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物探与化探, 2023, 47(2): 523-529 doi: 10.11720/wtyht.2023.1152

工程勘察

等值反磁通瞬变电磁法探测滑坡堆积体的应用

罗术,, 陈争玉, 蓝宇骋, 刘阳飞, 段明杰

云南省交通规划设计研究院有限公司,云南 昆明 650041

Application of opposing-coils transient electromagnetics in the detection of landslide deposits

LUO Shu,, CHEN Zheng-Yu, LAN Yu-Cheng, LIU Yang-Fei, DUAN Ming-Jie

Broadvision Engineering Consultants,Kunming 650041, China

第一作者: 罗术(1983-),男,硕士,高级工程师,长期从事工程地球物理勘探应用与研究工作。Email:277712973@qq.com

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2022-04-6   修回日期: 2022-10-13  

基金资助: 云南省交通规划设计研究院有限公司项目(ZL-2020-03)

Received: 2022-04-6   Revised: 2022-10-13  

摘要

西部大开发工程基建中经常遇到滑坡体探测问题,由于滑坡体滑床滑动面与第四系覆盖的电性差异小,常规电磁法分辨困难。为此,提出利用等值反磁通瞬变电磁法(OCTEM)探测滑坡堆积体、反向追踪山体错动面的方案,构建滑坡堆积体地电结构模型,通过正演计算研究滑坡堆积体的瞬变电磁响应规律,从理论上分析了不同厚度的滑坡堆积体瞬变电磁响应规律以及在不同覆盖厚度下的瞬变电磁响应规律;对已知滑坡体的探测试验表明滑坡问题上首先分析堆积体观点的正确性,同时表明OCTEM用于山区滑坡堆积体的探测有效性。

关键词： 滑坡; 堆积体; 等值反磁通瞬变电磁法; 地电结构; 正演计算

Abstract

The detection of landslide deposits is frequently required in the infrastructure construction of the Western China Development. However, it is difficult to distinguish the landslide deposits using conventional electromagnetic methods because of the small differences in the resistivity between the sliding surface of the sliding bed and the Quaternary overburden. Therefore, this study proposed a scheme that detected the landslide deposits using opposing-coils transient electromagnetics (OCTEM) and then traced the mountain dislocation surface reversely. Accordingly, this study established a geoelectric structure model of the landslide deposits, investigated the transient electromagnetic response patterns of landslide deposits through forward calculation, and theoretically analyzed the transient electromagnetic response patterns of landslide deposits with different thicknesses and those of landslide deposits under different thicknesses of the Quaternary overburden. As verified by the detection results of known landslides, the method proposed in this study is correct and that OCTEM is valid in detecting landslide deposits in mountainous areas.

Keywords： landslide; deposits; opposing-coils transient electromagnetics; geoelectric structure; forward calculation

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本文引用格式

罗术, 陈争玉, 蓝宇骋, 刘阳飞, 段明杰. 等值反磁通瞬变电磁法探测滑坡堆积体的应用[J]. 物探与化探, 2023, 47(2): 523-529 doi:10.11720/wtyht.2023.1152

LUO Shu, CHEN Zheng-Yu, LAN Yu-Cheng, LIU Yang-Fei, DUAN Ming-Jie. Application of opposing-coils transient electromagnetics in the detection of landslide deposits[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2023, 47(2): 523-529 doi:10.11720/wtyht.2023.1152

0 引言

滑坡主要指的是斜坡上的地质体,由于降水或其他地质作用失去稳定性,在重力的作用下,沿着滑动面整体向下、向外滑动的地质现象。西部大开发过程中的基建工程多而重,在工程建设的过程中,滑坡灾害会给工程带来各种不可预估的风险[1-2]。从地球物理特征角度来分析,滑坡体与滑床之间一般都有波速差异和电性差异,可以采用地震和电法进行探测[3⇓⇓⇓⇓-8]。我国西南地区高山陡峭,地形地貌复杂,构造活动强烈,应用地震方法对滑坡体进行勘察施工难度大,难以取得理想的效果,因此常采用电磁法进行勘察。常用于滑坡体探测的电法类方法有高密度电法、探地雷达和瞬变电磁法。高密度电法能够直接将滑坡体与围岩的电性差异反映出来[9⇓-11],是非常好的探测滑坡体的方法,但其依赖于良好的接地条件和足够长的布线剖面,在某些滑坡体上施工非常困难;探地雷达利用的是高频电磁波的反射原理[12-13],其探测深度受到限制。近年来,等值反磁通瞬变电磁法在公路和铁路的地质病害体勘察中应用较多[14⇓⇓-17]。

