物探技术在工程地质勘察中的研究与应用

物探技术在工程地质勘察中的研究与应用

 张松1         熊迪1

天津市第二地质勘探大队，天津 300191

摘要：在本文的研究活动中，针对物探技术与工程地质勘察相关内容进行论述，讨论了超高密度电法综合勘测技术、探地电磁雷达技术、甚低频电磁技术、浅层地震技术、瞬变电磁技术、大地电磁测探技术、地震层析成像技术等物探技术在工程地质勘察中的应用要点，研究了物探技术在地质勘察领域的未来发展趋势，其目的在于积累物探技术在工程勘察领域的应用经验，提高工程地质勘察数据的完整性与准确性。

关键词：物探技术；工程地质勘察；超高密度电法综合勘测技术；探地电磁雷达技术

0引言

在建设工程施工规模不断扩大的背景下，建设场地条件也越发复杂，为保证建设项目的顺利进行，需要在前期做好工程地质勘察工作，根据得到的勘察数据，制定或调整工程施工方案，保证工程进度的同时，保证工程作业质量。在当前的工程地质勘察项目中，勘察手段仍以钻探手段为主，受勘察手段的局限性，勘察点之间的地层结构多依靠经验推测，存在诸多不确定性，勘察成果以点代面，难以满足工程建设的需要。在工程地质勘察中，物探技术拥有良好应用价值，通过整理和研究物探技术在工程勘察应用阶段需注意的内容，可以提高工程地质勘察结果的完整性和准确性，利于后续工程建设的有序推进。

1物探技术与工程地质勘察概述

1.1物探技术

物探技术是指采取物理方法、仪器来对目标区域物理场变化情况进行整理，包括磁化性质、导电性质、岩层密度、放射性等，随后根据获取资料，对于目标区域介质结构、物质组成特征、演化规律等内容进行整理，为可行性方案拟定提供良好参考。从目前的发展情况来看，经常使用到的物探技术包括电法勘探技术、重力勘探技术、磁法勘探技术、地震勘探技术等。

1.2工程地质勘察

工程地质勘察的主要工作任务，是对目标区域一定深度的地层进行探测，并对各类地质资料进行整理，从而筛选出满足工程建设规划、施工的地质条件。对于已经确定的地块，根据得到的工程勘察数据，提供工程建设必须的岩土体参数，及时发现潜在不利因素，拟定配套处理措施，以保证工程建设质量与安全。

2物探技术在工程地质勘察中的应用要点

2.1超高密度电法综合勘测技术

超高密度电法综合勘测技术，其工作原理属电阻率的范畴。此类技术在应用中，是以岩体的电性差异为基础的一种电探方法,根据在施加电场作用下地中传导电流的分布规律,推断地下具有不同电阻率的地质体的赋存情况，经验证能较好的分辨出具有不同电性特征的两岩层接触面，从而实现对潜在地质体的识别。

超高密度直流电法勘探基于上述基本原理，其优势在于：（1）该法打破了常规电法勘探中数据采集方式的限制，采用自由无限制的任何四极的组合方式来采集数据，基于此这种方式，超高密度方法仪可采集到几十倍的常规电法数据，数据的丰富性大大提高了反演结果的准确性和可靠性；（2）数据处理技术上不仅利用视电阻率的概念，而且将所测得的大量数据利用计算机的反演技术直接反演成真电阻率剖面图，结果更为精确和直观，可以真实反映出地下不同电性异常体的位置和大小，资料解释时直观易懂，也减少单一利用视电阻率等值线图解释时造成的误差；（3）数据采集技术采用多通道技术，比常规高密度电法数据采集速度提高上百倍，大大提高工作效率，并提高了采集数据的一致性。

综上所述，超高密度直流电法的应用范围十分广泛，只要目标体与背景之间存在电阻率差异，同时目标体具有一定的空间尺寸和埋藏深度，都可以使用超高密度直流电法对目标体进行探测。该方法也存在不足之处，例如，地表土质疏松或岩层破碎的情况下，孔隙度较大致使电极耦合较差，电流屏蔽较为严重，反演结果失真。

