地质灾害雷达

1. 在地质灾害评价与其他地质调查中的应用

一、地质灾害评价与监测

地质灾害主要指崩塌（含危岩体）、滑坡、泥石流、岩溶、地面塌陷和地裂缝等。灾害的地质评价与监测的目的是为了科学地确定地质体特征、稳定状态和发展趋势，为分析地质灾害发生的危险性，论证地质灾害防治的可行性和比选防治方案，最终确定是否要治理，采取躲避方案或实施防治工程对策提供依据。

地质灾害勘查的任务与内容包括查明地质灾害体的特征及其地质环境以及自然演化过程或人为诱发因素；分析研究地质灾害体的成因机制；勘查地质灾害体的形态、结构和主要作用因素等，并评价其稳定性；预测地质灾害体的发展趋势，评价其危险性；和进行防治工程可行性论证，提出防治工程规划方案。

1.工程建筑场地的岩溶和洞穴的调查

对于机场、公路及大型工程建筑场地，地下洞穴、人防工程严重威胁着地面建筑的安全。由于地下洞穴或人防工程的存在，引起地表塌陷，地面建筑遭受破坏的现象时有发生，这一现象已引起人们的高度重视，如我国北方的一些城市，废弃的人防工程已经成为城市建设的主要地质灾害之一。因此，在工程地质勘查中采用物探方法查明埋藏地下的土洞、人防工程等不良地质现象，对合理地进行地面建筑设计和地基加固是十分必要的。

柳州机场在施工过程中发现有数处大小不一的土洞，为确保机场跑道的安全，在跑道位置进行了探地雷达探测。探测中采用了SIR-10型地质雷达，天线频率为100 MHz。在跑道位置探查出三处洞穴异常。经开挖验证，均发现有较大洞穴。洞穴在雷达图像上的反映呈双曲线形，图5-4-1为土洞的地质雷达图像，开挖验证的实际洞穴如图5-4-2。这一探测结果，排除了机场跑道的隐患。

溶洞是可溶岩的一种常见的地质现象，溶洞的存在对可溶岩区的工程建筑有较大的危害。当岩面覆盖为易被冲蚀的渗透地层，且岩溶与上覆地层存在水力联系时，这种水力联系加速了岩溶发育。当岩溶顶部变薄不能支持上方地层负荷时，就会发生塌落。

图5-4-3为广州花都市某地的开口溶洞的探地雷达图像。该处覆盖层为细颗粒粉砂，有一定渗透性，其下为灰岩。灰岩面附近岩溶发育，在灰岩面的地质雷达图像中可见不规则强反射波。强反射波形成的区域内有一组周期短的弱反射波，其特征与上覆地层反射波特征类似，这表明灰岩中空洞已被上覆地层冲蚀的土体所充填。由于开口溶洞上方土体已遭冲蚀，因此，其反射波形态特征与周围土层的反射波形态特征不同，表明上覆地层已受到扰动。扰动土层与充填溶洞构成了开口溶洞特征。这类溶洞使上覆地层承载力明显降低，容易引起坍塌。

图5-4-1 柳州机场洞穴的雷达图像

图5-4-2 开挖验证的实际洞穴图像

唐山市坐落在断裂活动带和隐伏岩溶区，在自然和人为因素影响下曾多次发生岩溶塌陷、地面变形等地质灾害，给人民生命、财产安全和经济建设带来巨大危害。为了查明第四系覆盖层厚度并确定基岩中溶洞与断层位置。在唐山市第十中学操场，对曾经发生过岩溶塌陷并已作填石处理的地段开展了人工地震勘探。纵波反射观测采用1 m道间距，20 m偏移距，12 次水平叠加；横波反射观测参数采用1m道间距，20m偏移距，6次水平叠加。

图5-4-3 某开口溶洞的地质雷达图像

该区基岩为中厚微晶灰岩夹泥岩，埋深24.2 m。图5-4-4为该测区纵波剖面图，图中，基岩反射波在已知塌陷坑处同相轴缺失，并有错断，反映了断层破碎带的形态。其他部位基岩反射波同相轴连续，是完整基岩的反映。

图5-4-4 唐山市第十中学操场岩溶塌陷地震纵波反射剖面图

2.地裂缝的物探勘查

西安市是地裂缝的多发区，近年来由于频繁的构造运动及大量抽水等作用，地面及地下常出现地裂缝，严重地破坏了地面及地下的各种建筑设施。查明地裂缝的存在与否及地裂缝的位置、埋深、下延深度及其走向延伸，对西安地区的城市规划和建设有重要意义。

为了证实地裂缝是基底断裂构造向上延展活动的成因机制，开展了浅层高分辨率地震勘探，对展布在西安市的十条地裂缝带布置了垂直地裂缝带的地震测线，任务是探查地裂缝带下是否有隐伏的第四纪断层。

观测系统为道间距5 m，最小偏移距220 m。仪器参数为：采样间隔1 ms，记录长度512 ms或1024 ms，低截频率90 Hz。

在第四系平均厚度600 m的地层内，存在可连续追踪的地震反射层有七组，按其反射时间由小到大标记为t₁～t₇，与钻孔地质剖面对比，七组反射层与地质层位关系如表5-4-1。

表5-4-1 地震反射与地层关系表

地震勘查结果证明，跨越地裂缝带的24条地震剖面，均存在有第四纪断层，断层面南倾，倾角较陡，南侧的上盘下降，北侧的下盘上升，其产状和断层特性与其上部地裂缝具有的正断层式差异沉降特征是一致的，即以地裂缝为界，南侧的上盘土体相对下沉，北侧的下盘土体相对上升（图5-4-5）。

随着反射层t₁～t₆深度逐渐加深，各反射层所对应的断距逐渐加大，而不是所有反射层的断距都相等。这种现象在所有地震剖面上都存在，它反映了第四纪断裂是基底断裂继承性发展，地裂缝是第四纪断层在地表的出露。

由于地裂缝具有宽度小、埋深变化大和走向延伸较长等特点，因此，高密度电阻率法对地裂缝探测也有较好的效果。西安工程学院采用中间梯度法和高密度电法相结合对西安市地裂缝进行实验研究。图5-4-6是在已知地裂缝上的电探综合剖面图，由图可见，视电阻率高值带不仅反映出地裂缝的位置，而且也反映出其倾向和位错动情况。该处探槽可见地裂缝F₁、F₂宽度分别为1 cm和2 cm。可见，高密度电阻率法在地裂缝探测中有较高的分辨率。

地质雷达方法对地裂缝的探测也十分有效（图5-4-7）。地层受剪切和张力作用产生裂缝，造成地层某一位置错断。垂直裂缝走向布置地质雷达测量，地裂缝在雷达剖面上表现为同相轴错断，其错断程度与裂缝发育程度有关，若裂痕沿横向发育，裂缝内物质电磁波的吸收，也往往造成此部位反射波同相轴局部缺失，其缺失的范围与裂缝发育范围有关。

图5-4-5 跨越地表地裂缝的反射地震剖面

图5-4-6 地裂缝上的综合勘测剖面图

3.滑坡的监测与调查

在滑坡动态监测中，根据岩土的动力学特征的动态变化与地球物理场变化的相关性研究，可监测滑坡的形成与发展的动态过程，为灾害的预测与防治提供参考资料。

滑坡是由岩石的突然崩塌或岩（土）体滑动造成，地质环境各异，成因各不相同。目前用于调查滑坡范围及随时间变化过程研究的地球物理方法较多，如用重力测量圈定滑坡范围，自然电位监测滑坡动态，地温测量监测与滑坡有关的地下水流动态。放射性、电法、地震、地质雷达测量也是滑坡调查中常用的方法。

图5-4-7 地裂缝上的地质雷达剖面图

此外，目前正在进行研究的有：利用岩石破碎时的声发射与电磁脉冲辐射，采用声波测量与电磁波测量监测滑坡动态；利用微动观测监测滑坡体震动频谱，确定滑坡滑动方向与滑动面蠕变等方法。

图5-4-8 为电法和地震研究滑坡的实例，滑坡体靠近高加索，由砂质粘土组成，下部为泥岩风化壳。电测深结果将斜坡断面分三层，上层为滑体（ρ₁=13～29Ω· m），中层为风化泥岩，属滑动面（ρ₂=2～4Ω·m），下层是未风化泥岩组成滑床（ρ₃=2～12Ω·m）。地震测量结果将滑坡分上、下两层与滑体和滑动带相对应（v_P=340～360 m/s），下层与未风化泥岩顶部相符（v_P=1360～1400 m/s），速度界面只有一个。在滑坡上部电法和地震的上界面十分吻合，而在滑坡底部速度界面高出电性界面，原因是未风化泥岩上部裂隙度增大造成，这种软弱带有可能产生新的滑坡。

图5-4-8 根据地球物理研究结果综合绘制的电性界面断面图

前苏联成功的采用氡气测量判断坡度的稳定性，圈闭滑坡体并监测滑坡发展的过程。图5-4-9示出莫斯科列宁山滑坡地区氡气测量结果，由图可见，滑动地块中氡的浓度通常高于周围的稳定地段。因此，在不同时间系统进行氡气测量将可监测滑坡从稳定地块向活动地块发展的过程，以及趋向稳定的转变。

4.煤田陷落柱的调查

陷落柱是煤田开采中危害极大的地质灾害之一，它通常是由于基底厚层灰岩中古溶洞的塌陷加上煤层盖层塌落形成的。目前对陷落柱的调查中通常采用的地球物理方法有放射性、电法及人工地震等。

图5-4-9 俄罗斯莫斯科列宁山一个滑坡上氡气测量的结果

放射性方法调查陷落柱的根据是地下水在循环过程中由浅部氧化带溶解的微量铀，到达深部还原带并沉淀在陷落柱的空隙带中，使得铀的含量高于周围的岩石。铀衰变为镭后在还原条件下易溶于水，含镭的地下水沿孔隙向上运移到达氧化带又沉淀在土壤表面形成镭晕，同时铀、镭衰变后形成氡气异常，氡气又衰变为²¹⁰Po核素，因此，通过氡气测量或²¹⁰Po测量，可以间接调查陷落柱。通过氡气测量或²¹⁰Po测量，可以间接调查陷落柱。一般来讲，²¹⁰Po法在陷落柱上方的剖面曲线特征为马鞍形，即陷落柱边缘上异常曲线出现高峰值，而在陷落柱的中间²¹⁰Po值较低，但仍然高出正常值。

河北大油村煤矿陷落柱调查以²¹⁰Po测量为主，配合电测深、甚低频电磁法、伽马测量等地球物理方法，取得较好结果。矿区第四纪地层厚80～120 m，其中河卵石厚30～50 m，下部为二叠纪砂岩、粉砂岩、泥岩互层及煤层，矿区已发现两个陷落柱，其中DX-1已由巷道控制，DX-2刚开始揭露。²¹⁰Po测量结果如图5-4-10所示，²¹⁰Po脉冲数为60的异常值圈定的结果与已知陷落柱的范围相符，并圈出新的异常区DX-2的范围。

5.采空区的调查

采空区是由人类活动引起的地质灾害之一，它对地面建筑和人身安全带来严重隐患。为了研究对采空区的有效探测方法技术，近年来，煤炭科学研究总院和其他一些科研部门对此进行了大量的研究工作。研究成果表明，采用地震勘探、高密度电法、瞬变电磁、地质雷达、钻孔弹性波CT、α卡法测量法等物探方法对探测采空区都具有一定的效果。由于每一种物探方法的应用都受到探测深度、地形地貌和岩土特征的影响，因此，各种方法都有其适应范围，在实际应用中，应根据具体的地质情况和方法的有效性实验后选择适用的物探方法。

图5-4-10 大油村煤矿²¹⁰Po异常平面图

高密度电阻率法和地质雷达对埋藏较浅的采空区具有较好的探测效果。石—太高速公路山西平定境内遇有矾土采空区，由于工程治理的需要，在施工前需查明采空区的空间分布和规模。探测区段上部为第四系覆盖层，以粘土为主，电阻率为20～30Ω·m，厚度为0～10 m不等。底部为石炭系地层，以粉砂岩和泥岩为主，电阻率为50～100Ω·m，厚度较大。采空区由于坍塌、充填物松散、潮湿或充水，电阻率与围岩相比差异较大，呈低阻特征。其中3号采空区由于采用旁柱式开采，截面积较大，其坍塌也更严重，埋深大约为20 m。

由于地形地表条件复杂，在高密度探测中采用了非正规测网，在120 m×100 m²，的范围内共布设12条测线。点距2 m，极距a=（1～16）·x。图5 4 11为3号采空区Ⅱ、Ⅲ测线的高密度测量结果图。由图可见，除地表局部地形和电性不均匀体形成的向上开口的“V”字型干扰异常外，在其深部（39点下方）有一低阻闭合圈异常，范围较大，相应埋深也较大，与正常背景电阻率相差仅10Ω· m，在相邻测线上连续出现类似异常，深度变化不大，该低阻异常由采空区形成，异常下方为采空区位置。

图5-4-11 3号采空区Ⅰ、Ⅲ测线的高密度测量结果

地震勘探是采空区探测中应用广泛的方法之一。由于采空区的存在，采空区周围的应力平衡受到破坏，产生局部的应力集中，采空区围岩在上覆岩层压力作用下，经过一段时间后发生变形、破碎、位移和塌落，这使得采空区地震波的特征与未开采区围岩地震波的特征相比发生较大的差异。图5-4-12为徐州某煤矿煤层采空区实测地震剖面图。

图5-4-12 徐州某煤矿煤层采空区实测地震剖面图

图中可见，在采空区上地震剖面通常有如下特征：反射波速度明显降低；反射波（组）突然中断，跨过采空区后又重新出现；反射波的波形发生紊乱。

α卡法探测采空区是通过测量地表氡射气含量大小，区分出地质异常及其异常性质。实验研究表明，地表氡射气含量与地下构造有着密切关系，岩层的裂隙、断层破碎带、岩石风化带和松散带是氡气向地表运移的良好通道，这为氡射气探测地质问题提供了地球物理条件。在老窖采空区大都存在着一定程度的塌陷冒落和裂隙，采空区上方至地表将会形成裂隙发育带和松散带，成为氡气上移的通道，通道上方将出现α粒子强度的明显异常，依此可推断采空区的位置及范围。图5-4-13为徐州某煤矿煤层采空区区段土氡射气探测剖面图，强异常出现在采空区上方。

