地质雷达在地质灾害勘查中的应用

地质雷达在地质灾害勘查中的应用
作者：梁明闭遗山
来源：《西部资源》2021年第03期
摘要：我国南方发生的滑坡、泥石流、岩溶塌陷等地质灾害，严重威胁人民的生命和财产安全，对这些地质灾害体空间分布的勘查和研究十分重要。

在滑坡勘查区，通过地质雷达探测，较准确推断出滑坡岩土体结构和滑动面位置；在泥石流勘查区，对于泥石流沟谷堆积物及其附近两侧山体的松散覆盖层，可以有效进行地层划分和深度解译，为判断泥石流的规模提供了重要依据；在岩溶塌陷区，利用三维地质雷达探测技术，较准确推断出隐伏土洞的空间分布形态，为岩溶塌陷的监测和防治提供较可靠的依据，具有广阔的应用前景。

关键词：三维地质雷达；滑坡；泥石流；岩溶塌陷
Application of GPR in geological hazard exploration
Liang Ming1，Bi Yishan2
1.Guangxi Zhuang Autonomous Region geological environment monitoring station，Guilin 541004，China
2.Geology Team No.4 of Guangxi Zhuang Autonomic Region，Nanning 530033，China
Abstract： Geological disasters such as landslides，debris flows and karst collapses occur frequently in the south of China，which seriously threaten the safety of people’s lives and properties. It is very important to investigate and study the spatial distribution of these geological disasters. In the landslide exploration area，the structure of landslide rock and soil mass and the position of sliding surface can be accurately inferred through GPR detection；in the debris flow exploration area，the GPR can effectively divide the strata and interpret the depth of the debris flow gully deposits and the loose overburden of the mountains on both sides nearby，which provides an important basis for judging the scale of debris flow；in the karst collapse area，the three methods are used The 3D GPR detection technology can accurately infer the spatial distribution of the hidden soil cave，which provides a reliable basis for the monitoring and prevention of karst collapse and has a broad application prospect.
Key words： 3D GPR；landslide；debris flow；karst collapse
1.引言
地质灾害是指在自然或者人为因素的作用下形成的，对人类生命财产、环境造成损失的地质作用（现象）。

为了减小地质灾害所带来的破坏，需要对其进行探测研究。

近年来，伴随着
地球物理方法的不断丰富和完善，地球物理勘查技术也得到了迅猛发展[1-4]。

在对地质灾害进行勘查和监测过程中，地球物理方法的作用日益突出，并取得了良好的效果。

地质雷达探测是一种先进的测试技术，是近十余年发展起来的地球物理高新技术方法，以其分辨率高、定位准确、快速经济、灵活方便、剖面直观、实时图像显示等优点，被广泛应用于地质灾害勘查工作中。

本文以广西地区频发的滑坡、泥石流、岩溶塌陷等地质灾害为研究对象，论述二维或三维地质雷达技术在上述地质灾害探测中取得的良好效果。

2.地质雷达方法概述[5]
地质雷达（GPR）是通过发射天线向探测体内发射电磁波，利用接收天线接收来自目标体界面的反射波。

根据电磁波传播理论，电磁波在穿过层状介质时，遇到上下不同介质层，电磁波产生折射与反射，由接收天线接收介质反射的回波信息，经计算机对接收的信号及信息进行分析处理。

当电磁波在介质传播过程中，其传播速度V主要是由介质的介电常数ε1决定。

电磁波在介质面的折射与反射特征，由折射系数T和反射系数R表示。

对于非磁性介质，电磁波垂直入射时，可由下式表示：
三维探地雷达的工作原理与单道雷达一样，只是它需要很多对天线，进行高密度数据采集，获得地下空间的高精度图像。

3.应用实例
3.1地質雷达在滑坡勘查中的应用
滑坡勘查区位于广西田林县旧州镇旧州村，上覆为第四系残坡积黏土，含水量较大，相对介电常数大，电磁波衰减快；下伏基岩为三叠系兰木组（T2l）粉砂质泥岩，透水性差，相对介电常数小，电磁波能量衰减慢。

