利用EH4音频大地电磁测深仪探测巧家巨型古滑坡及其结构面特征

李 忠，吴中海，汪金明，张小兵，冯 振，胡萌萌

1.云南省地质调查院，云南 昆明 650216；2.自然资源部三江成矿作用及资源勘查利用重点实验室，云南 昆明 650051；3.中国地质科学院地质力学研究所，北京 100081；4.自然资源部地质灾害防治技术指导中心，北京 100081

0 引言

巧家古滑坡是国内已知发现规模最大的巨型古滑坡，其规模之大为世界罕见(冯振等，2020)。巧家古滑坡位于巧家县城后山，地处小江断裂带、大凉山大断裂带、则木河断裂带和五莲峰断裂带的交汇区域。小江断裂带和则木河裂带都是国内著名的强震带(张铎等，2013)，特别是小江断裂带北段；在该地段有历史记录的地震有数次，如东川在1733年发生过7.0级地震，在1966年2月5日发生过6.5级地震，巧家在1930年5月15日发生过6.0级地震。相关学者推测在未来时期内，小江断裂带北极有可能发生强烈地震，震级约为Ms6.8～7.1，因为该地段一直处于高应力状态(毛燕等，2016；张欣和王运生，2017)。同时，位于四川省宁南县与云南省巧家县间金沙江江上即将完工的白鹤滩水电站，其规模仅次于三峡水电站，距上游巧家县城约40 km(陈友生，2015)；白鹤滩水电站蓄水后，巧家县城周边低洼地区大部分将被淹没，县城都位于水位之上。研究表明，巨型古滑坡复活在地震和断裂活动、库水波动等因素耦合作用下风险极为突出(吴新星和邓敏，2010；Yin et al., 2015；Javed et al., 2017；郑嘉豪等，2020)，所以应对巧家古滑坡给予高度重视。

目前，滑坡调查分析的常用工作手段有遥感解译(谢猛，2020)、地面调查(王文瑞，2020)、工程地质(吕擎峰等，2015；张永双等，2016)和钻探等，但难以全面确定大型巨型古滑坡的空间结构和主滑动面的位置和形态特征，并且存在费时、费力、单点测量等缺点(郭秀军等，2004)。近年来物探方法在滑坡勘察中得到了广泛应用，并取得了很多不错的效果和反响，特别是电法技术，包括高密度(张光保，2012；李金玺等，2013；熊晋等，2013；王磊等，2019；韩鹏，2020)、瞬变电磁法和音频大地电磁法等；实践表明，电阻率的分布特征可以反映构造分布特征和地层岩性的分布状况，能够定性和定量描述出滑坡面的形态和位置(李来喜，2009；徐兴倩等，2015；张建成和王通，2015；郭桥桥等，2017)。因此，文章在现场调查分析的基础上，利用EH4音频大地电磁测深对巧家巨型古滑坡开展了探测，为深入研究巨型古滑坡结构与稳定性提供科学依据。

1 地质背景

1.1 地形地貌

巧家古滑坡位于巧家县城后山，处于金沙江右岸药山山脉西坡轿顶山山麓缓坡，整体地势东高西低，山坡陡缓相间。山脉呈近南北走向，山顶高程3100～3200 m，最低点位于金沙江河床，海拔634 m，高差约2500 m；向下地形陡缓不一，高程约970 m以上以陡坡为主，局部有缓斜坡，坡面冲沟发育，地形凌乱(王双，2016)。

