地質災害雷達

1. 在地質災害評價與其他地質調查中的應用

一、地質災害評價與監測

地質災害主要指崩塌（含危岩體）、滑坡、泥石流、岩溶、地面塌陷和地裂縫等。災害的地質評價與監測的目的是為了科學地確定地質體特徵、穩定狀態和發展趨勢，為分析地質災害發生的危險性，論證地質災害防治的可行性和比選防治方案，最終確定是否要治理，採取躲避方案或實施防治工程對策提供依據。

地質災害勘查的任務與內容包括查明地質災害體的特徵及其地質環境以及自然演化過程或人為誘發因素；分析研究地質災害體的成因機制；勘查地質災害體的形態、結構和主要作用因素等，並評價其穩定性；預測地質災害體的發展趨勢，評價其危險性；和進行防治工程可行性論證，提出防治工程規劃方案。

1.工程建築場地的岩溶和洞穴的調查

對於機場、公路及大型工程建築場地，地下洞穴、人防工程嚴重威脅著地面建築的安全。由於地下洞穴或人防工程的存在，引起地表塌陷，地面建築遭受破壞的現象時有發生，這一現象已引起人們的高度重視，如我國北方的一些城市，廢棄的人防工程已經成為城市建設的主要地質災害之一。因此，在工程地質勘查中採用物探方法查明埋藏地下的土洞、人防工程等不良地質現象，對合理地進行地面建築設計和地基加固是十分必要的。

柳州機場在施工過程中發現有數處大小不一的土洞，為確保機場跑道的安全，在跑道位置進行了探地雷達探測。探測中採用了SIR-10型地質雷達，天線頻率為100 MHz。在跑道位置探查出三處洞穴異常。經開挖驗證，均發現有較大洞穴。洞穴在雷達圖像上的反映呈雙曲線形，圖5-4-1為土洞的地質雷達圖像，開挖驗證的實際洞穴如圖5-4-2。這一探測結果，排除了機場跑道的隱患。

溶洞是可溶岩的一種常見的地質現象，溶洞的存在對可溶岩區的工程建築有較大的危害。當岩面覆蓋為易被沖蝕的滲透地層，且岩溶與上覆地層存在水力聯系時，這種水力聯系加速了岩溶發育。當岩溶頂部變薄不能支持上方地層負荷時，就會發生塌落。

圖5-4-3為廣州花都市某地的開口溶洞的探地雷達圖像。該處覆蓋層為細顆粒粉砂，有一定滲透性，其下為灰岩。灰岩面附近岩溶發育，在灰岩面的地質雷達圖像中可見不規則強反射波。強反射波形成的區域內有一組周期短的弱反射波，其特徵與上覆地層反射波特徵類似，這表明灰岩中空洞已被上覆地層沖蝕的土體所充填。由於開口溶洞上方土體已遭沖蝕，因此，其反射波形態特徵與周圍土層的反射波形態特徵不同，表明上覆地層已受到擾動。擾動土層與充填溶洞構成了開口溶洞特徵。這類溶洞使上覆地層承載力明顯降低，容易引起坍塌。

圖5-4-1 柳州機場洞穴的雷達圖像

圖5-4-2 開挖驗證的實際洞穴圖像

唐山市坐落在斷裂活動帶和隱伏岩溶區，在自然和人為因素影響下曾多次發生岩溶塌陷、地面變形等地質災害，給人民生命、財產安全和經濟建設帶來巨大危害。為了查明第四系覆蓋層厚度並確定基岩中溶洞與斷層位置。在唐山市第十中學操場，對曾經發生過岩溶塌陷並已作填石處理的地段開展了人工地震勘探。縱波反射觀測採用1 m道間距，20 m偏移距，12 次水平疊加；橫波反射觀測參數採用1m道間距，20m偏移距，6次水平疊加。

圖5-4-3 某開口溶洞的地質雷達圖像

該區基岩為中厚微晶灰岩夾泥岩，埋深24.2 m。圖5-4-4為該測區縱波剖面圖，圖中，基岩反射波在已知塌陷坑處同相軸缺失，並有錯斷，反映了斷層破碎帶的形態。其他部位基岩反射波同相軸連續，是完整基岩的反映。

圖5-4-4 唐山市第十中學操場岩溶塌陷地震縱波反射剖面圖

2.地裂縫的物探勘查

西安市是地裂縫的多發區，近年來由於頻繁的構造運動及大量抽水等作用，地面及地下常出現地裂縫，嚴重地破壞了地面及地下的各種建築設施。查明地裂縫的存在與否及地裂縫的位置、埋深、下延深度及其走向延伸，對西安地區的城市規劃和建設有重要意義。

為了證實地裂縫是基底斷裂構造向上延展活動的成因機制，開展了淺層高解析度地震勘探，對展布在西安市的十條地裂縫帶布置了垂直地裂縫帶的地震測線，任務是探查地裂縫帶下是否有隱伏的第四紀斷層。

觀測系統為道間距5 m，最小偏移距220 m。儀器參數為：采樣間隔1 ms，記錄長度512 ms或1024 ms，低截頻率90 Hz。

在第四系平均厚度600 m的地層內，存在可連續追蹤的地震反射層有七組，按其反射時間由小到大標記為t₁～t₇，與鑽孔地質剖面對比，七組反射層與地質層位關系如表5-4-1。

表5-4-1 地震反射與地層關系表

地震勘查結果證明，跨越地裂縫帶的24條地震剖面，均存在有第四紀斷層，斷層面南傾，傾角較陡，南側的上盤下降，北側的下盤上升，其產狀和斷層特性與其上部地裂縫具有的正斷層式差異沉降特徵是一致的，即以地裂縫為界，南側的上盤土體相對下沉，北側的下盤土體相對上升（圖5-4-5）。

隨著反射層t₁～t₆深度逐漸加深，各反射層所對應的斷距逐漸加大，而不是所有反射層的斷距都相等。這種現象在所有地震剖面上都存在，它反映了第四紀斷裂是基底斷裂繼承性發展，地裂縫是第四紀斷層在地表的出露。

由於地裂縫具有寬度小、埋深變化大和走向延伸較長等特點，因此，高密度電阻率法對地裂縫探測也有較好的效果。西安工程學院採用中間梯度法和高密度電法相結合對西安市地裂縫進行實驗研究。圖5-4-6是在已知地裂縫上的電探綜合剖面圖，由圖可見，視電阻率高值帶不僅反映出地裂縫的位置，而且也反映出其傾向和位錯動情況。該處探槽可見地裂縫F₁、F₂寬度分別為1 cm和2 cm。可見，高密度電阻率法在地裂縫探測中有較高的解析度。

地質雷達方法對地裂縫的探測也十分有效（圖5-4-7）。地層受剪切和張力作用產生裂縫，造成地層某一位置錯斷。垂直裂縫走向布置地質雷達測量，地裂縫在雷達剖面上表現為同相軸錯斷，其錯斷程度與裂縫發育程度有關，若裂痕沿橫向發育，裂縫內物質電磁波的吸收，也往往造成此部位反射波同相軸局部缺失，其缺失的范圍與裂縫發育范圍有關。

圖5-4-5 跨越地表地裂縫的反射地震剖面

圖5-4-6 地裂縫上的綜合勘測剖面圖

3.滑坡的監測與調查

在滑坡動態監測中，根據岩土的動力學特徵的動態變化與地球物理場變化的相關性研究，可監測滑坡的形成與發展的動態過程，為災害的預測與防治提供參考資料。

滑坡是由岩石的突然崩塌或岩（土）體滑動造成，地質環境各異，成因各不相同。目前用於調查滑坡范圍及隨時間變化過程研究的地球物理方法較多，如用重力測量圈定滑坡范圍，自然電位監測滑坡動態，地溫測量監測與滑坡有關的地下水流動態。放射性、電法、地震、地質雷達測量也是滑坡調查中常用的方法。

圖5-4-7 地裂縫上的地質雷達剖面圖

此外，目前正在進行研究的有：利用岩石破碎時的聲發射與電磁脈沖輻射，採用聲波測量與電磁波測量監測滑坡動態；利用微動觀測監測滑坡體震動頻譜，確定滑坡滑動方向與滑動面蠕變等方法。

圖5-4-8 為電法和地震研究滑坡的實例，滑坡體靠近高加索，由砂質粘土組成，下部為泥岩風化殼。電測深結果將斜坡斷面分三層，上層為滑體（ρ₁=13～29Ω· m），中層為風化泥岩，屬滑動面（ρ₂=2～4Ω·m），下層是未風化泥岩組成滑床（ρ₃=2～12Ω·m）。地震測量結果將滑坡分上、下兩層與滑體和滑動帶相對應（v_P=340～360 m/s），下層與未風化泥岩頂部相符（v_P=1360～1400 m/s），速度界面只有一個。在滑坡上部電法和地震的上界面十分吻合，而在滑坡底部速度界面高出電性界面，原因是未風化泥岩上部裂隙度增大造成，這種軟弱帶有可能產生新的滑坡。

圖5-4-8 根據地球物理研究結果綜合繪制的電性界面斷面圖

前蘇聯成功的採用氡氣測量判斷坡度的穩定性，圈閉滑坡體並監測滑坡發展的過程。圖5-4-9示出莫斯科列寧山滑坡地區氡氣測量結果，由圖可見，滑動地塊中氡的濃度通常高於周圍的穩定地段。因此，在不同時間系統進行氡氣測量將可監測滑坡從穩定地塊向活動地塊發展的過程，以及趨向穩定的轉變。

4.煤田陷落柱的調查

陷落柱是煤田開采中危害極大的地質災害之一，它通常是由於基底厚層灰岩中古溶洞的塌陷加上煤層蓋層塌落形成的。目前對陷落柱的調查中通常採用的地球物理方法有放射性、電法及人工地震等。

圖5-4-9 俄羅斯莫斯科列寧山一個滑坡上氡氣測量的結果

放射性方法調查陷落柱的根據是地下水在循環過程中由淺部氧化帶溶解的微量鈾，到達深部還原帶並沉澱在陷落柱的空隙帶中，使得鈾的含量高於周圍的岩石。鈾衰變為鐳後在還原條件下易溶於水，含鐳的地下水沿孔隙向上運移到達氧化帶又沉澱在土壤表面形成鐳暈，同時鈾、鐳衰變後形成氡氣異常，氡氣又衰變為²¹⁰Po核素，因此，通過氡氣測量或²¹⁰Po測量，可以間接調查陷落柱。通過氡氣測量或²¹⁰Po測量，可以間接調查陷落柱。一般來講，²¹⁰Po法在陷落柱上方的剖面曲線特徵為馬鞍形，即陷落柱邊緣上異常曲線出現高峰值，而在陷落柱的中間²¹⁰Po值較低，但仍然高出正常值。

河北大油村煤礦陷落柱調查以²¹⁰Po測量為主，配合電測深、甚低頻電磁法、伽馬測量等地球物理方法，取得較好結果。礦區第四紀地層厚80～120 m，其中河卵石厚30～50 m，下部為二疊紀砂岩、粉砂岩、泥岩互層及煤層，礦區已發現兩個陷落柱，其中DX-1已由巷道控制，DX-2剛開始揭露。²¹⁰Po測量結果如圖5-4-10所示，²¹⁰Po脈沖數為60的異常值圈定的結果與已知陷落柱的范圍相符，並圈出新的異常區DX-2的范圍。

5.采空區的調查

采空區是由人類活動引起的地質災害之一，它對地面建築和人身安全帶來嚴重隱患。為了研究對采空區的有效探測方法技術，近年來，煤炭科學研究總院和其他一些科研部門對此進行了大量的研究工作。研究成果表明，採用地震勘探、高密度電法、瞬變電磁、地質雷達、鑽孔彈性波CT、α卡法測量法等物探方法對探測采空區都具有一定的效果。由於每一種物探方法的應用都受到探測深度、地形地貌和岩土特徵的影響，因此，各種方法都有其適應范圍，在實際應用中，應根據具體的地質情況和方法的有效性實驗後選擇適用的物探方法。

