地球物理方法在地質(zhì)災害勘查中的應用

  地質(zhì)災害是自然災害的主要類(lèi)型之一, 常見(jiàn)的有斜坡巖土體地質(zhì)災害(崩塌、滑坡、泥石流), 地面變形地質(zhì)災害(地面沉降、地面塌陷、地裂縫), 礦井地質(zhì)災害(地下采空區、煤層自燃、煤與瓦斯突出、巖爆、陷落柱), 特殊巖土工程病害(膨脹土、鹽漬土、軟土、凍土、紅土、砂土), 土地荒漠化地質(zhì)災害(沙質(zhì)荒漠化、水土流失、土地鹽漬化、工礦型荒漠化), 地下水資源惡化, 水土環(huán)境異常, 海岸帶地質(zhì)災害(海水入侵、海岸侵蝕)等類(lèi)型。中國是世界上地質(zhì)災害最為嚴重的國家之一。據統計, 我國每年因地震、崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、礦山地質(zhì)災害和土地荒漠化等災害造成的直接經(jīng)濟損失高達840 億元人民幣, 由于地質(zhì)環(huán)境的惡化而引發(fā)或加重的其它自然災害所造成的間接損失更是無(wú)法估算。因此, 依靠現代科學(xué)技術(shù), 多學(xué)科、跨部門(mén)聯(lián)合攻關(guān), 全面、系統、深入地開(kāi)展地質(zhì)災害研究對保護人民生命財產(chǎn)安全, 減輕地質(zhì)災害損失, 實(shí)現社會(huì )、經(jīng)濟的持續發(fā)展具有非常重要的意義。

 

  近50 年來(lái), 地球物理技術(shù)的應用范圍得到了迅速的擴展。在地質(zhì)災害的監測、預報和防治工作中,地球物理方法發(fā)揮了巨大的作用。我國在長(cháng)江三峽、西氣東輸、南水北調等國家重點(diǎn)工程中采用地球物理方法配合其它方法進(jìn)行地質(zhì)災害勘查, 均取得了較好的效果。

 

  1  地球物理方法在地質(zhì)災害勘查中的應用

 

  地質(zhì)災害地球物理勘查, 從基本原理來(lái)說(shuō)仍是勘測地下介質(zhì)的某些物理特性(密度、磁化率、電阻率、自然電位、彈性、介電常數、放射性和地溫等)的差異, 探測的可靠性主要也取決于目標與周?chē)h(huán)境物理特性的對比度、目標的埋深及蓋層的特性等。

 

  并且物探方法與鉆探等方法比較, 具有工效高、成本低、裝備輕便并且能夠快速提供大面積的綜合資料等優(yōu)點(diǎn)。

 

  1 .1  探地雷達

 

  探地雷達(簡(jiǎn)稱(chēng)GPR)是20 世紀70 年代發(fā)展起來(lái)的一種用于確定地下介質(zhì)分布的廣譜電磁法。

 

  自80 年代末90 年代初以來(lái), 隨著(zhù)信號處理技術(shù)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展, 探地雷達在技術(shù)裝備上有了突破性的進(jìn)展, 大大擴展了該方法的應用領(lǐng)域。目前, 探地雷達的應用已拓展到礦產(chǎn)勘查、環(huán)境工程、水文工程、城建工程、路橋、涵隧工程、水利水電工程、淺水水域工程、地質(zhì)工程、考古調查、無(wú)損檢測、樁基或混凝土檢測等眾多領(lǐng)域。任何地質(zhì)災害的發(fā)生都會(huì )在介質(zhì)(土壤、巖層等)中留下痕跡, 即通常的介質(zhì)界面, 如地裂縫留下的裂隙、活動(dòng)斷裂留下的破碎帶、滑坡留下的滑脫面以及塌陷留下的地穴或陷坑等, 這些界面兩側介質(zhì)的物性差異很大, 致使電磁波穿過(guò)該界面時(shí)的反射能量發(fā)生增減、波形幅值出現明顯變化, 據此可解釋出該界面的準確位置及大致形態(tài)等相關(guān)信息。探地雷達可用于[ 3] 勘查巖溶塌陷、地裂縫、滑坡、活動(dòng)斷裂、孤石體及小型不良地質(zhì)體、地下洞室、煤田自燃區、陷落柱、多年凍土等地質(zhì)災害。

 

  1 .1 .1  巖溶塌陷勘查

 

  探地雷達在巖溶塌陷勘查中具有較大的優(yōu)勢。

 