图1某项目超高密度电法探测剖面

应用实例：如图1，在某地质勘察项目中，因该场地有一断层从中穿过，影响到后续建设方案的布置，建设单位委托我单位的查明该断层的具体走向和破碎带的宽度，为建设方案布置提供依据。我公司通过调研常规物探方法的技术优势及适用范围，并结合场地实际情况，最终选取超高密度电法作为本次物探的主要手段并确定测线布设位置及参数，并结合钻探予以验证。其应用要点为：（1）根据勘探目的任务及其现场踏勘结果，判断断层的大致走向；沿断层大致走向及其垂向方向以适当电极距布设测线开展物探工作；（2）根据现场地层情况及岩溶作用特征，建立简易数值模型，通过数值模拟、反演，分析电阻率分布情况，等值线走势形态；（3）参考勘探区岩石露头情况及勘察报告，总结电阻率与岩性之间的关联性，从而追踪剖面电阻率等值线，达到整个剖面地质解译。

该勘探区内岩层岩性主要为灰岩及安山岩，勘察范围内地表起伏不是很大，且两岩性交界面界线较为清晰，电阻率变化形态有利于电阻率法勘探，有利于岩性交界面起伏形态划分。本案使用瑞典RES2DINV1高密度电法反演分析软件，依据高密度电阻率反演剖面解释原则对勘探区内反演剖面进行了灰岩、安山岩交界面产状解释，确定了断层和破碎带的空间分布范围及产状，取得了良好的应用效果。在该案中局部杂填土分布较厚，密实度差，致使电极耦合较差，电流屏蔽较为严重，局部反演结果失真，需辅以钻探予以验证。

2.2探地电磁雷达技术

探地雷达技术（GPR）是一种采用短脉冲宽带高频电磁波信号，检测地下介质分布的新方法，可以用于勘探地下的岩石、土壤、管线等。此类技术应用期间会将雷达释放的电磁波信号作为场源，对于整个电磁波传递过程的变化信息进行整理，从而判断该区域工程地质基本情况。该技术最早是在20世纪70年代发展起来的，随着计算机技术和雷达技术的不断发展，探地雷达技术的精度和分辨率不断提高，应用范围也不断扩大。该技术在具体应用中，会结合探地雷达辐射面、周围干扰源分布规律，在恰当位置布置探地雷达设备，调试工作结束后启动设备释放高频电磁波信号，信号沿着地层传递过程中，若是介质性质出现变化，那么此时也会出现不同的衰减效应，产生不同的能量损失。利用接收器对这些数据进行采集，随后在计算机工具辅助下完成数据整合，完成降噪、修正等处理后，可以较为直观查看该地区不同介质深度、位置、均匀度分布规律等内容[1]。此方法在应用中的勘探效率较高，并且拥有较强的自动化水平，逐渐成为市场中的主流勘探技术。在工程应用中应用此法取得了大量工程经验，较传统物探方法（如：浅层地震勘探、电阻率法、激发极化法）具有明显的优点：（1）成果分辨率高；（2）不破坏被检测目标岩土体具有无损性，仪器轻便操作简便，（3）成果直观便于使用。其不足之处有：（1）易受电磁场干扰，在高压电线附近应用效果较差；（2）探测深度较浅，通常在8米左右，适用范围小。

该技术在工程勘察中的应用要点：

（1）探地雷达数据处理时预处理（标记和桩号校正等）和处理分析是应用此技术的重点和难点之一，其目的在于压制规则和随机干扰，以尽可能高的分辨率在探地雷达图像剖面上显示反射波，突出有用的异常信息（包括电磁波速度，振幅和波形等）来帮助解释；（2）该勘测区埋深有电力、电信等地下管线，外界电磁干扰严重强，排除电磁干扰也是此技术的重点和难点；（3）地雷达技术可以提供地下物质结构的图像，但在应用时需要结合钻探勘探，以便对地下结构进行验证和补充。

应用实例：如图2，在某排水工程勘察项目中，甲方委托我单位的查明路面以下地下介质分层情况（主要查明杂填土与原状土分层情况，其中杂填土包含道路面层、基层及垫层等经人工处理的地下层位），我公司对常规物探方法的技术优势及适用范围进行了调研，同时结合技术人员实际工作经验及场地实际情况，最终经研究确定采用探地雷达方法结合钻探手段对勘探区进行探测。经过反复研究和试验采用滤波、波谱分析、相关性分析等综合手段，解译结果与附近的钻探孔相互验证，准确揭示了路基结构和其下地基土的分布特征，取得了良好的应用效果。

