
作者简介:黄光明(1974—)，男，福建泰宁人，博士研究生。E-mail:hgming01@126.com
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黄光明,徐佩芬,李长安,等.覆盖区岩溶溶洞的微动探测试验研究——以福建永安大湖盆地为例[J].煤炭学报,2019,44(2):536-544.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2019.0053
HUANG Guangming,XU Peifen,LI Chang’an,et al.Application of 2D microtremor section survey method in covered karst area,taking Yongan Dahu Basin,Fujian Province as example[J].Journal of China Coal Society,2019,44(2):536-544.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2019.0053
HUANG Guangming1,2,XU Peifen3,4,LI Chang’an1,LING Suqun5,ZHAO Juxing2,DU Yanan3,4,
YOU Zhiwei3,4,JIANG Qiuming6,LI Chuanjin7
(1.School of Earth Sciences,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China; 2.Fujian Exploration Institute of Coalfield Geology,Fuzhou 350005,China; 3.Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China; 4.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China; 5.Beijing Zhongkejiao Energy and Technology Co.Ltd.,Beijing 100083,China; 6.Fujian Water Conservancy and Hydropower Engineering Bureau Company Limited,Quanzhou 362000,China; 7.Fujian University of Technology,Fuzhou 350118,China)
Abstract:Based on the importance of karst development location and development degree,and the construction of modern cities,this paper uses the two-dimensional microtremor section detection method to detect the formation structure of limestone karst area,and obtains a new understanding of the development law of hidden karst caves.Two-dimensional microtremor section method makes use of the advantages of natural source surface wave and is not limited by the interference of human living environment,which highlights its advantages in shallow geological structure detection.In the Dahu basin of Fujian Yongan China,the coverage area of karst development law is studied by using this method.There are two karst groundwater monitoring wells in the area,where the analysis of well drilling cores S wave velocity test results summarizes the formation velocity law.At the same time,the two-dimensional microtremor profile detection results compared with drilling results reveal that the S wave velocities at the sections with limestone karst development and no development are 1 000-1 600 m/s and more than 1 700 m/s respectively.The S wave velocity at limestone cave is 300-850 m/s.There are significant differences in those sections.Based on the velocity profile of S-wave,it is further revealed that although the overall development pattern of underground karst caves in the Kengbian and Xiahe area is stratified,the development pattern is mainly karst pipeline.The karst depth in the area is 160 m,and the development depth is correlated with topographic relief.Based on the summative law of the two test areas,the karst development law of another microtremor survey line in the Dahu basin is analyzed and verified.It can be seen that by comparing and analyzing the law of microtremor profile results with that of borehole,the karst development in other non-borehole areas in this region can be inferred based on the law of microtremor profile results.The results show that the microtremor detection can directly detect the development and spatial distribution of underground limestone karst caves in the overlying karst areas,and can track and analyze the lateral variation rules of karst.
