高密度電阻率法及探地雷達在淺層地質(zhì)探測中的應(yīng)用

范國瑋 范國棟

摘要： 高密度電阻率法集電測深和電剖面裝置于一體，在工程地質(zhì)勘查中應(yīng)用廣泛，但在淺層地質(zhì)研究中綜合物探方法對比分析的實例較少。本文將高密度電阻率法分別應(yīng)用于滑坡和巖溶風險區(qū)塊，采用溫納-斯倫貝謝裝置獲取了實測數(shù)據(jù)并反演出地電模型，并在巖溶發(fā)育區(qū)進行高密度電阻率法和地質(zhì)雷達效果對比研究，通過對研究區(qū)內(nèi)地體的地球物理特征和實際地質(zhì)狀況綜合分析，對本區(qū)表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)有了較為精確的認識，并對本區(qū)地表的地質(zhì)風險狀況做出合理的評估。

Abstract： The high density resistivity method is a combination of current collecting sounding and electrical profile devices， and it is widely used in engineering geological exploration. However， there are few examples of comprehensive geophysical prospecting methods in shallow geological studies. In this paper， the high-density resistivity method is applied to the landslide and karst risk blocks respectively， and the measured data and the inversion of the geoelectric model are obtained by using the Winner-Schlumberger device， and the comparison of high-density resistivity method and geological radar effect in karst area is studied. Through a comprehensive analysis of the geophysical characteristics and actual geological conditions of the land in the study area， it has a more accurate understanding of the surface geological structure of the area， and makes a reasonable assessment of the geological risk of the surface of the area.

關(guān)鍵詞： 高密度電阻率電法；溫納-斯倫貝謝裝置；探地雷達；滑坡；溶洞

Key words： high density resistivity electrical method；Winner-Schlumberger device；ground penetrating radar；landslide；cave

中圖分類號：TN95 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）16-0237-04

0 引言

滑坡是指斜坡上的土體或者巖體，受河流沖刷、地下水活動和地震等因素影響，在重力作用下沿著一定的軟弱面順坡向下滑動的現(xiàn)象[1]。溶洞是地下水沿著可溶性巖石的層面、節(jié)理或斷層進行溶蝕和侵蝕而形成的地下孔道。在工程建設(shè)、油氣管線建設(shè)等項目的實施中必須極力避免滑坡、塌陷等潛在地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，避免鉆探工程鉆遇巖溶等不良地質(zhì)體，因此需要對擬建設(shè)工區(qū)的滑坡風險做出評估。本文選用高密度電阻率法進行滑坡風險分析，并運用高密度電阻率法和探地雷達在巖溶發(fā)育區(qū)進行對比研究，獲取電阻率剖面和雷達反射剖面，對溶洞潛在發(fā)育區(qū)進行更為精確合理地探測，為地質(zhì)災(zāi)害的風險評估提供可靠的依據(jù)。

1 高密度電阻率法及探地雷達特性

電阻率法是基于巖土體的導電性差異通過觀測人工建立的地下電流場分布規(guī)律來進行能源勘查和解決地質(zhì)問題的一種主動源電法勘探方法，對巖體性質(zhì)（巖石風化、破碎或裂縫）、含水量、粘土帶和飽水帶較為敏感。高密度電阻率法實際上屬于直流電阻率法，基本原理與傳統(tǒng)普通直流電阻率法相同，不同的是它的裝置是一種組合式剖面裝置，集電剖面和電測深法優(yōu)勢于一體，同時探測地下一定深度范圍內(nèi)橫向和垂向的電性變化特征，其探測深度與測線長度成正比，可探測上百米深地體的電性特征，影響測深的因素主要有測線長度、電極間距、隔離系數(shù)、上覆低阻層電性和厚度等。[2]高密度電阻率法可以用視電阻來反應(yīng)出地質(zhì)體的電性差異性分布，通過分析視電阻率的分布規(guī)律，我們可以判斷地質(zhì)體的埋深、位置、規(guī)模、形狀等信息。由于其一次布極可以獲得更豐富的信息，并有觀測精度高，觀測速度快，探測深度較大且應(yīng)用靈活方便等優(yōu)點，所以在工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘查中獲得了應(yīng)用廣泛[3]。高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理流程簡圖如圖1所示。