圖5-4-10 大油村煤礦²¹⁰Po異常平面圖

高密度電阻率法和地質雷達對埋藏較淺的采空區具有較好的探測效果。石—太高速公路山西平定境內遇有礬土采空區，由於工程治理的需要，在施工前需查明采空區的空間分布和規模。探測區段上部為第四系覆蓋層，以粘土為主，電阻率為20～30Ω·m，厚度為0～10 m不等。底部為石炭系地層，以粉砂岩和泥岩為主，電阻率為50～100Ω·m，厚度較大。采空區由於坍塌、充填物鬆散、潮濕或充水，電阻率與圍岩相比差異較大，呈低阻特徵。其中3號采空區由於採用旁柱式開采，截面積較大，其坍塌也更嚴重，埋深大約為20 m。

由於地形地表條件復雜，在高密度探測中採用了非正規測網，在120 m×100 m²，的范圍內共布設12條測線。點距2 m，極距a=（1～16）·x。圖5 4 11為3號采空區Ⅱ、Ⅲ測線的高密度測量結果圖。由圖可見，除地表局部地形和電性不均勻體形成的向上開口的「V」字型干擾異常外，在其深部（39點下方）有一低阻閉合圈異常，范圍較大，相應埋深也較大，與正常背景電阻率相差僅10Ω· m，在相鄰測線上連續出現類似異常，深度變化不大，該低阻異常由采空區形成，異常下方為采空區位置。

圖5-4-11 3號采空區Ⅰ、Ⅲ測線的高密度測量結果

地震勘探是采空區探測中應用廣泛的方法之一。由於采空區的存在，采空區周圍的應力平衡受到破壞，產生局部的應力集中，采空區圍岩在上覆岩層壓力作用下，經過一段時間後發生變形、破碎、位移和塌落，這使得采空區地震波的特徵與未開采區圍岩地震波的特徵相比發生較大的差異。圖5-4-12為徐州某煤礦煤層采空區實測地震剖面圖。

圖5-4-12 徐州某煤礦煤層采空區實測地震剖面圖

圖中可見，在采空區上地震剖面通常有如下特徵：反射波速度明顯降低；反射波（組）突然中斷，跨過采空區後又重新出現；反射波的波形發生紊亂。

α卡法探測采空區是通過測量地表氡射氣含量大小，區分出地質異常及其異常性質。實驗研究表明，地表氡射氣含量與地下構造有著密切關系，岩層的裂隙、斷層破碎帶、岩石風化帶和鬆散帶是氡氣向地表運移的良好通道，這為氡射氣探測地質問題提供了地球物理條件。在老窖采空區大都存在著一定程度的塌陷冒落和裂隙，采空區上方至地表將會形成裂隙發育帶和鬆散帶，成為氡氣上移的通道，通道上方將出現α粒子強度的明顯異常，依此可推斷采空區的位置及范圍。圖5-4-13為徐州某煤礦煤層采空區區段土氡射氣探測剖面圖，強異常出現在采空區上方。

圖5-4-13 徐州某煤層采空區區段土氡探測剖面圖

6.地震預報中的地球物理方法

地震頻繁發生的地區一般是地殼的薄弱帶和活動帶。深大斷裂是幔源物質上侵和地球脫氣的主要通道，是地震活動的發源地。地震活動又派生出新的構造運動，構造運動產生的裂隙帶是氣體上移的通道。利用地表自由逸出的氣體溶解於水中及吸附於土壤中氣體的濃度變化來監測預報地震，是當前國內外廣泛採用的地震預報方法。研究證實，地震前後由於地應力的變化，可引起地下水中化學成分的變化，特別是水中氣體成分對地應力的反應十分靈敏。因此，水中氣體成分的變化可作為地震發生過程的重要標志，其中汞是對地震前兆響應最為靈敏的有效指標。

1985年11月21日，北京西郊妙峰山發生4.1級地震，震中距北京火車站汞監測井40 km；同年11月30日河北巨鹿發生5.1級地震，震中距汞監測井125 km。據北京火車站觀測井的水汞含量觀測，水中汞濃度有明顯變化，正常情況下，水中汞的平均值為14 ng/L。妙峰山地震臨震前汞濃度達到629.3 ng/L，為平均值的42倍（圖5-4-14）。

圖5-4-14 京西妙峰山、巨鹿地震前後北京火車站觀測井水中汞量變化曲線

由於大地震的發生大多與斷層活動有關，而活動斷層是地表與地殼深部聯系的通道，在活動斷層附近，通過土壤中氡和水中氡測量，可以從地表直接獲得深部構造活動的信息。在山東菏澤，1987年發生7.0級地震，據劉西林和華愛軍1984年進行的8條剖面氡測量結果，認為1987年的7.0級地震和1983年的5.9級地震是北西向定陶—成武斷裂和北東向的解元集—小留集斷裂的共軛斷裂發震，並確定了其產狀和活動程度。

二、在考古研究中的應用

地球物理方法在考古中發揮著重要的作用。通過地面高精度磁測對古遺址分布區內與回填土的磁性差異的探測，可了解遺址的位置、邊界形態及鐵磁性器物的賦存特徵；通過電阻率法、激發極化法、自然電場法、地質雷達等手段了解不同岩土層及各種金屬器物和介質的電性差異；通過地震反射波和地震面波方法探測古墓與周圍介質的彈性差異，探索陵墓地宮的結構和深度的邊界及埋深；利用放射性勘測技術及天然氣態放射性元素氡濃度變化的測量，來了解某些陵墓區或古建築遺址地下結構的分布。物探方法用於考古工作，可實現對古文化的無損探測，提高了考古發掘的准確度。例如中科院地球物理所採用地震面波、高精度磁測、大地電場岩性探測和地球化學測汞對三峽庫區故陵楚墓的探測，准確地確定出故陵楚墓的位置和分布形態，證實了所推測的古墓的存在，為三峽庫區文物搶救保護解決了重要的難題。

1.高精度磁測在考古中的應用

地面高精度磁測是對古墓、古文化的分布探測中最主要的地球物理方法之一。古遺存或古人類化石本身及所處地層的磁性、磁化率、磁化率各向異性、剩餘磁化強度等與周圍環境存在的磁性差異是磁測考古的基礎。經有關學者研究得出如下結論：被火燒過的泥土製品、土壤、石頭等可獲得較強的磁性；有機質的腐爛使土壤獲得較高的磁性；人為翻動過的土壤或夯土、與周圍天然的沉積物之間有明顯的磁性差異；表5-4-2給出了不同考古材料的磁性參數。

表5-4-2 不同考古材料的磁性參數（據中國地質大學閻桂林）

考古對象的空間規模一般較小，形態復雜，埋深不一。考古對象與周圍物質間雖有一定的磁性差別，但磁性還是較弱，再加上人文干擾，所以，考古對象產生的磁異常，其特點是范圍小，強度低，梯度變化大，形態多樣，有時干擾嚴重。因而，在考古調查中必須採用高精度的質子磁力儀或光泵磁力儀。

地面磁測時測網的比例尺一般為1∶100～1∶200。儀器探頭距地面高度可為1 m至0.1 m。除觀測磁場強度ΔT外，還可觀測磁場的垂直梯度變化ΔT_Z。河南新鄭某古墓的調查是磁法考古探測的成功實例之一。

該測區位於一戰國至漢代古墓葬區內，黃土覆蓋，土質均勻，地形平坦。墓葬區已經初步鑽探普查，磁力調查是作為詳查和核實。採用兩台MP 4 型質子磁力儀，一台用於地磁日變觀測。儀器探頭距地面高0.5 m。測網比例尺1∶200，線距2 m，點測1 m。觀測結果見圖5-4-15。由ΔT平面等值線圖可見，在已知墓葬A、B、C及大型陪葬坑上顯示出一定強度和輪廓明顯的磁異常。有些異常還勾繪出墓葬的形態及細節。如A異常清楚顯示該墓有一較長的南北向墓道，墓室南側有兩個小耳室。A墓引起的磁異常為20 nT左右。據其形態，考古工作者判定為漢代「甲」字型磚墓。B異常形態表明該墓為典型的「刀」字型磚墓。圖中黑粗線輪廓是根據磁異常推斷的結果。C異常較弱，對其墓的形態輪廓顯示不清楚，這表明該墓為一土坑墓，非磚結構。E、D異常反映的是兩個新發現的墓葬，沒有原始資料。陪葬坑的磁異常南、北部分有較大的區別，它表明坑內較多的陶器物品主要堆放在坑的南半部。該區這些異常推斷的遺存埋深為地下1～2m。實際鑽探資料證實了磁測結果的分析。

圖5-4-15 河南新鄭戰國至漢代某古墓的磁異常等值線圖

2.電法在考古中的應用

電法也是考古工作中常採用的地球物理方法。一般古墓多埋藏於第四系鬆散地層中，古墓上下及周圍應有厚度不等的青膏泥（粘土）填充，構成一個以厚層粘土包裹著的「古墓體」，此外，墓室有可能有地下水滲入。這就使得古墓與周圍地層存在一定的磁性與電性差異，為採用電法探測古墓提供了地球物理條件。

圖5-4-16是河南省某古墓地面磁測剖面平面圖。圖中各測線在22～26點和30～36點形成了兩個近EW向的條帶狀正異常（ΔZ_max=53 nT），其間有一下降近20 nT的鞍部，其南、北、東三面均為負異常。結合地面情況推斷兩條正異常的鞍部為古墓位置，而南、北、東三面負異常為高差近20 m的人工開挖陡壁引起。

圖5-4-17是0號 剖面等視電阻率斷面圖。由圖可見，0線在三角點往西有ρ_s小於8Ω·m的極小值區，其他測線也有同樣反映。極小值出現在AB/2=40～100 m之間，以AB/2=65 m為中心部位。圖5-4-18是AB/2=65 m的等ρ_s平面圖。由該圖反映出ρ_s小於8Ω·m的極小值范圍為坐標原點往西11.2 m，坐標原點往南9.8 m。該范圍內ρ_s值均在7.2～7.65Ω· m內，且范圍外 ρ_s變化梯度較大。由此推斷 ρ_s小於8Ω·m的范圍為主墓葬的位置。本區電測深曲線類型以H型為主，按電性可分為三層：第一層為覆蓋層，第二層為「古墓體」，第三層為「古墓體」底板。由電測深曲線解釋得主墓頂部埋深為6.9 m，底板埋深為21 m。經挖掘驗證，基本與物探探測結果相符。

圖5-4-16 河南省某古墓磁測剖面平面圖

圖5-4-17 0線等ρ_s斷面圖

圖5-4-18 等ρ_s平面圖

3.地質雷達在古遺址探測中的應用

由於古遺址體與周圍介質在相對介電常數上存在有差異，為地質雷達方法探測古遺址提供了地球物理條件。對於埋深較淺的古遺址，採用地質雷達方法具有較好的探測效果。湖北大冶銅錄山古銅礦遺址是我國西周末期與春秋戰國時期的采礦遺址，該銅礦目前仍在開采，為了協調礦山開采與古銅礦遺址保護之間的關系，應用地質雷達探測了銅礦遺址的規模及其分布，取得了令人滿意的探測結果。

古銅礦遺址（稱老窿區）都形成於接觸破碎帶中相當於礦體的氧化次生富集帶中，鑒於當時開採的對象為高品位銅，因此老窿區發育地段首先要具備一定數量高品位銅礦可開采，二是當時用人力與較原始的工具挖掘，開采礦石的層位應該比較松軟，老窿區對應的是接觸破碎帶經強烈風化區，古礦坑內都有回填土充填，回填土與原狀土的差異明顯。因此調查中老窿區的探地雷達圖像應有如下特徵：①由於地層風化是逐漸加深，因此原狀土風化層應為一組均勻密集的窄反射波，同時地層風化進程是同步的，因此這些反射波的同相軸平整且可橫向追蹤；②老窿區現由回填土充填，而回填土與原狀土差異增大，並且老窿區應處在礦石高品位地段，雖然銅已被開采，但鐵礦石仍保留，因此反射信號強度大；③原狀大理岩或矽卡岩由於物性相對均勻，因此反射界面相對較少，基本無明顯的反射信號。

