物探技術在多年凍土探測中的作用研究

李萬欽

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司勘探工程處，河南平頂山 467099）

物探技術在多年凍土探測中的作用研究

李萬欽

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司勘探工程處，河南平頂山 467099）

本文在對高原地區(qū)多年凍土層地質特性進行分析的基礎上，對多年凍土勘探過程中所采用的幾種典型物探技術功能及應用范圍進行了詳細論述。同時，從實際的凍土勘探工程應用出發(fā)，分析了不同類型物探技術在多年凍土層探測的實際應用效果，為凍土探測技術的應用提供參考。

物探技術；多年凍土；高密度電法；地質雷達法

我國國土面積中有20%以上的多年凍土分布，主要集中于小興安嶺地區(qū)以及青藏高原的高原地區(qū)。這些凍土區(qū)域的分布給基礎建設帶來了諸多不利，例如給凍土區(qū)域的建筑工程以及鐵路工程結構造成不穩(wěn)定影響。加之多年凍土長期受土壤、雨水、坡度、植被以及巖土性質等多種因素的影響，采用單一的鉆孔、地面調查以及坑探等方式不能對凍土的具體分布情況以及形態(tài)作出準確分析。需要根據(jù)多年凍土的地球物理特性，采用綜合物探手段，才能對多年凍土的整體特性進行精確分析。

1 高原地區(qū)多年凍土地質特性

與低海拔地區(qū)相比，高原地區(qū)的地質勘探工作中經常會遇到凍土工程問題。因為多年凍土區(qū)域具有熱穩(wěn)定性較差、地下冰層較厚、凍土中含冰量大、對水熱與氣溫變化極為敏感等特點，導致凍土沿線的工程結構容易出現(xiàn)地基脹縮、融沉等問題，同時還伴隨著冰錐、熱融滑塌、熱融湖塘、凍土沼澤等不良凍土現(xiàn)象的出現(xiàn)，在工程建設過程中一旦處理不當將會造成地基開裂、不均勻沉降、地層斷裂等問題，給工程結構造成極為嚴重的安全隱患。因此，在大型工程建設之前，需要對多年凍土區(qū)域進行高準確度的地質勘探。

以青藏高原多年凍土區(qū)為例，凍土區(qū)域的地層類型以及凍土區(qū)域分布規(guī)律十分復雜，在給凍土區(qū)域研究帶來障礙的同時，也給工程建設形成了阻礙。沿線的巖土類型復雜，包括堅硬巖和軟弱巖類、粗粒土、細粒松散土等。其中的第四系沉積類型包括了殘積物、坡積物、洪積物和風積物、冰水沉積物等。

考慮到高原多年凍土地區(qū)勘察工作的特殊性，要求物探工作在克服地層情況多變、凍土類型多樣和對凍土變化情況認識不足等原因，必須選擇合適的物探技術，以克服勘探過程中的問題，查清凍土分布特征、分布上限以及凍土中冰層的相對含量等，解決工程中存在的滑坡、巖溶、沙漠等不良地質勘測難題。

2 幾種典型的物探技術

當前，地質勘探中所采用的地球物理勘探方法主要包括六種：重力勘探、電法勘探、磁法勘探、地震勘探、地溫勘探、放射性勘探。在實際的勘探過程中可以根據(jù)物探技術的類型采取合適的勘探方法。從物探探測應用范圍來看，可以歸類成為以下三種類型。

2.1 淺層探測技術

探地雷達是工程物探的一項新技術，具有作業(yè)效率高、連續(xù)、無損以及精度高的特點。在施工過程中，采用一體化設備、天線和相配套的軟件組成，按照電磁波在傳播介質中對應的傳播特性，采用寬頻帶短脈沖的方式向介質中發(fā)射高頻電磁波，當電磁波遇到不均勻的介質時，將會反射回部分電磁波，通過利用雷達主機接收得到對應的反射信號，并處理之后進行解譯，最終達到識別凍土層中目標物的目的。

而淺層地震技術則是采用發(fā)射由人工激發(fā)彈性波，并將之在巖層中傳播的方式，按照激發(fā)波在巖層中的傳播特性、返回數(shù)據(jù)等分析得到凍土層結構、性質等信息。

高頻電磁成像技術，通過采用X射線理論，將凍土地層中的物理特性使用地震波數(shù)據(jù)反演的方式進行探測，通過數(shù)據(jù)信息反演的方式得到對應的圖像。

2.2 中深層探測技術

該技術是在上世紀八十年代興起的一種采用主動場源頻率域作為電磁物探勘測依據(jù)的技術，又被稱為高密度電法。該技術具有勘探深度較大的特點，能夠達到2km以上，而且通過頻率調整之后達到不同的需要探測的深度，具有深度測量以及剖面分析的兩項功能，尤其是對凍土層深層部位的地質構造以及深層礦藏資源的探尋有重要作用。在探測作業(yè)過程中只需要移動接收設備就可以進行凍土區(qū)域面積的探測工作，且工作效率高、成本較低。

2.3 深層凍土層高精度測量技術

大地電磁探測技術是深層凍土層高精度測量技術的典型代表，其測量過程中將地球交變電磁場當作場源，能夠探測至地幔，且探測深度不受地層高阻層的屏蔽影響，對高導土層介質具有較強的分辨能力。而且其工作成本相對較低，野外裝備成本較為輕便，在高原油氣勘探、地熱調查以及巖層深部結構分析等有重要應用，但是較少用于凍土地層的分析。