图5-4-13 徐州某煤层采空区区段土氡探测剖面图

6.地震预报中的地球物理方法

地震频繁发生的地区一般是地壳的薄弱带和活动带。深大断裂是幔源物质上侵和地球脱气的主要通道，是地震活动的发源地。地震活动又派生出新的构造运动，构造运动产生的裂隙带是气体上移的通道。利用地表自由逸出的气体溶解于水中及吸附于土壤中气体的浓度变化来监测预报地震，是当前国内外广泛采用的地震预报方法。研究证实，地震前后由于地应力的变化，可引起地下水中化学成分的变化，特别是水中气体成分对地应力的反应十分灵敏。因此，水中气体成分的变化可作为地震发生过程的重要标志，其中汞是对地震前兆响应最为灵敏的有效指标。

1985年11月21日，北京西郊妙峰山发生4.1级地震，震中距北京火车站汞监测井40 km；同年11月30日河北巨鹿发生5.1级地震，震中距汞监测井125 km。据北京火车站观测井的水汞含量观测，水中汞浓度有明显变化，正常情况下，水中汞的平均值为14 ng/L。妙峰山地震临震前汞浓度达到629.3 ng/L，为平均值的42倍（图5-4-14）。

图5-4-14 京西妙峰山、巨鹿地震前后北京火车站观测井水中汞量变化曲线

由于大地震的发生大多与断层活动有关，而活动断层是地表与地壳深部联系的通道，在活动断层附近，通过土壤中氡和水中氡测量，可以从地表直接获得深部构造活动的信息。在山东菏泽，1987年发生7.0级地震，据刘西林和华爱军1984年进行的8条剖面氡测量结果，认为1987年的7.0级地震和1983年的5.9级地震是北西向定陶—成武断裂和北东向的解元集—小留集断裂的共轭断裂发震，并确定了其产状和活动程度。

二、在考古研究中的应用

地球物理方法在考古中发挥着重要的作用。通过地面高精度磁测对古遗址分布区内与回填土的磁性差异的探测，可了解遗址的位置、边界形态及铁磁性器物的赋存特征；通过电阻率法、激发极化法、自然电场法、地质雷达等手段了解不同岩土层及各种金属器物和介质的电性差异；通过地震反射波和地震面波方法探测古墓与周围介质的弹性差异，探索陵墓地宫的结构和深度的边界及埋深；利用放射性勘测技术及天然气态放射性元素氡浓度变化的测量，来了解某些陵墓区或古建筑遗址地下结构的分布。物探方法用于考古工作，可实现对古文化的无损探测，提高了考古发掘的准确度。例如中科院地球物理所采用地震面波、高精度磁测、大地电场岩性探测和地球化学测汞对三峡库区故陵楚墓的探测，准确地确定出故陵楚墓的位置和分布形态，证实了所推测的古墓的存在，为三峡库区文物抢救保护解决了重要的难题。

1.高精度磁测在考古中的应用

地面高精度磁测是对古墓、古文化的分布探测中最主要的地球物理方法之一。古遗存或古人类化石本身及所处地层的磁性、磁化率、磁化率各向异性、剩余磁化强度等与周围环境存在的磁性差异是磁测考古的基础。经有关学者研究得出如下结论：被火烧过的泥土制品、土壤、石头等可获得较强的磁性；有机质的腐烂使土壤获得较高的磁性；人为翻动过的土壤或夯土、与周围天然的沉积物之间有明显的磁性差异；表5-4-2给出了不同考古材料的磁性参数。

表5-4-2 不同考古材料的磁性参数（据中国地质大学阎桂林）

考古对象的空间规模一般较小，形态复杂，埋深不一。考古对象与周围物质间虽有一定的磁性差别，但磁性还是较弱，再加上人文干扰，所以，考古对象产生的磁异常，其特点是范围小，强度低，梯度变化大，形态多样，有时干扰严重。因而，在考古调查中必须采用高精度的质子磁力仪或光泵磁力仪。

地面磁测时测网的比例尺一般为1∶100～1∶200。仪器探头距地面高度可为1 m至0.1 m。除观测磁场强度ΔT外，还可观测磁场的垂直梯度变化ΔT_Z。河南新郑某古墓的调查是磁法考古探测的成功实例之一。

该测区位于一战国至汉代古墓葬区内，黄土覆盖，土质均匀，地形平坦。墓葬区已经初步钻探普查，磁力调查是作为详查和核实。采用两台MP 4 型质子磁力仪，一台用于地磁日变观测。仪器探头距地面高0.5 m。测网比例尺1∶200，线距2 m，点测1 m。观测结果见图5-4-15。由ΔT平面等值线图可见，在已知墓葬A、B、C及大型陪葬坑上显示出一定强度和轮廓明显的磁异常。有些异常还勾绘出墓葬的形态及细节。如A异常清楚显示该墓有一较长的南北向墓道，墓室南侧有两个小耳室。A墓引起的磁异常为20 nT左右。据其形态，考古工作者判定为汉代“甲”字型砖墓。B异常形态表明该墓为典型的“刀”字型砖墓。图中黑粗线轮廓是根据磁异常推断的结果。C异常较弱，对其墓的形态轮廓显示不清楚，这表明该墓为一土坑墓，非砖结构。E、D异常反映的是两个新发现的墓葬，没有原始资料。陪葬坑的磁异常南、北部分有较大的区别，它表明坑内较多的陶器物品主要堆放在坑的南半部。该区这些异常推断的遗存埋深为地下1～2m。实际钻探资料证实了磁测结果的分析。

图5-4-15 河南新郑战国至汉代某古墓的磁异常等值线图

2.电法在考古中的应用

电法也是考古工作中常采用的地球物理方法。一般古墓多埋藏于第四系松散地层中，古墓上下及周围应有厚度不等的青膏泥（粘土）填充，构成一个以厚层粘土包裹着的“古墓体”，此外，墓室有可能有地下水渗入。这就使得古墓与周围地层存在一定的磁性与电性差异，为采用电法探测古墓提供了地球物理条件。

图5-4-16是河南省某古墓地面磁测剖面平面图。图中各测线在22～26点和30～36点形成了两个近EW向的条带状正异常（ΔZ_max=53 nT），其间有一下降近20 nT的鞍部，其南、北、东三面均为负异常。结合地面情况推断两条正异常的鞍部为古墓位置，而南、北、东三面负异常为高差近20 m的人工开挖陡壁引起。

图5-4-17是0号 剖面等视电阻率断面图。由图可见，0线在三角点往西有ρ_s小于8Ω·m的极小值区，其他测线也有同样反映。极小值出现在AB/2=40～100 m之间，以AB/2=65 m为中心部位。图5-4-18是AB/2=65 m的等ρ_s平面图。由该图反映出ρ_s小于8Ω·m的极小值范围为坐标原点往西11.2 m，坐标原点往南9.8 m。该范围内ρ_s值均在7.2～7.65Ω· m内，且范围外 ρ_s变化梯度较大。由此推断 ρ_s小于8Ω·m的范围为主墓葬的位置。本区电测深曲线类型以H型为主，按电性可分为三层：第一层为覆盖层，第二层为“古墓体”，第三层为“古墓体”底板。由电测深曲线解释得主墓顶部埋深为6.9 m，底板埋深为21 m。经挖掘验证，基本与物探探测结果相符。

图5-4-16 河南省某古墓磁测剖面平面图

图5-4-17 0线等ρ_s断面图

图5-4-18 等ρ_s平面图

3.地质雷达在古遗址探测中的应用

由于古遗址体与周围介质在相对介电常数上存在有差异，为地质雷达方法探测古遗址提供了地球物理条件。对于埋深较浅的古遗址，采用地质雷达方法具有较好的探测效果。湖北大冶铜录山古铜矿遗址是我国西周末期与春秋战国时期的采矿遗址，该铜矿目前仍在开采，为了协调矿山开采与古铜矿遗址保护之间的关系，应用地质雷达探测了铜矿遗址的规模及其分布，取得了令人满意的探测结果。

古铜矿遗址（称老窿区）都形成于接触破碎带中相当于矿体的氧化次生富集带中，鉴于当时开采的对象为高品位铜，因此老窿区发育地段首先要具备一定数量高品位铜矿可开采，二是当时用人力与较原始的工具挖掘，开采矿石的层位应该比较松软，老窿区对应的是接触破碎带经强烈风化区，古矿坑内都有回填土充填，回填土与原状土的差异明显。因此调查中老窿区的探地雷达图像应有如下特征：①由于地层风化是逐渐加深，因此原状土风化层应为一组均匀密集的窄反射波，同时地层风化进程是同步的，因此这些反射波的同相轴平整且可横向追踪；②老窿区现由回填土充填，而回填土与原状土差异增大，并且老窿区应处在矿石高品位地段，虽然铜已被开采，但铁矿石仍保留，因此反射信号强度大；③原状大理岩或矽卡岩由于物性相对均匀，因此反射界面相对较少，基本无明显的反射信号。

图5-4-19 老窿区的探地雷达图像

图5-4-20 地质雷达与勘探结果对照图

图5-4-19为老窿区的地质雷达图像。由图可见原状土为密集的窄反射波，而老窿区中的回填土为强反射波，横向变化大且同相轴难以追踪，原状土与回填土两者差异明显。根据雷达剖面图像我们构筑了3个高程的老窿投影与勘探解释进行对照。图5-4-20为Ⅲ号遗址老窿投影的地质雷达与勘探结果对照图。（a）是勘探结果，（b）是地质雷达解释结果。由图可见标高+53 m与+48 m老窿投影的地质雷达解释结果与勘探结果基本一致，但标高+43 m的老窿区投影与雷达解释结果有较大差异，这是因为在无钻孔区地质人员往往采用外推法解释。而这种解释在不规则的老窿区会产生较大的误差。

杭州雷峰塔始建于公元972年，于1924年倒塌，为了重建雷峰塔，浙江省考古所进行考古挖掘工作，为了确定雷峰塔是否存在有地宫，祝炜平等人开展了地质雷达方法探测工作，根据探测结果，明确了雷峰塔地宫的存在，提供了地宫的大致位置，为雷峰塔地宫的考古挖掘起到了指导作用。雷峰塔地宫探测中使用的地质雷达是瑞典玛拉公司生产的RAMAC/GPR地质雷达，选用的工作天线的中心频率为250 MH_Z，在遗址上布置了四条呈“丰”字形地质雷达测线，测线间距为1.5 m，测点间距为0.03～0.05 m，采用剖面法测量。

图5-4-21为雷峰塔塔基内的一条地质雷达探测剖面图，横坐标为1.0～2.8 m，纵坐标1.3～2.6 m处雷达波同相轴错断，横坐标1.5～2.4 m，纵坐标2.6 m处有一双曲线型拱起的反射波同相轴，塔基中心位置的雷达波图像与周围介质的雷达波图像的差异明显，因此，双曲线型拱起异常应为地宫引起。地宫存在的范围，测线1.0～2.8 m，埋藏深度1.3～3.1 m。考古挖掘表明，地质雷达探测的结果是准确的，水平位置1.0～2.8 m，纵向深度1.3～2.6 m处雷达波异常反射由夯土层引起，地宫大小为0.9×0.9 m，高0.5 m。图5-4-22为地宫挖掘后绘制的地质剖面图。

图5-4-21 塔基内一条雷达探测剖面图

图5-4-22 地宫挖掘后绘制的地质剖面图

2. 全球地质灾害态势及防治趋势

随着全球气候变暖，地壳活动进入一个相对活跃期，再加上重大工程的开工建设等人类活动的影响，世界各国正在遭受前所未有的地质灾害威胁。崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害日益增加。地质灾害已经成为当代地球科学的热点领域。本届大会除了在“每日主题”报告会中专门设立地质灾害专题外，还有多个讨论会涉及地震、火山活动、海啸（风暴潮）、滑坡、崩塌、泥石流等主要地质灾害类型，其他灾害如暴雨、洪水等气象灾害也被纳入到地质灾害专题。

纵观本届国际地质大会，与地质灾害专题有关的地球科学热点领域包括以下几个方面。

一、地质灾害调查检测新技术和新方法

干涉雷达测量和差分干涉雷达测量技术作为快速、精确（毫米级）的获取地形数据的技术，日益受到重视，有很多的研究都是利用这两种技术开展滑坡监测和制图。随着GIS制图和数据分析处理能力的日益增强，有限元理论的2D或3D模型应用于滑坡、崩塌等的稳定性计算和评价已经很普遍。安吉·梅瑞（Andrea Merri）等采用Flac3D软件对意大利思特朗博利火山进行3D地质建模，从而分析不同岩浆构造状态下应力—应变状态的变化，并对岩浆流动状态进行预测。英国地质调查局已将3D地质建模纳入战略科学计划（2005～2010年），与1999年出台的战略科学计划相比，最重要的变化就是从2D地质调查技术向3D地质调查技术转变，例如“英国大陆的3D地学框架”和“海岸、大陆架和大陆边缘的3D表征”等研究计划。随着地理信息系统的发展，目前甚至已经出现了4D理论。

