不同物質(zhì)(土質(zhì)、巖質(zhì))的巖石滑坡體高密度電法異常特征區(qū)別

呂天江，陳先童，黃啟霖，宋啟文，楊海龍，宋順昌，陳德靖，楊 武

(貴州省地礦局地球物理地球化學(xué)勘查院，貴州 貴陽 550018)

1 引言

滑坡作為地質(zhì)災(zāi)害的主要類型之一，長期以來對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，對(duì)環(huán)境和資源造成破壞；我國70%為山區(qū)，大多處于中西部，貴州省是一個(gè)山地省份，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生尤其突出(貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，2009)，貴州在全國屬于云貴高原滑坡、崩塌、泥石流和地面塌陷高易發(fā)區(qū)(國土資源部，2012)，與此同時(shí)，貴州省地質(zhì)災(zāi)害研究及治理工作也很突出，近年來，開展了全省重點(diǎn)地區(qū)重大地質(zhì)災(zāi)害隱患詳細(xì)調(diào)查，全省高位隱蔽性地質(zhì)災(zāi)害隱患專業(yè)排查，全省20處(以縣為單位)重點(diǎn)區(qū)域1∶1萬地質(zhì)災(zāi)害詳查及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，貴州省地質(zhì)災(zāi)害綜合治理三年行動(dòng)等一系列調(diào)查及治理工作。

貴州重大地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模等級(jí)以小型和中型為主；災(zāi)害類型以滑坡為主，崩塌次之，地面塌陷相對(duì)較少，泥石流和地裂縫數(shù)量少；貴州省滑坡以土質(zhì)型滑坡為主，巖質(zhì)滑坡占比少(呂剛，2016)，物探方法應(yīng)用于滑坡勘查可以為滑坡研究和治理提供有力支撐，對(duì)確定潛在滑體、了解滑面深度、掌握滑坡穩(wěn)定狀態(tài)等都有十分重要的作用；高密度電法被廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害(滑坡)、水文、工程與環(huán)境地質(zhì)勘查工作中(周杰 等，2018)，具有觀測精度高、數(shù)據(jù)采集量大、地質(zhì)信息豐富、解釋方便、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，研究高密度電法在滑坡勘查中的異常特征具有重要價(jià)值。

2 滑坡地質(zhì)體結(jié)構(gòu)及“三滑”的物性變化

2.1 土質(zhì)、巖質(zhì)物質(zhì)組成的滑坡體

滑坡是指斜坡上的巖(土)體由于暴雨、地下水、地震或人為因素在重力作用下沿滑動(dòng)面向下滑動(dòng)的現(xiàn)象，滑坡主要誘因是不斷降雨引起大量地表水下滲，導(dǎo)致滑坡面(軟弱夾層或軟弱面)內(nèi)物質(zhì)軟化，物理力學(xué)性質(zhì)降低，當(dāng)其不能提供足夠的摩擦阻力阻擋滑坡體的下滑力時(shí)，將導(dǎo)致滑坡的形成。在不同巖性地區(qū)滑坡的誘發(fā)因素、形成機(jī)理各不相同，均有其特殊性；沉積巖地區(qū)的滑坡大多與軟弱夾層有關(guān)，滑動(dòng)面基本由軟弱夾層演變而來(廖全濤 等，2006)?；陆Y(jié)構(gòu)體主要由滑體、滑面、滑床構(gòu)成，滑坡的分類方法較多，從物探勘查角度分析，按滑坡體物質(zhì)組成分類與地球物理特征最為相關(guān)(李富 等，2019)。按物質(zhì)組成分類，滑坡可以分為兩類(Ⅰ類—土質(zhì)滑坡、Ⅱ類—巖質(zhì)滑坡)。

土質(zhì)滑坡：滑坡物質(zhì)多由碎屑巖構(gòu)成，滑坡體一般為第四系殘坡積層、堆積土、粘土夾碎石、角礫土、砂泥巖、頁巖等，多含碎石或塊石，抗剪強(qiáng)度低、易風(fēng)化，地表水容易下滲，沿裂隙或表土滲入土體后導(dǎo)致土體自重增加，土體粘聚力和內(nèi)摩擦角降低，從而導(dǎo)致下滑(熊煒 等，2014)，見圖1。

