地質災害與測量培訓課件

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⑷ 地質災害與地下污染探測

程業勛

（中國地質大學（北京））

「環境」一詞起源於18世紀，逐步被廣泛引用到自然環境、社會環境、經濟環境等。但當代環境科學研究的環境范疇，主要是指人類生存與可持續發展的外部條件。所以《中華人民共和國環境保護法》中明確指出：「本法所指的環境，是指人類生存和發展的各種天然的和經過人工改造的自然因素的總體，包括大氣、水、海洋、土地、礦藏、森林、草原、野生生物、自然遺跡、自然保護區、風景名勝區、城市和鄉村等。」地球物理學主要研究發生在岩石圈、水圈、大氣圈和地球空間的對人類生存和發展有重要影響的環境變化和供給條件。因此，從一定意義上講，地球物理學從產生的那一天起，就是一門研究人類生存與發展環境的科學。

西方工業化300年，已經消耗地球億萬年的資源儲備，而且日益加劇，造成資源緊缺，環境惡化。2007年10月25日聯合國環境規劃署（UNEP）發布集1400位科學家智慧寫成的《全球環境展望》（GE0-4）綜合報告指出，自1978年以來的30年，人類消耗地球資源的速度，已將人類自身置於岌岌可危的境地，到目前為止，已經超出地球生態承載能力近三分之一。每年有7.5萬人死於自然災害，全球一半以上城市的環境超出世界衛生組織（WHO）制訂的污染標准。

岩石圈（含土壤）、水圈（含地下水）、大氣圈和生物圈構成地球物質循環的整體，是人類生存不可或缺的各個組成部分。地下（土壤和岩層）一直是人類處置廢棄物和垃圾的場所。包括大氣沉降物在內，超過土壤自凈（降解）能力的時候，就會構成土壤污染，特別是難以被土壤生物降解的有毒物質，還會隨著水的蒸發和大氣環流，擴散到全球（稱蚱蜢效應）。這就告訴我們，對於難以降解的有毒物質來講，地球是一個封閉的生態系統，這些有毒的污染物，只能轉移而不會消失。即使遠離污染源上萬千米，生活在北冰洋的伊努特人體內也可以檢測到持久性污染物（POP）的存在。

美國上世紀30～40年代，就開始將工業廢棄物以及活水、污油注入地下。時隔二三十年後，由於地下地質環境的變遷，有些原來埋在河谷（山谷）地區的這些物質，經歷容器的腐蝕、洪水沖刷而擴散、深灌的污水上涌，造成泄漏污染。為進一步防治，在不得已的情況下，找到地球物理方法，探測再次造成的地下污染分布區域。這也是環境地球物理分支學科建立的起始。

1 自然地質災害的勘察

地球上山地面積占陸地總面積的四分之一，居住人口占總數的10%，道路總里程佔30%，是泥石流、滑坡、崩塌等自然災害主要分布區。我國地處自然地質災害集中的太平洋環帶和地中海至喜馬拉雅山帶的聚集部位，成為地震和各種地質災害多發國家之一。據報道，全國共有地質災害隱患地點22.92萬處，威脅著3500萬人的安全，財產超萬億元，以及重大工程、城鎮和村莊的安全。1965年11月23日發生在雲南祿勸縣火山泥溝的特大滑坡，總土方量達3.9億m³，滑體流速高達5～6km，在河中迅速堆積成長1100m，高167m的攔河大壩，形成5萬m³蓄水的堰塞湖。不久滑體大壩陷落，迅速淹沒5個村莊。1981年7月9日暴雨引發成昆鐵路線上利子依達溝發生的泥石流，使400噸重的巨石沖入溝口，將數節火車推入大渡河，迅速堆積成壩，形成回水5km，積水29萬m³的堰塞湖。長江三峽鏈子崖危岩體位於秭歸縣新灘鎮，長江南岸，兵書寶劍峽的出口處，屬於西陵峽崩塌隱患區。本區有歷史記載的崩塌滑坡造成重大自然環境破壞性災害的有14次。其中1030年崩塌滑坡體堵塞長江21年，1452年滑坡堵江82年，1985年6月12日凌晨3點45分至4點20分，歷時35分的大滑坡，使總計3,000餘萬立方米的崩塌堆積體整體滑移，高速飛下的土石將位於江岸的新灘鎮全部摧毀，在江內激起54m高的巨浪，將對岸上的建築捲入江中。由於幾年前的電磁測深和淺層地震為主查明了滑體的厚度和范圍。1977年開始連續監測，及時准確預報，撤離果斷，滑區內457戶，1,371人，無一人傷亡，僅航運中斷12天。這樣大規模的滑坡，及時准確預報成功，在國內外是罕見的，被譽為一起世界奇跡。^[1]

