發布時間：2022-04-16所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要: 在湘潭錳礦區及其外圍的地質災害調查過程中，研究了已有地質工作成果，分析了區內塌陷現狀，利用多種地球物理探測技術對其進行了快速有效的評價。首先介紹了區內地質、地層、構造等特征，在研究了區內已有成果的情況下對目前的塌陷進行了劃區，根據不同典型區域
摘要: 在湘潭錳礦區及其外圍的地質災害調查過程中，研究了已有地質工作成果，分析了區內塌陷現狀，利用多種地球物理探測技術對其進行了快速有效的評價。首先介紹了區內地質、地層、構造等特征，在研究了區內已有成果的情況下對目前的塌陷進行了劃區，根據不同典型區域設計了不同地球物理方法進行探測、數據處理和分析; 鉆探結果證實了對區內塌陷的評價。調查研究表明: 本次探測效果明顯，區內塌陷可分為 4 類，其引起的地質災害具有獨特的特點�？辈榻Y果為后期治理提供了基礎資料。
關鍵詞: 湘潭錳礦; 密度電阻率法; 充電法; 探地雷達; 地質災害
0 引言
湘潭錳礦位于湖南省湘潭市雨湖區鶴嶺鎮，交通便利，東北距湖南省省會長沙市約 30 km，南距湘潭市區 15 km。湘潭錳礦始采于 1913 年，整個礦山開采已有上百年歷史，2005 年閉坑破產。由于長期開發，特別是日軍侵華期間的掠奪式開采，加之長期人文活動劇烈，破壞了區內地下水平衡，導致礦區出現采空塌陷災害破壞，建設用地和耕地林地、廢渣堆、尾砂庫和露采場壓占土地，水資源遭到破壞和污染，滑坡地質災害等眾多地質環境問題，嚴重威脅到當地居民的生命財產安全，制約了地方經濟的可持續發展、生活。為了改善生態環境，湘潭市人民政府于 2010 年 9 月開始實施國家礦山公園計劃，自 2013 年至今每年都部署地質災害調查研究工作，目前已經取得了階段性成果[1-2]。
目前在地質災害勘察領域內，工程物探方法取得了豐碩成果，可利用方法門類眾多，且隨著對環境地質災害問題的重視，目前的探測技術、評價方法在逐漸發展并完善。2012 年以來，中國地質調查局桂林巖溶地質研究所甘伏平等[3-4]利用淺層地震、高密度電法和電磁方法，對我國西南地區的地質災害做過很多成功的評價工作; 2014 年廣東省地質調查院胡讓全等[5]利用綜合物探方法對廣州市區金沙洲巖溶地面塌陷、地面沉降進行了有效評價，提出了在人文活動頻繁區域需要利用多種物探方法才能減少異 常 的 多 解 性，提高探查精度的結論; 趙 成斌、董杰、楊天春等[6-11]的工作成果表明，已有成熟的物探方法在地質災害評價中有高密度電阻率法、電磁法、探地雷達法和地震映像方法等，但需因地制宜，不同地質情況、不同方法效果不一。針對湘潭錳礦地質災害形成原因較為復雜且礦體本身在震旦系等老地層中產出，開采區外圍有白堊系紅層、棋梓橋組灰巖等情況，決定在不同區域有針對性地選擇地球物理勘察方法。
1 地質概況
1.1 地層巖性
研究區出露地層( 圖 1) 巖性主要為板溪群灰綠色板巖、變質砂巖，震旦系硅質頁巖、炭質頁巖、碳酸錳礦層，寒武系灰巖夾黑色頁巖，奧陶系板狀頁巖，泥盆系石英砂巖，白堊系鈣、泥質砂巖、粉砂巖、礫巖。礦體產于震旦系湘錳組的黑色頁巖中。含礦巖層總體走向為 NEE，傾向 NNW。錳礦西北部有西沖子向斜和冷水沖背斜，冷水沖井田和一井田呈基本平行展布; 錳礦西南部在板溪群巖層內存在仙女山背斜，礦帶西北部灰巖內存在走向 EN 的傾伏背斜。