圖1 Ⅰ類-土質(zhì)滑坡結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of class Ⅰ soil landslide

巖質(zhì)滑坡：滑坡物質(zhì)多由硬質(zhì)巖組、碳酸鹽巖構(gòu)成，滑面多由軟質(zhì)巖構(gòu)成(如軟弱夾層、軟弱結(jié)構(gòu)面、泥巖、泥灰?guī)r等)，由于軟、硬巖組的差異風(fēng)化，豎向張裂縫的導(dǎo)水，雨水通過裂縫進(jìn)入坡體內(nèi)部和滑動(dòng)面，軟化軟弱夾層從而影響滑坡穩(wěn)定性(亓星 等，2015)，見圖2，該類滑坡往往溶蝕、巖石節(jié)理裂隙發(fā)育程度高。認(rèn)識(shí)兩類滑坡結(jié)構(gòu)體需要注意幾點(diǎn)：

圖2 Ⅱ類—巖質(zhì)滑坡結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of class Ⅱ rock landslide1—滑面；2—滲水裂隙；3—泥化軟弱夾層；4—灰?guī)r

①兩類滑坡的外界誘因均與裂縫(滲水裂隙)和軟弱夾層關(guān)系密切，雨水為最重要的外界誘因。

③自然狀態(tài)下土質(zhì)滑坡較多發(fā)，但大型滑坡少，巖質(zhì)滑坡占比少，但大型滑坡占比高，破壞力大。

2.2 “三滑”的物性特征

“三滑”是指一個(gè)完整的滑坡地質(zhì)體由“滑體、滑面、滑床”三部分組成，滑坡結(jié)構(gòu)體在電性上有明顯的差異特征，一般表現(xiàn)為滑坡體的視電阻率大，滑動(dòng)帶(又稱滑面，一般為軟弱帶演變而來)的視電阻率相對(duì)較低，下部的滑床視電阻率更高；土質(zhì)滑坡滑體大多結(jié)構(gòu)松散，含碎石、孔隙度大，多表現(xiàn)為高阻，滑面物質(zhì)多為粘土、泥巖、軟質(zhì)巖組，由于雨水沿表層的滑體或裂隙向下滲至滑動(dòng)帶，使滑動(dòng)帶表現(xiàn)為明顯低阻特征，滑床則由于風(fēng)化程度低，巖石相對(duì)較致密為高阻；巖質(zhì)滑坡則由于本身有軟硬巖組相間構(gòu)成，滑面(軟弱夾層或軟弱面)也為相對(duì)低阻反映(雨水的下滲作用會(huì)使低阻差異更明顯)，這為電法勘探滑坡結(jié)構(gòu)體提供了有益的物質(zhì)前提；應(yīng)用高密度電法可以清晰地劃分出潛在滑體、滑面、滑床，電性特征上表現(xiàn)為明顯的三層結(jié)構(gòu)：高-低-高阻，見表1。

表1 按滑坡地質(zhì)體不同結(jié)構(gòu)層分類的電性特征Table 1 Electrical characteristics of landslide geological body according to different structural layers

2.3 “滑面”的解釋原則

根據(jù)上述分析，滑坡勘查中滑面確定應(yīng)從滑坡電性結(jié)構(gòu)層出發(fā)，重點(diǎn)關(guān)注潛在滑體和軟弱夾層電性特征，滑面通常由軟弱夾層演變而來，為低電阻率，可以作為滑面標(biāo)志層；由于電法勘探的“體積效應(yīng)”影響，軟弱夾層厚度在電性剖面上往往被放大，應(yīng)以軟弱夾層上界面(即與潛在滑體接觸面)來確定潛在滑面位置。在灰?guī)r區(qū)采用高密度電法工作時(shí)，雨水滲入到滑坡堆積體中，會(huì)使電阻率色譜失真(陳龍 等，2019)，多表現(xiàn)為局部低阻異常圈閉區(qū)，影響滑面深度判斷，故在灰?guī)r地區(qū)滑坡勘查中，滑面判斷要認(rèn)準(zhǔn)滑坡地質(zhì)體電性反映的三層結(jié)構(gòu)，關(guān)注電性層反映的整體性，排除局部低阻圈閉異常區(qū)對(duì)電性剖面層厚造成的影響。

