高密度电阻率法及探地雷达在浅层地质探测中的应用

范国玮 范国栋

摘要： 高密度电阻率法集电测深和电剖面装置于一体，在工程地质勘查中应用广泛，但在浅层地质研究中综合物探方法对比分析的实例较少。本文将高密度电阻率法分别应用于滑坡和岩溶风险区块，采用温纳-斯伦贝谢装置获取了实测数据并反演出地电模型，并在岩溶发育区进行高密度电阻率法和地质雷达效果对比研究，通过对研究区内地体的地球物理特征和实际地质状况综合分析，对本区表层地质结构有了较为精确的认识，并对本区地表的地质风险状况做出合理的评估。

Abstract： The high density resistivity method is a combination of current collecting sounding and electrical profile devices， and it is widely used in engineering geological exploration. However， there are few examples of comprehensive geophysical prospecting methods in shallow geological studies. In this paper， the high-density resistivity method is applied to the landslide and karst risk blocks respectively， and the measured data and the inversion of the geoelectric model are obtained by using the Winner-Schlumberger device， and the comparison of high-density resistivity method and geological radar effect in karst area is studied. Through a comprehensive analysis of the geophysical characteristics and actual geological conditions of the land in the study area， it has a more accurate understanding of the surface geological structure of the area， and makes a reasonable assessment of the geological risk of the surface of the area.

关键词： 高密度电阻率电法；温纳-斯伦贝谢装置；探地雷达；滑坡；溶洞

Key words： high density resistivity electrical method；Winner-Schlumberger device；ground penetrating radar；landslide；cave

中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）16-0237-04

0 引言

滑坡是指斜坡上的土体或者岩体，受河流冲刷、地下水活动和地震等因素影响，在重力作用下沿着一定的软弱面顺坡向下滑动的现象[1]。溶洞是地下水沿着可溶性岩石的层面、节理或断层进行溶蚀和侵蚀而形成的地下孔道。在工程建设、油气管线建设等项目的实施中必须极力避免滑坡、塌陷等潜在地质灾害的发生，避免钻探工程钻遇岩溶等不良地质体，因此需要对拟建设工区的滑坡风险做出评估。本文选用高密度电阻率法进行滑坡风险分析，并运用高密度电阻率法和探地雷达在岩溶发育区进行对比研究，获取电阻率剖面和雷达反射剖面，对溶洞潜在发育区进行更为精确合理地探测，为地质灾害的风险评估提供可靠的依据。

1 高密度电阻率法及探地雷达特性

电阻率法是基于岩土体的导电性差异通过观测人工建立的地下电流场分布规律来进行能源勘查和解决地质问题的一种主动源电法勘探方法，对岩体性质（岩石风化、破碎或裂缝）、含水量、粘土带和饱水带较为敏感。高密度电阻率法实际上属于直流电阻率法，基本原理与传统普通直流电阻率法相同，不同的是它的装置是一种组合式剖面装置，集电剖面和电测深法优势于一体，同时探测地下一定深度范围内横向和垂向的电性变化特征，其探测深度与测线长度成正比，可探测上百米深地体的电性特征，影响测深的因素主要有测线长度、电极间距、隔离系数、上覆低阻层电性和厚度等。[2]高密度电阻率法可以用视电阻来反应出地质体的电性差异性分布，通过分析视电阻率的分布规律，我们可以判断地质体的埋深、位置、规模、形状等信息。由于其一次布极可以获得更丰富的信息，并有观测精度高，观测速度快，探测深度较大且应用灵活方便等优点，所以在工程地质和水文地质勘查中获得了应用广泛[3]。高密度电阻率法数据处理流程简图如图1所示。

探地雷达又称地质雷达，是一种电磁探测技术，它的工作原理是基于电磁波在不同介质中传播存在电性差异，通过发射天线向地下发射高频电磁脉冲波，电磁波在经过目标体表面后产生反射或者透射，再通过接收天线进行接收，而電磁波在传播过程中随着地质体介电性质和几何形态等各种因素的变化而发生变化，因此可以根据接收到反射电磁波的时间、波形特征等信息来推测目标体的性质、几何形态和深度等特征信息[4-5]。同时，相位、幅度和旅行时等参数特性为研究地下溶洞、裂缝等地质特征提供了更为准确的判断依据[6]。