二、地质灾害监测预警

地质灾害早期预警系统不仅是一套技术设备，人类因素、社会元素和信息通信也是重要的组成部分。挪威是崩塌、滑坡和泥石流等突发性地质灾害频发的国家（地区），于2005年成立Geo Extreme研究计划，拟用4年时间对挪威今后50年地质灾害情况进行评估。这个课题共包含4个研究模块：模块A主要目标是进行气象参数与滑坡和崩塌之间的耦合性研究，为了进行这方面的研究，已经建立了包含滑坡和崩塌事件的数据库；模块B主要进行区域气候前景预测，重点是进行降水和飓风等极端气候事件研究；模块C利用模块A和B研究结果生成关于挪威将来可能发生地质灾害的分布图，这项模块主要研究4个能代表不同气候区域的关键区域；模块D研究过去和预测将来由地质灾害引起的经济损失情况，主要因素有由自然灾害引起的破坏和减灾措施所需要的费用、经验能力培训、预案方面的变化以及对于政策制定者的影响。

三、地质灾害风险管理

地质灾害风险评估与管理一直是国际上倡导和推广的减灾防灾有效途径之一。“降低风险、增加防御”是本次大会地质灾害的主题，也是2008国际地球年的十个主要研究课题之一。本主题集中讨论了4方面问题：①人类是如何改变了岩石圈、生物圈和自然景观，并因此产生对人类生命和环境有害的变化并诱发地质灾害，同时增加了社会对地球（地质、地貌和水文气象）适应的脆弱性？②我们应该采取什么样的方法和技术来评估人类和场地对灾害的适应性，以及在全球范围内我们该如何采用这些方法和技术？③在目前监测、预测和减灾能力条件下，各地质灾害类型之间相对比是什么样一种状态，以及我们要采取什么措施才能够在短期内改变这种状态？④在风险运用与政府（以及其他机构）掌握的对于每一种地质灾害的风险、降低脆弱性措施及计划（包括减灾）之间存在什么障碍？为了解决这些问题，本主题致力于与其他国际组织中的各研究项目达到一个整体平衡，主要焦点在这些问题怎样与联合国国际减灾战略兵库行动框架的五个行动主题相衔接。

四、重大地质灾害应急系统

尽管本届大会很少有地质灾害应急系统研究方面的论文，但是在专题讨论过程中，不少研究者都提及了这一问题。地质灾害应急系统的建设主要是根据各地区地质灾害发育特征，开展地质灾害信息系统建设、防灾减灾演习和制定应急救灾预案等。目前各国都有不同的地质灾害应急办法，但是在推广应用方面还存在一定差距。西尔弗斯特·哥利姆斯达尔（Sylfest Glimsdal）等对挪威西部Akneset地区的一个斜坡体进行研究后发现该斜坡体有一块很大的不稳定块体，如果这些不稳定块体整体滑动，这个滑坡将会诱发海啸，并会对这个海湾上的多个建筑物造成破坏性损失，通过对斜坡体数字建模、波浪数字建模和进行2D和3D数字建模对斜坡体稳定性、海啸的产生和传播过程进行模拟分析，最终预测了海啸。在2008年的四川汶川大地震中，桑枣中学在地震发生后，只用了1分36秒，就组织2000多名学生下楼，全校师生无一人伤亡，创造了该次地震中的一个奇迹，这个奇迹的创造归功于该校平时进行的消防防灾演习和对建筑物的修缮、加固。对于地震、海啸等破坏力强的地质灾害，也可以通过先进的地震、海啸预警系统，提前发出警报，让人员和车辆在海啸到达之前转移到安全地带，是最有效的方法之一。

五、把地质灾害风险性评估纳入城市规划和管理

随着世界人口的增加和城市化进程的加快，各种地质灾害成为制约城市发展规划的消极因素，在城市规划和管理中加强地质灾害危险性评估工作是一项具有重要意义的工作。在本次大会上，有关学者介绍了所在国家（地区）的一些做法。英国是一个国土面积较小、海岸线狭长的国家，却有非常多和正在增长的人口，对于土地利用方面的竞争一直很激烈，因此在一些可能遭受地面沉降、滑坡和洪水的地区进行土地利用和开发就有相当大的压力，此外，还有一些被工业污染的土地需要进行改良和开发，在这些地区进行土地开发和建设时需要对这个地区的地质灾害发育情况有较深入的了解。维克托·奥斯波夫（Victor Osipov）主要考虑莫斯科地质灾害类型有滑坡、喀斯特、岩溶侵蚀过程和地下水洪流等，在地质灾害发生过程评估的基础上，绘制了莫斯科1∶5万的地质环境现状图，并分析了根据市政规划和职能分区的不同地质环境现状的区域分布状况，把莫斯科地区划分为了非常不适宜地区、不适宜地区、较适宜地区和适宜地区等4类。

六、地质灾害国际合作

尽管全球地质工作者开展了大量的工作，但地质灾害仍然呈现大量增长趋势。气候的变化让事态变得更加糟糕。2005年1月，由联合国发起和建议在日本神户通过了“2005～2025兵库行动框架”。这项计划有165个成员国讨论通过，并且是截至目前在全球范围内减少灾难性自然灾害最重要的文件之一。这项计划明确了在世界各国及各国际组织应该采取什么积极措施来达到较好的减灾效果，另外，还阐明了世界减灾委员会应该承担的责任与义务。总之，这项行动计划的基本观点就是国际社会应该承担起保护市民避免遭受灾害的威胁。行动框架按地震、海啸、滑坡和火山爆发等对地质灾害进行了划分，并且每类地质灾害都有灾难性事件的例子以及死亡率和经济损失统计数据。在本项行动框架中，对合适的判别方法的重要性、风险减少措施（包括早期预警系统）、加强制度管理（包括建筑物容纳能力）等3个主要内容进行了更加详细的讨论。

由于国际科学理事会亚太地区办公室所负责的地区人口占世界大多数，并且因地质灾害死亡的人数占全球总死亡人数的80%，因此该办公室决定创建一个关于地质灾害和灾难的科学计划，该计划初步考虑地震、洪水和滑坡等3种主要地质灾害，目标是减轻自然灾害。2002年提出了实施方案，后来这个方案发展成为全球观测战略8个主题之一，并由欧洲空间机构对外发布。2007年这项计划又由法国地质矿产局改进。兵库行动框架提出后，意大利、中国、日本等国家进行了相关的工作，2005年9月在北京召开的亚洲减灾大会上，落实了兵库行动框架，讨论了十年内亚洲地区减灾重点领域和区域合作内容。2007年第六届亚洲工程地质灾害区域会议在韩国首尔举行，中韩之间签订了合作协议，对亚洲地区的地质灾害合作研究进行了深入探讨。2008年11月还将在日本东京召开国际滑坡会议，对相关问题开展进一步的探讨。

（张永双吴树仁郭长宝张岳桥执笔）

3. 地球物理方法在探测、解决地质灾害地质问题方面的能力，地球物理勘探方法在地质灾害探测中的应用

地震勘探： 可以查清楚地下岩层的速度和密度物理参数，用来解释地下岩层的起伏形态，构造的分布状况，岩性的变化情况
电法勘探： 可以查清地下的电阻率电导率物理参数，常用来经行水、金属或者其他高阻类的地质体
磁法勘探： 可以查清大地电磁的分布情况，用来查清探测区域的磁力异常，通过磁力异常来定位特殊矿产
重力勘探： 雷同磁法，探测的物理参数为重力
地质雷达： 通过发射电磁波来进行快速的地下电性差异层，常用来进行路基检测，管网探测等等
地震、电法井间CT： 通过不同的井下布设发射、接受装置来检测相应的地球物理参数，进一步通过CT成像方法来对井间的地层进行成像
井地CT： 采用井中激发，或者地面激发，井中或者地面接收地球物理场的变化来进行类似于椎体的成像
vsp、rvsp采用井中激发，或者地面激发，井中或者地面接收地球物理场的变化来进行地下情况的成像
常见院校有： 中国石油大学 中国海洋大学 中国地质大学 中国矿业大学
中南大学 中科院相关院所（较多不列举） 各大石油学院 吉林大学 成都地质学院（现为科技大学） 等等等等
地震类的勘探成像精度高，可以用来定量分析。其他方法一般具有体积效应，常用来进行定性勘探。
靠 累

4. 关于地质灾害防治施工可能会用到的设备有哪些

大型旋挖机，钻机，钢筋设备，挖掘机，铲车，铺路机，压路机，发电机组，喷射机，锚杆钻机，夯扩机，油料储运车 雷达通讯工具 翻斗车 水泥船，制砖机 等等

5. 　探地雷达

11.6.1基本原理

探地雷达（Geologic Radar或Earth Pobing Radar）主要研究电磁波在介质中传播的速度，介质对电磁波的吸收，以及电磁波在介质交界面的反射。

11.6.1.1电磁波在介质中的传播速度

探地雷达测量的是地下界面的反射波走时 t，为了获取地下界面的深度 h=tv/2，必须有介质的电磁波传播速度v：

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式中：c为真空中电磁波传播速度，c=0.3m/ns；ε_，为相对介电常数，是介质介电常数ε与真空的介电常数ε₀的比值。

11.6.1.2电磁波在介质中的吸收特性

吸收系数α决定了场强在传播过程中的衰减率，对非良导电、非磁性介质，α的近似值为

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即α与导电率σ成正比，与介质导磁率μ和介电常数ε比值的平方根成正比。

11.6.1.3反射定律与反射系数

电磁波（又称入射波）到达介质的电性分界面时，会发生反射，被界面反射而返回的电磁波称为反射波。反射波与入射波界面处的运动学特征（即传播方向）遵循反射定律，即入射角θ_i（入射方向与界面法线向的夹角）等于反射角θ_r（反射方向与界面法线方向的夹角）。

电磁波在到达界面时，还将发生能量的再分配。入射波、反射波和折射波三者之间能量关系，因入射波电磁场相对界面的方向（极化特性）不同而异。当电场平行于界面时，电磁波从介质1入射到介质2时的电场反射系数 R₁₂为

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对于非磁性、非良导电介质，

。垂直入射时11.6.2观测方法

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探地雷达尽管型号很多，但都可以看成是由接收、发射两部分组成。发射部分通过天线向地下发射超高频宽带短脉冲电磁波，接收部分通过天线接收来自地下介质交界面的反射电磁波。目前常用的探地雷达观测方式有剖面法和宽角法两种。

11.6.2.1剖面法

剖面法是发射天线（T）和接收天线（R）以固定间距沿测线同步移动的一种测量方式。当发射天线与接收天线间距为零，亦即发射天线与接收天线合二为一时，称为单天线形式，反之称为双天线形式。剖面法的测量结果可以用探地雷达时间剖面图像来表示。该图像的横坐标记录了天线在地表的位置；纵坐标为反射波双程走时，表示雷达脉冲从发射天线出发经地下界面反射回到接收天线所需的时间。这种记录能准确反映测线下方地下各发射界面的形态。图11-8为剖面法示意图及其雷达图像剖面。

图11-8剖面法示意图及雷达图像

11.6.2.2宽角法

为了原位测量地下介质的电磁波速度，在探地雷达工作中还常采用宽角法或共中点法观测方式。一个天线固定在地面某一点上不动，而另一天线沿测线移动，记录地下各个不同界面反射波的双程走时，这种测量方式称为宽角法。也可以用两个天线，在保持中心点位置不变的情况下，改变两个天线之间距离，记录反射波双程走时，这种测量方式称为共中心点法。当地下界面平直时，这两种方法结果一致。这两种测量方法的目的是求取地下介质的电磁波传播速度。图11-9是共中心点观测方式示意图及其雷达图像。

深度为h的地下水平界面的反射波双程走时t满足：

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式中：x为发射天线与接收天线之间的距离；h为反射界面的深度；v为电磁波的传播速度。当地层电磁波速度v不变时，t²与x²成线性关系。用宽角法或共中心点法测量得到地下界面反射波双程走时t，再利用公式（11.9）就可求得地层的电磁波速度。

11.6.3技术要求

11.6.3.1测线布置原则

探地雷达的野外工作常常是沿测线进行的，沿测线采集到的数据经处理后的成果就是探地雷达剖面（时间剖面或深度剖面），它是探地雷达资料解释的基本依据。测线布置的基本原则如下。

（1）主测线应垂直地下目标体走向，辅助测线平行目标体走向，目的是更好地反映目标体形态，同时也可以避免大量异常波的出现；

图11-9共中心点观测方式与雷达图像

（2）测线应尽量通过已有的井位，以利于地层的对比。

11.6.3.2分辨率

分辨率是地球物理方法分辨最小异常体的能力。分辨率可分为垂向分辨率与横向分辨率。类似于地震勘探，通常将探地雷达剖面中能够区分一个以上反射界面的能力称为垂向分辨率。

为了研究方便，选用处于均匀介质中一个厚度逐渐变薄的地层模型。电磁波垂直入射时，则有来自地层顶面、底面的反射波以及层间的多次波。多次波的能量较弱，所得到的雷达信号为顶面反射波与底面反射波的合成。依照相应地层厚度的时间关系所得地层顶面的反射波合成雷达信号见图11-10。由图可知，可取地层厚度 h=A/4作为垂直分辨率的下限。

探地雷达在水平方向上所能分辨的最小异常体的尺寸称为横向分辨率。雷达剖面的横向分辨率通常可用菲涅尔带加以说明。设地下有一水平反射面，以发射天线为圆心，以其界面的垂距为半径，作一圆弧与反射界面相切，此圆弧代表雷达到达此界面时的波前，再以多出1/4及1/2子波长度的半径画弧，在水平面界面的平面上得到两个圆。其内圆称为第一菲涅尔带，两圆之间的环形带称作第二菲涅尔带。根据波的干涉原理，法线反射波与第一菲涅尔带外缘的反射波的光程差λ/2（双程光路），反射波之间发生相长性干涉，振幅增强。第一带以外诸带彼此消长，对反射的贡献不大，可以不考虑。设反射界面的埋深为 h，发射、接收天线的距离远远小于h时，第一菲涅尔带半径可按下式计算：

图11-10地层厚度对波形影响示意图（据Widess1973修改）

（a）为反射射线图解，b为地层厚度；（b）为单个反射波形，利用地层厚度算出的时间延迟把得自顶底界面的单个反射波形相加，即得到如（c）中的波形；（c）为复合反射波形，它是地层厚度的函数，T为入射子波主周期，λ₂=tv为地层内的波长。等时线间隔为t/2。标有x的线为波谷时间线，点线为零振幅时间线，为各复合子法的中心线；（d）为振幅与视厚度的定义

