湘潭锰矿位于湖南省湘潭市雨湖区鹤岭镇,交通便利,东北距湖南省省会长沙市约30 km,南距湘潭市区15 km。湘潭锰矿始采于1913年,整个矿山开采已有上百年历史,2005年闭坑破产。由于长期开发,特别是日军侵华期间的掠夺式开采,加之长期人文活动剧烈,破坏了区内地下水平衡,导致矿区出现采空塌陷灾害破坏,建设用地和耕地林地、废渣堆、尾砂库和露采场压占土地,水资源遭到破坏和污染,滑坡地质灾害等众多地质环境问题,严重威胁到当地居民的生命财产安全,制约了地方经济的可持续发展、生活。为了改善生态环境,湘潭市人民政府于2010年9月开始实施国家矿山公园计划,自2013年至今每年都部署地质灾害调查研究工作,目前已经取得了阶段性成果^[1,2]。

目前在地质灾害勘察领域内,工程物探方法取得了丰硕成果,可利用方法门类众多,且随着对环境地质灾害问题的重视,目前的探测技术、评价方法在逐渐发展并完善。2012年以来,中国地质调查局桂林岩溶地质研究所甘伏平等^[3,4]利用浅层地震、高密度电法和电磁方法,对我国西南地区的地质灾害做过很多成功的评价工作;2014年广东省地质调查院胡让全等^[5]利用综合物探方法对广州市区金沙洲岩溶地面塌陷、地面沉降进行了有效评价,提出了在人文活动频繁区域需要利用多种物探方法才能减少异常的多解性,提高探查精度的结论;赵成斌、董杰、杨天春等^{[6,7,8,9,10,11]}的工作成果表明,已有成熟的物探方法在地质灾害评价中有高密度电阻率法、电磁法、探地雷达法和地震映像方法等,但需因地制宜,不同地质情况、不同方法效果不一。针对湘潭锰矿地质灾害形成原因较为复杂且矿体本身在震旦系等老地层中产出,开采区外围有白垩系红层、棋梓桥组灰岩等情况,决定在不同区域有针对性地选择地球物理勘察方法。

研究区出露地层(图1)岩性主要为板溪群灰绿色板岩、变质砂岩,震旦系硅质页岩、炭质页岩、碳酸锰矿层,寒武系灰岩夹黑色页岩,奥陶系板状页岩,泥盆系石英砂岩,白垩系钙、泥质砂岩、粉砂岩、砾岩。矿体产于震旦系湘锰组的黑色页岩中。含矿岩层总体走向为NEE,倾向NNW。锰矿西北部有西冲子向斜和冷水冲背斜,冷水冲井田和一井田呈基本平行展布;锰矿西南部在板溪群岩层内存在仙女山背斜,矿带西北部灰岩内存在走向EN的倾伏背斜。

本次工作研究区地层主要为元古宇板溪群,震旦系鹤岭组,泥盆系跳马涧组、棋梓桥组,侏罗系高家田组,白垩系戴家坪组以及第四系和人工填积物^[12,13,14]。

元古宇板溪群(Ptbn),主要由灰绿色千枚状页岩组成。下部有厚层状硬石英岩,有时是砂页岩互层,并夹有赤铁矿结核,层理厚薄有变化,一般层厚约10 cm。页岩多呈板状千枚状结构,大部由绢云母、黏土及石髓所组成。

震旦系鹤岭组(Zh),出露于矿区大部分地段,为矿区地表的主要地层,厚28.4 m,也是锰矿的赋矿地层。岩性分上下两部分:上部为炭质板岩、炭质粉砂质板岩夹似层状碳酸锰矿,下部为中粗粒长石石英砂岩、石英砂岩夹粉砂质板岩、含砾板岩。

中泥盆统跳马涧组(D₂t),出露于研究区南部,为紫红色、灰白色中厚层状石英砂岩、粉砂岩夹粉砂质页岩,底部为厚层状石英砂砾岩。区域厚26.4~183.4 m。

中泥盆统棋梓桥组(D₂q),出露于研究区中部,下段为中厚层状白云质灰岩夹白云岩,厚50~100 m;上段为中厚层至厚层块状泥粉晶灰岩、生物屑灰岩,厚135 m,为湘潭市柴山片石场石灰岩矿开采层位。

上白垩统戴家坪组(K₂d),出露于研究区西北部,不整合覆于泥盆系之上,为紫红色中厚层状泥岩、粉砂岩夹泥质砂岩。区域厚大于150 m。

第四系残坡积层,分布于研究区丘岗表层,覆于基岩之上,为下伏岩层的风化产物,主要为粉质黏土,厚度变化较大,一般厚10~20 m。由于分布不规则,同时考虑到调查区构造层表述的完整,在图1上未单独圈出,以下伏基岩表示。