图2 地质雷达探测数据剖面

2.3甚低频电磁技术

甚低频电磁技术（VLF）是一种基于电磁场传播的物探技术，可以用于勘探地下的岩石、土壤等。此类技术在应用中，会借助主动或者被动的电磁源（其频率维持在10kHz～30kHz）对目标区域地质体电性分布情况进行探测，以此来确定该区域的地质情况，该技术可以穿透几百米的地下岩石和土壤，具有很高的穿透力和分辨率。该技术具有以下优点：（1）非侵入性：该技术不需要在地下进行钻探或挖掘，不会对环境造成影响；（2）覆盖范围广：该技术可以覆盖较大的勘探范围，可以快速获得地下结构信息；（3）数据处理简单：该技术的数据处理相对简单，可以通过计算机软件进行自动处理和解释；（4）适用性广：该技术适用于不同类型的地质环境，包括岩石、土壤、沉积物等。

该技术在工程勘察中的应用要点：

（1）测试位置的选择：该技术适用于不同类型的地质环境，但对于有电磁干扰的地区，如高压输电线路、雷达站等，该技术的应用可能会受到影响。因此，在选择勘探区域时，需要考虑周围电磁环境的影响。开展探测前应基于前期得到的基础勘察数据，结合地块划分结果、设备辐射范围，在恰当位置安装和调试电磁源。（2）数据采集：该技术的数据采集需要专业的仪器和设备，包括VLF发生器、接收机和数据记录仪等。在采集数据时，需要保证设备的正常运行，并根据勘探区域的特点选择合适的数据采集方式和参数。（3）数据处理：数据处理可以通过计算机软件进行自动处理和解释，在数据处理过程中需要注意数据的质量和精度，并根据勘探目的选择合适的数据处理方法和技术。（4）数据解释和综合分析：该技术的数据解释和综合分析需要结合勘探区域的地质背景和勘探目的进行。在解释和分析数据时，需要考虑数据的空间分布、异常特征和物质性质等因素，并结合其他地球物理勘探方法进行综合分析。

2.4浅层地震技术

此类技术在应用中，需借助地震源（不同当量的炸药）产生的弹性波，来对其传播路径、传播规律进行整理，从而确定该区域的地质情况。

该技术的优点为：（1）浅层地震勘探可以获取地下结构的三维信息，对于地质灾害、地下水资源等问题具有重要意义；（2）浅层地震勘探方法非常适用于城市地质环境的勘探，可以有效地评估城市地质环境的安全性；（3）浅层地震勘探方法具有数据量大、采集速度快、数据质量高等优点，能够有效地提高勘探效率。

该技术的缺点为：（1）浅层地震勘探方法受地下介质的影响较大，难以对复杂地质条件进行准确的勘探；（2）浅层地震勘探方法的数据处理较为复杂，需要专业人员进行处理和解释：（3）浅层地震勘探方法的勘探深度较浅，仅适用于浅层地质环境的勘探，对于深部地质环境的勘探效果较差；（4）需要用到炸药，危险性大，需在操作时做好清场工作，现场布置警戒线，避免人员误入和操作不当带来的安全事故。

该技术在工程勘察中的应用要点：

（1）测试位置的选择：基于前期地块划分结果、现场实际情况，在恰当位置开挖炸药孔，经过计算后向其中填充适量炸药。同时在地块不同位置设置信号接收装置，调试后再投入到使用中；（2）数据采集：数据采集需要进行现场实测，包括震源和接收器的布设、震源参数的设置、数据采集的时间和频率等因素，在采集数据时，需要保证数据的质量和精度；（3）数据处理：对数据进行降噪、干扰数据清除、数据放大等处理也是应用该技术的重点，数据处理需整理成地震波传递趋势图，对比波峰、波谷数据后以确定地质体类型、厚度、深度等信息；（4）数据解释：需要结合勘探区域的地质背景和勘探目的进行，在解释数据时，需要考虑数据的空间分布、异常特征和物质性质等因素，并结合其他勘探方法进行综合分析。

