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1、物探在地质灾害调查中的应用物探在地质灾害调查中的应用 摘要： 地质灾害是由于各种(自然的或人为的)地质作用导致地质体或地质环境发生变化，给人民的生命财产、生存环境以及国家建设造成损失的灾害事件的统称。近年来，许多地区各种地质灾害(滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷等)频发，给当地的经济建设和人民生命财产安全构成了严重威胁。我们知道，任何地质灾害的发生、发展都会引起地球物理场的变化，因此，加强对地质灾害勘查与治理过程中的物探工作研究是当今环境地质工作中的一项重要课题。 物探技术的特点是快速、准确、经济，尤其是在岩溶、土洞、采空区、地面塌陷、滑坡、坝体渗透等地质灾害勘查评价方面，有着独特的效果。 关键词
2、：物探方法 地质灾害 应用效应 近年来 ,随着国民经济的迅速发展和科学技术的不断提高 ,各种基础设施建设项目和国家重点工程项目越来越多 ,如高速公路 、 核电站 、 水库大坝和重点建筑工程项目等 。 在这些项目的实施过程中 ,地震安全性评价和活动断层勘察是其中的一项重要内容 。 另外 ,随着抗震防灾事业的发展 ,各种地质灾害的调查工作也越来越受到重视 , 如水库大坝及江河大堤各种隐患 ( 裂隙 、 空洞等) 的调查 、 高速公路路面裂缝和软弱层的调查 、 核电站的核反应堆基础和重大建筑工程地基的裂缝 、 破碎带 、 溶洞等地质灾害调查 、 煤矿开采过程中的断层破碎带和陷落柱的调查以及城市内废弃
3、防空洞和下水管道的调查等 。 这些项目的提出促使广大地球物理工作者开展各种应用技术的研究 ,从而推进了地球物理各种应用技术的发展 。电子技术的发展促进了各种仪器和计算机的发展 。 根据不同的检测目的 , 相应研制出了不同的检测仪器 ,如各种不同型号的浅层地震仪 、 地质雷达 、 井间地震 CT 和电磁波 CT 仪器 、各种管道检测仪以及其它用于不同目的的探测仪器 。 计算机的发展促进了计算方法和计算技术的发展 ,计算机速度的提高和存储量的增大使一些更为复杂的先进资料处理和解释方法技术得以实现 ,为各种探测技术的发展奠定了基础 。 1 综合物探方法简介 近些年来 ,为了解决近地表地层的各种地质灾
4、害的调查问题 ,人们经过不断努力 ,深入研究 ,推出了多种行之有效的地球物理探测方法 。 这些方法各具特色 ,各自从不同的方向出发 ,通过不同的手段 ,解决不同的问题 ,给各种地质灾害的调查工作奠定了坚实的基础 ,下面简单介绍几种探测方法 。 1 . 1 地震横波反射勘探 横波勘探起步较早 ,但应用较少 。 近些年来 , 随着浅层探测任务的增多 , 对浅层勘探的分辨率要求越来越高 ,横波勘探才得以广泛应用 。 由于横波频率低 、 速度低 、 波长短 ,对地层的分辨率高 ,而且不受地层含水的影响 ,因此适合于对近地表地质体及各种地质灾害的探测 。横波反射勘探技术与纵波反射勘探技术的基本原理相似
5、,都是利用不同介质之间波阻抗的差异来探测地层内的异常地质体 。 野外施工和资料处理手段也基本一样 ,均采用多次覆盖的野外施工技术和多次叠加的资料处理方法 。 二者的不同之处在于激发和接收方法不同 ,纵波的激发一般采用爆炸源 ,横波的激发一般采用敲击的方式 。 纵波的接收使用的是垂直检波器 ,而横波的接收使用的是水平检波器 。 由于近地表地层的介质性质变化较大 ,沉积差异较大 ,导致了地层的横波速度变化较大 ,但一般是随着深度的增加而逐渐增大 ,因此在进行横波反射勘探的时候 ,表层速度参数的提取十分重要 。 速度参数的精度涉及到反射资料处理和解释的精度 。 所以 ,在进行横波反射勘探的同时 ,往
