基于电阻率参数的滑坡体综合地球物理探测研究

2020-12-23刘道涵陈长敬刘圣博

华南地质 2020年3期

刘道涵，刘磊，陈长敬，刘圣博

LIU Dao-Han， LIU Lei， CHEN Chang-Jing， LIU Sheng-Bo

（中国地质调查局武汉地质调查中心（中南地质科技创新中心），武汉430205）

（WuhanCenter of China Geological Survey （Central South China Innovation Center for Geosciences），Wuhan 430205，Hubei，China）

我国是一个地质灾害频发的国家，呈现出分布面积广、类型多、频度高、强度大等特点，特别是滑坡和泥石流给人们造成了巨大的人员伤亡和财产损失[1]。滑坡作为一种复杂的地质体，由滑体、滑面、滑带、滑床等滑坡要素组成，各要素之间显著存在着导电性、介电性和力学性质等物性差异[2]。利用地球物理勘探手段获取滑坡体结构特征对开展滑坡排查、探索成灾机理和地质灾害评估及预警等都具有重要意义。

近年来，大量学者利用地球物理手段对基岩面、断裂、滑坡软弱带或软弱夹层、滑动面埋深、滑坡体堆积方量和滑坡形态及结构特征进行了较深入研究，为开展滑坡地质灾害排查、防治，探索滑坡破坏机理、运动特征、演化过程和监测预警等研究提供了参考依据[3-7]。地球物理方法具有快速、高效、无损等优点，比传统的钻探、坑探、槽探成本和耗时都少，且覆盖面更广、不破坏坡体[1]，但也存在探测手段繁杂，不同方法探测深度、精度差异明显等特点。因此，如何准确、合理的选择地球物理方法技术直接关系滑坡体探测的成效。

电阻率参数是滑坡体探测中最常用的地球物理参数之一[8-9]，电法和电磁法探测均可较方便获取该参数，但不同方法的适宜性却有较大差异。因此，本文中笔者拟结合两处滑坡体地球物理探测实例，探讨基于电阻率参数的综合地球物理方法在滑坡体探测中的适用性，并结合钻孔资料分析不同方法的优缺点，从而为滑坡体地球物理探测提供参考。

1 地球物理勘探方法

1.1 直流电阻率方法

直流电阻率方法（direct current resistivity method，DC）通过对地下供入短时电流建立电场，并用电极采集不同位置的电位差来计算视电阻率值，然后通过对地下半空间进行正反演，实现探测地下不同位置电阻率值的目的[10]。直流电阻率法计算电阻率参数主要基于欧姆定律，主要有直流电测深法和高密度电阻率法两种。其中，直流电测深法属于一维勘探手段，它通过改变供电电极距的大小来控制勘探深度，实现测量地下电阻率随深度的变化情况；该方法具有抗干扰能力强、施工灵活、经济等特点，可以有效探测基岩埋深，划分松散沉积层，测定潜水面深度和含水层分布等[11-12]。高密度电阻率法（electrical-resistivity tomography，ERT）兼具电测深和电剖面的特点，具有一次完成电极布设，采集数据量大、工作效率高，能直观、准确反映地下空间电性异常特征等优点，被广泛应用于地下空间探测、地质灾害勘查等领域[13-14]。

1.2 音频大地电磁法

音频大地电磁法（audio-frequency magnetotellurics，AMT）是以天然交变电磁场信号为场源来研究地球内部电性结构的一种重要地球物理手段，其频率范围为 0.1～100 kHz，最大探测深度可达 2～3 km[15]。该方法基于卡尼亚视电阻率公式计算不同频率下的电阻率参数，根据AMT 野外数据采集观测方式的不同，可分为标量测量、矢量测量和张量测量等。常用的矢量观测方式同时记录两道正交的电信号和两道正交的磁信号，再由傅里叶变换求取电磁场的功率谱和波阻抗，从而实现卡尼亚视电阻率的计算。 EH-4 电磁系统是常用的AMT 数据采集系统，该系统具有轻便灵活、分辨率高、不受高阻覆盖层影响，并可实现人工电磁场和天然电磁场两种场源联合采集等优点，被广泛应用于国土空间、矿产资源、地热勘探和环境与工程物理等领域[16-17]。