  圖1 給出某巖溶探測工區中經(jīng)鉆探驗證的雷達剖面。從圖中可看出溶洞雷達圖像的特點(diǎn)是被溶洞側壁的強反射所包圍的弱反射空間, 溶洞底界面的反射則不太明顯, 當溶洞為空氣或充水時(shí), 洞體內雷達波幾乎是沒(méi)有反射的, 當溶洞充填了物質(zhì)時(shí), 則可見(jiàn)一組較短周期的細密的弱反射。溶蝕裂隙與溶洞并無(wú)本質(zhì)上的區別。當溶蝕裂隙擴大到一定程度時(shí)便成為溶洞, 當溶蝕裂隙僅僅是充水裂隙時(shí), 由于周?chē)鷰r石破碎、充水, 因此在裂隙上形成雷達波的強反射, 因此在雷達圖像中可見(jiàn)到土層下部雷達波同相軸的錯亂。

 

  1 .1 .2  煤田自燃區的探測

 

  煤層自燃由自燃物質(zhì)在一定條件下發(fā)生物理化學(xué)變化、熱量聚積而引起。地下煤層燃燒不僅白白浪費大量寶貴資源, 而且也威脅煤礦的安全生產(chǎn)。

 

  圖2 是煤層自燃區的探地雷達探測圖像, 圖中A 區為原煤區,B 區為部分氧化煤,C 區為完全氧化煤。在圖中可直觀(guān)清晰地看到煤層和自燃區的分布情況。由于煤層自燃, 上覆砂巖逐次塌落, 在地面上形成許多垂直裂縫, 造成剖面反射波相位的不連續。

 

  原煤層一般表現為反射波相位連續;而部分氧化煤(殘留煤)表現為串珠狀, 煤厚減少;完全氧化煤則經(jīng)過(guò)較充分的自燃, 剖面上顯示僅剩很薄或不清晰的煤層層位。圖中原煤層分層特征明顯, 而完全氧化煤無(wú)明顯反射界面, 燃殘留煤則界于二者之間。

 

  1 .2  電法勘探

 

  電法勘探是當前國內外地質(zhì)調查、找礦、找水和解決巖土工程問(wèn)題的重要勘探方法。它利用巖(礦)石間電磁學(xué)性質(zhì)及電化學(xué)性質(zhì)的差異, 通過(guò)觀(guān)測和研究人工建立的或天然存在的電磁場(chǎng)空間和時(shí)間分布規律, 來(lái)勘查地質(zhì)目標和解決地質(zhì)問(wèn)題。在地質(zhì)災害調查中, 電法是使用頻率最高、應用面最廣和解決問(wèn)題較好的方法。表1 給出各種電法方法在地質(zhì)災害勘查中的應用。

 

  1 .3  地震勘探

 

  近年來(lái), 淺層高分辨率地震勘探、面波勘探等技術(shù)是針對工程地質(zhì)問(wèn)題的挑戰應運而生的地震勘探技術(shù), 這些先進(jìn)的技術(shù)勘查對象廣、施工周期短、費用低、解決問(wèn)題的準確性和精度較高。

 

  1 .3 .1  淺層地震勘探

 

  地震勘探要求探測深度一般不超過(guò)100 ～ 200m ,被探測對象的規模小, 形態(tài)和巖性縱、橫向變化大,要求有較高的分辨率, 因此可以使用淺層高分辨率地震勘探。目前, 該方法在地質(zhì)災害勘查中已獲得廣泛應用, 取得了明顯的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。例如唐山市、湘潭市、徐州市地面巖溶塌陷, 西安市地裂縫地質(zhì)災害, 三峽黃臘石滑坡, 三峽鏈子崖危巖體防治和深圳市羅湖區地殼穩定性評價(jià)等均應用了淺層高分辨率地震勘探。在地質(zhì)災害勘查中, 淺層高分辨率地震勘探可進(jìn)行隱伏斷層、破碎帶、溶洞、土洞、古河道及暗河探查, 勘查滑坡, 勘查地裂縫, 勘查多年凍土, 進(jìn)行飽和砂土層的液化判別, 預測巖爆,探測煤礦陷落柱, 探測煤層采空區, 預測瓦斯富集帶, 預防井噴, 探測煤礦突水巷道位置及埋深。

 

  淺層地震勘探在巖溶塌陷災害勘查中可以取得較好的地質(zhì)效果, 它可用于查明巖溶區的基巖地質(zhì)條件和覆蓋層地質(zhì)條件, 圈定出潛在巖溶塌陷危險區或地段。圖3 是在某工作區測得的地震時(shí)間剖面及相應的地質(zhì)解釋剖面, 圖中地下巖溶和巖溶塌陷清晰可辨。

 

  地震勘探在滑坡勘查中可用于圈定滑坡體的范圍、確定滑動(dòng)面的深度和形狀及查明滑坡區地下水的分布等。特別是當滑坡體含水甚微弱或呈干燥狀態(tài)時(shí), 一般采用淺層高分辨率反射地震勘探方法效果較好。圖4 是某工區1 條測線(xiàn)地震成果剖面展示。

