李萬欽

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司勘探工程處，河南平頂山 467099）

物探技術(shù)在多年凍土探測(cè)中的作用研究

李萬欽

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司勘探工程處，河南平頂山 467099）

本文在對(duì)高原地區(qū)多年凍土層地質(zhì)特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)多年凍土勘探過程中所采用的幾種典型物探技術(shù)功能及應(yīng)用范圍進(jìn)行了詳細(xì)論述。同時(shí)，從實(shí)際的凍土勘探工程應(yīng)用出發(fā)，分析了不同類型物探技術(shù)在多年凍土層探測(cè)的實(shí)際應(yīng)用效果，為凍土探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

物探技術(shù)；多年凍土；高密度電法；地質(zhì)雷達(dá)法

我國國土面積中有20%以上的多年凍土分布，主要集中于小興安嶺地區(qū)以及青藏高原的高原地區(qū)。這些凍土區(qū)域的分布給基礎(chǔ)建設(shè)帶來了諸多不利，例如給凍土區(qū)域的建筑工程以及鐵路工程結(jié)構(gòu)造成不穩(wěn)定影響。加之多年凍土長期受土壤、雨水、坡度、植被以及巖土性質(zhì)等多種因素的影響，采用單一的鉆孔、地面調(diào)查以及坑探等方式不能對(duì)凍土的具體分布情況以及形態(tài)作出準(zhǔn)確分析。需要根據(jù)多年凍土的地球物理特性，采用綜合物探手段，才能對(duì)多年凍土的整體特性進(jìn)行精確分析。

1 高原地區(qū)多年凍土地質(zhì)特性

與低海拔地區(qū)相比，高原地區(qū)的地質(zhì)勘探工作中經(jīng)常會(huì)遇到凍土工程問題。因?yàn)槎嗄陜鐾羺^(qū)域具有熱穩(wěn)定性較差、地下冰層較厚、凍土中含冰量大、對(duì)水熱與氣溫變化極為敏感等特點(diǎn)，導(dǎo)致凍土沿線的工程結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)地基脹縮、融沉等問題，同時(shí)還伴隨著冰錐、熱融滑塌、熱融湖塘、凍土沼澤等不良凍土現(xiàn)象的出現(xiàn)，在工程建設(shè)過程中一旦處理不當(dāng)將會(huì)造成地基開裂、不均勻沉降、地層斷裂等問題，給工程結(jié)構(gòu)造成極為嚴(yán)重的安全隱患。因此，在大型工程建設(shè)之前，需要對(duì)多年凍土區(qū)域進(jìn)行高準(zhǔn)確度的地質(zhì)勘探。

以青藏高原多年凍土區(qū)為例，凍土區(qū)域的地層類型以及凍土區(qū)域分布規(guī)律十分復(fù)雜，在給凍土區(qū)域研究帶來障礙的同時(shí)，也給工程建設(shè)形成了阻礙。沿線的巖土類型復(fù)雜，包括堅(jiān)硬巖和軟弱巖類、粗粒土、細(xì)粒松散土等。其中的第四系沉積類型包括了殘積物、坡積物、洪積物和風(fēng)積物、冰水沉積物等。

考慮到高原多年凍土地區(qū)勘察工作的特殊性，要求物探工作在克服地層情況多變、凍土類型多樣和對(duì)凍土變化情況認(rèn)識(shí)不足等原因，必須選擇合適的物探技術(shù)，以克服勘探過程中的問題，查清凍土分布特征、分布上限以及凍土中冰層的相對(duì)含量等，解決工程中存在的滑坡、巖溶、沙漠等不良地質(zhì)勘測(cè)難題。

2 幾種典型的物探技術(shù)

當(dāng)前，地質(zhì)勘探中所采用的地球物理勘探方法主要包括六種：重力勘探、電法勘探、磁法勘探、地震勘探、地溫勘探、放射性勘探。在實(shí)際的勘探過程中可以根據(jù)物探技術(shù)的類型采取合適的勘探方法。從物探探測(cè)應(yīng)用范圍來看，可以歸類成為以下三種類型。

2.1 淺層探測(cè)技術(shù)

探地雷達(dá)是工程物探的一項(xiàng)新技術(shù)，具有作業(yè)效率高、連續(xù)、無損以及精度高的特點(diǎn)。在施工過程中，采用一體化設(shè)備、天線和相配套的軟件組成，按照電磁波在傳播介質(zhì)中對(duì)應(yīng)的傳播特性，采用寬頻帶短脈沖的方式向介質(zhì)中發(fā)射高頻電磁波，當(dāng)電磁波遇到不均勻的介質(zhì)時(shí)，將會(huì)反射回部分電磁波，通過利用雷達(dá)主機(jī)接收得到對(duì)應(yīng)的反射信號(hào)，并處理之后進(jìn)行解譯，最終達(dá)到識(shí)別凍土層中目標(biāo)物的目的。

