综合物探方法在地质灾害评估中的应用

彭青阳，徐洪苗，胡俊杰，段春龙

（安徽省地质矿产勘查局327地质队，安徽合肥 230011）

0 引言

工程领域中岩溶、裂隙发育，大部分岩溶、裂隙可视为不良地质体，这种不良地质体可引发地质灾害。岩溶、基岩裂隙发育的存在易引起地基形变、地基不均匀沉降、地基滑动和地面塌陷[1-2]。近年来，随着国家的发展和进步，工程建设不断发展和深入，成为了关系民生的重要项目，而不断发生的工程事故已经严重威胁到人民生命和财产的安全，所以对于工程灾害的预防越来越重要[3]。但由于在较小特定的范围内，不良地质体发育具有不确定性、随机性及隐蔽性，给区内不良地质体的分布及其发育情况的详查带来很大的困扰，而仅依靠钻探方法难以达到理想的效果[4]。

探测不良地质体多以物探为主，结合钻探验证。目前，主要方法有高密度电法、瞬变电磁法、探地雷达法、人工源瞬态面波及浅层地震勘探。虽然探测不良地质体的物探方法有很多种，但各有优缺点，近年来高密度电阻率法在探测采空区及地面塌陷区方面广泛应用，其显著特点是施工快捷、节约成本、数据量大、分辨率高、抗干扰能力强、图像直观，但其探测深度仅限于中浅部，且对地形条件要求较高[5]；瞬变电磁法具有探测成本低、工作效率高、受地形影响小、能穿透高阻覆盖层等优势，但存在浅部探测盲区[6-7]；探地雷达法工作效率和精度较高，但探测深度有限[8]；人工源瞬态面波对场地适应性强，主频一般几到几十赫兹，浅层分辨率高，操作简单，处理方便，但受能量限制，勘探深度较浅；能量较强的人工震源在城市勘察中不便施工[9-11]。

1 物探方法

1.1 高密度电法

高密度电法的基本工作原理与常规电阻率法大体相同，以岩土体的电性差异为基础，采用一次阵列布极方式，利用程控多路转换器和微机电位仪组合方式，实行不同装置类型和不同极距的断面或立体视电阻率测量，兼顾了电阻率剖面和电阻率测深法，达到断面或立体勘查的目的。

1.2 人工源瞬态面波勘探

人工源瞬态面波勘探是利用瑞雷波的特征进行勘探。弹性波理论分析表明，在层状介质中，瑞雷波是由SV 波与P 波干涉而形成，其能量主要集中在介质表面附近，能量的衰减与R1/2成正比（R为传播距离），比体波（P 波和S 波）衰减慢得多。传播过程中，介质的质点运动轨迹为长轴垂直于地面、逆时针方向旋转的极化椭圆，并以高度约1 个波长（λR）的圆柱体为波前面向外扩散传播。

1.3 探地雷达法

探地雷达法是利用探地雷达发射天线向目标体发射高频脉冲电磁波，由接收天线接收目标体的反射电磁波，探测目标体空间位置和分布的一种地球物理探测方法。其实际是利用目标体及周围介质电磁波的反射特性，对目标体内部的构造和缺陷（或其他不均匀体）进行探测。

2 工程实例

江苏某废弃矿坑修复旅游综合开发项目用地由目前已废弃的两个矿坑宕口和周边部分农田构成。矿区始建于20 世纪五六十年代，主要开采建筑石材，经过多年开采形成2 个直径为500~600 m 的深坑，坑深90 m 左右，2009—2010 年石材矿停止开采，矿坑废弃，坑内自然积水。根据现场踏勘，本次物探工作拟投入高密度电法、人工源瞬态面波勘探及探地雷达法三种方法，查明基岩内部结构及其完整破碎程度。

2.1 测区区域地质背景

测区处于扬子地块下扬子构造活动带的东段，地质构造比较复杂，印支期褶皱和燕山期岩浆、断裂作用奠定了本区地质构造基本格架。测区出露地层，由上到下依次为第四系全新统（Q4）黏土、石炭系上统船山组（C3c）灰岩、石炭系中统黄龙组（C2h）灰岩、石炭系下统高骊山组（C1g）泥质砂岩。

2.2 测区工程地质条件

测区岩层岩性为石炭系的中厚层状灰岩，产状平缓，平均抗压强度为120 MPa，工程地质条件较好。但由于岩性坚脆，时代较老，历史开采坡面较陡，近地表附近垂直节理发育，常形成较多的溶沟、石芽，这些因素影响了山坡的稳定性，易发生滑坡、崩塌等地质灾害。

