物探技术在地质灾害防治过程中的应用_范中杰.pdf

222管理及其他Management and other物探技术在地质灾害防治过程中的应用范中杰摘要：地质灾害主要由地质环境或地质体发生变化，由此产生的自然灾害不仅会对人们的正常生活造成严重影响，而且也会对自然环境造成破坏。本文详细分析了物探新技术微动探测技术的发展历程、探测方法、探测原理等，并以某工程现场勘验为例，探讨了微波探测技术在地质灾害防治中的实际应用，通过与电阻率探测方法进行比较，验证了微波探测技术的有效性。关键词：物探技术；微动探测技术；地质灾害物探是以周围介质和地质体为基础，根据物性差异对地质中存在的异常进行勘查，以达到防治地质灾害的问题。本文利用空间自相关法对某工程现场进行探测，通过对探测数据进行分析，并与电阻率探测结果进行比较，探讨了微波探测技术具有的优势，以及在地质灾害防治中应用的可行性和有效性。1 微动探测技术常见的高密度、雷达、瞬变、浅震物探技术在地质结构简单、深度较浅的地质勘探中有着广泛的应用，但是其无法满足中度和深度地质勘探的要求。此外，磁法、电磁法、重力和地震等深部地质勘探手段也存在一定缺陷，如重力勘探法无法满足高精度勘探要求、电磁法会受到电磁干扰、地震法需要制造震源，不仅存在一定危险性，而且成本较高。因此，新物探技术微动探测技术（TheMicrotremorSurveyMethod，MSM）逐渐成为了地质勘探领域研究的热点。MSM绿色环保、探测范围大、分辨率高、经济高效，并且不会受到电磁干扰的影响。MSM不仅适用于浅部地质勘探工作中，而且在中部和深部地质探测中也具有良好的识别能力和勘探精度。1.1微动探测技术的由来地球表面总是有轻微的震动，我们称之为“微动”。微震的研究方法（TheMicrotremorSurveyMethod，简称MSM）。它是通过空间自相关从圆形阵列采集的地面微动信号中提取并通过反复练习获得的地球物理探测方法。该方法广泛应用于地震构造探测、评价和场地稳定性分析。但无需人工源、且抗干扰能力强、便捷环保等优点，在干扰较强、不可破坏的物探环境中优势突出。徐佩芬等人近年来在传统微动探测的基础上研究出微动剖面探测技术，并应用于国内许多勘探领域，如矿山开采、地热调查、地质勘察、采空区探测、活断层探测等领域中。是对传统微动探测方法的继承和创新。1.2微动探测技术发展历程微动探测技术于1957年国外的研究学者AKi基于空间自相关（SPAC法）方法在地质微动信号中首次提取出了频散曲线。此后，在1969年国外研究学者Capon利用频率波数法（F-K法），也提取出频散曲线。至此，各个行业及领域中的科学研究者对微波探测技术展开了重点研究。随着微波探测技术的快速发展，微波探测技术在工程实践中也得到了广泛的应用。微波探测技术在20世纪50年代 60年代被人们所提出，其最早被广泛应用于地质结构分析方面，随着人们对微波探测技术的研究力度不断加大，微波探测技术逐渐被广泛应用于各个工程领域中。在日本，微波探测技术被广泛应用于工程地质评价、地震探测和地质勘察等领域中。中国对于微波探测理论和技术的研究开始于1980年，我国科学研究学者对其展开了重点研究。1.3微动探测方法微动探测信号源包括两种：一种为地球表面自然运行产生的地域1Hz频率的长波微动，如风速、潮汐、气压、海浪变化等现象。长波微动是一种低频信号源，其在深部地质探测中应用较广；另一种为人类活成造成的高于1Hz频率的常时微动，如人类日程生活、机械运行、生产活动、车辆行驶等，是一种高频信号源，其主要用于浅部地质结构探测中。地质微动主要由面波（Love波、Rayleigh波）和体波（S波、P波）组成，其属于一种复杂地质运动，在地质微动中面波产生的能力在总能量中的占比高达70%。地质微动中Rayleigh波通常携带了微动的衰减特性和曲波速度等信息，因此利用微动探测技术能够有效对地质结构进行勘探。Rayleigh波和S波两者之间的传播速度基本相近；Rayleigh波会随着深度指数减弱传播速度逐渐减慢，在不同介质中Rayleigh波会出现频散现象，通过对Rayleigh波频散进行提取和分析，可以获取到地质结构等信息。微动探测技术主要是利用Rayleigh波的频散特性，从其中提取出面波频散，通过对频散曲线进行分析和处理，可以获得地质中剪切波的速度，进而明确地质结构。在采集地质微动信息时，主要采用由多台拾震器按照台阵方式组成的数据采集系统，采223管理及其他Management and other集系统中的每台拾震器主要利用卫生进行同步授时，基于时间数据利用F-K法和SPAC法可以对地质面波频散进行计算。