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式中：λ为雷达子波的波长；h为异常体的埋藏深度。

图11-11为处于同一埋深、间距不同的两个金属管道的探地雷达图像。该图像在水槽中获得，实验使用铁管φ5cm，钢管φ3cm。测量时使用中心频率为100MHz天线，其在水中的子波波长λ＝0.33m。从图中可以看出一些内容：①处在深度为1.06m的φ3cm铁管仍可以很清晰地为探地雷达所分辨，由于其管径约为0.1r_f，说明探地雷达对单个异常体的横向分辨率要远小于第一菲涅尔带的半径。②图11-10(a）两管间距0.5m大于第一菲涅尔带半径，由雷达图像可以准确把两管水平位置确定出来；（b）两管间距0.4m小于第一菲涅尔带半径r_f=0.42m，已很难用雷达图像确定两管精确位置。这表明区分两个水平相邻的异常体，其最小横向距离要大于第一菲涅尔带半径。

11.6.3.3探测距离与探距方程

探地雷达能探测最深目标体的距离称为探地雷达的深测距离。当雷达系统选定后，系统的增益 Q_。就确定。Q_s为最小可探测的信号功率 W_min与输入到发射天线的功率W_t之比，即：

图11-11两个同深金属管的地质雷达图像

（a）钢管（右）直径3cm，顶深1.06m；铁皮管（左）直径5cm，顶深1.04m，管中心距0.5m;（b）钢管（右）顶深0.52m；铁皮管（左）顶深0.5m，管中心距0.4m;（c）钢管（右）顶深1.04m；铁皮管（左）顶深1.06m，管中心距0.4m

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探地雷达从发射到接收的过程中能量会逐渐损耗。雷达系统从发射到接收过程中的功率损耗 Q可由雷达探距方程来描述。

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式中：η_t、η_r分别为发射天线与接收天线的效率；G_t、G_r分别为在入射方向与接收方向上天线的方向性增益；g为目的体向接收天线方向的后向散射增益；σ为目的体的散射截面；α为介质的吸收系数；r为天线到目的体的距离；λ为雷达子波在介质中的波长。

满足Q_s+Q＞0的最大距离r，称为探地雷达的深测距离，亦即处在距离 r范围内的目的体的反射信号可以为雷达系统所探测。

11.6.3.4探地雷达方法有效性评价

每接受一个探地雷达测量任务，都需要对探地雷达解决地质问题的有效性进行评价，以确定探地雷达测量能否取得预期效果。

（1）目标体深度是一个非常重要的问题。如果目标体深度超出雷达系统探测距离，则探地雷达方法就要被排除。雷达系统探测距离可根据雷达探距方程（11.12式）进行计算。

（2）目标体几何形态（尺寸与取向）必须尽可能了解清楚，包括高度、长度与宽度。目标体的尺寸决定了雷达系统可能具有的分辨率，关系到天线中心频率的选用。如果目标体为非等轴状，则要搞清目标体走向、倾向与倾角，这些将关系到测网的布置。

（3）目标体的电性（介电常数与导电率）必须搞清。雷达方法成功与否取决于是否有足够的反射或散射能量为系统识别。当围岩与目标体相对介电常数分别为εh与εT时，目标体功率反射系数的估算式为：

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一般说目标体的功率反射系数应大于0.01。

（4）测区的工作环境必须搞清。当测区内存在大范围金属构件并成为无线电射频源时，将对测量构成严重干扰，在进行资料解释时必须加以排除。

11.6.4信号处理

11.6.4.1滤波技术

探地雷达测量中，为了保持更多的反射波特征，多采用宽频带进行记录，但在记录各种有效波的同时，也记录了各种干扰波。一维滤波技术就是利用频谱特征的不同来压制干扰波，以突出有效波，它包括一维频率域滤波和一维时间域滤波。

探地雷达数据中，有时有效波和干扰波的频谱成分十分接近甚至重合，这时无法用频率滤波压制干扰，需要用有效波和干扰波在空间位置上的差异进行滤波。这种滤波要同时对若干道进行计算才能得到输出，因此是一种二维滤波。

二维滤波原理是建立在二维傅里叶变换基础上的。沿地面观测频率波数谱 G（ω，kx）是频谱的时空函数。

地质灾害勘查地球物理技术手册

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上式说明，g(t,x）是由无数圆频率为ω＝2πf，波数为k_x的平面简谐波所组成，它们沿测线以视速度v^＊传播。

如果有效波和干扰波的平面简谐波成分有差异，有效波的平面谐波成分与干扰波的平面谐波成分以不同的视速度传播，则可用二维视速度滤波将它们分开，达到压制干扰、提高信噪比的目的。

11.6.4.2二维偏移归位处理方法

探地雷达测量的是来自地下介质交界面的反射波。偏离测点的地下介质交界面的反射点只要其法平面通过测点，都可以被记录下来。在资料处理中需要把雷达记录中的每个反射点移到其本来位置，这种处理方法被称为偏移归位处理。经过偏移处理的雷达剖面可反映地下介质的真实位置。常用的偏移归位方法有绕射偏移、波动方程偏移和克希霍夫积分偏移，有关偏移方法可参考相关地球物理信号处理书籍。

11.6.5数据处理方法

数据处理的目的是对原始雷达记录进行初步加工处理，使实测的雷达资料更便于计算机处理。常用的处理方法有不正常道处理与多次叠加处理。

当天线与地面接触不良，或者由于发射电路工作不正常产生废记录道，在预处理时必须废除该道记录，并用相邻道的均值补全。

在地下介质对电磁波吸收较强的测区，为了增加来自地下深处的信息，加大探地雷达的探测深度，常常使用多次叠加技术。目前适用于探地雷达多次叠加处理的测量方法有两种：一种是多天线雷达测量系统，应用一个发射天线，多个接收天线同时进行测量；另一种是多次覆盖测量，使用几种不同天线距的发射—接收天线沿测线进行重复测量。多次覆盖测量在同一测点上有几组共反射点的雷达数据，经天线距校正后，进行叠加使得来自地下的反射波得到加强，而干扰波信号大大减弱，从而增加了探测深度。

11.6.6成果表达形式

（1）探地雷达实际材料图集中显示雷达测网布置；

（2）雷达剖面成果图显示雷达测线下地层与构造形态；

（3）平面等值线图表达测线范围内某些目的层分布特征，其中包括基岩高程图、目的层等深图等；

（4）雷达推测成果图，包括推断构造分布、滑体范围成果图，岩溶平面分布图等；

（5）三维雷达成果，包括垂直切片图、水平切片图、三维体显示以及格栅显示图。

11.6.7资料解释原则

探地雷达资料的地质解释是探地雷达测量的目的，这项工作通常是在数据处理后所得到的探地雷达图像剖面中，根据反射波组的波形与强度特征，通过同相轴的追踪，确定反射波组的地质含义，构筑地质—地球物理解释剖面并依据剖面解释获得整个测区最终成果图，为地质灾害的治理方案提供依据。

探地雷达资料反映的是地下介质的电性分布，要把地下介质的电性分布转化为地质情况，必须要把地质、钻探、探地雷达这三方面的资料结合起来，建立测区的地质—地球物理模型，并以此得到地下地质模式。

11.6.7.1雷达剖面与地质剖面的关系

雷达剖面不是地质剖面的简单反映，两者既有内在联系，又有区别。

（1）雷达反射界面与地层界面的关系

雷达反射界面是电性界面，而地质剖面反映的是岩层界面。地层划分的依据是岩性、生物化石种类及沉积时间等。地质剖面中由于沉积间断或岩性差异而形成的面，如断层面、侵蚀不整合面、流体分界面及不同岩性的分界面，均可成为反射面，这时反射面与地质分界面是一致的，即大多数雷达反射面大体上反映地层界面的形态。然而在许多情况下，反射面与钻井或测井所得到的地质剖面的地层分界面并不一致。主要体现在以下几种情况：

首先是有些埋藏深的古老地层，在长期的构造运动和压力的作用下，相邻地层可能有相近的波阻抗，因而地质上的层面不足以构成反射面。

其次，同一岩性的地层，其中既无层面又无岩性分界面，但由于岩层中所含流体成分不同，而构成物性界面，如饱水带与饱气带界面，因而雷达反射界面有时也并非是地质界面。

再次，雷达反射面是以同相轴表达的，当多个薄层组成多个地质界面时，在雷达剖面中由于雷达子波有一定的延续度使多个薄层界面的反射波叠加成复合波形，从而产生反射波界面与地层界面的不一致。

（2）雷达反射界面的几何形态与地质构造关系

雷达反射波剖面图像一般可以定性反映地质构造形态，尤其当构造形态比较简单时，反射波同相轴的几何形态所反映的地质构造是直观的、明显的。但由于分辨率限制及其噪声，雷达剖面反映构造细节有限，使两者之间存在不少差别。

首先，雷达剖面通常是时间剖面而地质剖面是深度剖面。雷达时间剖面要经过时深转换后才能成为深度剖面。时深转换后的雷达深度剖面与地质剖面的符合程度，主要取决于速度资料的可靠程度。速度不准，会导致雷达深度剖面上的反射层与地质剖面上的真实地层不符，甚至会引起构造畸变。

其次，由于雷达波的垂向分辨率的限制，致使在薄层情形下，雷达反射层与地质层位往往不是一一对应的，有可能一个地质界面对应多个雷达相位，多个薄的地层界面对应多个雷达相位。

再次，只要观测点处在界面的法线上，就会接收到旁侧界面的反射波，使雷达剖面上所反映的地质构造在空间上发生了偏移。尤其当地质构造比较复杂时，雷达剖面上反射波同相轴的几何图形并不能直接反映复杂构造的真实形态，甚至面目全非，给雷达资料带来很多假象，使得雷达剖面解释存在多解性。

11.6.7.2雷达时间剖面对比

时间剖面的对比就是在雷达反射波时间剖面上，根据反射波的运动学和动力学的特征来识别和追踪同一反射界面反射波的过程。它实际上包括两方面的工作，一个工作是在某条剖面上根据相邻接收点反射波的某些特点来对比同一界面反射波，一般叫波的对比；另一个工作是在相邻多条雷达剖面上追踪同一界面的反射波，称为时间剖面的对比。在时间剖面上对比反射波，严格地说应该对比反射波的初至。但是，由于反射波是在各种干扰背景下记录下来的，当子波为最小相位时，其初至很难辨认。为了便于对比，总是利用剖面上比较明显的波形相位对比。一个反射界面在雷达剖面上往往包含有几个强度不等的同相轴，选其中振幅最强、连续性最好的某个同轴相进行追踪，这叫做强相位对比，有时反射层无明显的强相位，可对比反射波的全部或多个相位，这称为多相位对比。另外还可以利用波组和波系进行对比。波组是指由三四个数目不等的同相轴组合在一起形成的，或指比较靠近的若干界面所产生的反射波组合。由两个或两个以上波组所组成的反射波系列，称为波系。利用这些组合关系进行波的对比，可以更全面考察反射层之间的关系。因为从地质观点来说，相邻地层界面的厚度间隔、几何形态是有一定联系的，沿横向变化是渐变的，反映在时间剖面上反射波在时间间隔、波形特征等方面也是有一定规律的。有时在剖面的某段长度内，因某种原因（如岩性横向变化）有的同相轴质量较差（振幅弱、连续性差），我们可以根据反射波相互之间总的趋势的极值点（波峰或波谷）依次对比同相位。所以波的对比又称为波的相位对比或称同相轴对比。

11.6.8仪器设备

探地雷达仪器设备见表11-6。

表11-6探地雷达一览表

参考文献

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李大心.1994.探地雷达方法及其应用，北京：地质出版社

李金铭，罗延钟主编.1996.电法勘探新进展，北京：地质出版社

刘煜洲等.1994.甚低频电磁法边界元数值模拟及地形影响与改正，物探与化探，Vol.18.No.6

刘天佑.2002.应用地球物理的数据采集与处理，武汉：中国地质大学出版社

史保连.1986.甚低频电磁法，北京：地质出版社

王兴泰等.1996.工程与环境物探新方法新技术，北京：地质出版社

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. 地质灾害与地下污染探测

程业勋

（中国地质大学（北京））

“环境”一词起源于18世纪，逐步被广泛引用到自然环境、社会环境、经济环境等。但当代环境科学研究的环境范畴，主要是指人类生存与可持续发展的外部条件。所以《中华人民共和国环境保护法》中明确指出：“本法所指的环境，是指人类生存和发展的各种天然的和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生生物、自然遗迹、自然保护区、风景名胜区、城市和乡村等。”地球物理学主要研究发生在岩石圈、水圈、大气圈和地球空间的对人类生存和发展有重要影响的环境变化和供给条件。因此，从一定意义上讲，地球物理学从产生的那一天起，就是一门研究人类生存与发展环境的科学。

西方工业化300年，已经消耗地球亿万年的资源储备，而且日益加剧，造成资源紧缺，环境恶化。2007年10月25日联合国环境规划署（UNEP）发布集1400位科学家智慧写成的《全球环境展望》（GE0-4）综合报告指出，自1978年以来的30年，人类消耗地球资源的速度，已将人类自身置于岌岌可危的境地，到目前为止，已经超出地球生态承载能力近三分之一。每年有7.5万人死于自然灾害，全球一半以上城市的环境超出世界卫生组织（WHO）制订的污染标准。

岩石圈（含土壤）、水圈（含地下水）、大气圈和生物圈构成地球物质循环的整体，是人类生存不可或缺的各个组成部分。地下（土壤和岩层）一直是人类处置废弃物和垃圾的场所。包括大气沉降物在内，超过土壤自净（降解）能力的时候，就会构成土壤污染，特别是难以被土壤生物降解的有毒物质，还会随着水的蒸发和大气环流，扩散到全球（称蚱蜢效应）。这就告诉我们，对于难以降解的有毒物质来讲，地球是一个封闭的生态系统，这些有毒的污染物，只能转移而不会消失。即使远离污染源上万千米，生活在北冰洋的伊努特人体内也可以检测到持久性污染物（POP）的存在。

