0 引言
滑坡地质灾害是严重威胁人民生命财产安全和制约经济社会发展的最重要灾害类型之一[1],以江苏省为例,全省共有滑坡、崩塌隐患点905处,威胁人数总计9 074人,威胁财产总计10.17亿元,因此,滑坡地质灾害防治对于防灾减灾,保障人民群众生命财产安全具有重要意义。采取有效的技术手段,查明滑坡结构,构建三维地质模型是滑坡地质灾害防治的基础和前提,滑坡调查的常用方法包括野外调查、钻探、遥感、地球物理方法等[2⇓-4]。其中,野外调查是最为直接的调查方法,可以直观地获得滑坡区地形地貌、地表岩性、坡体变形迹象等[2],但无法得到地下信息。钻探可以揭露地下地层岩性、滑坡体、滑动面等,但属于“一孔之见”,无法获得高精度的面上数据,且施工成本较高。遥感技术具有覆盖范围广、空间分辨率高、适合长周期观测等特点,在滑坡隐患识别、滑坡形变监测及灾害预警方面具有较大优势[3],但其探测精度容易受地表植被、复杂地形、天气等影响[5]。相比较而言,地球物理方法具有无损、快速、获取滑坡结构信息丰富、连续等优势,成为滑坡地质灾害调查中不可或缺的技术手段[6⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-14]。常用的地球物理方法中,浅层地震法主要用于查明滑坡区覆盖层厚度、滑动面埋深及形态等,具有对地层结构、空间位置反映清晰,分辨率高的优势[7],但是施工成本较高、受地形影响大。地质雷达可以有效识别滑动面埋深及分布、滑坡体的裂缝发育程度等[8],分辨率较高,但探测深度有限,并且要求天线与地面耦合良好,复杂地形施工难度大。而高密度电阻率法(ERT)基于滑坡区内岩土体的导电性差异,可以有效地查明滑坡区地层结构、滑动面、裂缝等,具有对低阻体敏感、场地适应性好、施工方便、性价比高等优势,在滑坡调查中应用极为广泛[9-10]。
目前,滑坡调查中的ERT资料解释仍以二维剖面为主,或者基于二维剖面数据及解释成果进行三维可视化或建模。王磊等[11]通过二维电阻率断面分析了不同含水量黄土的电阻率差异,推断了黄土—泥岩接触面位置。林松等[12]将ERT应用于三峡库区滑坡调查,通过二维反演与分析,获取滑坡体地层结构及滑移面。Bellanova 等[13]通过对垂直滑坡主轴的13条ERT断面进行推断解释,得到研究区地层结构、断层和滑动边界等,并通过三维可视化展示了断面解释特征的空间一致性。刘栋等[14]利用二维ERT查明了黄土滑坡的黄土—泥岩地层结构、黄土厚度、富水区分布、滑移面空间特征,并结合钻孔岩性资料构建了三维地质模型。众所周知,地下地质体为三度体,而二维反演将三维地质体假定为沿横向无限延伸的二度体[15-16],二维反演存在伪影,往往将垂直于测线的电阻率变化解释为随深度的电阻率变化[17],因此,该理论假设对于地形复杂、各向不均匀性突出的滑坡区来说存在较大差异,往往引起相邻或相交剖面无法对比、反演剖面与钻孔揭露情况差异显著等问题。高密度电阻率法所观测到的视电阻率是地下三维电性特征的真实反映,理论和实践都表明,三维反演能够反映地质体三维结构、消除旁侧效应影响、提高分辨率等[18⇓-20],因此,开展电阻率法三维反演是高精度滑坡调查的必然趋势。