3 高密度電法簡介及相關(guān)試驗(yàn)效果

3.1 高密度電阻率法

高密度電阻率法原理與傳統(tǒng)電阻率方法原理完全相同，它以地下介質(zhì)體的電阻率差異為地球物理前提(傅良魁，1990)，通過分析研究人工場源的分布及變化規(guī)律來尋找目標(biāo)異常體，它是用直流電阻率法的陣列形式；集電阻率測深法和電阻率剖面法于一體，一次布極即可以完成縱、橫向二維勘探過程，既能反映地下某一深度沿水平方向巖土體的電性變化，又能提供地層沿縱向的電性變化情況(周楊 等，2012)。

高密度電法不同裝置，其探測效果和分辨能力會(huì)有一定差異，實(shí)際應(yīng)用中常用的高密度電法裝置主要有：溫納(α)、施倫貝謝爾(α2)、偶極-偶極(β)、微分(γ)，圖3為溫納(α)裝置電極排列。

圖3 溫納(α)裝置電極排列圖Fig.3 Electrode arrangement diagram of wenner(α) device

測量時(shí)，AM=MN=NB為一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到第一條剖面線；接著AM、MN、NB增大一個(gè)電極間距，A、B、M、N逐點(diǎn)同時(shí)向右移動(dòng)，得到另一條剖面線；這樣不斷掃描測量下去，得到倒梯形斷面。

3.2 已知滑坡地質(zhì)體上不同裝置的響應(yīng)特征

圖4 錦屏縣中培腦滑坡勘查剖面Fig.4 Exploration section of Zhongpei Nao Landslide in Jinping county

圖5 錦屏縣中培腦滑坡勘查工作布置圖Fig.5 Prospecting layout of Zhongpeinao Landslide in Jinping county

在WT02測線上分別使用溫納(α)、施倫貝謝爾(α2)、偶極-偶極(β)、微分(γ)裝置采集了四組數(shù)據(jù)，極距均為5米，圖6為探測效果圖。結(jié)果顯示，4類裝置對(duì)滑坡結(jié)構(gòu)體均有反映，只是在部分細(xì)節(jié)處略有差異，與鉆探結(jié)果吻合度高；觀察發(fā)現(xiàn)，溫納裝置電性層橫向連續(xù)性最好，層位更清晰，偶極次之，施倫貝謝爾一般，微分最差，這主要是由于溫納裝置垂向分辨率高，根據(jù)前述對(duì)滑坡結(jié)構(gòu)體電性特征的分析，其主要為典型的三層電性結(jié)構(gòu)層(由淺至深為高-低-高三層結(jié)構(gòu))，能否區(qū)分出滑體、滑面、滑床三層物質(zhì)結(jié)構(gòu)主要由物探方法的縱向分辨率決定，電性層橫向連續(xù)性好則更有利于分析“三滑”結(jié)構(gòu)；因此，滑坡探測中應(yīng)以溫納裝置為主。結(jié)合表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果，四類裝置對(duì)滑面深度的界定誤差都較小。

圖6 錦屏縣中培腦土質(zhì)滑坡體WT02線高密度電法不同裝置觀測反演剖面圖Fig.6 Inversion profiles of soil landslide in Zhongpeinao of Jinping County by high-density electrical method at WT02 line with different devices1—物探推測潛在滑面；2—鉆探揭露潛在滑面；3—工程鉆孔；4—粘土；5—碎石土；6—砂質(zhì)板巖

