遙感技術在礦致滑坡成因分析中的應用

高永志，初 禹，楊元江

黑龍江省地質調查研究總院，黑龍江 哈爾濱150036

0 引言

中國的地質災害發生較為頻繁，主要包括地面塌陷、地裂縫、崩滑流等災害.根據2017年中國土地礦產海洋資源公報，全國共發生各類地質災害7122起，其中滑坡5500起，占到77.23%；根據自然資源部地質災害技術指導中心2018年全國地質災害通報，全國發生地質災害2966起，其中滑坡1631起，占地質災害總數的55%.由此可見，滑坡是我國主要的地質災害類型之一［1］.

遙感技術具有多時序、海量信息和非接觸觀察等特點，能夠快速、準確、兼顧宏觀和微觀兩個方面獲取滑坡信息，在滑坡調查和研究中得到了廣泛的應用［2-7］.我國遙感技術在滑坡中的應用開始于20世紀80年代，初期主要是利用航空遙感開展水電站建設的滑坡調查，2000年左右王治華提出了以遙感圖像為數據源、綜合利用地理信息系統等方法對滑坡等地質災害進行識別和分析的“數字滑坡”技術［8-9］.伴隨高分辨率衛星特別是我國國產衛星的不斷發射和正常運行，對滑坡遙感的認識水平大大提高.楊金中等將遙感技術應用在三峽庫區千將坪滑坡研究［10］，宿方睿等利用高分數據開展川藏鐵路沿線大型滑坡遙感解譯［11］，彭令等利用GF－1、ZY－3等高分辨率國產遙感影像開展汶川震區的滑坡災害識別［12］，唐堯等利用國產遙感衛星進行金沙江高位滑坡災害災情應急監測［13］.以上研究為遙感技術在滑坡中應用提供了大量可行方法，但是國內這方面的研究大多集中于國家重大工程、地震或者暴雨引起的滑坡研究［14-16］，而隨著我國礦山開采活動的深入，礦山滑坡問題日益增多.為此，本文以湖南省懷化市瀘陽鎮新店坪村滑坡為例，基于多期次的多元高分辨率數據，研究滑坡的地質災害各項背景因素，從而分析主要致災原因，探討礦山生產建設中預防礦山滑坡的策略要點，并給出防治建議，為防險避災提供依據.

1 研究區概況

圖1 滑坡和礦山遙感分布圖Fig.1 Remote sensing image of landslides and mines

2017年5月20日上午，湖南省西部懷化市瀘陽鎮新店坪村五一磚廠附近山坡發生中型巖質滑坡，2×104m3土石滑下，掩埋了部分礦山廠房和作業場，造成嚴重經濟損失.

1.1 地質環境

懷化市瀘陽鎮新店坪村滑坡位于雪峰山脈西側的低山丘陵地帶，屬于湘西侵蝕、剝蝕構造中－低山地貌，海拔260～370 m，地形坡度25～40°.

滑坡區位于揚子地臺西緣，所屬三級構造單元雪峰構造帶，四級構造單元沅麻盆地和雪峰沖斷帶褶皺帶交界地帶，以北北東向構造為主.

滑坡地層主要為上三疊統火把沖組、二橋組并層和下三疊統大冶組不整合接觸部位，基巖為灰黑色薄層狀泥灰巖、泥質灰巖，夾白云質灰巖、竹葉狀灰巖等.根據野外實地調查，發現在滑坡體斜坡上，巖體節理面、層面較破碎，為滑坡的發生提供了一定的地質基礎.滑坡區域的表層主要是第四系堆積物，土體厚2～4 m.

1.2 礦山基本情況

滑坡周圍礦山主要為開采石灰巖和頁巖礦的露天礦山，包括以開采石灰巖為主的懷化市鶴城區石門鄉金海采石場、懷化市鶴城區鳳凰山采石場、懷化市鶴城區石門后沖二號采石場、懷化市鶴城區石門鄉金海采石場、瀘陽鎮石管沖曾垂友采石場、懷化市鶴城區石門李家灣采石場和中方縣瀘陽五里灣里采石場；以開采頁巖為主的中方縣瀘陽鎮新店坪村五一磚廠和瀘陽鎮山寶田炭質頁巖礦.具體滑坡和礦山分布見圖1.

1.3 降雨特征

根據湖南省氣象局懷化氣象站資料，2017年1月1日至5月20日8時懷化市累計平均降雨量449.6 mm，與歷年同期均值（538.5 mm）相比偏少16.5%，其中5月1—20日懷化市天氣以晴、多云和陣雨為主，累計平均降雨量136.5 mm，與歷年同期均值（156.6 mm）相比偏少12.9%.

2 影像數據源情況

基于遙感技術的應用數據源選擇十分重要.為了提高對滑坡災害的歷史演化、定性乃至定量分析的能力，本次研究選擇了無云無覆蓋、易于提取信息（滑坡、道路、水體、植被、礦山地物等）、影像層次較為豐富、色調反差適中［17］、數據分辨率優于1 m的高質量遙感數據IKONOS、GF－2、P1等對滑坡地區歷史情況和變化情況進行識別.衛星的技術參數見表1.

