物探技术在岩溶塌陷灾害监测预警中的应用研究

　　摘要：岩溶塌陷问题是近年来数量呈上升趋势的一种地质灾害类型。目前对岩溶塌陷机理仍未形成统一的、系统的认识.研究岩溶地面塌陷诱发因素的地球物理场特征，在室内建立岩溶塌陷模型模拟各种外力条件诱发岩溶塌陷过程，采用物探手段监测岩溶塌陷发生前、中、后地球物理场变化规律，模拟试验表明发生岩溶塌陷时电阻率、电位发生显著变化，震动监测可以通过异常振幅、振幅频谱、实时H/V 值、时频分析等方式监测岩溶塌陷信号。模拟室内试验观测表明在发生各种岩溶地塌陷过程时电阻率、电位将发生较显著空间变化，震动监测系统可以自动通过异常振幅、振幅频谱、实时H/V值、时频分析等技术方式来监测岩溶地塌陷预警信号。

　　前言

　　物探技术应用于地质灾害监测领域起步比较晚，目前主要采用地质雷达、微地震以及时移电法技术对特定地质灾害开展监测预警[1]。

　　一、岩溶塌陷物性模型设计

　　野外模型试验参照武汉市的岩溶地质结构类型和岩溶地面塌陷类型设计。根据收集的武汉市地质资料，按照碳酸盐岩上覆盖层的特点，将武汉市岩溶划分为两种类型，即包含为覆盖型岩溶区和埋藏型岩溶区。分析诱发岩溶地面塌陷的因素，主要分成以下3种： ①降水；②地下水活动③工程建设活动产生的强[1]。

　　二、监测方法简介

　　高密度电阻率法：高密度电阻率法技术又称为层析电阻率成像法技术，是指一种高密度阵列式的电阻率法勘探研究方法。它是一种以查明岩石、矿石组分的热导电性、电化学活动性、介电性场和磁导与磁性导的分布差异情况为勘察物理基础，使用一套专用的科学仪器设备，观测或研究揭示地壳以及周围地壳物理场系的异常变化规律和空间分布演变规律，进而来有效解决有关地质问题方法的现代地球物理工程勘察物理方法。

　　微地震监测：岩溶活动中提供出的各种瞬时地震信号特征一般和同期或其它各种实时地震信号中反映到的其他地质属性特征相比都还往往没有明显地不同，如果当我们可以从一些其他各种实时地震信号资料特征中直接地分析测取的到出现了许多与我国实际地质岩溶活动相比较的相似程度的地震属性时，可以看到直接分析对我国地震观测预报工作及对岩溶塌陷地区塌陷程度监测所起到的到的有了一定参考作用。这些属性表中还通常只会列出包括：振幅值属性、频率属性、H值/V值属性等。

　　平均绝对振幅统计：对信号频谱进行加权平均及绝对大振幅分析统计分析后便可以自动从中识别分离出多个警报信号，再进而对被摘选后的其他众多的警报信号逐一进行信号频谱特征分析。传统上的STA/LTA算法可以在微震监测系统和超强震波检测仪器中广泛用于快速识别突变波信号，也就是识别瞬态和强震振幅变化信号[2]。

　　频谱计算：要根据反向的指导原理舍弃掉了所有可能人与岩溶活动产生的频率不可能完全相关的实时异常的震动和信号活动，即这种实时的异常或强的振幅的振动信号所产生出的频谱特征与人类岩溶的活动产生的频谱特征之间如果完全表现出完全一致，就可以基本上就能够完全的排除人岩溶活动的存在的这全部可能性。

　　H/V 谱比计算：基于微动信号频率的H/V方法是相比较于目前其它各种传统的数字微动数字信号频率处理测量技术方法而言也是目前另外又一种技术操作方式更加简洁直观更便捷和可靠有效的技术新技术方法，又有常被称为三分谐振测量技术方法或称为 HVSR方法，它的其实也是一种基于一种可以精确自动估算地表层的振动峰值和共振峰频率和振动信号的放大衰减系数的又一种测量技术，能够准确自动地计算并测量计算出微动信号频率中的水平分量频率和垂直水平分量频率之频率比[3]。典型的H/V频率的谱频率之比曲线上一般会具有至少包含一个较为明显的或可能包含了多个具有较多明显频率特征的峰值频率。H/V特征曲线的起伏曲线的观测时间特征和变化情况往往还能够与其和反映岩溶或地下空间浅部物性变化的起伏变化情况进行直接对应。

　　三、岩溶塌陷模型试验电性监测数据分析：电性监测采用高密度电法装置，设置电

　　极30根，电极距0.16m，监测排列总长度4.8m左右，主要监测模型上部约0.8m厚的土层在不同状态下的电性特征。

　　试验现象：降雨发生约12—24分钟，下部砂土开始流失，在第16分时砂土流失加剧，上部土层开始局部塌陷，塌陷持续到降雨约22分钟左右开始逐渐减小，降雨在24min时停止，但是下部砂土还在少量流失，32分钟后，模型基本稳定。

　　震动监测数据分析：本次地震监测试验选用了意大利SolGeo 公司生产的Dymas24地震振动系统、检波器宽频加速度计，频率响应范围为1～315 Hz，加速度动态范围0～1m/s2，试验采样率为200 赫兹。分别在降雨前、降雨中、降雨后抽取其中的信号片段进行振幅计算、频谱分析和H/V值计算。

　　四、结论

　　（1）通过模拟岩溶地面塌陷，获取岩溶地面塌陷发生过程中土层电性变化，结果表明为电阻率与含水性有较大关系；在模型发生塌陷时，视电阻率和自然电位都发生较大的变化，并且在靠近塌陷部位两者变化都会更加明显。

　　（2）室内模型震动监测结果显示，岩溶活动的微地震监测有较好的显示，当岩溶塌陷发生时会产生突然跳起的脉冲信号，并且会出现连续固定频率的瞬态信号； 通过计算实时 H/V 值曲线分析，岩溶塌陷的H/V值曲线的峰值突然升高，且伴随有波峰带宽增大等特征出现，可以推测为土层物性正在发生改变，场地可能存在岩溶活动。

　　（3）由于野外监测点无明显的地下水变化、无大的沉降，野外塌陷在长的监测时间段内，可能一直不会发生塌陷，可能即使是一直存在也绝对不会存在突然而发生大规模的局部塌陷，因此国内尚有其他很多地区的塌陷模拟及监测技术成果目前都仍未在最终的得到观测验证。建议该项目在后期也应选择在目前国内对其它监测点连续地进行一个较大规模长短周期连续模拟试验观测，并能同时对与国外现有及其它探测研究手段已提供到的长期模拟实验监测资料的研究结果等内容进行较为充分地对比分析及验证分析从而可以进一步总结修改并完善长期模拟试验的监测结论。因此很多模拟成果未得到验证。建议后期在其它监测点进行长周期观测，并与其它手段的监测结果进行对比分析，进一步完善试验结论。

　　参考文献：

　　[1]吴亚楠，周绍智，王延岭，等．国内外岩溶塌陷监测方法综述[J]．山东国土资源，2018，34（12）：1－6．

　　[2]罗小杰，沈建． 我国岩溶地面塌陷研究进展与展望[J]． 中国岩溶， 2018，37（ 1）：101－111．

　　[3]涂婧，魏瑞均，杨戈欣，等．湖北武汉岩溶塌陷时空分布规律及其影响因素分析[J ]．中国地质灾害与防治学报，2019，30 （6）：68－73．