综合物探方法对北京市延庆区泥石流堆积层探测的应用研究

籍增贤，孙永彬，李 毅，张占彬，王 诜，宋振涛，张正阳

( 1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002；2.中核集团铀资源地球物理勘查技术中心(重点实验室)，河北 石家庄 050002；3.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北 石家庄 050002 )

0 引言

北京市泥石流灾害发生在占全市总面积62%的山区，泥石流区面积占山区面积的38%。延庆区位于北京市西北部，燕山山脉西端，地势北东高、南西低，山地平均海拔1000 m，北东南三面环山，西临官厅水库，这种地形既便于固体物质的集中，又使得水流快速汇集，再加上大面积基岩裸露，褶皱、断裂构造广为分布，构造破碎带、裂隙和节理极为发育，受地形地貌、地质构造、降雨和人类工程活动等条件影响，导致泥石流灾害频繁发生[1]。最新研究成果表明，1971—2010年期间，延庆区极端降雨逐渐增多，群发性泥石流灾害呈明显的上升趋势[2-3]。因此，做好泥石流沟域内松散堆积层厚度调查，为灾害监测预警以及危害程度评估提供依据资料就显得尤为重要。

常规的松散堆积层厚度探测方法中，槽探和钻探方法虽然可以取得准确的数据，但其工作周期长、效率低、成本高，不适宜进行区域性调查。相比而言，地球物理方法具有快捷、高效、经济等优势，在探测堆积层厚度和基岩面埋深等方面能够很好地发挥作用，而不同技术方法的综合应用，既互相印证，又互相补充，能够更有效地提高地球物理探测成果的地质解释精度，不仅可以探测地表浅层结构，而且可以解决较深地层的地质问题，为地质灾害的调查评估提供了有力的手段和可靠的方法[4-13]。

选择高密度电阻率法和探地雷达两种方法组合，对延庆区某泥石流沟域松散堆积层厚度进行了综合探测研究，推断结果得到了后期探槽工程验证。

1 地质概况及物性特征

1.1 沟域概况

某泥石流沟属于典型的沟谷型泥石流，主沟总体呈NW—SE向，两侧为高山、中间为河谷，地形较陡，高程一般为580～740 m，相对高差约160 m，地形起伏较大，沟域内发育有10余条“V”字型沟谷(图1)。上游地形较陡，软弱、松散岩土体堆积厚度大，边坡较陡，局部沟道弯曲变窄，在长期暴雨冲刷情况下，地表水沿裂隙渗透到这些不稳定的厚层松散岩土体内，造成抗移、抗滑能力降低，最终将造成沟道堆积物、斜坡面侵蚀堆积物、坝阶地堆积物等岩土体向地势低洼方向移动而形成泥石流。野外调查发现，沟谷上游存在危岩体，中下游地段第四纪坝阶地堆积物广泛覆盖，沟谷占用现象严重，造成暴雨季节水流无法顺畅排泄，加之村庄位于主沟出口处，村庄前缘多有第四纪坝阶地堆积物，人民生命和财产安全受到严重威胁。

图1 沟域概况及测线布置图

1.2 地质概况

据区域地质资料及野外调查发现，沟域内广泛覆盖第四系松散堆积物，主要分布于沟床、坝阶地和斜坡面，多数为冲洪积砂砾石混杂堆积，厚度不明，砂砾石粒度相差较为悬殊，多为棱角状、次棱角状，分选性和磨圆度均较差。出露岩性主要有侏罗系安山质角砾熔岩、青白口系泥质白云岩和砂页岩等，风化程度中等，节理裂隙较为发育[3，15]。

1.3 物性特征

近地表第四系冲洪积砂土、砾石层表现为相对低阻，其电阻率值一般在20～100 Ω·m之间，深部侏罗系安山角砾熔岩和青白口系泥质白云岩、砂页岩等呈相对高阻特征，电阻率值一般大于200 Ω·m，风化层电阻率值略低，基岩与松散堆积层之间存在明显的电性差异。