2.3 测区地球物理特征

地球物理条件是开展物探工作的基础，场地地形条件是顺利开展物探工作的保证，不同的物探方法对地形地质条件有不同的要求。

2.3.1 电阻率及电性层

测区第四系黏土、粉质黏土的电阻率相对于石炭系上统船山组（C3c）的灰岩及侵入体花岗斑岩表现为低阻特征。视电阻率值由大到小依次为灰岩、花岗斑岩、第四系。完整基岩的电阻率较高，在构造裂隙或岩溶裂隙发育地段，由于基岩破碎或岩溶发育充填黏性土，电性差异会比较明显。

2.3.2 电磁参数

探地雷达是通过脉冲电磁波在地下的辐射、散射和反射所携带的地下电磁参数来判断地下目标的分布与存在。

表1 列举的常见地质体的电磁波速参数差异较大，有利于地质雷达探测。

表1 常见介质物理参数Table 1. Physical parameter of common medium

2.3.3 剪切波速

根据测区前期的勘察资料，黏土、粉质黏土及碎石土的剪切波速Vs值为130~500 m/s，灰岩、花岗斑岩的剪切波速Vs值为700~15 000 m/s。

综上所述，测区具备高采用密度电法、探地雷达法及人工源瞬态面波勘探的地球物理条件，为本次利用工程物探手段进行岩体内部结构和围岩稳定性调查提供了地球物理前提。

2.4 野外工作布设

本次外业工作总共布置了：高密度电法剖面共3 条，点距为5 m；面波勘探剖面共4条，主要沿采坑壁周围布设；探地雷达剖面10条，沿采坑壁周围布设，局部地段沿着坑壁布设。

2.5 高密度电法6线异常特征及地质解释

根据6 线高密度反演断面图（图1）可以看出，断面整体纵向电阻率表现为由低向高的变化趋势。在浅部0~15 m深度范围内，ρs=50~150 Ω·m，根据地质资料，解释推断为第四系覆盖层（Q4）的反映；下伏基岩主要为石炭系上统船山组（C3c）灰岩；在剖面250~330 号点的中深部及330~415 号点中上部，ρs=150~500 Ω·m，呈低阻半闭合状异常反映，结合地质及钻孔资料，解释推断为花岗斑岩的反映。

图1 6线高密度电法综合断面图Figure 1. Line 6 high-density electrical composite cross-section

在剖面的385号、415号点附近布置了2个物探验证孔G7、G8，其钻孔分层分别如下：

G7：0.0～5.6 m，杂填土；5.6～14.0 m，中风化灰岩。

G8：0.0～0.4 m，杂填土；0.4～6.8 m，花岗斑岩残积土；6.8～43.5 m，花岗斑岩；43.5～49.0 m，中风化灰岩。从钻孔编录可以看出，物探解译与钻孔资料吻合度较高。

在G7、G8 两孔上做了2 个面波勘探点，现将面波验证对比如下：

从G7 面波反演分层图（图2）上看，Vs分层与钻孔分层基本一致，Vs反演分层较详细，Vs值从浅到深依次递增，解释推测浅部低速层为杂填土的反映，深部为石炭系上统船山组（C3c）灰岩，基岩较完整。

图2 G7钻孔面波反演分层图Figure 2. Borehole G7 surface wave inversion layered diagram

从G8 面波反演分层图（图3）上看，Vs分层与钻孔分层基本一致，Vs反演分层较详细，Vs值从浅到深逐渐增加，浅部低速层为杂填土的反映；在深度6.45～35.87 m 范围内，部分层位呈相对低速反映，结合地质及钻孔资料，解释为花岗斑岩岩体不均匀性引起的反映；深部Vs值依次递增，解释为石炭系上统船山组（C3c）灰岩，基岩较完整。

图3 G8钻孔面波反演分层图Figure 3. Borehole G8 surface wave inversion layered diagram

2.6 探地雷达剖面异常特征及地质解释

本次探地雷达主要是在采坑壁的周边实施，局部地段沿着坑壁布设，主要目的是查明采坑壁附近围岩的稳定性状况。

从L11线探地雷达剖面图（图4）来看，在剖面0～15 m中上部雷达信号出现信号异常反映，根据地质资料，解释推断为基岩裂隙较发育，围岩稳定性较差；在剖面14～16 m 及38～39 m 中深部雷达信号出现信号异常反映，根据地质资料，解释推测为基岩裂隙较发育，围岩稳定性较差。

图4 L11线地质雷达剖面Figure 4. Line 11 geological radar profile

3 结论与建议

（1）通过研究总结，高密度电法、人工源瞬态面波勘探及探地雷达法在地质灾害调查中是较有效、便捷的地球物理方法。

（2）高密度电法对查找地质构造、岩性变化效果较好，且快速、便捷，但对规模较小的裂隙难以区分；面波勘探对基岩裂隙发育及不均匀岩体分辨率较好，但难以区分岩性变化；探地雷达对浅表部基岩裂隙分辨率较高，异常形态清晰，但勘探深度有限。建议后期此类项目，应根据目的任务及现场条件，选择合适的物探手段。