一、概 述
滑坡是指从非常缓的土坡到巨大的活动岩体的各种块体的运动。根据滑坡的活动性（状态、分部、类型）和运动特征（滑移速度、含水量、岩土类型），滑坡分为几种类型，目前应用最广泛的分类是由Cruden和Varnes（1996）所提出的。滑坡具有各种各样的形状和体积，并影响所有的地质条件。对这些现象的描述不是一个简单的问题，可能需要进行大量的调查研究。调查方法主要包括遥感和航空技术，地质和地貌测绘技术，地球物理和地球技术方法，这些方法的使用必须适合于滑坡特征。根据Mccann和Foster（1990）的研究，对滑坡的稳定性进行地球技术的评价必须考虑到以下三个方面：（1）具有破坏面的滑坡的三维几何条件，（2）水文地质条件，（3）滑坡运动的调查和描述。在水文地质和机械作用下，受滑坡影响的地块的结构和内部构造会发生改变。一般情况下，通过航空拍照和遥感影像的方法绘制遭受滑坡危害区域的地表图形。对滑坡影响的地表区域进行测绘，所绘地图能够清晰展现滑坡地形。然而，如果缓坡的年代久远或活动性很小，由于侵蚀作用，它的形态特征和边界不能清晰可见，地表观测和测量必须由地下勘探配合进行。不稳定体三维形状的界定也需要对地表以下未扰动岩块或土壤进行调查研究。传统的地球技术主要包括孔隙、渗透性和沟渠的探测，通过详细描述岩体的地质力学性质（最终通过实验测试），从而定义对滑坡的垂直边界和坡体稳定性进行分析所需要的参数。这些技术只给出了准确的信息，由于在不稳定坡体上打钻难度很大，它们的应用非常有限。
由滑坡引起的地面变化很可能导致表示地面特征的地球物理参数的改变，这些地面特征可用来描绘滑坡体和检测滑坡体的运动。自Bogoslorsky和Ogilvy做了具有指导意义的工作以来，地球物理技术已经越来越多地被应用，但是调查滑坡的相关工作却很少参考这一技术，近几年来这种现象已有所改善。在解释不使用地球物理技术的原因之中，一方面提出了发展地球物理方法规划时的相对困难（虽然费用远小于打钻），另一方面提出了古老的地球物理方法在充分调查三维构造时的局限性以及标准地球物理参数与地球技术特性相联结的问题。以上问题使许多地球物理工程师不愿意使用地球物理方法。最近，在破裂并用土填充的天然坡体的地球技术工程的发展水平的评论中， Fell等人认为在几乎没有滑坡的地方，地球物理技术具有非常大的价值。近来，二维和三维成像技术的出现和为了提供可靠、合适的设备，制造商所做的努力已经极大地增大了地球物理技术应用于滑坡调查的吸引力，即使地球物理参数和地质（地球技术）特性之间关系不大，这些方法也还是作为调查和监测滑坡的主要工具出现。
本文的目的是介绍目前用于描述滑坡特征的表层地球物理方法的技术发展水平。我们的工作重点是研究1990年以后在国际同类评论性期刊上发表的论文，这些文章的作者主要是科学家。为了考虑此领域中工程学家的意见，也包括为数不多的由科学家或工程师发表的国际会议学报，本文也将促进地球物理学家、地质学家、地貌学家、和地球技术工程师之间的学术交流。
二、地球物理方法
地球物理学以物理测量的获得为基础，从这些物理测量中可以推断出物理参数。详细叙述滑坡调查和特征描述的不同方法超出了本文的研究范围。大部分方法的原则可以在一般的书籍中找到。在研究滑坡调查的过程中，勘测阶段的地球物理方法由Mccann和Foster评论，他们用几个实例阐述了不同地质条件下的研究成果。近期，Hack用普通方法介绍和讨论了各种用于边坡稳定性分析的地球物理技术，并很快验证了它们的优点并加以详细说明。
上述文献指出了地球物理方法的主要特征，在这里进行了总结。一方面，地球物理技术的优点是：（1）在坡体上，它们灵活、相对快速并且可部署，（2）它们在地表作业，却可以提供岩土内部的构造信息，和（3）它们可以调查体积庞大的岩体。另一方面，它们的缺点是：（1）随深度的增加分辨力减小，（2）对一组数据的处理结果不唯一，结果需要校正，（3）它们所测并非直接信息（物理参数而不是地质特性或地球技术特性）。值得注意的是地球物理方法几乎所有的优点与地球技术的缺点一致，反之亦然，这将在这种调查技术之间概略补充说明。解决问题所用的方法取决于它的适用性和四个控制因素，在做任何野外试验之前必须充分考虑到这些因素（Mccann和Foster，1990）。第一是地球物理学存在明显的差异。地质、水文地质或机械边界（例如滑块的界线）的出现偶然暗示了地球物理特性的变化。第二是地球物理方法本身的特点，即穿透深度和分辨率（观测给定大小的岩体的能力）。如上所述，分辨率和穿透性之间有以下关系：观测深度越大，分辨率越小。在设计地球物理调查方法时，必须说明这些局限性。由于得到的是间接信息，因此总是用得到的可靠的地质或地球技术数据来校正地球物理技术方法。最后，地球物理技术的正确性在很大程度上取决于信号与噪音比。滑坡可能被高度扰动，结果导致电流注入困难或强地震波衰减。在设计一种调查方法之前要求进行初始测试。
经过处理后，地球物理方法用一个、两个或三个空间坐标显示物理参数的变化，这三个空间坐标分别与一维、二维和三维数据相一致。一维数据符合一种剖面（水平的或垂直的），而二维和三维数据通常是通过一个倒转程序获得的地球物理图像（断层摄影术）（Sharma，1997）。在过去的二十年里，地球物理技术飞速地向前发展，并且具有了观测研究体连续数据的重要优点。地球物理学的倒转是一个复杂的、非线性问题。鉴于上面所提到的地球物理技术的缺点和另外与倒转技术相关的缺陷，必须用带有批判的方法来解释图像。详细描述地球物理成像特点超出了本文的研究范围，这里仅概述主要问题。首先，一个图像（模型）必须满足的明显的、必要的条件是解释数据，也就是说，源于图像的模型所产生的结果与数据十分接近。这通常有一个不适合的误差（RMS）评定，这个误差必须由图像系统地提供。即使RMS值很低（通常考虑5%的范围），由于有限的测量范围和数据方面的误差，所获的图像仅是解释数据的方法之一。为了解释这个非单值问题，依赖倒转技术采取了不同措施：考虑不同初始模型的倒转测试；介绍倒转中的初始数据，在倒转中采取强制解决的方法；一些地球物理数据组的联合倒转。其次，由用于地球物理学的断层摄影术的大部分倒转技术所引起的图像柔滑，造成无法确定不光滑的层界面。用初始数据解决这个问题的新技术不断出现，不论是倒转的边界处理还是图像处理工具，如在倾斜图像抽取过程中的抛物线，都支持高度的规则化。最后，现有的大部分图像是二维的，然而滑坡属于三维范畴。三维构造的二维图像受到严重的人为影响，因此很难观测（Wisen，2005）。用二维和三维模型评价所获图像的实用性和可靠性是解决这个问题的明智之举。在任何情况下，考虑现有的可得到的所有数据，经过地质学家、地球物理学家和地球技术工程师的讨论后，说明地球物理图像的地质和地球技术特性必须被清晰地评论和显示。
三、地球物理方法在测绘地下滑坡方面的应用
表1显示了用于滑坡调查的主要地球物理方法与实测地球物理参数、数据类型、地质背景、Cruden和Varnes（1996）滑坡分类、地貌学和应用（目的）的综合。获取以上资料后，就可推出滑坡体积的大小。表1的信息说明了应用于滑坡的地球物理技术和地质背景的范围。地球物理勘探被用于各种类型的滑坡：坡体从很缓的土坡到垂直掉落的岩体。勘探穿透深度的变化范围从3m到400m。勘探目的主要有两个：到目前为止，一个目的是确定滑块垂直边界和侧边界的位置，即破坏面；另一个暗含的目的是测绘滑坡的内部构造。所有的地球物理方法都被用于此目的。可能会产生四种不同的情况。第一种情况，地球物理的差异是由岩性的改变造成的（分层，构造接触带，滑坡前沿风化），破坏面基本上与地质界面或地层分界面一致（Batayneh和al Diabat，2002；Glade等，2005；Jongmans等，2000；Agnesi等，2005；Havenith等，2000；Wisen等，2003）。第二种情况，地球物理差异也被岩性变化控制，但是破坏面以更复杂的方式剪切构造，这些破坏面也许可以、也许不能从地球物理图像中推断出来（Bichler等，2004；Ferrucci等，2000；Mauritsch等，2000；Demoulin等，2003），这取决于滑坡速度、岩体种类和技术水平。特别地（第三种情况），通过电磁传播的方法可以探测到破坏面（或潜在破坏面）。第四种情况，滑坡在全球的均质地层发育并改变了地层特性。根据机械断层的叠加或分离运动，侵蚀和含水量增加，地球物理差异也在滑坡和未受扰动的岩体之间出现（Caris和van Asch，1991；Méric等，2005；Lapenna等，2005；Schmutz等，2000；Lebourg等，2005；Bruno和Marillier，2000）。地球物理勘探的第二个目的是观测滑块中的含水情况，主要应用电和电磁石方法。用于滑坡调查的地球物理方法主要有以下几种：
（一）地震方法
1、地震反射