探地雷達又稱地質(zhì)雷達，是一種電磁探測技術(shù)，它的工作原理是基于電磁波在不同介質(zhì)中傳播存在電性差異，通過發(fā)射天線向地下發(fā)射高頻電磁脈沖波，電磁波在經(jīng)過目標體表面后產(chǎn)生反射或者透射，再通過接收天線進行接收，而電磁波在傳播過程中隨著地質(zhì)體介電性質(zhì)和幾何形態(tài)等各種因素的變化而發(fā)生變化，因此可以根據(jù)接收到反射電磁波的時間、波形特征等信息來推測目標體的性質(zhì)、幾何形態(tài)和深度等特征信息[4-5]。同時，相位、幅度和旅行時等參數(shù)特性為研究地下溶洞、裂縫等地質(zhì)特征提供了更為準確的判斷依據(jù)[6]。

目前地質(zhì)雷達探測系統(tǒng)普遍采用自發(fā)自收天線和連續(xù)觀測方式。自發(fā)自收天線即將發(fā)射天線和接收天線裝配在一起，因此二者間距離很小，與探測深度相比較，可近似為零，自發(fā)自收采集方式也就相當于采集地下垂直反射的電磁波[7]。

2 某區(qū)滑坡調(diào)查實例

2.1 工區(qū)概況

在西南某地工程建設(shè)時，需要對施工區(qū)域潛在的各類地質(zhì)風險進行評估，以保證后續(xù)工程建設(shè)的穩(wěn)步進行，排除可能的風險因素，確保工程質(zhì)量?，F(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)該區(qū)域內(nèi)分布有第四系松散堆積物，表層多為厚度不等的碎石及土層，出露砂巖地層，測區(qū)內(nèi)植被分布較廣。為了能夠經(jīng)濟、高效地獲得滑坡體的縱、橫向發(fā)育及展布的情況，查明滑坡體空間形態(tài)特征、滑動面埋深、可能與滑坡發(fā)育相關(guān)的斷裂情況，采用高密度電阻率法對本區(qū)進行探測。

2.2 測線布置及儀器檢測

本次滑坡風險調(diào)查對坡體進行了高密度電法勘探工作。為查明滑坡體的厚度、結(jié)構(gòu)、以及不同電性體的空間展布情況，野外布線沿預計滑坡體走向垂直方向上布置三條測線（圖2），圖中白色圓圈范圍為潛在的滑坡災(zāi)害區(qū)域，藍色線框為擬建設(shè)施工位置，紅色線條為進行高密度電法調(diào)查滑坡的測線位置。電法勘探儀器采用重慶奔騰數(shù)碼有限公司生產(chǎn)的WDJD-4高密度電法儀，采集方式考慮到測區(qū)滑坡體地表條件復雜，結(jié)合施工方在此區(qū)域多年的勘探經(jīng)驗，選取相對于偶極—偶極裝置、溫納裝置在該區(qū)表現(xiàn)抗干擾能力更強的施倫貝爾裝置。3條剖面每條剖面布置60根電極，電極距8m。

觀測開始前，對儀器的工作狀態(tài)進行檢測，并檢查多功能數(shù)字直流電法儀及多路電極轉(zhuǎn)換器的電壓情況，保證儀器的正常工作狀態(tài)。為了減小接地電阻對觀測精度的影響，觀測前均對各個電極的接地情況進行檢測。對接地電阻偏大的電極，通過澆鹽水等方法改善其接地條件，直至達到要求后進行觀測。觀測結(jié)束后，實時導出數(shù)據(jù)進行現(xiàn)場分析判斷，如有異常點則按對應(yīng)位置進行實地調(diào)查，分析異常原因。