我國山地多，滑坡、泥石流、崩塌等地質災害的分布區域占國土總面積的65%。隨著自然的變遷和人為的致災作用，各種地質災害逐年增加。據四川省統計，泥石流致災的縣市：20世紀30年代有14個；50～60年代76個；70年代109個；1981年135個；1990年達200個。70年代以前地面沉降、地面塌陷和海水入侵還是少數地區，近年來由於對地下水的過度開采，至2008年有70多個城市出現地面沉降，總面積達6.4萬km²，上海、天津、西安等城市有的降幅達2m，天津塘沽達3.1m；地面塌陷3000多處，總面積300多km²；海水入侵總面積達1000km²。

各種地質災害的發生都是地質環境變化引發致災岩體內部結構變異，穩定性受到破壞的結果。因此，自然地質災害勘察的目的在於查明致災岩體（土）的地質環境和內部結構，研究致災岩體的結構變異和穩定狀態，圈定致災岩體范圍，評價發生發展趨勢。在滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷以及海水入侵等地質災害勘察中^[2]，應用地球物理勘查主要是查明致災的地質條件，為防治或預測預報提供依據。

表1 自然地質災害地球物理勘查的主要任務和可用的技術方法一覽表

為了進一步說明地球物理勘查在自然地質災害防治中的作用，列舉三個實例如下。

1.1 滑坡體和滑坡面的勘察

滑坡勘查的主要任務是查明滑坡體的深度和范圍，以及滑動面的深度與形態^[3]。

黑海沿岸高加索地區是滑坡發育地區之一。滑坡所處的地形高約為20～25m，滑坡體主要由砂質粘土加碎石構成，下伏泥岩風化殼。選用電阻率法以及淺層地震進行勘察。電阻率測量結果如圖1所示。

圖1 電阻率與地震劃分的滑體與滑床

可劃為三層：地表層電阻率ρ₁=13~29Ω_●m，相當於滑體。中間層電阻率ρ₂=2~4Ω_●m，為風化岩，可認為相當於滑動帶。最下層電阻率ρ₃=8~12Ω_●m，是未風化的泥岩，為該滑坡的滑床；淺層地震資料解釋，可劃為上下兩層：上層縱波速度V_P=340~360m/s，可認為是滑體和滑動帶，下層：V_P=1360~1400m/s，為堅硬的未風化泥岩。在未風化的泥岩頂部用電阻率和地震測量得到的速度躍變界面和電性界面在深度上比較一致（相差1~1.5m），構成的過渡帶（弱帶）可能形成滑坡的滑動面。

1.2 滑坡的監測與預測研究

山區佔地球陸地總面積的四分之一，加上礦山開采構成的人為坡地，滑坡每年造成的經濟損失和人員傷亡巨大。對滑坡的監測和預測引起重視^[3]。1985年6月12日凌晨3點45分發生在長江三峽新灘鎮大滑坡預報成功。其監測工作中的地質、物探和測量工作是從1962年開始的，基礎調查工作完成後，於1977年設置四條視准線，連續觀測滑坡堆積體的水平位移。前後監測研究23年。多年來設想主要用地球物理方法預報滑坡的研究也不在少數。其中南烏克蘭露天開采鐵礦的斜坡滑動研究是以視電阻率（ρ_s）觀測和礦山測量聯合研究提出的。滑坡地點如圖2（a）所示，視電阻率（ρ_s）觀測，採用不同供電極距的對稱四極裝置與水準點礦山測量共同布置在滑動體上。連續觀測得到三種極距視電阻率曲線如圖2（b）所示，兩種極距的視電阻率比值ρ_s^*/ρ_s^o—t曲線；反映地電斷面變化非常靈敏。圖2中t₁，t₂，t₃時刻視電阻率出現異常，反映t₁時刻斜坡岩石形成微小裂隙；t₃時刻斜坡岩石產生滑落。