由于松散堆积层与基岩密度差异较大，在这些粒度不同、密度不同的层面上将会出现明显的反射波组差异，一般完整基岩介质均匀，电性差异小，没有明显的反射界面，雷达波形通常表现为低幅反射，波形均匀，无杂乱反射，自动增益梯度相对较小；近地表腐殖质黏土、碎石土则表现为正反相位成组出现，层面较连续，振幅较强；基岩风化层一般振幅较强，波形较为杂乱、同相轴连续性较差[16-20]。

2 工作方法技术

2.1 数据采集及参数设置

高密度电阻率法：原始数据采集使用重庆奔腾数控技术研究所研制的WGMD-4集中式高密度电法系统，采用温纳装置(α排列)进行剖面测量(图2)，使用电极数60根，记录层数为16层。布置电极时对每一个电极都按照其接地条件进行了灵活处理，地表碎石较多的地段，采取了将碎石块捡出、挖坑填土、浇灌盐水等方法来有效降低接地电阻。通过仪器自动检测，所有电极接地电阻均满足要求，保证了原始数据的质量。

图2 高密度电阻率法野外装置示意图

探地雷达：野外测量使用美国地球物理测量公司生产的SIR-3000系统，发射天线中心频率为100 MHz，采样点数为1024个，时间窗口为500 ns，介电常数为9。

2.2 剖面布置

根据路线地质调查情况和探测目标预期深度，2条探地雷达剖面布置在沟谷中上游，测点间距0.5 m，R01线长度为600 m，完成测点1200个；R02线长度为400 m，完成测点800个；高密度电阻率法剖面布置在沟谷下游，G01线长度420 m，测点间距7 m，完成测点60个。探地雷达剖面和高密度电阻率法剖面近于首尾相连，从纵向上完整控制了沟域范围(图1)，综合测量完成后，根据推断结果分别在3条剖面的不同地段布置探槽进行了查证。

2.3 数据处理

1)高密度电阻率法数据处理。采用随机二维反演软件2DRES进行了数据处理，包括数据格式转换、剔除坏点、地形校正和反演计算等环节(图3)。反演过程采用圆滑约束最小二乘法反演迭代，成图深度约1/2电极距×剖面观测层数(即0.5×7 m×16层=56 m)，生成了反演电阻率断面图。首先通过定性分析，明确地电断面高、低阻电性层分布情况，最终定量地推断松散堆积层厚度及基岩面埋深和起伏形态。

2)探地雷达数据处理。探地雷达数据处理主要是压制各种噪声，增强有效信号，提高资料信噪比，以最大可能的分辨率在雷达图像剖面上突出反射波，以便从数据中提取速度、振幅、频率、相位等特征信息。数据处理流程主要包括1D滤波、直达波提取、带通滤波、同相轴提取，深度标定等，通过优化数据资料，获得清晰可辨的图像[21-24]。

图3 数据处理流程图

3 资料推断解释

3.1 高密度电阻率法剖面

剖面gm01呈NW向，自上游到下游控制长度约420 m，探槽TC03位于剖面70 m处。从其反演电阻率等值线圈闭形态面貌上可以看出，剖面下方总体表现为上低、下高的二层地电结构特征(图4)。

1)近地表浅层为相对低阻电性层，反演电阻率值一般小于215 Ω·m，低阻等值线呈不连续的似层状、透镜状圈闭，反映了松散堆积物的分布范围和厚度变化情况。0～200 m段厚度稍薄，一般为0.5～2 m，最大为3 m；200～420 m段厚度较大，一般为10～16 m，最厚处超过20 m，自上游向下低阻电性层厚度逐渐增大，在水平距离200 m处急剧增大，形成一个陡坎。从反演电阻率等值线形态来看，松散堆积层与深部基岩分界面清晰，但碎石土层和块石土层电阻率差异较小，分层界线不明显。