美国上世纪30～40年代，就开始将工业废弃物以及活水、污油注入地下。时隔二三十年后，由于地下地质环境的变迁，有些原来埋在河谷（山谷）地区的这些物质，经历容器的腐蚀、洪水冲刷而扩散、深灌的污水上涌，造成泄漏污染。为进一步防治，在不得已的情况下，找到地球物理方法，探测再次造成的地下污染分布区域。这也是环境地球物理分支学科建立的起始。

1 自然地质灾害的勘察

地球上山地面积占陆地总面积的四分之一，居住人口占总数的10%，道路总里程占30%，是泥石流、滑坡、崩塌等自然灾害主要分布区。我国地处自然地质灾害集中的太平洋环带和地中海至喜马拉雅山带的聚集部位，成为地震和各种地质灾害多发国家之一。据报道，全国共有地质灾害隐患地点22.92万处，威胁着3500万人的安全，财产超万亿元，以及重大工程、城镇和村庄的安全。1965年11月23日发生在云南禄劝县火山泥沟的特大滑坡，总土方量达3.9亿m³，滑体流速高达5～6km，在河中迅速堆积成长1100m，高167m的拦河大坝，形成5万m³蓄水的堰塞湖。不久滑体大坝陷落，迅速淹没5个村庄。1981年7月9日暴雨引发成昆铁路线上利子依达沟发生的泥石流，使400吨重的巨石冲入沟口，将数节火车推入大渡河，迅速堆积成坝，形成回水5km，积水29万m³的堰塞湖。长江三峡链子崖危岩体位于秭归县新滩镇，长江南岸，兵书宝剑峡的出口处，属于西陵峡崩塌隐患区。本区有历史记载的崩塌滑坡造成重大自然环境破坏性灾害的有14次。其中1030年崩塌滑坡体堵塞长江21年，1452年滑坡堵江82年，1985年6月12日凌晨3点45分至4点20分，历时35分的大滑坡，使总计3,000余万立方米的崩塌堆积体整体滑移，高速飞下的土石将位于江岸的新滩镇全部摧毁，在江内激起54m高的巨浪，将对岸上的建筑卷入江中。由于几年前的电磁测深和浅层地震为主查明了滑体的厚度和范围。1977年开始连续监测，及时准确预报，撤离果断，滑区内457户，1,371人，无一人伤亡，仅航运中断12天。这样大规模的滑坡，及时准确预报成功，在国内外是罕见的，被誉为一起世界奇迹。^[1]

我国山地多，滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害的分布区域占国土总面积的65%。随着自然的变迁和人为的致灾作用，各种地质灾害逐年增加。据四川省统计，泥石流致灾的县市：20世纪30年代有14个；50～60年代76个；70年代109个；1981年135个；1990年达200个。70年代以前地面沉降、地面塌陷和海水入侵还是少数地区，近年来由于对地下水的过度开采，至2008年有70多个城市出现地面沉降，总面积达6.4万km²，上海、天津、西安等城市有的降幅达2m，天津塘沽达3.1m；地面塌陷3000多处，总面积300多km²；海水入侵总面积达1000km²。

各种地质灾害的发生都是地质环境变化引发致灾岩体内部结构变异，稳定性受到破坏的结果。因此，自然地质灾害勘察的目的在于查明致灾岩体（土）的地质环境和内部结构，研究致灾岩体的结构变异和稳定状态，圈定致灾岩体范围，评价发生发展趋势。在滑坡、崩塌、泥石流、地面塌陷以及海水入侵等地质灾害勘察中^[2]，应用地球物理勘查主要是查明致灾的地质条件，为防治或预测预报提供依据。

表1 自然地质灾害地球物理勘查的主要任务和可用的技术方法一览表

为了进一步说明地球物理勘查在自然地质灾害防治中的作用，列举三个实例如下。

1.1 滑坡体和滑坡面的勘察

滑坡勘查的主要任务是查明滑坡体的深度和范围，以及滑动面的深度与形态^[3]。

黑海沿岸高加索地区是滑坡发育地区之一。滑坡所处的地形高约为20～25m，滑坡体主要由砂质粘土加碎石构成，下伏泥岩风化壳。选用电阻率法以及浅层地震进行勘察。电阻率测量结果如图1所示。

图1 电阻率与地震划分的滑体与滑床

可划为三层：地表层电阻率ρ₁=13~29Ω_●m，相当于滑体。中间层电阻率ρ₂=2~4Ω_●m，为风化岩，可认为相当于滑动带。最下层电阻率ρ₃=8~12Ω_●m，是未风化的泥岩，为该滑坡的滑床；浅层地震资料解释，可划为上下两层：上层纵波速度V_P=340~360m/s，可认为是滑体和滑动带，下层：V_P=1360~1400m/s，为坚硬的未风化泥岩。在未风化的泥岩顶部用电阻率和地震测量得到的速度跃变界面和电性界面在深度上比较一致（相差1~1.5m），构成的过渡带（弱带）可能形成滑坡的滑动面。

1.2 滑坡的监测与预测研究

山区占地球陆地总面积的四分之一，加上矿山开采构成的人为坡地，滑坡每年造成的经济损失和人员伤亡巨大。对滑坡的监测和预测引起重视^[3]。1985年6月12日凌晨3点45分发生在长江三峡新滩镇大滑坡预报成功。其监测工作中的地质、物探和测量工作是从1962年开始的，基础调查工作完成后，于1977年设置四条视准线，连续观测滑坡堆积体的水平位移。前后监测研究23年。多年来设想主要用地球物理方法预报滑坡的研究也不在少数。其中南乌克兰露天开采铁矿的斜坡滑动研究是以视电阻率（ρ_s）观测和矿山测量联合研究提出的。滑坡地点如图2（a）所示，视电阻率（ρ_s）观测，采用不同供电极距的对称四极装置与水准点矿山测量共同布置在滑动体上。连续观测得到三种极距视电阻率曲线如图2（b）所示，两种极距的视电阻率比值ρ_s^*/ρ_s^o—t曲线；反映地电断面变化非常灵敏。图2中t₁，t₂，t₃时刻视电阻率出现异常，反映t₁时刻斜坡岩石形成微小裂隙；t₃时刻斜坡岩石产生滑落。

图2 倾斜露天矿场滑坡上的动态观测

1.3 海水入侵的勘察

近年来由于地下水的过度开采，造成地下漏斗100多个，面积达15万km²；70多个城市地面沉降达6.4万km²；沿海城市的海水入侵达1000km²以上。莱州湾、辽东半岛历来最为严重。中国科学院地球物理所利用电测在这一地区进行了勘察^[4]。研究了海水入侵与电阻率关系（表2）。根据电阻率分布划出海水入侵平面图（图3）。该区海水入侵可分为入侵严重区（ρ₁=2~17Ω·m）；轻度区（ρ₁=17~30Ω·m）；受入侵影响区（ρ₁=30~100Ω·m）。在王河和朱桥河地区为两个地下漏斗区，地下水位分别为–15m和–10m，这一地区海水入侵面积最大，致使50万亩耕地不能使用地下水灌溉。

表2 海水入侵程度与电阻率关系

图3 山东莱州三河下游海水入侵分布图

2 地下污染物的勘查

近30年来，随着经济和城市人口的迅速增长，废弃污染物的排放量逐年增加：1999年工业废弃物排放量7.8亿吨，2007年达17.6亿吨，增长率15%，截至2009年废弃物积存量已达80亿吨；城市生活垃圾2000年总量为1.4亿吨，2005年为1.95亿吨，2010年将达2.0亿吨^[5]。据调查，全国668座大中城市中2/3被垃圾围城，1/4城市已没有堆放场地。全国有近亿辆汽车在开动，加油站林立。据北京1000多座加油站调查，有1/2存在漏油现象。

所有排放的污染物，无论是气体、液体和固体，最终的归宿都是土壤和水体（地表水和地下水）。截至20世纪末，我国受污染土壤的耕地面积达2000万公顷，约占总耕地面积的1/5，每年因污染导致粮食减产1000万吨。水污染更为突出：“70年代水质变坏，80年代鱼虾绝迹，90年代身心受害”，成为水污染的真实写照。600座大中城市浅层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饮用。农村已有3.6亿人喝不上符合标准的饮用水。

地下污染，往往不易及时发现，直到危及生产和生活。如吉林工业废渣堆淋滤液渗入地下，导致几十平方千米内1800眼水井被污染而报废。佳木斯140多万吨工业和生活垃圾堆放场，产生的硝酸基荃污染地下水，使6个自来水厂停产。北京天通苑是20世纪60～70年代的垃圾堆放场，停用后掩埋，改建住宅小区，2008年一名绿化工人下井（在三区22楼外）接水管时中毒昏倒井内，另一名下去营救也倒在井内，经查为硫化氢中毒。这就是垃圾堆掩埋产生的“定时炸弹作用”。宋家庄三位地铁工人挖探井（2009年4月28日），3m深时闻到臭味，5m深时感到不适，一人呕吐，医院检查三人为中毒，经查该地20世纪70年代曾是一家农药厂，未作土壤污染处理，毒气在地下土壤中积累。

人的眼力有限，不可能看清地下污染。地球物理勘查就是帮助人们即时了解地下污染存在空间以及迁移状况。美国20世纪40年代开始在几个河谷和山谷填埋工业废弃物，几十年后这些当时认为处置安全的废弃物开始泄漏，到80年代开始，感到非治不可，但时至今日，地下污染物的空间位置及其污染流变范围都不清楚，于是通过地球物理勘查，重新圈定地下污染物的空间位置。

应用地球物理探测方法，对地下污染物的探测和监测，防止污染扩散，保护环境。概括来看，目前主要用在以下几个方面：

（1）用于废物填埋场选址调查^[6]。工业生产废物和人类生活垃圾不仅量大而且成分复杂，有毒有害物质混杂其间，经雨水淋滤产生渗漏液侵入地下污染土壤和地下水水源。因此，选择远离地下水且致密的防渗岩（土）层作为垃圾填埋场地是重要的。主要用电阻率法、瞬变电磁法、探地雷达、折射地震和放射性测井。目的在于查明地下：①基岩面形状；②地表粘土层的结构；③地下水位及含水层分布范围及地下水流向；④基岩结构及构造；⑤地下暗河及河道分布。

（2）一些发达国家常以地球物理监测作为垃圾填埋场和废物堆放场的档案资料。从垃圾填埋（堆放）开始，直至垃圾填埋场终止封场后延续30年进行监测，跟踪监测表明，固体垃圾降解很缓慢，以固体垃圾溶解物总量（TDS）为例，前10年降解1/2，20年时余1/5,30年后余1/10；氯离子、硫酸盐等30年只降解1/10。一旦发现泄漏且有扩散危险，应立即进行处理。所用的探测方法主要是电阻率法和瞬变电磁法。激发极化法也有良好的效果。而我国还没有建立监测制度。

（3）追踪污染源。根据地下环境中水流与污染物迁移模型以及地层渗透率的差异，或者存在地下古河道、断裂、裂隙，使地下水和污染物在地下形成一定的迁移轨迹。在某井位或河边、海岸发现污染可以利用地球物理方法追踪探测出迁移路线，查出污染源所在地，为污染防治提供资料，主要利用电阻率法。

（4）探查垃圾填埋场衬底塑料膜出现漏洞位置。由于受压、承重等原因使衬底塑料出现漏洞，使填埋场的渗漏液外泄。为了修复需要及时找到漏洞位置。主要利用直流电阻率法。

（5）地下废弃物的调查。故旧废弃物和垃圾堆放场填埋多年，现移作他用，为了重新处理，需了解其分布范围和确定深度。主要采用电阻率法、地震雷达法等。

（6）废弃物堆放场对土壤和地下水污染的监测。矿山废弃物、选矿和冶金废弃物，化工厂和药厂等可能成为污染源的堆放场进行监测。主要使用电法、磁法和土壤氡测量方法等。

（7）地下储油罐和输油管泄漏探测。加油站世界林立，仅北京市就有1100多处。美国探测证实上世纪70年代以前建的加油站几乎全部有泄漏。因此，加油站是土壤和地下水的主要污染源之一，对加油站进行常规监测是必要的。常用的探测方法有自然电位、电阻法以及挥发性气体（CH₄）法等。用土壤氡气测量法也有良好效果。我国也做了试验监测工作。

（8）深埋废液处理场的监测。随着区域地质结构变化和地下水位变化，废液可能发生迁移和外溢，所以监测是必要的。一般用自然电位法圈定二次污染范围。

（9）核电厂对核废物处置场有深埋和浅埋两种，其选址要求和方法各不相同。浅埋与垃圾场选址类似。深埋选址是永久性的，要进行深部选择勘查。选址是极为慎重的地质勘查工作。深埋选址一般要选择区域地层稳定，没有裂缝断层、渗透系数极小的岩层。主要使用深部探测的重力、磁法和电磁法以及地震方法。

现举两个应用实例如下。

2.1 保定韩村地下垃圾填埋场勘查

保定韩村垃圾堆放场，占地200m×200m，后来加盖1.5m原土层，掩埋了垃圾堆多年，成为平地。四周已有建筑。急需查明地下垃圾堆的污染区域，以利整治（杨进，刘兆平等，2006）^[7]。

为了取得好的效果，探测工作以高密度电阻率法和探地雷达为主。用了5种探测方法，测线以东西方向3条，南北方向4条，均匀分布，每条测线长度为200m。

2.1.1 高密度电阻率法

沿测区7条测线:4条南北向(HCH.1.4.7.10)，3条东西向(HCH.11.12.13)进行剖面测量。使用电极64，点距3m。根据北京市北神树等3个垃圾填埋场渗沥液的实测电阻率资料，对比本区土壤的电性特征，每个剖面图可划分出4个电性层。其对比数值列于表3。可见视电阻率小于15Ω·m的区域为垃圾及其污染区。本区掩埋的故垃圾堆及其形成的污染区分带图如图4所示。

