综合物探方法在地质灾害评估中的应用_彭青阳.pdf

引言工程领域中岩溶、裂隙发育，大部分岩溶、裂隙可视为不良地质体，这种不良地质体可引发地质灾害。岩溶、基岩裂隙发育的存在易引起地基形变、地基不均匀沉降、地基滑动和地面塌陷1-2。近年来，随着国家的发展和进步，工程建设不断发展和深入，成为了关系民生的重要项目，而不断发生的工程事故已经严重威胁到人民生命和财产的安全，所以对于工程灾害的预防越来越重要3。但由于在较小特定的范围内，不良地质体发育具有不确定性、随机性及隐蔽性，给区内不良地质体的分布及其发育情况的详查带来很大的困扰，而仅依靠钻探方法难以达到理想的效果4。探测不良地质体多以物探为主，结合钻探验证。目前，主要方法有高密度电法、瞬变电磁法、探地雷达法、人工源瞬态面波及浅层地震勘探。虽然探测不良地质体的物探方法有很多种，但各有优缺点，近年来高密度电阻率法在探测采空区及地面塌陷区方面广泛应用，其显著特点是施工快捷、节约成本、数据量大、分辨率高、抗干扰能力强、图像直观，但其探测深度仅限于中浅部，且对地形条件要求较高5；瞬变电磁法具有探测成本低、工作效率高、受地形影响小、能穿透高阻覆盖层等优势，但存在浅部探测盲区6-7；探地雷达法工作效率和精度较高，但探测深度有限8；人工源瞬态面波对场地适应性强，主频一般几到几十赫兹，浅层分辨率高，操作简单，处理方便，但受能量限制，勘探深度较浅；能量较强的人工震源在城市勘察中不便施工9-11。1物探方法1.1 高密度电法高密度电法的基本工作原理与常规电阻率法大体相同，以岩土体的电性差异为基础，采用一次阵列布极方式，利用程控多路转换器和微机电位仪组合方式，实行不同装置类型和不同极距的断面或立体视电阻率测量，兼顾了电阻率剖面和电阻率测深法，达到断面或立体勘查的目的。1.2 人工源瞬态面波勘探人工源瞬态面波勘探是利用瑞雷波的特征进行勘探。弹性波理论分析表明，在层状介质中，瑞雷波是由SV波与P波干涉而形成，其能量主要集中在介质表面附近，能量的衰减与 R1/2成正比（R 为传播距离），比体波（P波和S波）衰减慢得多。传播过程中，介质的质点运动轨迹为长轴垂直于地面、逆时针方向旋转的极化椭圆，并以高度约1个波长（R）的圆柱体为波前面向外扩散传播。1.3 探地雷达法探地雷达法是利用探地雷达发射天线向目标体发射高频脉冲电磁波，由接收天线接收目标体的反射收稿日期：2022-5-10作者简介：彭青阳，(1990)，男，安徽阜阳人，工程师，主要从事地球物理勘探工作。E-mail：摘要：不良地质体是工程建设中频繁遇到的一种典型地质灾害，它给工程建设带来了极大的安全隐患，严重威胁到人民生命和财产的安全。本文以江苏某废弃矿坑为研究对象，运用高密度电法、人工源瞬态面波及探地雷达探测采坑周边及坑壁周围的围岩稳定性。文中简要介绍了高密度电法、人工源瞬态面波、探地雷达的工作原理、方法特点、数据采集和数据处理，并对数据进行了解释。通过以上三种方法相互验证、相互补充，查明了采坑周边及坑壁周围的地质构造、地层岩性变化及围岩稳定性，为后期地质灾害治理提供科学依据。关键词：地质灾害；不良地质体；高密度电法；人工源瞬态面波；探地雷达中图分类号：P631.3文献标志码：A综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用综合物探方法在地质灾害评估中的应用彭青阳，徐洪苗，胡俊杰，段春龙（安徽省地质矿产勘查局327地质队，安徽合肥230011）343-4安徽地质2022年电磁波，探测目标体空间位置和分布的一种地球物理探测方法。其实际是利用目标体及周围介质电磁波的反射特性，对目标体内部的构造和缺陷（或其他不均匀体）进行探测。2工程实例江苏某废弃矿坑修复旅游综合开发项目用地由目前已废弃的两个矿坑宕口和周边部分农田构成。矿区始建于20世纪五六十年代，主要开采建筑石材，经过多年开采形成2个直径为500 600 m的深坑，坑深90 m左右，20092010年石材矿停止开采，矿坑废弃，坑内自然积水。根据现场踏勘，本次物探工作拟投入高密度电法、人工源瞬态面波勘探及探地雷达法三种方法，查明基岩内部结构及其完整破碎程度。2.1 测区区域地质背景测区处于扬子地块下扬子构造活动带的东段，地质构造比较复杂，印支期褶皱和燕山期岩浆、断裂作用奠定了本区地质构造基本格架。测区出露地层，由上到下依次为第四系全新统（Q4）黏土、石炭系上统船山组（C3c）灰岩、石炭系中统黄龙组（C2h）灰岩、石炭系下统高骊山组（C1g）泥质砂岩。2.2 测区工程地质条件测区岩层岩性为石炭系的中厚层状灰岩，产状平缓，平均抗压强度为120 MPa，工程地质条件较好。但由于岩性坚脆，时代较老，历史开采坡面较陡，近地表附近垂直节理发育，常形成较多的溶沟、石芽，这些因素影响了山坡的稳定性，易发生滑坡、崩塌等地质灾害。2.3 测区地球物理特征地球物理条件是开展物探工作的基础，场地地形条件是顺利开展物探工作的保证，不同的物探方法对地形地质条件有不同的要求。2.3.1 电阻率及电性层测区第四系黏土、粉质黏土的电阻率相对于石炭系上统船山组（C3c）的灰岩及侵入体花岗斑岩表现为低阻特征。视电阻率值由大到小依次为灰岩、花岗斑岩、第四系。完整基岩的电阻率较高，在构造裂隙或岩溶裂隙发育地段，由于基岩破碎或岩溶发育充填黏性土，电性差异会比较明显。2.3.2 电磁参数探地雷达是通过脉冲电磁波在地下的辐射、散射和反射所携带的地下电磁参数来判断地下目标的分布与存在。表 1列举的常见地质体的电磁波速参数差异较大，有利于地质雷达探测。