GEOPHYSICAL EXPLORATION AND SLIDING SURFACE DISCRIMINANT ANALYSIS OF LARGE-GIANT ANCIENT LANDSLIDES IN MINJIANG RIVER VALLEY, WESTERN SICHUAN
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摘要: 在遥感解译、野外调查的基础上,采用高密度电法和电阻率测深法,并结合钻探对川西岷江河谷发育的尕米寺滑坡、俄寨村滑坡、格机寨滑坡等典型大型—巨型古滑坡的空间结构进行了勘探分析,有效确定了古滑坡的空间结构和滑带特征,并认为古滑坡的滑动面多具有高低阻相间的不稳定电性层,且滑坡前缘多位于不稳定电性层变薄收敛的地方。其中,俄寨村滑坡高低阻相间的不稳定电性层厚约0~45 m,为滑坡堆积层,古滑动面紧贴基岩面,滑动面平均埋深约30 m,弱风化基岩面埋深约5.6~61 m,强风化层厚约为3~12 m;尕米寺滑坡高低阻相间的不稳定电性层厚约2.5~43 m,为滑坡堆积层,沿剖面古滑动面平均埋深约35 m,在滑坡中部存在一圈闭的低阻异常体,推测为古河道,并与钻探结果相吻合,其埋深约56~96 m,弱风化基岩面埋深13.3~100 m,强风化及岩溶综合层厚一般约为5~20 m。基于古滑坡的地球物理勘探数据和解译结果,统计分析了川西岷江河谷地区大型—巨型古滑坡空间岩土体的地球物理物性参数,对指导该区滑坡调查分析具有重要的指导意义。Abstract: High density resistivity method and conventional resistivity sounding method are applied in the exploration analysis of the space structure of a series of typical large-giant ancient landslides such as the Gamisi landslide, the Ezhaicun landslide and the Gejizhai landslide. The survey results show that the slip surfaces of ancient landslides are unstable and have low resistance electrical layers. Also the fronts of the landslides are mostly located in the convergence area of the unstable electrically thin layers. Among them, the unstable electrical layer thickness of the Ezhaicun landslide of high and low resistance is about 0~45 m, and it is the landslide accumulation layer. The sliding surface is close to the bedrock surface with the burial depth of about 30 m. The burial depth of weakly weathered bedrock surface is about 5.6~61 m, and the thickness of strong weathered layer is about 3~12 m. The unstable electrical layer thickness of the Gamisi landslide of high and low resistance is about 2.5~43 m, and it is the landslide accumulation layer. The average burial depth of ancient sliding surface along the profile is about 35 m. In the middle of the landslide there is a circle of closed low resistance anomaly bodies, which are speculated as the paleo-channels with the burial depth of about 56~96 m. The burial depth of weakly weathered bedrock surface is about 13.3~100 m, and the thickness of strong weathered and karst complex layer is about 5~20 m. Based on the geophysical exploration data and interpretation results of ancient landslides, the geophysical parameters of spatial rock-soil bodies of large-giant ancient landslides in the Minjiang River Valley were analyzed, which are of great significance to guide the investigation and analysis of landslides in this area.