2 应用实例

2.1 实例 1

该滑坡体位于支锁河右岸，地形上为直线形坡，总体坡向 240°，坡度 20-30°。斜坡前缘为支锁河，斜坡后缘为崩塌倒石堆，植被茂密，多为乔、灌木，中下部缓坡为粉质粘土夹碎石，地表多被改造成农田。斜坡区位于向斜核部，两翼岩层产状分别为 280°∠8°、208°∠15°，斜坡结构类型为斜顺向坡。钻孔揭露下伏基岩主要为二叠系上统吴家坪组（P3w）灰色中厚-厚层状灰岩夹少量燧石结核、龙潭组（P3lt）灰黑色薄层状炭质泥岩含煤层。坡体物质为第四系崩坡积碎块石土，结构松散，局部架空，碎块石成分主要为灰色含燧石团块灰岩，少量砂岩，土为灰黄色粉质粘土，土石比7∶3，透水性强。

地球物理勘查主要用于查明滑坡体地层结构、基岩面埋深，并对地表裂缝区域地下结构进行探测。主要采用高密度电阻率法，测线走向228°，与滑坡体总体坡向基本一致，从后缘陡坎下方延伸至第一级平台附近，电极间距5 m，采用分辨率较高的偶极-偶极装置，采集设备为AGI 公司生产的SUPER STING R8／IP 高密度电法仪。考虑坡体施工条件，在不宜开展高密度电阻率法区域采用直流电测深进行单点补充测量，跑极排列为对称四极，采集设备为DZD-6A 多功能数字直流电法仪。

对采集的高密度电阻率数据采用2D 有限元差分计算，计算中近似求解方法采用共轭梯度方法，边界条件选择dirichlet 方法，反演算法采用带地形圆滑反演算法。通过5 次迭代计算模型收敛，最小二乘拟合差 RMS 为 2.75%，L2 范数为 1.9，表明数值拟合情况较好。结合地质和钻孔资料对电阻率反演结果进行推断解释得到高密度电阻率法反演解释推断图（图1）。

由图可见，电性层横向连续性较好，主要可以分为两层电性结构。浅部覆盖层电阻率介于10～70 Ω·m，主要以崩坡积碎块石土为主，局部夹有灰色含燧石团块灰岩，为区内主要低阻地层，厚度约15 m；滑坡体中部出现多处规模不等的低阻堆积区（150 m、360 m 和460 m 处），与地表凹型坡地貌位置对应，推断为滑坡历史上曾多次小型坍滑所致。底部基岩电阻率介于180～500 Ω·m，结合钻孔资料推断为二叠系上统吴家坪组（P3w）灰色中厚-厚层状灰岩和龙潭组（P3l）灰黑色薄层状炭质泥岩。基岩顶界面与覆盖层电性差异明显，在200 m、300 m 等多处基岩内部出现低阻异常体，推断为岩溶裂隙发育导致；剖面75 m 和275 m 处出现两处较明显的条带状低阻异常，结合周边地面勘察结果，推断可能为断裂破碎带，地表可见少量变形迹象。

利用不同极距的K 值求取直流电测深的视电阻率数据，并对其进行一维电阻率反演，得到直流电测深反演解释成果图（图2）。对视电阻率曲线分析可见，该曲线类型近似为上低下高的“G 型”，电阻率差异明显。通过对视电阻率曲线进行定量反演拟合，并结合钻孔资料进行解释推断，可将该区82.5 m 以浅覆盖层和基岩划分为五层地电结构。其中，覆盖层厚约12.6 m，可分为四层：①表层碎石土层（约 151.5 Ω·m），层底埋深约 1.3 m；②粘土层（约 31.4 Ω·m），层底埋深约 2.9 m；③碎块石层（约109.4 Ω·m），块石导致电阻率增大，层底埋深约 4.7 m；④粘土层（约 51.4 Ω·m），层底埋深约 12.6 m。基岩层由泥岩和灰岩地层组成： ④二叠系上统大隆组（P3d）泥岩（约 347.5 Ω·m），层底埋深约 14.5 m，推测可能为滑带；⑤二叠系上统吴家坪组（P3w）灰岩（约 1282.5 Ω·m），为区内的最高阻地层，未见底。

