地下介质空间结构探测的物探方法组合

地下介质空间结构探测的物探方法组合

赵鑫,陈勇,陈彦江

（中国地质调查局成都军民融合地质调查中心 四川 成都 610000）

摘要：地下介质空间结构能影响其承载能力，影响覆于其上工程的稳定性，在工程选址前须对选址地进行详细论证，确保地基稳定性，此外在滑坡等地质灾害调查中，介质的空间结构分布也是查明灾害形成机制的重要因素。本文选用探地雷达、高密度电法两种物探方法进行地下介质空间结构探测，结合钻孔，对比两种方法的有效性、准确性，结果显示，探地雷达在浅层分辨率较高，探测深度浅，高密度电法分辨率较低，探测深度较大，两种方法结合，能较准确的探测出地下介质空间结构。

关键词：介质空间结构；高密度；探地雷达；雅鲁藏布江

引言

地下介质的空间结构影响地下介质的承载能力，从而影响工程稳定性，在进行工程施工之前，对工作区地下介质空间结构调查很有必要。物探方法具有无损、高效等优势，广泛应用于水文、工程及环境地质调查中，在物探方法选用时，考虑到经济效益、时效、野外施工条件，本次调查选用高密度电法及探地雷达。

高密度电法与探地雷达这两种方法均可进行地层结构划分，探地雷达（GPR）是通过向地下发射高频宽频带电磁波，遇介质改变时反射，利用反射波走时、电磁波在介质传播速度可推算出反射界面深度，该方法广泛应用于道路质量检测、隧道衬砌检测、水利工程、地下管线、岩溶、考古等领域，具有高分辨率、经济、快速、无损、便捷等特点，缺点是电磁波衰减过快，探测深度受到限制。高密度电法是以岩、矿石之间电阻率差异为基础，观测和研究与这些差异相关的电场在空间上的分布特点和变换规律，来查明地下地质构造和寻找地下定性不均匀体的一类勘察地球物理方法，探测深度受供电电极AB距离影响，AB越大探测深度越大，探测精度受电极距影响，电极距越小精度越高，须根据探测目的灵活掌控。本文主要在西藏某县雅鲁藏布江北岸地下介质结构探测上进行两种方法的对比，通过钻孔验证，比较两种方法的准确性，同时兼顾地层找水，服务地方经济建设。

1地质概况

本次研究区位于西藏某县雅鲁藏布江北岸，区内第四系以残坡积、雅鲁藏布江湖积及冲洪积砂卵砾石为主，朗县混杂岩呈条带状分布于江岸，早白垩世中酸性花岗闪长岩分布于雅鲁藏布江北岸，区域内有一条走向近东西倾向南的大型逆断层。

2剖面解译

沿江布设地质雷达剖面与高密度电法剖面（图1），剖面方位141°，两条剖面起点重合，高密度电法剖面G1全长550m，探地雷达剖面D1全长1060m。

图1 剖面位置图

图2 D1探地雷达剖面

地质雷达采用中心频率25MHz低频天线，采样点数为1024，采样频率为1GHz，增益模式为自动增益，采样模式为点测，点距2m。

对电磁波反射信号滤波去掉干扰信号，增益放大微弱信号，得到灰阶图（图2），白色和黑色表示波幅最大，黑色表示波峰，白色表示波谷。从图中可以看到介质反射界面大致可分，为使地层分界面更加清晰，对波信号进行希尔伯特变换，得到反射波瞬时相位信息（图3）。从瞬时相位图可以看到地下层位清晰可辨，根据经验，地面零点位置为接收到的第二个反射波波峰位置。从瞬时相位图可以看出，地下介质大致可分为两层，第一层反射界面较连续，可以清晰的看出界面的起伏状态，且该层内无杂乱的反射波信号，说明该层介质较均一，无大量砾石，结合研究区地表为砂土，推测该层介质为砂土，厚度为1.9-8.4m；第二层相位不连续，反射波信号杂乱，这是典型的介质不均一的表现，推测该层为砾石土，砾石含量砾石粒径随深度发生变化；由于电磁波穿透深度有限，在深度30m以下无反射波信号。

图3  D1雷达剖面瞬时相位

经过装置试验，高密度电法采用温纳装置（α），该装置具有信号强度大，垂直分辨率高，对高阻异常特征反映明显的特点，可适用于覆盖层、层状岩性界面及高阻体、构造带探测。本次使用电极数56极，综合考虑探测深度及分辨率，最小电极距设置为10m，隔离系数12。从视电阻率反演断面图（图4）来看，剖面电阻率呈浅部高深部低的趋势，浅部0-8m整体呈现中高阻，在地表处间隔分布规模小的点状高阻异常，这是树根的典型表现，位置与地面树的位置相对应；在深度8-40m，呈现串珠状高阻异常，异常主轴大致水平，在剖面190-260m处，出现两处较大的高阻异常，异常轴倾向北西，推测该处为一倾向北西的断层；在深部可见明显低阻异常，异常规模较大，推测该层位为地下水位所在位置，深度约20-40m。