表1常见介质物理参数Table 1.Physical parameter of common medium媒质淡水湿砂泥砂黏土灰岩相对介电常数r80203053054048电导率/(ms/m)0.50.111100210000.52.0电磁波速V/(m/ns)0.0330.060.070.070.110.12衰减系数/(db/m)0.10.030.311000.060.412.3.3 剪切波速根据测区前期的勘察资料，黏土、粉质黏土及碎石土的剪切波速Vs值为130 500 m/s，灰岩、花岗斑岩的剪切波速Vs值为700 15 000 m/s。综上所述，测区具备高采用密度电法、探地雷达法及人工源瞬态面波勘探的地球物理条件，为本次利用工程物探手段进行岩体内部结构和围岩稳定性调查提供了地球物理前提。2.4 野外工作布设本次外业工作总共布置了：高密度电法剖面共3条，点距为5 m；面波勘探剖面共4条，主要沿采坑壁周围布设；探地雷达剖面10条，沿采坑壁周围布设，局部地段沿着坑壁布设。2.5 高密度电法6线异常特征及地质解释根据6线高密度反演断面图（图1）可以看出，断面整体纵向电阻率表现为由低向高的变化趋势。在浅部0 15 m深度范围内，s=50 150 m，根据地质资料，解释推断为第四系覆盖层（Q4）的反映；下伏基岩主要为石炭系上统船山组（C3c）灰岩；在剖面250 330号点的中深部及 330 415号点中上部，s=150 500 m，呈低阻半闭合状异常反映，结合地质及钻孔资料，解释推断为花岗斑岩的反映。图16线高密度电法综合断面图Figure 1.Line 6 high-density electrical composite cross-section344第32卷第4期在剖面的385号、415号点附近布置了2个物探验证孔G7、G8，其钻孔分层分别如下：G7：0.05.6m，杂填土；5.614.0m，中风化灰岩。G8：0.00.4 m，杂填土；0.46.8 m，花岗斑岩残积土；6.843.5 m，花岗斑岩；43.549.0 m，中风化灰岩。从钻孔编录可以看出，物探解译与钻孔资料吻合度较高。图2G7钻孔面波反演分层图Figure 2.Borehole G7 surface wave inversion layered diagram图3G8钻孔面波反演分层图Figure 3.Borehole G8 surface wave inversion layered diagram在G7、G8两孔上做了2个面波勘探点，现将面波验证对比如下：从G7面波反演分层图（图2）上看，Vs分层与钻孔分层基本一致，Vs反演分层较详细，Vs值从浅到深依次递增，解释推测浅部低速层为杂填土的反映，深部为石炭系上统船山组（C3c）灰岩，基岩较完整。从G8面波反演分层图（图3）上看，Vs分层与钻孔分层基本一致，Vs反演分层较详细，Vs值从浅到深逐渐增加，浅部低速层为杂填土的反映；在深度6.4535.87 m范围内，部分层位呈相对低速反映，结合地质及钻孔资料，解释为花岗斑岩岩体不均匀性引起的反映；深部 Vs值依次递增，解释为石炭系上统船山组（C3c）灰岩，基岩较完整。2.6 探地雷达剖面异常特征及地质解释本次探地雷达主要是在采坑壁的周边实施，局部地段沿着坑壁布设，主要目的是查明采坑壁附近围岩的稳定性状况。从L11线探地雷达剖面图（图4）来看，在剖面015 m中上部雷达信号出现信号异常反映，根据地质资料，解释推断为基岩裂隙较发育，围岩稳定性较差；在剖面1416 m及3839 m中深部雷达信号出现信号异常反映，根据地质资料，解释推测为基岩裂隙较发育，围岩稳定性较差。图4L11线地质雷达剖面Figure 4.Line 11 geological radar profile3结论与建议（1）通过研究总结，高密度电法、人工源瞬态面波勘探及探地雷达法在地质灾害调查中是较有效、便捷的地球物理方法。（2）高密度电法对查找地质构造、岩性变化效果较好，且快速、便捷，但对规模较小的裂隙难以区分；面波勘探对基岩裂隙发育及不均匀岩体分辨率较好，但难以区分岩性变化；探地雷达对浅表部基岩裂隙分辨率较高，异常形态清晰，但勘探深度有限。建议后期此类项目，应根据目的任务及现场条件，选择合适的物探手段。彭青阳，等：综合物探方法在地质灾害评估中的应用345安徽地质2022年参考文献：1王兴泰.工程与环境物探新方法新技术M.北京：地质出版社,1996.2朱亚军，王艳新.高密度电法和瞬变电磁法在地下岩溶探测中的综合应用J.工程地球物理学报，2012，9(6)：738-742.3蒋富鹏，肖宏跃，刘垒，等.高密度电法在工程岩溶勘探中的应用J.工程地球物理学报，2013，10(3)：389-393.4王建军，强建科，李成香，等.高密度电法在地面塌陷勘察中的应用J.工程地球物理学报，2005，2(3)：232-234.5杨镜明.高密度电阻率法煤田采空区勘察效果J.物探与化探，2012，36(S1)：12-15.6闫述，石显新，陈明生.瞬变电磁法的探测深度问题J.地球物理学报，2009，52(6)：1583-1591.7薛国强，李貅，底青云.瞬变电磁法理论与应用研究进展J.地球物理学进展，2007，22(4)：1195-1200.8浦长龙，郭磊，詹涛.地质雷达在镜泊湖世界地质公园熔岩隧道调查中的应用J.工程地球物理学报，2015，12(1)：117-121.9杨天春，肖巧玲.多层层状介质的瑞利面波频散特性J.物探与化探，2009，33(3)：299-303.10 曹乐辉，左国青，陈程，等.瞬态面波勘探在建筑地基勘察中的应用J.工程地球物理学报，2012，9(2)：184-188.11 刘艳秋，徐洪苗，等.面波勘探在工程勘察中的应用J.