6、往结合进行一定工作量的横波回折波 、 折射波勘探 ,以获取表层横波速度资料 ,为反射资料的动 、 静校正及其它各种处理提供可靠的速度参数 。 1 . 2 地震映象技术 地震映象技术又称最佳偏移距技术 ,是最近几年才发展起来的一种新的浅层地震勘探技术 。 由于该方法施工简便 ,资料处理方法简单 ,分辨率高 ,抗干扰能力强 ,比较适合于近地表的浅层地震勘探 ,尤其适合浅海及江 、 河 、 湖等浅水域的水下浅层地震勘探 ,是一种解决浅层地质问题的有效方法 。 近些年来 ,随着适用于地震映象的仪器出现 ,大大提高了工作效率 ,促进了地震映象技术的应用 。 地震映象技术的关键在于最佳偏移距的选取 1。在
7、野外施工前 , 应在施工现场进行试验 ,通过反复试验确定直达波 、 折射波 、 声波 、 面波等规则干扰波出现的范围及有效反射波所处的位置 ,选取最佳偏移距 ,使有效反射波避开各种干扰波的干涉 ,达到最佳接收效果 ,然后再进行正式施工 。 陆地上地震映象的施工方法比较简单 ,一般采用单道检波器接收 ,振动源和检波器以等炮检距的形式同时移动一个炮间距 ,同步进行激发和接收 。 振动源一般采用重锤敲击地面 。 水上地震映象的激发和接收装置与陆地不同 ,需要一艘振源船和一个拖鱼 ( 水听器) ,而且还需要一套定位系统 。 与陆地一样 ,振源船和拖鱼以同步的方式进行激发和接收 。 1 . 3 地质雷达
8、 地质雷达是利用高频电磁波 ( 工作频率 10MHz 2GHz ) 以宽频带短脉冲形式 ,由地面通过发射天线送入地下 ,经地层或目的物反射后返回地面 ,为另一接收天线所接收 。 电磁波在介质中传播时 ,其路径 、 电磁波强度与波形将随所通过介质的电性质及几何形态而变化 。 因此 ,根据接收到的波的旅行时间 ( 亦称双程走时) 、 幅度与波形资料 ,通过图像处理和分析 ,可确定地下地层界面或目标体的空间位置和结构 。 利用地质雷达来确定地下介质的分布情况 , 关键是要获取真实 、 直观的地质雷达图像资料 ,以便于正确地解释 ,而获取有效信号的根本是数据采集 。 因此 ,在进行地质雷达的数据采集阶
9、段 ,应尽量选取适当的测量参数 ,以使所要了解的地下目标体或地层能在地质雷达图像上有一个直观 、 清晰的显示 。 由于地质雷达具有分辨率高 、 速度快 、 无损作业等优点 ,而且相对探测深度范围大 ( 从几厘米到几百米) ,在工程地质及工程质量隐患检测方面已被广泛应用 。 主要应用在 : 断层 、 地裂缝 、 破碎带探测 ; 工程地质勘察 ( 软土地基 、 基岩面 、 溶洞和空洞等) ; 地下管道 、 电缆及障碍物的探测 ; 高速公路质量检测等2。 1 . 4 井间电磁波层析成像 ( CT ) 井间电磁波层析技术是利用井间透射电磁波测量数据 ,依照一定的物理和数学关系通过计算机技术揭示物体内部
10、物理量的分布 ,最后以图像的形式表现结果3。 电磁波实际测量的是波动过程沿射线路径对介质吸收系数的积分结果 ,当同一平面内密集的平行射线簇对研究区域进行了全方位扫描后 ,便可把所有的投影函数依 Radon 反变换的关系组成方程组 , 经反演计算重建出介质吸收系数的二维分布图像 。 电磁波 CT 容易实现特定工作频率的发射和接收 ,野外观测方便 ,成本低廉 , 适用于对精细构造和电阻率差异大的目标体探测 。 电磁波 CT 以其分辨率高 、 反演结果可靠性强等优点 ,在地壳浅部地质灾害 ( 溶洞 、 空洞 、 裂隙等) 和地质构造探查中具有广泛的用途 。 尤其在城市活断层勘察中 ,电磁波能量源为非