圖5-4-19 老窿區的探地雷達圖像

圖5-4-20 地質雷達與勘探結果對照圖

圖5-4-19為老窿區的地質雷達圖像。由圖可見原狀土為密集的窄反射波，而老窿區中的回填土為強反射波，橫向變化大且同相軸難以追蹤，原狀土與回填土兩者差異明顯。根據雷達剖面圖像我們構築了3個高程的老窿投影與勘探解釋進行對照。圖5-4-20為Ⅲ號遺址老窿投影的地質雷達與勘探結果對照圖。（a）是勘探結果，（b）是地質雷達解釋結果。由圖可見標高+53 m與+48 m老窿投影的地質雷達解釋結果與勘探結果基本一致，但標高+43 m的老窿區投影與雷達解釋結果有較大差異，這是因為在無鑽孔區地質人員往往採用外推法解釋。而這種解釋在不規則的老窿區會產生較大的誤差。

杭州雷峰塔始建於公元972年，於1924年倒塌，為了重建雷峰塔，浙江省考古所進行考古挖掘工作，為了確定雷峰塔是否存在有地宮，祝煒平等人開展了地質雷達方法探測工作，根據探測結果，明確了雷峰塔地宮的存在，提供了地宮的大致位置，為雷峰塔地宮的考古挖掘起到了指導作用。雷峰塔地宮探測中使用的地質雷達是瑞典瑪拉公司生產的RAMAC/GPR地質雷達，選用的工作天線的中心頻率為250 MH_Z，在遺址上布置了四條呈「豐」字形地質雷達測線，測線間距為1.5 m，測點間距為0.03～0.05 m，採用剖面法測量。

圖5-4-21為雷峰塔塔基內的一條地質雷達探測剖面圖，橫坐標為1.0～2.8 m，縱坐標1.3～2.6 m處雷達波同相軸錯斷，橫坐標1.5～2.4 m，縱坐標2.6 m處有一雙曲線型拱起的反射波同相軸，塔基中心位置的雷達波圖像與周圍介質的雷達波圖像的差異明顯，因此，雙曲線型拱起異常應為地宮引起。地宮存在的范圍，測線1.0～2.8 m，埋藏深度1.3～3.1 m。考古挖掘表明，地質雷達探測的結果是准確的，水平位置1.0～2.8 m，縱向深度1.3～2.6 m處雷達波異常反射由夯土層引起，地宮大小為0.9×0.9 m，高0.5 m。圖5-4-22為地宮挖掘後繪制的地質剖面圖。

圖5-4-21 塔基內一條雷達探測剖面圖

圖5-4-22 地宮挖掘後繪制的地質剖面圖

2. 全球地質災害態勢及防治趨勢

隨著全球氣候變暖，地殼活動進入一個相對活躍期，再加上重大工程的開工建設等人類活動的影響，世界各國正在遭受前所未有的地質災害威脅。崩塌、滑坡、泥石流等突發性地質災害日益增加。地質災害已經成為當代地球科學的熱點領域。本屆大會除了在「每日主題」報告會中專門設立地質災害專題外，還有多個討論會涉及地震、火山活動、海嘯（風暴潮）、滑坡、崩塌、泥石流等主要地質災害類型，其他災害如暴雨、洪水等氣象災害也被納入到地質災害專題。

縱觀本屆國際地質大會，與地質災害專題有關的地球科學熱點領域包括以下幾個方面。

一、地質災害調查檢測新技術和新方法

干涉雷達測量和差分干涉雷達測量技術作為快速、精確（毫米級）的獲取地形數據的技術，日益受到重視，有很多的研究都是利用這兩種技術開展滑坡監測和制圖。隨著GIS制圖和數據分析處理能力的日益增強，有限元理論的2D或3D模型應用於滑坡、崩塌等的穩定性計算和評價已經很普遍。安吉·梅瑞（Andrea Merri）等採用Flac3D軟體對義大利思特朗博利火山進行3D地質建模，從而分析不同岩漿構造狀態下應力—應變狀態的變化，並對岩漿流動狀態進行預測。英國地質調查局已將3D地質建模納入戰略科學計劃（2005～2010年），與1999年出台的戰略科學計劃相比，最重要的變化就是從2D地質調查技術向3D地質調查技術轉變，例如「英國大陸的3D地學框架」和「海岸、大陸架和大陸邊緣的3D表徵」等研究計劃。隨著地理信息系統的發展，目前甚至已經出現了4D理論。

二、地質災害監測預警

地質災害早期預警系統不僅是一套技術設備，人類因素、社會元素和信息通信也是重要的組成部分。挪威是崩塌、滑坡和泥石流等突發性地質災害頻發的國家（地區），於2005年成立Geo Extreme研究計劃，擬用4年時間對挪威今後50年地質災害情況進行評估。這個課題共包含4個研究模塊：模塊A主要目標是進行氣象參數與滑坡和崩塌之間的耦合性研究，為了進行這方面的研究，已經建立了包含滑坡和崩塌事件的資料庫；模塊B主要進行區域氣候前景預測，重點是進行降水和颶風等極端氣候事件研究；模塊C利用模塊A和B研究結果生成關於挪威將來可能發生地質災害的分布圖，這項模塊主要研究4個能代表不同氣候區域的關鍵區域；模塊D研究過去和預測將來由地質災害引起的經濟損失情況，主要因素有由自然災害引起的破壞和減災措施所需要的費用、經驗能力培訓、預案方面的變化以及對於政策制定者的影響。

三、地質災害風險管理

地質災害風險評估與管理一直是國際上倡導和推廣的減災防災有效途徑之一。「降低風險、增加防禦」是本次大會地質災害的主題，也是2008國際地球年的十個主要研究課題之一。本主題集中討論了4方面問題：①人類是如何改變了岩石圈、生物圈和自然景觀，並因此產生對人類生命和環境有害的變化並誘發地質災害，同時增加了社會對地球（地質、地貌和水文氣象）適應的脆弱性？②我們應該採取什麼樣的方法和技術來評估人類和場地對災害的適應性，以及在全球范圍內我們該如何採用這些方法和技術？③在目前監測、預測和減災能力條件下，各地質災害類型之間相對比是什麼樣一種狀態，以及我們要採取什麼措施才能夠在短期內改變這種狀態？④在風險運用與政府（以及其他機構）掌握的對於每一種地質災害的風險、降低脆弱性措施及計劃（包括減災）之間存在什麼障礙？為了解決這些問題，本主題致力於與其他國際組織中的各研究項目達到一個整體平衡，主要焦點在這些問題怎樣與聯合國國際減災戰略兵庫行動框架的五個行動主題相銜接。

四、重大地質災害應急系統

盡管本屆大會很少有地質災害應急系統研究方面的論文，但是在專題討論過程中，不少研究者都提及了這一問題。地質災害應急系統的建設主要是根據各地區地質災害發育特徵，開展地質災害信息系統建設、防災減災演習和制定應急救災預案等。目前各國都有不同的地質災害應急辦法，但是在推廣應用方面還存在一定差距。西爾弗斯特·哥利姆斯達爾（Sylfest Glimsdal）等對挪威西部Akneset地區的一個斜坡體進行研究後發現該斜坡體有一塊很大的不穩定塊體，如果這些不穩定塊體整體滑動，這個滑坡將會誘發海嘯，並會對這個海灣上的多個建築物造成破壞性損失，通過對斜坡體數字建模、波浪數字建模和進行2D和3D數字建模對斜坡體穩定性、海嘯的產生和傳播過程進行模擬分析，最終預測了海嘯。在2008年的四川汶川大地震中，桑棗中學在地震發生後，只用了1分36秒，就組織2000多名學生下樓，全校師生無一人傷亡，創造了該次地震中的一個奇跡，這個奇跡的創造歸功於該校平時進行的消防防災演習和對建築物的修繕、加固。對於地震、海嘯等破壞力強的地質災害，也可以通過先進的地震、海嘯預警系統，提前發出警報，讓人員和車輛在海嘯到達之前轉移到安全地帶，是最有效的方法之一。

五、把地質災害風險性評估納入城市規劃和管理

隨著世界人口的增加和城市化進程的加快，各種地質災害成為制約城市發展規劃的消極因素，在城市規劃和管理中加強地質災害危險性評估工作是一項具有重要意義的工作。在本次大會上，有關學者介紹了所在國家（地區）的一些做法。英國是一個國土面積較小、海岸線狹長的國家，卻有非常多和正在增長的人口，對於土地利用方面的競爭一直很激烈，因此在一些可能遭受地面沉降、滑坡和洪水的地區進行土地利用和開發就有相當大的壓力，此外，還有一些被工業污染的土地需要進行改良和開發，在這些地區進行土地開發和建設時需要對這個地區的地質災害發育情況有較深入的了解。維克托·奧斯波夫（Victor Osipov）主要考慮莫斯科地質災害類型有滑坡、喀斯特、岩溶侵蝕過程和地下水洪流等，在地質災害發生過程評估的基礎上，繪制了莫斯科1∶5萬的地質環境現狀圖，並分析了根據市政規劃和職能分區的不同地質環境現狀的區域分布狀況，把莫斯科地區劃分為了非常不適宜地區、不適宜地區、較適宜地區和適宜地區等4類。

六、地質災害國際合作

盡管全球地質工作者開展了大量的工作，但地質災害仍然呈現大量增長趨勢。氣候的變化讓事態變得更加糟糕。2005年1月，由聯合國發起和建議在日本神戶通過了「2005～2025兵庫行動框架」。這項計劃有165個成員國討論通過，並且是截至目前在全球范圍內減少災難性自然災害最重要的文件之一。這項計劃明確了在世界各國及各國際組織應該採取什麼積極措施來達到較好的減災效果，另外，還闡明了世界減災委員會應該承擔的責任與義務。總之，這項行動計劃的基本觀點就是國際社會應該承擔起保護市民避免遭受災害的威脅。行動框架按地震、海嘯、滑坡和火山爆發等對地質災害進行了劃分，並且每類地質災害都有災難性事件的例子以及死亡率和經濟損失統計數據。在本項行動框架中，對合適的判別方法的重要性、風險減少措施（包括早期預警系統）、加強制度管理（包括建築物容納能力）等3個主要內容進行了更加詳細的討論。

由於國際科學理事會亞太地區辦公室所負責的地區人口佔世界大多數，並且因地質災害死亡的人數佔全球總死亡人數的80%，因此該辦公室決定創建一個關於地質災害和災難的科學計劃，該計劃初步考慮地震、洪水和滑坡等3種主要地質災害，目標是減輕自然災害。2002年提出了實施方案，後來這個方案發展成為全球觀測戰略8個主題之一，並由歐洲空間機構對外發布。2007年這項計劃又由法國地質礦產局改進。兵庫行動框架提出後，義大利、中國、日本等國家進行了相關的工作，2005年9月在北京召開的亞洲減災大會上，落實了兵庫行動框架，討論了十年內亞洲地區減災重點領域和區域合作內容。2007年第六屆亞洲工程地質災害區域會議在韓國首爾舉行，中韓之間簽訂了合作協議，對亞洲地區的地質災害合作研究進行了深入探討。2008年11月還將在日本東京召開國際滑坡會議，對相關問題開展進一步的探討。

