我国是岩溶发育、分布广泛的国家，在岩溶发育地带，经常发生岩溶塌陷地质灾害，给人类的生存环境造成破坏，甚至危及人民的生命财产安全，同时岩溶塌陷具有突发性和隐蔽性，因此对岩溶塌陷采取科学的、合理的方法手段进行预防和治理，十分必要且具有重要意义.地球物理方法可以利用地下介质的物性差异查明岩溶塌陷的分布情况，为预防和减轻岩溶塌陷灾害提供地球物理依据(易永森，1997；康彦仁等，1990；杨峰，2004).

国内外探测岩溶塌陷常用的地球物理方法有各类电法、地震勘探法、重力测量等(杨进等，2005).高密度电阻率法是迄今为止最有效的电阻率法，其数据采集迅速，在强干扰环境下信噪比高，具有较好的分层和探测细小目标的能力(张虎生和张为孙，2003).随着仪器和软件处理技术的发展，超高密度电阻率法作为一种新技术也被引进岩溶塌陷调查，并取得了较好的应用效果(雷旭友等，2009).地质雷达具有很高的分辨能力，且具有快速方便和环境适应能力较强等特点，因此被视为塌陷区空洞探测中一种必备的常规手段(葛双成和邵长云，2005).2006年李才明等人把小波能谱分析引入到岩溶区地质雷达探测，进一步提高了地质雷达对岩溶区目标体的识别能力(李才明等，2006).瞬变电磁法和电磁波CT法近年来在地下空洞调查中取得了较好的效果.浅层地震勘探可用于查明岩溶区的基岩地质条件和覆盖层地质条件，圈定出潜在岩溶塌陷危险区或地段；此外，多道瞬态瑞雷波技术可以有效探测地下采空区、软土结构体等(陈昌彦等，2010).微重力测量被中国地质科学院岩溶地质研究所的物探研究人员引入土洞等地质灾害探测，现已广泛应用于溶洞、地下空洞的调查，被视为岩溶发育区普查、详查的重要方法之一(陈贻祥，1995).2001年，刘传正等编辑出版了《地质灾害勘察指南》一书，针对不同的灾害类型系统地提出了勘察技术与方法，包括地质雷达、浅层地震和电磁波、声波透视(CT)、可控源音频大地电磁法等技术在内的物探方法，在岩溶塌陷勘察中得到了很好的应用(蒋小珍，2008；邓凯等，2012).

地质构造决定了地下构造应力的性质和分布，而构造应力的性质和分布，又直接影响岩层的断裂发育特点与发育程度，断裂构造控制着岩溶的发育特征(康彦仁等，1990).测区位于广西境内，是个旱涝灾害较多的岩溶区，区内很多地方由于春季干旱，然后又马上进入雨季，断裂成为流体下渗优先通道，导致塌陷地震频发，因此寻找断裂构造对于塌陷的预警具有重要意义(蒋海昆等，2011).可控源音频大地电磁法在探测深部地下构造的位置、宽度、产状方面具有较高的分辨率，其测量的电阻率参数对断裂带反应非常灵敏，电阻率呈现中间低、两边高的非常简单的异常特征(董泽义等，2010；甘伏平等，2012)，因此本文选择可控源音频大地电磁法对广西来宾市兴宾区良江镇吉利村的岩溶塌陷分布规律进行研究.

吉利地面塌陷区位于桂林—来宾断裂带内、平塘背斜东翼与来宾向斜西翼过渡区的次级褶皱大头山向斜的轴部两侧，本区平行褶皱轴向发育一组北北东向的断层，走向15~20°，断层带形成较宽的破碎带，岩石强烈破碎、角砾化，岩层拖拽、挠曲、碎裂.吉利村地处位置上部为第四系(Q)覆盖，主要为粉质粘土、含碎石粉质粘土或碎石土；下伏基岩为石炭系中统(C₂)厚层状灰岩夹白云质灰岩.在塌陷区的外围还分布有白垩系下统(K₁)砂砾岩和石炭系下统(C₁)薄层状硅质岩夹泥质硅质岩.

根据地面调查，岩溶塌陷主要有岩溶主管道型塌陷、岩溶主管道边缘型塌陷及裂隙土洞型塌陷三种类型，岩溶塌陷规模直径在1～45 m之间，深度浅者小于1 m，深者可达40～45 m，塌陷在平面上呈“8”形或“葫芦”形和串珠状发育；地裂缝多以主塌坑为中心呈同心圆弧状展布，裂缝长度为5～52 m，宽度为2～30 cm.其中岩溶主管道型塌陷和岩溶主管道边缘型塌陷与构造关系密切，是区内大规模岩溶塌陷的主要控制因素(陈贻祥等，2013).