1.2 区域地层岩性

滑坡区域地层出露较齐全，主要以出露古生界地层为主(图1)。寒武系地层主要分布在葫芦口北边，岩性以碳酸盐(灰岩、白云岩)为主。奥陶系红石崖组(O1h)主要是碎屑岩(泥岩、砂岩)；巧家组(Oq)以灰岩、粉砂岩为主；大菁组(O3d)以白云岩为主。志留系韩家店组(S2s)以粉砂岩、灰岩为主。泥盆系坡松冲组(D1ps)以砂岩、泥页岩为主；曲靖组(D2q)以白云岩、灰岩为主。二叠系梁山组(P1l)以砂岩、炭质页岩及煤线为主；大面积出露阳新组(P1y)以灰岩、白云岩为主；峨眉山组(Pe)玄武岩。第四系(Q)主要分布于金沙江河谷区，以新生界山前洪积物和金沙江冲积物的交互沉积物为主。

a—巧家古滑坡区域地质图(据张贵等,2017修改);b—巧家古滑坡位置示意图(据王治华，1996修改)

2 EH4音频大地电磁测深方法原理、资料处理和物性特征

2.1 EH4音频大地电磁测深方法原理

音频大地电磁法是利用天然音频电磁场作为场源，研究地下电阻率结构的测深方法。EH4是1996年由美国两家(EMI，Geometrics)公司联合研制的，重点解决浅、中深度范围内工程地质等问题的一种双源型电磁系统；工作频率包括高频模式：10 Hz～100 kHz；低频模式：0.1 Hz～1 kHz(蒋鑫和黄小喜, 2011)。EH4电磁仪器具有以下特点(柳建新等，2008)：①图像分辨率较高，为探测较小的目标体提供可能；②同时接受X，Y两个方向的电场与磁场，反演XY电导率张量成像剖面，对判断二维构造特别有利；③仪器设备轻，工作效率较高；④实时监测数据采集、处理，现场初步判断数据质量。在测线的布置上，由于EH4是连续单点测量，可以非常灵活地应用于各种不利地形(李树文等，2000；杜荣光等，2006；刘国栋，2007；欧阳南，2009；谭红艳等，2011)。

2.2 资料处理

测深点间距为100 m，在断裂地段测深点加密，间距为50 m；野外观测采用张量模式，全频率观测(10 Hz～100 kHz)，测深点观测时间约20 min；测深点数据质量满足Ⅰ级超过70%，至少是Ⅱ级。根据测深点视电阻率-频率曲线形态，定性分析研究区地下电性的分布特征，并初步建立地下介质模型，为二维反演(SCS-2D)的初始地电模型建立提供依据。如图2所示，200号测深点两模式(TM,TE)曲线形态都为Q型，首支对应深部的灰岩，中间对应中部的溶蚀(破碎)灰岩层和砂砾层，尾支对应浅部的砂质粘土层和砂砾层；340号测点两模式(TM,TE)曲线形态都为Q型，浅部(高频)为溶蚀(破碎)灰岩层，中深部(中低频)为完整基岩(灰岩)层。AMT资料具体处理流程见图3，首先对野外采集数据经过IMAGEM软件进行时间序列筛选，剔除存在明显干扰信号时间序列片段，计算张量阻抗(视电阻率、相位、相关度)，其次经过音频大地电磁测深(AMT)数据处理软件进行处理(曲线编辑、模式识别(TE,TM)、静校正)，再次经过SCS-2D软件进行二维反演(Bostic)，最后构建电性断面图和地质解释推断图。

图2 视电阻率-频率曲线图

图3 EH4 资料处理流程图

2.3 研究区物性(电性)特征

此次研究区电阻率测定采取野外露头对称小四极的方式进行，总共测定315组；岩石电性电阻率测试统计结果见表1。

表1 岩石电性电阻率统计表

通过分析原始测量数据及表1可知，研究区岩石电阻率数值从大到小依次为白云岩>灰岩>石英砂岩>砂砾层>玄武岩>粘土>砂质粘土。其中，白云岩电阻率平均值为4663 Ω·m，灰岩电阻率平均值为3686 Ω·m，均为曲靖组(D2q)和韩家店冲组(S2s)或阳新组(P1y)，与其他地层或岩性存在明显电性差异。峨眉山玄武岩电阻率平均值为310 Ω·m，与围岩阳新组(P1y)灰岩存在明显电性差异。第四系(Q)电阻率总体相对最小，三类岩性存在较明显电性差异，特别是砂质粘土与砂砾层电性差异明显。因此，巧家巨型古滑坡具备采用EH4音频大地电磁测深探测的物性(电性)条件。