本次工作研究區地層主要為元古宇板溪群，震旦系鶴嶺組，泥盆系跳馬澗組、棋梓橋組，侏羅系高家田組，白堊系戴家坪組以及第四系和人工填積物[12-14]。
元古宇板溪群( Ptbn) ，主要由灰綠色千枚狀頁巖組成。下部有厚層狀硬石英巖，有時是砂頁巖互層，并夾有赤鐵礦結核，層理厚薄有變化，一般層厚約 10 cm。頁巖多呈板狀千枚狀結構，大部由絹云母、黏土及石髓所組成。
震旦系鶴嶺組( Zh) ，出露于礦區大部分地段，為礦區地表的主要地層，厚 28.4 m，也是錳礦的賦礦地層。巖性分上下兩部分: 上部為炭質板巖、炭質粉砂質板巖夾似層狀碳酸錳礦，下部為中粗粒長石石英砂巖、石英砂巖夾粉砂質板巖、含礫板巖。
中泥盆統跳馬澗組( D2 t) ，出露于研究區南部，為紫紅色、灰白色中厚層狀石英砂巖、粉砂巖夾粉砂質頁巖，底部為厚層狀石英砂礫巖。區域厚 26.4 ～ 183.4 m。
中泥盆統棋梓橋組( D2 q) ，出露于研究區中部，下段為中厚層狀白云質灰巖夾白云巖，厚 50 ～ 100 m; 上段為中厚層至厚層塊狀泥粉晶灰巖、生物屑灰巖，厚 135 m，為湘潭市柴山片石場石灰巖礦開采層位。
上白堊統戴家坪組( K2 d) ，出露于研究區西北部，不整合覆于泥盆系之上，為紫紅色中厚層狀泥巖、粉砂巖夾泥質砂巖。區域厚大于 150 m。
第四系殘坡積層，分布于研究區丘崗表層，覆于基巖之上，為下伏巖層的風化產物，主要為粉質黏土，厚度變化較大，一般厚 10 ～ 20 m。由于分布不規則，同時考慮到調查區構造層表述的完整，在圖 1 上未單獨圈出，以下伏基巖表示。
第四系白水江組( Qbs) ，分布于研究區地勢低洼的溪谷地段。上部為黏土，下部為礫石層。區域厚 6.3 m。
1.2 地質構造
研究區地處華南加里東—印支褶皺帶北緣，湘東燕山塊斷帶中西部的幕阜山隆起西南部，為鶴嶺褶皺帶。歷次主要構造運動在該區均有強度不一的反應。雪峰運動主要形成了寬緩的北東向褶皺雛形，造成了南華系假整合于青白口系之上; 加里東運動主要表現為褶皺運動，先期褶皺雛形得到了強化和改造; 形成了由青白口系、南華系地層組成的 NE、 NEE 向及 NW 向褶皺[12-14]。
研究區位于仙女山背斜北翼，表現為鶴嶺—冷水沖推覆構造，震旦系—板溪群往 NE 逆掩推覆于侏羅系高家田組之上，使侏羅系及其下伏二疊系深埋于老地層之下( 圖 1) 。
研究區地處鶴嶺斷褶帶西北側，地表大部分地段為第四系殘坡積物和沖積物覆蓋。據區域地質資料，調查區整體上表現為北傾的單斜構造，發育 NE 向團山水庫—竹節壩正斷層，斷面傾向 SE，傾角 75°。
1.3 水文地質特征
研究區內地下水類型主要為基巖裂隙水，主要含水巖組為上震旦統硅質頁巖，含水層富水性較差，動儲量不豐，靜儲量有限。但含水層局部破碎呈流砂狀，隔水層構造破壞處變薄。含水層局部疏干時，礦坑涌水量穩定在 1 500 t / d 左右，年變幅在 10%以下[12-14]。
研究區內地下水主要補給來源為大氣降水，大氣降水主要通過出露于山嶺及其斜坡地帶的硅質層滲入地下，形成地下水，由南向北徑流。地下水的排泄受地形及構造控制，由于地形起伏不大，切割不深，地下水不易出露。在地形、地質構造、水文地質條件有利的地點，多形成涌水量較大的上升泉。
1.4 地球物理特征