滑坡地质灾害多发生于山地、丘陵地区,山高坡陡、沟壑纵横,加之滑坡活动形成的陡坎,地形条件十分复杂,为了使三维电阻率反演取得理想效果,必须进行复杂地形约束下的反演计算[21]。因此,本文针对复杂地形条件下滑坡调查中三维电阻率反演,提出了除电极点高程数据外,还应添加覆盖全区的高精度高程数据,用于精细刻画地表形态,提高带地形反演精度。同时,针对地球物理反演的多解性问题,在已取得地质先验信息的情况下,如钻探揭露的地层界面等,应将先验信息充分融入反演过程[22]。在三维数据获取方面,受滑坡调查中研究范围、施工条件、探测深度及仪器装备、施工效率等多方面因素制约,在所有方向上进行测量是不切实际的,较为理想的沿x轴和y轴方向同时布设电极,一时难以广泛推广应用[17],而沿着某一方向或若干方向布设多条邻近平行测线,沿各测线分别采集携带着三维地电信息的二维剖面数据,再集成为三维电阻率数据进行三维反演的工作方式,无疑是效率与效果的最佳折衷[23]。但二维剖面数据集的三维反演存在带状效应[17],为此,在前人研究的基础上,将降低带状效应的方法引入到滑坡调查,着重研究了复杂地形条件下三维电阻率反演中带状效应的降低及其参数优化方法。因此,作者以无锡雪浪山景区滑坡地质灾害调查为例,通过在研究区内部署多条平行和垂直于主滑动轴的高密度电阻率法测线,获取二维剖面数据,转换集成为三维电阻率数据,同时获得覆盖全区的高精度地形数据以及工程钻孔数据,开展基于复杂地形和地质先验信息约束的三维反演,并借助三维可视化解释与建模平台,获得了研究区三维地层结构模型和滑坡体、滑动面的空间分布特征。
1 地质及地球物理特征
1.1 地质概况
横山寺景区位于无锡市西南部滨湖区雪浪山风景区内,目前景区内存在多处严重的边坡地质灾害隐患,主要地质灾害类型为滑坡和崩塌[24],而位于横山寺南侧、香草园西侧的不稳定边坡,主要发育了滑坡地质灾害(图1a)。根据现场调查,目前滑坡体处于蠕动滑移状态,坡脚下景区道路受滑坡影响,不断出现鼓胀变形,严重威胁过往游客安全,因此,开展滑坡地质灾害勘查和治理十分必要。研究区基岩为泥盆系上统五通组(D3w),是一套以滨海相—陆相沉积为特征的厚层石英砂岩和含砾石英砂岩,夹含云母薄层粉砂质页岩和粉砂质泥岩。而第四系覆盖层为冲洪积和残坡积层,其中,冲洪积层主要由粉质黏土夹淤泥质土及砾、碎石等组成;残坡积层主要由黏土、粉质黏土夹碎石组成。根据已知地质资料,滑动面大致位于ZK02钻孔(图1b)所示的碎石土与砂岩接触面,钻探揭露滑动面附近泥盆系上统五通组砂岩裂隙发育,岩芯较为破碎。香草园西侧不稳定边坡总体走向SN向,坡向正东,地势西高东低,目前已经发生滑坡灾害,根据现场调查及钻孔揭示,滑坡体平面呈不规则喇叭状,组成物质主要为碎石土夹粉质黏土,碎石含量15%~40%不等,有块石分布,块石大小不一; 局部滑坡堆积物中块石含量较高,可达50%以上。
图1
图1
研究区滑坡形态及工作部署示意
Fig.1
Landslide form and deployment of ERT in the study area
1.2 地球物理特征
香草园西侧滑坡属于土石滑坡,采用高密度电阻率法进行滑坡结构的研究,主要基于第四系覆盖层与下伏基岩地层之间的电阻率差异。研究区附近曾开展过大量的露头物性测定和地球物理测井工作,经统计区内各类岩、土层电性参数(表1)所示,第四系松散层内部电阻率主要取决于岩性颗粒的粗细,由黏土到砂砾石其颗粒逐渐增大,电阻率值也相应升高;而基岩的电阻率值为覆盖层电阻率的几十倍甚至上百倍,电性差异较为明显。区内各类岩、土层之间的电性差异为滑坡地质灾害调查提供了地球物理基础。
表1 研究区物性参数统计结果
Table 1
| 地层 | 岩性 | 电阻率ρ/ (Ω·m) |
|---|---|---|
| 第四系(Q) | 黏土、泥质粉细砂 | 10~20 |
| 粉细砂、细砂 | 20~30 | |
| 中、粗砂 | 30~50 | |
| 砂砾石 | 50~60 | |
| 泥盆系上统五通组 (D3w) | 石英砂岩夹 粉砂质泥岩 | 800~3600 |
