遙感技術(shù)在礦致滑坡成因分析中的應(yīng)用

高永志，初 禹，楊元江

黑龍江省地質(zhì)調(diào)查研究總院，黑龍江 哈爾濱150036

0 引言

中國的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較為頻繁，主要包括地面塌陷、地裂縫、崩滑流等災(zāi)害.根據(jù)2017年中國土地礦產(chǎn)海洋資源公報，全國共發(fā)生各類地質(zhì)災(zāi)害7122起，其中滑坡5500起，占到77.23%；根據(jù)自然資源部地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)指導(dǎo)中心2018年全國地質(zhì)災(zāi)害通報，全國發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害2966起，其中滑坡1631起，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的55%.由此可見，滑坡是我國主要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一［1］.

遙感技術(shù)具有多時序、海量信息和非接觸觀察等特點，能夠快速、準(zhǔn)確、兼顧宏觀和微觀兩個方面獲取滑坡信息，在滑坡調(diào)查和研究中得到了廣泛的應(yīng)用［2-7］.我國遙感技術(shù)在滑坡中的應(yīng)用開始于20世紀(jì)80年代，初期主要是利用航空遙感開展水電站建設(shè)的滑坡調(diào)查，2000年左右王治華提出了以遙感圖像為數(shù)據(jù)源、綜合利用地理信息系統(tǒng)等方法對滑坡等地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行識別和分析的“數(shù)字滑坡”技術(shù)［8-9］.伴隨高分辨率衛(wèi)星特別是我國國產(chǎn)衛(wèi)星的不斷發(fā)射和正常運行，對滑坡遙感的認(rèn)識水平大大提高.楊金中等將遙感技術(shù)應(yīng)用在三峽庫區(qū)千將坪滑坡研究［10］，宿方睿等利用高分?jǐn)?shù)據(jù)開展川藏鐵路沿線大型滑坡遙感解譯［11］，彭令等利用GF－1、ZY－3等高分辨率國產(chǎn)遙感影像開展汶川震區(qū)的滑坡災(zāi)害識別［12］，唐堯等利用國產(chǎn)遙感衛(wèi)星進(jìn)行金沙江高位滑坡災(zāi)害災(zāi)情應(yīng)急監(jiān)測［13］.以上研究為遙感技術(shù)在滑坡中應(yīng)用提供了大量可行方法，但是國內(nèi)這方面的研究大多集中于國家重大工程、地震或者暴雨引起的滑坡研究［14-16］，而隨著我國礦山開采活動的深入，礦山滑坡問題日益增多.為此，本文以湖南省懷化市瀘陽鎮(zhèn)新店坪村滑坡為例，基于多期次的多元高分辨率數(shù)據(jù)，研究滑坡的地質(zhì)災(zāi)害各項背景因素，從而分析主要致災(zāi)原因，探討礦山生產(chǎn)建設(shè)中預(yù)防礦山滑坡的策略要點，并給出防治建議，為防險避災(zāi)提供依據(jù).

1 研究區(qū)概況

圖1 滑坡和礦山遙感分布圖Fig.1 Remote sensing image of landslides and mines

2017年5月20日上午，湖南省西部懷化市瀘陽鎮(zhèn)新店坪村五一磚廠附近山坡發(fā)生中型巖質(zhì)滑坡，2×104m3土石滑下，掩埋了部分礦山廠房和作業(yè)場，造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失.

1.1 地質(zhì)環(huán)境

懷化市瀘陽鎮(zhèn)新店坪村滑坡位于雪峰山脈西側(cè)的低山丘陵地帶，屬于湘西侵蝕、剝蝕構(gòu)造中－低山地貌，海拔260～370 m，地形坡度25～40°.

滑坡區(qū)位于揚子地臺西緣，所屬三級構(gòu)造單元雪峰構(gòu)造帶，四級構(gòu)造單元沅麻盆地和雪峰沖斷帶褶皺帶交界地帶，以北北東向構(gòu)造為主.

滑坡地層主要為上三疊統(tǒng)火把沖組、二橋組并層和下三疊統(tǒng)大冶組不整合接觸部位，基巖為灰黑色薄層狀泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，夾白云質(zhì)灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r等.根據(jù)野外實地調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在滑坡體斜坡上，巖體節(jié)理面、層面較破碎，為滑坡的發(fā)生提供了一定的地質(zhì)基礎(chǔ).滑坡區(qū)域的表層主要是第四系堆積物，土體厚2～4 m.