根據長株潭地區已有工作成果[1]和本研究區域的巖性，其電性參數和介電常數參數差異較大 ( ( 表 1、表 2) 。當地下存在隱伏構造時，比如斷層和褶皺，必然會產生由構造引起的巖溶、裂隙發育，當這些巖溶、裂隙發育帶被水或泥沙填充后，會呈現出低電阻率特征，在物探勘查中通常表現為低阻異常。探地雷達雖是通過電磁波進行探測，但它的測量參數是介電常數。研究區域內包含有農業耕地、第四系土壤、采空區( 含水或者空氣) 、灰巖、泥巖、砂巖等，介電常數具有差異性。表 1、表 2 表明，電法、探地雷達在本區域內都具有使用的前提條件。
根據礦區地質災害塌陷和地面沉降現狀以及區內地層、構造、地球物理探測手段差異性等，本次地質災害探查選用探地雷達、高密度電阻率法、充電法。探地雷達用來確定地下介質的分布情況。高密度電阻率法的優點是電極的布設一次完成，測量過程中無需跑極，可防止因電極移動而引起的故障和干擾; 在一條觀測剖面上，通過電極變換或數據轉換可獲得多種裝置的視電阻率等值線斷面圖，可進行資料的現場實時處理與成圖解釋。使用充電法可根據實測曲線分析推斷地下水體的形狀、產狀以及確定地下水流向等; 此次應用充電法是將供電點直接與地下暗河出水口水體相連，負極放在“無窮遠” 處( 垂直測線 800 ～ 1 000 m) 。該方法具有輕便、快速、成本低、效率高的特點。
2 地質災害現狀
經過上百年的開采、開發和人文活動，目前本區的地質災害主要為采空區引起的地面塌陷、滑坡地質災害和地下巖溶塌陷等，礦區內水資源遭到破壞，地下水位下降導致錳礦周邊村莊多口水井干枯。按照目前的災害情況，將其大致歸納為 4 個片區( 見圖 1) : 柴山塌陷災害區、方竹巖溶塌陷災害區、方塘災害區、鵝公塘災害區。柴山塌陷災害區和方竹巖溶塌陷災害區與棋梓橋組灰巖地層有很大關系; 柴山塌陷災害區第四系厚度約為 20 m，其塌陷與地下巖溶密切相關，方竹災害區主要與其灰巖構造相關。方塘災害區、鵝公塘災害區位于錳礦開采區成礦帶上，屬于震旦系老地層地區，方塘塌陷災害區歷史上民采盜采較多，深度較淺，而鵝公塘災害區是歷史上主要的采礦區，曾為企業主產區，采空區較深，超過百米。
柴山片區屬構造剝蝕溶蝕丘陵地貌，丘崗渾圓，沖溝寬緩開闊，地形總體較為平緩，起伏不大。近年來，由于受到區域地下水大幅下降、抽排巖溶水以及自然地質因素的作用，塌坑壁呈環狀，并向東側傾斜，坑壁下部可見環狀張性裂縫。天井地面部分垮塌，沼氣池漏底，雜屋間毀壞; 主體樓房后部墻壁垮塌。田、塘未見明顯漏水。
方竹片區屬構造剝蝕溶蝕丘陵地貌，丘崗渾圓，沖溝呈樹枝狀展布，地勢總體較為平緩，起伏不大。區域西北部為白堊系紅層，隱伏地層有棋梓橋組灰巖。片區人口密度較大，居民住宅較多。丘崗植被發育，溝谷低洼處分布稻田、旱地及水塘。方竹片區以往強烈而無序的礦業活動對周邊環境已形成難以恢復的破壞，近年來團山水庫一帶先后發生 11 處地面塌陷，導致入庫地表水流漏失，水庫不能蓄水，水庫上方的農田因塌陷不能耕種。
方塘片區位于礦區道路附近，地勢起伏較大，部分老礦渣堆積污染了地表土層，人口密度較大。方塘片區由于百年的開采歷史，區域內的地下水大幅下降，部分稻田出現整體沉降，目前方塘內水量較少。片區內主要是礦山開采后導致山體滑坡地質災害。2010 年 5 月山體變形加劇，滑體后緣出現多條張拉裂縫，多呈平面形態為半圓形。
鵝公塘片區位于紅旗井附近，地理位置在匣錦、鵝公塘附近，地形起伏，是整個錳礦周邊最為復雜的地區，周邊廠礦企業尤多，人口密度最大，道路繁忙。片區內井巷縱橫交錯，由于部分采礦巷道較淺，頂板巖體工程地質性質差，導致多處地面沉陷。歷史上此片區存在多個個露采場，導致了地表水、地下水和土壤污染較為嚴重。
