利用EH4音頻大地電磁測深儀探測巧家巨型古滑坡及其結構面特征

李 忠，吳中海，汪金明，張小兵，馮 振，胡萌萌

1.云南省地質調查院，云南 昆明 650216；2.自然資源部三江成礦作用及資源勘查利用重點實驗室，云南 昆明 650051；3.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081；4.自然資源部地質災害防治技術指導中心，北京 100081

0 引言

巧家古滑坡是國內已知發現規模最大的巨型古滑坡，其規模之大為世界罕見(馮振等，2020)。巧家古滑坡位于巧家縣城后山，地處小江斷裂帶、大涼山大斷裂帶、則木河斷裂帶和五蓮峰斷裂帶的交匯區域。小江斷裂帶和則木河裂帶都是國內著名的強震帶(張鐸等，2013)，特別是小江斷裂帶北段；在該地段有歷史記錄的地震有數次，如東川在1733年發生過7.0級地震，在1966年2月5日發生過6.5級地震，巧家在1930年5月15日發生過6.0級地震。相關學者推測在未來時期內，小江斷裂帶北極有可能發生強烈地震，震級約為Ms6.8～7.1，因為該地段一直處于高應力狀態(毛燕等，2016；張欣和王運生，2017)。同時，位于四川省寧南縣與云南省巧家縣間金沙江江上即將完工的白鶴灘水電站，其規模僅次于三峽水電站，距上游巧家縣城約40 km(陳友生，2015)；白鶴灘水電站蓄水后，巧家縣城周邊低洼地區大部分將被淹沒，縣城都位于水位之上。研究表明，巨型古滑坡復活在地震和斷裂活動、庫水波動等因素耦合作用下風險極為突出(吳新星和鄧敏，2010；Yin et al., 2015；Javed et al., 2017；鄭嘉豪等，2020)，所以應對巧家古滑坡給予高度重視。

目前，滑坡調查分析的常用工作手段有遙感解譯(謝猛，2020)、地面調查(王文瑞，2020)、工程地質(呂擎峰等，2015；張永雙等，2016)和鉆探等，但難以全面確定大型巨型古滑坡的空間結構和主滑動面的位置和形態特征，并且存在費時、費力、單點測量等缺點(郭秀軍等，2004)。近年來物探方法在滑坡勘察中得到了廣泛應用，并取得了很多不錯的效果和反響，特別是電法技術，包括高密度(張光保，2012；李金璽等，2013；熊晉等，2013；王磊等，2019；韓鵬，2020)、瞬變電磁法和音頻大地電磁法等；實踐表明，電阻率的分布特征可以反映構造分布特征和地層巖性的分布狀況，能夠定性和定量描述出滑坡面的形態和位置(李來喜，2009；徐興倩等，2015；張建成和王通，2015；郭橋橋等，2017)。因此，文章在現場調查分析的基礎上，利用EH4音頻大地電磁測深對巧家巨型古滑坡開展了探測，為深入研究巨型古滑坡結構與穩定性提供科學依據。

1 地質背景

1.1 地形地貌

巧家古滑坡位于巧家縣城后山，處于金沙江右岸藥山山脈西坡轎頂山山麓緩坡，整體地勢東高西低，山坡陡緩相間。山脈呈近南北走向，山頂高程3100～3200 m，最低點位于金沙江河床，海拔634 m，高差約2500 m；向下地形陡緩不一，高程約970 m以上以陡坡為主，局部有緩斜坡，坡面沖溝發育，地形凌亂(王雙，2016)。