2 工作方法及解释方法
2.1 高密度电阻率法
高密度电阻率法(ERT)是以岩土体的导电性差异为基础,通过观测人工激励作用下传导电流的分布规律,推断地下具有不同导电性地质体的赋存情况,从而划分地层及圈定电性异常等。高密度电阻率兼有电剖面和电测深两种方法的特点,并且引入了阵列勘探的概念,实现了数据采集的自动化,具有施工效率高、装置形式多、采集数据量大、信息丰富等优势。通过在工作区内部署多条交叉剖面,各剖面分别布置阵列电极进行数据采集,然后将二维剖面数据集成为三维电阻率数据,选择合理参数进行三维反演,可以获得反映地下地质情况的三维电阻率数据体,最后通过对比分析、交互解释,并借助三维可视化平台可以获得地层空间结构、滑坡体三维形态等信息。现场数据采集选用重庆奔腾WGMD-9 型高密度电法系统,仪器设备在使用前均经校验,合格后方投入使用。
2.2 工作布置
受复杂地形及滑坡影响,工作区地层不均匀性较为显著,根据Chambers等[18]研究,在部署多条平行主测线的同时,部署垂直于主测线的联络线,可以提高主测线方向线性特征的分辨率。为了较全面地反映工作区内三维电性特征,大致以前期地质勘查圈定的滑坡体为中心,同时部署了近EW向主测线和近SN向联络测线,其中,主测线4条,编号E1~E4,测线间距约25 m;联络测线3条,编号N1~N3,测线间距约40 m,电极距均为5 m。工作区地表起伏较大,区内西侧及南、北两侧存在陡崖,滑坡体上局部存在滚石,并且工作区邻近城区,周围地电干扰较大,因此采用抗干扰能力相对较强的温纳装置,最大隔离系数19,具体工作布置见图1,研究区中部主测线E1~E4之间为本次研究的重点区。
2.3 数据处理和解释方法
高密度电阻率法数据处理采用Res3Dinv软件,该软件基于平滑约束的最小二乘方法,将三维电法测量中获得的视电阻率数据反演为地下三维电阻率模型,反演方法的一个主要优势是可以调整阻尼因子和粗糙度滤波器以适应不同类型的数据[17,19]。Res3Dinv软件支持不规则分布电极的数据反演,以及已知地层界面约束反演,并且可以将三维反演模型导出为XYZ或RockWorks、Voxler等软件数据格式,方便进行三维可视化。本文基于Res3Dinv软件,开展了高精度地表高程数据及钻孔先验信息约束下的三维电阻率反演,并对反演中降低带状效应的参数优化方法进行了探讨。三维解释及地质建模采用RockWorks软件平台,该软件是集多种功能于一体的地质数据分析管理软件,可方便进行ERT反演电阻率数据三维可视化、电阻率与钻孔数据三维空间对照解释和滑坡区地层结构、滑坡体、滑坡面三维地质建模。
3 三维电阻率反演
3.1 三维数据集成
3.1.1 网格选择
三维电阻率反演常用的网格形式有4种:均匀矩形网格、非均匀矩形网格、梯形网格和电极位于任意位置网格,其中前两种网格要求二维剖面上的电极位于规则的矩形网格上;梯形网格允许电极适度偏离矩形网格,但是当偏差较大时难以给出合理的反演结果;电极位于任意位置网格形式不要求电极位于网格节点上,电极布设脱离了网格节点的限制,电极可以根据现场施工条件灵活布设,因此,特别适用于地形崎岖,无法将测线拟合成矩形或梯形阵列的情况。由于现场地形条件复杂,电极布设不能满足前3种网格的条件(图1a),因此,本文选用电极位于任意位置网格进行剖分。选定网格区域大小为280 m×240 m,x、y方向网格单元长度均为5 m,由于电极不位于网格单元的节点上,需要将现场375根电极的x、y、z坐标输入到原始数据表格。
3.1.2 高精度地形数据