3 地球物理探測
3.1 柴山災害區
本區內地表基本上被第四系覆蓋，隱伏地層主要為中泥盆統棋梓橋組灰巖和戴家坪組紅層，柴山村的農田地勢較為平坦，近年來逐漸出現塌陷坑 ( 圖 2) 。野外工作期間正值雨季，塌陷坑充滿水，具有使用充電法的天然條件，可以查明塌陷農田區域內的巖溶通道發育情況。布設一定量的高密度電阻率法測線，意在查明居民聚集區內垂向上是否存在斷裂和其他地質災害隱患部位。在塌陷坑近似線性區域布設一條高密度電法測線是為了查明巖溶通道在橫向上是否連續。柴山學校周邊外圍墻體出現裂縫，由于場地為水泥路面，選擇了探地雷達進行探測分析研究。
本區高密度電阻率法的點距為 10 m，充電法點距 10 m，探地雷達采用連續測量。共布設了 9 條充電法測線( 見圖 2) ，其中 CC7 在塌陷坑附近。根據測量結果( 圖 3) ，CC8 線的幅值變化較大，且出現 2 個過 0 值點，說明此線附近巖溶通道最大; 向北的 CC9 線變小，巖溶通道也變得單一，其 0 值點在 120 點附近; CC7 線的 0 值點在 91 點; CC6 線的 0 值在 95 點; CC5 線出現 2 個 0 值，在 105、120 點; CC4、 CC3、CC2 線分別在 130、145 和 130 點，CC1 線很難確定。
在 C1 線進行高密度電阻率法測量的目的是驗證通道是否聯通，結果見圖 4�？梢钥闯觯瑤r溶通道也是呈帶狀分布，確定其深度約在地表下 20 m，發育在灰巖中，位于灰巖和第四系接觸帶部位。深部的灰巖也逐漸完整。
針對柴山學校水泥地面出現裂縫，在學校墻壁南側圍墻做了 L1 剖面的探地雷達測量( 圖 5) ，結果表明 0 ～ 60 m 范圍內 10 m 以淺為第四系，90 ～ 125 m 范圍在 10 m 深處存在土洞，半填充或者含水較多。
3.2 方竹災害區
方竹片區的地層與柴山村類似，但地表出露地層有所變化，測區南部大部分地區被白堊系紅層所覆蓋，北部為板溪群，據 1 ∶20 萬區域地質資料推斷，區內在深部存在棋梓橋組灰巖，且存在隱伏構造。圖 6 給出了該區的物探測線布設。
以 FG3 和 FG4 線為例進行說明( 圖 7) 。FG3 線經過 2 個斷裂，推斷在 F2 傾向 WS。而 FG4 線上 F2 逐漸變陡，出現了區域斷裂 F2，兩者在 260 號測點處交匯，構造上兩側巖性相對較為完整。
為了研究目前在隱伏構造周圍出現的塌陷坑深部是否聯通，做了 4 條剖面的充電法，其結果見圖 8�？梢钥闯鲭S著測線向南部延伸，電位梯度越來越不明顯，C1 線的 0 值點在 72 m 處，C2 線的 0 值點在 32 m 處，C3 線的 0 值點在 25 m 處，C4 線的 0 值點在 0 m 處( 但已經很難分辨) 。地下塌陷所致的含水通道經過這些零值點。
3.3 方塘災害區
方塘區域屬于歷史上民采、盜采較為活躍區域，且人文活動劇烈，我們布置實際測線時依據踏勘調查結果為依據，盡可能的滿足施工條件，其布設示意地質簡圖見圖 9。
本次以 FT1 線為例進行說明，使用的方法有高密度電法、探地雷達( 圖 10) 。圖 10b 顯示在 145 測點附近探地雷達異常范圍較小，說明其僅僅為裂隙發育含水量較多所致。140 號測點處的低阻推斷為斷裂 F 的邊緣地帶，單從物探結果來看性質不明。在測點 220 ～ 258 之間探地雷達有指示，藍色圈圈定了探地雷達異常區域，說明此處破碎較為真實，最后圈定的異常如藍色破碎區域。