微动探测中常用的微动观测方法为点测法，每个测点布设方法为多重圆形台阵，在实际地质灾害勘测中，为提高勘测效率，多重圆形台阵均采用均匀布设方式。针对特殊地质区域，可以采用不均匀布设方法，在圆形台阵布设过程中，勘测人员可以根据探勘需求和勘探深度设定台阵半径。1.4微动探测方法原理和方法技术1.4.1微动探测方法原理微动测深的物理前提是基于不同年代沉积层间波速的差异。地层的波速与岩石的密度和弹性有关，新生界、中生界、古生界和上元古代地层的波速差异尤为显著，从低到高形成，可以识别物理界面从数百米/秒到数千米/秒。在这种方法中，地球最小的“冲击”，一直存在于地球表面，人类工业，运输活动被用作观察的对象。它的成分比较复杂，包括面波、体波等成分，其中面波是主要成分。1.4.2微动探测方法技术一般用F-K法和SPAC法来获取和处理微动面波的频散。（1）频率.波数（F-K）法。野外工作方法。F-K可以采用随机方式，对工作空间要求不高，基本可以实现阵列的随机性，但必须满足每个震动传感器分布尽量平整，满足接收来电的条件波向四面八方。在实际的学习过程中，也可以用规则来创建一个数组，通常中心有一个振动传感器，其他测量点形成一系列边长不等的等边三角形，这样就可以使用F-K方法处理和分析数据。表面波也可以通过SPAC方法提取。数据处理方法。F-K是一种在频域提取表面波的方法，首先将现场采集的数据通过傅里叶变换进行带通滤波，去除各种干扰信号，然后利用最大似然法得到功率分布每个频率分量的频谱图，这个功率谱只是一个空间坐标的单值函数，因此可能更方便获得相速度-频散曲线和进行地质分层。F-K法比SPAC法更灵活，可以有意识地避开干扰源（如车辆较多的主干道、锅炉房等），从而提高抗干扰能力。缺点是F-K方法领域所需的振动传感器数量大于SPAC方法所需的振动传感器数量，数据处理量相应增加。（2）空间自相关（SPAC）法。野外工作方法。空间自相关法利用特殊光栅（如棱柱光栅、圆形光栅等）接收来自自然场源的面波，在圆周r上，方便接收来自各个方向的入射波。探索的准确性更高，因此在实施过程中尝试设置尽可能多的拾音器以提高准确性。数据处理方法。SPAC基本上是一种在时域中提取表面波的简单、方便和实用的方法。现场得到的数据在时域进行窄带滤波，得到不同频率的空间自相关关系。从形态学上看，实测的空间自相关曲线类似于零阶贝塞尔函数曲线，可以得到一个“有效正值”，加上空间坐标参数可以提取出各频率的相速度点，地质分层的相速度频散曲线。本文以SPAC方法为例，分析微动检测方法的原理。单纯形法：其是一种优化算法，能够对面波进行并行处理。首先，在利用该算法前，需要在N维空间中构建N+1个顶点的多面体，并计算出每个顶点函数值。其次，选取出其中的最大值、最小值，通过内缩、反射、缩边、扩张的方法重新获取顶点参数值，并用新的函数值替换原有的最大值、最小值，进而构建出一个新的多面体，通过多次迭代的方式可以获取到极小点。由于单纯行法在解析目标函数过程中缺少严格的要求，因此在计算过程中会出现多个极小值的情况，当多面体极小值存在两个及以上时，会影响单纯形法计算的准确性。模拟退火法：模拟退火法可以模拟物体从熔融状态逐渐向结晶状态演变的一种方法，即将参数反演模型中的参数当做熔融状态的物体；将目标函数当做物体熔融时所需要的能量函数，然后通过逐渐减小模型温度参数的方式进行迭代反演。模拟退火法存在收敛速度慢的特点，当函数变量较多、函数较为复杂或搜索空间较大时，函数计算时间将会进一步延长，为获得最优近似解，需要对控制参数进行反复迭代。本文在应用微波探测技术时结合了模拟退火法和单纯形法的优点，利用两种方法联合计算目标函数，具体计算思路如下：首先，利用单纯行法计算极小值。其次利用模拟退火法随机所有目标函数，并计算最小值，如果寻找到比极小值更小的函数值时，利用模拟退火法搜索该点附近的极小值，通过反复搜索后可以获得全局极小值。2 微动探测技术在地质灾害防治过程中的应用2.1探测场地概况试验场地选择某工程场地，该工程地质岩性为石灰岩，发育特征为溶蚀发育。根据工程现场地下水水力性质、存储条件等，可以将该工程场地下水划分为基岩裂隙水和岩类孔隙水。2.2数据采集微动探测装置主要采用综合型工程探测仪。参数类别Category分别为：单站道数Stationnumber、采样点数Samplingnumber、采样率Samplingrate、采样长度Samplingtime；参数数值依次为：6道、1024样点0.001s、16.384s。根据实际工程地质条件，本试验探测工作包括两条测线，I线主要沿硬化道路路面进行布设，该道路存在少量裸露基岩；II线沿工程附近山体山根进行布设，两条测线上测点布设数量均不相同。