表3 工作区污染带异常划分表

2.1.2 探地雷达法

共测6条剖面，南北向4条，东西向2条，与高密度电阻率法同步进行。使用SIR-3000仪器，100MHz天线。探测深度10～15m。剖面图电磁波信号分区明显。根据本测区电性特征，进行对比。可以认为视电阻率1～10Ω·m，相对应的介电常数均为5~100；电磁波传播速度均在0.047~0.13m/ns。为此得到本测区垃圾污染区埋深在2.5~3.5m以下，如图5所示，为资料解释结果。

对已掩埋多年的韩村地下垃圾场探测后根据异常区，用洛阳铲和挖掘的方法进行了验证，证明在深1.5m以下见到垃圾，说明探测结果是可靠的。

图4 韩村测区HCH.1.4.7.10线剖面污染异常分带图

图5 韩村测区HCH.1.4.7.10线雷达资料解释

2.2 安家楼第三加油站漏污染探查

北京市朝阳区安家楼住总第三加油站，1995年春发现泄漏，致使位于东南的自来水厂部分停产。7月某物探与化探研究所以氧化还原电位法、磁化率以及气烃（CH₄和C₂H₄）测量方法，同时进行了面积勘查。由于周围都是道路和建筑，测线基本上沿马路两侧以及住总三公司停车场院内，宝马汽车维修中心院内空旷地区布置。

氧化还原电位，设备轻便，在人行杂乱的市区工作方便。其测量结果的等值图（5mV间隔）列于图6。由图可见，地下漏油的展布与该地区的地下水流方向一致（南偏东方向）。

土壤磁化率方法，土壤气烃方法测量获得的油污染展布与氧化还原电位测量结果非常吻合，展布方向的趋势也基本一致。

轻烃（CH₄）和重烃（C₂H₄）是直接抽取土壤中CH₄（甲烷）和C₂H₆（乙烷）测量的结果，其平面等值图与氧化还原电位也完全一致。

经过加油站核实，先后泄漏柴油78吨。开挖对污染土壤进行清理、更换。证明柴油逐步漏入地下包气带和潜水层，其地下分布于探测结果完全相符。

图6 北京朝阳某加油站漏油污染氧化还原电位等值图

美国杨百翰大学用探地雷达在亚利桑那州的Tuba城探测汽油罐漏油污染土壤和地下水。首先用探地雷达圈出漏油污染区，其次是钻孔取样分析油的含量，监测孔确定地下水位和流向，第三步是将雷达探测结果与钻孔土样、水分析结果进行对比，最终确定漏油引起的污染范围和深度。研究认为，由于油污一部分出现在潜水面之上，另一部分流入浅水面下方的饱水带，使电磁波反射变得模糊不清。所以，图7中雷达信号反射增强部分对应于漏油处。探地雷达用的80MHz天线频率。

图7 石油罐泄漏区上的探地雷达记录（中心频率80MHz）

主要参考文献

[1]陆业海.新滩滑坡征兆期及成功的监测预报[J].水土保持通报，1985，(5):1～8.

[2]郭建强.地质灾害勘查地球物理技术手册[M].北京：地质出版社，2003.

[3]程业勋，杨进.环境地球物理学概论[M].北京：地质出版社，2005.

[4]蒋宏耀，程业勋.环境与地球物理，地球物理科普文选（第三集）[M].北京：地震出版社，1997.

[5]中国环境科学学会.2008—2009环境科学技术学科发展报告[M].北京：中国科学技术出版社，2009.

[6]余调梅，朱百里编译.废弃物填埋场设计[M].上海：同济大学出版社，1999.

[7]刘兆平.地球物理方法在垃圾填埋场的应用研究[D].北京：中国地质大学（北京），2010.

7. 浅议三峡库区地质灾害预警工程常用监测方法及应用

王爱军^1,2薛星桥^1,2

(¹中国地质大学（武汉），湖北武汉，430074；

²中国地质调查局水文地质工程地质技术方法研究所，河北保定，071051）

【摘要】长江三峡库区地质灾害预警监测是服务于地质灾害防治、保障三峡工程建设安全的主要基础工作。开县、万州区、巫山县的38个滑坡灾害专业监测点，采用大地形变监测、深部位移钻孔倾斜仪监测、地下水动态监测、滑坡推力监测、地表裂缝相对位移监测、GPS全球卫星定位系统监测、TDR时间域反射监测和宏观监测等综合系列监测方法。每个滑坡灾害点，采用2种以上监测方法，分别监测滑坡体地表内部变形或受力变化；重要灾害点采用4～5种方法同时进行监测，以便进行对比和综合分析。对滑坡监测及监测成果统计分析，多种监测数据成果具有明显的一致性和相关性，反映了滑坡体的变形情况和特征，证实监测方法合理有效，监测成果将为地质灾害预警工程和地质灾害防治工程提供可靠依据。

【关键词】三峡库区地质灾害预警工程监测方法应用

1前言

长江三峡库区自然地质条件复杂，是地质灾害的多发区和重灾区。三峡工程的兴建和百万移民工程，在一定程度上改变了原有地质环境的平衡状态，加剧了地质灾害的发生。随着三峡工程建设的不断推进，库区地质灾害对三峡工程和库区人民生命财产安全的影响日益增加，及时有效地防治库区地质灾害已成为三峡工程建设的重要任务之一。地质灾害预警监测工作是实现地质灾害防治的主要基础工作。

三峡库区共有38个滑坡灾害专业监测点在进行专业监测工作，其中重庆市开县14个、万州区14个、巫山县10个。

2监测方法

2.1大地形变监测

采用全站仪监测。在滑坡体外选取地质条件较好、基础相对稳定的点位作为监测基准点，在滑坡体上选择有代表性的点位作为监测点，标志点全部采用混凝土强制对中监测墩。

2.2深部位移监测

采用钻孔倾斜仪进行监测。在滑坡体上选择有代表性的点位布置测斜钻孔，分别在其主滑方向和垂直主滑方向上进行正反两回次自下而上的测读，监测点间距0.5m，使用移动式“CX-01型重力加速度计式钻孔测斜仪”，监测数据稳定后自动记录，每期监测共记录4组数据。

2.3滑坡推力监测

在滑坡体上选择有代表性的点位布置钻孔，在钻孔中选择适当的深度部位，预置一系列滑坡推力传感器，用传导光纤连接至地面，每次监测采用“BHT－Ⅱ型崩塌滑坡推力监测系统”测量记录各点数据。

2.4地表裂缝相对位移监测

在裂缝的两侧适当部位安置数套裂缝计，进行原位裂缝相对位移监测。机械式监测具有干扰少、可信度高、性能稳定特点，监测记录数据可直接做出时间—位移曲线，测量结果直观性强。仪器一般量程范围在25～100mm间，读数器的分辨率为0.01mm，操作温度在－40℃～＋105℃之间。

2.5地下水动态监测

在滑坡体上选择有代表性的点位布置钻孔，对地下水水位，孔隙水压力、土体含水率、温度等参数监测，采用自动水位记录仪、孔隙水压力监测仪等仪器监测。其中孔隙水压力监测仪的孔隙水压力量程为－80kPa～200kPa，分辨率0.1kPa，精度0.5%F·S；土体含水率量程为0至饱和含水率，分辨率1%；温度量程为0～70℃，分辨率0.1℃，精度1%F·S。

2.6GPS全球卫星定位系统监测

在滑坡体外选取地质条件较好，基础相对稳定的点位，作为监测基准点；在滑坡体上选择有代表性的点位作为监测点，标志点全部采用混凝土强制对中监测墩，观测时采取多点联测。GPS监测方法，可进行全天候监测，不受通视条件限制，同时监测 X、Y、Z三维方向位移量，方便灵活，并可监测灾害体所处地带的区域地壳变形情况。采用的美国 Ashtech公司生产的UZ CGRS型GPS，最小采样间隔1s，最少跟踪和接收12颗卫星，使用Ashtech Solution 2.6软件解算，精度可达水平3mm+1ppm，垂直6mm+2ppm。

2.7时间域反射测试技术（TDR）监测

即采用电缆中的“雷达”测试技术，在电缆中发射脉冲信号，同时进行反射信号监测。在滑坡体上选择有代表性的点位布置监测钻孔，将同轴电缆埋入监测孔，地表与 TDR监测仪相连接，把测试信号与反射信号相比较，根据其异常情况判断同轴电缆的断路、短路、变形状态，推断出电缆的变形部位，进而推算滑坡体地层的变形部位和位移量。TDR监测采用了固定式预置同轴电缆，成本低，可进行自上而下的全断面连续监测，量程范围大。

2.8宏观监测

以定期巡查方法为主，对变形较大的滑坡体，据其变形特征布置一定数量的简易观测点进行定期观测，及时掌握其变形动态。

对于每个滑坡灾害点，采用2种以上监测方法，分别监测滑坡体地表变形和滑坡体内部变形或受力变化，重要灾害点采用4～5种方法同时进行监测，以便进行对比和综合分析。监测点的布置应重点突出，控制滑坡的重点部位；照顾全面，力求能反映滑坡体整体变形情况。钻孔孔口周围用混凝土浇筑，布置精确监测点位。

3监测效果分析

根据2003年7月至12月滑坡灾害专业监测数据资料，初步分析三峡库区地质灾害预警工程监测方法及应用效果。

3.1大地形变监测

大地形变监测，开展了开县大丘九社和巨坪九社滑坡、巫山县狗子包滑坡和板壁塘滑坡，共4个滑坡的监测。以下以开县大丘九社滑坡为例简述监测效果。

大丘九社滑坡位于开县镇东镇大丘九社斜坡上，滑坡平面形态近似矩形，剖面上呈凹型；分布高程205～300m，滑体长约250m、宽约300m，面积710万m²，估计厚度20m，体积约140万m³。滑坡发育于侏罗系中统沙溪庙组（J₂s）紫红色泥岩及砂岩互层组成的平缓层状斜坡中，滑坡体的物质组成主要为砂岩及砂岩碎块石土，表层为松散土壤，局部出露砂岩碎块石，为崩滑堆积体滑坡。

图1开县大丘九社滑坡累计位移量曲线图

（a）X方向（b）Y方向（c）H方向 D1——监测点编号

大丘九社滑坡体上布置了3排监测点，每排3个共计9个监测点，滑坡体对面斜坡上布置了2个基准点，分别在2个基准点进行监测。监测网布置既控制了整体滑坡体又突出重点，采用前方交汇法施测。

8月5日进行了首次测量，9月21日进行D1第二次测量成果与之对比，表明变形趋势明显，滑体向 NEE向滑移。10月24日监测成果表明各监测点的变形趋于缓和。11月和12月监测成果表明各监测点无明显变化（见图1）。监测数据与宏观调查定性分析相一致。

利用全站仪进行大地形变监测，其特点为监测方便，可随时对一些危险滑坡监测，既可以在滑坡体上设置永久性监测桩，又可以设置临时性监测桩；监测精度高，测点中误差可达到3.5mm；不仅能测定相对位移，而且能监测绝对位移；在满足测量条件下可进行连续监测，监测滑坡滑移的全过程，不存在量程限制。但该仪器监测受天气因素和光线条件制约，难以在雨雾条件和夜间实施监测，且受地形和通视条件制约，施测以人工操作为主，不易实现自动化监测。

3.2深部位移钻孔倾斜仪监测

深部位移钻孔倾斜仪监测点为开县6个滑坡、16个钻孔，巫山县5个滑坡、19个钻孔，万州区8个滑坡、24个钻孔，共计19个滑坡、59个钻孔。以下以开县虎城村滑坡为例简述监测效果。

虎城村滑坡为堆积层滑坡，位于开县长沙镇虎城村斜坡。该滑坡在平面近似矩形，剖面为凹形，分布高程330～400m，纵长约300m，横宽约500m，滑体估计平均厚度12m，面积15万m²，体积180万m³。滑坡发育于侏罗系中统沙溪庙组（J₂s）紫红色泥岩及泥质粉砂岩组成的水平层状岩层斜坡上，滑体上部为崩坡积紫红色碎石土层。滑坡威胁居民400余人及其财产安全。该滑坡布置了3个深部位移钻孔倾斜仪监测钻孔。

Kx-162钻孔位于滑体的中部。2004年10月，在9.5～10.5m测试深度处发生明显的位移变形，本月变形量5.56mm，变形方向247°。11月，没有增大趋势，累积形变4.58mm，略小于10月份累积变形量，变形方向253°（见图2）。

Kx-165钻孔位于滑体的下部。2004年10月，在15.0～16.5m测试深度处发生明显的位移变形（见图3），本月变形量5.45mm，变形方向241°。11月，没有明显的增大趋势，累积变形5.39mm，同10月份累积变形量相近，变形方向240°。

地质灾害调查与监测技术方法论文集

图2开县虎城村滑坡 Kx-162钻孔位移随深度变化曲线

（a）EW方向（b）SN方向

图3开县虎城村滑坡Kx-165钻孔位移随深度变化曲线

（a）EW方向（b）SN方向

深部位移钻孔倾斜仪监测方法，可在滑坡体上一定部位布置的钻孔中，监测滑坡体内垂直方向上的浅层、中层、深层、滑动带等滑移方向和相对滑动位移量；但在滑坡发生较大或急剧加速的位移变形时，由于钻孔和孔内测斜管变形、破坏，测斜仪探头不能送入钻孔之内，可能使钻孔失去监测价值。

