綜合物探方法對(duì)北京市延慶區(qū)泥石流堆積層探測(cè)的應(yīng)用研究

籍增賢，孫永彬，李 毅，張占彬，王 詵，宋振濤，張正陽(yáng)

( 1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心，河北 石家莊 050002；2.中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心(重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)，河北 石家莊 050002；3.河北省航空探測(cè)與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050002 )

0 引言

北京市泥石流災(zāi)害發(fā)生在占全市總面積62%的山區(qū)，泥石流區(qū)面積占山區(qū)面積的38%。延慶區(qū)位于北京市西北部，燕山山脈西端，地勢(shì)北東高、南西低，山地平均海拔1000 m，北東南三面環(huán)山，西臨官?gòu)d水庫(kù)，這種地形既便于固體物質(zhì)的集中，又使得水流快速匯集，再加上大面積基巖裸露，褶皺、斷裂構(gòu)造廣為分布，構(gòu)造破碎帶、裂隙和節(jié)理極為發(fā)育，受地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、降雨和人類工程活動(dòng)等條件影響，導(dǎo)致泥石流災(zāi)害頻繁發(fā)生[1]。最新研究成果表明，1971—2010年期間，延慶區(qū)極端降雨逐漸增多，群發(fā)性泥石流災(zāi)害呈明顯的上升趨勢(shì)[2-3]。因此，做好泥石流溝域內(nèi)松散堆積層厚度調(diào)查，為災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警以及危害程度評(píng)估提供依據(jù)資料就顯得尤為重要。

常規(guī)的松散堆積層厚度探測(cè)方法中，槽探和鉆探方法雖然可以取得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但其工作周期長(zhǎng)、效率低、成本高，不適宜進(jìn)行區(qū)域性調(diào)查。相比而言，地球物理方法具有快捷、高效、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，在探測(cè)堆積層厚度和基巖面埋深等方面能夠很好地發(fā)揮作用，而不同技術(shù)方法的綜合應(yīng)用，既互相印證，又互相補(bǔ)充，能夠更有效地提高地球物理探測(cè)成果的地質(zhì)解釋精度，不僅可以探測(cè)地表淺層結(jié)構(gòu)，而且可以解決較深地層的地質(zhì)問題，為地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查評(píng)估提供了有力的手段和可靠的方法[4-13]。

選擇高密度電阻率法和探地雷達(dá)兩種方法組合，對(duì)延慶區(qū)某泥石流溝域松散堆積層厚度進(jìn)行了綜合探測(cè)研究，推斷結(jié)果得到了后期探槽工程驗(yàn)證。

1 地質(zhì)概況及物性特征

1.1 溝域概況

某泥石流溝屬于典型的溝谷型泥石流，主溝總體呈NW—SE向，兩側(cè)為高山、中間為河谷，地形較陡，高程一般為580～740 m，相對(duì)高差約160 m，地形起伏較大，溝域內(nèi)發(fā)育有10余條“V”字型溝谷(圖1)。上游地形較陡，軟弱、松散巖土體堆積厚度大，邊坡較陡，局部溝道彎曲變窄，在長(zhǎng)期暴雨沖刷情況下，地表水沿裂隙滲透到這些不穩(wěn)定的厚層松散巖土體內(nèi)，造成抗移、抗滑能力降低，最終將造成溝道堆積物、斜坡面侵蝕堆積物、壩階地堆積物等巖土體向地勢(shì)低洼方向移動(dòng)而形成泥石流。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，溝谷上游存在危巖體，中下游地段第四紀(jì)壩階地堆積物廣泛覆蓋，溝谷占用現(xiàn)象嚴(yán)重，造成暴雨季節(jié)水流無(wú)法順暢排泄，加之村莊位于主溝出口處，村莊前緣多有第四紀(jì)壩階地堆積物，人民生命和財(cái)產(chǎn)安全受到嚴(yán)重威脅。

圖1 溝域概況及測(cè)線布置圖

1.2 地質(zhì)概況

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，溝域內(nèi)廣泛覆蓋第四系松散堆積物，主要分布于溝床、壩階地和斜坡面，多數(shù)為沖洪積砂礫石混雜堆積，厚度不明，砂礫石粒度相差較為懸殊，多為棱角狀、次棱角狀，分選性和磨圓度均較差。出露巖性主要有侏羅系安山質(zhì)角礫熔巖、青白口系泥質(zhì)白云巖和砂頁(yè)巖等，風(fēng)化程度中等，節(jié)理裂隙較為發(fā)育[3，15]。

1.3 物性特征

近地表第四系沖洪積砂土、礫石層表現(xiàn)為相對(duì)低阻，其電阻率值一般在20～100 Ω·m之間，深部侏羅系安山角礫熔巖和青白口系泥質(zhì)白云巖、砂頁(yè)巖等呈相對(duì)高阻特征，電阻率值一般大于200 Ω·m，風(fēng)化層電阻率值略低，基巖與松散堆積層之間存在明顯的電性差異。

