物探方法在工程地质勘查中的应用

【关键词】工程地质；物探；应用 

　　1 工程地质工作与物探方法之间的关系 

　　“物探”是地球物理勘探的简称。物探在满足我国资源、环境与工程领域中的需求方面作出了重要贡献。近几年的物探工作围绕资源、环境、工程这三大市场。其仪器装备方法技术取得了长足的进步和发展，为经济社会的发展作出了贡献。传统的工程地质勘察手段有钻探取土、标准贯入试验、双桥静力触探等，这些常规方法也有各自的适应范围，如果单单采用一种勘察手段是不能达到勘察目的的，采用多种勘探手段，相互补充才能达到较好的效果。 

　　随着我国经济建设的迅速发展，工程建设也日益加快，与此同时对工程地质勘察的要求亦越来越高。工程地质勘察是整个工程最基本的工作，也是工程成败的先决条件。物探工作与地质工作相辅相成，是地质勘探的一种主要手段，是传统地质工作方法的延伸。传统地质工作以地质点或钻孔取得的资料为依据进行分析归纳，对深部地质体缺乏必要的和足够的研究精度，而物探工作借助仪器大量加密观测网进行间接观测，弥补的常规手段的不足，提高了地质结论的可靠性。 

　　2 工程物探工作的特点 

　　基于地质条件多变引起的电场、地震波场、磁场、重力场、地热场、放射性等物理场的变化，可选用电法、地震法、磁法、重力、测温、放射性勘探等各种方法，在陆地、水域和地下(井中及坑道)等不同条件下很多岩土工程、环境地质问题，其中包括地下水、地质构造、滑坡、埋藏物、物理特性的探测等。物探方法高效、经济、施工灵活、信息丰富，能取得较好的探测效果。工程物探具有如下特点： 

　　2.1 工程探测深度小 

　　工程设计探测的地下地质问题多为浅层，地球物理探测的深度多为几米到几十米，最深在百米左右。 

　　2.2 探测精度高 

　　工程建设单位希望城市物探方法有较高的精度，深度与平面位置误差达到厘米级。 

　　2.3 施工场地狭小 

　　工程地球物理探测作为工程地质勘察、工程测试任务，常要求在几天或十几天内快速完成，其中抢险工程评价项目，则可能要求在一天或几个小时提供探测结果。 

　　3 地质勘察中常用物探技术方法及基本原理 

　　3.1 电法勘探 

　　电测深法是测量观测点深度方向以下视电阻率变化规律，以研究地下不同深度的岩层的分布状况的一种方法。在研究覆盖层厚度及岩性变化情况等有广泛应用。新近发展起来的高密度电阻率法在城市工程中，成为以获取浅层导电性信息较为活跃的方法，在地质结构划分、地下管道探测中发挥着重要作用。所研究的对象主要是有不同电阻率的水平岩层，最有利的条件是呈水平或倾角不大的岩层，而对倾角很大的岩层，解译工作也会变得困难。所以采用此方法的前提条件：测量的目的层和周围的物质必须存在明显的物性差异，通过一定的电极装置测得视电阻率异常的分布规律，达到认识地下地质体电性结构的目的。在实际遇到的地层既不均质又不同性，所得的电阻率是非真电阻率，是不均质体的综合反映，此为视电阻率。供电电极间距的不同，可得到不同深度的视电阻率，通过视电阻率的分布规律，可了解物性变化。近年来在实际中取得效果的地面核磁共振法被认为是目前为止可以直接找水的物探技术，在我国西北地区找水发挥了显著作用，在一些重大工程探测中提供了关于含水性的重要信息，如堤坝渗漏、滑坡含水性等。随着CT技术的应用，电阻率成像技术已开始用于大坝检测评价中。 

　　3.2 电剖面法 

　　电剖面法和电测深法没有本质不同，都是以研究人工电场在地下的分布规律为基础，是广泛采用的一种方法。它与电剖面法配合，对研究基岩面起伏规律、断裂带分布等效果较为明显。主要有对称四极法及联合剖面法等。电法勘探主要研究对象是沉积岩。在电法勘探中，岩层电性差异是进行电法工作的物理前提（即电阻率差异）。影响电阻率（主要是离子导电）的主要因素是岩层含水情况，同时还决定于水溶液的矿化度、水溶液的存在状态。如果水在岩石中呈分散和不连通方式，则对电阻率的影响较小，而互相连通状态则使岩层电阻率大大降低。因此在同样含水情况下，矿化度不同电阻率也不同，甚至差异较大。沉积岩在含水情况下电阻率可达数千万，另外孔隙度小的岩石电阻率较高（岩浆岩及大部分变质岩），而孔隙度大、渗透性小的岩石（各种泥岩）其电阻率较低。 