1.2 區域地層巖性

滑坡區域地層出露較齊全，主要以出露古生界地層為主(圖1)。寒武系地層主要分布在葫蘆口北邊，巖性以碳酸鹽(灰巖、白云巖)為主。奧陶系紅石崖組(O1h)主要是碎屑巖(泥巖、砂巖)；巧家組(Oq)以灰巖、粉砂巖為主；大菁組(O3d)以白云巖為主。志留系韓家店組(S2s)以粉砂巖、灰巖為主。泥盆系坡松沖組(D1ps)以砂巖、泥頁巖為主；曲靖組(D2q)以白云巖、灰巖為主。二疊系梁山組(P1l)以砂巖、炭質頁巖及煤線為主；大面積出露陽新組(P1y)以灰巖、白云巖為主；峨眉山組(Pe)玄武巖。第四系(Q)主要分布于金沙江河谷區，以新生界山前洪積物和金沙江沖積物的交互沉積物為主。

a—巧家古滑坡區域地質圖(據張貴等,2017修改);b—巧家古滑坡位置示意圖(據王治華，1996修改)

2 EH4音頻大地電磁測深方法原理、資料處理和物性特征

2.1 EH4音頻大地電磁測深方法原理

音頻大地電磁法是利用天然音頻電磁場作為場源，研究地下電阻率結構的測深方法。EH4是1996年由美國兩家(EMI，Geometrics)公司聯合研制的，重點解決淺、中深度范圍內工程地質等問題的一種雙源型電磁系統；工作頻率包括高頻模式：10 Hz～100 kHz；低頻模式：0.1 Hz～1 kHz(蔣鑫和黃小喜, 2011)。EH4電磁儀器具有以下特點(柳建新等，2008)：①圖像分辨率較高，為探測較小的目標體提供可能；②同時接受X，Y兩個方向的電場與磁場，反演XY電導率張量成像剖面，對判斷二維構造特別有利；③儀器設備輕，工作效率較高；④實時監測數據采集、處理，現場初步判斷數據質量。在測線的布置上，由于EH4是連續單點測量，可以非常靈活地應用于各種不利地形(李樹文等，2000；杜榮光等，2006；劉國棟，2007；歐陽南，2009；譚紅艷等，2011)。

2.2 資料處理

測深點間距為100 m，在斷裂地段測深點加密，間距為50 m；野外觀測采用張量模式，全頻率觀測(10 Hz～100 kHz)，測深點觀測時間約20 min；測深點數據質量滿足Ⅰ級超過70%，至少是Ⅱ級。根據測深點視電阻率-頻率曲線形態，定性分析研究區地下電性的分布特征，并初步建立地下介質模型，為二維反演(SCS-2D)的初始地電模型建立提供依據。如圖2所示，200號測深點兩模式(TM,TE)曲線形態都為Q型，首支對應深部的灰巖，中間對應中部的溶蝕(破碎)灰巖層和砂礫層，尾支對應淺部的砂質粘土層和砂礫層；340號測點兩模式(TM,TE)曲線形態都為Q型，淺部(高頻)為溶蝕(破碎)灰巖層，中深部(中低頻)為完整基巖(灰巖)層。AMT資料具體處理流程見圖3，首先對野外采集數據經過IMAGEM軟件進行時間序列篩選，剔除存在明顯干擾信號時間序列片段，計算張量阻抗(視電阻率、相位、相關度)，其次經過音頻大地電磁測深(AMT)數據處理軟件進行處理(曲線編輯、模式識別(TE,TM)、靜校正)，再次經過SCS-2D軟件進行二維反演(Bostic)，最后構建電性斷面圖和地質解釋推斷圖。

圖2 視電阻率-頻率曲線圖

圖3 EH4 資料處理流程圖

2.3 研究區物性(電性)特征

此次研究區電阻率測定采取野外露頭對稱小四極的方式進行，總共測定315組；巖石電性電阻率測試統計結果見表1。

表1 巖石電性電阻率統計表

通過分析原始測量數據及表1可知，研究區巖石電阻率數值從大到小依次為白云巖>灰巖>石英砂巖>砂礫層>玄武巖>粘土>砂質粘土。其中，白云巖電阻率平均值為4663 Ω·m，灰巖電阻率平均值為3686 Ω·m，均為曲靖組(D2q)和韓家店沖組(S2s)或陽新組(P1y)，與其他地層或巖性存在明顯電性差異。峨眉山玄武巖電阻率平均值為310 Ω·m，與圍巖陽新組(P1y)灰巖存在明顯電性差異。第四系(Q)電阻率總體相對最小，三類巖性存在較明顯電性差異，特別是砂質粘土與砂礫層電性差異明顯。因此，巧家巨型古滑坡具備采用EH4音頻大地電磁測深探測的物性(電性)條件。