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0. 引言
川西岷江河谷地区受地形地貌、地质构造、地震、降雨和人类工程活动等多种内外动力共同作用的影响,滑坡类型多、触发机制复杂,且发育一系列大型—巨型古滑坡,多数滑坡具有堵江、滑动面埋藏较深等特征[1~2],并且具有发生频率高、破坏力强、造成损失巨大、发生过程迅速剧烈等特点,因此受到了工程地质工作者的关注[3]。
目前用于进行滑坡调查分析的遥感解译、地面调查和钻探等工作手段,往往难以有效确定大型—巨型古滑坡的空间结构和主滑床面的位置和形态特征,并且存在费时、费力、单点测量等缺点[4]。为了使滑坡工程地质勘察更加地经济、快速、全面,近年来根据滑坡体不同类型、不同埋深和不同的物性差异,一系列的物探方法在实际的工程地质勘察中得到了广泛的应用。实践表明,电阻率的分布特征可以反映出地层岩性的分布状况,能够定性描述滑坡面的形态和位置[5],目前国内外利用高密度电法对滑坡进行勘察的理论研究和工程实践有很多[6~10]。本文旨在利用高密度电法并结合常规电测深法对川西岷江河谷典型大型—巨型古滑坡进行勘探,为高密度电法在川西岷江河谷古滑坡的勘探应用提供一些数据资料。
1. 地质背景
川西岷江河谷是我国典型的高山峡谷区,河谷深切,最大相对高差达3000 m[11]。河谷的平均坡度为30°~35°,局部地方达60°~80°[12~13]。研究区位于阿坝州松潘县新塘关村以上发育于龙门山构造带、珉山构造带内部的珉江河谷地区(见图 1)。区内地质构造复杂,新构造运动强烈,构造格架呈由西向东逐渐收敛的平卧“A”行格架[14]。主要断裂系统有岷江断裂带,雪山断裂以及虎牙断裂(见图 1)。岷江断裂带呈南北向大致沿着岷江水系西侧发育。已有研究成果表明,岷江断裂带和虎牙断裂均为倾向北西的高角度逆冲断裂系[15~16],各断裂晚新生代以来均表现出有较强的构造活动特征[17]。本区是我国活动断裂和地震发育的集中部位之一,为龙门山地震带,是高烈度地震多发区,属地震强烈和邻区强震波及区。
研究区内出露的地层主要有志留系茂县群的绢云千枚岩、石英千枚岩、板岩和石灰岩等;石炭系雪宝顶群的灰岩及千枚岩,西沟群的灰岩;二叠系的千枚岩和灰岩;三叠系菠茨沟组的板岩、变质砂岩及灰岩,杂谷脑组的变质砂岩和灰岩,侏倭组的变质石英砂岩与千枚岩不等厚互层、新都桥组的千枚岩和板岩,罗空松多组的变质砂岩和板岩以及第四系多种成因的松散沉积物[18~19]。
2. 物探方法与测试分析
2.1 物探方法的选择
研究区所处地质环境特殊、复杂,既有岷江断裂的影响,又有地表水扰动,且滑坡规模较大,滑动面较深,滑坡成因及其作用机理较为复杂。由于对炸药的严格管控,难以使用地震反射波法;在0~50 m范围内又是电磁法的屏蔽区,所以选择电法勘探。
本次物探工作采用了高密度电阻率法和常规垂向对称四极电阻率测深法两种手段。其中高密度电法原理清晰、图像直观、信息量大、测量密度高,是一种分辨率较高的物探方法。近年来随着计算机技术的发展和数据采集技术的改进[20~23],使其探测效率大大提高,并增大了剖面的覆盖面积和探测深度,而且在强干扰环境下也能取得较可靠数据[24],因此可较准确地探测地质体及其结构特征。
然而高密度电阻率法在滑坡体前缘和后缘附近,由于其基本点距是相对固定的,而且点距一般较大(10 m居多),难以细致分辨滑动面位置,加上其电极过于短小,供电电流偏低,导致深部数据的信噪比不高,所以有必要进行常规密极距电测深进行补充测量,进一步完善高密度电阻率法的数据,提高对滑动面的解译精度。
2.2 数据采集与分析
