探秘沙质海岸地下结构：GPR与CPT联合方法揭示法国大西洋沿岸蒙茨地区的地质异质性

《Geomorphology》：Subsurface variability of sandy coastal geosystems revealed by integrated georadar and cone penetrating testing approach: Insights from the Pays-de-Monts coast (Atlantic France)

本文推荐研究人员针对沙质海岸系统地下结构认知不足的问题，在法国大西洋沿岸的蒙茨地区，创新性地结合探地雷达（GPR）和静力触探测试（CPT）方法，揭示了海岸沉积物的内部结构、地层变异性和土壤行为特性。研究构建了两种不同的海岸地质概念模型，证明了综合地球物理与岩土工程方法在提升海岸地质认知、识别场地特异性方面的价值，为气候变化背景下的海岸管理和适应策略提供了关键的本地化地质依据。

　　

当我们漫步在广阔的金色沙滩，眺望绵延的沙丘时，往往只注意到海岸表面的地貌形态。然而，这些沙质海岸系统的“地下世界”却隐藏着其形成演化的关键秘密。长期以来，对沙质海岸的监测和描述主要依赖于地表地貌学观察以及LiDAR、卫星影像等现代技术手段，但对其内部结构、地层关系以及岩土特性却知之甚少，常常被简单地视为相对均质的地质环境。这种认知的局限性导致海岸管理策略和长期适应规划中，很少考虑其地质异质性和场地特异性。

为了揭开沙质海岸地下世界的神秘面纱，由法国地质调查局（BRGM）的Julie Billy、Vivien Baudouin、Gildas Noury和Manuel Garcin组成的研究团队，在法国大西洋沿岸的蒙茨地区（Pays-de-Monts）展开了一项综合性的研究。他们创新性地联合运用了两种强大的技术——探地雷达和静力触探测试，旨在精细刻画海岸地质系统的三维结构、沉积单元的空间展布及其工程地质特性。这项研究不仅深化了对海岸演化历史的理解，更重要的是为应对海平面上升和海岸侵蚀等挑战提供了至关重要的地质基础。相关成果发表在知名地学期刊《Geomorphology》上。

研究人员开展此项研究主要依赖于几个关键的技术方法。首先是探地雷达，这是一种非侵入式地球物理成像技术，利用不同频率的天线（100 MHz, 250 MHz, 500 MHz）对地下沉积结构进行高分辨率探测，揭示了沙丘内部结构、地层界面以及古海岸线痕迹。其次是静力触探测试，这是一种标准的岩土工程原位测试方法，通过以恒定速率将锥头压入土中，连续测量锥尖阻力（Q_c）和侧壁摩阻力（F_s），从而划分土壤行为类型，精细区分不同沉积环境的砂土特性。此外，研究还整合了区域地质图、LiDAR数字高程模型以及历史地理数据，并通过高斯混合模型对CPT数据进行协方差分析，以统计方式表征不同沉积单元的岩土特性。

研究结果揭示了蒙茨海岸系统丰富的地下结构和特性。

沙丘场：GPR清晰地显示了不同类型沙丘（抛物线形D₁-D₂、不规则形D₃和纵向D₄）的内部结构，反映了其不同的形成和演化模式。CPT分析表明，沙丘物质主要对应土壤行为类型SBT 6（洁净砂至粉砂质砂）和SBT 7（密实砂至砾石），并且不同类型的沙丘（如抛物线形与不规则形）显示出细微但可区分的岩土特性差异。

拉帕雷格罗利耶地区的丘间带、前滨和沼泽沉积：GPR揭示了下伏沉积物的非均质性，识别出三个主要单元：向海倾斜的U_FM单元（前滨-海滩相）、过渡性的U_T单元以及具有透明雷达相的U_M单元（沼泽沉积）。LiDEM识别出的丘间地带规则的纵向形态结构被解释为古海岸线或海滩脊系统的遗迹。CPT数据成功区分了这些单元的岩土特性，例如U_M单元显示出典型的黏土质沉积物特征（SBT 3-4），与沙质单元截然不同。

拉佩日地区的填充河道和沙嘴：在南部研究区，CPT曲线揭示了一层1-2米厚、锥尖阻力极低的黏土层，解释为被填充的古河道。GPR图像则显示了一个向西北方向进积的沉积序列，被解释为一个被沙丘完全覆盖的古沙嘴发育过程。这表明该区域海岸历史受到河流-海洋相互作用的显著影响。

基于这些发现，研究团队构建了两个截然不同的海岸地质概念模型。模型一描绘了北部拉帕雷格罗利耶地区的“进积型海岸与上覆沙丘场的向陆沼泽过渡”模式，强调了海岸线向海推进和沙丘向陆迁移的过程。模型二则描绘了南部拉佩日地区的“河道填充和沙嘴发育序列上覆沙丘场”模式，突出了古河道和沙嘴在海岸形成中的关键作用。这两个模型清晰地表明，尽管地理位置相近，但这两个海岸段却有着独特的地质“身份”。

研究的讨论部分强调了GPR与CPT方法结合的强大互补性。GPR提供了沉积结构的高分辨率二维图像，而CPT则提供了连续的、高分辨率的岩土参数，两者结合能够更精确地界定地层单元，并克服单一方法的局限性（如GPR在黏土层中的信号衰减）。更重要的是，这种综合方法能够有效表征不同沉积环境（如风成沙丘与滨海相砂）甚至同一环境中不同沉积体（如不同类型的沙丘）的岩土特性差异。这为系统化比较不同海岸场地的特性、建立区域性的海岸地质与岩土特性数据库奠定了基础。

研究结论明确指出，这项多学科方法极大地提升了对海岸场地的表征能力，超越了传统的地貌解释或海岸线变化分析。它揭示了每个海岸系统的显著独特性，即使是邻近的场地也可能具有完全不同的地下地质结构和演化历史。研究识别出的地下沉积物类型多样性，特别是古河道黏土层，在海岸侵蚀和后退的背景下具有重要的现实意义，因为这些地质体可能出露并影响海岸动力过程。传统的海岸演化模型往往忽略了这种地下地质非均质性，因此，将场地特异性的地质知识纳入海岸管理和预测模型，对于制定更现实、更稳健的海岸适应策略至关重要。此外，对海岸地质的深入理解对于认识沿海生态系统、水文地质过程以及应对气候变化引发的海平面上升和洪水风险也具有重要意义。

总之，这项研究成功地将地球物理“成像”与岩土工程“触探”相结合，如同为海岸系统进行了一次精密的“CT扫描”和“病理活检”，为我们理解沙质海岸的过去、现在和未来提供了全新的视角和坚实的科学依据。