表2 錦屏縣中培腦土質(zhì)滑坡體WT02線高密度電法不同裝置觀測反演結(jié)果對(duì)比表Table 2 Comparison of inversion results of different devices observed by high-density electricalmethod on WT02 line of zhongpeinao earth landslide in Jinping county

據(jù)鄭冰等人的研究成果：當(dāng)探測剖面層數(shù)一致時(shí)，數(shù)據(jù)覆蓋范圍從溫納、復(fù)合對(duì)稱四極、偶極、三極到二極裝置依次增大；在信號(hào)強(qiáng)度方面，溫納裝置信號(hào)強(qiáng)度最大，抗干擾能力強(qiáng)，能在高噪聲背景下探測(鄭冰 等，2015)。Dr.M.H.Loke認(rèn)為：溫納(α)裝置對(duì)于電性的垂向變化反映靈敏，適合解決垂向變化(例如層狀結(jié)構(gòu))地質(zhì)問題(M.H.Loke，1999)。由于滑坡勘查的特殊性(地形起伏大，表層潛在滑體多為松散堆積的礫石、塊石居多，接地條件差)，綜上，滑坡勘查中宜采用信噪比高的溫納裝置。

3.3 已知滑坡地質(zhì)體上不同極距(點(diǎn)距)的響應(yīng)特征

圖7為WT02試驗(yàn)測線上不同點(diǎn)距高密度反演剖面圖，裝置均為溫納裝置，通過分析，結(jié)合表3可以看出，2.5 m極距和5 m極距探測效果一致，電性層橫向連續(xù)性均較好，能很好的劃分出滑體、滑面、滑床結(jié)構(gòu)，10 m極距效果則較差，不能很好的區(qū)分出三層電性結(jié)構(gòu)層(高-低-高阻)，界定滑面有困難，推測滑面深度整體誤差最大。

圖7 錦屏縣中培腦土質(zhì)滑坡體WT02線高密度電法不同極距觀測反演剖面圖

表3 錦屏縣中培腦土質(zhì)滑坡體WT02線高密度電法不同極距觀測反演結(jié)果對(duì)比表Table 3 Comparison of inversion results of different pole distances observed by high-density electrical method on WT02line of zhongpeinao earth landslide in Jinping county

分析原因，主要是探測極距過大造成分辨能力不足，因此，滑坡勘查中高密度測量極距建議首選5米，能兼具勘查效果和施工效率；10米極距要慎用。

4 應(yīng)用實(shí)例分析

4.1 銅仁市某土質(zhì)滑坡地質(zhì)體的物探勘查成果

4.1.1 滑坡勘查區(qū)概況及地質(zhì)特征

銅仁市境內(nèi)滑坡的分布受地層巖性控制明顯，滑坡主要發(fā)生在第四系松散堆積層中，次為寒武系下統(tǒng)九門沖組、變馬沖組、杷榔組以及震旦系、前震旦系等以軟質(zhì)巖為主的地層中，少量分布于碳酸鹽巖強(qiáng)風(fēng)化粘土層中(麻秋景 等，2009)。

4.1.2 物探成果分析

圖8 銅仁市某土質(zhì)滑坡勘查工作布置圖

圖9 銅仁市某土質(zhì)滑坡勘查高密度電法反演剖面三維顯示圖Fig.9 3D display diagram of high-density electrical inversion profilefor exploration of a soil landslide in Tongren city

圖10 銅仁市某土質(zhì)滑坡勘查WT1線高密度電法反演剖面圖

表4 銅仁市某土質(zhì)滑坡勘查WT1線高密度電法溫納裝置觀測反演結(jié)果鉆孔驗(yàn)證情況表Table 4 Borehole verification of inversion results observed by high-density electrical wenner device onWT1 line in the exploration of a soil landslide in Tongren city