圖2 傾斜露天礦場滑坡上的動態觀測

1.3 海水入侵的勘察

近年來由於地下水的過度開采，造成地下漏斗100多個，面積達15萬km²；70多個城市地面沉降達6.4萬km²；沿海城市的海水入侵達1000km²以上。萊州灣、遼東半島歷來最為嚴重。中國科學院地球物理所利用電測在這一地區進行了勘察^[4]。研究了海水入侵與電阻率關系（表2）。根據電阻率分布劃出海水入侵平面圖（圖3）。該區海水入侵可分為入侵嚴重區（ρ₁=2~17Ω·m）；輕度區（ρ₁=17~30Ω·m）；受入侵影響區（ρ₁=30~100Ω·m）。在王河和朱橋河地區為兩個地下漏斗區，地下水位分別為–15m和–10m，這一地區海水入侵面積最大，致使50萬畝耕地不能使用地下水灌溉。

表2 海水入侵程度與電阻率關系

圖3 山東萊州三河下游海水入侵分布圖

2 地下污染物的勘查

近30年來，隨著經濟和城市人口的迅速增長，廢棄污染物的排放量逐年增加：1999年工業廢棄物排放量7.8億噸，2007年達17.6億噸，增長率15%，截至2009年廢棄物積存量已達80億噸；城市生活垃圾2000年總量為1.4億噸，2005年為1.95億噸，2010年將達2.0億噸^[5]。據調查，全國668座大中城市中2/3被垃圾圍城，1/4城市已沒有堆放場地。全國有近億輛汽車在開動，加油站林立。據北京1000多座加油站調查，有1/2存在漏油現象。

所有排放的污染物，無論是氣體、液體和固體，最終的歸宿都是土壤和水體（地表水和地下水）。截至20世紀末，我國受污染土壤的耕地面積達2000萬公頃，約占總耕地面積的1/5，每年因污染導致糧食減產1000萬噸。水污染更為突出：「70年代水質變壞，80年代魚蝦絕跡，90年代身心受害」，成為水污染的真實寫照。600座大中城市淺層地下水都不同程度地遭受污染，其中一半城市地下水已不能直接飲用。農村已有3.6億人喝不上符合標準的飲用水。

地下污染，往往不易及時發現，直到危及生產和生活。如吉林工業廢渣堆淋濾液滲入地下，導致幾十平方千米內1800眼水井被污染而報廢。佳木斯140多萬噸工業和生活垃圾堆放場，產生的硝酸基荃污染地下水，使6個自來水廠停產。北京天通苑是20世紀60～70年代的垃圾堆放場，停用後掩埋，改建住宅小區，2008年一名綠化工人下井（在三區22樓外）接水管時中毒昏倒井內，另一名下去營救也倒在井內，經查為硫化氫中毒。這就是垃圾堆掩埋產生的「定時炸彈作用」。宋家莊三位地鐵工人挖探井（2009年4月28日），3m深時聞到臭味，5m深時感到不適，一人嘔吐，醫院檢查三人為中毒，經查該地20世紀70年代曾是一家農葯廠，未作土壤污染處理，毒氣在地下土壤中積累。

人的眼力有限，不可能看清地下污染。地球物理勘查就是幫助人們即時了解地下污染存在空間以及遷移狀況。美國20世紀40年代開始在幾個河谷和山谷填埋工業廢棄物，幾十年後這些當時認為處置安全的廢棄物開始泄漏，到80年代開始，感到非治不可，但時至今日，地下污染物的空間位置及其污染流變范圍都不清楚，於是通過地球物理勘查，重新圈定地下污染物的空間位置。

應用地球物理探測方法，對地下污染物的探測和監測，防止污染擴散，保護環境。概括來看，目前主要用在以下幾個方面：

（1）用於廢物填埋場選址調查^[6]。工業生產廢物和人類生活垃圾不僅量大而且成分復雜，有毒有害物質混雜其間，經雨水淋濾產生滲漏液侵入地下污染土壤和地下水水源。因此，選擇遠離地下水且緻密的防滲岩（土）層作為垃圾填埋場地是重要的。主要用電阻率法、瞬變電磁法、探地雷達、折射地震和放射性測井。目的在於查明地下：①基岩面形狀；②地表粘土層的結構；③地下水位及含水層分布范圍及地下水流向；④基岩結構及構造；⑤地下暗河及河道分布。

（2）一些發達國家常以地球物理監測作為垃圾填埋場和廢物堆放場的檔案資料。從垃圾填埋（堆放）開始，直至垃圾填埋場終止封場後延續30年進行監測，跟蹤監測表明，固體垃圾降解很緩慢，以固體垃圾溶解物總量（TDS）為例，前10年降解1/2，20年時餘1/5,30年後餘1/10；氯離子、硫酸鹽等30年只降解1/10。一旦發現泄漏且有擴散危險，應立即進行處理。所用的探測方法主要是電阻率法和瞬變電磁法。激發極化法也有良好的效果。而我國還沒有建立監測制度。

