地球物理方法在地質災害勘查中的應用

  地質災害是自然災害的主要類型之一, 常見的有斜坡巖土體地質災害(崩塌、滑坡、泥石流), 地面變形地質災害(地面沉降、地面塌陷、地裂縫), 礦井地質災害(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), 土地荒漠化地質災害(沙質荒漠化、水土流失、土地鹽漬化、工礦型荒漠化), 地下水資源惡化, 水土環境異常, 海岸帶地質災害(海水入侵、海岸侵蝕)等類型。中國是世界上地質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、礦山地質災害和土地荒漠化等災害造成的直接經濟損失高達840 億元人民幣, 由于地質環境的惡化而引發或加重的其它自然災害所造成的間接損失更是無法估算。因此, 依靠現代科學技術, 多學科、跨部門聯合攻關, 全面、系統、深入地開展地質災害研究對保護人民生命財產安全, 減輕地質災害損失, 實現社會、經濟的持續發展具有非常重要的意義。

 

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

 

  1  地球物理方法在地質災害勘查中的應用

 

  地質災害地球物理勘查, 從基本原理來說仍是勘測地下介質的某些物理特性(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圍環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點。

 

  1 .1  探地雷達

 

  探地雷達(簡稱GPR)是20 世紀70 年代發展起來的一種用于確定地下介質分布的廣譜電磁法。

 

  自80 年代末90 年代初以來, 隨著信號處理技術和電子技術的飛速發展, 探地雷達在技術裝備上有了突破性的進展, 大大擴展了該方法的應用領域。目前, 探地雷達的應用已拓展到礦產勘查、環境工程、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、地質工程、考古調查、無損檢測、樁基或混凝土檢測等眾多領域。任何地質災害的發生都會在介質(土壤、巖層等)中留下痕跡, 即通常的介質界面, 如地裂縫留下的裂隙、活動斷裂留下的破碎帶、滑坡留下的滑脫面以及塌陷留下的地穴或陷坑等, 這些界面兩側介質的物性差異很大, 致使電磁波穿過該界面時的反射能量發生增減、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等相關信息。探地雷達可用于[ 3] 勘查巖溶塌陷、地裂縫、滑坡、活動斷裂、孤石體及小型不良地質體、地下洞室、煤田自燃區、陷落柱、多年凍土等地質災害。

 

  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勢。

 

  圖1 給出某巖溶探測工區中經鉆探驗證的雷達剖面。從圖中可看出溶洞雷達圖像的特點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, 洞體內雷達波幾乎是沒有反射的, 當溶洞充填了物質時, 則可見一組較短周期的細密的弱反射。溶蝕裂隙與溶洞并無本質上的區別。當溶蝕裂隙擴大到一定程度時便成為溶洞, 當溶蝕裂隙僅僅是充水裂隙時, 由于周圍巖石破碎、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在一定條件下發生物理化學變化、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。

 

  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;完全氧化煤則經過較充分的自燃, 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調查、找礦、找水和解決巖土工程問題的重要勘探方法。它利用巖(礦)石間電磁學性質及電化學性質的差異, 通過觀測和研究人工建立的或天然存在的電磁場空間和時間分布規律, 來勘查地質目標和解決地質問題。在地質災害調查中, 電法是使用頻率最高、應用面最廣和解決問題較好的方法。表1 給出各種電法方法在地質災害勘查中的應用。

 

  1 .3  地震勘探

 

  近年來, 淺層高分辨率地震勘探、面波勘探等技術是針對工程地質問題的挑戰應運而生的地震勘探技術, 這些先進的技術勘查對象廣、施工周期短、費用低、解決問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100 ～ 200m ,被探測對象的規模小, 形態和巖性縱、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, 該方法在地質災害勘查中已獲得廣泛應用, 取得了明顯的社會效益和經濟效益。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等均應用了淺層高分辨率地震勘探。在地質災害勘查中, 淺層高分辨率地震勘探可進行隱伏斷層、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效果, 它可用于查明巖溶區的基巖地質條件和覆蓋層地質條件, 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間剖面及相應的地質解釋剖面, 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時, 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 條測線地震成果剖面展示。