3 古滑坡10线剖面视电阻率反演结果与解释

古滑坡10线剖面布设古滑坡中部，位于巧家县县城北边，离县城约1 km，西至金沙江边，东至滑坡顶部。剖面分为两段，西段位于144～348点号间，布设方位90°；东段位于348～556号点间，布设方位54°(图1)。

3.1 剖面地质特征

剖面贯穿的地层出露较简单，由西至东地层主要为第四系全新统(Q)，上二叠统峨眉山玄武岩组(Pe)和下二叠统阳新组(P1y)。全新统(Q)在金沙江边台阶上主要分布洪冲积层，岩性为砾石、砂、砂质粘土或砂土；靠近山脚部位主要分布残坡积层，岩性主要为粘土；在山上主要是由灰岩崩塌和滑坡堆积层。玄武岩组(Pe)主要岩性为玄武岩和含零星的火山角砾岩，阳新组(P1y)岩性为灰岩、含零星砂岩和白云岩。

3.2 EH4测深剖面反演结果与解释推断

从反演的视电阻率剖面图上(图4)可见，EH4测深剖面穿越6条断裂：小江断裂带(F1)、王家湾断裂(F3)、沙坝-滴水岩断裂(F4)、窝塘头-以博溪断裂(F2)、法土-下村子断裂(F5)和马厂坪子-袁家湾子断裂(F6)。除表层电性不均匀体影响外，整条剖面自西向东整体呈中低阻—高阻—低阻—高阻—中低阻的电性特征。结合物性(电性)测定分析，第四系全新统(Q)砂质粘土电阻率平均值为71 Ω·m，粘土电阻率平均值为147 Ω·m，砂砾层电阻率平均值为1162 Ω·m，峨眉山玄武岩电阻率平均值为310 Ω·m，灰岩电阻率平均值为3686 Ω·m。

在剖面西段，即在金沙江边台阶第四系全新统(Q)地段(252号点以西地段)，浅层电性整体呈低阻特征，中深部电性呈两翼低中间呈中阻特征；从地表到深部依次推断为砂质粘土层—砂砾层—溶蚀(破碎)灰岩层—完整基岩(灰岩)层四层。在已有金沙江边台阶钻孔资料中，钻孔孔深达300 m，未见基岩(王双，2016)，所以推断第四系全新统(Q)砂质粘土层—砂砾层两层最深处达500 m左右。在252号点以西地段，从表层到地下约200 m存在低阻层，是砂质粘土引起的低阻，砂质粘土层平均厚度200 m左右，最深处为260 m；其下砂砾层平均厚度约150 m，最厚达220 m。在200号点以西地段浅部，存在向西缓倾的低阻带，应为一个向西倾次级滑动面。次级滑动导致砂质粘土产生裂隙(缝)，充填地下水，从而呈低阻。在152号点中深部存在近似直立的低阻带，是受产状较陡的隐伏断裂(F3)影响，构造运动产生一些裂隙(缝)。在224～240号点间地段的浅部，存在两个近似水平呈长轴状展布的低阻体，推断受拉裂槽影响(从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号点)，地层出露二叠系峨眉山玄武岩和阳新组灰岩，西侧相邻地层为第四系全新统(Q)，东侧相邻地层还是阳新组灰岩。该区段除数个呈长轴状和等轴状展布的高阻体外，岩土体电性主要呈中低阻。在248～272号点间存在一个面积较大由数个呈长轴状和块状展布的低阻体组成整体呈“树”状展布的近似直立的低阻带，推断受小江断裂(F1)和次级断裂(F6)影响，构造运动特别是小江断裂带构造运动，形成充填水的岩石破碎带。其次，小江断裂(F1)是峨眉山玄武岩浆的喷发通道，玄武岩通过小江断裂带(F1)通道喷发至地表，并侵入灰岩中，在地下形成玄武岩与灰岩过渡带，所以呈低阻。局部高阻体应为阳新组灰岩。