3.3 滑坡推力监测

滑坡推力监测共设有2个测点、4个钻孔：巫山县淌里滑坡钻孔2个，曹家沱滑坡钻孔2个。以下以淌里滑坡为例简述监测方法与效果。

淌里滑坡位于巫山县曲尺乡长江干流左岸斜坡上，滑坡在平面形态上呈不规则的圈椅状，前缘分布高程90m，后缘高程400m，平均坡度约30°～40°，纵长约800m，横宽150～250m，滑体厚20m，面积24万m²，体积490万m³。滑坡发育于三叠系巴东组（T_2b）灰岩、泥灰岩、泥岩中，滑体物质主要为泥灰岩及泥岩碎块石土，表层多为松散土层，下部碎块石土结构密实。

Ws-t-tzk1推力孔位于滑体的下部，Ws-t-tzk2推力孔位于滑体的中部。其滑坡推力监测成果数据见图4、图5。推力监测曲线图表明，各次监测数据规律性强，基本一致，传感器没有发现明显的数值变化。滑坡推力监测结果与宏观监测结果和同时进行的钻孔倾斜仪监测结果相一致，说明此阶段滑坡暂时处于相对稳定的微变形状态。

图4巫山县淌里滑坡 Ws-t-tzk1钻孔滑坡推力监测曲线图

图5巫山县淌里滑坡 Ws-t-tzk2钻孔滑坡推力监测曲线图

滑坡推力监测方法属于固定点式监测，在钻孔中预置传感器，用传感光纤连接，在地面用滑坡推力监测系统采集传感信息，可在滑坡体上一定部位布置的钻孔中，自上至下监测滑坡体内垂直方向上的浅层、中层、深层、滑动带等滑坡推力变化量，可定期进行数据采集监测；在对采集和传输处理系统进行改进的基础上，可实现无值守自动化连续监测。

4结论

（1）通过多手段的综合监测，掌握了被监测滑坡体的表面、内部自上至下滑移带的变形及受力情况，数据综合分析表明其反映了滑坡位移变化及动态特征，取得了进行灾害预警的重要基础数据资料，说明采用的监测方法合理有效。

（2）钻孔倾斜仪深部位移监测方法，当滑坡体发生一定量缓变位移后，部分钻孔不能再进行全孔施测，造成勘察监测资金浪费和滑坡体监测点及监测部位减少。

（3）目前一月一次的监测周期，难以保证在滑坡发生滑移险情时能进行有效监测。为此应在进行专业监测的同时，进行群测群防监测。特殊情况下，对危险滑坡灾害点，调整监测方案，进行加密监测或连续监测，使监测满足预警预报要求。

（4）从长远发展考虑，监测应以免值守、易维护、低成本、固定式、自动化快速连续采集传输和半自动化监测及人工监测相结合为方向，以建立起高效的地质灾害监测网络与地质灾害预警系统。

参考文献

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[2]王洪德，姚秀菊，高幼龙，薛星桥.防治工程施工对链子崖危岩体的扰动.地球学报，2003,24（4）:375～378

[3]张青，史彦新，朱汝烈.TDR滑坡监测技术的研究.中国地质灾害与防治学报，2001,12（2）:64～66

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[5]段永侯，等.中国地质灾害.北京：中国建筑工业出版社，1993

8. 美国和日本等国地质灾害预警服务

目前，实现地质灾害预警的国家和地区，一般具备如下条件:

1)模型方法方面:对降雨和地质灾害的发生进行深入研究，获得了地质灾害预警的理论模型方法。

2)降雨监测和降雨预报方面:一是降雨预报数据，能够实现区域未来一段时间内的降雨预报;二是实时降雨监测数据，该数据一般可以通过两种方式获得:

a)雨量计，通过在区域上埋设一定数量的雨量计，实时精确掌握点上的降雨情况，从而实现区域上实时降雨的获得。通过安装自动遥测雨量监测仪(截至1995年，在旧金山湾地区安装了60台)，当雨量每增加1mm时，通过电波自动传送数据到任何可接收到信号的地方(要求有接收器、计算机、数据接收分析显示的软件)。

b)降雨雷达，通过多普勒雷达(通过降雨云层上反射的雷达波)数据来进行降雨实时监测，该方法的难题在于，雷达回波值与地面上的降雨自动遥测值之间的关系确定上。原因有二:一是冰的反射能力远远大于水滴，因此温度成为一个关键的因素，且云中水滴的大小与温度、高度都相关，同时，除了水滴外，粉尘、昆虫、鸟等都能反射雷达的能量，都有回波;二是地面发散，即接近地面的雷达回波存在问题，特别是受到地形的影响。因此，将雷达回波值转换到降雨强度难度较大，且不同地区转换关系又不一样。

3)预警系统:根据降雨引发灾害的理论模型方法，实时进行分析预警。

4)预警信息发布平台:一般通过广播电台或电视台，向公众发布预警信息。

存在不足:理论模型方法需要更多的校验;缺乏有关斜坡岩土体方面的实时监测。

1.4.1 美国

美国是最早开展区域泥石流灾害预警的国家之一。

1.4.1.1 旧金山海湾地区

1985年，美国地质调查局(USGS)和美国气象服务中心(NWS)联合在旧金山海湾地区正式建立了泥石流预警系统。该系统于1986年2月12～21日在旧金山海湾地区的一次特大暴雨灾害中用于滑坡预报，并得到检验。由于技术复杂、机构变动和人员变动等方面原因，该预警系统在1995年被迫停止运行。

基于1982年1月3～5日在美国旧金山海湾地区发生的一次特大暴雨所引起的滑坡灾害数据，这次特大暴雨持续了34h，降雨量616mm，引发了大量的滑坡，造成25人死亡和超过6600万美元的经济损失。Mark＆Newman通过对1982年1月的降雨情况分析得出，当前期雨量超过300～400mm，暴雨量超过250mm，即超过年平均降雨量的30%时，滑坡将大规模发生。该系统的基本原理是考虑了临界降雨强度和持续时间，并且考虑地质条件、降雨的空间分布，以及地形条件。美国地质调查局和美国气象服务中心在整个旧金山海湾地区共设计了45个自动降雨记录点，当降雨每增加1mm时，降雨观测点就通过自动方式将数据传送到美国地质调查局的接收中心和计算机系统。同时，为了监测降雨期间地下水压力的变化，工作人员还设置了若干个孔隙水压力计以观测斜坡中地下水压力变化。当降雨量和降雨强度将要超过临界值时，提前进行滑坡灾害的预报，以减少滑坡灾害的损失和可能的人员伤亡。

旧金山海湾地区实时区域滑坡预警系统包括降雨与滑坡发生的经验和分析关系式，实时雨量监测数据，国家气象服务中心降雨预报以及滑坡易发区略图。

1986年2月12～21日的滑坡灾害预警首先由美国地质调查局决定，通过当地电台、电视台以及美国气象服务中心的特别预报的方式来进行的。这次滑坡灾害的预警分为两个阶段:第一阶段是2月14日的6h灾害危险期;第二阶段是17～19日之间的60h的灾害危险期。由于地质条件的复杂性和地形条件的变化，这两次预报主要是针对整个旧金山海湾地区，而不是某一个特定的滑坡灾害地点。根据滑坡灾害发生后的调查，10处滑坡灾害点有目击者能提供精确的时间，其中有8处滑坡所发生的时间与预警的时间段是完全一致的(图1.17)。

图1.17 累计降雨量、滑坡预警时间(水平线段)、滑坡发生时间空心三角为滑坡;实心三角为泥石流

进一步研究要点:

a) 降雨—滑坡关系需精练，要考虑长期中等强度的降雨影响，使降雨与滑坡发生之间有更准确的模型，同时要针对滑坡的临界值，而不仅仅是泥石流;

b) 土体含水量和孔隙水压力的测量方法要更精确、有效;

c) 预警系统需要模式化和自动化，以便在暴雨期能够更快、更有效地得到数据;

d) 与滑坡有关的地形、水文和地质条件等内容，需进一步考虑，以使今后的预警更准确、有效。

作为第一个预警系统，从 4 个方面保证运行:

a) 降雨方面: 国家气象服务中心降雨预报( 未来 6h 预报) ，降雨实时连续监测( 多于 40个实时雨量计) ;

b) 预警方法方面: Canon and Ellen( 1985) 的临界降雨判据;

c) 预警运行上: 美国地质调查局根据降雨预报和实时降雨监测，实时预警系统进行分析;

d) 美国地质调查局和气象服务中心共同确定预警，并向社会发布。

1.4.1.2 俄勒冈州

1997 年，美国的 Oregon 政府建立了泥石流预警系统。该系统，由林业部的气象学家、地调系统( DOGAMI) 的地质学家、交通部( ODOT) 的工程师一起创建的。预警信息和建议通过 NOAA 天气节目和 Law Enforcement Data System 进行广播发布。DOGAMI 负责向媒体和相关地区提供关于泥石流的追加信息; ODOT 负责在更风险时段向机动车辆提供预警，包括在高泥石流风险路段安装预警信号。

1.4.1.3 夏威夷州

1992 年建立了类似的 I-D 的预警模型，并进行了数次实时预报( Wilson 等，1992) 。

1.4.1.4 弗基尼亚州

2000 年建立了类似的 I-D 的预警模型，并进行了数次实时预报( Wieczoic 等，2000) 。

1.4.1.5 波多黎各岛

1993 年，加勒比海的波多黎各岛建立了与旧金山海湾类似的 I-D 的预警模型，并进行了数次实时预报( Larsen ＆ Simon，1993) 。

1.4.2 日本福井县

Onodera et al.( 1974) 通过研究发现，在日本，累计降雨量超过 150 ～ 200mm，或每小时降雨强度超过 20 ～30mm 时，大量滑坡将发生滑动。

日本在泥石流预警系统研制和开发方面处于国际领先地位。以发展具体一条或相邻沟的小规模地区的泥石流预报系统为主，通过上游泥石流形成区降雨资料的统计分析，确定临界雨量值和临界雨量报警线，通过上游雨量实时数据采集、演算和比较判别，自动发出报警信号。

山田刚二等( 1977) 通过滑坡的位移和地下水压力的监测，认为滑坡位移速率以及地下水压力不仅与当天降雨量有关，而且还与以前的降雨量有关，所以用有效雨量来表示雨量，有效雨量可以从下式求得:

中国地质灾害区域预警方法与应用

通过对山阴干线小田—天仪之间403km，400km附近的滑坡研究发现，日有效降雨量、位移速率、地下水压力随时间而变化的曲线，位移速率v，R_c与地下水压力(p)之间关系分别是二次曲线和直线:

中国地质灾害区域预警方法与应用

目前，日本在福井县开展了地质灾害预警预报工作。以点代面，根据区域地形、地貌和环境地质特征以及灾害可能发生的危险程度，在全县范围内布设了 66 个预警预报监测点，实现了定点、定时和灾害程度的预警预报。同时通过该系统还可以了解过去某一时间的雨量情况和发布情况等内容。

1.4.3 巴 西

Guidicini and Iwasa( 1977) 通过对巴西 9 个地区滑坡记录和降雨资料的分析，认为降雨量超过年平均降雨量的 8% ～17%，滑坡将滑动; 超过 20%，将发生灾难性滑坡。

1996 年，里约热内卢( Rio de Janeiro) 州建立了预警系统( Geo-Rio) 。由地质力学所设计并安装了 30 台自动雨量计，向中心计算机( Geo-Rio) 发送数据。中心计算机接收数据，并发布预警。2001 年滑坡灾害中，对里约热内卢的部分地区发布了预警，但在向北 60 km 处的 Petropolis 损失惨重。由于火灾，Geo-Rio 系统于 2002 年 11 月被迫停止。

9. 地质灾害监测方法技术现状与发展趋势

【摘要】20世纪末期以来，监测理论和技术方法有长足发展，常规技术方法趋于成熟，设备精度、设备性能已具较高水平，并开发了部分高精度（微米级位移识别率）、自计、遥测、自动传输的监测设施。未来，将充分综合运用光学、电学、信息学、计算机和通信等技术（诸如光纤技术—BOTDR、时域反射技术—TDR、激光扫描技术、核磁共振技术、NUMIS、GPS技术、合成孔径干涉雷达技术—InSAR及互联网通讯技术等），进一步开发经济适用、有效可行的地质灾害监测新技术，提高精度、准确性和及时性，最大程度地减小地质灾害造成的损失。

【关键词】地质灾害监测技术方法新技术优化集成

20世纪80年代以来，我国地质灾害时空分布特点呈现新的变化。随着人类工程活动越来越强，人为地质灾害日趋严重，规模、数量和分布范围呈增加趋势；人口密集、经济发达地区地质灾害造成的损失越来越大。崩塌、滑坡和泥石流等突发性地质灾害发生频度和造成的损失不断加大，地面沉降、海水入侵等缓慢性地质灾害的范围逐渐增加。据相关统计资料显示，1995～2002年，地质灾害共造成9000多人失踪或死亡，突发性地质灾害共造成直接经济损失524亿元，缓慢性地质灾害造成直接经济损失590亿元，间接经济损失2700亿元。地质灾害已经成为严重制约我国经济发展的重要因素之一。

为了摸清我国地质灾害的分布情况，我国系统地开展了地质灾害调查工作，先后出台了《地质灾害防治管理办法》和《地质灾害防治条例》，明确指出：防治地质灾害，实行“以人为本，防治结合，统筹规划，突出重点，分期实施，逐步到位”的方针。并于2003年4月启动了全国性地质气象预报。对已经查明的地质灾害体，特别是对生产建设、人民生命财产安全构成严重威胁的地质灾害，若能运用适当、有效、经济可行的监测措施，作出科学的监测预报，则可最大程度地减小灾害损失。

滑坡监测在不同条件、不同时期其作用不同，总的来说有以下几个方面：

（1）通过综合分析多种监测方法的监测数据，确定地质灾害稳定状态及发展趋势，及时作出预测，防止或减轻灾害损失。

（2）研究导致灾害体变形破坏的主导因素、作用机理，为防治工程设计提供依据。

（3）在防治工程施工过程中，监测、分析灾害体变形发展趋势及工程施工的扰动，保障施工安全。

（4）施工结束后，进行工程效果监测。

（5）综合利用长观监测资料，分析灾害体变形破坏机制和规律，检验在防治工程设计中所采用的理论模型及岩土体性质指标值的准确性，对已有的监测预报理论及模型进行验证改进，改善、提高监测预测预报技术方法。