测区上覆第四系电阻率值较低，一般在200 Ω·m以下，灰岩、白云岩电阻率在n×10²～n×10⁵之间，测区外围分布的硅质岩电阻率在n×10～n×10⁴之间.随地层岩性变化、岩石风化程度、岩溶发育程度等不同，地下介质电性存在较大差异，形成了不同的电性界面，是开展电法勘探的地球物理前提.

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是一种人工源频率域电磁法，利用地下不同介质的导电率差异观测一次场电位和磁场强度变化，在研究区域内沿测线用接收机接收(极距不等)与发射偶极AB(一般AB=1000 m)平行的电场信号 E_x及与发射偶极垂直的磁场信号H_y，然后，根据Cagniard公式

计算出视电阻率ρ_s，式中f为发射频率.

电磁波在介质中的穿透深度D为

(2)式说明，当大地电阻率结构一定时，改变信号频率，便可达到垂向测深的目的.

其中：I为供电电流，单位安(A)；dl为供电偶极长度，单位千米(km)； E_min 为在给定噪声下能观测到的最小电场，单位微伏(μV)，一般取0.1～0.5 μV.

结合测区区域构造图以及已有塌陷分布规律，在来宾市良江镇吉利村平行布置3条测线(见图 1)进行可控源音频大地电磁法测量，测线方位110°，每条测线长度均为600 m，点距20 m，供电AB极位于测线以北大约6 km的地方，方位与测线平行，AB极长约1 km.

图 1

Fig. 1

图 1 测区水文地质图(图右上方)及物探工作布置图1—裸露型岩溶水(泉流量量>50升/秒)；2—覆盖型岩溶水；3—裸露型岩溶水(泉流量量1—10升/秒)；4—碳酸盐岩与碎屑岩互层溶洞裂隙水；5—基岩风化带网状裂隙水；6—石炭系下统；7—石炭系中统；8—石炭系上统；9—白垩系下统；10—三叠系下统北泗组；11—三叠系下统罗楼组；12—二叠系上统合山组；13—第四系；14—下降泉；15—溶潭； 16—物探钻孔及编号；17—水文地质钻孔及编号；18—地层界线；19—正断层；20—性质不明断层；21—推测断层及 编号；22—岩层产状；23—地下水流向；24—地下水分水岭；25—水系；26—推测地下河；27—沉陷区；28—塌陷坑； 29—裂缝；30—裂缝分布范围；31—测线；32—物探异常段. Fig. 1 The hydrogeological map of the survey area (above the upper right) and the layout of geophysical prospecting work 1—The bare karst water (springs flow quantity >50 l/s); 2—Covered karst water; 3—The bare karst water (springs flow quantity=1—10 l/s); 4—Karst fissure water of carbonate rock and clastic rock sandwich; 5—The fissure network water of weathering bedrock; 6—Lower Carboniferous; 7—Medium Carboniferous; 8—Upper Carboniferous; 9—Variscan—Indo tectonic folds; 10—Fault; 11—Presumed fault and its numbering; 12—Subsidence zone; 13—Collapse pit; 14—Descemding spring; 15—Puddle; 16—Geophysical borehole and its numbering; 17—Hydrogeological drilling and its numbering; 18—Stratigraphic boundaries; 19—Normal fault; 20—Fault of unknown nature; 21—Presumed fault and its numbering; 22—Attitude of bed; 23—Groundwater flow direction; 24—Groundwater divide; 25—River system; 26—Presumed underground river; 27—Subsidence zone; 28—Collapse pit; 29—Crack; 30—Cracks distribution zone; 22—Measure line; 23—Geophysical anomaly.

图 2

Fig. 2

图 2 CSAMT装置示意图 Fig. 2 Schematic diagram of CSAMT equipment system

测量仪器为V8多功能电磁法仪，电场测量采用不极化电极.采用高精度RTK GPS测量仪布置测线，保证测线方位、点位、高程的准确.每次观测之前，测量不极化电极极差，使其值小于2 mV以获得稳定的电场信号和较高的信噪比.不极化电极罐埋设时在地上挖浅坑，浇盐水，将松土搅拌成泥浆，用力旋进电极罐，使电极罐与泥浆充分接触，同时测量接地电阻，保证接地电阻小于2 kΩ·m，在接地困难条件下不大于5 kΩ·m.用森林罗盘定向，使磁探头与供电电极AB方向垂直，用水平尺保证磁探头水平放置(李帝铨等，2008；穆海杰和王红兵，2008).

