综合物探技术在浅层地质勘探中的应用

Application of Comprehensive Physical Exploration Technology in Shallow Geological Exploration

摘要

针对结构复杂、地质条件多变且单一地质勘探方法难以得出准确地质信息的地层，采用综合物探技术，包括80 mHz和160 mHz探地雷达结合高密度电阻率法，在易贡滑坡体左岸进行了地质勘探试验。结果显示：整条测线的测试深度范围内电阻率值呈现上部较高、下部整体偏低的特点，可把电阻率相对较小的区域视为含水率逐渐增大的迹象；在埋深4 m处存在明显的层状分界，测线左侧为滑坡松散堆积体，较为均质，而测线右侧雷达图像显示出现明显的孤立体反射信号；在测线60 m和72 m深，探地雷达出现同相轴中断状况，而高密度电法也显示异常，推测该位置由不同滑坡台阶组成。此次综合物探结果为易贡滑坡体左岸的地质分析提供了图像依据，对研究滑坡体结构、判断潜在危险区域具有重要意义。

Abstract

Aiming at the strata with complex structure, changing geological conditions and difficulty in getting accurate geological information by a single geological exploration method, a detailed geological exploration test was carried out on the left bank of Yigong landslide by adopting physical exploration technology, including 80 mHz and 160 mHz ground-penetrating radar combined with high-density resistivity method, and the results show that the resistivity value in the depth range of the whole survey line showed the characteristics of higher resistivity at the upper part and lower resistivity at the bottom. The results show that the resistivity value in the whole testing depth range showed higher in the upper part and lower in the lower part, which can be regarded as a sign of gradual increase of water content; there was obvious layer demarcation in the buried depth of 4 m, and the left side of the testing line was the loose accumulation body of the landslide, which was more homogeneous, while the radar image on the right side of the testing line showed obvious reflective signals from the isolate body; in the depth of 60 m and 72 m of the testing line, the ground-penetrating radar appeared to have the same-phase axial interruption, and high-density electrical method also showed anomalies, which is supposed to be composed of different landslide terraces. It is assumed that the location consists of different landslide steps. The results of this comprehensive physical exploration provide an image basis for the geological analysis of the left bank of Yigong landslide, which is of great significance for the study of the structure of the landslide and the judgment of the potential hazardous area.

Graphical abstract

关键词

综合物探技术 / 浅层地质勘探 / 易贡滑坡 / 探地雷达 / 高密度电阻率法

Key words

Integrated physical exploration techniques / Shallow geological exploration / Egon landslide / Ground penetrating radar / High density resistivity method

2000年4月9日，西藏林芝地区波密县易贡藏布左岸札木弄沟发生了体积约3 × 10⁸ m³的特大滑坡^[1,2]，巨大的滑坡体为研究多种典型地质灾害演化过程提供了难得的完整信息和独一无二的研究场所^[3,4]。

近年来随着地球物理勘探技术的不断进步，地质勘探的重要性日益突出。在处理地质灾害勘探时，由于地质灾害的复杂性和多样性，单一的勘探方法往往难以提供准确的地质信息^[5-7]，而综合物探技术是一种高效、低成本的探明地质问题的有效手段之一^[8,9]。

在地质灾害的预防和治理中，对滑坡体进行勘察至关重要。一旦能及时探测出滑坡体的滑动面并采取相应措施，便能有效减少人员伤亡和财产损失^[10,11]。综合运用探地雷达和高密度电阻率法等技术，可以有效解决地表浅层的地质问题，为地质灾害的防治提供有力支持^[12,13]。

本文以西藏易贡地区左岸滑坡为例，阐述了综合物探技术在浅层地质勘探中的应用。

1 综合物探方法原理

1.1 探地雷达工作原理

探地雷达的探测方法及工作原理（图1）。

探地雷达作为一种利用电磁波进行探测的先进技术^[14,15]，有着独特的工作原理。当电磁波在地下传播过程中遇到存在电性差异的物体或介质时，便会产生反射现象。通过对这些反射所形成的图像进行分析，就能精准确定地下异常体的位置。这种技术在地下结构探测、埋藏物体搜寻以及人造结构成像等方面有着广泛的应用，为地质勘探等相关工作提供了有力支持。

1.2 高密度电阻率法工作原理

高密度电阻率法的工作原理及布置方式（图2）。

高密度电阻率法是集电阻率测深法和电阻率剖面法于一体的“多装置、多极距”组合方法^[16-19]，相比于普通电阻率法，高密度电阻率法具有一次布置即进行数据采集，最后通过计算比值参数来强调异常信息。