而淺層地震技術(shù)則是采用發(fā)射由人工激發(fā)彈性波，并將之在巖層中傳播的方式，按照激發(fā)波在巖層中的傳播特性、返回?cái)?shù)據(jù)等分析得到凍土層結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等信息。

高頻電磁成像技術(shù)，通過采用X射線理論，將凍土地層中的物理特性使用地震波數(shù)據(jù)反演的方式進(jìn)行探測(cè)，通過數(shù)據(jù)信息反演的方式得到對(duì)應(yīng)的圖像。

2.2 中深層探測(cè)技術(shù)

該技術(shù)是在上世紀(jì)八十年代興起的一種采用主動(dòng)場源頻率域作為電磁物探勘測(cè)依據(jù)的技術(shù)，又被稱為高密度電法。該技術(shù)具有勘探深度較大的特點(diǎn)，能夠達(dá)到2km以上，而且通過頻率調(diào)整之后達(dá)到不同的需要探測(cè)的深度，具有深度測(cè)量以及剖面分析的兩項(xiàng)功能，尤其是對(duì)凍土層深層部位的地質(zhì)構(gòu)造以及深層礦藏資源的探尋有重要作用。在探測(cè)作業(yè)過程中只需要移動(dòng)接收設(shè)備就可以進(jìn)行凍土區(qū)域面積的探測(cè)工作，且工作效率高、成本較低。

2.3 深層凍土層高精度測(cè)量技術(shù)

大地電磁探測(cè)技術(shù)是深層凍土層高精度測(cè)量技術(shù)的典型代表，其測(cè)量過程中將地球交變電磁場當(dāng)作場源，能夠探測(cè)至地幔，且探測(cè)深度不受地層高阻層的屏蔽影響，對(duì)高導(dǎo)土層介質(zhì)具有較強(qiáng)的分辨能力。而且其工作成本相對(duì)較低，野外裝備成本較為輕便，在高原油氣勘探、地?zé)嵴{(diào)查以及巖層深部結(jié)構(gòu)分析等有重要應(yīng)用，但是較少用于凍土地層的分析。

3 物探技術(shù)在凍土探測(cè)中的應(yīng)用

從物探方法的具體應(yīng)用優(yōu)勢(shì)來看，淺層探測(cè)技術(shù)在多年凍土探測(cè)中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，尤其以地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法等方法為主，這些方法在高原凍土勘探中具有較好的效果。但是，在實(shí)際的實(shí)施過程中，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)表層電阻對(duì)電磁波產(chǎn)生衰減作用，而且凍土層中的大顆粒會(huì)對(duì)電磁波造成散射、繞射等損失，使得電極的接地效果不佳，從而使得彈性波的衰減十分明顯。上述方法在不同的地質(zhì)條件下的應(yīng)用效果并不相同。

3.1 地質(zhì)雷達(dá)與高密度電法探測(cè)方法比較

以某建設(shè)與凍土層的建筑結(jié)構(gòu)桿區(qū)域?yàn)槔?，該桿塔的位置所在地層為：0—1.0m的粉狀粘土；1.0-6.0m處為全風(fēng)化狀的泥質(zhì)巖土，而下層則全部為強(qiáng)風(fēng)化泥巖。當(dāng)采用高密度電法對(duì)該凍土地層進(jìn)行反演之后，從探測(cè)結(jié)果來看，2-3.58m間的地層電阻率較低(300Ω/M)，且層間連續(xù)性較好，考慮是該范圍內(nèi)的地層是季節(jié)融化層。3.5-7.0m之間地層的電阻率則明顯增加，是典型的凍土層。當(dāng)深度超出7.0m之后，土層電阻率開始下降，這表明在2.0-7.0m之間的深度范圍內(nèi)地層凍土含冰量開始持續(xù)增加。

而在采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，結(jié)果表明地層深度為1.9-2.2m之間的地層出現(xiàn)了較為顯著的高反射層，可以認(rèn)為這一層是季節(jié)融化層與凍土層之間的界限。但是因?yàn)樗捎迷O(shè)備的天線分辨率較低，因此使得該地層區(qū)域的冰含量區(qū)域不夠明顯，不能對(duì)小顆粒冰粒進(jìn)行分辨，而只有出現(xiàn)了厚層地下冰時(shí)才會(huì)有明顯反應(yīng)。