1.2 礦山基本情況

滑坡周圍礦山主要為開采石灰?guī)r和頁巖礦的露天礦山，包括以開采石灰?guī)r為主的懷化市鶴城區(qū)石門鄉(xiāng)金海采石場、懷化市鶴城區(qū)鳳凰山采石場、懷化市鶴城區(qū)石門后沖二號采石場、懷化市鶴城區(qū)石門鄉(xiāng)金海采石場、瀘陽鎮(zhèn)石管沖曾垂友采石場、懷化市鶴城區(qū)石門李家灣采石場和中方縣瀘陽五里灣里采石場；以開采頁巖為主的中方縣瀘陽鎮(zhèn)新店坪村五一磚廠和瀘陽鎮(zhèn)山寶田炭質(zhì)頁巖礦.具體滑坡和礦山分布見圖1.

1.3 降雨特征

根據(jù)湖南省氣象局懷化氣象站資料，2017年1月1日至5月20日8時懷化市累計平均降雨量449.6 mm，與歷年同期均值（538.5 mm）相比偏少16.5%，其中5月1—20日懷化市天氣以晴、多云和陣雨為主，累計平均降雨量136.5 mm，與歷年同期均值（156.6 mm）相比偏少12.9%.

2 影像數(shù)據(jù)源情況

基于遙感技術(shù)的應(yīng)用數(shù)據(jù)源選擇十分重要.為了提高對滑坡災(zāi)害的歷史演化、定性乃至定量分析的能力，本次研究選擇了無云無覆蓋、易于提取信息（滑坡、道路、水體、植被、礦山地物等）、影像層次較為豐富、色調(diào)反差適中［17］、數(shù)據(jù)分辨率優(yōu)于1 m的高質(zhì)量遙感數(shù)據(jù)IKONOS、GF－2、P1等對滑坡地區(qū)歷史情況和變化情況進(jìn)行識別.衛(wèi)星的技術(shù)參數(shù)見表1.

表1 衛(wèi)星技術(shù)參數(shù)表Table 1 Technique parameters of satellite

3 滑坡情況遙感解譯

本研究選取的災(zāi)前遙感影像是GF－2衛(wèi)星數(shù)據(jù)，災(zāi)后遙感影像是P1衛(wèi)星數(shù)據(jù)（圖2）.考慮數(shù)據(jù)獲取情況和數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，GF－2衛(wèi)星數(shù)據(jù)選取的時相是2015年10月22日，P1衛(wèi)星數(shù)據(jù)選取的時相是2017年10月22日.本次選取的2007—2014年參考影像是IKONOS衛(wèi)星數(shù)據(jù).通過遙感解譯結(jié)合實地調(diào)查，可知滑坡由南部山頂向北部山腳展布，滑坡區(qū)面積約5.99 hm2，起滑山頂部位海拔約370 m，滑坡終止的山腳海拔高度約263 m，滑坡災(zāi)區(qū)可分為滑源區(qū)、碎屑流刮鏟區(qū)及堆積區(qū)3部分，其中滑源區(qū)主要包含了礦區(qū)固體廢棄物和地表層的松散堆積物，碎屑流刮鏟區(qū)已經(jīng)淹沒通往礦山企業(yè)的道路和部分礦山建筑（圖3），導(dǎo)致該礦山完全廢棄.滑源區(qū)的南側(cè)活動痕跡區(qū)域形成陡峭的滑坡后壁（圖4），該區(qū)域地勢較陡，存在潛在塌方可能；滑源區(qū)的西側(cè)外存在數(shù)條平行的地裂縫（圖5），也存在再次滑坡的可能.以上區(qū)域是潛在滑坡的高發(fā)區(qū)域.堆積區(qū)已經(jīng)完全覆蓋了一家礦山企業(yè)的開采區(qū)并淹沒部分廠房，使礦山損失嚴(yán)重.

圖2 滑坡區(qū)域2007年到2017年遙感影像Fig.2 RS images of the landslide area during 2007－2017

4 滑坡成因分析

4.1 地質(zhì)環(huán)境背景

圖3 滑坡災(zāi)害前后遙感解譯圖Fig.3 RS-interpreted maps before and after the landslide disaster

圖4 滑坡滑源區(qū)的滑坡后壁照片F(xiàn)ig.4 Photograph of landslide scarp in the source area

（1）陡峭地貌.滑坡區(qū)域位于山坡地帶，高差近110 m，滑源區(qū)平均坡度35°.（2）構(gòu)造交界區(qū).滑坡位于沅麻盆地和雪峰沖斷帶褶皺帶交界地帶，構(gòu)造作用十分明顯，形成裂隙，影響著山體斜坡的穩(wěn)固.

