地質雷達在地質災害勘查中的應用

梁明 閉遺山

摘要：我國南方發(fā)生的滑坡、泥石流、巖溶塌陷等地質災害，嚴重威脅人民的生命和財產(chǎn)安全，對這些地質災害體空間分布的勘查和研究十分重要。在滑坡勘查區(qū)，通過地質雷達探測，較準確推斷出滑坡巖土體結構和滑動面位置；在泥石流勘查區(qū)，對于泥石流溝谷堆積物及其附近兩側山體的松散覆蓋層，可以有效進行地層劃分和深度解譯，為判斷泥石流的規(guī)模提供了重要依據(jù)；在巖溶塌陷區(qū)，利用三維地質雷達探測技術，較準確推斷出隱伏土洞的空間分布形態(tài)，為巖溶塌陷的監(jiān)測和防治提供較可靠的依據(jù)，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：三維地質雷達；滑坡；泥石流；巖溶塌陷

Application of GPR in geological hazard exploration

Liang Ming1，Bi Yishan2

1.Guangxi Zhuang Autonomous Region geological environment monitoring station，Guilin 541004，China 2.Geology Team No.4 of Guangxi Zhuang Autonomic Region，Nanning 530033，China

Abstract： Geological disasters such as landslides，debris flows and karst collapses occur frequently in the south of China，which seriously threaten the safety of peoples lives and properties. It is very important to investigate and study the spatial distribution of these geological disasters. In the landslide exploration area，the structure of landslide rock and soil mass and the position of sliding surface can be accurately inferred through GPR detection；in the debris flow exploration area，the GPR can effectively divide the strata and interpret the depth of the debris flow gully deposits and the loose overburden of the mountains on both sides nearby，which provides an important basis for judging the scale of debris flow；in the karst collapse area，the three methods are used The 3D GPR detection technology can accurately infer the spatial distribution of the hidden soil cave，which provides a reliable basis for the monitoring and prevention of karst collapse and has a broad application prospect.

Key words： 3D GPR；landslide；debris flow；karst collapse

1.引言

地質災害是指在自然或者人為因素的作用下形成的，對人類生命財產(chǎn)、環(huán)境造成損失的地質作用（現(xiàn)象）。為了減小地質災害所帶來的破壞，需要對其進行探測研究。近年來，伴隨著地球物理方法的不斷豐富和完善，地球物理勘查技術也得到了迅猛發(fā)展[1-4]。在對地質災害進行勘查和監(jiān)測過程中，地球物理方法的作用日益突出，并取得了良好的效果。地質雷達探測是一種先進的測試技術，是近十余年發(fā)展起來的地球物理高新技術方法，以其分辨率高、定位準確、快速經(jīng)濟、靈活方便、剖面直觀、實時圖像顯示等優(yōu)點，被廣泛應用于地質災害勘查工作中。本文以廣西地區(qū)頻發(fā)的滑坡、泥石流、巖溶塌陷等地質災害為研究對象，論述二維或三維地質雷達技術在上述地質災害探測中取得的良好效果。

2.地質雷達方法概述[5]

地質雷達（GPR）是通過發(fā)射天線向探測體內(nèi)發(fā)射電磁波，利用接收天線接收來自目標體界面的反射波。根據(jù)電磁波傳播理論，電磁波在穿過層狀介質時，遇到上下不同介質層，電磁波產(chǎn)生折射與反射，由接收天線接收介質反射的回波信息，經(jīng)計算機對接收的信號及信息進行分析處理。當電磁波在介質傳播過程中，其傳播速度V主要是由介質的介電常數(shù)ε1決定。電磁波在介質面的折射與反射特征，由折射系數(shù)T和反射系數(shù)R表示。對于非磁性介質，電磁波垂直入射時，可由下式表示：

三維探地雷達的工作原理與單道雷達一樣，只是它需要很多對天線，進行高密度數(shù)據(jù)采集，獲得地下空間的高精度圖像。

3.應用實例

3.1地質雷達在滑坡勘查中的應用

滑坡勘查區(qū)位于廣西田林縣舊州鎮(zhèn)舊州村，上覆為第四系殘坡積黏土，含水量較大，相對介電常數(shù)大，電磁波衰減快；下伏基巖為三疊系蘭木組（T2l）粉砂質泥巖，透水性差，相對介電常數(shù)小，電磁波能量衰減慢。滑坡勘探目的層（滑動面）上、下巖土體存在介電常數(shù)差異，為地質雷達探測滑坡巖土體結構和滑動面位置提供了地球物理前提條件[6-8]。