第四系白水江组(Qbs),分布于研究区地势低洼的溪谷地段。上部为黏土,下部为砾石层。区域厚6.3 m。

研究区地处华南加里东—印支褶皱带北缘,湘东燕山块断带中西部的幕阜山隆起西南部,为鹤岭褶皱带。历次主要构造运动在该区均有强度不一的反应。雪峰运动主要形成了宽缓的北东向褶皱雏形,造成了南华系假整合于青白口系之上;加里东运动主要表现为褶皱运动,先期褶皱雏形得到了强化和改造;形成了由青白口系、南华系地层组成的NE、NEE向及NW向褶皱^[12,13,14]。

研究区位于仙女山背斜北翼,表现为鹤岭—冷水冲推覆构造,震旦系—板溪群往NE逆掩推覆于侏罗系高家田组之上,使侏罗系及其下伏二叠系深埋于老地层之下(图1)。

研究区地处鹤岭断褶带西北侧,地表大部分地段为第四系残坡积物和冲积物覆盖。据区域地质资料,调查区整体上表现为北倾的单斜构造,发育NE向团山水库—竹节坝正断层,断面倾向SE,倾角75°。

研究区内地下水类型主要为基岩裂隙水,主要含水岩组为上震旦统硅质页岩,含水层富水性较差,动储量不丰,静储量有限。但含水层局部破碎呈流砂状,隔水层构造破坏处变薄。含水层局部疏干时,矿坑涌水量稳定在1 500 t/d左右,年变幅在10%以下^[12,13,14]。

研究区内地下水主要补给来源为大气降水,大气降水主要通过出露于山岭及其斜坡地带的硅质层渗入地下,形成地下水,由南向北径流。地下水的排泄受地形及构造控制,由于地形起伏不大,切割不深,地下水不易出露。在地形、地质构造、水文地质条件有利的地点,多形成涌水量较大的上升泉。

根据长株潭地区已有工作成果^[1]和本研究区域的岩性,其电性参数和介电常数参数差异较大((表1、表2)。当地下存在隐伏构造时,比如断层和褶皱,必然会产生由构造引起的岩溶、裂隙发育,当这些岩溶、裂隙发育带被水或泥沙填充后,会呈现出低电阻率特征,在物探勘查中通常表现为低阻异常。探地雷达虽是通过电磁波进行探测,但它的测量参数是介电常数。研究区域内包含有农业耕地、第四系土壤、采空区(含水或者空气)、灰岩、泥岩、砂岩等,介电常数具有差异性。表1、表2表明,电法、探地雷达在本区域内都具有使用的前提条件。

根据矿区地质灾害塌陷和地面沉降现状以及区内地层、构造、地球物理探测手段差异性等,本次地质灾害探查选用探地雷达、高密度电阻率法、充电法。探地雷达用来确定地下介质的分布情况。高密度电阻率法的优点是电极的布设一次完成,测量过程中无需跑极,可防止因电极移动而引起的故障和干扰;在一条观测剖面上,通过电极变换或数据转换可获得多种装置的视电阻率等值线断面图,可进行资料的现场实时处理与成图解释。使用充电法可根据实测曲线分析推断地下水体的形状、产状以及确定地下水流向等;此次应用充电法是将供电点直接与地下暗河出水口水体相连, 负极放在“无穷远” 处(垂直测线800~1 000 m)。该方法具有轻便、快速、成本低、效率高的特点。

经过上百年的开采、开发和人文活动,目前本区的地质灾害主要为采空区引起的地面塌陷、滑坡地质灾害和地下岩溶塌陷等,矿区内水资源遭到破坏,地下水位下降导致锰矿周边村庄多口水井干枯。按照目前的灾害情况,将其大致归纳为4个片区(见图1):柴山塌陷灾害区、方竹岩溶塌陷灾害区、方塘灾害区、鹅公塘灾害区。柴山塌陷灾害区和方竹岩溶塌陷灾害区与棋梓桥组灰岩地层有很大关系;柴山塌陷灾害区第四系厚度约为20 m,其塌陷与地下岩溶密切相关,方竹灾害区主要与其灰岩构造相关。方塘灾害区、鹅公塘灾害区位于锰矿开采区成矿带上,属于震旦系老地层地区,方塘塌陷灾害区历史上民采盗采较多,深度较浅,而鹅公塘灾害区是历史上主要的采矿区,曾为企业主产区,采空区较深,超过百米。

柴山片区属构造剥蚀溶蚀丘陵地貌,丘岗浑圆,冲沟宽缓开阔,地形总体较为平缓,起伏不大。近年来,由于受到区域地下水大幅下降、抽排岩溶水以及自然地质因素的作用,塌坑壁呈环状,并向东侧倾斜,坑壁下部可见环状张性裂缝。天井地面部分垮塌,沼气池漏底,杂屋间毁坏;主体楼房后部墙壁垮塌。田、塘未见明显漏水。