野外测试时,高密度电法使用重庆地质仪器厂生产的DZD-8高密度电法系统和成都天瑜科技有限公司生产的N1型电法测量系统,剖面方向与滑坡体主滑方向一致或平行;常规电阻率测深法则平行或垂直于主滑方向。综合考虑勘探深度及地形地质等因素,高密度电法采用了温纳装置和施伦贝谢尔装置两种装置采集数据,而常规垂向对称、四极电阻率测深法则采用密点距方式采集数据。高密度电法基本点距为10 m,供电脉宽1 s。常规垂向对称、四极电阻率测深法基本点距10 m,MN/2=0.5~1 m,供电极距AB=2 m、3 m、5 m、7.5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、40 m、50 m、70 m、90 m、110 m、130 m、150 m、200 m,250 m、300 m、350 m、400 m、450 m。高密度电法和常规垂向对称四极电阻率测深法的最大供电电压为540 V,最大供电电流2 A。野外工作中(见图 2),电极布设位置避开了沥青、垃圾堆碎石等高阻地点,在孔隙较大的干燥地段加浇了水。数据不稳或遇到干扰时,采用多次重复读数。电极遇障碍物需要移位时,及时进行了记录并依据实际位置进行了K值改正。
后期使用中国地质大学2.5维电法反演软件进行数据处理,依据反演结果的数据推断第四系厚度、滑动面的形态和深度、基岩风化层厚度以及断层的位置和产状。同时,斜率法适合于相对平坦或坡度变化小的斜坡地形条件,可以判断土石分界面或滑坡体滑动面等,结合斜率法进行综合分析研究,能使得解译结果更接近实际。
3. 典型滑坡反演结果与解释
3.1 俄寨村滑坡
俄寨村滑坡位于岷江左岸的松潘县十里乡俄寨村(见图 3),距松潘县城仅1公里,中心地理坐标为:东经103°34′32.5″,北纬32°40′32.6″。俄寨村滑坡主滑方向南西85°,垂直于S301省道,滑坡面积约4650000 m2,滑坡体体积约6603×104 m3,滑体平均厚度约25 m,为一大型—巨型土质古滑坡。面向滑坡,左侧边界为山脊与斜坡交界处,右侧以冲沟为界,左右两侧临近岷江,后缘以高程3120~3220 m为界,该处发育有落距5~8 m的错落平台,上覆2~5 m厚的粘土,下伏有强风化的板岩出露,前缘边界位于松潘县气象局后陡缓交界处,坡脚岷江水位2940 m,相对高差约280 m。滑坡总体地形坡度约35°~45°。
高密度电法2.5维反演结果(见图 4)显示剖面上表层呈现高低阻相间的不稳定电性层,电阻率低的地段阻值为20~90 Ω·m;高阻值段为220~2150 Ω·m。高低阻相间的不稳定电性层厚度约为0~45 m,推断该层为滑坡堆积层。反演结果成果图中的低阻值区域对应土质较多地段;高阻值区域对应碎块石较多地段。在剖面180 m附近,地形陡峭,电性突变,大号段表层为一薄层高阻,小号段均为低阻显示,推断剖面180 m附近为滑坡的后缘位置。在剖面1800~1900点号段,表层不均匀电性层变薄收敛,推断为滑坡的剪出口位置所在。依据表层滑坡层内的电性变化,推断剖面820 m附近为该滑坡体内一子滑体的后缘位置。
以剖面500 m附近为界,小号段基岩以低阻显示为主,阻值一般为22~180 Ω·m;大号段基岩则相对较高,阻值一般为150~350 Ω·m。推断小号段基岩以炭质板岩夹砂质板岩为主;大号段基岩以砂质板岩夹炭质板岩为主,剖面500 m附近为断层F通过的位置,断层倾向依据反演结果推断为西南,倾角较陡。
综合以上数据结果及野外现场地质调查,推断松潘县俄寨村古滑坡滑动面紧贴基岩面,滑动面埋深0~45 m,弱风化基岩面埋深5.6~61 m,强风化层厚一般为3~12 m。
3.2 尕米寺滑坡
尕米寺滑坡(见图 5)位于松潘县城以北约30 km处的小西天圣山脚下,即漳腊水晶乡境内,中心地理坐标为东经103°40′25.5″,北纬32°53′48.9″。尕米寺滑坡主滑方向为南东38°,垂直于S301省道,滑坡面积约1888600 m2,平均厚度约13 m,体积约2445×104 m3,为一大型—巨型古滑坡。滑坡左右边界均为山脊与斜坡的交界处,后壁陡坎高50~80 m,坡面基岩裸露,滑坡前缘直抵S301省道东南侧的岷江,覆盖于岷江一级阶地之上;滑坡体主轴长约1.5 km,平均宽度约700 m,滑坡区海拔高程3200~3485 m,最大高差约285 m。