（3）追蹤污染源。根據地下環境中水流與污染物遷移模型以及地層滲透率的差異，或者存在地下古河道、斷裂、裂隙，使地下水和污染物在地下形成一定的遷移軌跡。在某井位或河邊、海岸發現污染可以利用地球物理方法追蹤探測出遷移路線，查出污染源所在地，為污染防治提供資料，主要利用電阻率法。

（4）探查垃圾填埋場襯底塑料膜出現漏洞位置。由於受壓、承重等原因使襯底塑料出現漏洞，使填埋場的滲漏液外泄。為了修復需要及時找到漏洞位置。主要利用直流電阻率法。

（5）地下廢棄物的調查。故舊廢棄物和垃圾堆放場填埋多年，現移作他用，為了重新處理，需了解其分布范圍和確定深度。主要採用電阻率法、地震雷達法等。

（6）廢棄物堆放場對土壤和地下水污染的監測。礦山廢棄物、選礦和冶金廢棄物，化工廠和葯廠等可能成為污染源的堆放場進行監測。主要使用電法、磁法和土壤氡測量方法等。

（7）地下儲油罐和輸油管泄漏探測。加油站世界林立，僅北京市就有1100多處。美國探測證實上世紀70年代以前建的加油站幾乎全部有泄漏。因此，加油站是土壤和地下水的主要污染源之一，對加油站進行常規監測是必要的。常用的探測方法有自然電位、電阻法以及揮發性氣體（CH₄）法等。用土壤氡氣測量法也有良好效果。我國也做了試驗監測工作。

（8）深埋廢液處理場的監測。隨著區域地質結構變化和地下水位變化，廢液可能發生遷移和外溢，所以監測是必要的。一般用自然電位法圈定二次污染范圍。

（9）核電廠對核廢物處置場有深埋和淺埋兩種，其選址要求和方法各不相同。淺埋與垃圾場選址類似。深埋選址是永久性的，要進行深部選擇勘查。選址是極為慎重的地質勘查工作。深埋選址一般要選擇區域地層穩定，沒有裂縫斷層、滲透系數極小的岩層。主要使用深部探測的重力、磁法和電磁法以及地震方法。

現舉兩個應用實例如下。

2.1 保定韓村地下垃圾填埋場勘查

保定韓村垃圾堆放場，佔地200m×200m，後來加蓋1.5m原土層，掩埋了垃圾堆多年，成為平地。四周已有建築。急需查明地下垃圾堆的污染區域，以利整治（楊進，劉兆平等，2006）^[7]。

為了取得好的效果，探測工作以高密度電阻率法和探地雷達為主。用了5種探測方法，測線以東西方向3條，南北方向4條，均勻分布，每條測線長度為200m。

2.1.1 高密度電阻率法

沿測區7條測線:4條南北向(HCH.1.4.7.10)，3條東西向(HCH.11.12.13)進行剖面測量。使用電極64，點距3m。根據北京市北神樹等3個垃圾填埋場滲瀝液的實測電阻率資料，對比本區土壤的電性特徵，每個剖面圖可劃分出4個電性層。其對比數值列於表3。可見視電阻率小於15Ω·m的區域為垃圾及其污染區。本區掩埋的故垃圾堆及其形成的污染區分帶圖如圖4所示。

表3 工作區污染帶異常劃分表

2.1.2 探地雷達法

共測6條剖面，南北向4條，東西向2條，與高密度電阻率法同步進行。使用SIR-3000儀器，100MHz天線。探測深度10～15m。剖面圖電磁波信號分區明顯。根據本測區電性特徵，進行對比。可以認為視電阻率1～10Ω·m，相對應的介電常數均為5~100；電磁波傳播速度均在0.047~0.13m/ns。為此得到本測區垃圾污染區埋深在2.5~3.5m以下，如圖5所示，為資料解釋結果。

對已掩埋多年的韓村地下垃圾場探測後根據異常區，用洛陽鏟和挖掘的方法進行了驗證，證明在深1.5m以下見到垃圾，說明探測結果是可靠的。

圖4 韓村測區HCH.1.4.7.10線剖面污染異常分帶圖

圖5 韓村測區HCH.1.4.7.10線雷達資料解釋

2.2 安家樓第三加油站漏污染探查

北京市朝陽區安家樓住總第三加油站，1995年春發現泄漏，致使位於東南的自來水廠部分停產。7月某物探與化探研究所以氧化還原電位法、磁化率以及氣烴（CH₄和C₂H₄）測量方法，同時進行了面積勘查。由於周圍都是道路和建築，測線基本上沿馬路兩側以及住總三公司停車場院內，寶馬汽車維修中心院內空曠地區布置。