11、炸药震源 ,适合于城市工作的特点 ,可用来确定断层的准确位置 、 断层的走向 、 倾向 、 倾角等性质 ,确定断层面的特点 、 断层的破碎程度及断层内部充填物质的松散程度 。 对于基岩内部的断层 ,还可以用来确定由断层引起的岩石破裂 ( 裂隙) 程度及裂隙的性质 。 2 物探方法应用的一般原则 物探是基于物理学中的力、声、光、热、电、磁与核变等理论为基础，其方法应用是以目标地质体与周围介质的物性差异为前提，如电性、磁性、密度、波速、温度、放射性等，根据物性差异选择正确的方法与技术进行勘查，一般都可以获得较好效果。 2.1由已知指导未知的原则 物探工作的布置必须遵循由已知到未知、由点到面、由简单
12、到复杂的原则。应充分利用区内已有的各种地质资料，合理地选取各种技术参数，建立地质地球物理模型，指导面上物探数据的正确采集，从而保证对数据处理、资料解释以及成果推断具有参照性和可比性。因此，布置物探工作前应认真收集、分析和利用区内已有的地质资料。 2.2综合大信息量原则 一般来说，灾害地质体与围岩介质之间不同程度地存在着多种物性差异。因此，可投入多种物探方法来获取多参数异常，从多种角度、不同的物性差异产生的大信息量数据来综合分析和研究灾害地质体的赋存特征及形成条件，在一定程度上可以避免物探异常的多解性，有助于提高物探资料解释成果的可靠性和准确率。 2.3优化组合原则 一般在已知地质资料的地段(点
13、)，根据不同的物性差异，选用不同的物探方法开展试验，然后将各自的试验成果进行对比分析，以能够查明问题为标准，以节约资金为原则，合理地选定有效的物探方法进行优化组合，这是保证勘查效果、提高经济效益的重要途径。 3常用的物探方法 物探方法的种类较多，下面介绍在地质灾害调查中常用的几种物探方法。 3.1 电法 以自然界的岩(土)层由于其种类、成分、结构、温度和湿度等不同，而具有不同的电性差异为前提，通过获取的电参数来解决相关地质问题。该方法由于装置的变换可以导出多种解决不同地质问题的方法。目前，地质灾害调查中使用较多的是电测深法和在其基础上利用多路电极转换器来实现对供电与测量电极自动转换的高密度测量
14、系统，它们在岩溶、土洞、塌陷、滑坡、堤坝渗漏等地质灾害勘查中发挥了较好的作用。除反映灾害地质体与周围介质的电性差异外，往往由于溶洞或断裂破碎带充水(泥)而引起了低阻变异，在电测深曲线和断面图上均呈现电阻率曲线扭曲和梯度变化，这些信息很容易被人们捕捉，它是勘查岩溶、土洞、塌陷和滑坡的主要异常标志；尤其是高密度测量系统，其分辨率和效果均优于其他方法，它具有较好的分层和探测细小目标的能力，非常适合于堤防隐患探测和浅部岩溶、采空区、塌陷、滑坡等地质灾害探测。 3.2 浅层地震 浅层地震是研究人工激发的地震波在岩(土)层中传播的规律来解决浅层地质问题的方法。在地质灾害勘查中，地震波的激发方式一般为敲击法
15、或落锤法，当敲击或落锤能量弱时，在确认不引起或不诱发地质灾害时可考虑采用小药量爆炸法。 3.2.1 折射波法 折射波法在地质灾害勘查中，常用于研究地下不同介质的分界面(如覆盖层的厚度、目标界面的埋藏深度、展布形态)、断层位置等，是一种直接有效的方法。 3.2.2 横波反射法 横波又称剪切波，其传播速度与介质所能承受的剪切力以及各种弹性参数密切相关，在浅层勘查中它具有较高的分辨率和精确度。因此，利用横波反射技术来探测地质灾害多发区的地下构造和地层界面，划分岩土性质，判断地基是否存在砂土液化，预防地质灾害事故的发生，能取得较好的效果。 横波的速度值与地层的松散固结程度、承载力、切变模量等紧密相关，
16、它更能反映覆盖层在地下水潜蚀作用下原状结构被破坏的特征。因此，横波波场异常又是判断潜在岩溶塌陷危险区的重要标志。 3.2.3 瑞雷波法 瑞雷波是一种沿自由表面传播的振动波，它的传播速度与介质密度有关，所能达到的有效勘查深度与振动波长、频率有关。通过测量不同频率成份瑞雷波的传播速度就可以确定一定深度范围内的地层结构情况，这是因为传播速度的变化反映了振动波经过一定范围内介质密度的变化情况，而振动频率可以确定探测目标物的深度。 浅部岩溶发育带、破碎带、裂隙带、采空区、地基松软层以及滑坡软弱层等，由于其与周围介质的密度不同，瑞雷波的传播速度有着明显的差异，利用这一特征，我们可以较容易识别这些灾害性的波