3 古滑坡10線剖面視電阻率反演結果與解釋

古滑坡10線剖面布設古滑坡中部，位于巧家縣縣城北邊，離縣城約1 km，西至金沙江邊，東至滑坡頂部。剖面分為兩段，西段位于144～348點號間，布設方位90°；東段位于348～556號點間，布設方位54°(圖1)。

3.1 剖面地質特征

剖面貫穿的地層出露較簡單，由西至東地層主要為第四系全新統(Q)，上二疊統峨眉山玄武巖組(Pe)和下二疊統陽新組(P1y)。全新統(Q)在金沙江邊臺階上主要分布洪沖積層，巖性為礫石、砂、砂質粘土或砂土；靠近山腳部位主要分布殘坡積層，巖性主要為粘土；在山上主要是由灰巖崩塌和滑坡堆積層。玄武巖組(Pe)主要巖性為玄武巖和含零星的火山角礫巖，陽新組(P1y)巖性為灰巖、含零星砂巖和白云巖。

3.2 EH4測深剖面反演結果與解釋推斷

從反演的視電阻率剖面圖上(圖4)可見，EH4測深剖面穿越6條斷裂：小江斷裂帶(F1)、王家灣斷裂(F3)、沙壩-滴水巖斷裂(F4)、窩塘頭-以博溪斷裂(F2)、法土-下村子斷裂(F5)和馬廠坪子-袁家灣子斷裂(F6)。除表層電性不均勻體影響外，整條剖面自西向東整體呈中低阻—高阻—低阻—高阻—中低阻的電性特征。結合物性(電性)測定分析，第四系全新統(Q)砂質粘土電阻率平均值為71 Ω·m，粘土電阻率平均值為147 Ω·m，砂礫層電阻率平均值為1162 Ω·m，峨眉山玄武巖電阻率平均值為310 Ω·m，灰巖電阻率平均值為3686 Ω·m。

在剖面西段，即在金沙江邊臺階第四系全新統(Q)地段(252號點以西地段)，淺層電性整體呈低阻特征，中深部電性呈兩翼低中間呈中阻特征；從地表到深部依次推斷為砂質粘土層—砂礫層—溶蝕(破碎)灰巖層—完整基巖(灰巖)層四層。在已有金沙江邊臺階鉆孔資料中，鉆孔孔深達300 m，未見基巖(王雙，2016)，所以推斷第四系全新統(Q)砂質粘土層—砂礫層兩層最深處達500 m左右。在252號點以西地段，從表層到地下約200 m存在低阻層，是砂質粘土引起的低阻，砂質粘土層平均厚度200 m左右，最深處為260 m；其下砂礫層平均厚度約150 m，最厚達220 m。在200號點以西地段淺部，存在向西緩傾的低阻帶，應為一個向西傾次級滑動面。次級滑動導致砂質粘土產生裂隙(縫)，充填地下水，從而呈低阻。在152號點中深部存在近似直立的低阻帶，是受產狀較陡的隱伏斷裂(F3)影響，構造運動產生一些裂隙(縫)。在224～240號點間地段的淺部，存在兩個近似水平呈長軸狀展布的低阻體，推斷受拉裂槽影響(從地貌上也符合是拉裂槽特征)，拉裂槽充填水而呈低阻。

在剖面中西段(252～320號點)，地層出露二疊系峨眉山玄武巖和陽新組灰巖，西側相鄰地層為第四系全新統(Q)，東側相鄰地層還是陽新組灰巖。該區段除數個呈長軸狀和等軸狀展布的高阻體外，巖土體電性主要呈中低阻。在248～272號點間存在一個面積較大由數個呈長軸狀和塊狀展布的低阻體組成整體呈“樹”狀展布的近似直立的低阻帶，推斷受小江斷裂(F1)和次級斷裂(F6)影響，構造運動特別是小江斷裂帶構造運動，形成充填水的巖石破碎帶。其次，小江斷裂(F1)是峨眉山玄武巖漿的噴發通道，玄武巖通過小江斷裂帶(F1)通道噴發至地表，并侵入灰巖中，在地下形成玄武巖與灰巖過渡帶，所以呈低阻。局部高阻體應為陽新組灰巖。