3.4 鵝公塘災害區
鵝公塘區域屬于國營企業開采區域，采礦深度較深，目前地質災害主要由于受力不均的滑坡地質體、池塘周邊的滲水及下沉引起。其典型區域測線布設圖如圖 11。
本文來源于：《物探與化探》(雙月刊)創刊于1979年，由中國國土資源航空物探遙感中心主辦。主要刊登物探、化探技術在地質找礦和國民經濟建設，生產、科研和教學中的新方法、新技術、新經驗、新產品、新進展、新應用、新成果等。會議簡訊、書訊。
本區以 EGT1 線為例進行說明，和方塘利用方法一致，其結果見圖 12。圖中探地雷達無明顯反應，說明斷層形成較早，后期填充較多，且構造中含水較多，所以導致了整體電阻率較低，此區內的塌陷較為嚴重。
4 異常評價
4.1 方竹村
方竹村的地質災害主要受 2 個斷裂控制，斷層產于棋梓橋組灰巖當中，灰巖完整且硬度較高，推斷存在硅化現象，巖溶在此地層內不發育。2 個斷裂的交匯部位是地下水的賦存區域，隨著周邊采石場和人文活動的日積月累，塌陷也隨之產生。地層白堊系泥質巖呈南薄北后的特征，厚度從南部幾米到北部上百米。目前發現的地面沉降塌陷可在南部的充電法測線 C4 線的 5 號測點進行治理。團山水庫南部存在一定小規模隱伏巖溶，但發育情況一般，主要地下水通道為近似 NS 走向的 F2 引起，F1 斷層走向為 WN—ES，傾向 EN，其上盤進行規劃建設較為安全。團山水庫外圍的水庫東部、西部和北部 3 個方向巖溶發育可能較弱，而在其南部存在一定的小規模巖溶和 F2 斷裂接觸帶的地下水通道。
4.2 柴山村
柴山村的塌陷主要沿區域斷裂在其周邊呈帶狀分布，但塌陷并不沿斷裂分布，呈散裝分布，主要由巖溶塌陷及其通道處產生。區內的巖溶塌陷已經形成較大通道，溶洞呈半填充狀態。在民眾聚集生活區深度約 20 m 以下的灰巖相對較為完整。柴山學校和民房裂縫都是地基基礎下部存在巖溶，隨著地下水的滲透，地表因受力不均形成土洞坍塌和建筑物裂縫。塌陷由深部巖溶引起，推斷巖溶在 CC8 線 120 m 處附近最為發育。高密度電法的測線經過了目前發現的巖溶塌陷區，且做了一定量的充電法測量，推斷地表下 18 ～ 24 m 之間巖溶較發育，但整條測線在深度 30 m 以上全為低阻帶，很難分辨，其巖溶發育方向呈“S”型。
4.3 鵝公堂區域
鵝公塘片區的地下百米為國營礦山碳酸錳礦床深部采礦區，根據近地表物探探測和鉆探結果，可以證實，深部的采空區目前形成的坍塌可能性較弱，主要是采空區使得地表的水塘和深部老地層之間有了滲水通道，致使區域地表逐漸由于重力作用而局部沉降，地下水的通道主要為松散震旦系頁巖、砂巖沖蝕而形成。上部主要為第四系黏土，大部分深度在 0 ～ 15 m 不等，深部地表下 100 m 以上基本皆為震旦系地層。
4.4 方塘區域
方塘片區在老礦帶的 WS 部，此處錳礦主要為民采和盜采，堆放的采礦廢石填埋了大面積優良水田、水塘，加之大氣降水和池塘水徑流致使地表水土流失嚴重; 廢渣隨意堆放，占用耕地、林地，堆積物呈松散狀態，在大暴雨時，形成了崩塌、滑坡等。因錳礦礦脈呈西南淺而東北深的特征，此片區的民采和盜采巷道較淺，頂板巖體工程地質性質差，在多種誘因下導致多處地面沉陷。目前塌陷區域異常呈點狀、帶狀分布，部分地段較為復雜，推斷多為民采所致。目前塌陷基本集中在震旦系頁巖地層中，WS 部的塌陷區域主要呈 WS 淺而 EN 深特征，其深部存在貫通通道，地下水徑流方向初步推斷亦是由西向東。