高分辨率的地震反射方法很少被用于滑坡调查（Bruno和Marillier，2000；Bichler等，2004；Ferrucci等，2000）。与其它地球物理技术相比较，这种方法需要花更多的努力来配置地震检波器，特别是在地形起伏不平的情况下，这种技术花费的时间更多、成本更大。浅层地震反射的成功也要求好的信号与噪音比和高频波的记录达到期望的分辨率。滑坡体表面被强烈扰动和它的非均质性影响地震检波器与土壤的连接，以致削弱地震波和产生分散的地震波，因此要达到以上两种条件难度很大。地震反射的主要优点是有描绘滑坡构造几何形状的潜力，诸如破裂面或内部层理，比起断层摄影术它的设备配置更耐用。
表1 用于滑坡调查的地球物理方法的综合
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方法
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参数-信息
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地质背景
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滑坡类型
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应用
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地震反射
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VP，Vs，二维垂直剖面
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软沉积物（砂和粘土）
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泥土碎屑岩滑流（ａ=25°）
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地质边界（80m）
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VP，Vs，二维垂直剖面
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石膏，页岩和砂岩
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复杂的活跃的滑坡
（ａ=10°）
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滑坡表面（50m）含有石膏层
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VP，Vs，二维垂直剖面
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千枚岩，片麻岩
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岩石滑坡（ａ=26°）
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内部结构（层理，断层）
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地震折射
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VP，Vs
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风化泥灰岩和灰岩
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活跃的复杂的滑破（ａ=7°）
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滑动表面（3m）
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VP，Vs
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灰岩，页岩和岩屑
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岩石活动碎屑掉落的滑坡
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基岩起伏（30m）和内部构造
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VP，Vs
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黑泥灰岩
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复杂泥流滑坡（ａ=26°）
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基部滑动面（9m）
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地震断层摄影技术
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VP，二维垂直剖面
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页岩
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平移的岩体滑坡（垂直的悬崖）
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滑动的形状（5-10m）
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VP，二维垂直剖面
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云母片岩
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岩体滑动（ａ=32°）
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结构和内部构造
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地震噪音测量
（H/V方法）
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Vs，一维垂直剖面
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杂色粘土
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复杂的土体滑流（ａ=9-10°）
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几何形状和厚度（30m）
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Vs，一维垂直剖面
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黑泥灰岩
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复杂泥流（ａ=25°）
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破坏面（35m）
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Vs，一维垂直剖面
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分层明显的粘土
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平移滑坡（ａ=10°）
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滑动面（27-37m）和基岩深度（33-62m）
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垂直电流探通术（VES）
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ρ，一维垂直剖面
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粘土砂岩