（張永雙吳樹仁郭長寶張岳橋執筆）

3. 地球物理方法在探測、解決地質災害地質問題方面的能力，地球物理勘探方法在地質災害探測中的應用

地震勘探： 可以查清楚地下岩層的速度和密度物理參數，用來解釋地下岩層的起伏形態，構造的分布狀況，岩性的變化情況
電法勘探： 可以查清地下的電阻率電導率物理參數，常用來經行水、金屬或者其他高阻類的地質體
磁法勘探： 可以查清大地電磁的分布情況，用來查清探測區域的磁力異常，通過磁力異常來定位特殊礦產
重力勘探： 雷同磁法，探測的物理參數為重力
地質雷達： 通過發射電磁波來進行快速的地下電性差異層，常用來進行路基檢測，管網探測等等
地震、電法井間CT： 通過不同的井下布設發射、接受裝置來檢測相應的地球物理參數，進一步通過CT成像方法來對井間的地層進行成像
井地CT： 採用井中激發，或者地面激發，井中或者地面接收地球物理場的變化來進行類似於椎體的成像
vsp、rvsp採用井中激發，或者地面激發，井中或者地面接收地球物理場的變化來進行地下情況的成像
常見院校有： 中國石油大學 中國海洋大學 中國地質大學 中國礦業大學
中南大學 中科院相關院所（較多不列舉） 各大石油學院 吉林大學 成都地質學院（現為科技大學） 等等等等
地震類的勘探成像精度高，可以用來定量分析。其他方法一般具有體積效應，常用來進行定性勘探。
靠 累

4. 關於地質災害防治施工可能會用到的設備有哪些

大型旋挖機，鑽機，鋼筋設備，挖掘機，鏟車，鋪路機，壓路機，發電機組，噴射機，錨桿鑽機，夯擴機，油料儲運車 雷達通訊工具 翻斗車 水泥船，制磚機 等等

5. 　探地雷達

11.6.1基本原理

探地雷達（Geologic Radar或Earth Pobing Radar）主要研究電磁波在介質中傳播的速度，介質對電磁波的吸收，以及電磁波在介質交界面的反射。

11.6.1.1電磁波在介質中的傳播速度

探地雷達測量的是地下界面的反射波走時 t，為了獲取地下界面的深度 h=tv/2，必須有介質的電磁波傳播速度v：

地質災害勘查地球物理技術手冊

式中：c為真空中電磁波傳播速度，c=0.3m/ns；ε_，為相對介電常數，是介質介電常數ε與真空的介電常數ε₀的比值。

11.6.1.2電磁波在介質中的吸收特性

吸收系數α決定了場強在傳播過程中的衰減率，對非良導電、非磁性介質，α的近似值為

地質災害勘查地球物理技術手冊

即α與導電率σ成正比，與介質導磁率μ和介電常數ε比值的平方根成正比。

11.6.1.3反射定律與反射系數

電磁波（又稱入射波）到達介質的電性分界面時，會發生反射，被界面反射而返回的電磁波稱為反射波。反射波與入射波界面處的運動學特徵（即傳播方向）遵循反射定律，即入射角θ_i（入射方向與界面法線向的夾角）等於反射角θ_r（反射方向與界面法線方向的夾角）。

電磁波在到達界面時，還將發生能量的再分配。入射波、反射波和折射波三者之間能量關系，因入射波電磁場相對界面的方向（極化特性）不同而異。當電場平行於界面時，電磁波從介質1入射到介質2時的電場反射系數 R₁₂為

地質災害勘查地球物理技術手冊

對於非磁性、非良導電介質，

。垂直入射時11.6.2觀測方法

地質災害勘查地球物理技術手冊

探地雷達盡管型號很多，但都可以看成是由接收、發射兩部分組成。發射部分通過天線向地下發射超高頻寬頻短脈沖電磁波，接收部分通過天線接收來自地下介質交界面的反射電磁波。目前常用的探地雷達觀測方式有剖面法和寬角法兩種。

11.6.2.1剖面法

剖面法是發射天線（T）和接收天線（R）以固定間距沿測線同步移動的一種測量方式。當發射天線與接收天線間距為零，亦即發射天線與接收天線合二為一時，稱為單天線形式，反之稱為雙天線形式。剖面法的測量結果可以用探地雷達時間剖面圖像來表示。該圖像的橫坐標記錄了天線在地表的位置；縱坐標為反射波雙程走時，表示雷達脈沖從發射天線出發經地下界面反射回到接收天線所需的時間。這種記錄能准確反映測線下方地下各發射界面的形態。圖11-8為剖面法示意圖及其雷達圖像剖面。

圖11-8剖面法示意圖及雷達圖像

11.6.2.2寬角法

為了原位測量地下介質的電磁波速度，在探地雷達工作中還常採用寬角法或共中點法觀測方式。一個天線固定在地面某一點上不動，而另一天線沿測線移動，記錄地下各個不同界面反射波的雙程走時，這種測量方式稱為寬角法。也可以用兩個天線，在保持中心點位置不變的情況下，改變兩個天線之間距離，記錄反射波雙程走時，這種測量方式稱為共中心點法。當地下界面平直時，這兩種方法結果一致。這兩種測量方法的目的是求取地下介質的電磁波傳播速度。圖11-9是共中心點觀測方式示意圖及其雷達圖像。

深度為h的地下水平界面的反射波雙程走時t滿足：

地質災害勘查地球物理技術手冊

式中：x為發射天線與接收天線之間的距離；h為反射界面的深度；v為電磁波的傳播速度。當地層電磁波速度v不變時，t²與x²成線性關系。用寬角法或共中心點法測量得到地下界面反射波雙程走時t，再利用公式（11.9）就可求得地層的電磁波速度。

11.6.3技術要求

11.6.3.1測線布置原則

探地雷達的野外工作常常是沿測線進行的，沿測線採集到的數據經處理後的成果就是探地雷達剖面（時間剖面或深度剖面），它是探地雷達資料解釋的基本依據。測線布置的基本原則如下。

（1）主測線應垂直地下目標體走向，輔助測線平行目標體走向，目的是更好地反映目標體形態，同時也可以避免大量異常波的出現；

圖11-9共中心點觀測方式與雷達圖像

（2）測線應盡量通過已有的井位，以利於地層的對比。

11.6.3.2解析度

解析度是地球物理方法分辨最小異常體的能力。解析度可分為垂向解析度與橫向解析度。類似於地震勘探，通常將探地雷達剖面中能夠區分一個以上反射界面的能力稱為垂向解析度。

為了研究方便，選用處於均勻介質中一個厚度逐漸變薄的地層模型。電磁波垂直入射時，則有來自地層頂面、底面的反射波以及層間的多次波。多次波的能量較弱，所得到的雷達信號為頂面反射波與底面反射波的合成。依照相應地層厚度的時間關系所得地層頂面的反射波合成雷達信號見圖11-10。由圖可知，可取地層厚度 h=A/4作為垂直解析度的下限。

探地雷達在水平方向上所能分辨的最小異常體的尺寸稱為橫向解析度。雷達剖面的橫向解析度通常可用菲涅爾帶加以說明。設地下有一水平反射面，以發射天線為圓心，以其界面的垂距為半徑，作一圓弧與反射界面相切，此圓弧代表雷達到達此界面時的波前，再以多出1/4及1/2子波長度的半徑畫弧，在水平面界面的平面上得到兩個圓。其內圓稱為第一菲涅爾帶，兩圓之間的環形帶稱作第二菲涅爾帶。根據波的干涉原理，法線反射波與第一菲涅爾帶外緣的反射波的光程差λ/2（雙程光路），反射波之間發生相長性干涉，振幅增強。第一帶以外諸帶彼此消長，對反射的貢獻不大，可以不考慮。設反射界面的埋深為 h，發射、接收天線的距離遠遠小於h時，第一菲涅爾帶半徑可按下式計算：

圖11-10地層厚度對波形影響示意圖（據Widess1973修改）

（a）為反射射線圖解，b為地層厚度；（b）為單個反射波形，利用地層厚度算出的時間延遲把得自頂底界面的單個反射波形相加，即得到如（c）中的波形；（c）為復合反射波形，它是地層厚度的函數，T為入射子波主周期，λ₂=tv為地層內的波長。等時線間隔為t/2。標有x的線為波谷時間線，點線為零振幅時間線，為各復合子法的中心線；（d）為振幅與視厚度的定義

地質災害勘查地球物理技術手冊

式中：λ為雷達子波的波長；h為異常體的埋藏深度。

圖11-11為處於同一埋深、間距不同的兩個金屬管道的探地雷達圖像。該圖像在水槽中獲得，實驗使用鐵管φ5cm，鋼管φ3cm。測量時使用中心頻率為100MHz天線，其在水中的子波波長λ＝0.33m。從圖中可以看出一些內容：①處在深度為1.06m的φ3cm鐵管仍可以很清晰地為探地雷達所分辨，由於其管徑約為0.1r_f，說明探地雷達對單個異常體的橫向解析度要遠小於第一菲涅爾帶的半徑。②圖11-10(a）兩管間距0.5m大於第一菲涅爾帶半徑，由雷達圖像可以准確把兩管水平位置確定出來；（b）兩管間距0.4m小於第一菲涅爾帶半徑r_f=0.42m，已很難用雷達圖像確定兩管精確位置。這表明區分兩個水平相鄰的異常體，其最小橫向距離要大於第一菲涅爾帶半徑。

11.6.3.3探測距離與探距方程

探地雷達能探測最深目標體的距離稱為探地雷達的深測距離。當雷達系統選定後，系統的增益 Q_。就確定。Q_s為最小可探測的信號功率 W_min與輸入到發射天線的功率W_t之比，即：

圖11-11兩個同深金屬管的地質雷達圖像

（a）鋼管（右）直徑3cm，頂深1.06m；鐵皮管（左）直徑5cm，頂深1.04m，管中心距0.5m;（b）鋼管（右）頂深0.52m；鐵皮管（左）頂深0.5m，管中心距0.4m;（c）鋼管（右）頂深1.04m；鐵皮管（左）頂深1.06m，管中心距0.4m

地質災害勘查地球物理技術手冊

探地雷達從發射到接收的過程中能量會逐漸損耗。雷達系統從發射到接收過程中的功率損耗 Q可由雷達探距方程來描述。

地質災害勘查地球物理技術手冊

式中：η_t、η_r分別為發射天線與接收天線的效率；G_t、G_r分別為在入射方向與接收方向上天線的方向性增益；g為目的體向接收天線方向的後向散射增益；σ為目的體的散射截面；α為介質的吸收系數；r為天線到目的體的距離；λ為雷達子波在介質中的波長。

滿足Q_s+Q＞0的最大距離r，稱為探地雷達的深測距離，亦即處在距離 r范圍內的目的體的反射信號可以為雷達系統所探測。

11.6.3.4探地雷達方法有效性評價

每接受一個探地雷達測量任務，都需要對探地雷達解決地質問題的有效性進行評價，以確定探地雷達測量能否取得預期效果。

（1）目標體深度是一個非常重要的問題。如果目標體深度超出雷達系統探測距離，則探地雷達方法就要被排除。雷達系統探測距離可根據雷達探距方程（11.12式）進行計算。

（2）目標體幾何形態（尺寸與取向）必須盡可能了解清楚，包括高度、長度與寬度。目標體的尺寸決定了雷達系統可能具有的解析度，關繫到天線中心頻率的選用。如果目標體為非等軸狀，則要搞清目標體走向、傾向與傾角，這些將關繫到測網的布置。

（3）目標體的電性（介電常數與導電率）必須搞清。雷達方法成功與否取決於是否有足夠的反射或散射能量為系統識別。當圍岩與目標體相對介電常數分別為εh與εT時，目標體功率反射系數的估算式為：

地質災害勘查地球物理技術手冊

一般說目標體的功率反射系數應大於0.01。

（4）測區的工作環境必須搞清。當測區內存在大范圍金屬構件並成為無線電射頻源時，將對測量構成嚴重干擾，在進行資料解釋時必須加以排除。

11.6.4信號處理

11.6.4.1濾波技術

探地雷達測量中，為了保持更多的反射波特徵，多採用寬頻帶進行記錄，但在記錄各種有效波的同時，也記錄了各種干擾波。一維濾波技術就是利用頻譜特徵的不同來壓制干擾波，以突出有效波，它包括一維頻率域濾波和一維時間域濾波。

探地雷達數據中，有時有效波和干擾波的頻譜成分十分接近甚至重合，這時無法用頻率濾波壓制干擾，需要用有效波和干擾波在空間位置上的差異進行濾波。這種濾波要同時對若幹道進行計算才能得到輸出，因此是一種二維濾波。