由于松散堆積層與基巖密度差異較大，在這些粒度不同、密度不同的層面上將會(huì)出現(xiàn)明顯的反射波組差異，一般完整基巖介質(zhì)均勻，電性差異小，沒有明顯的反射界面，雷達(dá)波形通常表現(xiàn)為低幅反射，波形均勻，無(wú)雜亂反射，自動(dòng)增益梯度相對(duì)較?。唤乇砀迟|(zhì)黏土、碎石土則表現(xiàn)為正反相位成組出現(xiàn)，層面較連續(xù)，振幅較強(qiáng)；基巖風(fēng)化層一般振幅較強(qiáng)，波形較為雜亂、同相軸連續(xù)性較差[16-20]。

2 工作方法技術(shù)

2.1 數(shù)據(jù)采集及參數(shù)設(shè)置

高密度電阻率法：原始數(shù)據(jù)采集使用重慶奔騰數(shù)控技術(shù)研究所研制的WGMD-4集中式高密度電法系統(tǒng)，采用溫納裝置(α排列)進(jìn)行剖面測(cè)量(圖2)，使用電極數(shù)60根，記錄層數(shù)為16層。布置電極時(shí)對(duì)每一個(gè)電極都按照其接地條件進(jìn)行了靈活處理，地表碎石較多的地段，采取了將碎石塊撿出、挖坑填土、澆灌鹽水等方法來(lái)有效降低接地電阻。通過儀器自動(dòng)檢測(cè)，所有電極接地電阻均滿足要求，保證了原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

圖2 高密度電阻率法野外裝置示意圖

探地雷達(dá)：野外測(cè)量使用美國(guó)地球物理測(cè)量公司生產(chǎn)的SIR-3000系統(tǒng)，發(fā)射天線中心頻率為100 MHz，采樣點(diǎn)數(shù)為1024個(gè)，時(shí)間窗口為500 ns，介電常數(shù)為9。

2.2 剖面布置

根據(jù)路線地質(zhì)調(diào)查情況和探測(cè)目標(biāo)預(yù)期深度，2條探地雷達(dá)剖面布置在溝谷中上游，測(cè)點(diǎn)間距0.5 m，R01線長(zhǎng)度為600 m，完成測(cè)點(diǎn)1200個(gè)；R02線長(zhǎng)度為400 m，完成測(cè)點(diǎn)800個(gè)；高密度電阻率法剖面布置在溝谷下游，G01線長(zhǎng)度420 m，測(cè)點(diǎn)間距7 m，完成測(cè)點(diǎn)60個(gè)。探地雷達(dá)剖面和高密度電阻率法剖面近于首尾相連，從縱向上完整控制了溝域范圍(圖1)，綜合測(cè)量完成后，根據(jù)推斷結(jié)果分別在3條剖面的不同地段布置探槽進(jìn)行了查證。

2.3 數(shù)據(jù)處理

1)高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理。采用隨機(jī)二維反演軟件2DRES進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、剔除壞點(diǎn)、地形校正和反演計(jì)算等環(huán)節(jié)(圖3)。反演過程采用圓滑約束最小二乘法反演迭代，成圖深度約1/2電極距×剖面觀測(cè)層數(shù)(即0.5×7 m×16層=56 m)，生成了反演電阻率斷面圖。首先通過定性分析，明確地電斷面高、低阻電性層分布情況，最終定量地推斷松散堆積層厚度及基巖面埋深和起伏形態(tài)。

2)探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理。探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理主要是壓制各種噪聲，增強(qiáng)有效信號(hào)，提高資料信噪比，以最大可能的分辨率在雷達(dá)圖像剖面上突出反射波，以便從數(shù)據(jù)中提取速度、振幅、頻率、相位等特征信息。數(shù)據(jù)處理流程主要包括1D濾波、直達(dá)波提取、帶通濾波、同相軸提取，深度標(biāo)定等，通過優(yōu)化數(shù)據(jù)資料，獲得清晰可辨的圖像[21-24]。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

3 資料推斷解釋

3.1 高密度電阻率法剖面

剖面gm01呈NW向，自上游到下游控制長(zhǎng)度約420 m，探槽TC03位于剖面70 m處。從其反演電阻率等值線圈閉形態(tài)面貌上可以看出，剖面下方總體表現(xiàn)為上低、下高的二層地電結(jié)構(gòu)特征(圖4)。

1)近地表淺層為相對(duì)低阻電性層，反演電阻率值一般小于215 Ω·m，低阻等值線呈不連續(xù)的似層狀、透鏡狀圈閉，反映了松散堆積物的分布范圍和厚度變化情況。0～200 m段厚度稍薄，一般為0.5～2 m，最大為3 m；200～420 m段厚度較大，一般為10～16 m，最厚處超過20 m，自上游向下低阻電性層厚度逐漸增大，在水平距離200 m處急劇增大，形成一個(gè)陡坎。從反演電阻率等值線形態(tài)來(lái)看，松散堆積層與深部基巖分界面清晰，但碎石土層和塊石土層電阻率差異較小，分層界線不明顯。

2)斷面圖下部為穩(wěn)定的相對(duì)高阻電性層，反演電阻率值一般大于400 Ω·m，最高超過3000 Ω·m，等值線連續(xù)、光滑，表明其阻值較為穩(wěn)定，推斷為基巖層。