高密度电法2.5维反演结果(见图 6)显示剖面上表层呈现高低阻相间的不稳定电性层,电阻率低的地段阻值为230~420 Ω·m;高阻值段为1000~750 Ω·m。高低阻相间的不稳定电性层厚度为2.5~43 m,推断该层为滑坡堆积层,低阻值区域对应土质较多地段;高阻值对应碎块石、巨块石较多地段。在剖面300 m附近,地形陡峭,第四系碎石土厚度往小号段快速变薄,推断为剖面300 m附近位置为滑坡的后缘位置所在。由于剖面大号段受S301S省道阻拦,高密度电法无法进行施工测量,滑坡的前缘位置没有完整的测出,但从剖面趋势以及实地观测,可以推断出滑坡前缘大概在公路外侧的河边,约在剖面1420 m附近。
高密度电法2.5维反演结果显示在剖面上点号1335~1755段存在明显的相对低阻异常,低阻异常与周围介质电性差异较大,低阻值一般为210~570 Ω·m,周围介质电阻率为800~1900 Ω·m,推断为古河道内富含水土体及土石分界带附近岩溶共同作用所致。低阻异常形态与古河道异常相似,推断该段为古河道位置,现在地形地貌受古滑坡体影响控制,古河道被滑坡体深埋于下。而河道也被挤压至S301省道东南方的峡谷中。
以剖面550 m附近为界,小号段基岩以高阻显示为主;大号段基岩则相对低,电阻率在此发生突变,等值线不连续,推断剖面550 m附近为断层通过的位置,依据反演结果推断断层倾向小号端,倾角较陡。
综合以上数据及野外现场地质观察信息,推断漳腊尕米寺滑坡沿剖面古滑动面埋深约2~43 m,古河道埋深约56~96 m,弱风化基岩面埋深约13.3~116 m,强风化及岩溶综合层厚一般为5~20 m,剖面550 m附近存在一陡倾角断裂(见图 6)。
3.3 格机寨滑坡
格机寨滑坡(见图 7)位于松潘县城以南约21公里处的肖包寺旁,中心地理坐标为东经103°36′47.1″,北纬32°31′28.8″。格机寨滑坡主滑方向为北东40°,垂直于牟尼河,滑坡面积约957600 m2,体积约2586×104m3,平均厚度约27 m。滑坡左右边界均为山脊与斜坡的交界处,坡面被黄土覆盖,滑坡前缘直抵岷江的支流牟尼河;滑坡体主轴长约1.3 km,平均宽度约700 m,滑坡区海拔高程2791~3167 m,最大高差约376 m。
高密度电法2.5维反演结果(见图 8)显示剖面上表层电阻率相对低,阻值为75~320 Ω·m,推断为黄土,层厚4.7~35 m;剖面上中间电性层电阻率相对高,阻值为500~1520 Ω·m,推断为砂砾土,图中所示滑坡体的滑动面是根据等斜率断面图上明显的分界面得到的,进一步判断出滑体的厚度约10~52 m;下伏基岩为炭质板岩、砂质板岩互层,在剖面上呈低阻显示,阻值为51~420 Ω·m,其中炭质板岩的电阻率值约为51~76 Ω·m。在剖面1400 m处,表层低阻电性层变薄收敛,推断为滑坡的前缘位置。
综合以上数据及野外现场地质观察信息,推断松潘县格机村滑坡古滑动面埋深10.4~77.1 m,古滑动面基本与基岩面重合,反演数据成果图上显示无明显断层存在。
4. 高密度电法测试在古滑坡勘探中的应用讨论
4.1 物探与钻探资料验证分析
根据野外调查和钻探勘察资料,俄寨村古滑坡出露地层主要为中生界三叠系新都桥组的板岩和侏倭组的砂岩形成的冲洪积物和残坡积物。其中,冲洪积物分布于古滑坡的前缘,堆积物主要为碎块石土,通常结构松散,碎块石无分选性,磨圆度较差;残坡积物主要分布于斜坡坡脚地带,岩性主要为粘性土夹碎块石,结构松散,无分选,磨圆度差。新都桥组深灰—灰黑色含炭质板岩、粉砂质板岩、钙质板岩,局部夹灰色薄—中层状不稳定砂岩、凝灰质砂岩、钙质砂岩。侏倭组灰—深灰色薄—中厚层变质细粒长石石英砂岩、变质粉—细粒长石杂砂岩、岩屑长石石英杂砂岩、变质钙质石英细砂岩等与粉砂质板岩、含炭质绢云母板岩呈韵律互层。钻探结果显示俄寨村滑坡体厚度为31.9 m(见图 9a),物探反演结果为低阻反应,这是因为滑坡体岩性为炭质板岩且滑坡体后缘存在裂隙导致坡体含水所致,与深部基岩的高阻反映有明显的界线,验证了高密度电法探测结果与钻探结果基本吻合。