Key words:microtremor survey;S-wave velocity structure;covered karst;Yongan Dahu Basin
隐伏岩溶中的溶洞，特别是覆盖型岩溶区地下溶洞的发育，对城市发展和工程建设影响巨大[1]。岩溶区隧道建设、矿山开采突水以及交通道路建设等原因经常导致岩溶塌陷[2-4]，引发地面建筑物损坏、环境恶化等一系列危害地区安全的严重后果。然而，受到各种原因限制，大量工程建设场地只能规划在岩溶发育区。以福建永安大湖盆地为例，该盆地位于福建省中心地带，行政区划隶属三明市。三明市目前正推动三明市区与永安市同城化空间整合，实现区域的整体发展的“海西三明生态工贸区”建设，大湖盆地成为“海西三明生态工贸区”的重点开发建设区域。然而，整个大湖盆地属于岩溶发育区，不同程度发育地下溶洞，加之地下水位自然升降和工业、民用抽排地下水的共同作用，导致区内岩溶塌陷时有发生。因此，调查、探测覆盖型岩溶发育区溶洞的空间埋藏特征和分布发育规律，对城市规划建设、工程选址具有重要意义。
发育溶洞(溶隙)的灰岩与周围岩体及其上覆地层之间存在明显的视电阻率、波速及密度等物性差异[5]，且往往具有一定的规律可寻，因此，可以利用物探方法探测地下溶洞的发育、分布情况[6]。利用电性差异的高密度电阻率法[7-8]和探地雷达方法[9]得到的结果往往具有多解性，电磁干扰等影响因素突出、探测深度有限;利用介质弹性特征差异的地震法[10](人工震源)施工难度大且在城镇等人口密集区无法施工，应用受到限制。受岩溶发育的复杂性影响，上述各地面物探方法探测岩溶发育差异较大，由于岩溶发育差异大，基本靠钻探解决，致使岩溶地面勘探成为目前一重大技术难题。近年来微动探测成为研究地层速度结构、划分地层及探测地质构造的新技术之一[11-16]，因其利用天然场源无需人工源，仪器设备轻便，特别适用于交通繁忙、振动和电磁干扰严重的城市和乡镇，已在地热调查、煤矿采区构造及采空区探测、城市地质调查、地铁工程勘察等多个领域取得实用性成果[16-19]，但针对岩溶区的岩溶发育情况的专项研究工作还较少。
在三明城市地质调查项目中，笔者首先在研究区内坑边(孔号3504810337)和霞鹤(孔号3504810336)两处国家岩溶地下水监测钻孔旁开展二维微动剖面探测工作并获得剖面结果，通过与已知钻孔资料的综合对比分析，探讨隐伏岩溶勘探方法，获得覆盖型岩溶区地下岩溶洞穴的分布、发育规律的新认识，为分析研究大湖盆地岩溶塌陷、岩溶地下水条件提供地球物理依据。
研究区(图1)地处我国中亚热带海洋性季风气候区，温暖湿润，降水充沛，多年平均降水量1 587.6～1 855.2 mm，气候条件对岩溶发育极为有利。区内自晚石炭世开始至中二叠世经历了二次大规模的海进过程[20]，使区域内成为均一的碳酸盐台地，形成厚200～600 m的船山组(P1c)微晶灰岩及栖霞组(P2q)微晶生物屑灰岩(图1)。古近纪以来，菲律宾板块的西向俯冲运动对我国东南沿海产生显著影响，在此背景下研究区第四纪以来总体呈隆升趋势，并因此持续遭受剥蚀[21-22]。
图1 研究区地质略图(含钻孔及微动剖面位置)
Fig.1 Simple geologic map of the study area
永安大湖盆地南北向呈长条形展布，沙溪由西向东从盆地中间穿过。以沙溪为界，盆地地形南北两侧高中间低。盆地内地层自上而下主要为第四纪黏土和砾石层、强风化砂岩、泥页岩、灰岩等(图1)。盆地的形成历经第四纪更新世因闽江支流沙溪水系溯源侵蚀作用，盆地由封闭堆积环境转变为外泄剥蚀环境，灰岩上覆岩层逐渐遭受风化剥蚀、导致灰岩局部裸露地表，伴随地壳间歇性抬升运动，在地表水和地下水的溶蚀、侵蚀共同作用下逐渐发育而成。灰岩地层内有多层溶洞发育[23]，形成覆盖型岩溶发育区，且至今岩溶作用仍较强烈[24]。根据区内原资源勘探钻孔分析及本次研究现场调查，区域内溶蚀裂隙、溶洞发育，在垂直方向上大致呈层分布[25]，与区内新构造运动相对应。溶洞充填程度视其埋藏条件及其溶洞规模而定，区内溶洞充填率较高，一般充填率大于40%，埋藏愈浅、溶洞愈大、充填率愈高。溶洞充填物，上部多为黏土、砂砾、黏质砂土及中粗粒砂，深部多为砂砾层及角砾。