 

  在該剖面上發現斷層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發展起來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法和瞬態法2 種。為了克服這2 種方法中存在的缺點, 又發展了一種新的瑞雷面波勘探方法—瞬態多道瑞雷波勘探技術, 它可以通過多次疊加和多道相關疊加, 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。

 

  凍土是造成各類建筑物基礎變形損毀的一種病害地質體, 分為多年凍土和季節性凍土。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, 大多以工程地質測繪與調查為主要手段, 重點區域采用鉆探方法。實測資料表明[ 6] 面波技術進行凍土勘查具有較好的地質效果。

 

  圖5 和圖6 給出不同測點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, 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查明多年凍土上下限深度、邊界范圍及多年凍土與季節性凍土的存在關系。

 

  1 .4  其它方法

 

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

 

  1 .4 .1  聲波檢測

 

  聲波測量是通過探測聲波在巖土內的傳播特征來研究巖土性質和完整性的一種物探方法, 其信號頻率通常可達n ×103 ～ n ×106Hz 。聲波檢測技術在災害地質中的作用, 可歸結為兩個大的方面:一是災害地質體的勘查, 查明其構造及其有關物理力學參數(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);二是對地質災害防治工程施工過程中的監測及檢測(包括檢測巖體灌漿補強施工質量, 檢測混凝土灌注樁完整性,檢測與評價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

 

  重力測量是通過野外觀測, 獲得有關地質體或地質構造產生的重力異常, 然后通過分析研究這些重力異常的變化規律, 以達到解決有關地質問題的一種地球物理探測方法。重力測量在土木工程、環境地質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。

 

  在災害地質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態監測因巖層受力變化而可能誘發的巖爆, 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, 活動性強而化學性質穩定, 易溶于水。凡是有物質存在的地方都存在氡, 只是濃度不同而已。隨著科學技術的發展, 人們對氡氣的認識也不斷深化, 氡氣在國民經濟各領域中的應用在不斷擴大。近20 年來, 測氡被用于地質災害和環境研究中, 引起了世人的關注。

 

  氡測量在地質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災害, 同時有關研究證實, 氡是導致肺癌的一個重要因素, 因此氡氣測量得到關注。

 

  2  目前存在的一些問題

 

  目前在地質災害地球物理勘查過程中應特別注意以下幾方面的問題。

 

  (1)以往對地質災害的勘查研究, 多是在發災后以被動、應急、營救的形式進行工作, 缺乏超前性、全面性、預見性, 缺少總體控制。只有全面深入掌握我國地質災害的分布、發展規律, 及其類型、成因, 才能有效地防治地質災害。

 

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

 

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

 

  (3)一般來說, 大部分用于礦產勘查的地球物理方法同樣可以用于地質災害勘查。但地質災害體具有地質構造條件復雜, 所處地帶地形起伏懸殊, 場地狹小, 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、技術指標和工作方式有所不同。為適應災害地質勘查工作的需要, 勘查時需將現有的地球物理技術和方法作適當的改變。同時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測試方法, 完善數據處理功能,研制、引進新型儀器。

 

  (4)地質災害種類較多, 性質各不相同, 涉及到的范圍和領域也比較廣泛。因此, 地質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問題。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)的地質問題, 而且可以解決較深(幾十米至幾百米)層次的地質問題, 為解決地殼淺部地質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的合理選擇和有效的組合。同時針對具體地質災害問題, 應考慮經濟條件、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, 應科學的選擇地球物理的組合方法, 以提高地質災害的勘查效果。

 

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

 

  總之, 地質災害的地球物理勘查是一個前景十分廣闊的領域, 但還需要更多的實踐和探索, 不斷提高技術水平, 擴大應用范圍, 提高勘探水平。