三维电阻率反演采用有限元网格拟合复杂地形[25],为了更好地刻画地表形态,需要在原始数据中输入高精度的高程数据,进行三维带地形反演[21]。前人开展高密度电阻率法带地形反演时,通常只采用电极点的高程数据,这对于地形简单的区域,精度尚可,但对于地形复杂的滑坡调查,对地表形态的刻画误差较大。因此,本文提出在复杂地形滑坡调查三维电阻率反演中,不仅添加电极点的高程数据,还增加了覆盖全区的众多高精度高程数据。研究区南、北两侧为陡崖,滑坡后缘岩石陡立,且区内局部存在滚落巨石,地形条件复杂,仅仅输入375个电极点高程数据难以精细刻画地表形态,并且也会引起建模误差。为了拟合复杂地形,在读取电极点高程的基础上,研究区内按照近似均匀分布,观测得到了覆盖全区675个高精度高程数据,融合了电极点及高程测量点共1 050个点位高程数据的三维地形如图1a所示,可以看出综合高程数据精细刻画了地表起伏的形态。
3.1.3 钻孔约束数据
3.2 降低带状效应
将二维剖面数据整理得到三维数据集时,由于二维剖面之间的距离通常大于沿测线布设电极的间距,反演得到的模型经常产生与测线平行(或垂直)的带状近地表异常,即带状效应。Loke and Dahlin[17]基于理论模型和实测数据进行了降低带状效应的研究,虽然取得了一定的应用效果,但其主要针对基于水平地表或起伏较小的地形。因此,本文在前人研究的基础上,将降低带状效应的方法应用于滑坡调查,进一步深入研究了复杂地形条件下三维电阻率反演中带状效应的降低及其参数优化方法。通过充分的对比试验,从3个方面降低了带状效应,首先在x和y方向设定网格单元的长度均为5 m,以避免出现沿着网格单元长度较大的方向产生的拉长现象;其次对顶部层使用相对较高的阻尼系数,以减少顶部层的扭曲;最后通过修改所使用的水平粗糙度滤波器,使其具有x、y方向以及对角线方向的分量,以进一步减少剩余的带状伪影。由降低带状效应电阻率图像(图2)的对比可以看出,仅使用标准阻尼约束时(图2a),沿测线位置表现出显著的带状构造,带状效应明显;对顶层使用较高的阻尼系数时(图2b),沿测线位置的细长带状构造大大减少;使用具有对角分量的水平粗糙度滤波器时(图2c),带状效应几乎完全去除,研究区中部由局部堆积石块引起的高阻区域的轮廓可清晰地展现出来。
图2
图2
降低带状效应电阻率图像对比
Fig.2
Comparison of resistivity images for reducing banding effect
3.3 三维电阻率反演
三维电阻率反演采用平滑约束最小二乘优化方法,其目的是最小化模型参数和测量数据之间的差异。模型参数与实测数据之间关系的优化方程[26]为
式中:J为雅可比矩阵,包含了测量值相对于模型参数的灵敏度;λ为阻尼因子向量;g为数据拟合误差向量;
3.4 二维与三维反演效果对比
对研究区内高密度电阻率法数据分别进行带地形的二维和三维反演,所有反演均取第7次的迭代结果。通过E1、E3、N1和N3这4条测线位置的二维和三维电阻率反演结果进行对比(图3)可以看出,区内地层电阻率反映的宏观分布特征基本一致,但是在二维反演中,在纵剖面(E1线和E3线)与横剖面(N1线和N3线)交叉的位置上,不同方向的电阻率剖面不吻合,甚至存在明显错节,如图3a中3和4交叉点位置,不同方向高阻层与低阻层明显错节,而图3b中3和4交叉点位置不同方向高阻层与低阻层又完全吻合,三维反演效果明显优于二维反演效果。究其原因是二维反演是将地下三维地质体简化为二度体,而研究区内地层受滑动影响,各向异性特征明显,加之旁侧效应的影响,使二维反演结果不能很好地反映空间电性的变化。而三维反演结果(图3b)则较好地反映了研究区内地层电阻率的三维空间变化,并且反演电阻率与钻孔揭露的地层岩性存在很好的对应关系。