二維濾波原理是建立在二維傅里葉變換基礎上的。沿地面觀測頻率波數譜 G（ω，kx）是頻譜的時空函數。

地質災害勘查地球物理技術手冊

地質災害勘查地球物理技術手冊

上式說明，g(t,x）是由無數圓頻率為ω＝2πf，波數為k_x的平面簡諧波所組成，它們沿測線以視速度v^＊傳播。

如果有效波和干擾波的平面簡諧波成分有差異，有效波的平面諧波成分與干擾波的平面諧波成分以不同的視速度傳播，則可用二維視速度濾波將它們分開，達到壓制干擾、提高信噪比的目的。

11.6.4.2二維偏移歸位處理方法

探地雷達測量的是來自地下介質交界面的反射波。偏離測點的地下介質交界面的反射點只要其法平面通過測點，都可以被記錄下來。在資料處理中需要把雷達記錄中的每個反射點移到其本來位置，這種處理方法被稱為偏移歸位處理。經過偏移處理的雷達剖面可反映地下介質的真實位置。常用的偏移歸位方法有繞射偏移、波動方程偏移和克希霍夫積分偏移，有關偏移方法可參考相關地球物理信號處理書籍。

11.6.5數據處理方法

數據處理的目的是對原始雷達記錄進行初步加工處理，使實測的雷達資料更便於計算機處理。常用的處理方法有不正常道處理與多次疊加處理。

當天線與地面接觸不良，或者由於發射電路工作不正常產生廢記錄道，在預處理時必須廢除該道記錄，並用相鄰道的均值補全。

在地下介質對電磁波吸收較強的測區，為了增加來自地下深處的信息，加大探地雷達的探測深度，常常使用多次疊加技術。目前適用於探地雷達多次疊加處理的測量方法有兩種：一種是多天線雷達測量系統，應用一個發射天線，多個接收天線同時進行測量；另一種是多次覆蓋測量，使用幾種不同天線距的發射—接收天線沿測線進行重復測量。多次覆蓋測量在同一測點上有幾組共反射點的雷達數據，經天線距校正後，進行疊加使得來自地下的反射波得到加強，而干擾波信號大大減弱，從而增加了探測深度。

11.6.6成果表達形式

（1）探地雷達實際材料圖集中顯示雷達測網布置；

（2）雷達剖面成果圖顯示雷達測線下地層與構造形態；

（3）平面等值線圖表達測線范圍內某些目的層分布特徵，其中包括基岩高程圖、目的層等深圖等；

（4）雷達推測成果圖，包括推斷構造分布、滑體范圍成果圖，岩溶平面分布圖等；

（5）三維雷達成果，包括垂直切片圖、水平切片圖、三維體顯示以及格柵顯示圖。

11.6.7資料解釋原則

探地雷達資料的地質解釋是探地雷達測量的目的，這項工作通常是在數據處理後所得到的探地雷達圖像剖面中，根據反射波組的波形與強度特徵，通過同相軸的追蹤，確定反射波組的地質含義，構築地質—地球物理解釋剖面並依據剖面解釋獲得整個測區最終成果圖，為地質災害的治理方案提供依據。

探地雷達資料反映的是地下介質的電性分布，要把地下介質的電性分布轉化為地質情況，必須要把地質、鑽探、探地雷達這三方面的資料結合起來，建立測區的地質—地球物理模型，並以此得到地下地質模式。

11.6.7.1雷達剖面與地質剖面的關系

雷達剖面不是地質剖面的簡單反映，兩者既有內在聯系，又有區別。

（1）雷達反射界面與地層界面的關系

雷達反射界面是電性界面，而地質剖面反映的是岩層界面。地層劃分的依據是岩性、生物化石種類及沉積時間等。地質剖面中由於沉積間斷或岩性差異而形成的面，如斷層面、侵蝕不整合面、流體分界面及不同岩性的分界面，均可成為反射面，這時反射面與地質分界面是一致的，即大多數雷達反射面大體上反映地層界面的形態。然而在許多情況下，反射面與鑽井或測井所得到的地質剖面的地層分界面並不一致。主要體現在以下幾種情況：

首先是有些埋藏深的古老地層，在長期的構造運動和壓力的作用下，相鄰地層可能有相近的波阻抗，因而地質上的層面不足以構成反射面。

其次，同一岩性的地層，其中既無層面又無岩性分界面，但由於岩層中所含流體成分不同，而構成物性界面，如飽水帶與飽氣帶界面，因而雷達反射界面有時也並非是地質界面。

再次，雷達反射面是以同相軸表達的，當多個薄層組成多個地質界面時，在雷達剖面中由於雷達子波有一定的延續度使多個薄層界面的反射波疊加成復合波形，從而產生反射波界面與地層界面的不一致。

（2）雷達反射界面的幾何形態與地質構造關系

雷達反射波剖面圖像一般可以定性反映地質構造形態，尤其當構造形態比較簡單時，反射波同相軸的幾何形態所反映的地質構造是直觀的、明顯的。但由於解析度限制及其雜訊，雷達剖面反映構造細節有限，使兩者之間存在不少差別。

首先，雷達剖面通常是時間剖面而地質剖面是深度剖面。雷達時間剖面要經過時深轉換後才能成為深度剖面。時深轉換後的雷達深度剖面與地質剖面的符合程度，主要取決於速度資料的可靠程度。速度不準，會導致雷達深度剖面上的反射層與地質剖面上的真實地層不符，甚至會引起構造畸變。

其次，由於雷達波的垂向解析度的限制，致使在薄層情形下，雷達反射層與地質層位往往不是一一對應的，有可能一個地質界面對應多個雷達相位，多個薄的地層界面對應多個雷達相位。

再次，只要觀測點處在界面的法線上，就會接收到旁側界面的反射波，使雷達剖面上所反映的地質構造在空間上發生了偏移。尤其當地質構造比較復雜時，雷達剖面上反射波同相軸的幾何圖形並不能直接反映復雜構造的真實形態，甚至面目全非，給雷達資料帶來很多假象，使得雷達剖面解釋存在多解性。

11.6.7.2雷達時間剖面對比

時間剖面的對比就是在雷達反射波時間剖面上，根據反射波的運動學和動力學的特徵來識別和追蹤同一反射界面反射波的過程。它實際上包括兩方面的工作，一個工作是在某條剖面上根據相鄰接收點反射波的某些特點來對比同一界面反射波，一般叫波的對比；另一個工作是在相鄰多條雷達剖面上追蹤同一界面的反射波，稱為時間剖面的對比。在時間剖面上對比反射波，嚴格地說應該對比反射波的初至。但是，由於反射波是在各種干擾背景下記錄下來的，當子波為最小相位時，其初至很難辨認。為了便於對比，總是利用剖面上比較明顯的波形相位對比。一個反射界面在雷達剖面上往往包含有幾個強度不等的同相軸，選其中振幅最強、連續性最好的某個同軸相進行追蹤，這叫做強相位對比，有時反射層無明顯的強相位，可對比反射波的全部或多個相位，這稱為多相位對比。另外還可以利用波組和波系進行對比。波組是指由三四個數目不等的同相軸組合在一起形成的，或指比較靠近的若干界面所產生的反射波組合。由兩個或兩個以上波組所組成的反射波系列，稱為波系。利用這些組合關系進行波的對比，可以更全面考察反射層之間的關系。因為從地質觀點來說，相鄰地層界面的厚度間隔、幾何形態是有一定聯系的，沿橫向變化是漸變的，反映在時間剖面上反射波在時間間隔、波形特徵等方面也是有一定規律的。有時在剖面的某段長度內，因某種原因（如岩性橫向變化）有的同相軸質量較差（振幅弱、連續性差），我們可以根據反射波相互之間總的趨勢的極值點（波峰或波谷）依次對比同相位。所以波的對比又稱為波的相位對比或稱同相軸對比。

11.6.8儀器設備

探地雷達儀器設備見表11-6。

表11-6探地雷達一覽表

參考文獻

傅良魁主編.1983.電法勘探教程，北京：地質出版社

李大心.1994.探地雷達方法及其應用，北京：地質出版社

李金銘，羅延鍾主編.1996.電法勘探新進展，北京：地質出版社

劉煜洲等.1994.甚低頻電磁法邊界元數值模擬及地形影響與改正，物探與化探，Vol.18.No.6

劉天佑.2002.應用地球物理的數據採集與處理，武漢：中國地質大學出版社

史保連.1986.甚低頻電磁法，北京：地質出版社

王興泰等.1996.工程與環境物探新方法新技術，北京：地質出版社

Annan A.P.,Cosway,S.W.,1992.Ground Penetrating Radar Survey Design,Annual Meeting of SAGEEP,Chicago

Daniels,J.J.,Guntun,D.J..and Scott,H.F.,1988.Introction to Subsurface Radar,IEE Proceeding,135(4),278～300

J.P..VanGestl,P.L.,Stoffa,2000.Migration using multiconfiguration GPR data,Proceedings of the 8th International Conference on GPR,Australia

6. 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.

7. 淺議三峽庫區地質災害預警工程常用監測方法及應用

王愛軍^1,2薛星橋^1,2

(¹中國地質大學（武漢），湖北武漢，430074；

²中國地質調查局水文地質工程地質技術方法研究所，河北保定，071051）

【摘要】長江三峽庫區地質災害預警監測是服務於地質災害防治、保障三峽工程建設安全的主要基礎工作。開縣、萬州區、巫山縣的38個滑坡災害專業監測點，採用大地形變監測、深部位移鑽孔傾斜儀監測、地下水動態監測、滑坡推力監測、地表裂縫相對位移監測、GPS全球衛星定位系統監測、TDR時間域反射監測和宏觀監測等綜合系列監測方法。每個滑坡災害點，採用2種以上監測方法，分別監測滑坡體地表內部變形或受力變化；重要災害點採用4～5種方法同時進行監測，以便進行對比和綜合分析。對滑坡監測及監測成果統計分析，多種監測數據成果具有明顯的一致性和相關性，反映了滑坡體的變形情況和特徵，證實監測方法合理有效，監測成果將為地質災害預警工程和地質災害防治工程提供可靠依據。

【關鍵詞】三峽庫區地質災害預警工程監測方法應用

1前言

長江三峽庫區自然地質條件復雜，是地質災害的多發區和重災區。三峽工程的興建和百萬移民工程，在一定程度上改變了原有地質環境的平衡狀態，加劇了地質災害的發生。隨著三峽工程建設的不斷推進，庫區地質災害對三峽工程和庫區人民生命財產安全的影響日益增加，及時有效地防治庫區地質災害已成為三峽工程建設的重要任務之一。地質災害預警監測工作是實現地質災害防治的主要基礎工作。

三峽庫區共有38個滑坡災害專業監測點在進行專業監測工作，其中重慶市開縣14個、萬州區14個、巫山縣10個。

2監測方法

2.1大地形變監測

採用全站儀監測。在滑坡體外選取地質條件較好、基礎相對穩定的點位作為監測基準點，在滑坡體上選擇有代表性的點位作為監測點，標志點全部採用混凝土強制對中監測墩。

2.2深部位移監測

採用鑽孔傾斜儀進行監測。在滑坡體上選擇有代表性的點位布置測斜鑽孔，分別在其主滑方向和垂直主滑方向上進行正反兩回次自下而上的測讀，監測點間距0.5m，使用移動式「CX-01型重力加速度計式鑽孔測斜儀」，監測數據穩定後自動記錄，每期監測共記錄4組數據。

2.3滑坡推力監測

在滑坡體上選擇有代表性的點位布置鑽孔，在鑽孔中選擇適當的深度部位，預置一系列滑坡推力感測器，用傳導光纖連接至地面，每次監測採用「BHT－Ⅱ型崩塌滑坡推力監測系統」測量記錄各點數據。

2.4地表裂縫相對位移監測

在裂縫的兩側適當部位安置數套裂縫計，進行原位裂縫相對位移監測。機械式監測具有干擾少、可信度高、性能穩定特點，監測記錄數據可直接做出時間—位移曲線，測量結果直觀性強。儀器一般量程范圍在25～100mm間，讀數器的解析度為0.01mm，操作溫度在－40℃～＋105℃之間。