方竹片区属构造剥蚀溶蚀丘陵地貌,丘岗浑圆,冲沟呈树枝状展布,地势总体较为平缓,起伏不大。区域西北部为白垩系红层,隐伏地层有棋梓桥组灰岩。片区人口密度较大,居民住宅较多。丘岗植被发育,沟谷低洼处分布稻田、旱地及水塘。方竹片区以往强烈而无序的矿业活动对周边环境已形成难以恢复的破坏,近年来团山水库一带先后发生11处地面塌陷, 导致入库地表水流漏失,水库不能蓄水,水库上方的农田因塌陷不能耕种。

方塘片区位于矿区道路附近,地势起伏较大,部分老矿渣堆积污染了地表土层,人口密度较大。方塘片区由于百年的开采历史,区域内的地下水大幅下降,部分稻田出现整体沉降,目前方塘内水量较少。片区内主要是矿山开采后导致山体滑坡地质灾害。2010年5月山体变形加剧,滑体后缘出现多条张拉裂缝,多呈平面形态为半圆形。

鹅公塘片区位于红旗井附近,地理位置在匣锦、鹅公塘附近,地形起伏,是整个锰矿周边最为复杂的地区,周边厂矿企业尤多,人口密度最大,道路繁忙。片区内井巷纵横交错,由于部分采矿巷道较浅,顶板岩体工程地质性质差,导致多处地面沉陷。历史上此片区存在多个个露采场,导致了地表水、地下水和土壤污染较为严重。

本区内地表基本上被第四系覆盖,隐伏地层主要为中泥盆统棋梓桥组灰岩和戴家坪组红层,柴山村的农田地势较为平坦,近年来逐渐出现塌陷坑(图2)。野外工作期间正值雨季,塌陷坑充满水,具有使用充电法的天然条件,可以查明塌陷农田区域内的岩溶通道发育情况。布设一定量的高密度电阻率法测线,意在查明居民聚集区内垂向上是否存在断裂和其他地质灾害隐患部位。在塌陷坑近似线性区域布设一条高密度电法测线是为了查明岩溶通道在横向上是否连续。柴山学校周边外围墙体出现裂缝,由于场地为水泥路面,选择了探地雷达进行探测分析研究。

本区高密度电阻率法的点距为10 m,充电法点距10 m,探地雷达采用连续测量。共布设了9条充电法测线(见图2),其中CC7在塌陷坑附近。根据测量结果(图3),CC8线的幅值变化较大,且出现2个过0值点,说明此线附近岩溶通道最大;向北的CC9线变小,岩溶通道也变得单一,其0值点在120点附近;CC7线的0值点在91 点;CC6线的0值在95点;CC5线出现2个0值,在105、120点;CC4、CC3、CC2线分别在130、145和130点,CC1线很难确定。

在C1线进行高密度电阻率法测量的目的是验证通道是否联通,结果见图4。可以看出,岩溶通道也是呈带状分布,确定其深度约在地表下20 m,发育在灰岩中,位于灰岩和第四系接触带部位。深部的灰岩也逐渐完整。

针对柴山学校水泥地面出现裂缝,在学校墙壁南侧围墙做了L1剖面的探地雷达测量(图5),结果表明0~60 m范围内10 m以浅为第四系,90~125 m范围在10 m深处存在土洞,半填充或者含水较多。

方竹片区的地层与柴山村类似,但地表出露地层有所变化,测区南部大部分地区被白垩系红层所覆盖,北部为板溪群,据1∶20万区域地质资料推断,区内在深部存在棋梓桥组灰岩,且存在隐伏构造。图6给出了该区的物探测线布设。

以FG3和FG4线为例进行说明(图7)。FG3线经过2个断裂,推断在F2倾向WS。而FG4线上F2逐渐变陡,出现了区域断裂F2,两者在260号测点处交汇,构造上两侧岩性相对较为完整。

为了研究目前在隐伏构造周围出现的塌陷坑深部是否联通,做了4条剖面的充电法,其结果见图8。可以看出随着测线向南部延伸,电位梯度越来越不明显,C1线的0值点在72 m处, C2线的0值点在32 m处,C3线的0值点在25 m处,C4线的0值点在0 m处(但已经很难分辨)。地下塌陷所致的含水通道经过这些零值点。

方塘区域属于历史上民采、盗采较为活跃区域,且人文活动剧烈,我们布置实际测线时依据踏勘调查结果为依据,尽可能的满足施工条件,其布设示意地质简图见图9。

本次以FT1线为例进行说明,使用的方法有高密度电法、探地雷达(图10)。图10b显示在145测点附近探地雷达异常范围较小,说明其仅仅为裂隙发育含水量较多所致。140号测点处的低阻推断为断裂F的边缘地带,单从物探结果来看性质不明。在测点220~258之间探地雷达有指示,蓝色圈圈定了探地雷达异常区域,说明此处破碎较为真实,最后圈定的异常如蓝色破碎区域。