 

  在該剖面上發(fā)現斷層1 處, 可疑斷層1 處, 滑坡體和可疑滑坡各1 處。

 

  1 .3 .2  面波勘探

 

  面波勘探是近十幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的淺層地震勘探方法, 與傳統地震勘探方法的差別在于它是利用了以前被視為干擾的面波—瑞雷波。瑞雷面波勘探有穩態(tài)法和瞬態(tài)法2 種。為了克服這2 種方法中存在的缺點(diǎn), 又發(fā)展了一種新的瑞雷面波勘探方法—瞬態(tài)多道瑞雷波勘探技術(shù), 它可以通過(guò)多次疊加和多道相關(guān)疊加, 使得頻譜能量加大, 干擾減小, 測試結果更為可靠。面波勘探在地質(zhì)災害勘查中可用于凍土勘查, 滑坡調查, 泥石流調查, 地下空洞調查, 飽和砂土層的液化判別, 探測煤礦巷道頂板離層。

 

  凍土是造成各類(lèi)建筑物基礎變形損毀的一種病害地質(zhì)體, 分為多年凍土和季節性?xún)鐾?。在我國多年凍土的分布面積占國土面積的21 .5 %, 是世界第三凍土大國。以前對凍土地區的勘探工作, 大多以工程地質(zhì)測繪與調查為主要手段, 重點(diǎn)區域采用鉆探方法。實(shí)測資料表明[ 6] 面波技術(shù)進(jìn)行凍土勘查具有較好的地質(zhì)效果。

 

  圖5 和圖6 給出不同測點(diǎn)面波勘探解釋成果與鉆探結果對比結果。從圖5 中可看出多年凍土上、下界面在頻散曲線(xiàn)上有明顯體現, 且與鉆孔結果對比誤差非常小。從圖6 中可知, 當季節凍土與多年凍土存在不連續凍結層面時(shí), 用面波方法能精確分層。因此在凍土勘查中, 可以利用面波勘探技術(shù)查明多年凍土上下限深度、邊界范圍及多年凍土與季節性?xún)鐾恋拇嬖陉P(guān)系。

 

  1 .4  其它方法

 

  除以上幾種方法外, 可用于地質(zhì)災害勘查的地球物理方法還有聲波檢測技術(shù)、重力勘探、氡氣測量等方法, 這里僅對這些方法在地質(zhì)災害勘查中的應用進(jìn)行簡(jiǎn)要的小結。

 

  1 .4 .1  聲波檢測

 

  聲波測量是通過(guò)探測聲波在巖土內的傳播特征來(lái)研究巖土性質(zhì)和完整性的一種物探方法, 其信號頻率通?？蛇_n ×103 ～ n ×106Hz 。聲波檢測技術(shù)在災害地質(zhì)中的作用, 可歸結為兩個(gè)大的方面:一是災害地質(zhì)體的勘查, 查明其構造及其有關(guān)物理力學(xué)參數(包括勘查斷層、破碎帶、滑坡體滑床等, 探測地下巖溶、古洞、空洞、埋設物、礦區采空區等的空間位置及規模, 查明地下構造、滲漏帶、水流通道和方位,圈定破碎帶位置和范圍, 預測巖爆等);二是對地質(zhì)災害防治工程施工過(guò)程中的監測及檢測(包括檢測巖體灌漿補強施工質(zhì)量, 檢測混凝土灌注樁完整性,檢測與評價(jià)地面混凝土構筑物強度, 檢測地面混凝土構筑物缺陷, 檢測邊坡、洞室巖體爆破后松動(dòng)范圍, 檢測噴錨支護法噴射混凝土厚度等)。

 

  1 .4 .2  重力勘探

 

  重力測量是通過(guò)野外觀(guān)測, 獲得有關(guān)地質(zhì)體或地質(zhì)構造產(chǎn)生的重力異常, 然后通過(guò)分析研究這些重力異常的變化規律, 以達到解決有關(guān)地質(zhì)問(wèn)題的一種地球物理探測方法。重力測量在土木工程、環(huán)境地質(zhì)勘查等淺層探測方面的應用直到70 年代以后出現高精度(微伽級)重力儀后才成為現實(shí)。

 

  在災害地質(zhì)調查中微重力方法可用于探測近地表巖溶、洞穴, 探測廢礦山巷道以及規模較小的斷裂、斷層等地質(zhì)構造, 探測煤礦陷落柱及地下采空區, 勘探凍土。在水庫、礦山巷道可以用微重力動(dòng)態(tài)監測因巖層受力變化而可能誘發(fā)的巖爆, 它還可用于滑坡、地面沉降及煤田火區的監測。然而, 由于方法本身的局限性, 如受各種干擾因素的影響強烈, 測量成本較高、野外作業(yè)復雜以及探測目標重力異常微弱等, 在一定程度上限制了該方法的應用。