该技术的原理在于利用地下土（岩）层的电性差异。通过在地下引入人工电场，仪器自动调节供电电极距和测量电极距离，从而在地表逐点测量各电极之间的电位差ΔU_MN 和供电电流I。本文采用的温纳装置具有施工效率高，纵向分辨率高，抗干扰能力较强等特点，可以保证试验的顺利进行。

2 现场试验与数据处理

2.1 现场试验测线布置

数据采集区域位于西藏林芝地区波密县易贡藏布札木弄沟滑坡区，此区域于2000年发生特大滑坡，称作“易贡大滑坡”。滑坡历时约10 min，滑行距离约8 km，垂直落差达3 330 m，堵塞了易贡藏布河，形成了长约2.5 km、宽约2.5 km的巨大堆积体，面积约5 km²，最厚处达100 m，平均厚度为60 m。体积约2.8 × 10⁸ ~ 3.0 × 10⁸ m^3[20-22]。测线布置的中心经纬度为30.17 N, 94.94 E，海拔2 182.6 m，测线布置见图3。

易贡滑坡体主要组成由结晶灰岩、板岩和变砂岩构成。积雪和冰川融化的水多汇入易贡藏布，岩体、土体、裂缝以及软弱土石夹层之间存在着显著的电性和介电常数差异^[23-25]。由于场地地形和植被等限制，选择具有代表性的测线进行布设，为了探究此地土石的分布情况，对下部土体分布进行探测；同时，为了对探地雷达及高密度电阻率法对同一条测线测试结果进行比较，对探地雷达和高密度电阻率法共用同一条测线，沿着易贡藏布径流方向，布置了一条沿着滑坡体走向的高密度电法剖面，电极数量为64个，电极间距为1.5 m，使用温纳装置进行测试。探地雷达的数据采集参数为：天线频率160 mHz/80 mHz，测速为0.1 m/ns，触发方式为距离触发，道间距为2.5 cm，内置GPS定位，测距轮直径30 cm；高密度电阻率法的数据采集参数为：电阻dV表观电阻率SP模式，收发时间为0.3 s/0.5 s，堆栈限制为1/3，检测电阻范围为10 kΩ至300 Ω，电流上限/下限为0.2 A/0.0 001 A，电压为200 kV，功率上限/下限为150 W/25 W。

开始观测前，对仪器的工作状态进行检查，以确保其能够正常运行。在实测过程中，为了减少接地电极电阻对观测精度的影响，高密度电阻率法采用浇盐水的方法来改善接地电极的电阻，以降低电阻率并提高试验的准确性。试验完成后，立即导出数据以进行现场分析和评估。如果发现异常点，即进行现场原因分析处理。

2.2 试验数据处理方法

在探地雷达的勘察过程中，受外界因素干扰的影响是无法完全避免的。因此，探地雷达数据处理的关键目标是消除外部的干扰，以便尽可能地从反射波中提取有用的参数，从而准确地识别反射界面的图像。试验数据处理采用Reflexw软件进行处理，对原始数据进行了静校正/切除、背景去除、增益调整、巴特沃斯带通滤波、滑动平均、倒插值/重抽道等处理，最终生成了试验测线的成果图。

高密度电阻率电法仪采集到的数据使用Res2dinvx软件进行处理，采用Modify smoothness-constrained least-squares method对电法仪采集到的原始数据进行反演，得到试验测线的成果图。

3 现场试验数据分析

3.1 地质雷达数据分析

分析80 mHz和160 mHz探地雷达数据，利用Reflexw软件处理生成试验测线的成果图，见图5、图6，结果显示：在2 ~ 4 m处，观测到具有连续同相轴的形态特征，表明存在连续性界面，这反映了该位置上下物质的相对介电常数存在显著差异。频谱特性分析显示，反射波多为高频不连续波，主要以高频成分为主，因此，观测到许多杂乱反射。反射波的同相轴呈现不连续和错乱的特征。结合该地区的地球物理特征，可以推断，在层状分界处的上方，存在早期易贡滑坡带来的松散堆积物。

在层状分界处下方4 ~ 17 m深度范围内，观测到的图像表现为多条顶点同轴线形成的抛物线。特别是出现了孤立的反射信号，抛物线顶点反映了孤石在土体中的深度位置。除了顶点之外，抛物线两侧的“翅膀”显示为波动的绕射现象，并不真实反映孤石的二维轮廓。