在剖面中段(320～520号点)，地层出露二叠系阳新组灰岩。除两个向西倾斜低阻带外，整体分为浅部中低阻溶蚀(破碎)灰岩层和中深部高阻完整基岩(灰岩)层。两个向西倾斜低阻带分别为断裂。

在剖面东段(520号点以东)，地层出露二叠系阳新组灰岩。除数个呈长轴状展布的高阻体外，其余呈中低阻。520号点附近受断裂(F6)影响，地表较破碎，地下产生破碎带，形成较宽的低阻带。区段浅部的中低阻推断是溶蚀(破碎)灰岩层，高阻体为较完整灰岩；深部中低阻体应为峨眉山玄武岩，因为剖面东端点往东200 m左右，可见大面积玄武岩出露，所以中深部是玄武岩与灰岩过渡带。

4 滑坡结构形态分析

根据视电阻率反演结果和滑坡地形形态特征认为(图4)，巧家古滑坡从金沙江边至山顶陡崖长约9 km，地下溶蚀(破碎)灰岩层与完整基岩(灰岩)层的界面为古滑坡的主滑动面。滑坡顶部位于540号点附近，海拔约3000 m；滑坡后缘(壁)位于536号附近，产状很陡，近直立，表面见零星小裂缝。滑坡后缘由于长期风化作用发生崩塌，在坡脚形成倒石堆(520～536点号)。巧家古滑坡主滑动面长约6 km，后缘平均深度280 m左右。从滑坡后缘(壁)至旱谷地村台阶间的滑体厚度较稳定，在250 m左右；从旱谷地村台阶至滑坡前缘厚度逐渐增大，从300 m逐渐增至近550 m。滑床岩性主要是灰岩，局部为玄武岩。滑坡体上分布数个滑动面深度为100 m左右的次级滑动，在坡面上形成若干个滑坡洼地、鼓丘、拉裂槽与台阶，如面积较大的金沙江边台阶、县城断陷区等。滑坡前端(金沙江边)产生一些放射状裂缝，在金沙江边地表局部见裂缝。

根据此次工作和地质、遥感、地形和地貌资料认为，巧家古滑坡平面形态为筲箕形，覆盖面积约50 km2。由于10线位于滑坡体中间位置，所以滑动面相对较深，整个巧家古滑坡平均厚度为250 m，体积约为125×108m3，属于巨型古滑坡。

5 结论

(1)通过电阻率测试建立了巧家地区的地层岩土体模型。电阻率数值从大到小依次为白云岩>灰岩>石英砂岩>砂砾层>玄武岩>粘土>砂质粘土，各类岩土体电性差异明显。

(2)利用EH4音频大地电磁测深开展了巧家古滑坡剖面探测。判识出6条近南北向活动断裂(F1—F6)，其中小江断裂带(F1)为主断裂，并圈定了2个拉裂槽以及县城断陷区，基本查明了巧家古滑坡的空间电性特征。推测结果表明，金沙江河谷地带的岩层结构从地表到深部依次为砂质粘土层—砂砾层—溶蚀(破碎)灰岩—完整基岩(灰岩)层四层，滑坡区段主要为溶蚀(破碎)灰岩—完整灰岩两层。

(3)确定了巧家古滑坡的结构特征。古滑坡以二叠系阳新组的溶蚀(破碎)灰岩层与完整基岩(灰岩)层的界面为主滑动面，滑面平均埋深250 m，估算体积约125×108m3，属于巨型古滑坡。

(4)针对巧家古滑坡的空间电性与结构特征调查的应用结果说明，EH4音频大地电磁测深法对巨型滑坡探测是比较有效的地球物理方法。