滑坡探測采用瑞典MALA公司生產(chǎn)的地質雷達ProEx主機，選擇中心頻率為50MHz天線進行探測。沿著主滑帶方向布置3條測線，考慮文章篇幅原因，僅選擇其中一條測線進行推斷解釋。原始數(shù)據(jù)使用Reflexw軟件進行背景消除濾波、自動增益補償、地形改正等處理后得到地質雷達探測時域波形剖面影像圖。

在地質雷達探測時域波形剖面影像圖上（圖1），呈現(xiàn)三層差異明顯的反射層：第一層深度0m～1.2m，其波形表現(xiàn)為均勻連續(xù)強反射層，推測為第四系殘坡積粉質黏土；第二層深度1.2m～4.5m，反應為強烈的雜波面反射，推測為全—強風化粉砂質泥巖；第三層深度4.5m以下，其波形表現(xiàn)為均勻連續(xù)弱反射層，推測為未發(fā)生滑移的微—中風化粉砂質泥巖?；瑒用娉收劬€型，位于全—強風化粉砂質泥巖與微—中風化粉砂質泥巖之間的風化差異帶上。

后期在滑坡上布置的3處驗證鉆探所揭示的滑坡地質結構與地質雷達探測結果基本吻合，驗證地質雷達在滑坡勘查中具有良好的效果。

工作區(qū)位于廣西那坡縣龍合鄉(xiāng)宋平村，地質雷達沿泥石流發(fā)育溝谷及其附近兩側山體布置測線，目的是查明泥石流溝谷堆積物厚度及其附近兩側山體第四系松散覆蓋層厚度。探測設備采用瑞典MALA公司生產(chǎn)的地質雷達ProEx主機，選擇中心頻率為50MHz天線進行探測。圖2為泥石流勘查區(qū)內(nèi)地質雷達典型剖面圖。依據(jù)地質雷達圖像的三振相特征分析，上部界面清晰，正反相位成組出現(xiàn)，層面較連續(xù)，振幅較強，推測為堆積體或松散覆蓋層；下部振幅較弱，反射波不明顯，推測為完整基巖層。

后期探槽揭示的地質結構與地質雷達推斷結果基本一致?？梢妼τ谀嗍鳒瞎榷逊e物及其附近兩側山體的松散覆蓋層，地質雷達可以有效進行地層劃分和深度解譯，為判斷泥石流的規(guī)模提供了重要依據(jù)。

3.3地質雷達在巖溶地面塌陷調(diào)查中的應用

理論上，空洞的相對介電常數(shù)為1，與周圍土體的相對介電常數(shù)（6～40）差異明顯，為三維地質雷達探測巖溶塌陷區(qū)隱伏土洞的空間分布形態(tài)提供了地球物理前提。

巖溶塌陷區(qū)位于廣西貴港市港北區(qū)北環(huán)新村，使用瑞典MALA公司生產(chǎn)的MIRA三維雷達系統(tǒng)，采用天線中心頻率為200MHz進行探測。利用三維探地雷達系統(tǒng)處理解釋軟件對數(shù)據(jù)進行預處理、三維偏移處理、地形校正、屬性處理等操作，獲得三維雷達圖譜?？斩串惓^(qū)在三維雷達圖譜上通常為反射信號能量強，反射信號的頻率、振幅、相位變化異常明顯，下部多次反射波明顯，邊界可能伴隨繞射現(xiàn)象。

圖3為三維地質雷達不同深度典型剖面圖，其中1線顯示在里程樁號49m～52m，深度0.52m～2.22m范圍內(nèi)存在空洞異常區(qū)；2線顯示在里程樁號8m～14m，深度1.09m～3.92m范圍內(nèi)存在空洞異常區(qū)，這2處異常后經(jīng)開挖得到了驗證。本次三維雷達在測區(qū)內(nèi)總共布置13條測線，發(fā)現(xiàn)8處空洞異常區(qū)，繪制了土洞平面分布圖（圖4），為巖溶塌陷的監(jiān)測和防治提供較可靠的依據(jù)。

4.結論

地質雷達在滑坡、泥石流、巖溶塌陷等地質災害體探測中，由于被探測對象存在介電常數(shù)差異，使地質雷達成功探測具備物理前提條件。通過二維地質雷達探測，能較準確推斷出滑坡的巖土體結構和滑動面位置，以及泥石流溝谷堆積物及其附近兩側山體的松散覆蓋層厚度；三維地質雷達在巖溶塌陷區(qū)較準確地探測出隱伏土洞的空間分布形態(tài)。三個實例說明地質雷達在滑坡、泥石流和巖溶塌陷等地質災害勘查中，具有良好的探測效果，應用前景廣闊。

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