2.5地下水動態監測

在滑坡體上選擇有代表性的點位布置鑽孔，對地下水水位，孔隙水壓力、土體含水率、溫度等參數監測，採用自動水位記錄儀、孔隙水壓力監測儀等儀器監測。其中孔隙水壓力監測儀的孔隙水壓力量程為－80kPa～200kPa，解析度0.1kPa，精度0.5%F·S；土體含水率量程為0至飽和含水率，解析度1%；溫度量程為0～70℃，解析度0.1℃，精度1%F·S。

2.6GPS全球衛星定位系統監測

在滑坡體外選取地質條件較好，基礎相對穩定的點位，作為監測基準點；在滑坡體上選擇有代表性的點位作為監測點，標志點全部採用混凝土強制對中監測墩，觀測時採取多點聯測。GPS監測方法，可進行全天候監測，不受通視條件限制，同時監測 X、Y、Z三維方向位移量，方便靈活，並可監測災害體所處地帶的區域地殼變形情況。採用的美國 Ashtech公司生產的UZ CGRS型GPS，最小采樣間隔1s，最少跟蹤和接收12顆衛星，使用Ashtech Solution 2.6軟體解算，精度可達水平3mm+1ppm，垂直6mm+2ppm。

2.7時間域反射測試技術（TDR）監測

即採用電纜中的「雷達」測試技術，在電纜中發射脈沖信號，同時進行反射信號監測。在滑坡體上選擇有代表性的點位布置監測鑽孔，將同軸電纜埋入監測孔，地表與 TDR監測儀相連接，把測試信號與反射信號相比較，根據其異常情況判斷同軸電纜的斷路、短路、變形狀態，推斷出電纜的變形部位，進而推算滑坡體地層的變形部位和位移量。TDR監測採用了固定式預置同軸電纜，成本低，可進行自上而下的全斷面連續監測，量程范圍大。

2.8宏觀監測

以定期巡查方法為主，對變形較大的滑坡體，據其變形特徵布置一定數量的簡易觀測點進行定期觀測，及時掌握其變形動態。

對於每個滑坡災害點，採用2種以上監測方法，分別監測滑坡體地表變形和滑坡體內部變形或受力變化，重要災害點採用4～5種方法同時進行監測，以便進行對比和綜合分析。監測點的布置應重點突出，控制滑坡的重點部位；照顧全面，力求能反映滑坡體整體變形情況。鑽孔孔口周圍用混凝土澆築，布置精確監測點位。

3監測效果分析

根據2003年7月至12月滑坡災害專業監測數據資料，初步分析三峽庫區地質災害預警工程監測方法及應用效果。

3.1大地形變監測

大地形變監測，開展了開縣大丘九社和巨坪九社滑坡、巫山縣狗子包滑坡和板壁塘滑坡，共4個滑坡的監測。以下以開縣大丘九社滑坡為例簡述監測效果。

大丘九社滑坡位於開縣鎮東鎮大丘九社斜坡上，滑坡平面形態近似矩形，剖面上呈凹型；分布高程205～300m，滑體長約250m、寬約300m，面積710萬m²，估計厚度20m，體積約140萬m³。滑坡發育於侏羅系中統沙溪廟組（J₂s）紫紅色泥岩及砂岩互層組成的平緩層狀斜坡中，滑坡體的物質組成主要為砂岩及砂岩碎塊石土，表層為鬆散土壤，局部出露砂岩碎塊石，為崩滑堆積體滑坡。

圖1開縣大丘九社滑坡累計位移量曲線圖

（a）X方向（b）Y方向（c）H方向 D1——監測點編號

大丘九社滑坡體上布置了3排監測點，每排3個共計9個監測點，滑坡體對面斜坡上布置了2個基準點，分別在2個基準點進行監測。監測網布置既控制了整體滑坡體又突出重點，採用前方交匯法施測。

8月5日進行了首次測量，9月21日進行D1第二次測量成果與之對比，表明變形趨勢明顯，滑體向 NEE向滑移。10月24日監測成果表明各監測點的變形趨於緩和。11月和12月監測成果表明各監測點無明顯變化（見圖1）。監測數據與宏觀調查定性分析相一致。

利用全站儀進行大地形變監測，其特點為監測方便，可隨時對一些危險滑坡監測，既可以在滑坡體上設置永久性監測樁，又可以設置臨時性監測樁；監測精度高，測點中誤差可達到3.5mm；不僅能測定相對位移，而且能監測絕對位移；在滿足測量條件下可進行連續監測，監測滑坡滑移的全過程，不存在量程限制。但該儀器監測受天氣因素和光線條件制約，難以在雨霧條件和夜間實施監測，且受地形和通視條件制約，施測以人工操作為主，不易實現自動化監測。

3.2深部位移鑽孔傾斜儀監測

深部位移鑽孔傾斜儀監測點為開縣6個滑坡、16個鑽孔，巫山縣5個滑坡、19個鑽孔，萬州區8個滑坡、24個鑽孔，共計19個滑坡、59個鑽孔。以下以開縣虎城村滑坡為例簡述監測效果。

虎城村滑坡為堆積層滑坡，位於開縣長沙鎮虎城村斜坡。該滑坡在平面近似矩形，剖面為凹形，分布高程330～400m，縱長約300m，橫寬約500m，滑體估計平均厚度12m，面積15萬m²，體積180萬m³。滑坡發育於侏羅系中統沙溪廟組（J₂s）紫紅色泥岩及泥質粉砂岩組成的水平層狀岩層斜坡上，滑體上部為崩坡積紫紅色碎石土層。滑坡威脅居民400餘人及其財產安全。該滑坡布置了3個深部位移鑽孔傾斜儀監測鑽孔。

Kx-162鑽孔位於滑體的中部。2004年10月，在9.5～10.5m測試深度處發生明顯的位移變形，本月變形量5.56mm，變形方向247°。11月，沒有增大趨勢，累積形變4.58mm，略小於10月份累積變形量，變形方向253°（見圖2）。

Kx-165鑽孔位於滑體的下部。2004年10月，在15.0～16.5m測試深度處發生明顯的位移變形（見圖3），本月變形量5.45mm，變形方向241°。11月，沒有明顯的增大趨勢，累積變形5.39mm，同10月份累積變形量相近，變形方向240°。

地質災害調查與監測技術方法論文集

圖2開縣虎城村滑坡 Kx-162鑽孔位移隨深度變化曲線

（a）EW方向（b）SN方向

圖3開縣虎城村滑坡Kx-165鑽孔位移隨深度變化曲線

（a）EW方向（b）SN方向

深部位移鑽孔傾斜儀監測方法，可在滑坡體上一定部位布置的鑽孔中，監測滑坡體內垂直方向上的淺層、中層、深層、滑動帶等滑移方向和相對滑動位移量；但在滑坡發生較大或急劇加速的位移變形時，由於鑽孔和孔內測斜管變形、破壞，測斜儀探頭不能送入鑽孔之內，可能使鑽孔失去監測價值。

3.3 滑坡推力監測

滑坡推力監測共設有2個測點、4個鑽孔：巫山縣淌里滑坡鑽孔2個，曹家沱滑坡鑽孔2個。以下以淌里滑坡為例簡述監測方法與效果。

淌里滑坡位於巫山縣曲尺鄉長江幹流左岸斜坡上，滑坡在平面形態上呈不規則的圈椅狀，前緣分布高程90m，後緣高程400m，平均坡度約30°～40°，縱長約800m，橫寬150～250m，滑體厚20m，面積24萬m²，體積490萬m³。滑坡發育於三疊系巴東組（T_2b）灰岩、泥灰岩、泥岩中，滑體物質主要為泥灰岩及泥岩碎塊石土，表層多為鬆散土層，下部碎塊石土結構密實。

Ws-t-tzk1推力孔位於滑體的下部，Ws-t-tzk2推力孔位於滑體的中部。其滑坡推力監測成果數據見圖4、圖5。推力監測曲線圖表明，各次監測數據規律性強，基本一致，感測器沒有發現明顯的數值變化。滑坡推力監測結果與宏觀監測結果和同時進行的鑽孔傾斜儀監測結果相一致，說明此階段滑坡暫時處於相對穩定的微變形狀態。

圖4巫山縣淌里滑坡 Ws-t-tzk1鑽孔滑坡推力監測曲線圖

圖5巫山縣淌里滑坡 Ws-t-tzk2鑽孔滑坡推力監測曲線圖

滑坡推力監測方法屬於固定點式監測，在鑽孔中預置感測器，用感測光纖連接，在地面用滑坡推力監測系統採集感測信息，可在滑坡體上一定部位布置的鑽孔中，自上至下監測滑坡體內垂直方向上的淺層、中層、深層、滑動帶等滑坡推力變化量，可定期進行數據採集監測；在對採集和傳輸處理系統進行改進的基礎上，可實現無值守自動化連續監測。

4結論

（1）通過多手段的綜合監測，掌握了被監測滑坡體的表面、內部自上至下滑移帶的變形及受力情況，數據綜合分析表明其反映了滑坡位移變化及動態特徵，取得了進行災害預警的重要基礎數據資料，說明採用的監測方法合理有效。

（2）鑽孔傾斜儀深部位移監測方法，當滑坡體發生一定量緩變位移後，部分鑽孔不能再進行全孔施測，造成勘察監測資金浪費和滑坡體監測點及監測部位減少。

（3）目前一月一次的監測周期，難以保證在滑坡發生滑移險情時能進行有效監測。為此應在進行專業監測的同時，進行群測群防監測。特殊情況下，對危險滑坡災害點，調整監測方案，進行加密監測或連續監測，使監測滿足預警預報要求。

（4）從長遠發展考慮，監測應以免值守、易維護、低成本、固定式、自動化快速連續採集傳輸和半自動化監測及人工監測相結合為方向，以建立起高效的地質災害監測網路與地質災害預警系統。

參考文獻

[1]王洪德，高幼龍，薛星橋，朱汝烈.鏈子崖危岩體防治工程監測預報系統及效果.中國地質災害與防治學報，2001,12（2）:59～63

[2]王洪德，姚秀菊，高幼龍，薛星橋.防治工程施工對鏈子崖危岩體的擾動.地球學報，2003,24（4）:375～378

[3]張青，史彥新，朱汝烈.TDR滑坡監測技術的研究.中國地質災害與防治學報，2001,12（2）:64～66

[4]董穎，朱曉冬，李媛，高速，周平根.我國地質災害監測技術方法.中國地質災害與防治學報，2001,13（1）:105～107

[5]段永侯，等.中國地質災害.北京：中國建築工業出版社，1993

8. 美國和日本等國地質災害預警服務

目前，實現地質災害預警的國家和地區，一般具備如下條件:

1)模型方法方面:對降雨和地質災害的發生進行深入研究，獲得了地質災害預警的理論模型方法。

2)降雨監測和降雨預報方面:一是降雨預報數據，能夠實現區域未來一段時間內的降雨預報;二是實時降雨監測數據，該數據一般可以通過兩種方式獲得:

a)雨量計，通過在區域上埋設一定數量的雨量計，實時精確掌握點上的降雨情況，從而實現區域上實時降雨的獲得。通過安裝自動遙測雨量監測儀(截至1995年，在舊金山灣地區安裝了60台)，當雨量每增加1mm時，通過電波自動傳送數據到任何可接收到信號的地方(要求有接收器、計算機、數據接收分析顯示的軟體)。

b)降雨雷達，通過多普勒雷達(通過降雨雲層上反射的雷達波)數據來進行降雨實時監測，該方法的難題在於，雷達回波值與地面上的降雨自動遙測值之間的關系確定上。原因有二:一是冰的反射能力遠遠大於水滴，因此溫度成為一個關鍵的因素，且雲中水滴的大小與溫度、高度都相關，同時，除了水滴外，粉塵、昆蟲、鳥等都能反射雷達的能量，都有回波;二是地面發散，即接近地面的雷達回波存在問題，特別是受到地形的影響。因此，將雷達回波值轉換到降雨強度難度較大，且不同地區轉換關系又不一樣。