3 物探技術在凍土探測中的應用

從物探方法的具體應用優(yōu)勢來看，淺層探測技術在多年凍土探測中具有較強的優(yōu)勢，尤其以地質雷達、高密度電法等方法為主，這些方法在高原凍土勘探中具有較好的效果。但是，在實際的實施過程中，由于地質結構表層電阻對電磁波產生衰減作用，而且凍土層中的大顆粒會對電磁波造成散射、繞射等損失，使得電極的接地效果不佳，從而使得彈性波的衰減十分明顯。上述方法在不同的地質條件下的應用效果并不相同。

3.1 地質雷達與高密度電法探測方法比較

以某建設與凍土層的建筑結構桿區(qū)域為例，該桿塔的位置所在地層為：0—1.0m的粉狀粘土；1.0-6.0m處為全風化狀的泥質巖土，而下層則全部為強風化泥巖。當采用高密度電法對該凍土地層進行反演之后，從探測結果來看，2-3.58m間的地層電阻率較低(300Ω/M)，且層間連續(xù)性較好，考慮是該范圍內的地層是季節(jié)融化層。3.5-7.0m之間地層的電阻率則明顯增加，是典型的凍土層。當深度超出7.0m之后，土層電阻率開始下降，這表明在2.0-7.0m之間的深度范圍內地層凍土含冰量開始持續(xù)增加。

而在采用地質雷達進行探測時，結果表明地層深度為1.9-2.2m之間的地層出現(xiàn)了較為顯著的高反射層，可以認為這一層是季節(jié)融化層與凍土層之間的界限。但是因為所采用設備的天線分辨率較低，因此使得該地層區(qū)域的冰含量區(qū)域不夠明顯，不能對小顆粒冰粒進行分辨，而只有出現(xiàn)了厚層地下冰時才會有明顯反應。

從上述兩中探測結果來看，在凍土與季節(jié)融化層界限的探測來看，兩者所得到的結果類似，都較為理想。但是，當對凍土層的含冰量進行評價時，高密度電法探測所獲得的地層信息往往會更加準確、豐富。

當采用地質雷達進行凍土層探測時，其精度主要與設備的收發(fā)天線頻率相關，當頻率越高時，所獲得的信號分辨率更高，所得到的探測結果也更高。而且高頻率的天線對多年凍土層與季節(jié)融化層之間的過渡層的探測結果更加精細，但是當其頻率越高時，其在凍土層中的衰減周期也越短，電磁波的傳播深度將降低。當采用高密度電法來提高探測的分辨率時，可以采用減小極距的方式來提高分辨率，但是當該值減小至對應水平之后，其分辨率變化并不明顯，反而會對探測結果負面影響的增加。在具體的探測與實施過程中可以通過現(xiàn)場測試、實驗的方式予以確定。

3.2 不同物探方法在凍土層覆蓋層結構的應用效果

對于有覆蓋層的多年凍土層而言，其上覆蓋層通常是石膏巖、且其表層有一層粉質粘土。通過采用高密度電法探測方法來看，該圖的斷面圖能夠更直觀的反映出石膏巖的埋深狀況，加之在桿塔的中心樁處存在一個垂直的低阻區(qū)域，該區(qū)域可能會對凍土層的石膏巖覆蓋層溶蝕。通過實際的勘探來看，該凍土層確實是溶蝕而引發(fā)的滑動。

當采用瞬態(tài)面波方法進行勘探時，因為地表的碎石土層會使得檢波設備的對地插入狀況不佳，而且成像分辨率較差，導致其在凍土勘探過程中獲得的勘探效果并不明顯。但是，該種方法在在沙漠覆蓋層處能夠獲得良好的檢測效果。

4 結論

高原凍土區(qū)域的工程勘探工作對保證工程結構穩(wěn)定性具有重要意義，而勘探過程中物探手段是必然途徑。實際勘探過程中，以為勘探路徑較長，而且凍土層所覆蓋的地形、地貌十分復雜，不能完全采用單一的物探方法對之進行探測，否則不能滿足實際的工程應用。通過上述的分析結果，得到多年凍土探測中所采用的幾種方法：

4.1 多年凍土勘探過程中采用地質雷達、高密度電法探測效果較佳，而當采用瞬態(tài)面波探測效果時，其一直受到分辨率因素的限制，而且整體精度效果較低。在實際的勘探過程中，由于受到施工效率的影響，因此多年凍土勘探工作采用地質雷達法為主，而高密度電法則可以作為輔助方法。

4.2 當多年凍土地層發(fā)生橫向變化，而且多年凍土層地表處容易設置檢波器設備時，可以采用瞬態(tài)面波方法對凍土地層進行合理劃分，再使用滑動面勘探技術，能夠獲得較好的效果。

4.3 對于不同的勘探方法，在野外勘探施工過程中要結合具體的地質情況，合理選擇、驗證，選擇最終的勘探參數(shù)。

[1]俞祁浩,白吻,金會軍.應用探地雷達研究中國小興安嶺地區(qū)黑河一北安公路沿線島狀多年凍土的分布及其變化[J].路基工程，2008(03).

[2]鄧小燕,王通.探地雷達探測中對媒質相對介電常數(shù)的測定[J].物探與化探,2009(01).

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1003-5168(2014)04-0045-02