野外观测数据首先由V8多功能电磁法仪自带的软件CMT Pro模块进行解编、去跳点以及数据检查无误后转换成.avg格式文件，然后用CSAMTPROS软件进行圆滑、滤波、静态校正等处理，输出.Z文件，再采用SCS2D反演软件进行带地形反演，随后用Surfer绘图软件绘制视电阻率等值断面图，最后结合地质资料绘制推断地质断面图.

图 3、图 4和图 5分别为第2、3、4测线可控源音频大地电磁法二维反演视电阻率等值断面图及地质推断解释剖面图.由可控源音频大地电磁法二维反演视电阻率等值断面图可知，第2测线280～320 m测点、第3测线260～320 m测点、第4测线210～230 m测点这三段的视电阻率呈低阻异常，且异常形态从近地表下延至地下约100 m的深度，地质推断解释为断裂引起的岩溶破碎带(见图 3、4、5中地质推断解释剖面图).

图 3

Fig. 3

图 3 第2测线可控源音频大地电磁法(CSAMT)二维反演视电阻率等值断面图及地质推断解释剖面图1—碎石土；2—完整灰岩；3—溶隙灰岩及范围；4—断层破碎带；5—充填溶洞；6—钻孔. Fig. 3 The 2D inversion apparent resistivity section contour map of Controlled Source Audio Magnetotelluric Method of Line 2 and the cross sectional view of Geological inference and interpretation1—Gravel soil; 2—Limestone; 3—Dissolved limestone and its scope; 4—Fault fracture zone; 5—Filled cave; 6—Drilling

图 4

Fig. 4

图 4 第3测线可控源音频大地电磁法(CSAMT)二维反演视电阻率等值断面图及地质推断解释剖面图1—碎石土；2—完整灰岩；3—溶隙灰岩及范围；4—断层破碎带；5—充填溶洞 . Fig. 4 The 2D inversion apparent resistivity section contour map of Controlled Source Audio Magnetotelluric Method of Line 3 and the cross sectional view of Geological inference and interpretation1—Gravel soil; 2—Limestone; 3—Dissolved limestone and its scope; 4—Fault fracture zone; 5—Filled cave

图 5

Fig. 5

图 5 第4测线可控源音频大地电磁法(CSAMT)二维反演视电阻率等值断面图及地质推断解释剖面图1—碎石土；2—完整灰岩；3—溶隙灰岩及范围；4—断层破碎带；5—充填溶洞；6—钻孔 Fig. 5 The 2D inversion apparent resistivity section contour map of Controlled Source Audio Magnetotelluric Method of Line 4 and the cross sectional view of Geological inference and interpretation1—Gravel soil; 2—Limestone; 3—Dissolved limestone and its scope; 4—Fault fracture zone; 5—Filled cave; 6—Drilling

由图 3可知，第2测线视电阻率曲线以300 m测点、海拔高程55 m处为中心形成一个低阻封闭圈，根据低阻封闭圈的规模和形态可推断为断层引起的岩溶破碎带，断层倾向北偏西，倾角约85°.在140～200 m测点视电阻率与两端呈现相对低阻异常，视电阻率值为几百Ω·m，推断为溶隙灰岩.260 m测点附近的ZK4钻孔资料显示0～30 m深度为碎石土，碎石大部分呈强风化，原岩为灰岩和硅质岩，31～34 m 深度和45～48 m深度为粘土全充填溶洞，其余为微风化灰岩；280 m测点位置的ZK5钻孔资料显示0～34 m深度为碎石土，35～55 m深度左右大部分为粘土全填充溶洞，中间间 夹小段微风化灰岩段；55～66 m 深度为微风化灰岩； 66～79 m深度为粘土填充溶洞和微风化灰岩互层.物探探测结果与钻探资料吻合，根据钻探资料和物探资料，推断断层破碎带的中部(即视电阻率低阻封闭圈的中心位置)为充填溶洞，溶洞形态如图 3所示.