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复合的泥石流（ａ=6°）
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滑动面（100m）
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ρ，一维垂直剖面
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黑泥灰岩
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复杂泥流（ａ=25°）
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滑动面和基岩深度（15m）
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ρ，一维垂直剖面
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黑泥灰岩
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复杂泥流（ａ=25°）
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基岩深度（7.5m）
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电断层摄影术
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ρ，二维垂直剖面
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灰岩到页岩
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岩体滑动（ａ=22°）
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滑动面深度（10m）
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ρ，二维垂直剖面
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软沉积物（砂和粘土）
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泥土碎屑岩滑流（ａ=25°）
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地质边界和滑动面深度
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ρ，二维垂直剖面
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片麻岩上的冲击碎屑
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大体积岩石滑动（ａ=40°）
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三维滑动面几何形状和水流
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ρ，二维垂直剖面
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粘土和砂
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多样的泥流（ａ=8°）
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地质边界和滑动面深度
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ρ，二维垂直剖面
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杂色粘土
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复杂的土体滑流（ａ=9-10°）
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滑动面深度（30m）
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ρ，二维垂直剖面
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砂岩和粘土
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滑动面深度（20m）
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ρ，二维垂直剖面
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云母片岩
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大体积岩石滑动
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几何形状和深度（100m）
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ρ，二维垂直剖面
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结晶岩上的粘土砂
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滑动面深度
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自然电位（SP）
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V，一维水平剖面和二维图
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石膏，页岩和砂岩
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复杂的活跃的滑坡（ａ=10°）
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滑坡上的向上的水流
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V，一维水平剖面和二维图
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杂色粘土
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复杂的土体滑流（ａ=9-10°）
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划破边界和水流
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电磁（EM34 or TEM）
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ρ，一维水平剖面和二维图
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石膏，页岩和砂岩
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复杂的活跃的滑坡（ａ=10°）
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滑坡的侧面边界
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ρ，一维水平剖面和二维图
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云母片岩
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大体积岩石滑动
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滑坡的侧面边界
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ρ，一维水平剖面和二维图
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黑泥灰岩