圖5 滑坡滑源區(qū)西側(cè)的地裂縫實地照片F(xiàn)ig.5 Photograph of ground fissure on the west side of landslide source area

（3）地層不整合.滑坡位于火把沖組和大冶組不整合接觸部位，地層之間存在古風(fēng)化殼，為構(gòu)造薄弱面，為山體節(jié)理、開裂提供了地質(zhì)基礎(chǔ)，由灰?guī)r、炭質(zhì)頁巖和松散的殘坡積物組成的地層力學(xué)強度十分薄弱，為外力作用觸發(fā)儲備了一定條件.

4.2 人類礦山活動

滑坡周圍存在9處露天礦山，露天礦山開采活動對該地區(qū)原始斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生影響.本次研究采用多時相遙感數(shù)據(jù)開展變化檢測，通過遙感解譯發(fā)現(xiàn)，本地區(qū)的礦山開采活動大多從2011年開始，2013—2016年達(dá)到礦山開采高峰.如圖2所示，2007年滑坡地區(qū)基本未受到人類活動擾動.根據(jù)2012年影像可知，滑坡地區(qū)山頂部位已經(jīng)堆積礦山固體廢棄物3.65 hm2（圖2中紅色線所圍區(qū)域），山腳已經(jīng)開挖開采面0.19 hm2（圖2中黃色線所圍區(qū)域）.隨著礦山活動的深入，山頂?shù)牡V山固體廢棄物高度不斷上升，面積不斷增大，山腳的開采面深度不斷加大，面積不斷增加.到2015年山頂堆積物面積達(dá)到3.95 hm2，山腳開采面面積達(dá)到0.81 hm2.礦山活動影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）礦山活動改變滑坡地區(qū)重力結(jié)構(gòu).山頂長期的不斷增加的礦山固體廢棄物使坡體上部重力不斷加大，逐漸使該地區(qū)重力失穩(wěn).

（2）山體底部礦山開采面不斷擴大.削坡面積范圍擴大使承載山體的應(yīng)力場消失，滑源物質(zhì)失去支撐力，并形成足夠的臨空面，給滑坡啟動提供了足夠的空間.

（3）滑坡周圍的露天礦山開采，特別是石灰?guī)r開采，需要長期采用爆破的方法開采礦石.大規(guī)模爆破振動使該地區(qū)破碎巖層節(jié)理、裂隙進(jìn)一步增大.

綜合地質(zhì)基礎(chǔ)和礦山活動因素，結(jié)合懷化地區(qū)2017年1—5月降雨偏少的實際情況，可以確定懷化滑坡主要是由于山體破碎和礦山持續(xù)不規(guī)范開采共同造成的地質(zhì)災(zāi)害.

5 結(jié)論及建議

結(jié)合以往針對重大工程類人類活動引起的滑坡研究，本次利用多時相遙感數(shù)據(jù)對礦山類人類活動引起的滑坡開展深入研究，得出以下結(jié)論：

（1）2017年5月20日湖南省西部懷化市瀘陽鎮(zhèn)新店坪村山體滑坡，造成一座礦山企業(yè)完全廢棄，另一座礦山企業(yè)失去開采面和部分廠房.

（2）滑坡區(qū)域?qū)儆谇治g－剝蝕低山地貌，構(gòu)造活躍，地層不整合，巖體破碎，為人類活動觸發(fā)滑坡提供了地質(zhì)基礎(chǔ).

（3）礦山山頂堆放固體廢棄物，山腳開挖形成臨空狀態(tài)和持續(xù)爆破振動等不規(guī)范的礦山開采行為綜合作用最終造成滑坡地質(zhì)災(zāi)害.

為了防治愈演愈烈的礦山地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，礦山企業(yè)應(yīng)嚴(yán)格規(guī)范礦山開采行為，必須認(rèn)真貫徹執(zhí)行有關(guān)法律法規(guī)，建立健全監(jiān)測監(jiān)管機制［18］.禁止礦山企業(yè)在不穩(wěn)定地質(zhì)體上堆積礦產(chǎn)品，露天礦山企業(yè)開采必須提前研究邊坡穩(wěn)定情況，采場選址應(yīng)做嚴(yán)格的地質(zhì)穩(wěn)定性評價，防止改變山體應(yīng)力場引發(fā)礦山地質(zhì)災(zāi)害.采用現(xiàn)代科學(xué)方法和先進(jìn)技術(shù)手段，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供更加科學(xué)合理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)［19］.