5 結論與討論
1) 在百年老礦山的地質災害探查方面，特別是位于我國南方地區的老地層礦床，由于雨水較多，導致以電阻率類參數衡量的各類物探方法分辨率降低，給結果解釋帶來了很大的挑戰。必須盡可能地利用多種物探方法進行綜合研究分析，結合區域內各種地質資料，才能最大限度地對災害評價提供地球物理證據。
2) 柴山村和方竹村區域的探地雷達探測效果欠佳，筆者認為在第四系或者紅層覆蓋超過 5 m 深度后，其探測效果甚微，對較小裂隙構造反應較弱。
3) 對于南方塌陷區域，若塌陷坑中填充較多水，利用充電法可以很好地探測地下水通道的分布狀態，對后續危險區級別劃分具有良好的指導意義。
4) 不同的地質災害形成歷史、地層及構造等狀況決定了探測手段的有效性，必須要針對具體問題因地制宜選擇適合的物探方法，最大限度地提高地質解釋的精度。——論文作者：曹創華，鄧專，康方平，彭承梁，彭杰，段政彬
參考文獻:
[1] 李統桂，王新建，劉國才，等. 湖南省長株潭地區水文地質工程地質環境地質綜合勘查報告[R].湖南地質礦產局水文地質工程地質一隊、二隊，1990: 1-36.
[2] 李厚登，王迪. 湖南湘潭錳礦區礦山地質環境治理示范工程 ( 2013 年) 具體實施方案[R].湖南省地質環境監測總站，2014.
[3] 甘伏平，呂勇，喻立平，等. 氡氣測量與 CSAMT 聯合探測地下地質構造[J]. 地質通報，2012，31( 2-3) : 389-395.
[4] 甘伏平，喻立平，盧呈杰，等. 巖溶區利用地震速度成像研究地下地質結構及特征[J]. 工程勘察，2012( 8) : 89-94.
[5] 胡讓全，黃健民. 綜合物探方法在廣州市金沙洲巖溶地面塌陷、地面沉降地質災害調查中的應用[J].物探與化探，2014，38 ( 3) : 610-615.
[6] 趙成斌，劉保金，姬繼法，等.綜合物探方法在地質災害調查中的應用研究[J].物探與化探，2001，25( 6) : 464-468.
[7] 董杰，孟慶生，尹明泉，等.綜合物探方法在采空塌陷區調查中的應用[J].物探與化探，2013，37( 3) : 557-560.
[8] 楊耀，羊春華，曾國.探地雷達在隧道巖溶普查中的應用[J].物探與化探，2010，34( 3) : 410-414.
[9] 楊天春，馮建新，王戰軍.探地雷達在橋塔塔基巖溶勘查中的應用及信號分析[J].物探與化探，2010，35( 2) : 280-284.
[10] 周官群，翟福勤，郝志超，等.高密度電阻率法及地震反射共偏移法在九華山滑坡體探查中的應用[J].物探與化探，2015，39 ( 4) : 872-876.
[11] 趙斌，王臖璐，孫禮釗，等.地球物理方法在渭北地裂縫勘探中的應用[J].物探與化探，2015，37( 3) : 406-410.
[12] 湖南省地質礦產局.湖南省區域地質志[M]. 北京: 地質出版社，1988，1-121.
[13] 吳敦敖.湖南湘潭錳礦區域水文地質條件[J].中南礦冶學院學報，1958，3( 1) : 31-45.
[14] 劉求康，文婷，武紅偉.湖南省湘潭縣九潭沖早震旦系錳礦床成因淺析[J].南方金屬，2013，195: 8-14.
[15] Reynolds，John.應用和環境地球物理入門[M].紐約: 約翰威利森斯出版社，1997: 1-55.
SCISSCIAHCI