第3测线300 m测点附近视电阻率低阻从近地表下延至深部，低阻范围较宽，根据低阻等值线形态推测断层破碎带宽度约17～23 m，倾向北偏西，倾角约80°；推断断层破碎带的下部(海拔高程约60～100 m)存在一充填溶洞，根据视电阻率等值线形态大致圈定溶洞形态如图 4所示，断层破碎带周围为溶隙灰岩.280～300 m测点地表发生地面沉陷(见图 1)，与物探探测结果吻合.在100 m测点附近海拔高程40～90 m处存在一相对低租封闭圈，视电阻率值为几百Ω·m，推断为溶隙灰岩发育异常区，可能成为岩溶塌陷隐患.

图 5中，第4测线220 m点测点附近的低阻从近地表下延至深部，低阻范围较窄，根据低阻等值线形态推测断层破碎带宽度约8～12 m，倾向北偏西，倾角约约85°.在210 m 测点和240 m测点各有一水文观测 钻孔SK1和SK2.SK1钻孔资料显示0～21 m深度为碎石土，32～36.5 m深度、41～65 m深度、81～84 m深度、101～109 m深度为充填溶洞，其余为微风化灰岩；SK2钻孔资料显示0～14 m深度为碎石土，14.5～25 m深度、33.7～38.5 m深度、47.4～52.3 m深度为充填溶洞，其余为微风化灰岩.结合水文钻孔资料和物探资料推测断层破碎带附近存在3个充填溶洞，分别如图 5所示.地面185～275 m测点发生地面沉陷，验证了此次的物探探测结果.210～250 m测点视电阻率低阻异常在海拔高程50 m附近向测线的小号方向延伸，范围较大，推断为溶隙灰岩发育异常区.该异常区可能是由旁边的断层破碎带在地下河的溶蚀搬运等运动作用下，向测线的小号方向扩散连通形成，可能成为岩溶塌陷隐患.280 m测点附近的视电阻率低阻异常由地表下延至高程约80 m的地方，形态狭长，地质推断解释为一小断裂，断裂右侧280～380 m测点的相对低阻部分解释为溶隙灰岩，具体范围详见图 5.

从第2、3、4平行测线的岩溶破碎带异常走向可推断该区域存在一较大断层，根据地表沉陷、塌陷、地裂缝等地质现象推测断层走向(见图 1)为：由第2线300 m点—第3线280 m点—第4线230 m点，断层贯穿第4线附近的两个沉陷区，往北延伸穿过大头山北西侧的塌陷坑.从图 1可知牛头新村西侧的断层在往北延伸时被第四系覆盖，推测的断层走向与该断层的走向方向和方位基本一致，因此认为推测断层F1可能为该断层延伸于第四系覆盖下的断层位置.

根据地面调查，马山南西侧有一地下河入口，结合塌陷资料和物探探测结果，推测地下河走向(见图 1)为地下河入口—穿过马山西侧及北西侧的三个沉陷区—第2线300 m点—第3线280 m点—第4线230 m点—4线附近沉陷区—大头山北西侧的塌陷坑.

对比分析第2、3、4平行测线的可控源音频大地电磁法二维反演视电阻率断面图可得，测区的岩溶管道发育与断层有密切关系—岩溶管道主要沿断层发育，而岩溶管道又控制着岩溶塌陷的平面分布特征.综上，吉利村强岩溶发育段(地下河)主要沿着断层(F1-如图 1所示)走向发育，岩溶塌陷分布主要特征为沿断层带发育，属于断层-管道型岩溶塌陷.部分岩石溶孔和溶隙较为发育，可能成为岩溶塌陷隐患.

5.1       研究区岩溶塌陷主要沿岩溶强烈发育的地段分布，如断裂破碎带、褶皱轴部及可溶岩与非可溶岩接触带等，可控源音频大地电磁法在寻找这类由构造控制发育的岩溶塌陷具有较大的优势，由于其探测深度大，横向和纵向分辨率高，可以圈定深部强岩溶发育区，预测深部隐伏岩溶塌陷.

5.2      岩溶塌陷的规模大小不一，形成原因多种多样，对于大致圈定区域内岩溶塌陷分布范围可控源音频大地电磁法尚能胜任，但对地下隐伏岩溶塌陷位置、埋深、规模、充填物性质等的探测还需结合其他物探方法如探地雷达、地震反射、高密度电法、电磁波CT法等.

5.3      岩溶地区地质情况复杂，各种物探方法的应用都受到一定条件的限制，在实际应用中都是综合应用各种物探方法进行探测.

致 谢   参与研究工作的还有卢呈杰高级工程师及刘伟、郑智杰工程师，在此表示衷心的感谢.