圖4 剖面gm01反演電阻率及地質(zhì)解釋圖

3.2 探地雷達(dá)剖面

R01線：由圖5可見，大致以埋深4.5 m為分界線，雷達(dá)波形在振幅強(qiáng)弱、同相軸的連續(xù)性等方面均存在明顯的差異，存在影像特征明顯不同的上、下兩部分。近地表厚度0.5 m的薄層反射波較強(qiáng)烈、同相軸連續(xù)性較好，推斷為密實(shí)的腐殖土、碎石土層，其間在460～600 m段厚度逐漸增大；埋深0.5～1.8 m之間振幅相對(duì)較弱、反射波不明顯、同相軸連續(xù)性差，推斷為塊石土層，厚度較為穩(wěn)定；1.8～4.5 m間反射波強(qiáng)度增大、波形混亂、同相軸連續(xù)性相對(duì)較差，推斷為基巖強(qiáng)風(fēng)化層；4.5 m以深為完整的基巖，其波形相對(duì)平緩、振幅明顯變低，與上覆強(qiáng)風(fēng)化層波形特征迥異。后期在剖面540 m處布置探槽TC01進(jìn)行了揭露。

圖5 R01線解釋斷面圖

R02線：由圖6可見，大致以埋深5.5 m為界線將整個(gè)剖面分成上、下兩部分，淺部和深部的雷達(dá)波形在振幅強(qiáng)弱、同相軸連續(xù)性等方面均存在明顯的差異，依雷達(dá)影像特征的不同將剖面分成上、下兩部分，探槽TC02位于剖面90 m處。推斷近地表為厚度約0.8 m的碎石土層，厚度變化較大；埋深0.8～3.5 m間為塊石土層，其中0～260 m段夾有一層楔狀碎石土層，右側(cè)260～400 m段以塊石土堆積為主；埋深3.5～5.5 m間為基巖強(qiáng)風(fēng)化層；底部為完整的基巖。

圖6 R02線解釋斷面圖

4 探測(cè)結(jié)果查證情況

根據(jù)高密度電阻率法和探地雷達(dá)綜合測(cè)量推斷的松散堆積物分布特征，在泥石流溝域內(nèi)不同點(diǎn)位布置3條探槽進(jìn)行了查證(探槽位置見圖1)。探槽TC01位于探地雷達(dá)R01剖面水平距離540 m處，長(zhǎng)度為3.1 m，深度為1.8 m，探槽底部揭露至基巖強(qiáng)風(fēng)化層，白云巖塊石原地堆積，直徑一般為6～10 cm，棱角明顯，無(wú)磨圓、無(wú)分選，揭露松散堆積層厚度超過1.8 m，探地雷達(dá)推斷塊石土層厚度與探槽揭露結(jié)果吻合較好；探槽TC02位于探地雷達(dá)R02剖面水平距離90 m處，長(zhǎng)度為3.3 m，深度為1.6 m，探槽底部為白云巖強(qiáng)風(fēng)化層，未揭露到完整的基巖。相比之下，探地雷達(dá)推斷的碎石土與塊石土層總厚度為1.9 m，兩者相差0.3 m，準(zhǔn)確度約為82.0%；探槽TC03位于高密度電阻率法剖面70 m處，長(zhǎng)度為3.5 m，深度為1.7 m，具體情況如下：

由探槽TC03編錄圖(圖7)上可見，在揭露深度內(nèi)按堆積物粒度和壓實(shí)程度可分為上、下兩層，上部為厚約0.7 m的粉質(zhì)黏土層，土質(zhì)松散，植物根系發(fā)育，含少量直徑約1 cm、磨圓度較好的碎石；下部為厚約1.0 m的碎石土層，土質(zhì)松散，碎石直徑2～4 cm，含量約15%，磨圓度、分選性較好；底部為棱角狀白云巖塊石層，塊石排列整齊、無(wú)分選、磨圓度差。探槽揭露結(jié)果表明，高密度電阻率法推斷松散堆積層厚度約為1.9 m，兩者誤差約為12%，推斷松散堆積層厚度與探槽揭露結(jié)果基本吻合。

圖7 探槽TC03地質(zhì)編錄圖

5 結(jié)論

1)松散堆積層表現(xiàn)為低電阻率、強(qiáng)振幅、波形雜亂的典型特征，與下伏完整的基巖層分界面明顯。探槽揭露結(jié)果表明，高密度電阻率法和探地雷達(dá)綜合探測(cè)的松散堆積層厚度較為準(zhǔn)確，與實(shí)際厚度吻合度大于80%。

2)高密度電阻率法和探地雷達(dá)綜合測(cè)量，能夠快速查明松散堆積層的厚度和深部基巖面的大致埋深，具有快捷、高效、精確和信息豐富等明顯優(yōu)勢(shì)，能夠有效突破地質(zhì)及地球物理?xiàng)l件對(duì)單一方法的限制，為泥石流溝域土石方量計(jì)算和地質(zhì)災(zāi)害程度評(píng)估、制定防御和治理科學(xué)方案提供可靠的依據(jù)。