层状分界处下层17 ~ 20 m处：其图像的形态特征表现为无明显特征，为低频弱反射波，频谱以低频为主，反射比较弱，波形不清楚。

总体来看，在深度4 ~ 5 m以内，测线的左侧较为均质，属于滑坡的松散堆积体；而右侧的雷达图像显示出孤立的反射信号，而电法图像则显示出高阻异常区域，推测这些反应来自于滑坡体内部存在的孤石。在测线深度为60 m和72 m处，探地雷达出现了同相轴中断的情况，高密度电法同样显示异常。分析原因是这些位置由不同的滑坡台阶组成。

对比图5、图6可知，天线的主频对浅层地质勘探的图像的分辨率有较大的影响，频率越高，得到的探地雷达图像就越清晰，能够得到的信息就越丰富。对两种频率雷达图中层状信息进行相位提取，如图7可知80 mHz和160 mHz的探地雷达在成图的分辨率上存在区别，但是在浅层地质勘探中的探测精度上并无明显区别。

3.2 电测深剖面数据分析

使用Res2dinv快速二维电阻率反演软件处理高密度电法仪数据时，首先进行人工辨识并清除异常值，构建二维反演单元模型，并设置数据迭代的均方根误差为5%。最终得到电阻率拟合的剖面图。

整条测线在测试深度范围内，电阻率值变化幅度较大，大约在262至11 634 Ω·m之间波动。这些变化分布相对规律，特别是在距离3.73 m的位置存在一个分界点，以上部分显示较高电阻率，而下部则整体偏低。根据高密度电阻率法的基本原理，易贡滑坡体测线土体的含水率较低，因此导电性较差，其电阻率相应较高（可见于图中黄色和橘红色区域）。因此，可以将电阻率相对较小的区域视为含水率逐渐增加的表现。

3.3 综合物探数据分析

结合两种主频的探地雷达和高密度电阻率法的结果，可以得知：在数据采集区域下方4 m处，无论是探地雷达还是高密度电阻率法，两种方法均显示出明显的介质差异反射层，表明此处存在早期的易贡滑坡松散堆积体，这说明两种方法在识别重大地质现象方面具有一致性。探地雷达观测到较大的孤立异常，结合高密度电法显示的较低阻值，判断为下方的巨大孤石。两种方法在识别具体地质体时的互补性，探地雷达对孤立异常敏感，而高密度电法通过阻值变化进一步确认了孤石的存在。

测线的左侧显示出较为均质的特征，由滑坡带来的松散堆积体形成。这表明该区域地质结构相对单一，可能是由于滑坡过程中堆积物较为均匀地分布所致。测线右侧雷达图像显示出明显的孤立体反射信号，电法图像显示出高阻异常区域，推测源于滑坡体内部存在的孤石。与左侧不同，右侧的孤石在两种方法下表现出不同的特征，进一步说明了不同地质体对两种探测方法的响应差异，也为准确判断孤石的位置和性质提供了依据。在测线深度为60 m和72 m处，探地雷达的同相轴出现中断现象，高密度电法同样显示出异常。分析表明这些位置由不同的滑坡台阶所构成。这再次体现了两种方法在识别复杂地质结构时的协同作用，通过两种异常现象的共同出现，可以更加确定地判断出滑坡台阶的存在。

4 结论

本文通过使用探地雷达和高密度电阻率法对易贡滑坡体进行探测和综合分析，结论如下：

（1）从地质分层与测线位置特征方面，在2 ~ 4 m处存在早期易贡滑坡松散堆积物；4 ~ 17 m深度范围有孤石存在迹象，图像为抛物线状，顶点反映孤石深度；17 ~ 20 m处地质图像特征模糊，为低频弱反射波；在深度4 ~ 5 m以内，测线左侧是均质滑坡松散堆积体，右侧有孤石，左右侧特征不同体现滑坡体内部复杂性；60 m和72 m处据雷达同相轴中断和电法异常推断为滑坡台阶。

（2）探地雷达对特殊地质情况有异常反映，可用于辨析滑坡潜在滑动面等，为防灾提供图像依据；高密度电阻率法电极布置便捷、采集自动化，可划分地层结构，结合资料能推断分析地质体电性结构，对浅层地质勘察和工程地质调查意义重大。

（3）综合物探实践表明，探地雷达和高密度电法在识别重大地质现象上一致、具体地质体上互补，可协同评估地层深度和岩体位置，相互验证，减少了单一方法的多重解释。

参考文献

[1] 戴兴建,殷跃平,邢爱国.易贡滑坡-碎屑流-堰塞坝溃坝链生灾害全过程模拟与动态特征分析[J].中国地质灾害与防治学报,2019,30(05):1-8.