3)預警系統:根據降雨引發災害的理論模型方法，實時進行分析預警。

4)預警信息發布平台:一般通過廣播電台或電視台，向公眾發布預警信息。

存在不足:理論模型方法需要更多的校驗;缺乏有關斜坡岩土體方面的實時監測。

1.4.1 美國

美國是最早開展區域泥石流災害預警的國家之一。

1.4.1.1 舊金山海灣地區

1985年，美國地質調查局(USGS)和美國氣象服務中心(NWS)聯合在舊金山海灣地區正式建立了泥石流預警系統。該系統於1986年2月12～21日在舊金山海灣地區的一次特大暴雨災害中用於滑坡預報，並得到檢驗。由於技術復雜、機構變動和人員變動等方面原因，該預警系統在1995年被迫停止運行。

基於1982年1月3～5日在美國舊金山海灣地區發生的一次特大暴雨所引起的滑坡災害數據，這次特大暴雨持續了34h，降雨量616mm，引發了大量的滑坡，造成25人死亡和超過6600萬美元的經濟損失。Mark＆Newman通過對1982年1月的降雨情況分析得出，當前期雨量超過300～400mm，暴雨量超過250mm，即超過年平均降雨量的30%時，滑坡將大規模發生。該系統的基本原理是考慮了臨界降雨強度和持續時間，並且考慮地質條件、降雨的空間分布，以及地形條件。美國地質調查局和美國氣象服務中心在整個舊金山海灣地區共設計了45個自動降雨記錄點，當降雨每增加1mm時，降雨觀測點就通過自動方式將數據傳送到美國地質調查局的接收中心和計算機系統。同時，為了監測降雨期間地下水壓力的變化，工作人員還設置了若干個孔隙水壓力計以觀測斜坡中地下水壓力變化。當降雨量和降雨強度將要超過臨界值時，提前進行滑坡災害的預報，以減少滑坡災害的損失和可能的人員傷亡。

舊金山海灣地區實時區域滑坡預警系統包括降雨與滑坡發生的經驗和分析關系式，實時雨量監測數據，國家氣象服務中心降雨預報以及滑坡易發區略圖。

1986年2月12～21日的滑坡災害預警首先由美國地質調查局決定，通過當地電台、電視台以及美國氣象服務中心的特別預報的方式來進行的。這次滑坡災害的預警分為兩個階段:第一階段是2月14日的6h災害危險期;第二階段是17～19日之間的60h的災害危險期。由於地質條件的復雜性和地形條件的變化，這兩次預報主要是針對整個舊金山海灣地區，而不是某一個特定的滑坡災害地點。根據滑坡災害發生後的調查，10處滑坡災害點有目擊者能提供精確的時間，其中有8處滑坡所發生的時間與預警的時間段是完全一致的(圖1.17)。

圖1.17 累計降雨量、滑坡預警時間(水平線段)、滑坡發生時間空心三角為滑坡;實心三角為泥石流

進一步研究要點:

a) 降雨—滑坡關系需精練，要考慮長期中等強度的降雨影響，使降雨與滑坡發生之間有更准確的模型，同時要針對滑坡的臨界值，而不僅僅是泥石流;

b) 土體含水量和孔隙水壓力的測量方法要更精確、有效;

c) 預警系統需要模式化和自動化，以便在暴雨期能夠更快、更有效地得到數據;

d) 與滑坡有關的地形、水文和地質條件等內容，需進一步考慮，以使今後的預警更准確、有效。

作為第一個預警系統，從 4 個方面保證運行:

a) 降雨方面: 國家氣象服務中心降雨預報( 未來 6h 預報) ，降雨實時連續監測( 多於 40個實時雨量計) ;

b) 預警方法方面: Canon and Ellen( 1985) 的臨界降雨判據;

c) 預警運行上: 美國地質調查局根據降雨預報和實時降雨監測，實時預警系統進行分析;

d) 美國地質調查局和氣象服務中心共同確定預警，並向社會發布。

1.4.1.2 俄勒岡州

1997 年，美國的 Oregon 政府建立了泥石流預警系統。該系統，由林業部的氣象學家、地調系統( DOGAMI) 的地質學家、交通部( ODOT) 的工程師一起創建的。預警信息和建議通過 NOAA 天氣節目和 Law Enforcement Data System 進行廣播發布。DOGAMI 負責向媒體和相關地區提供關於泥石流的追加信息; ODOT 負責在更風險時段向機動車輛提供預警，包括在高泥石流風險路段安裝預警信號。

1.4.1.3 夏威夷州

1992 年建立了類似的 I-D 的預警模型，並進行了數次實時預報( Wilson 等，1992) 。

1.4.1.4 弗基尼亞州

2000 年建立了類似的 I-D 的預警模型，並進行了數次實時預報( Wieczoic 等，2000) 。

1.4.1.5 波多黎各島

1993 年，加勒比海的波多黎各島建立了與舊金山海灣類似的 I-D 的預警模型，並進行了數次實時預報( Larsen ＆ Simon，1993) 。

1.4.2 日本福井縣

Onodera et al.( 1974) 通過研究發現，在日本，累計降雨量超過 150 ～ 200mm，或每小時降雨強度超過 20 ～30mm 時，大量滑坡將發生滑動。

日本在泥石流預警系統研製和開發方面處於國際領先地位。以發展具體一條或相鄰溝的小規模地區的泥石流預報系統為主，通過上游泥石流形成區降雨資料的統計分析，確定臨界雨量值和臨界雨量報警線，通過上游雨量實時數據採集、演算和比較判別，自動發出報警信號。

山田剛二等( 1977) 通過滑坡的位移和地下水壓力的監測，認為滑坡位移速率以及地下水壓力不僅與當天降雨量有關，而且還與以前的降雨量有關，所以用有效雨量來表示雨量，有效雨量可以從下式求得:

中國地質災害區域預警方法與應用

通過對山陰干線小田—天儀之間403km，400km附近的滑坡研究發現，日有效降雨量、位移速率、地下水壓力隨時間而變化的曲線，位移速率v，R_c與地下水壓力(p)之間關系分別是二次曲線和直線:

中國地質災害區域預警方法與應用

目前，日本在福井縣開展了地質災害預警預報工作。以點代面，根據區域地形、地貌和環境地質特徵以及災害可能發生的危險程度，在全縣范圍內布設了 66 個預警預報監測點，實現了定點、定時和災害程度的預警預報。同時通過該系統還可以了解過去某一時間的雨量情況和發布情況等內容。

1.4.3 巴 西

Guidicini and Iwasa( 1977) 通過對巴西 9 個地區滑坡記錄和降雨資料的分析，認為降雨量超過年平均降雨量的 8% ～17%，滑坡將滑動; 超過 20%，將發生災難性滑坡。

1996 年，里約熱內盧( Rio de Janeiro) 州建立了預警系統( Geo-Rio) 。由地質力學所設計並安裝了 30 台自動雨量計，向中心計算機( Geo-Rio) 發送數據。中心計算機接收數據，並發布預警。2001 年滑坡災害中，對里約熱內盧的部分地區發布了預警，但在向北 60 km 處的 Petropolis 損失慘重。由於火災，Geo-Rio 系統於 2002 年 11 月被迫停止。

9. 地質災害監測方法技術現狀與發展趨勢

【摘要】20世紀末期以來，監測理論和技術方法有長足發展，常規技術方法趨於成熟，設備精度、設備性能已具較高水平，並開發了部分高精度（微米級位移識別率）、自計、遙測、自動傳輸的監測設施。未來，將充分綜合運用光學、電學、信息學、計算機和通信等技術（諸如光纖技術—BOTDR、時域反射技術—TDR、激光掃描技術、核磁共振技術、NUMIS、GPS技術、合成孔徑干涉雷達技術—InSAR及互聯網通訊技術等），進一步開發經濟適用、有效可行的地質災害監測新技術，提高精度、准確性和及時性，最大程度地減小地質災害造成的損失。

【關鍵詞】地質災害監測技術方法新技術優化集成

20世紀80年代以來，我國地質災害時空分布特點呈現新的變化。隨著人類工程活動越來越強，人為地質災害日趨嚴重，規模、數量和分布范圍呈增加趨勢；人口密集、經濟發達地區地質災害造成的損失越來越大。崩塌、滑坡和泥石流等突發性地質災害發生頻度和造成的損失不斷加大，地面沉降、海水入侵等緩慢性地質災害的范圍逐漸增加。據相關統計資料顯示，1995～2002年，地質災害共造成9000多人失蹤或死亡，突發性地質災害共造成直接經濟損失524億元，緩慢性地質災害造成直接經濟損失590億元，間接經濟損失2700億元。地質災害已經成為嚴重製約我國經濟發展的重要因素之一。

為了摸清我國地質災害的分布情況，我國系統地開展了地質災害調查工作，先後出台了《地質災害防治管理辦法》和《地質災害防治條例》，明確指出：防治地質災害，實行「以人為本，防治結合，統籌規劃，突出重點，分期實施，逐步到位」的方針。並於2003年4月啟動了全國性地質氣象預報。對已經查明的地質災害體，特別是對生產建設、人民生命財產安全構成嚴重威脅的地質災害，若能運用適當、有效、經濟可行的監測措施，作出科學的監測預報，則可最大程度地減小災害損失。

滑坡監測在不同條件、不同時期其作用不同，總的來說有以下幾個方面：

（1）通過綜合分析多種監測方法的監測數據，確定地質災害穩定狀態及發展趨勢，及時作出預測，防止或減輕災害損失。

（2）研究導致災害體變形破壞的主導因素、作用機理，為防治工程設計提供依據。

（3）在防治工程施工過程中，監測、分析災害體變形發展趨勢及工程施工的擾動，保障施工安全。

（4）施工結束後，進行工程效果監測。

（5）綜合利用長觀監測資料，分析災害體變形破壞機制和規律，檢驗在防治工程設計中所採用的理論模型及岩土體性質指標值的准確性，對已有的監測預報理論及模型進行驗證改進，改善、提高監測預測預報技術方法。

1地質災害監測技術綜述

地質災害監測的主要任務為監測地質災害時空域演變信息（包括形變、地球物理場、化學場）、誘發因素等，最大程度獲取連續的空間變形數據，應用於地質災害的穩定性評價、預測預報和防治工程效果評估。

地質災害監測是集地質災害形成機理、監測儀器、時空技術和預測預報技術為一體的綜合技術。地質災害的形成機理是開展地質災害監測工作的基礎；監測儀器是開展工作的手段；更為重要的是只有充分利用時空技術，才能有效發揮地質監測的作用；預測預報是開展地質災害監測的最終目的。

崩塌、滑坡、泥石流等突發性地質災害，具有爆發周期短、威脅性及破壞性顯著、成因復雜等特點，因此，當前地質災害的監測技術方法的研究和應用多是圍繞突發性地質災害進行的。1.1監測方法

監測方法按監測參數的類型分為四大類：即變形、物理與化學場、地下水和誘發因素監測（見表1）。

表1主要地質災害監測方法一覽表

1.1.1 變形監測

主要包括以測量位移形變信息為主的監測方法，如地表相對位移監測、地表絕對位移監測（大地測量、GPS測量等）、深部位移監測。該類技術目前較為成熟，精度較高，常作為常規監測技術用於地質災害監測。由於獲得的是災害體位移形變的直觀信息，特別是位移形變信息，往往成為預測預報的主要依據之一。

1.1.2物理與化學場監測

監測災害體物理場、化學場等場變化信息的監測技術方法主要有應力監測、地聲監測、放射性元素（氡氣、汞氣）測量、地球化學方法以及地脈動測量等。目前多用於監測滑坡等地質災害體所含放射性元素（鈾、鐳）衰變產物（如氡氣）濃度、化學元素及其物理場的變化。地質災害體的物理、化學場發生變化，往往同災害體的變形破壞聯系密切，相對於位移變形，具有超前性。