2.3 高密度電法斷面特征及解釋

通過高密度電阻率法進行近地表探測獲得視電阻率數(shù)據(jù)體，反演獲得電阻率剖面（圖3）。圖3所解釋滑坡體為本區(qū)主要滑坡，縱剖面前后緣高差近120m。從圖3可以看出，該滑坡體地表電阻率為120～750Ω·m，厚度范圍20～40m；下部電阻率為30～80Ω·m；同時可以看出，坡體左端相對于下部有高電阻率異常，電阻率值100～300Ω·m，而坡體右端有一明顯的較高阻異常帶分布與下伏低阻體上。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘對本區(qū)地表的認識及巖層出露狀況，結(jié)合高密度電阻率剖面綜合分析認為本區(qū)地表為松散的塊石、碎石土及風化砂巖高阻層，厚度20～40m不等，下部為含水砂巖低阻層，而左下部的相對高阻似侵入體應(yīng)為致密砂巖體?；麦w滑移面一般順著巖層層面，且滑坡體與基巖之間視電阻率差異較大，依據(jù)地電斷面中各電性層的分布情況可以推測滑移面的分布位置如圖中紅色虛線所示[8]。剖面從左往右存在2個滑脫面，其中左端滑脫面范圍相對較小，滑動面傾角約15°，右部范圍較大的滑脫面從上至下角度逐漸變緩，其中上部滑動面傾角約31°，下部滑動面傾角約6°。

滑脫面傾角為潛在滑坡風險的一個重要參數(shù)，郭芳芳等2008年以鄂爾多斯及其周緣為研究區(qū)，定量分析了地形起伏度和滑坡之間的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)滑坡集中發(fā)育地區(qū)的坡度為 10～18°， 在此范圍內(nèi)滑坡占研究區(qū)所有滑坡總數(shù)的 48.5%[9]。而降雨強度則是滑坡災(zāi)害預警的一個重要指標，在連續(xù)幾日降雨的影響下，滑坡風險區(qū)未發(fā)生災(zāi)害是由于滑坡的滯后性特點，此時發(fā)生滑坡的潛在風險受前期有效降雨強度控制，若前期有效降雨強度達到臨界閾值，則會發(fā)生滑坡，且發(fā)生的概率與前幾日有效降雨量相關(guān)，而當日降雨量可以很小甚至接近于0mm[10]。本區(qū)第一滑脫面傾角為15°，上部為破碎致密砂巖體，在降雨的影響下地表水更容易通過地表巖層風化破碎及節(jié)理縫隙滲流至地下致密砂巖層上部并富集，從而使滑脫面激活，滑坡災(zāi)害風險增大。第二滑脫面整體趨勢較為平緩，傾角小且滑脫面上下兩側(cè)地體電阻率漸變，沒有巖性突變異常的指示，因此無論是降雨還是小型地震都不易激活滑脫面，滑坡風險較小。

3 巖溶區(qū)綜合對比研究實例

3.1 工區(qū)概況

某區(qū)油氣管線建設(shè)項目中，管線定向鉆穿越城鎮(zhèn)、山體等障礙物時，由于鉆孔取芯不能完全查明地下溶洞及裂隙的分布，造成穿越過程中的漏漿、冒漿現(xiàn)象，對施工進度、安全以及當?shù)氐沫h(huán)境造成負面的影響。為了幫助施工隊伍查明穿越區(qū)的地質(zhì)情況，為定向鉆穿越提供參考依據(jù)，采用用高密度電法和地質(zhì)雷達法聯(lián)合勘探，以查明區(qū)內(nèi)的溶洞及裂隙分布，并確定其大小及分布位置情況。通過對高密度電阻率法和探地雷達兩種方法野外采集的物探數(shù)據(jù)進行處理解釋，綜合分析勘探結(jié)果，達到探明管線穿越區(qū)淺部地質(zhì)信息的目地。

3.2 探測成果及解釋

通過視電阻率剖面和雷達波形剖面進行對比，選取幾處典型電性及雷達反射波異常段進行分析。 A區(qū)在視電阻率剖面圖上顯示為低阻異常，電阻率為30～80Ω·m，初步推斷可能與含水地層有關(guān)。而在相應(yīng)的地質(zhì)雷達剖面上此處電磁波反射能量急劇減弱，同相軸非常不明顯，導致此區(qū)域兩側(cè)同相軸失去連續(xù)性。由常見介質(zhì)的介電常數(shù)表可知，水的電導率遠高于灰?guī)r、砂巖等巖石，因而探地雷達對水十分敏感，雷達電磁波對水或含水率高的介質(zhì)的反射強烈、反射波強度大且雷達波通過含水體后，高頻成分被吸收，反射波的優(yōu)勢頻率降低[6]，因此綜合推斷此處可能為含水破碎帶。