2)断面图下部为稳定的相对高阻电性层，反演电阻率值一般大于400 Ω·m，最高超过3000 Ω·m，等值线连续、光滑，表明其阻值较为稳定，推断为基岩层。

图4 剖面gm01反演电阻率及地质解释图

3.2 探地雷达剖面

R01线：由图5可见，大致以埋深4.5 m为分界线，雷达波形在振幅强弱、同相轴的连续性等方面均存在明显的差异，存在影像特征明显不同的上、下两部分。近地表厚度0.5 m的薄层反射波较强烈、同相轴连续性较好，推断为密实的腐殖土、碎石土层，其间在460～600 m段厚度逐渐增大；埋深0.5～1.8 m之间振幅相对较弱、反射波不明显、同相轴连续性差，推断为块石土层，厚度较为稳定；1.8～4.5 m间反射波强度增大、波形混乱、同相轴连续性相对较差，推断为基岩强风化层；4.5 m以深为完整的基岩，其波形相对平缓、振幅明显变低，与上覆强风化层波形特征迥异。后期在剖面540 m处布置探槽TC01进行了揭露。

图5 R01线解释断面图

R02线：由图6可见，大致以埋深5.5 m为界线将整个剖面分成上、下两部分，浅部和深部的雷达波形在振幅强弱、同相轴连续性等方面均存在明显的差异，依雷达影像特征的不同将剖面分成上、下两部分，探槽TC02位于剖面90 m处。推断近地表为厚度约0.8 m的碎石土层，厚度变化较大；埋深0.8～3.5 m间为块石土层，其中0～260 m段夹有一层楔状碎石土层，右侧260～400 m段以块石土堆积为主；埋深3.5～5.5 m间为基岩强风化层；底部为完整的基岩。

图6 R02线解释断面图

4 探测结果查证情况

根据高密度电阻率法和探地雷达综合测量推断的松散堆积物分布特征，在泥石流沟域内不同点位布置3条探槽进行了查证(探槽位置见图1)。探槽TC01位于探地雷达R01剖面水平距离540 m处，长度为3.1 m，深度为1.8 m，探槽底部揭露至基岩强风化层，白云岩块石原地堆积，直径一般为6～10 cm，棱角明显，无磨圆、无分选，揭露松散堆积层厚度超过1.8 m，探地雷达推断块石土层厚度与探槽揭露结果吻合较好；探槽TC02位于探地雷达R02剖面水平距离90 m处，长度为3.3 m，深度为1.6 m，探槽底部为白云岩强风化层，未揭露到完整的基岩。相比之下，探地雷达推断的碎石土与块石土层总厚度为1.9 m，两者相差0.3 m，准确度约为82.0%；探槽TC03位于高密度电阻率法剖面70 m处，长度为3.5 m，深度为1.7 m，具体情况如下：

由探槽TC03编录图(图7)上可见，在揭露深度内按堆积物粒度和压实程度可分为上、下两层，上部为厚约0.7 m的粉质黏土层，土质松散，植物根系发育，含少量直径约1 cm、磨圆度较好的碎石；下部为厚约1.0 m的碎石土层，土质松散，碎石直径2～4 cm，含量约15%，磨圆度、分选性较好；底部为棱角状白云岩块石层，块石排列整齐、无分选、磨圆度差。探槽揭露结果表明，高密度电阻率法推断松散堆积层厚度约为1.9 m，两者误差约为12%，推断松散堆积层厚度与探槽揭露结果基本吻合。

图7 探槽TC03地质编录图

5 结论

1)松散堆积层表现为低电阻率、强振幅、波形杂乱的典型特征，与下伏完整的基岩层分界面明显。探槽揭露结果表明，高密度电阻率法和探地雷达综合探测的松散堆积层厚度较为准确，与实际厚度吻合度大于80%。

2)高密度电阻率法和探地雷达综合测量，能够快速查明松散堆积层的厚度和深部基岩面的大致埋深，具有快捷、高效、精确和信息丰富等明显优势，能够有效突破地质及地球物理条件对单一方法的限制，为泥石流沟域土石方量计算和地质灾害程度评估、制定防御和治理科学方案提供可靠的依据。