 

  1 .4 .3  氡氣測量

 

  位于鈾系中的氡(22286 Rn)是一種放射性惰性氣體, 其半衰期較長(cháng), 活動(dòng)性強而化學(xué)性質(zhì)穩定, 易溶于水。凡是有物質(zhì)存在的地方都存在氡, 只是濃度不同而已。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 人們對氡氣的認識也不斷深化, 氡氣在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域中的應用在不斷擴大。近20 年來(lái), 測氡被用于地質(zhì)災害和環(huán)境研究中, 引起了世人的關(guān)注。

 

  氡測量在地質(zhì)災害勘查中可用于查明斷裂構造, 預報滑坡, 探測巖溶塌陷, 探測地裂縫, 在礦山地質(zhì)災害勘查中可用于探測地下采空區、勘查煤田自燃火區的范圍、探測煤礦斷層裂隙帶、探測巖溶陷落柱等。氡氣本身也可以形成地質(zhì)災害, 同時(shí)有關(guān)研究證實(shí), 氡是導致肺癌的一個(gè)重要因素, 因此氡氣測量得到關(guān)注。

 

  2  目前存在的一些問(wèn)題

 

  目前在地質(zhì)災害地球物理勘查過(guò)程中應特別注意以下幾方面的問(wèn)題。

 

  (1)以往對地質(zhì)災害的勘查研究, 多是在發(fā)災后以被動(dòng)、應急、營(yíng)救的形式進(jìn)行工作, 缺乏超前性、全面性、預見(jiàn)性, 缺少總體控制。只有全面深入掌握我國地質(zhì)災害的分布、發(fā)展規律, 及其類(lèi)型、成因, 才能有效地防治地質(zhì)災害。

 

  (2)地質(zhì)災害勘查中, 除了查清影響災害形成和發(fā)展的因素外, 還應注意查明誘發(fā)成災的次要因素。

 

  在特定歷史環(huán)境條件下某些次要因素可能轉化為主要因素, 如地震、洪災誘發(fā)的滑坡、泥石流等。

 

  (3)一般來(lái)說(shuō), 大部分用于礦產(chǎn)勘查的地球物理方法同樣可以用于地質(zhì)災害勘查。但地質(zhì)災害體具有地質(zhì)構造條件復雜, 所處地帶地形起伏懸殊, 場(chǎng)地狹小, 被測目的物的幾何尺寸相對較小(如裂縫、溶洞、斷層破碎帶、滑坡的滑帶)等特性, 因此具體的方法、技術(shù)指標和工作方式有所不同。為適應災害地質(zhì)勘查工作的需要, 勘查時(shí)需將現有的地球物理技術(shù)和方法作適當的改變。同時(shí)應提高常規地球物理方法的分辨率, 設法消除地形影響, 增加勘探深度,加強研究相應的現場(chǎng)測試方法, 完善數據處理功能,研制、引進(jìn)新型儀器。

 

  (4)地質(zhì)災害種類(lèi)較多, 性質(zhì)各不相同, 涉及到的范圍和領(lǐng)域也比較廣泛。因此, 地質(zhì)災害勘查中單靠某一種方法往往難以奏效, 必須采用綜合地球物理方法才能解決地質(zhì)問(wèn)題。不同地球物理方法的綜合應用, 不僅可以解決地表淺層(幾厘米至幾米)的地質(zhì)問(wèn)題, 而且可以解決較深(幾十米至幾百米)層次的地質(zhì)問(wèn)題, 為解決地殼淺部地質(zhì)災害的調查提供了有力的手段和可靠的方法。綜合地球物理方法的應用效果在很大程度上也取決于方法技術(shù)的合理選擇和有效的組合。同時(shí)針對具體地質(zhì)災害問(wèn)題, 應考慮經(jīng)濟條件、約束條件、及弱信息的識別能力等因素, 縮小單一方法資料處理和解釋的多解性。

 

  因此, 應科學(xué)的選擇地球物理的組合方法, 以提高地質(zhì)災害的勘查效果。

 

  (5)目前地球物理方法只用于各種地質(zhì)災害的監測及預報, 今后除監測外應更多地轉向對一些地質(zhì)災害(如泥石流、沙漠化、旱災等)的治理研究, 了解治理的進(jìn)程及其效果。

 

  總之, 地質(zhì)災害的地球物理勘查是一個(gè)前景十分廣闊的領(lǐng)域, 但還需要更多的實(shí)踐和探索, 不斷提高技術(shù)水平, 擴大應用范圍, 提高勘探水平。