1.1.3地下水監測

地下水監測主要是以監測地質災害地下水活動、富含特徵、水質特徵為主的監測方法。如地下水位（或地下水壓力）監測、孔隙水壓力監測和地下水水質監測等。大部分地質災害的形成、發展均與災害體內部或周圍的地下水活動關系密切，同時在災害生成的過程中，地下水的本身特徵也相應發生變化。

1.1.4誘發因素監測

誘發因素類主要包括以監測地質災害誘發因素為主的監測技術方法，如氣象監測、地下水動態監測、地震監測、人類工程活動等。降水、地下水活動是地質災害的主要誘發因素；降雨量的大小、時空分布特徵是評價區域性地質災害（特別是崩、滑、流三大地質災害的判別）的主要判別指標之一；人類工程活動是現代地質災害的主要誘發因素之一，因此地質災害誘發因素監測是地質災害監測技術的重要組成部分。

1.2監測儀器

1.2.1按從監測儀器同災害體的相對空間關系分為接觸類和非接觸類

（1）接觸類：是指必須安裝於災害體現場或進行現場施測的監測儀器系列。如滑坡地表或深部位移監測、物理和化學場監測等。該類儀器所獲得的信息多為災害體細部信息，信息量豐富。

（2）非接觸類：是指於現場安裝簡易標志或直接於災害體外圍施測的監測儀器系列。該類監測方法多以獲得災害體地表的絕對變形信息為主，易採用網式施測；特別是突發性地質災害的臨災前後，具有安全、快捷等特點。如激光微位移監測、測量機器人、遙感雷達監測等。

1.2.2按監測組織方式分為簡易監測、儀表監測、控制網監測、自動遙測

（1）簡易監測：採用簡易的量測工具（皮尺、鋼尺、卡尺）對災害體地表的裂縫等部位進行監測。

（2）儀表監測：採用機測或電測儀表（安裝、埋設感測器）對滑坡進行地表及深部的位移、應力、地聲、水位、水壓、含水量等信息監測。

（3）控制網監測：在滑坡變形破壞區及周邊穩定地帶，布設大地測量或GPS衛星定位測量控制點網，進行滑坡絕對位移三維監測。

（4）自動遙測：利用有線和無線傳輸技術，對儀表監測所得信息進行遠距離遙控自動採集、傳輸，可實現全天候不間斷監測。

2地質災害監測方法技術現狀

地質災害監測技術是集多門技術學科為一體的綜合技術應用，主要發展於20世紀末期。伴隨著電子技術、計算機技術、信息技術和空間技術發展，國內外地質災害調查與監測方法和相關理論得到長足發展，主要表現在：

（1）常規監測方法技術趨於成熟，設備精度、設備性能都具有很高水平。目前地質災害的位移監測方法均可以進行毫米級監測，高精度位移監測方法可以識別0.1mm的位移變形。

（2）監測方法多樣化、三維立體化。由於採用了多種有效方法結合對比校核以及從空中、地面到災害體深部的立體化監測網路，使得綜合判別能力加強，促進了地質災害評價、預測能力的提高。

（3）其他領域的先進技術逐漸向地質災害監測領域進行滲透。隨著高新技術的發展和應用的深入，衛星遙感、航空遙感等空間技術的精度逐漸提高，一些高精度物探（如電法、核磁共振等技術）的發展，使得地質災害的勘查技術與監測技術趨於融合，通過技術上的處理、提升，該類技術逐漸適用於區域性的地質災害和單體災害的監測工作。

「八五」以來，我國在地質災害監測技術研究方面取得了豐碩的成果，並積累了豐富的經驗，使我國的地質災害監測預警水平得到很大程度的提高；但是還存在一定的局限性，主要表現在：

（1）地質災害監測技術、儀器設施多種多樣，應用重復性高，受適用程度、精度、設施集成化程度、自動化程度和造價等因素的制約，常造成設備資源浪費，效果不明顯。

（2）所取得的研究成果多側重於某一工程或某一應用角度，在地質災害成災機理、誘發因素研究的基礎上，對各種監測技術方法優化集成的研究程度較低。

（3）監測儀器設施的研究開發、數據分析理論同相關地質災害目標參數定性、定量關系的研究程度不足，造成監測數據的解釋、分析出現較大的誤差。

因此，要提高地質災害預警技術水平，必須在地質災害研究同開發監測技術方法相結合的基礎上，進行地質災害監測優化集成方案的研究。

3地質災害監測技術方法發展趨勢

3.1高精度、自動化、實時化的發展趨勢

光學、電學、信息學及計算機技術和通信技術的發展，給地質災害監測儀器的研究開發帶來勃勃生機；能夠監測的信息種類和監測手段將越來越豐富，同時某些監測方法的監測精度、採集信息的直觀性和操作簡便性有所提高；充分利用現代通訊技術提高遠距離監測數據信息傳輸的速度、准確性、安全性和自動化程度；同時提高科技含量，降低成本，為地質災害的經濟型監測打下基礎。

監測預測預報信息的公眾化和政府化。隨著互聯網技術的發展普及，以及國家政府的地質災害管理職能的加強，災害信息將通過互聯網進行實時發布，公眾可通過互聯網了解地質災害信息，學習地質災害的防災減災知識；各級政府職能部門可通過所發布信息，了解災情的發展，及時做出決策。

3.2新技術方法的開發與應用

3.2.1調查與監測技術方法的融合

隨著計算機的高速發展，地球物理勘探方法的數據採集、信號處理和資料處理能力大幅度提高，可以實現高解析度、高采樣技術的應用；地球物理技術將向二維、三維採集系統發展；通過加大測試頻次，實現時間序列的地質災害監測。

3.2.2 智能感測器的發展

集多種功能於一體、低造價的地質災害監測智能感測技術的研究與開發，將逐漸改變傳統的點線式空間布設模式；由於可以採用網式布設模式，且每個單元均可以採集多種信息，最終可以實現近似連續的三維地質災害信息採集。

3.3新技術新方法

3.3.1光纖技術（BOTDR）

光導纖維監測技術又稱布里淵散射光時域光纖監測技術（BOTDR），是國際上20世紀70年代後期才迅速發展起來的一種現代化監測技術，在航空、航天領域中已顯示了其有效性。在土木、交通、地質工程及地質災害防治等領域的應用才剛剛開始，並受到各發達國家研究機構的普遍重視，發展前景十分廣闊。

通過合理的光纖敷設，可以監測整個災害體（特別是滑坡）的應變信息。

3.3.2時間域反射技術（TDR）

時間域反射測試技術（Time Domain Reflectometry）是一種電子測量技術。許多年來，一直被用於各種物體形態特徵的測量和空間定位。早在20世紀30年代，美國的研究人員開始運用時間域反射測試技術檢測通訊電纜的通斷情況。在80年代初期，國外的研究人員將時間域反射測試技術用於監測地下煤層和岩層的變形位移等。90年代中期，美國的研究人員將時間域反射測試技術開始用於滑坡等地質災害變形監測的研究，針對岩石和土體滑坡曾經做過許多的試驗研究，國內研究人員已經開始該方法的研究工作，並已經在三峽庫區投入試驗應用階段，同時開展了與之相關的定量數據分析理論研究。

所埋設電纜即是感測器，又可傳輸測試信號；該方法相對於深部位移鑽孔傾斜儀監測具有安裝簡單、使用安全和經濟實用等特點。

3.3.3激光掃描技術

該技術在歐美等發達國家應用較早，我國近期開始逐漸引進。主要是用於建築工程變形監測以及實景再現，隨著掃描距離的加大，逐漸向地質災害調查和監測方向發展。

該技術通過激光束掃描目標體表面，獲得含有三維空間坐標信息的點雲數據，精度較高。應用於地質災害監測，可以進行災害體測圖工作，其點雲數據可以作為地質災害建模、地質災害監測的基礎數據。

3.3.4核磁共振技術（NUMIS）

核磁共振技術是國際上較為先進的一種用來直接找水的地球物理新方法。它應用核磁感應系統，通過從小到大地改變激發電流脈沖的幅值和持續時間，探測由淺到深的含水層的賦存狀態。我國於近期開始引進和研究，目前已經在三峽庫區的部分滑坡體進行了應用試驗，效果較好。

應用於地質災害監測，可以確定地下是否存在地下水、含水層位置以及每一含水層的含水量和平均孔隙度，進而可以獲知如滑坡面的位置、深度、分布范圍等信息，從而對滑坡體進行穩定性評價，並對滑坡體的治理提出科學依據。

3.3.5合成孔徑干涉雷達技術（InSAR）

運用合成孔徑雷達干涉及其差分技術（InSAR及D-InSAR）進行地面微位移監測，是20世紀90年代逐漸發展起來的新方法。該技術主要用於地形測量（建立數字化高程）、地面形變監測（如地震形變、地面沉降、活動構造、滑坡和冰川運動監測）及火山活動等方面。

同傳統地質災害監測方法相比，具有如下特點：

（1）覆蓋范圍大；

（2）不需要建立監測網；

（3）空間解析度高，可以獲得某一地區連續的地表形變信息；

（4）可以監測或識別出潛在或未知的地面形變信息；

（5）全天候，不受雲層及晝夜影響。

但由於系統本身因素以及地面植被、濕度及大氣條件變化的影響，精度及其適用性還不能滿足高精度地質災害監測。

為了克服該技術在地面形變監測方面的不足，並提高其精度，國內外技術人員先後引入了永久散射點（PS）的技術和GPS定位技術，使InSAR技術在城市及岩石出露較好地區地面形變監測精度大大提高，在一定的條件下精度可達到毫米級。永久散射（PS）技術通過選取一定時期內表現出穩定干涉行為的孤立點，克服了許多妨礙傳統雷達干涉技術的解析度、空間及時間上基線限制等問題。

隨著衛星雷達系統資源的改進和發展，以及相應數據處理軟體的提高，該技術在地質災害監測領域的應用將趨於成熟。

3.4地質災害監測技術的優化集成

3.4.1問題的提出

（1）監測方法的適應性。對於各種監測方法所使用的監測儀器設施，均有各自的應用方向和使用技術要求；針對不同地質災害災種、類型，其使用技術要求（包括測點布設模式、安裝使用技術要求等）不同。

（2）地質災害不同的發展階段。對於崩塌、滑坡等突發性地質災害，不同發展階段所適用的監測方法和儀器設施各異，監測數據採集周期頻度不同。

（3）監測參數與監測部位。實踐證明，一方面，不同的監測參數（地表位移、深部位移、應力、地下水動態、地聲等）在不同類型的災害體監測中具有不同程度的表現優勢；另一方面，同一災害體不同部位的監測參數隨時間變化趨勢特點並不相同，即存在反映災害體關鍵部位特徵的監測點，又存在僅反映局部單元（不具有明顯的代表性，甚至是孤立的）特徵的監測點。因此，監測要素（監測參數、監測部位）的優化選擇，是整個監測設計工作的基礎。

（4）自動化程度。決定於設備的集成度、控制模式、數據標准化程度和信息發布方式。

（5）經濟效益。決定於地質災害的規模、危害程度、監測技術組合、設備選型等因素。

3.4.2設計原則

地質災害監測技術優化集成方案遵循以下原則：

（1）監測技術優化原則：針對某一類型地質災害，確定優勢監測要素，進行監測內容、監測方法優化組合，使監測工作高效、實用。

（2）經濟最優原則：首先，不過於追求高、精、尖的監測技術，而應選擇發展最為成熟、應用程度較高的監測技術；其次，對於危害程度較大的大型地質災害體，可選擇專業化程度較高的監測技術方法，由專業人員進行操作、維護，對於危害程度低，規模小的災害體，可選擇操作簡單、結果直觀的宏觀監測技術，由群測群防級人員進行操作。

3.4.3最終目標

根據不同種類地質災害和不同類型地質災害的物質組成、動力成因類型、變形破壞特徵、外形特徵、發育階段等因素，研究適用於不同類型地質災害的監測要素（監測參數、監測點位的集合）、監測方法、監測點網的時空布置模式、監測技術要求，建立典型地質災害監測的優化集成方案。