2.5瞬变电磁技术（TEM）

此类技术是将脉冲电流作为整个勘察活动中的场源，根据场源产生的电磁感应波动规律，来判断该区域的空间形态。在技术的具体应用中，需要基于前期获取的基础资料，在现场分布各类信息采集设备与脉冲设备，所有设备需要在完成调试后才可以进行使用。启动脉冲设备后，其产生的脉冲电流也会沿着地层进行传递，受到地层介质组成类型影响，会在对应位置产生不同强度的涡流场，此时可使用接收器对各类数据进行采集，完成降噪、修正、信号放大等处理后，则可以较为直观地了解地层不同深度、不同位置的二次电磁场变化规律，以此来推测出该地区的地下空间形态，从而得到较为准确的工程地质勘察数据。该方法在应用中的应用便捷性较强，在应用中能够获取到较为完整的勘察数据，也是目前常用的勘探技术。其技术优点有：（1）非侵入性：该方法不需要钻孔或其他破坏性的方法，可以在不破坏地下结构的情况下进行探测；（2）高灵敏度：该方法可以探测到非常微弱的电磁信号，因此对于地下水、矿产资源、地质构造等的探测非常敏感；（3）高分辨率：该方法可以提供高分辨率的地下结构图像；（4）可以探测深层地层结构。其技术缺点有：（1）数据处理比较复杂，需要高度专业化的技术和软件，因此需要一定的技术水平和经验；（2）探测效果受地面条件的影响较大，例如土壤类型、地下水含量等因素都会影响TEM的探测效果；（3）不能直接定量：TEM方法不能直接定量地测量地下结构的物理性质，需要结合其他方法进行综合分析。

受本身的技术特点限制，传统瞬变电磁技术对100米以下的岩溶探测具备优势，但鲜少用于浅部土层的探查中。等值反磁通瞬变电磁法（OCTEM法）是一种新型的瞬变电磁技术，其克服了传统瞬变电磁技术对100米以内地层探测的盲区，目前已在多处岩溶勘察中取得了良好的应用效果[2]。通过总结研究本地区各类土层的视电阻率变化规律，细化等值反磁通瞬变电磁技术反演成果，结合钻探成果，该法可以对场地土层情况进行精确分层，弥补传统勘察手段的不足，将该法引入到工程地质勘察有广泛的应用前景。

该技术在工程勘察中的应用要点为：（1）选择合适的探测区域：在选择勘探区域时，需要结合地质资料和勘探目标进行判断，选择合适的勘探区域；（2）选择合适的勘探参数：等值反磁通瞬变电磁法的勘探参数包括发射线圈、接收线圈、频率等。选择合适的勘探参数可以提高勘探效果和精度；（3）数据采集和处理：在进行等值反磁通瞬变电磁法勘探时，需要采集大量的数据，并对数据进行处理和分析。数据处理和分析的精度和方法直接影响勘探结果的精度和可靠性；（4）结合地质特征进行解释：在分析和解释等值反磁通瞬变电磁法勘探数据时，需要结合勘探区域的已知的地质特征进行综合分析，使用多尺度分析和反演技术等方法，根据处理后的数据，制作地下结构图像。

2.6地震层析成像技术

地震层析成像技术是一种基于地震波传播的物探技术，可以用于勘探地下的岩石、土壤等。地震波在不同的岩石、土壤中传播速度不同，通过测量地震波传播的速度和振幅变化，可以推断地下的岩石、土壤等物质结构。此类技术在应用中会在地震波这一场源基础上，引入X射线以及CT理论，利用层析的方式来分析各个地层的组成与演变规律，为后续施工方案优化提供可靠依据。

该技术在工程勘察中的应用要点：（1）选择合适的勘探区域：地震层析成像技术适用于大面积的地下勘探，但在应用时需要选择合适的勘探区域。需要考虑地质特征、勘探目标、勘探深度等因素，选择合适的勘探区域。在选择勘探区域时，需要结合勘探目标和地质特征进行选择，以便得到准确和可靠的勘探结果；（2）综合使用其他物探技术：地震层析成像技术可以用于勘探地下的岩石、土壤等物质结构，但在应用时需要综合使用其他物探技术，如地电法、地磁法、声波法等，以便得到更全面和准确的勘探结果。在综合使用其他物探技术时，需要考虑不同物探技术的优缺点，选择合适的物探技术进行综合应用；（3）数据处理和分析：地震层析成像技术需要使用专业的地震数据处理软件，对勘探数据进行处理和分析，得到地下物质结构的图像。在数据处理和分析时，需要考虑勘探数据的质量和精度，同时结合地质特征进行分析，以便得到准确和可靠的勘探结果；（4）结合钻探勘探：地震层析成像技术可以提供地下物质结构的图像，但在应用时需要结合钻探勘探，以便对地下结构进行验证和补充。需要根据地震层析成像技术提供的结果，选择合适的钻探点位和钻探方法，进行钻探勘探。在钻探勘探中，需要结合地震层析成像技术提供的结果进行分析和判断，以便得到准确和可靠的勘探结果。