目前地质雷达探测系统普遍采用自发自收天线和连续观测方式。自发自收天线即将发射天线和接收天线装配在一起，因此二者间距离很小，与探测深度相比较，可近似为零，自发自收采集方式也就相当于采集地下垂直反射的电磁波[7]。

2 某区滑坡调查实例

2.1 工区概况

在西南某地工程建设时，需要对施工区域潜在的各类地质风险进行评估，以保证后续工程建设的稳步进行，排除可能的风险因素，确保工程质量。现场踏勘发现该区域内分布有第四系松散堆积物，表层多为厚度不等的碎石及土层，出露砂岩地层，测区内植被分布较广。为了能够经济、高效地获得滑坡体的纵、横向发育及展布的情况，查明滑坡体空间形态特征、滑动面埋深、可能与滑坡发育相关的断裂情况，采用高密度电阻率法对本区进行探测。

2.2 测线布置及仪器检测

本次滑坡风险调查对坡体进行了高密度电法勘探工作。为查明滑坡体的厚度、结构、以及不同电性体的空间展布情况，野外布线沿预计滑坡体走向垂直方向上布置三条测线（图2），图中白色圆圈范围为潜在的滑坡灾害区域，蓝色线框为拟建设施工位置，红色线条为进行高密度电法调查滑坡的测线位置。电法勘探仪器采用重庆奔腾数码有限公司生产的WDJD-4高密度电法仪，采集方式考虑到测区滑坡体地表条件复杂，结合施工方在此区域多年的勘探经验，选取相对于偶极—偶极装置、温纳装置在该区表现抗干扰能力更强的施伦贝尔装置。3条剖面每条剖面布置60根电极，电极距8m。

观测开始前，对仪器的工作状态进行检测，并检查多功能数字直流电法仪及多路电极转换器的电压情况，保证仪器的正常工作状态。为了减小接地电阻对观测精度的影响，观测前均对各个电极的接地情况进行检测。对接地电阻偏大的电极，通过浇盐水等方法改善其接地条件，直至达到要求后进行观测。观测结束后，实时导出数据进行现场分析判断，如有异常点则按对应位置进行实地调查，分析异常原因。

2.3 高密度电法断面特征及解释

通过高密度电阻率法进行近地表探测获得视电阻率数据体，反演获得电阻率剖面（图3）。图3所解释滑坡体为本区主要滑坡，纵剖面前后缘高差近120m。从图3可以看出，该滑坡体地表电阻率为120～750Ω·m，厚度范围20～40m；下部电阻率为30～80Ω·m；同时可以看出，坡体左端相对于下部有高电阻率异常，电阻率值100～300Ω·m，而坡体右端有一明显的较高阻异常带分布与下伏低阻体上。

根据现场踏勘对本区地表的认识及岩层出露状况，结合高密度电阻率剖面综合分析认为本区地表为松散的块石、碎石土及风化砂岩高阻层，厚度20～40m不等，下部为含水砂岩低阻层，而左下部的相对高阻似侵入体应为致密砂岩体。滑坡体滑移面一般顺着岩层层面，且滑坡体与基岩之间视电阻率差异较大，依据地电断面中各电性层的分布情况可以推测滑移面的分布位置如图中红色虚线所示[8]。剖面从左往右存在2个滑脱面，其中左端滑脱面范围相对较小，滑动面倾角约15°，右部范围较大的滑脱面从上至下角度逐渐变缓，其中上部滑动面倾角约31°，下部滑动面倾角约6°。