1地质灾害监测技术综述

地质灾害监测的主要任务为监测地质灾害时空域演变信息（包括形变、地球物理场、化学场）、诱发因素等，最大程度获取连续的空间变形数据，应用于地质灾害的稳定性评价、预测预报和防治工程效果评估。

地质灾害监测是集地质灾害形成机理、监测仪器、时空技术和预测预报技术为一体的综合技术。地质灾害的形成机理是开展地质灾害监测工作的基础；监测仪器是开展工作的手段；更为重要的是只有充分利用时空技术，才能有效发挥地质监测的作用；预测预报是开展地质灾害监测的最终目的。

崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害，具有爆发周期短、威胁性及破坏性显著、成因复杂等特点，因此，当前地质灾害的监测技术方法的研究和应用多是围绕突发性地质灾害进行的。1.1监测方法

监测方法按监测参数的类型分为四大类：即变形、物理与化学场、地下水和诱发因素监测（见表1）。

表1主要地质灾害监测方法一览表

1.1.1 变形监测

主要包括以测量位移形变信息为主的监测方法，如地表相对位移监测、地表绝对位移监测（大地测量、GPS测量等）、深部位移监测。该类技术目前较为成熟，精度较高，常作为常规监测技术用于地质灾害监测。由于获得的是灾害体位移形变的直观信息，特别是位移形变信息，往往成为预测预报的主要依据之一。

1.1.2物理与化学场监测

监测灾害体物理场、化学场等场变化信息的监测技术方法主要有应力监测、地声监测、放射性元素（氡气、汞气）测量、地球化学方法以及地脉动测量等。目前多用于监测滑坡等地质灾害体所含放射性元素（铀、镭）衰变产物（如氡气）浓度、化学元素及其物理场的变化。地质灾害体的物理、化学场发生变化，往往同灾害体的变形破坏联系密切，相对于位移变形，具有超前性。

1.1.3地下水监测

地下水监测主要是以监测地质灾害地下水活动、富含特征、水质特征为主的监测方法。如地下水位（或地下水压力）监测、孔隙水压力监测和地下水水质监测等。大部分地质灾害的形成、发展均与灾害体内部或周围的地下水活动关系密切，同时在灾害生成的过程中，地下水的本身特征也相应发生变化。

1.1.4诱发因素监测

诱发因素类主要包括以监测地质灾害诱发因素为主的监测技术方法，如气象监测、地下水动态监测、地震监测、人类工程活动等。降水、地下水活动是地质灾害的主要诱发因素；降雨量的大小、时空分布特征是评价区域性地质灾害（特别是崩、滑、流三大地质灾害的判别）的主要判别指标之一；人类工程活动是现代地质灾害的主要诱发因素之一，因此地质灾害诱发因素监测是地质灾害监测技术的重要组成部分。

1.2监测仪器

1.2.1按从监测仪器同灾害体的相对空间关系分为接触类和非接触类

（1）接触类：是指必须安装于灾害体现场或进行现场施测的监测仪器系列。如滑坡地表或深部位移监测、物理和化学场监测等。该类仪器所获得的信息多为灾害体细部信息，信息量丰富。

（2）非接触类：是指于现场安装简易标志或直接于灾害体外围施测的监测仪器系列。该类监测方法多以获得灾害体地表的绝对变形信息为主，易采用网式施测；特别是突发性地质灾害的临灾前后，具有安全、快捷等特点。如激光微位移监测、测量机器人、遥感雷达监测等。

1.2.2按监测组织方式分为简易监测、仪表监测、控制网监测、自动遥测

（1）简易监测：采用简易的量测工具（皮尺、钢尺、卡尺）对灾害体地表的裂缝等部位进行监测。

（2）仪表监测：采用机测或电测仪表（安装、埋设传感器）对滑坡进行地表及深部的位移、应力、地声、水位、水压、含水量等信息监测。

（3）控制网监测：在滑坡变形破坏区及周边稳定地带，布设大地测量或GPS卫星定位测量控制点网，进行滑坡绝对位移三维监测。

（4）自动遥测：利用有线和无线传输技术，对仪表监测所得信息进行远距离遥控自动采集、传输，可实现全天候不间断监测。

2地质灾害监测方法技术现状

地质灾害监测技术是集多门技术学科为一体的综合技术应用，主要发展于20世纪末期。伴随着电子技术、计算机技术、信息技术和空间技术发展，国内外地质灾害调查与监测方法和相关理论得到长足发展，主要表现在：

（1）常规监测方法技术趋于成熟，设备精度、设备性能都具有很高水平。目前地质灾害的位移监测方法均可以进行毫米级监测，高精度位移监测方法可以识别0.1mm的位移变形。

（2）监测方法多样化、三维立体化。由于采用了多种有效方法结合对比校核以及从空中、地面到灾害体深部的立体化监测网络，使得综合判别能力加强，促进了地质灾害评价、预测能力的提高。

（3）其他领域的先进技术逐渐向地质灾害监测领域进行渗透。随着高新技术的发展和应用的深入，卫星遥感、航空遥感等空间技术的精度逐渐提高，一些高精度物探（如电法、核磁共振等技术）的发展，使得地质灾害的勘查技术与监测技术趋于融合，通过技术上的处理、提升，该类技术逐渐适用于区域性的地质灾害和单体灾害的监测工作。

“八五”以来，我国在地质灾害监测技术研究方面取得了丰硕的成果，并积累了丰富的经验，使我国的地质灾害监测预警水平得到很大程度的提高；但是还存在一定的局限性，主要表现在：

（1）地质灾害监测技术、仪器设施多种多样，应用重复性高，受适用程度、精度、设施集成化程度、自动化程度和造价等因素的制约，常造成设备资源浪费，效果不明显。

（2）所取得的研究成果多侧重于某一工程或某一应用角度，在地质灾害成灾机理、诱发因素研究的基础上，对各种监测技术方法优化集成的研究程度较低。

（3）监测仪器设施的研究开发、数据分析理论同相关地质灾害目标参数定性、定量关系的研究程度不足，造成监测数据的解释、分析出现较大的误差。

因此，要提高地质灾害预警技术水平，必须在地质灾害研究同开发监测技术方法相结合的基础上，进行地质灾害监测优化集成方案的研究。

3地质灾害监测技术方法发展趋势

3.1高精度、自动化、实时化的发展趋势

光学、电学、信息学及计算机技术和通信技术的发展，给地质灾害监测仪器的研究开发带来勃勃生机；能够监测的信息种类和监测手段将越来越丰富，同时某些监测方法的监测精度、采集信息的直观性和操作简便性有所提高；充分利用现代通讯技术提高远距离监测数据信息传输的速度、准确性、安全性和自动化程度；同时提高科技含量，降低成本，为地质灾害的经济型监测打下基础。

监测预测预报信息的公众化和政府化。随着互联网技术的发展普及，以及国家政府的地质灾害管理职能的加强，灾害信息将通过互联网进行实时发布，公众可通过互联网了解地质灾害信息，学习地质灾害的防灾减灾知识；各级政府职能部门可通过所发布信息，了解灾情的发展，及时做出决策。

3.2新技术方法的开发与应用

3.2.1调查与监测技术方法的融合

随着计算机的高速发展，地球物理勘探方法的数据采集、信号处理和资料处理能力大幅度提高，可以实现高分辨率、高采样技术的应用；地球物理技术将向二维、三维采集系统发展；通过加大测试频次，实现时间序列的地质灾害监测。

3.2.2 智能传感器的发展

集多种功能于一体、低造价的地质灾害监测智能传感技术的研究与开发，将逐渐改变传统的点线式空间布设模式；由于可以采用网式布设模式，且每个单元均可以采集多种信息，最终可以实现近似连续的三维地质灾害信息采集。

3.3新技术新方法

3.3.1光纤技术（BOTDR）

光导纤维监测技术又称布里渊散射光时域光纤监测技术（BOTDR），是国际上20世纪70年代后期才迅速发展起来的一种现代化监测技术，在航空、航天领域中已显示了其有效性。在土木、交通、地质工程及地质灾害防治等领域的应用才刚刚开始，并受到各发达国家研究机构的普遍重视，发展前景十分广阔。

通过合理的光纤敷设，可以监测整个灾害体（特别是滑坡）的应变信息。

3.3.2时间域反射技术（TDR）

时间域反射测试技术（Time Domain Reflectometry）是一种电子测量技术。许多年来，一直被用于各种物体形态特征的测量和空间定位。早在20世纪30年代，美国的研究人员开始运用时间域反射测试技术检测通讯电缆的通断情况。在80年代初期，国外的研究人员将时间域反射测试技术用于监测地下煤层和岩层的变形位移等。90年代中期，美国的研究人员将时间域反射测试技术开始用于滑坡等地质灾害变形监测的研究，针对岩石和土体滑坡曾经做过许多的试验研究，国内研究人员已经开始该方法的研究工作，并已经在三峡库区投入试验应用阶段，同时开展了与之相关的定量数据分析理论研究。

所埋设电缆即是传感器，又可传输测试信号；该方法相对于深部位移钻孔倾斜仪监测具有安装简单、使用安全和经济实用等特点。

3.3.3激光扫描技术

该技术在欧美等发达国家应用较早，我国近期开始逐渐引进。主要是用于建筑工程变形监测以及实景再现，随着扫描距离的加大，逐渐向地质灾害调查和监测方向发展。

该技术通过激光束扫描目标体表面，获得含有三维空间坐标信息的点云数据，精度较高。应用于地质灾害监测，可以进行灾害体测图工作，其点云数据可以作为地质灾害建模、地质灾害监测的基础数据。

3.3.4核磁共振技术（NUMIS）

核磁共振技术是国际上较为先进的一种用来直接找水的地球物理新方法。它应用核磁感应系统，通过从小到大地改变激发电流脉冲的幅值和持续时间，探测由浅到深的含水层的赋存状态。我国于近期开始引进和研究，目前已经在三峡库区的部分滑坡体进行了应用试验，效果较好。

应用于地质灾害监测，可以确定地下是否存在地下水、含水层位置以及每一含水层的含水量和平均孔隙度，进而可以获知如滑坡面的位置、深度、分布范围等信息，从而对滑坡体进行稳定性评价，并对滑坡体的治理提出科学依据。

3.3.5合成孔径干涉雷达技术（InSAR）

运用合成孔径雷达干涉及其差分技术（InSAR及D-InSAR）进行地面微位移监测，是20世纪90年代逐渐发展起来的新方法。该技术主要用于地形测量（建立数字化高程）、地面形变监测（如地震形变、地面沉降、活动构造、滑坡和冰川运动监测）及火山活动等方面。

同传统地质灾害监测方法相比，具有如下特点：

（1）覆盖范围大；

（2）不需要建立监测网；

（3）空间分辨率高，可以获得某一地区连续的地表形变信息；

（4）可以监测或识别出潜在或未知的地面形变信息；

（5）全天候，不受云层及昼夜影响。

但由于系统本身因素以及地面植被、湿度及大气条件变化的影响，精度及其适用性还不能满足高精度地质灾害监测。

为了克服该技术在地面形变监测方面的不足，并提高其精度，国内外技术人员先后引入了永久散射点（PS）的技术和GPS定位技术，使InSAR技术在城市及岩石出露较好地区地面形变监测精度大大提高，在一定的条件下精度可达到毫米级。永久散射（PS）技术通过选取一定时期内表现出稳定干涉行为的孤立点，克服了许多妨碍传统雷达干涉技术的分辨率、空间及时间上基线限制等问题。

随着卫星雷达系统资源的改进和发展，以及相应数据处理软件的提高，该技术在地质灾害监测领域的应用将趋于成熟。

3.4地质灾害监测技术的优化集成

3.4.1问题的提出

（1）监测方法的适应性。对于各种监测方法所使用的监测仪器设施，均有各自的应用方向和使用技术要求；针对不同地质灾害灾种、类型，其使用技术要求（包括测点布设模式、安装使用技术要求等）不同。

（2）地质灾害不同的发展阶段。对于崩塌、滑坡等突发性地质灾害，不同发展阶段所适用的监测方法和仪器设施各异，监测数据采集周期频度不同。

（3）监测参数与监测部位。实践证明，一方面，不同的监测参数（地表位移、深部位移、应力、地下水动态、地声等）在不同类型的灾害体监测中具有不同程度的表现优势；另一方面，同一灾害体不同部位的监测参数随时间变化趋势特点并不相同，即存在反映灾害体关键部位特征的监测点，又存在仅反映局部单元（不具有明显的代表性，甚至是孤立的）特征的监测点。因此，监测要素（监测参数、监测部位）的优化选择，是整个监测设计工作的基础。

（4）自动化程度。决定于设备的集成度、控制模式、数据标准化程度和信息发布方式。

（5）经济效益。决定于地质灾害的规模、危害程度、监测技术组合、设备选型等因素。

3.4.2设计原则

地质灾害监测技术优化集成方案遵循以下原则：

（1）监测技术优化原则：针对某一类型地质灾害，确定优势监测要素，进行监测内容、监测方法优化组合，使监测工作高效、实用。

（2）经济最优原则：首先，不过于追求高、精、尖的监测技术，而应选择发展最为成熟、应用程度较高的监测技术；其次，对于危害程度较大的大型地质灾害体，可选择专业化程度较高的监测技术方法，由专业人员进行操作、维护，对于危害程度低，规模小的灾害体，可选择操作简单、结果直观的宏观监测技术，由群测群防级人员进行操作。

3.4.3最终目标

根据不同种类地质灾害和不同类型地质灾害的物质组成、动力成因类型、变形破坏特征、外形特征、发育阶段等因素，研究适用于不同类型地质灾害的监测要素（监测参数、监测点位的集合）、监测方法、监测点网的时空布置模式、监测技术要求，建立典型地质灾害监测的优化集成方案。