图4 高密度G1剖面

在剖面330m处施工钻孔，钻孔揭露的地层为第四系冲洪积砂卵砾石层，白垩纪花岗闪长岩，终孔深度100.24m， 0～8.4m为土黄色中砂土（图5），含少量砾石，总体干燥，该层位与地质雷达、高密度解译结果一致；8.4～82.7m为砾石土（图6），从上到下由细砾至中粗砾变化，颗粒孔隙度大，上层干燥，中下层湿润，地下静止水位稳定于46.7米，该层为地下水的主要运移通道，也为富水区。该层主要为砾石土，砾石含量及砾石粒径不均，导致了地质雷达图上波形杂乱的特征，表现在高密度上则为上部高阻，中下部低阻；82.7～100.24m为花岗闪长岩（图7），与上覆土为沉积接触关系。由钻孔表明，探地雷达及高密度探测结果准确，由此可推知当地地下水的运移模式，即为北部山体汇水通过断裂以及地势向雅鲁藏布江汇集，第四系的中细砾砾石土形成了良好的导水渠道，下部的花岗闪长岩体充当了隔水层，水量大小应受季节影响。应当地政府请求，该水文钻形成了一口供当地人使用的水井，通过抽水试验，水井涌水量大于155m3/d，最大预计可达200-280 m3/d。综合探地雷达、高密度电法解译结果，及对照钻孔资料得出综合解译地质剖面（图8）。

图5 土黄色中砂土

图6 砾石土

图7 砾石土-基岩

图8 综合解译地质剖面

综上分析，探地雷达在浅层具有高分辨率特点，对于浅层的精细刻画较好，高密度电法浅层可大致区分出砂土与砾石土，精度没探地雷达高，但其探测深度大，可根据地层地电性质间接推断出地层结构及含水性，将两种方法进行结合，可达到在一定深度范围内精细刻画地层结构的目的，为工程选址评价、灾害评价提供数据参考。

3结论：

1、由于探地雷达发射的是高频电磁波，在浅层细刻画地层结构上效果比高密度电法更好，高密度虽也能大致圈定出层位位置，但精度较低。

2、探地雷达在30m深度范围内解译结果与高密度电法解译结果一致，但由于电磁波衰减及地层含水率增加导致探测深度较浅，高密度电法则具有探测深度大的优势，其结果也是本次找水的主要依据。

3、要获知地下介质空间结构信息，可结合探地雷达、高密度电法等多种方法综合分析，为工程、灾害评价提供支撑。

参考文献：

[1]李文忠, 孙卫民. 分布式高密度电法装置类型选择及工程勘查应用[J]. 长江科学院院报, 2019, 36(10):161-164.

[2]陆俊宏. 分布式高密度电法在探测隐伏岩性界面上的应用[J]. 工程地球物理学报, 2015, 12(4):445－449.

[3]肖宠跃, 雷宛, 雷行健. 高密度电阻率法中几种装置实测效果比较[J]. 工程勘察, 2017, 9(1):65－69.

[4]董浩斌, 王传雷. 高密度电法的发展与应用[J]. 地学前缘, 2003, 10(1):171－176.

[5]冯兵, 张兴安, 李有表. 高密度电法中的“异常扩展 效应”及归位计算方法[J]. 物探与化探, 2004, 28(4): 349－351.

[6]王齐仁. 地下地质灾害地球物理探测研究进展[J]. 地球物理学进展, 2004,19(3):497～503.

[7]宋朝阳, 王锐, 李长征, 等. 高密度电法探测堤防隐患研究[J]. 人民黄河, 2020, 42(7):104-106，141.

[8]王磊, 蔡晓光, 李孝波, 等. 西吉县西南山区典型黄土地震滑坡高密度电法物探解译分析[J]. 地球物理学进展, 2020, 35(1):351-357.

[9]杨成林, 陈宁生, 施蕾蕾. 探地雷达在赵子秀山滑坡裂缝探测中的应用[J]. 物探与化探, 2008, 32(2):220-224.

[10]王敬朋, 王金满, 张雅馥. 探地雷达技术探测土壤特性的研究进展[J]. 土壤通报, 2021, 52(1):242-251.

[11]金光来, 臧国帅, 蔡文龙, 等. 基于探地雷达的路面结构完整性定量化评价方法[J]. 公路, 2020, 65(05):16-20.