图3
图3
二维和三维电阻率反演结果对比
Fig.3
Comparison of two-dimensional and three-dimensional resistivity inversion results
4 滑坡特征分析
基于三维电阻率反演结果,采用二维、三维相结合的方式,对滑坡区内E3测线的三维地层结构、滑动面、滑坡体等进行综合解释分析。E3测线位于研究区中部,大致沿滑坡体的主滑方向,为纵向剖面,剖面长度295 m(图1)。E3测线三维反演电阻率及推断解释断面成果(图4)显示,由浅到深地层电阻率表现为逐渐升高的趋势,测线65~295 m桩号浅部表现为低电阻率特征,电阻率值普遍在400 Ω·m以下,推断为第四系(Q)碎石土层,受碎石含量及碎石块大小不同的影响,地层中电阻率差异较大。其中65~220 m桩号碎石含量相对较高,电阻率多为600~800 Ω·m,局部存在堆积石块地段,电阻率可达800 Ω·m以上;220 m桩号以东景区道路及香草园附近,碎石含量则相对低,电阻率小于200 Ω·m。断面西部浅层及东部碎石土层下方,表现为中等电阻率特征,电阻率值在400~800 Ω·m之间,推断为泥盆系上统五通组(D3w)风化石英砂岩、泥岩,根据ZK01~ZK03钻孔揭露情况,石英砂岩和泥岩裂隙发育,岩芯较破碎。断面深部表现为高电阻率特征,电阻率普遍在800 Ω·m以上,西部局部可达5 000 Ω·m,推断为泥盆系上统五通组(D3w)相对完整石英砂岩、泥岩。推断滑动面位置如图4所示,在斜坡中、上部(220 m桩号以西,包含钻孔ZK02和ZK03位置),滑动面主要位于碎石土与风化石英砂岩、泥岩的接触面;而在接近坡脚位置(220 m桩号以东至景区道路,包含钻孔ZK01位置),滑动面则位于碎石土层中。滑坡体主要由第四系碎石土构成,滑坡体底部基岩为泥盆系上统五通组风化石英砂岩、泥岩,滑坡前缘位于景区道路附近。
图4
图4
E3线三维反演电阻率及推断解释断面
Fig.4
3D inverse resistivity and interpretation section of line E3
图5为研究区中部重点区三维反演电阻率及推断解释立体图,可以看出重点区内E1~E4切片之间表现为类似的电阻率特征,纵向上各电性层之间电阻率差异明显,电性界面较为清晰。由浅到深推断各电性层对应地层依次为:第四系(Q)碎石土;泥盆系上统五通组(D3w)风化石英砂岩、泥岩;泥盆系上统五通组(D3w)相对完整石英砂岩、泥岩,其中,第四系(Q)碎石土中局部存在堆积石块。重点区内滑动面形态主要受碎石土与基岩交界面控制,主要位于碎石土与风化基岩接触面上,局部位于碎石土内部,滑坡面呈起伏折线状,上部较陡,下部稍缓。推断地层界线和滑动面位置如图5中所示,根据现场调查结果,滑坡后缘滑坡壁特征明显,并有鲜明擦痕,前部滑坡舌有鼓胀痕迹,已经导致道路变形,排水沟开裂。综合滑坡壁、滑坡舌特征和电阻率反演结果,推断滑坡体在靠近滑坡主轴的E2和E3切片处的滑动距离相对大于南、北两侧的E1和E4切片位置,根据E2和E3切片的电阻率分布特征,尤其是E3线220~255 m滑坡面近于水平,且滑坡体与下方滑坡床电阻率接近,测线20~60 m处浅部存在中低阻异常,推断最大滑坡距约为35~40 m。
图5
图5
重点区三维反演电阻率及推断解释立体图
Fig.5
3D inverse resistivity and interpretation stereogram in key areas