二维微动剖面探测是利用拾震仪按一定的观测台阵采集地面微动信号，并提取其中的瑞雷波相速度频散曲线，再计算获得地层视S波速度、获得二维微动剖面(视S波速度剖面)，以达到划分岩性层、探测地质构造的目的[16,26-28]。由于微动信号源自诸如地球的微地震、河水的流动、海浪击岸及人类活动，属于天然源，故微动探测具有利用天然源、探测深度大、抗干扰能力强等技术优势，相比其他地面物探方法特别适用于城镇等电磁、振动干扰严重地区。该方法的纵向分辨率与观测半径相关，观测半径越小分辨率越高，因此在满足勘探深度的情况下，最小台阵半径决定了纵向分辨率，二维剖面结果横向分辨率由探测点间距决定。
为获取200 m深度范围内的可供对比分析的探测结果，先分别在坑边(孔号3504810337，K孔，下同)和霞鹤(孔号3504810336，X孔，下同)两处国家岩溶地下水监测钻孔旁(位置如图1所示)布置二维微动剖面观测台阵。在K孔附近布置6个探测点(K测线，K1～K6)形成坑边剖面(K剖面)。受地形限制，探测点K1与K6间距为50 m，其余点距为20 m。在X孔附近布置7个探测点(X测线，X1～X7)形成霞鹤剖面(X剖面)，点距为20 m。
微动数据采集采用由1 Hz拾震仪(垂直分量、速度型)和Datamark LS-8800型记录仪(性能指标见表1)组成的MTKV-1C型微动勘察仪系统(图2)。采用图2(a)所示的四重圆形观测台阵采集微动数据，经试验确定观测半径采用10，20，40和80 m。台阵中各观测点独立进行采集数据，通过接收GPS卫星信号自动实现时间同步。
表1 记录仪主要性能指标
Table 1 Main parameters of the recorder
实际工作中，先测试台阵中各套仪器一致性，在相位、振幅、相干系数等达到一致性要求后，进行微动数据采集，实测采样频率为100 Hz，观测时长20 min。
图2 四重圆形观测台阵及微动数据采集系统框图
Fig.2 Illustration of the four-circle observation arrays and the observation equipment system
二维微动剖面探测数据处理是从观测的信号中提取瑞雷波相速度频散曲线，通过频散曲线转换获得视S波速度。本文采用空间自相关方法提取瑞雷波频散曲线[26,29-30]。该方法是基于微动信号在时间和空间上平稳随机分布这一假设，利用微动信号中的垂向分量通过空间自相关法，对于相距r的两个点的微动记录作空间相关运算，方位平均后的空间自相关函数以基阶贝塞尔函数来表示[29,31]，即
ρ(r,f)=J0[2πfr/c(f)](1)
式中，r为两台站间的距离;f为频率;c(f)为瑞雷波相速度;ρ(r,f)为方位平均后的自相关系数;J0为第一类零阶贝塞尔函数。
空间自相关系数的频率域计算公式为
(2)
式中，θ为台站方位角;S(r,θ,f)为参考点记录与其它记录点的互功率谱;S0(0,f)和Sr(r,f)分别表示参考点和与其距离r的另一点记录的自功率谱;Re表示取实部，确保空间自相关系数为实数。
利用式(3)计算瑞雷波相速度，得到相速度和频率之间的关系，即频散曲线。
(3)
式中，x为空间自相关曲线零极值点横坐标值;f为0阶第一类贝塞尔函数中的频率值;c(f)为相速度;r为中心点和周边观测点的距离。