2.2 实例 2

该滑坡体位于梅溪河南岸，表部地形陡缓相间，坡角 5°-35°，其间分布了 4 个较大的缓坡，总体坡角为18°，坡度较缓。区内主要分布侏罗系中统新田沟组（J2x）缓顺倾的巨厚层长石石英砂岩夹粉砂岩、粉砂质泥岩，构成了多层上硬下软的岩性组合；龙坡岸坡坡向 335°，基岩产状：270-330°∠15-22°，斜坡结构类型为顺向坡。堆积体物质主要为第四系崩坡积碎块石土，碎块石主要成份为来源于侏罗系中统新田沟组（J2x）的长石石英砂岩、粉砂质泥岩、粉砂岩，碎块石直径一般 0.3 ～ 2.0 m，大者可达5.0 m，土为粉质粘土，土石比 3∶7-4∶6。

图1 高密度电阻率法反演解释推断图Fig. 1 Comparison of inversion results from 2D ERT with different electrode distance

图2 直流电测深反演推断成果图Fig. 2 Working area schematic diagram

地球物理勘查主要用于查明滑坡体覆盖层厚度和基岩顶界面起伏。选用方法为音频大地电磁法，采用EH4 电磁系统进行二维被动源电磁场数据采集，测点距离为60 m；采用矢量采集方式分别采集南北向和东西向电道和磁道数据，电极采用“十”字型布设，电极间距为50 m。对采集的时间序列进行傅里叶变换，计算不同频率下的卡尼亚视电阻率（图 3）。

对采集的视电阻率数据分别进行数据预处理、定性分析和二维带地形光滑模型反演计算，经过多次迭代计算得到反演电阻率断面图（图4）。剖面上共布设有三个钻孔（ZK06、ZK07 和 ZK08），根据钻孔岩芯编录资料（图5），分别揭露了滑坡体内部物质组成和基岩面埋深情况。结合钻孔资料，对音频大地电磁法探测结果进行对比解释。

可见，该滑坡体电性结构主要由低阻的覆盖层和高阻的基岩组成。覆盖层电阻率小于110 Ω·m，主要由碎块石土、块石夹土等组成；滑坡体后缘覆盖层较薄，约40 m，前缘增厚，于15 号点处形成堆积体，厚度可达200 m。基岩电阻率介于150 ～600 Ω·m，主要为侏罗系中统新田沟组（J2x）的粉砂岩、长石砂岩、泥质粉砂岩等；该层厚度较大，音频大地电磁探测深度可达300 m，未见电阻率明显分界；基岩顶界面风化较明显，可达中等风化程度，电阻率略有降低，深部电阻率增大。

3 方法讨论

图3 音频大地电磁法采集视电阻率剖面图Fig. 3 Comparison of inversion results from2D ERT with different electrode distance

图4 音频大地电磁法反演解释推断图Fig. 4 Comparison of inversion results from2D ERT with different electrode distance

图5 钻孔揭示岩芯柱状图Fig. 5 Comparison of inversion results from 2D ERT with different electrode distance

直流电阻率法和电磁法是两类常见的电阻率探测方法，均依据地下物质导电性差异特征进行地质推断解释，对比钻孔验证结果可见两类方法均能较好达到滑坡体结构探测的目的，也充分证实了电阻率参数在滑坡体探测中的可靠性。但两类方法在施工方式、正反演理论、探测深度和分辨率，以及抗干扰能力等方面均存在较大差异。高密度电阻率法探测效率高、精度高，同时对施工条件要求较高，探测深度受剖面长度影响；音频大地电磁法探测深度大、施工方便，可单点数据采集并通过二维反演实现剖面探测，但抗干扰能力较差，浅地表探测精度较低；直流电测深具有较好的垂向分辨率、施工要求低，但效率较低；因此，在实际应用中应结合滑坡体地质环境特征进行具体分析。视电阻率参数具有直观、简便特点，依据电性曲线类型可实现地下电性特征野外现场快速识别，以便及时调整观测参数。反演计算是获取地下真实电阻率参数的必要数据处理手段，极大提升了电阻率探测解释推断的可靠性，但仍然存在“多解性”问题。因此，在地球物理处理、解释中应结合区域地质和钻孔资料等先验信息进行模型约束，并对反演结果进行客观评价。同时，多参数、多方法联合反演、联合解释等手段将有助于减少“多解性”发生[18－19]，通过钻孔、露头等已知资料对反演结果进行 “标定”，实现 “由已知到未知”、“由点到线”的推导是一种有效的勘探思路。