[2] 胡明鉴,程谦恭,汪发武.易贡远程高速滑坡形成原因试验探索[J].岩石力学与工程学报,2009,28(01):138-143.

[3] 赵哲苇,李家欢,李文炜,等.基于系统可靠度理论的堰塞坝边坡稳定性评价[J].粉煤灰综合利用,2022,36(05):9-14, 86.

[4] 史海平,李文炜,李中尧,等.降雨强度对川藏公路102滑坡群2~#滑坡体影响[J].土工基础,2022,36(05):701-704, 708.

[5] 杨振威,严加永,刘彦,等.高密度电阻率法研究进展[J].地质与勘探,2012,48(05):969-978.

[6] 严加永,孟贵祥,吕庆田,等.高密度电法的进展与展望[J].物探与化探,2012,36(04):576-584.

[7] 许泽善,周江涛,刘四新,等.三维步进频率探地雷达在沥青层厚度检测中的应用[J].物探与化探,2019,43(05):1145-1150.

[8] 刘艳秋,徐洪苗,胡俊杰.综合物探方法在水库堤坝隐患探测中的应用[J].工程地球物理学报,2019,16(04):546-551.

[9] 刘伟,黄韬,王庭勇,等.综合物探方法在城市隐伏断裂探测中的应用[J].物探与化探,2021,45(04):1077-1087.

[10] 李中尧,史海平,李文炜,等.冻融循环对西藏地区聚丙烯酰胺和木质纤维素改良黏土力学性能影响研究[C]//2022年工业建筑学术交流会论文集(上册),2022:403-408,420.

[11] 席人双.桃舟古滑坡工程地质特性与稳定性分析[J].土工基础,2024,38(01):107-111.

[12] 苏白燕,许强,黄健,等.基于动态数据驱动的地质灾害监测预警系统设计与实现[J].成都理工大学学报(自然科学版),2018,45(05):615-625.

[13] 汪蒙.仁怀市胡家坳老滑坡地质灾害形成机制研究[J].低碳世界,2024,14(05):124-126.

[14] 汪兴旺,李建华.探地雷达技术在隧道衬砌质量检测中的应用[J].成都理工大学学报(自然科学版),2007,(03):354-358.

[15] 尹芝华,王水,冯亚松,等.基于地球物理方法的典型DNAPLs污染场地精细化调查[J].环境监测管理与技术,2024,36(02):44-48, 52.

[16] 谢梦谦,孔然,孔璞,等.高密度电法在云南某尾矿库岩溶勘察中的应用[J].新疆有色金属,2024,47(03):56-59.

[17] 江玉乐,周清强,黄鑫,等.高密度电阻率法在滑坡探测中的应用[J].成都理工大学学报(自然科学版),2008,(05):542-546.

[18] 张品楠,刘向红,胡广青,等.基于高密度电法及大地电磁法的典型滑坡联合勘察与应用效果分析:以安徽黄山市歙县深渡镇约源村汪山组滑坡为例[J].安徽地质,2024,34(01):43-47.

[19] 卢鹏,盛威,戴雨,等.高密度电法在工程勘察中的应用[J].能源技术与管理,2024.171-174.

[20] 殷跃平.西藏波密易贡高速巨型滑坡特征及减灾研究[J].水文地质工程地质,2000,(04):8-11.

[21] 辛鹏,王涛,刘甲美,等.西藏易贡滑坡源区坡体赋存的地质结构及其滑动模式[J].地质力学学报,2022,28(06):1012-1023.

[22] 袁浩,郭长宝,吴瑞安,等.西藏易贡高位远程滑坡研究进展与展望[J].地质通报,2023,42(10):1757-1773.

[23] 李大虎,何强,邵昌盛,等.综合地球物理勘探在青川县城区活动断层探测中的应用[J].成都理工大学学报(自然科学版),2010,37(06):666-672.

[24] 黄国松.地球物理勘探在工程地质勘察中的应用分析[J].中国设备工程,2024,(10):251-253.

[25] 蒋军军.广州地铁九号线田美断裂带之物探勘察[J].土工基础,2010,24(04):26-29.

基金资助

西藏自治区科技厅自然基金重点项目(XZ202201ZR0068G)

藏东南地区降雨条件下改良边坡稳定性实验研究。国家自然基金区域创新发展联合基金重点项目(U22A20594)

高海拔区域深切峡谷公路边坡强震响应及崩滑灾害防护机理研究。西藏农牧学院研究生教育创新计划项目资助(YJS2025-30)

藏东南松散砂土碎石桩加固抗剪特性研究