安徽地质，2019，29(1)：40-44.Application of multiple geophysical exploration methodsin geological hazard assessmentPENG Qingyang,XU Hongmiao,HU Junjie and DUAN Chunlong(No.327 Unit,Bureau of Geology and Mineral Exploration of Anhui Province,Hefei,Anhui 230011,China)Abstract:Unfavorable geological body is a typical geological hazard frequently encountered in engineering construction.Itputs a project at great risk and seriously threatens the safety of life and property.In this study on an abandoned mine pit inJiangsu Province,high-density electrical method,artificial source transient surface wave,and ground penetrating radar wereemployed to detect the rock stability around the mining pit and near the pit wall.This paper briefly introduces the workingprinciples,characteristics,data acquisition,data processing and data interpretation of the methods.Through mutual verificationand complementarity of the above three methods,the geological structure,lithologic change and rock stability around themining pit and near the pit wall are found out,which provides scientific basis for the later geological hazard control.Keywords:geological hazard;unfavorable geological body;high-density electrical method;artificial source transient surfacewave;ground penetrating radar（上接第336页）Drilling fluid technique for the Wannan Di-2 wellSUN Huizheng and ZHANG Qiang(No.2 Exploration Unit,Bureau of Coal Geology of Anhui Province,Wuhu,Anhui,241006,China)Abstract:Well Wannan Di-2 is the first geological survey well for shale gas in the Nanling area of Anhui Province.Locatedin the Nanling sag,it is designed as a small-diameter well for full-length coring and vertical drilling using non-dispersed lowsolid polymer as drilling fluid.Through continuous improvement of drilling fluid technique,the project was successfullycompleted,with the final well depth being 2011.52 m,more than the designed 1900 m.The completed well quality wasextremely high,and a new record of 98 mm-diameter wireline coring has been made in Anhui Province.Starting from theproblems solved,this paper summarizes the on-site drilling fluid maintenance,management and adjustment technique,andprovides a reference for oil and gas survey drilling in the future.Keywords:non-dispersed low solid polymer drilling fluid;wire line coring;well Wannan Di-2;shale gas34-36,40.5朱恒银，王强，杨凯华.深部岩心钻探技术与管理M.北京:地质出版社，2014.6郭宏伟，关阔，高兴文，等.黑山煤田绳索取心钻进用泥浆的配制与维护管理J.吉林地质，2019，38(3):99-100，113.346