4.2 興義市某巖質(zhì)滑坡地質(zhì)體的物探勘查成果

4.2.1 滑坡勘查區(qū)概況及地質(zhì)特征

該滑坡(圖11)位于貴州省黔西南州興義市西南側(cè)，為一順層巖質(zhì)滑坡。歷史遙感影像分析顯示，從2014年至2019年2月18日，該滑坡經(jīng)歷了三次滑動(dòng)破壞，具有漸進(jìn)后退式破壞的趨勢。最后一次大規(guī)模滑動(dòng)時(shí)間為：2019年2月17日5時(shí)53分，滑動(dòng)主要以后緣拉裂縫，前緣臨空陡崖及右側(cè)張拉剪切裂縫為界(馮澤濤 等，2019)。

圖11 興義市某巖質(zhì)滑坡勘查工作布置圖Fig.11 Prospecting layout of a rock landslide in Xingyi city

4.2.2 物探成果分析

在滑坡勘查區(qū)分兩次共布置5條高密度電法剖面(圖11)，測線編號(hào)WT01-WT05，其中WT04和WT05為2018年12月應(yīng)急勘查測線(最后一次大規(guī)?；瑒?dòng)前測量)，工作極距10 m，采用溫納裝置采集數(shù)據(jù)，由于地形陡、當(dāng)時(shí)滑坡正處于變形加劇期，出于安全考慮，物探測線未嚴(yán)格按規(guī)則布置(沿主滑方向和近垂直主滑方向)，沿地形相對(duì)較理想的地段布置測線，從WT04線剖面圖分析(圖13)，同樣表現(xiàn)為典型的三層電性結(jié)構(gòu)(高-低-高阻)：

(2) 觀察B時(shí)，要經(jīng)常往其體表滴水以保持濕潤，原因是____________；觀察C時(shí)，發(fā)現(xiàn)該物種已具有了呼吸器官[ ]____________；觀察D時(shí)，發(fā)現(xiàn)其體表具有與體內(nèi)氣管相連的[ ]____________，是氣體出入的門戶。

圖13 興義市某巖質(zhì)滑坡勘查WT04線高密度電法反演剖面圖

圖12 興義市某巖質(zhì)滑坡勘查ZK2鉆孔柱狀圖Fig.12 ZK2 borehole bar chart of a rock landslideexploration in Xingyi city

表5 興義市某巖質(zhì)滑坡勘查WT04線高密度電法溫納裝置觀測反演結(jié)果鉆孔驗(yàn)證情況表Table 5 Borehole verification of inversion results observed by high-density electrical wenner device on lineWT04 of a rock landslide exploration in Xingyi city

5 結(jié)論及建議

(1)兩類滑坡(土質(zhì)、巖質(zhì))的滑體、滑面、滑床結(jié)構(gòu)具有明顯電性差異，應(yīng)用高密度電法可以有效區(qū)分，電性特征上表現(xiàn)為明顯的三層結(jié)構(gòu)：高-低-高阻。

(2)滑面與軟弱夾層或軟弱面關(guān)系密切，由于電法勘探的“體積效應(yīng)”影響，軟弱夾層厚度在電性剖面上往往被放大，由電性結(jié)構(gòu)層來確定滑面時(shí)應(yīng)以軟弱夾層上界面(即與潛在滑體接觸面)來確定潛在滑面深度；兩類物質(zhì)(土質(zhì)、巖質(zhì))的巖石滑坡地質(zhì)體電性特征對(duì)比來看，土質(zhì)滑坡地質(zhì)體的軟弱夾層反映在電性剖面特征上的“體積效應(yīng)”更顯著。

(3)有效區(qū)分滑體、滑面、滑床三層物質(zhì)結(jié)構(gòu)主要由物探方法的縱向分辨率決定，高密度電法幾類常規(guī)裝置中，溫納裝置垂向分辨率較好，且相同極距情況下，信號(hào)強(qiáng)，抗干擾能力佳，比較適合在地電條件較差的滑坡勘查中使用，建議首選溫納裝置測量。

(4)野外施工，建議嚴(yán)格采用RTK定點(diǎn)位，點(diǎn)距首選5米，能兼具勘查效果和施工效率；10 m點(diǎn)距分辨能力有限，物性差異不是足夠大時(shí)將難以有效區(qū)分出滑體、滑面、滑床結(jié)構(gòu)。