在获得单点实测相速度频散曲线后，为能更客观和直观地反映永安大湖盆地内的地层物理差异及岩溶发育的变化规律，避免反演过程中设置初始模型、反演选取结果等人为因素的影响，利用经验公式(4)将其转换成视S波速度(Vx)随深度的变化(Vx-d)曲线，经横向拟合光滑计算，获得二维视S波速度剖面(Vx剖面)[16]。
(4)
式中，Vr为瑞雷波速度;Vx为视S波速度;ti为周期。
采用上述方法从实测微动数据中提取频散曲线，K线、X线两条剖面各测点的频散曲线如图3所示。
频散曲线均呈现出相速度随频率升高而降低，说明各探测点下方波速总体呈现随深度增加而增大的趋势，这与波速与地层埋深及密度的正相关性函数相一致。但频散曲线不光滑，与介质结构复杂、岩性不均匀有关。
图3 实测相速度频散曲线
Fig.3 Dispersion curves of Kengbian and Xiahe
K孔和X孔均为取芯孔并进行了横波(S波)波速测井，钻孔信息及波速度测井结果见表2，可为微动剖面的地质解释提供岩性-波速标定依据。可通过两处钻孔揭示的岩层信息，总结区内S波速度具有以下特征。
(1)各地层S波速度如下:黏土层和残积土层为175～250 m/s，砾石层为330～350 m/s，全风化砂岩为330～365 m/s，砂土状强风化砂岩为625～652 m/s，砂土状强风化页岩+砂岩为505～530 m/s，碎块状强风化泥岩+页岩为650～690 m/s，岩溶发育段灰岩为720～850 m/s，岩溶不发育段灰岩为1 120～1 320 m/s，溶洞段为530～660 m/s。
(2)岩溶发育段灰岩对应的S波速度为720～850 m/s，对应的溶洞段的S波速度更低仅为530～660 m/s，与岩溶及地下岩溶洞穴发育形成了很好的对应关系，这为利用微动探测覆盖型岩溶区未知地下岩溶发育情况提供了很好的物理依据及判别标准。
表2 坑边和霞鹤两处钻孔岩性及波速测井结果
Table 2 Results of boreholes in Kengbian and Xiahe
根据钻孔岩芯信息，研究区岩性与视S波速度具有如下对应关系:黏土层和残积土层为250～400 m/s，砾石层为400～900 m/s，全风化层为600～800 m/s，岩溶发育段灰岩为1 000～1 600 m/s，其中灰岩中溶洞视S波速度为300～850 m/s，岩溶中等—弱发育段灰岩为1 700 m/s以上，表现为横波速度较小且明显比相对完整灰岩的横波速度为3 000～3 100 m/s[32]小很多。上述岩溶区的视S波速度特征，为剖面解释提供了依据。
图4所示为K，X剖面，结合钻孔资料分析，我们可以获得以下认识。
图4 坑边(左)和霞鹤(右)地区微动视S波速度剖面
Fig.4 Microtremor Vx cross-section in Kengbian and Xiahe
2个剖面的溶洞发育处，波速异常均表现为低速异常，并可将隐伏灰岩内的视S波速低于850 m/s的作为判断地下岩溶(溶洞)发育的依据。不同地点同一灰岩因溶洞规模、地下水丰度及溶洞充填情况等不同，视S波速度结构特征可能存在较大差异，因此，仅凭速度剖面解释、划分溶洞的规模特征是困难的，但如果利用少量钻孔结果辅助标定，再结合视S波速度剖面特点，便可追踪灰岩溶洞的横向变化，并分析其埋藏空间特征、规模和洞穴发育情况。