滑坡勘探目的层（滑动面）上、下岩土体存在介电常数差异，为地质雷达探测滑坡岩土体结构和滑动面位置提供了地球物理前提条件[6-8]。

滑坡探测采用瑞典MALA公司生产的地质雷达ProEx主机，选择中心频率为50MHz天线进行探测。

沿着主滑带方向布置3条测线，考虑文章篇幅原因，仅选择其中一条测线进行推断解释。

原始數据使用Reflexw软件进行背景消除滤波、自动增益补偿、地形改正等处理后得到地质雷达探测时域波形剖面影像图。

在地质雷达探测时域波形剖面影像图上（图1），呈现三层差异明显的反射层：第一层深度0m～1.2m，其波形表现为均匀连续强反射层，推测为第四系残坡积粉质黏土；第二层深度1.2m～4.5m，反应为强烈的杂波面反射，推测为全—强风化粉砂质泥岩；第三层深度4.5m以下，其波形表现为均匀连续弱反射层，推测为未发生滑移的微—中风化粉砂质泥岩。

滑动面呈折线型，位于全—强风化粉砂质泥岩与微—中风化粉砂质泥岩之间的风化差异带上。

后期在滑坡上布置的3处验证钻探所揭示的滑坡地质结构与地质雷达探测结果基本吻合，验证地质雷达在滑坡勘查中具有良好的效果。

工作区位于广西那坡县龙合乡宋平村，地质雷达沿泥石流发育沟谷及其附近两侧山体布置测线，目的是查明泥石流沟谷堆积物厚度及其附近两侧山体第四系松散覆盖层厚度。

探测设备采用瑞典MALA公司生产的地质雷达ProEx主机，选择中心频率为50MHz天线进行探测。

图2为泥石流勘查区内地质雷达典型剖面图。

依据地质雷达图像的三振相特征分析，上部界面清晰，正反相位成组出现，层面较连续，振幅较强，推测为堆积体或松散覆盖层；下部振幅较弱，反射波不明显，推测为完整基岩层。

后期探槽揭示的地质结构与地质雷达推断结果基本一致。

可见对于泥石流沟谷堆积物及其附近两侧山体的松散覆盖层，地质雷达可以有效进行地层划分和深度解译，为判断泥石流的规模提供了重要依据。

3.3地质雷达在岩溶地面塌陷调查中的应用
理论上，空洞的相对介电常数为1，与周围土体的相对介电常数（6～40）差异明显，为三维地质雷达探测岩溶塌陷区隐伏土洞的空间分布形态提供了地球物理前提。

岩溶塌陷区位于广西贵港市港北区北环新村，使用瑞典MALA公司生产的MIRA三维雷达系统，采用天线中心频率为200MHz进行探测。

利用三维探地雷达系统处理解释软件对数据进行预处理、三维偏移处理、地形校正、属性处理等操作，获得三维雷达图谱。

空洞异常区在三维雷达图谱上通常为反射信号能量强，反射信号的频率、振幅、相位变化异常明显，下部多次反射波明显，边界可能伴随绕射现象。

图3为三维地质雷达不同深度典型剖面图，其中1线显示在里程桩号49m～52m，深度0.52m～2.22m范围内存在空洞异常区；2线显示在里程桩号8m～14m，深度1.09m～3.92m范围内存在空洞异常区，这2处异常后经开挖得到了验证。

本次三维雷达在测区内总共布置13
条测线，发现8处空洞异常区，绘制了土洞平面分布图（图4），为岩溶塌陷的监测和防治提供较可靠的依据。

4.结论
地质雷达在滑坡、泥石流、岩溶塌陷等地质灾害体探测中，由于被探测对象存在介电常数差异，使地质雷达成功探测具备物理前提条件。

通过二维地质雷达探测，能较准确推断出滑坡的岩土体结构和滑动面位置，以及泥石流沟谷堆积物及其附近两侧山体的松散覆盖层厚度；三维地质雷达在岩溶塌陷区较准确地探测出隐伏土洞的空间分布形态。

三个实例说明地质雷达在滑坡、泥石流和岩溶塌陷等地质灾害勘查中，具有良好的探测效果，应用前景广阔。

参考文献：
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