综合现场调查、钻探、地球物理勘探成果对滑坡机理进行分析。研究区滑坡主要受地形地貌、地层岩性与结构特征,以及降雨条件等因素影响。区内坡体平均坡度30°,地层岩性上部为粉质黏土夹碎石,下部为砂岩夹粉砂质泥岩,岩层产状与坡体产状基本一致,为顺向坡结构,潜在滑动面为土岩分界面,滑坡体主要为粉质黏土夹碎石。由于碎石土孔隙发育,外界降雨会快速渗入到岩土体中,一方面增大了碎石土容重,形成了孔隙水压力,使下滑力增加;另一方面水份滞留在土岩界面,降低了滑动面岩土体抗剪强度,使阻滑力减小。在持续降雨条件下,最终沿坡体前缘剪出,剪出口顶托导致部分道路隆起。
5 滑坡地质模型
基于RockWorks软件平台,对研究区中部重点区的地层结构、滑坡形态及构造进行了三维地质建模及空间特征分析。从研究区地层结构三维建模结果(图6)可以看出,研究区内地层由浅到深依次为第四系(Q)碎石土;泥盆系上统五通组(D3w)风化石英砂岩、泥岩;泥盆系上统五通组(D3w)相对完整石英砂岩、泥岩。第四系(Q)碎石土层厚度在三维空间上变化较大,位于山腰的滑坡体后缘附近碎石土层较薄;滑坡体中部ZK03和ZK02孔位置受前期滑动影响,碎石土层厚度最大,约为10 m;接近景区道路的ZK01孔附近该层厚度略有减小,约为8 m;至山脚的滑坡体前缘附近及香草园内覆盖层厚度明显增加,可达10 m以上。
图6
图7
图7
重点区三维滑坡形态及构造模型
Fig.7
3D landslide morphology and structure model in key area
6 结论
1) 在滑坡地质灾害地球物理调查中,地形复杂及地层各向异性较大,三维电阻率反演能够克服二维反演旁侧效应的影响并充分考虑观测数据携带的三维地电信息。计算结果表明,滑坡区内相邻或相交剖面电性分布连续性较好,可以更为准确地反映滑坡区的地层结构及滑坡构造特征等。
2) 对于地形复杂的滑坡调查区,同时采用电极点高程和覆盖全区的地表高程数据,可以更为精细地刻画地表起伏形态,降低地形影响。在三维电阻率反演中,引入钻孔资料作为先验信息,可以显著提高反演的分辨率,抑制多解性。三维电阻率反演中通过优化网格间距、阻尼系数和反演滤波器参数,可以有效抑制带状效应,改善浅部分辨率。
3) 研究区滑坡体由第四系碎石土构成,滑坡床主要为泥盆系上统五通组风化石英砂岩、泥岩。滑坡体主轴斜长约200 m,滑坡体厚度在三维空间变化较大,其中,滑坡体中部受前期滑动影响厚度最大,滑坡体前缘、后缘及南、北边缘厚度略小,滑坡体中部存在数条垂直于滑动主轴的陡坎。滑动面主要位于碎石土与风化基岩接触面,倾角约20°~30°,滑动面三维形态受接触面控制,呈起伏面状,中上部较陡,下部稍缓。
4) 区内滑坡地质灾害主要受地形地貌、地层岩性与结构特征,以及降雨条件综合影响,探测成果为滑坡地质灾害调查提供有效技术支撑。
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地表起伏地形在野外矿产资源勘察中不可避免, 其对直流电阻率法勘探影响巨大.近年来, 电阻率三维正演取得诸多进展, 特别是应用非结构网格我们能够进行任意复杂地形和几何模型的电阻率三维数值模拟, 但面向实际应用的起伏地形下电阻率三维反演依然困难.本文基于非结构化四面体网格, 并考虑到应用GPS/GNSS时, 区域地球物理调查中可非规则布设测网的实际特点, 实现了任意地形(平坦或起伏)条件下、任意布设的偶极-偶极视电阻率数据的不完全Gauss-Newton三维反演.合成数据的反演结果表明了方法的有效性, 可应用于复杂野外环境下的三维电法勘探.
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