尕米寺古滑坡出露地层主要为第四系全新统冲洪积物,上古生界石炭系西沟组。其中,冲洪积物分布于古滑坡的中前缘,堆积物主要为碎块石土,通常结构松散,碎块石无分选性,磨圆度较差;残坡积物主要分布于滑坡中后部,岩性主要为灰岩碎块石,结构松散,磨圆度差。西沟组岩性为浅灰色、紫红色中—厚层状灰岩,具鲕粒、粒屑结构。滑坡浅表覆盖层为残坡积碎石土和巨大岩石块等滑坡堆积物构成,基岩岩性为灰岩。钻探结果(见图 9b)中的卵砾石层证明物探解译推断的古河道确实是存在的,证明了古河道在物探反演结果图上呈现低阻圈闭异常,并且滑动面的深度推测大致符合实际,而深部灰岩的上部呈现出低阻反应也是由于古河道的存在引起的。
4.2 古滑坡物性参数分析
对于同一地质体,不同的仪器、不同的物探方法或不同的资料处理软件,可能得到不同的电阻率,因为它涉及仪器型号、方法原理、软件类型等;另外,物探资料还存在时移性,即物探参数随采集的时间不同而发生变化[25],且目前还难以直接根据电阻率值来划分地层岩性,因为电阻率值除了与地层岩性相关外,还与地质构造、风化程度、完整程度、坚硬程度、岩溶发育程度以及含水量等因素有关。不过在野外地质调查的基础上将物探资料结合钻探资料可以对滑坡的地质结构做出初步的判定。
研究区内调查的三个滑坡都是岷江河谷地区典型的大型—巨型古滑坡,通过采集到的电阻率数据反演可以初步判断出古滑坡的滑动面的位置,在此次调查研究过程中对电法数据结果进行分析得出下表(见表 1、表 2、表 3)。
岩土名称 测量电阻率/(Ω·m) 推测位置 碎石土 75~5120 表层 砂砾石土 280~620 滑动面 炭质板岩 70~98 基岩 砂质板岩 191~351 基岩 岩土名称 测量电阻率/(Ω·m) 推测位置 碎块石土 1564~2726 表层 堆积层 500~1520 滑动面 灰岩 1934~2470 基岩 卵砾石 210~331 古河道 岩土名称 测量电阻率(Ω·m) 推测位置 黄土 75~320 表层 砂砾石土 500~1520 滑动面 炭质板岩 51~76 基岩 砂质板岩 80~205 基岩 注:表中电阻率是采用对称四极电测深装置采集到的数据统计得到的 5. 结论
通过对川西岷江河谷地区典型大型—巨型古滑坡进行高密度电法和常规垂向对称四极电阻率测深法研究,得到以下主要结论:
(1) 采用高密度电阻率和常规电测深法,可以有效获得滑坡的空间结构特征,川西岷江河谷地区古滑坡滑动面多位于高低阻相间的不稳定电性层中,滑坡前缘多位于不稳定电性层变薄收敛的地方;
(2) 研究发现尕米寺古滑坡中存在古河道,对于尕米寺滑坡的形成机理具有重要的意义;分析认为对于被古滑坡深埋的古河道,多具有圈闭的低阻异常特征。
(3) 物探测试结果表明,滑坡表层的黄土、碎石土和基岩的电性差异较大,易于区分的垂直结构有利于确定滑动面的埋深范围,进而确定滑动面的位置。
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表 1 俄寨村滑坡物性参数
Table 1. Physical parameters of the Ezhaicun landslide
岩土名称 测量电阻率/(Ω·m) 推测位置 碎石土 75~5120 表层 砂砾石土 280~620 滑动面 炭质板岩 70~98 基岩 砂质板岩 191~351 基岩 表 2 尕米寺滑坡物性参数
Table 2. Physical parameters of the Gamisi landslide
岩土名称 测量电阻率/(Ω·m) 推测位置 碎块石土 1564~2726 表层 堆积层 500~1520 滑动面 灰岩 1934~2470 基岩 卵砾石 210~331 古河道 表 3 格机寨滑坡物性参数
Table 3. Physical parameters of the Gejizhai landslide
岩土名称 测量电阻率(Ω·m) 推测位置 黄土 75~320 表层 砂砾石土 500~1520 滑动面 炭质板岩 51~76 基岩 砂质板岩 80~205 基岩 注:表中电阻率是采用对称四极电测深装置采集到的数据统计得到的 -
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