与传统瞬变电磁法的不同之处在于:等值反磁通瞬变电磁法采用双线圈发送,2个发送线圈大小相等,电流相反,接收线圈在2个发送线圈建立的一次场零磁通面处进行接收[18-19],其优势在于能够消除一次场对接收线圈的影响,接收纯二次场响应,从而达到消除盲区的目的。等值反磁通瞬变电磁法通过去除一次场带来的互感影响,有效地减少了浅层数据的失真,对于浅层地质结构的勘探有较好的效果。等值反磁通瞬变电磁法的仪器通常采用消除收发互感的收发一体中心回线装置[20],能够灵活地布置测点,使滑坡体的探测不受地形的影响,且效率极高。

滑坡体的滑床与基岩紧密接触,通过瞬变电磁法直接分辨滑坡与基岩的分界面难度较大。堆积体主要由崩坡积的块石及碎石土组成,与基岩差异明显,可以通过堆积体的电性变化反向追踪滑坡与基岩的分界线。本文研究滑坡堆积体的二维瞬变电磁响应规律,并进行野外试验,证明从堆积体反向划分滑坡与基岩分界面的方案是可行的。

1 滑坡体的地质、地球物理特征

云南漾濞某处滑坡如图1所示。该滑坡区横跨超过300 m,高差约147 m,高程在1 549.16~1 697.50 m之间。滑坡区属构造侵蚀中山地貌区,地质作用以构造剥蚀为主。滑坡区域上下为坡地,中部为较缓平台,上台坡体坡度约 20°~25°,植被较发育,多为林地,下台坡体坡度约 25°~30°, 坡体上无植被,见块石、碎石灰岩、风化泥岩出露。根据地貌形态,可将该滑坡分为二级滑坡。

图1

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图1   试验区实景与测线布置示意

Fig.1   Realistic view of test area and schematic diagram of survey line layout


滑坡平面形态呈“撮箕”形,滑体主要为崩坡积的块石及碎石土,主要由灰岩、泥岩及粉质黏土、砾石组成,局部粉质黏土富集。灰岩电阻率超过1 000 Ω·m,泥岩和粉质黏土的电阻率差异小,约为300 Ω·m。堆积体主要为泥岩、块石、砾石等,其电阻率介于300~ 1 000 Ω·m。

等值反磁通瞬变电磁采用小线圈收发一体装置,受地形的影响小,且对低阻薄层和高阻薄层的反应灵敏度均比中心回线瞬变电磁法高[15]。因此可利用等值反磁通瞬变电磁法受地形的影响小、灵敏度高的特点探测滑坡堆积体,寻找堆积体与滑动面的差异,反向追踪滑坡与基岩的分界线。

2 坡体电性模型与电磁响应

模型正演计算对野外实际工作具有指导意义,本文以图1所示滑坡体为例,忽略地形变化,构建其二维正演地电模型(图2)。堆积体跨度为200 m,分别计算滑床层厚度h1为0、10、25 m,堆积物厚度h2为50 m情况下的瞬变电磁响应,以及在滑床层厚度固定为25 m的条件下,堆积体厚度分别为0、25、50 m情况下的瞬变电磁响应。基岩电阻率为1 000 Ω·m,堆积体与滑床的电阻率统一设置为600 Ω·m。正演过程中,采样间隔为10 m,纵向剖分间距也为10 m。

图2

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图2   堆积物正演模型示意

Fig.2   Schematic diagram of the forward modeling model


图3给出了堆积体厚度为50 m时瞬变电磁响应随滑床厚度(h1)变化的多测道响应曲线,选取的时间道中心时间t分别为0.074、0.111、0.158、0.215、0.286、0.375、0.484、0.621、0.790、1.000 ms。图中可见堆积体的多测道响应曲线出现类似于“凸”形,在堆积物边界呈现水平过渡,且在滑床厚度变大的过程中,堆积物的响应相对异常在慢慢变小,多测道曲线趋于平滑稳定。

图3

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图3   堆积体厚度为50 m时不同滑床厚度的瞬变电磁响应曲线