氧化還原電位，設備輕便，在人行雜亂的市區工作方便。其測量結果的等值圖（5mV間隔）列於圖6。由圖可見，地下漏油的展布與該地區的地下水流方向一致（南偏東方向）。

土壤磁化率方法，土壤氣烴方法測量獲得的油污染展布與氧化還原電位測量結果非常吻合，展布方向的趨勢也基本一致。

輕烴（CH₄）和重烴（C₂H₄）是直接抽取土壤中CH₄（甲烷）和C₂H₆（乙烷）測量的結果，其平面等值圖與氧化還原電位也完全一致。

經過加油站核實，先後泄漏柴油78噸。開挖對污染土壤進行清理、更換。證明柴油逐步漏入地下包氣帶和潛水層，其地下分布於探測結果完全相符。

圖6 北京朝陽某加油站漏油污染氧化還原電位等值圖

美國楊百翰大學用探地雷達在亞利桑那州的Tuba城探測汽油罐漏油污染土壤和地下水。首先用探地雷達圈出漏油污染區，其次是鑽孔取樣分析油的含量，監測孔確定地下水位和流向，第三步是將雷達探測結果與鑽孔土樣、水分析結果進行對比，最終確定漏油引起的污染范圍和深度。研究認為，由於油污一部分出現在潛水面之上，另一部分流入淺水面下方的飽水帶，使電磁波反射變得模糊不清。所以，圖7中雷達信號反射增強部分對應於漏油處。探地雷達用的80MHz天線頻率。

圖7 石油罐泄漏區上的探地雷達記錄（中心頻率80MHz）

主要參考文獻

[1]陸業海.新灘滑坡徵兆期及成功的監測預報[J].水土保持通報，1985，(5):1～8.

[2]郭建強.地質災害勘查地球物理技術手冊[M].北京：地質出版社，2003.

[3]程業勛，楊進.環境地球物理學概論[M].北京：地質出版社，2005.

[4]蔣宏耀，程業勛.環境與地球物理，地球物理科普文選（第三集）[M].北京：地震出版社，1997.

[5]中國環境科學學會.2008—2009環境科學技術學科發展報告[M].北京：中國科學技術出版社，2009.

[6]余調梅，朱百里編譯.廢棄物填埋場設計[M].上海：同濟大學出版社，1999.

[7]劉兆平.地球物理方法在垃圾填埋場的應用研究[D].北京：中國地質大學（北京），2010.

⑸ 防震減災知識pp課件培訓內容有哪些

一、建立健全防震減災工作體系。 二、建立健全防震減災的法律體系。 三、內加強地震監測預容報和快速反應能力。 四、做好以地震安全性評價為基礎的抗震設防工作。 五、做好震害預測和震災快速評估工作； 六、做好地震應急對策和應急預案的工作。 七、增強我國震後救災與恢復重建的能力。 八、提高民眾的防震減災意識。

⑹ 　地質體數學特徵及地質災害和礦產資源定量預測方法

地質體數學特徵的研究目前已由應用較簡單的概率統計和多元統計方法走向應用一版些較復雜權的新方法，由線性科學方法發展到非線性科學方法，從而大大提高了地質體數學特徵研究的精確程度和可靠程度。與此同時，地質體數學特徵研究也由二維方法發展至三維方法。G.M.Crisci應用微分方程建立的模擬火山岩流和塌方的二維數學模型可以對火山岩流和塌方的時間、地點和演化過程進行預報，同時還可以模擬和研究由於人類採取干預措施對火山熔岩流和塌方產生的效應。張菊明應用三維擬合函數對各種復雜地質體進行了模擬。有關地質體數學特徵研究的理論、方法和結果，除主要應用於礦產預測外，目前還擴大到地震預測、岩體不連續性預測和地下工程穩定性預測等方面。王世稱等人應用「綜合信息礦產資源評價」的理論和方法對中國很多省份的多種礦產所進行的評價預測取得了明顯的成效。其內容包括：編制綜合信息預測圖，建立綜合信息找礦模型，地質體和礦產資源體的統計單元描述，提取綜合控礦信息，有效變數評價，模型單元選擇，建立數學模型和進行風險評價等。