表1 衛星技術參數表Table 1 Technique parameters of satellite

3 滑坡情況遙感解譯

本研究選取的災前遙感影像是GF－2衛星數據，災后遙感影像是P1衛星數據（圖2）.考慮數據獲取情況和數據質量情況，GF－2衛星數據選取的時相是2015年10月22日，P1衛星數據選取的時相是2017年10月22日.本次選取的2007—2014年參考影像是IKONOS衛星數據.通過遙感解譯結合實地調查，可知滑坡由南部山頂向北部山腳展布，滑坡區面積約5.99 hm2，起滑山頂部位海拔約370 m，滑坡終止的山腳海拔高度約263 m，滑坡災區可分為滑源區、碎屑流刮鏟區及堆積區3部分，其中滑源區主要包含了礦區固體廢棄物和地表層的松散堆積物，碎屑流刮鏟區已經淹沒通往礦山企業的道路和部分礦山建筑（圖3），導致該礦山完全廢棄.滑源區的南側活動痕跡區域形成陡峭的滑坡后壁（圖4），該區域地勢較陡，存在潛在塌方可能；滑源區的西側外存在數條平行的地裂縫（圖5），也存在再次滑坡的可能.以上區域是潛在滑坡的高發區域.堆積區已經完全覆蓋了一家礦山企業的開采區并淹沒部分廠房，使礦山損失嚴重.

圖2 滑坡區域2007年到2017年遙感影像Fig.2 RS images of the landslide area during 2007－2017

4 滑坡成因分析

4.1 地質環境背景

圖3 滑坡災害前后遙感解譯圖Fig.3 RS-interpreted maps before and after the landslide disaster

圖4 滑坡滑源區的滑坡后壁照片Fig.4 Photograph of landslide scarp in the source area

（1）陡峭地貌.滑坡區域位于山坡地帶，高差近110 m，滑源區平均坡度35°.（2）構造交界區.滑坡位于沅麻盆地和雪峰沖斷帶褶皺帶交界地帶，構造作用十分明顯，形成裂隙，影響著山體斜坡的穩固.

圖5 滑坡滑源區西側的地裂縫實地照片Fig.5 Photograph of ground fissure on the west side of landslide source area

（3）地層不整合.滑坡位于火把沖組和大冶組不整合接觸部位，地層之間存在古風化殼，為構造薄弱面，為山體節理、開裂提供了地質基礎，由灰巖、炭質頁巖和松散的殘坡積物組成的地層力學強度十分薄弱，為外力作用觸發儲備了一定條件.

4.2 人類礦山活動

滑坡周圍存在9處露天礦山，露天礦山開采活動對該地區原始斜坡穩定性產生影響.本次研究采用多時相遙感數據開展變化檢測，通過遙感解譯發現，本地區的礦山開采活動大多從2011年開始，2013—2016年達到礦山開采高峰.如圖2所示，2007年滑坡地區基本未受到人類活動擾動.根據2012年影像可知，滑坡地區山頂部位已經堆積礦山固體廢棄物3.65 hm2（圖2中紅色線所圍區域），山腳已經開挖開采面0.19 hm2（圖2中黃色線所圍區域）.隨著礦山活動的深入，山頂的礦山固體廢棄物高度不斷上升，面積不斷增大，山腳的開采面深度不斷加大，面積不斷增加.到2015年山頂堆積物面積達到3.95 hm2，山腳開采面面積達到0.81 hm2.礦山活動影響主要表現在以下幾個方面：

（1）礦山活動改變滑坡地區重力結構.山頂長期的不斷增加的礦山固體廢棄物使坡體上部重力不斷加大，逐漸使該地區重力失穩.

（2）山體底部礦山開采面不斷擴大.削坡面積范圍擴大使承載山體的應力場消失，滑源物質失去支撐力，并形成足夠的臨空面，給滑坡啟動提供了足夠的空間.

（3）滑坡周圍的露天礦山開采，特別是石灰巖開采，需要長期采用爆破的方法開采礦石.大規模爆破振動使該地區破碎巖層節理、裂隙進一步增大.

綜合地質基礎和礦山活動因素，結合懷化地區2017年1—5月降雨偏少的實際情況，可以確定懷化滑坡主要是由于山體破碎和礦山持續不規范開采共同造成的地質災害.

5 結論及建議

結合以往針對重大工程類人類活動引起的滑坡研究，本次利用多時相遙感數據對礦山類人類活動引起的滑坡開展深入研究，得出以下結論：

（1）2017年5月20日湖南省西部懷化市瀘陽鎮新店坪村山體滑坡，造成一座礦山企業完全廢棄，另一座礦山企業失去開采面和部分廠房.

（2）滑坡區域屬于侵蝕－剝蝕低山地貌，構造活躍，地層不整合，巖體破碎，為人類活動觸發滑坡提供了地質基礎.

（3）礦山山頂堆放固體廢棄物，山腳開挖形成臨空狀態和持續爆破振動等不規范的礦山開采行為綜合作用最終造成滑坡地質災害.

為了防治愈演愈烈的礦山地質災害發生，礦山企業應嚴格規范礦山開采行為，必須認真貫徹執行有關法律法規，建立健全監測監管機制［18］.禁止礦山企業在不穩定地質體上堆積礦產品，露天礦山企業開采必須提前研究邊坡穩定情況，采場選址應做嚴格的地質穩定性評價，防止改變山體應力場引發礦山地質災害.采用現代科學方法和先進技術手段，為生態環境保護提供更加科學合理的數據基礎［19］.