　　3.3 地震勘探 

　　地震勘探主要有反射波法及折射波法。主要原理是根据对反射波或折射波时间场沿测线方向的时空分布规律的观测确定地下反射面或折射面深度及构造形态及性质。地震勘探相比其它物探方法，具有精度高、解释成果单一的优点，但是成本相对较高。我们所看到的物探剖面是一种经过校正后的并赋以地质内涵的反射波或折射波时间剖面（实质是不同地质体的反射波或折射波波速差异）。地震勘探成果同其它物探解释成果一样，由于物理力学指标差异，不同地质体的波速有可能相近，而相同地质体由于所遭受的内力或外力地质作用不同，波速也有可能不同。浅层折射法在覆盖层探测中具有技术优势，在隐伏构造、空洞以及考古探查中也有成功应用，但是该方法受施工场地影响明显。直达波法或透射波法是波速测试的主要方法，对测试条件的依赖较强。弹性波CT技术已可为工程建设场地动力学研究提供有价值的参数。近十几年来发展起来的瑞雷波法已经成为原位测试、浅层勘探的重要手段，瞬态方法应用较多，其设备相对轻便、施工灵活。瑞雷波法对浅层的分辨力相对较高。浅层反射法和瞬态瑞雷波法是应用较为普遍的浅层地震方法，实践证明它们对浅层的反映能力存在着差别为保证浅层地震法的探测效果，对如何消除、压制或削弱震动干扰需要进一步研究。 

　　3.4 重力法 

　　重力测量受干扰较小，精度较高，为物探方法的辅助手段之一，在探测近地表地层不均匀性、空洞、小型地质密度异常体和人工结构的地下遗址等方面取得较好效果。但是在工作中应注意考虑天气，地形以及振动影响。 

　　3.5 钻孔彩色电视全孔壁成像技术 

　　钻孔彩色电视伞孔壁成像系统是能够直接观察钻孔壁360°范围图像的新技术，是将人们的视线直接延伸到钻孔到达的地下岩体等地质体内部， 为准确了解地下隐蔽工程的内部结构提供了极其有效的测试手段。该成果的关键技术主要有：360°孔壁成像的实现、干涉光斑的消除、密封结构的设计、图像处理软件系统的研究与开发等。 

　　4 物探方法发展展望 

　　工程地球物理探测技术应该在了解应用限制条件和影响因素的基础上，加大开发研究新技术、新方法和新仪器的力度，改进探测资料处理与解释技术，推进工程地球物理探测技术发展。 

　　4.1 技术方法发展 

　　鉴于工程涉及的地质与检测问题，探测技术将会进一步提高，多波理论会得到进一步应用，可利用的物理波场的频谱范围会越来越宽，电磁波谱可利用的范围由纯直流扩到雷达波，弹性波谱由瑞雷波向超声波频率扩展。陆地声纳法、地震映像法、高密度电阻率法、大地电磁电导率剖面法等探测数据快速连续自动采集技术将会日益活跃。 

　　4.2 物探仪器设备的发展 

　　复杂的地质勘测环境条件要求仪器设备具有良好的防尘、防震、防潮等性能，要求增强其智能化程度、具有捕捉较大动态范围的长远信号能力，仪器将会由单一化的专用仪器向多功能化发展，促进各种探测方法相互渗透和综合应用。 

　　5 结束语： 

　　对各种物探手段原理的了解有助于我们正确使用物探成果，提高对各种地质体工程地质性质的认识。因为相似的物探曲线或接近的数值并不一定属于同一地质体，而同一岩性也可能有不同的的物探曲线或接近的数值（如同一岩性中不同风化带地震波波速不同）。物探成果是地质研究的理论依据，对其正确使用必将能提高地质工作效率和精度，为生产和科研带来可观效益，促进生产力更快发展。 

　　参考文献： 

　　[1]潘广灿，张金来.岩土工程勘察中常见问题探讨[J]. 2004，8（6）：31-32. 

　　[2]雷卓翰.地球物理勘探及地球化学勘探方法在城市建设中的应用[J]．2006. 

　　[3]蔡国军，刘松玉，童立元等.电阻率静力触探测试技术与分析[J]. 2007.