在剖面中段(320～520號點)，地層出露二疊系陽新組灰巖。除兩個向西傾斜低阻帶外，整體分為淺部中低阻溶蝕(破碎)灰巖層和中深部高阻完整基巖(灰巖)層。兩個向西傾斜低阻帶分別為斷裂。

在剖面東段(520號點以東)，地層出露二疊系陽新組灰巖。除數個呈長軸狀展布的高阻體外，其余呈中低阻。520號點附近受斷裂(F6)影響，地表較破碎，地下產生破碎帶，形成較寬的低阻帶。區段淺部的中低阻推斷是溶蝕(破碎)灰巖層，高阻體為較完整灰巖；深部中低阻體應為峨眉山玄武巖，因為剖面東端點往東200 m左右，可見大面積玄武巖出露，所以中深部是玄武巖與灰巖過渡帶。

4 滑坡結構形態分析

根據視電阻率反演結果和滑坡地形形態特征認為(圖4)，巧家古滑坡從金沙江邊至山頂陡崖長約9 km，地下溶蝕(破碎)灰巖層與完整基巖(灰巖)層的界面為古滑坡的主滑動面。滑坡頂部位于540號點附近，海拔約3000 m；滑坡后緣(壁)位于536號附近，產狀很陡，近直立，表面見零星小裂縫。滑坡后緣由于長期風化作用發生崩塌，在坡腳形成倒石堆(520～536點號)。巧家古滑坡主滑動面長約6 km，后緣平均深度280 m左右。從滑坡后緣(壁)至旱谷地村臺階間的滑體厚度較穩定，在250 m左右；從旱谷地村臺階至滑坡前緣厚度逐漸增大，從300 m逐漸增至近550 m。滑床巖性主要是灰巖，局部為玄武巖。滑坡體上分布數個滑動面深度為100 m左右的次級滑動，在坡面上形成若干個滑坡洼地、鼓丘、拉裂槽與臺階，如面積較大的金沙江邊臺階、縣城斷陷區等。滑坡前端(金沙江邊)產生一些放射狀裂縫，在金沙江邊地表局部見裂縫。

根據此次工作和地質、遙感、地形和地貌資料認為，巧家古滑坡平面形態為筲箕形，覆蓋面積約50 km2。由于10線位于滑坡體中間位置，所以滑動面相對較深，整個巧家古滑坡平均厚度為250 m，體積約為125×108m3，屬于巨型古滑坡。

5 結論

(1)通過電阻率測試建立了巧家地區的地層巖土體模型。電阻率數值從大到小依次為白云巖>灰巖>石英砂巖>砂礫層>玄武巖>粘土>砂質粘土，各類巖土體電性差異明顯。

(2)利用EH4音頻大地電磁測深開展了巧家古滑坡剖面探測。判識出6條近南北向活動斷裂(F1—F6)，其中小江斷裂帶(F1)為主斷裂，并圈定了2個拉裂槽以及縣城斷陷區，基本查明了巧家古滑坡的空間電性特征。推測結果表明，金沙江河谷地帶的巖層結構從地表到深部依次為砂質粘土層—砂礫層—溶蝕(破碎)灰巖—完整基巖(灰巖)層四層，滑坡區段主要為溶蝕(破碎)灰巖—完整灰巖兩層。

(3)確定了巧家古滑坡的結構特征。古滑坡以二疊系陽新組的溶蝕(破碎)灰巖層與完整基巖(灰巖)層的界面為主滑動面，滑面平均埋深250 m，估算體積約125×108m3，屬于巨型古滑坡。

(4)針對巧家古滑坡的空間電性與結構特征調查的應用結果說明，EH4音頻大地電磁測深法對巨型滑坡探測是比較有效的地球物理方法。