圖6B區(qū)域在測線500～600m范圍內(nèi)，在視電阻率剖面上顯示為若干小的低阻體，呈垂向分布，在雷達剖面上存在同相軸的錯斷，應(yīng)為裂隙發(fā)育的顯示，同時有單峰狀反射，疑似為溶洞，具體原因還待進一步探討。C區(qū)域在測線750～880m范圍內(nèi)，視電阻率剖面中顯示為低電阻，電阻率范圍10～40Ω·m，對比地質(zhì)雷達剖面，C區(qū)域在此處顯示為明顯的雙曲線反射特征且其旁側(cè)有同相軸錯位的反射特征，認為此處應(yīng)該是溶蝕區(qū)域，有裂隙及溶洞存在且被水充填[7]。

同時在本區(qū)450m、625m和1020m處進行了的鉆孔驗證，孔深20m，巖心顯示為沙土混層和破碎灰?guī)r、極破碎灰?guī)r。結(jié)合鉆孔資料認為該段施鉆主要難點為局部上凸的高承壓沙土混層和發(fā)育密集的溶蝕及裂隙，定向鉆部對穿越位置進行了調(diào)整，對無法規(guī)避的地段提前采取相應(yīng)措施，有效減少了冒漿、漏漿的發(fā)生。

4 結(jié)論

①通過應(yīng)用高密度電阻率法，能夠?qū)聟^(qū)域坡體的地質(zhì)情況做出可靠的推斷，研究區(qū)以碎石土、致密砂巖、含水砂巖為主，受巖層（巖土）中含水量、粘土含量以及塊石含量的影響，組成滑坡體物質(zhì)的電阻率大小有明顯差異。通過采用高密度電法勘探，建立合適的反演模型，能夠較準確地劃分各電性界線，并能夠在斜坡方向形象地反映出滑坡體和滑動面的分布。②高密度電阻率法對滑坡地區(qū)的探測具有其獨特的優(yōu)勢，可以清晰地探明滑脫面的形態(tài)及展布情況，其對巖溶破碎帶的探測效果良好，但也有一定的局限性，在淺部含水地層應(yīng)用不能精確判斷溶洞發(fā)育區(qū)；地質(zhì)雷達不能夠判定溶洞的充填性質(zhì)和界面形態(tài)，但在溶洞發(fā)育區(qū)有明顯的波形異常體現(xiàn)，綜合二者的異常特征，可以為巖溶破碎地區(qū)做更為精確可信的地質(zhì)評估，從而規(guī)避潛在工程風險。

參考文獻：

[1]鄭書彥，李占斌.滑坡侵蝕研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2005.

[2]徐興倩，蘇立君，梁雙慶.地球物理方法探測滑坡體結(jié)構(gòu)特征研究現(xiàn)狀綜述[J].地球物理學進展，2015，30（3）：1449-1458.

[3]郭秀軍，賈永剛，黃瀟雨，等.利用高密度電阻率法確定滑坡面研究[J].巖石力學與工程學報，2004，23（10）：1663-1669.

[4]余洋，許獻磊，張志鵬，等.探地雷達在礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查中的應(yīng)用探討[J].煤炭工程，2017，49（10）：145-148.

[5]章雪松，鐘宙燦，張展，等.探地雷達與高密度電阻率法在采礦空洞探測中的綜合應(yīng)用[J].工程地球物理學報，2017，5（14）：606-611.

[6]熊春發(fā)，潘隆武，楊庭偉.地質(zhì)雷達巖溶預報中的多參數(shù)分析方法研究[J].中外公路，2017，37：61-63.

[7]王亮，李正文，王緒本.地質(zhì)雷達探測巖溶洞穴物理模擬研究[J].地球物理學進展，2008，23（1）：280-283.

[8]孔繁良，陳超，孫冠軍.高密度電法在清江水布埡庫區(qū)滑坡調(diào)查中的應(yīng)用[J].工程地球物理學報，2008，5（2）：201-204.

[9]郭芳芳，楊農(nóng)，孟暉，等.地形起伏度和坡度分析在區(qū)域滑坡災(zāi)害評價中的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)，2008，35（1）：131-143.

[10]吳益平，張秋霞，唐輝明，等.基于有效降雨強度的滑坡災(zāi)害危險性預警[J].地球科學--中國地質(zhì)大學學報，2014，39（7）：889-895.