從上述兩中探測(cè)結(jié)果來看，在凍土與季節(jié)融化層界限的探測(cè)來看，兩者所得到的結(jié)果類似，都較為理想。但是，當(dāng)對(duì)凍土層的含冰量進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，高密度電法探測(cè)所獲得的地層信息往往會(huì)更加準(zhǔn)確、豐富。

當(dāng)采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行凍土層探測(cè)時(shí)，其精度主要與設(shè)備的收發(fā)天線頻率相關(guān)，當(dāng)頻率越高時(shí)，所獲得的信號(hào)分辨率更高，所得到的探測(cè)結(jié)果也更高。而且高頻率的天線對(duì)多年凍土層與季節(jié)融化層之間的過渡層的探測(cè)結(jié)果更加精細(xì)，但是當(dāng)其頻率越高時(shí)，其在凍土層中的衰減周期也越短，電磁波的傳播深度將降低。當(dāng)采用高密度電法來提高探測(cè)的分辨率時(shí)，可以采用減小極距的方式來提高分辨率，但是當(dāng)該值減小至對(duì)應(yīng)水平之后，其分辨率變化并不明顯，反而會(huì)對(duì)探測(cè)結(jié)果負(fù)面影響的增加。在具體的探測(cè)與實(shí)施過程中可以通過現(xiàn)場測(cè)試、實(shí)驗(yàn)的方式予以確定。

3.2 不同物探方法在凍土層覆蓋層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用效果

對(duì)于有覆蓋層的多年凍土層而言，其上覆蓋層通常是石膏巖、且其表層有一層粉質(zhì)粘土。通過采用高密度電法探測(cè)方法來看，該圖的斷面圖能夠更直觀的反映出石膏巖的埋深狀況，加之在桿塔的中心樁處存在一個(gè)垂直的低阻區(qū)域，該區(qū)域可能會(huì)對(duì)凍土層的石膏巖覆蓋層溶蝕。通過實(shí)際的勘探來看，該凍土層確實(shí)是溶蝕而引發(fā)的滑動(dòng)。

當(dāng)采用瞬態(tài)面波方法進(jìn)行勘探時(shí)，因?yàn)榈乇淼乃槭翆訒?huì)使得檢波設(shè)備的對(duì)地插入狀況不佳，而且成像分辨率較差，導(dǎo)致其在凍土勘探過程中獲得的勘探效果并不明顯。但是，該種方法在在沙漠覆蓋層處能夠獲得良好的檢測(cè)效果。

4 結(jié)論

高原凍土區(qū)域的工程勘探工作對(duì)保證工程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性具有重要意義，而勘探過程中物探手段是必然途徑。實(shí)際勘探過程中，以為勘探路徑較長，而且凍土層所覆蓋的地形、地貌十分復(fù)雜，不能完全采用單一的物探方法對(duì)之進(jìn)行探測(cè)，否則不能滿足實(shí)際的工程應(yīng)用。通過上述的分析結(jié)果，得到多年凍土探測(cè)中所采用的幾種方法：

4.1 多年凍土勘探過程中采用地質(zhì)雷達(dá)、高密度電法探測(cè)效果較佳，而當(dāng)采用瞬態(tài)面波探測(cè)效果時(shí)，其一直受到分辨率因素的限制，而且整體精度效果較低。在實(shí)際的勘探過程中，由于受到施工效率的影響，因此多年凍土勘探工作采用地質(zhì)雷達(dá)法為主，而高密度電法則可以作為輔助方法。

4.2 當(dāng)多年凍土地層發(fā)生橫向變化，而且多年凍土層地表處容易設(shè)置檢波器設(shè)備時(shí)，可以采用瞬態(tài)面波方法對(duì)凍土地層進(jìn)行合理劃分，再使用滑動(dòng)面勘探技術(shù)，能夠獲得較好的效果。

4.3 對(duì)于不同的勘探方法，在野外勘探施工過程中要結(jié)合具體的地質(zhì)情況，合理選擇、驗(yàn)證，選擇最終的勘探參數(shù)。

[1]俞祁浩,白吻,金會(huì)軍.應(yīng)用探地雷達(dá)研究中國小興安嶺地區(qū)黑河一北安公路沿線島狀多年凍土的分布及其變化[J].路基工程，2008(03).

[2]鄧小燕,王通.探地雷達(dá)探測(cè)中對(duì)媒質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的測(cè)定[J].物探與化探,2009(01).

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