Fig.3   Transient electromagnetic response of the stack with 50 m thickness

a—h1=0 m; b—h1=10 m; c—h1=25 m


图4为滑床层厚度为25 m时瞬变电磁响应随堆积体厚度(h2)变化的响应曲线。分析选取的时间道中心时间t分别为 7.840、9.310、11.578、14.393、17.888、22.227、27.614、34.301、42.603、52.910 ms。堆积物的晚期道数据的特征相对于早期道特征更为突出,从图4b与图4c的对比中可以看出:随着堆积物厚度的增加,其影响范围越来越广,堆积物旁侧点均对堆积物有响应;厚度越大,响应曲线越平滑,且随着厚度的增加,能影响离堆积物正上方旁侧更远的测点。图4a中在滑坡没有形成堆积物的情况下,响应曲线基本平缓。

图4

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图4   滑床厚度为25 m时不同厚度滑坡堆积体的瞬变电磁响应曲线

Fig.4   Transient electromagnetic response of the stacks when sliding bed thickness is 25 m

a—h2=0 m; b—h2=25 m; c—h2=50 m


采用瞬变电磁法进行地层分层,很难得到比较准确的结果。图3、图4显示,使用瞬变电磁法探测滑坡,在没有堆积体时很难分辨滑坡界面;而对已形成堆积体的滑坡,在划定滑动面时可先对滑坡堆积体的范围进行划定,再沿着滑坡堆积体的反演电阻率变化方向反向划分滑坡体滑动面。

3 野外应用

为验证本文提出的划分滑坡体滑动面的方法,在图1所示的滑坡体上进行了等值反磁通瞬变电磁探测试验。

现场数据采集使用湖南五维地质科技有限公司生产的HPTEM-18系统,其收发线圈直径约60 cm,发送电流为10 A,发送占空比为50%的双极性方波。数据采集前,进行了方法有效性实验,通过实验结果确定了等值反磁通瞬变电磁的采集参数为发送频率6.25 Hz,叠加周期400次,重复次数2次,测点距离为5 m。数据反演使用仪器配套的数据处理软件HPTEMDataProcess,采用Surfer软件成图。L1、L2线的野外实采等值反磁通瞬变电磁数据多测道曲线及其反演结果见图5、图6。从图5a、图6a中可以看出,滑坡堆积物处的响应与正演计算的瞬变电磁响应规律基本一致。将反演结果(图5b、图6b)与实际的堆积体进行联合分析,可以看出反演等值线与实际滑坡堆积物的形态基本一致。

图5

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图5   L1线OCTEM实测数据多测道响应曲线(a)及反演剖面(b)

Fig.5   Multi-track profile (a) and inversion profile (b) of OCTEM field measurement data of L1 line


图6

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图6   L2线OCTEM实测数据多测道响应曲线(a)及反演剖面(b)

Fig.6   Multi-track profile (a) and inversion profile (b) of OCTEM field measurement data of L2 line


在L1剖面布设钻孔ZK11进行验证(图7)。ZK11的上部(46 m 以浅)主要为黏土及块石土,对应电阻率值低于1 000 Ω·m;下部为中风化泥岩,对应电阻率值一般大于1 000 Ω·m;中风化泥岩之上为滑坡体堆积物,与根据等值反磁通瞬变电磁的反演结果的推测基本一致。由此可以证明,通过反演结果对堆积体进行划分,再反向推测滑床的分界面的办法是可行的。

图7

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图7   ZK11钻探结果

Fig.7   ZK11 Drilling results


4 结论

本文提出了通过探测堆积体的电性变化反向追踪滑坡与基岩的分界线的方案并进行了理论计算和野外探测试验,结果证明该方法在野外工作中是行之有效的。其瞬变电磁响应规律为:当滑坡堆积体与基岩有一定电阻率差异、有一定规模且埋深不大时,可产生有效的瞬变电磁响应异常;在堆积体正上方,瞬变电磁多测道响应曲线出现“凸”形,在堆积物边界呈现水平的过渡,且在滑床厚度变厚的过程中,堆积物的异常响应变弱,多测道曲线趋向于更加平滑稳定;在滑床厚度不变的情况下,随着堆积体厚度的增加,其影响的范围更广,旁侧点亦存在堆积体异常响应,厚度越大,旁侧影响范围越大。

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