鹅公塘区域属于国营企业开采区域,采矿深度较深,目前地质灾害主要由于受力不均的滑坡地质体、池塘周边的渗水及下沉引起。其典型区域测线布设图如图11。

本区以EGT1线为例进行说明,和方塘利用方法一致,其结果见图12。图中探地雷达无明显反应,说明断层形成较早,后期填充较多,且构造中含水较多,所以导致了整体电阻率较低,此区内的塌陷较为严重。

方竹村的地质灾害主要受2个断裂控制,断层产于棋梓桥组灰岩当中,灰岩完整且硬度较高,推断存在硅化现象,岩溶在此地层内不发育。2个断裂的交汇部位是地下水的赋存区域,随着周边采石场和人文活动的日积月累,塌陷也随之产生。地层白垩系泥质岩呈南薄北后的特征,厚度从南部几米到北部上百米。目前发现的地面沉降塌陷可在南部的充电法测线C4线的5号测点进行治理。团山水库南部存在一定小规模隐伏岩溶,但发育情况一般,主要地下水通道为近似NS走向的F2引起,F1断层走向为WN—ES,倾向EN,其上盘进行规划建设较为安全。团山水库外围的水库东部、西部和北部3个方向岩溶发育可能较弱,而在其南部存在一定的小规模岩溶和F2断裂接触带的地下水通道。

柴山村的塌陷主要沿区域断裂在其周边呈带状分布,但塌陷并不沿断裂分布,呈散装分布,主要由岩溶塌陷及其通道处产生。区内的岩溶塌陷已经形成较大通道,溶洞呈半填充状态。在民众聚集生活区深度约20 m以下的灰岩相对较为完整。柴山学校和民房裂缝都是地基基础下部存在岩溶,随着地下水的渗透,地表因受力不均形成土洞坍塌和建筑物裂缝。塌陷由深部岩溶引起,推断岩溶在CC8线120 m处附近最为发育。高密度电法的测线经过了目前发现的岩溶塌陷区,且做了一定量的充电法测量,推断地表下18~24 m之间岩溶较发育,但整条测线在深度30 m以上全为低阻带,很难分辨,其岩溶发育方向呈“S”型。

鹅公塘片区的地下百米为国营矿山碳酸锰矿床深部采矿区,根据近地表物探探测和钻探结果,可以证实,深部的采空区目前形成的坍塌可能性较弱,主要是采空区使得地表的水塘和深部老地层之间有了渗水通道,致使区域地表逐渐由于重力作用而局部沉降,地下水的通道主要为松散震旦系页岩、砂岩冲蚀而形成。上部主要为第四系黏土,大部分深度在0~15 m不等,深部地表下100 m以上基本皆为震旦系地层。

方塘片区在老矿带的WS部,此处锰矿主要为民采和盗采,堆放的采矿废石填埋了大面积优良水田、水塘,加之大气降水和池塘水径流致使地表水土流失严重;废渣随意堆放,占用耕地、林地,堆积物呈松散状态,在大暴雨时,形成了崩塌、滑坡等。因锰矿矿脉呈西南浅而东北深的特征,此片区的民采和盗采巷道较浅,顶板岩体工程地质性质差,在多种诱因下导致多处地面沉陷。目前塌陷区域异常呈点状、带状分布,部分地段较为复杂,推断多为民采所致。目前塌陷基本集中在震旦系页岩地层中,WS部的塌陷区域主要呈WS浅而EN深特征,其深部存在贯通通道,地下水径流方向初步推断亦是由西向东。

1)在百年老矿山的地质灾害探查方面,特别是位于我国南方地区的老地层矿床,由于雨水较多,导致以电阻率类参数衡量的各类物探方法分辨率降低,给结果解释带来了很大的挑战。必须尽可能地利用多种物探方法进行综合研究分析,结合区域内各种地质资料,才能最大限度地对灾害评价提供地球物理证据。

2)柴山村和方竹村区域的探地雷达探测效果欠佳,笔者认为在第四系或者红层覆盖超过5 m深度后,其探测效果甚微,对较小裂隙构造反应较弱。

3)对于南方塌陷区域,若塌陷坑中填充较多水,利用充电法可以很好地探测地下水通道的分布状态,对后续危险区级别划分具有良好的指导意义。

4)不同的地质灾害形成历史、地层及构造等状况决定了探测手段的有效性,必须要针对具体问题因地制宜选择适合的物探方法,最大限度地提高地质解释的精度。