滑脱面倾角为潜在滑坡风险的一个重要参数，郭芳芳等2008年以鄂尔多斯及其周缘为研究区，定量分析了地形起伏度和滑坡之间的关系，研究发现滑坡集中发育地区的坡度为 10～18°， 在此范围内滑坡占研究区所有滑坡总数的 48.5%[9]。而降雨强度则是滑坡灾害预警的一个重要指标，在连续几日降雨的影响下，滑坡风险区未发生灾害是由于滑坡的滞后性特点，此时发生滑坡的潜在风险受前期有效降雨强度控制，若前期有效降雨强度达到临界阈值，则会发生滑坡，且发生的概率与前几日有效降雨量相关，而当日降雨量可以很小甚至接近于0mm[10]。本区第一滑脱面倾角为15°，上部为破碎致密砂岩体，在降雨的影响下地表水更容易通过地表岩层风化破碎及节理缝隙渗流至地下致密砂岩层上部并富集，从而使滑脱面激活，滑坡灾害风险增大。第二滑脱面整体趋势较为平缓，倾角小且滑脱面上下两侧地体电阻率渐变，没有岩性突变异常的指示，因此无论是降雨还是小型地震都不易激活滑脱面，滑坡风险较小。

3 岩溶区综合对比研究实例

3.1 工区概况

某区油气管线建设项目中，管线定向钻穿越城镇、山体等障碍物时，由于钻孔取芯不能完全查明地下溶洞及裂隙的分布，造成穿越过程中的漏浆、冒浆现象，对施工进度、安全以及当地的环境造成负面的影响。为了帮助施工队伍查明穿越区的地质情况，为定向钻穿越提供参考依据，采用用高密度电法和地质雷达法联合勘探，以查明区内的溶洞及裂隙分布，并确定其大小及分布位置情况。通过对高密度电阻率法和探地雷达两种方法野外采集的物探数据进行处理解释，综合分析勘探结果，达到探明管线穿越区浅部地质信息的目地。

3.2 探测成果及解释

通过视电阻率剖面和雷达波形剖面进行对比，选取几处典型电性及雷达反射波异常段进行分析。 A区在视电阻率剖面图上显示为低阻异常，电阻率为30～80Ω·m，初步推断可能与含水地层有关。而在相应的地质雷达剖面上此处电磁波反射能量急剧减弱，同相轴非常不明显，导致此区域两侧同相轴失去连续性。由常见介质的介电常数表可知，水的电导率远高于灰岩、砂岩等岩石，因而探地雷达对水十分敏感，雷达电磁波对水或含水率高的介质的反射强烈、反射波强度大且雷达波通过含水体后，高频成分被吸收，反射波的优势频率降低[6]，因此综合推断此处可能为含水破碎带。

图6B区域在测线500～600m范围内，在视电阻率剖面上显示为若干小的低阻体，呈垂向分布，在雷达剖面上存在同相轴的错断，应为裂隙发育的显示，同时有单峰状反射，疑似为溶洞，具体原因还待进一步探讨。C区域在测线750～880m范圍内，视电阻率剖面中显示为低电阻，电阻率范围10～40Ω·m，对比地质雷达剖面，C区域在此处显示为明显的双曲线反射特征且其旁侧有同相轴错位的反射特征，认为此处应该是溶蚀区域，有裂隙及溶洞存在且被水充填[7]。

同时在本区450m、625m和1020m处进行了的钻孔验证，孔深20m，岩心显示为沙土混层和破碎灰岩、极破碎灰岩。结合钻孔资料认为该段施钻主要难点为局部上凸的高承压沙土混层和发育密集的溶蚀及裂隙，定向钻部对穿越位置进行了调整，对无法规避的地段提前采取相应措施，有效减少了冒浆、漏浆的发生。

4 结论

①通过应用高密度电阻率法，能够对滑坡区域坡体的地质情况做出可靠的推断，研究区以碎石土、致密砂岩、含水砂岩为主，受岩层（岩土）中含水量、粘土含量以及块石含量的影响，组成滑坡体物质的电阻率大小有明显差异。通过采用高密度电法勘探，建立合适的反演模型，能够较准确地划分各电性界线，并能够在斜坡方向形象地反映出滑坡体和滑动面的分布。②高密度电阻率法对滑坡地区的探测具有其独特的优势，可以清晰地探明滑脱面的形态及展布情况，其对岩溶破碎带的探测效果良好，但也有一定的局限性，在浅部含水地层应用不能精确判断溶洞发育区；地质雷达不能够判定溶洞的充填性质和界面形态，但在溶洞发育区有明显的波形异常体现，综合二者的异常特征，可以为岩溶破碎地区做更为精确可信的地质评估，从而规避潜在工程风险。

参考文献：

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