17、速异常。 3.2.4 地脉动测试 在许多自然强烈地震的宏观调查中，可以发现大量的震害现象与场地运动特征有着密切的关系。地震时，当建筑物的自振周期与地基的卓越周期相同或相近时，两者就会产生共振或类共振现象，从而大大增加了振动幅值和时间，致使建筑物被彻底破坏。 应用专门仪器测量地面振动，将所得记录进行频谱分析，确定地基的卓越周期，为正确设计和防止由于地基与工程建筑物的共振而引起的震害提供基础数据。 3.3 地质雷达探测 地质雷达是应用脉冲电磁波来探测隐蔽介质分布和目标物。当仪器向地下发射高频宽频带脉冲电磁波时，其波形将随通过介质的介电特性及几何形态而变化，根据接收到反射波的旅行时间、频率和振幅等参
18、数，可以推断介质内部的结构和目标物的埋藏深度及形态。 近年来，地质雷达在地质灾害领域应用颇多，当地下存在介电或介磁特性分界面时，只要选择合适的采集参数，一般都会有较好效果。因其探测速度快、精度高而受到重视。在地质灾害勘查与防治过程中主要解决以下问题： 3.3.1 地下岩溶、土洞、采空区、人防工程及地面塌陷地质灾害调查； 3.3.2 山体滑坡、地裂缝、地层断陷、软地基等不良地质现象勘查； 3.3.3 江、河、湖、库大坝坝体质量无损检测及渗漏探测； 3.3.4 各类工程质量隐患检测：如隧道渗漏治理与二次衬砌注浆质量无损检测、软地基处理后质量检测、高层建筑或地下隐蔽工程(支护体)建筑构(物)件质量无
19、损检测； 3.3.5 地下水及污染区环境地质调查； 3.3.6 对实施中的灾害治理工程进行质量监测。 3.4 瞬变电磁法 瞬变电磁法实际上是感应类电法中的一种，它以勘查低阻良导体为对象，主要是观测目标地质体受感应产生的二次涡流讯号。一般来说，只要探测目标与围岩存在明显的电性差异，通过研究区内地下电性分布结构，就可以圈定目标地质体的空间位置及几何形态。在高阻覆盖区具有较大的探测深度，也有较好效果。主要适用于充水断裂破碎带、溶洞、滑脱面及水源地勘查等。 4 结语 4.1 客观存在的隐伏地质体或勘查目标所产生的物理信息量是大量的，综合物探可以获得多种物理参量和丰富的地学信息。因此，物探工作不仅可以获
20、得深部的地质信息，是地质找矿的重要手段，而且同样可以用来探测浅层地质现象。近年来，在环境与灾害地质勘查、工程勘察、地下水资源调查、以及某些非地学领域(工程质量检测)的应用已越来越广泛，作用也越来越重要。 4.2 从事地质灾害物探工作，具有勘查范围小，工作速度快，要求精度高，验证性强的特点。为此，在设计和施工中，必须牢固树立“质量第一”的勘探理念，要采用较密集的观测系统和方法的优化组合，配合高精度、快速正、反演计算处理的现代化物探设备才能胜任。 4.3 物探工作应充分利用前人的经验和成果，特别是要以地质先验信息为指导，力保定性解释的可靠性，千方百计地提高解释推断的定量化程度，才能使物探方法的应用领域更为宽广，更加受到社会各界的欢迎。 4.4 物探工作科技含量较高，而且比较容易引进和吸收现代科学技术的最新成果。近年来，物探与电算技术的有机结合，软件固化程度高，不少方法实现了数据处理的人机对话和推断解释的野外现场化，大大地缩短了工作周期，真正体现了物探的经济、快速和准确的特点。4.5随着科学技术的进步和计算机技术的发展，各级*管理部门正在加紧筹建地质灾害数据库，而物探成果早已是信息数字化，完全能与地质灾害数据库实现连接，这样，就能更好地发挥物探的作用。