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复杂泥流（ａ=25°）
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滑动面和基岩深度（15m）
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ρ，一维水平剖面和二维图
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灰岩和页岩，碎屑
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岩石活动碎屑掉落的滑坡
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饱和面的位置
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ρ，一维水平剖面和二维图
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黑泥灰岩
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复杂泥流（ａ=26°）
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含水量的差异
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地面穿透雷达（GPR）
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ε，二维垂直剖面
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软沉积物（砂和粘土）
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泥土碎屑岩滑流（ａ=25°）
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地质边界和滑动面深度
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ε，二维垂直剖面
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灰岩
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岩体滑动
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移动块体的几何形状（5m）
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ε，二维垂直剖面
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灰岩
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岩体滑动
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裂隙的位置（15m）
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空隙雷达
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片麻岩
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裂隙的位置（49m）
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重力测量
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γ，一维水平剖面和二维图
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厚砂页岩夹层
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悬崖附近的基岩坑洞
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VP和Vs：P波和S波的地震速度；ρ：电流电阻率；V：电势；ε：电容；γ：密度；ａ：平均坡度。
括弧中给出了最大穿透深度。
所有的学者都进行了传统的P-波研究，除了Bichler等（2004），Bichler进行了S-波反射剖面的研究。获得的主要参数见表2。在构造作用形成的变质岩的复杂地质背景下，Ferrucci等（2000）的调查描述了深度从100m到400m的地质构造，由于浅层深度的分辨率太低，以致破裂面的观测没有成功。为了达到调查的目的，更近的地震检波器间隔和更高的覆盖范围已被采用。Bruno和Marillier（2000）宣称已经确定了含有石膏层的“Boup”滑坡在大约50米（50ms TWT）深处的破裂面位置。研究表明，由于观测方法和分辨率的局限性，位于上部的破裂面能被估计大约5m（波长的四分之一）。Bichler等（2004）研究了“Quesnel Forks”滑坡，此滑坡影响了一个高75m的阶丘，这个阶丘由冰川时期的沉积物组成并且位于火山岩之下。由于存在把上部块体与下部块体分离开来的倾角为40°的陡壁，反射调查（P-波和S-波）与滑坡运动同时进行。此方法的主要成功之处是可以获得含有每种块体的层边界，但是对确定破裂面的位置没有多大贡献。
表2 用地震反射获得的剖面参数
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作 者
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通道
（最大范围）
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地震检波器类型和间隔
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反射体
（浅/深）
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资源类型
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纵剖面长度
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Bruno和Marillier（2000）
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24-48（12-24）
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30Hz
3m-1m
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50m–120m
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大锤
力量很强的枪
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110m
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Ferrucci等（2000）
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24
（6）
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-
10m
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100m–400m
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0.1-0.2千克的炸药
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1180m
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Bichler等（2004）
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36
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