综上所述，目前在工程地质勘察中可使用的物探技术类型较多，各类技术的适用环境、应用优势均存在不同，各类物探技术在应用中也存在着一定的局限性，为了保证工程地质勘察结果的准确性，在后续研究活动中需进一步总结地区应用经验，优化物探技术在各个地区的应用流程，或通过组合的方式来提高所整理数据完整性与准确性，为后续活动的推进提供良好依据。

3物探技术的未来发展趋势

3.1多元化

从目前的发展情况来看，物探技术将沿着多元化方向不断发展。首先，物探技术组合方式的多元化，在工程规模持续扩大的情况下，工程建设深度也在提高，为了得到准确可靠的地质分析数据，也可以根据现场实际情况，引入两种及以上的物探技术，依托计算机对相关数据进行融合，得到准确可靠的工程地质数据。其次，物探技术功能多元化，在实践经验不断积累的情况下，有关物探技术体系的研究深度也在提高，在此情况下也会提高功能多元化水平，满足不同情况下的使用要求。最后，设备功能多元化，在工程地质复杂度不断提高的情况下，对于设备的适应性、兼容性、可拓展性、功能性的要求也在提高，在技术后续发展活动中，也需要做好设备功能持续优化，以满足不同场景下的工程地质勘察要求。除此之外，在物探技术应用阶段，也需要做好人员综合素养的培训工作，使其拥有良好的操作能力，发挥出各类物探技术的应用价值[3]。

3.2智能化

基于现阶段发展情况，物探技术也将沿着智能化方向持续发展。首先，物探技术智能化水平的提升，在各类先进技术的加持下，物探技术的自动化与智能化水平也会不断提高。为了得到准确可靠的地质分析数据，也可以基于现场实际情况，科学引入深度学习、人工神经网络等算法，将该算法和物探技术综合在一起进行应用，以此来提高整个技术应用过程的智能化水平。其次，物探技术设备智能化，在生产工艺成熟度持续提升的情况下，物探设备生产精度也在提高，以此来提高物探设备的智能化水平。并且在生产经验持续积累的情况下，也可以持续提升整个设备的智能化水平，使其可以契合不同场景下的工程地质勘察要求。最后，在物探技术应用阶段，也需要做好智能化经验的持续积累工作，从而为物探技术、物探设备智能化水平的持续提升奠定良好基础[4]。

3.3绿色化

除上述提到的相关内容外，物探技术也将沿着绿色化方向持续发展。一方面，物探技术绿色化水平的不断提升，基于绿色发展理念中的相关要求，物探技术的绿色化水平也会不断提高，从而减少物探技术应用时产生的环境影响。例如，使用到的物探技术，应减少对作业环境的破坏，并且也需提高整个技术应用过程的节能性，在短时间内获取到可靠的工程地质勘察数据，利于后续活动的进行[5]。另一方面，物探技术设备绿色化，在整个发展活动中，所生产设备制作材料、制作工艺也需要沿着绿色化方向发展。例如，在物探设备生产过程中，应做好绿色生产材料的引入工作，以此来保证物探设备绿色化水平，减少其应用过程中产生的各类成本。

结束语

综上所述，物探技术在工程地质勘察活动中都有着良好应用价值，拥有勘察范围广泛、勘察精准度高、可提供二维或三维地质信息等优势，可弥补传统手段的不足，为工程施工提供可靠依据。在实际应用中，需要基于现场的地质条件，做好勘察方法的科学化选择，据此发挥出物探技术特点和优势，得到更加可靠的地质信息，从而降低工程风险。需要注意的是，在物探技术应用阶段，也需要通过直接或间接合作的方式来获取多维地质信息，以满足工程地质勘察要求。

参考文献

[1]代迪.物探技术在工程地质勘查中的应用[J].新疆有色金属,2022,45(06):33-34.

[2]赵虎，王玲辉，程强，等．2021．等值反磁通瞬变电磁成像技术及工程应用．地球物理学进展，36(5) :2244-2250

[3]李存利.滑坡工程地质水文地质勘查中物探技术的应用研究[J].西部资源,2021(05):85-87.

[4]贾世俊,周鹏,李朝辉,等.关于物探技术在工程地质勘查中的应用探讨[J].世界有色金属,2021(09):227-228.

[5]冷冬,李娟.工程地质勘查中关于物探技术应用的要点分析[J].居业,2021(04):6-7.