此外，数据采集过程中观测台阵采用多重圆形台阵。2.3数据处理在数据处理过程中主要采用SPAC法反演剪切波速进行处理，数据处理流程：微动记录输入、处理参数选择、（波形成图、224管理及其他Management and other空间自相关、质量控制）、剪切波速反演、地质成图、地质解释。处理流程中，质量控制方法主要采用限制方法，即对数据设定筛选范围值，以此来筛选出理论曲线和观测曲线范围内的参数；反演法主要采用模拟退火法和单纯形法组合方法。2.4试验结果分析与讨论本试验基于试验场地概况和探测结果，对测线I和测线II探测结果进行详细的剖析，分析地质灾害情况以及形成的原因。通过对比试验场地电法探测结果，对工程场地地质灾害类型各灾害影响长度进行全面判断。2.4.1测线I测线I共包括11个测点，测点之间为均匀布设，每个测点之间间隔距离为5.0m。测点I起始点位置不同方向的0 1.4s信号波形图。从实验中看出，每个信号通道波形基本一致，因此判断其信号波形能量稳定、形态相似，并且没有强烈信号干扰源，因此无论是在空间域还是时间域方面微动信号都较为稳定，能够为数据分析和处理提供支持。对测线I中的测点绘制频散曲线，并通过反演法对其进行分析，在反演过程中模型初始层数设置为10层，每层初始层数厚度均为20m，反演误差范围为0 0.002，反演剪切波速度为100m/s 800m/s。测线I测点反演速度和频散曲线，测点共经历了1000次迭代；从实验场地中可以看出，组合反演过程中存在三种异常反演情况，其中单纯形法反演结果在浅部地层探测结果与实际地质结果相吻合；模拟退火法反演迭代超过23000次后获得的结果与实际地质结果吻合，反演时间较长。通过对测线I中的不同测点进行反演，然后利用克里金法对反演速度进行插值，进而获得测线I剪切断面。根据试验区域地质资料和面波信息对断面图进行分析：试验场地0m 10m属于低速层，剪切波速小于300m/s，因此可以判断该地层为强风化层或覆盖层；10m 70m属于中速层，该层地形结构相对复杂，剪切波速度为480m/s。在该阶段层中，15m位置存在低速异常区域，该区域可能为溶蚀裂隙区。70m 90m高速层，该阶段层存在不连续异常区域，可能为基岩溶蚀发育。90m以下深度区域为极速层，剪切波速度大于550m/s，为完整岩体层。测线I电法电阻率断面图，从场地实验可以看出，测点I断面的电阻率相对较高，能够直接反映试验区域基岩深度变化。此外，也可以看出断面高阻多为不连续遗产团块，其中局部区域为低阻区并且存在明显的凹陷，发育范围在0m 40m。另外，在地质探测作业结束后根据施工方的现场钻探验证了在试验区域地下15m位置存在溶洞，而这也验证了微动探测技术的有效性和准确性。通过对比两种探测结果发现，电阻率剖面探测结果中反映出的异常活动范围比微动探测结果的异常范围大，这主要是在不同地质中，电阻率法受到的电磁干扰也不尽相同，容易受到物性差异、产状、形态等方面的影响，进而出现“假异常”状态，现阶段反演算法仍无法解决这一问题，而微动探测技术则是以波动原理为基础的一种探测技术，可以充分考虑不同波动在不同介质中的空间因素和时间因素，不仅能够直观的反映地质异常行为，而且也能够有效对地质灾害进行定位。2.4.2测线II测线II测点数量为5个，每个观测点为均匀布设，间隔为5m，每个测点数据均与测线I测点特征相同。测线II反演处理方法与测线I相同，分别计算各个测点的频散曲线并进行迭代反演。然后利用克里金法对反演速度进行空间插值，进而获得测线II反演剪切断面图，从中可以看出，试验区域浅部地层多为低速带，形成的主要原因可能为强风化层对其产生的影响较大，因此形成了大量的低速带。在10m以下位置为中速和高速层，其中局部区域存在低速异常区域，异常区域可能为溶蚀发育区。此外，在15m和30m 40m位置存在两处规模较小的异常区域，该区域可能为溶洞。测线II电阻率断面图，从中可以看出，电阻率断面图主要以高阻为主，部分区域存在低阻异常区域，初步推测为裂隙充水产生的异常现场。此外，在0m 15m位置存在低阻异常区域，与微动探测结果波速异常位置相吻合，验证了微动探测结果的准确性。3 结论随着城市发展速度不断加快，传统的物探技术已经无法满足地质勘探工作的需求，微动探测技术凭借便捷、环保和安全的优势在地质勘探领域中有着广泛的应用，并且在地质灾害防治中有着巨大的应用前景。本文结合了模拟退火法和单纯行法的优势，弥补了传统物探技术反演方法存在的不足之处，通过对某工程现场进行实地探测，并对比电阻率探测结果，验证了微动探测技术的有效性。（作者单位：河北省地球物理勘查院）