K剖面上，灰岩段低速异常较为清晰且横向上整体呈层状(段)分布，虽然剖面长度较短但依然可以识别出其成层性，其与该处灰岩发育的溶洞规模较大(洞高5.15～6.11 m)且地下水丰富有关，同时与区域内在新构造运动控制下在不同深度内发育有层状溶洞相吻合[25]。埋深-45 m以上灰岩内溶洞非常发育，而溶洞不发育处岩体相对完整，灰岩视S波速度在1 900 m/s 以上，为岩溶发育深度探测提供了物理依据。相比之下，X剖面所在的霞鹤地区视S波速度整体偏低，这与该地区为地下水排泄区地下水异常丰富且岩溶(溶洞)异常发育有关，其与钻探揭示该孔灰岩段溶洞异常发育相吻合，灰岩段内S波速低速异常幅度较小且呈串珠状分布，与该处灰岩在埋深50～130 m段溶洞异常发育但溶洞规模较小且地下水丰富有关，同时与点东侧约370 m处有一岩溶上升泉(流量达4 600 m3/d)出露相对应。
二处剖面上，低速异常在横向上并不连续，表明研究区岩溶发育宏观上虽然主要表现为成层性且地下岩溶洞穴整体形态呈层状，但其发育形式主要应为岩溶管道型。这主要是由于研究区从第四纪以来的新构造运动为间歇性隆升为主[22]，使地下饱水带间歇性下降，对处于不同时期饱水带内的灰岩因裂隙发育不均一性经岩溶差异性溶蚀形成，且深部岩溶发育与地下水沿裂隙深部循环有关。据微动探测成果结合区内灰岩岩溶发育与S波速特征关系对比分析，推测研究区内岩溶相对发育的深度最大可达160 m。
通过K，X剖面与钻孔钻孔信息的对比分析，发现视S波速度剖面揭示的岩溶发育特点与地质规律相符。为探讨永安盆地岩溶发育规律，我们选择有代表性的地段26线(图1)进行探测研究。
如图5所示，26线视S波速度剖面总体上呈现出岩溶成层性条带状分布，岩溶发育深度较大，其发育深度并不受区域侵蚀基准面控制(区域侵蚀基准面即沙溪河河底标高，为160 m)[25]，视S波速度在1 700 m/s以下。该微动探测剖面上揭露了多个独立岩溶洞穴(低速异常，图5中用黑线圈出)，在横向上呈现出分层发育的特点，该剖面上整体表现为集中在30～10，-10～-25，-70～-100 m段岩溶发育。同时可以看出，岩溶发育层位的深度与地形起伏呈正相关，与地下水循环深度及构造发育部位、深度有很好的对应关系。后经与本次城市地质调查钻孔YR5号钻孔对比验证，其对隐伏溶洞探测的空间位置基本吻合(图5)，但视S波速度明显受溶洞充填情况及充填物成分的影响。如图5钻孔结果与微动探测解译成果对比分析，溶洞充填物为泥质时视S波速度较小，在-20～-50 m为砾质充填物且有胶结，其视S波速度较大，与区内砾石层相当甚至更高，但比完整灰岩低，这有待进一步研究。总之，二维微动剖面探测结果能较好揭示岩溶分布发育规律，可为指导岩溶区工程勘察、如钻探孔布置提供依据，减少钻探工程量。
图5 永安盆地内26线二维微动剖面探测结果
Fig.5 Microtremor Vx cross-section of Line 26
(1)采用二维微动剖面探测方法研究永安大湖盆地的岩溶分布及发育规律，结果表明，视S波速度对岩溶敏感，灰岩岩溶发育、不发育段的视S波速度分别为1 000～1 600 m/s,1 700 m/s以上，灰岩中溶洞的视S波速度为300～850 m/s，存在显著差异。隐伏灰岩层段，视S波速度低于850 m/s的区域可作为研究区判断岩溶(溶洞)的依据。
(2)永安盆地内的岩溶、洞穴在横向上发育并不连续，整体呈层状，整体表现为集中在30～10 m，-10～-25 m，-70～-100 m灰岩段岩溶发育，与地下水循环深度及构造发育深度有很好的对应关系，其发育形式主要应为岩溶管道型。
(3)在详细地质测绘的基础上，利用少量钻孔结果作标定，采用微动视S波速度剖面，可解释覆盖型灰岩岩溶/溶洞的发育规模、深度、空间位置及地下水的发育情况。
致谢 感谢三明城市地质调查项目(201601)的支持;三明城市地质调查组成员参加野外调查并测量剖面和田宝卿博士在论文修改过程中给予的大量指导与帮助，在此一并表示感谢。
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