西藏隆子县地质灾害调查中的物探应用及评估
(中国地质调查局军民融合地质调查中心, 成都 610037)
摘要: 地球物理工作在地质灾害调查中的作用逐渐凸显, 特别在西藏等高海拔地区, “为大地做CT”来检测区域地质灾害清醒便捷可靠; 本次工作在西藏隆子县开展地面高密度电法剖面测量, 进行地层划分, 结合野外调查和钻探资料, 准确解译异常体位置、形状、规模及埋深等, 查明目标区域特殊地质体位置及延伸方向; 本次工作①通过物性测量将工作区主要地层分为3个电性层, 即低阻层 (冲洪积扇粘土、亚粘土; 冲洪积卵砾石) 、中低阻层 (碎石土; 下层角砾土; 强风化板岩) 、中高阻层 (表层角砾土; 中等风化硅质岩) ; ②结合地面调查、钻探编录等资料进行了综合解译, 分析了剖面深部地球物理特征, 并根据异常形态和特征进行了地层划分; ③高密度反演解译结果表明, 玉麦-桑曲村公路Ⅳ滑坡表层为干燥、孔隙度大的角砾土层, 中上部为湿润的角砾土层, 基岩为中~强风化构造混杂岩, 滑动面为基覆面, 滑动面深度0~20m。本次工作初步查明滑坡体内部物质结构, 为全面筛查工作区地质灾害隐患情形, 查明工作区范围内地质灾害潜伏区域的分布、发育特征和危害程度提供依据。
关键词: 隆子县, 地质灾害, 高密度电法, 滑坡体, 地层划分
DOI: 10.48014/cesr.20240422001
引用格式: 张明圆, 孟诚, 王珑桥, 等. 西藏隆子县地质灾害调查中的物探应用及评估[J]. 中国地球科学评论, 2024, 3(3): 113-124.
文章类型: 研究性论文
收稿日期: 2024-04-22
接收日期: 2024-04-24
出版日期: 2024-09-28
1 工作区概况
1.1 地理概况
隆子县位于西藏地区，地处山南区域南部，喜马拉雅山的东部北侧，行政区划隶属西藏自治区山南市管辖。其矩形地理坐标为:N28°07'00″~28°52'00″，W91°53'00″~93°06'00″，面积为10050.5km2。向北与朗县、加查县相邻，南部与门隅，西侧与措美，东相接珞隅[1]。
本次工作范围位于隆子县东部，为隆子县玉麦乡行政管辖区域。玉麦乡位于隆子县东北部，距隆子县城197km，全乡境域面积3534.99km2，平均海拔3650m，是隆子县境域面积最大的乡，也是通往印占塔克新地区(我国领土)的主要通道。工作区位于玉麦乡场镇北西侧，属于高山峡谷地形地貌，区内河流深切，G219国道穿插而过。
1.2 地质概况
1.2.1 区域地质特征
隆子县境内地层出露较为齐全，太古代到新生代的地层均有出露，县域主要出露寒武系、三叠系、侏罗系、白垩系地层，其余地层出露面积较小。工作区主要出露三叠系上统涅如组一、二段及三叠系上统玉门构造混杂岩，三叠系上统玉门构造混杂岩内分布有数处规模较大的晚三叠世玄武岩块、晚三叠世辉橄岩块、晚三叠世辉绿岩块、辉绿玢岩脉。其区域分布特征见图2所示。
图1 工作区交通位置图
Fig.1 Traffic location map of the work area
图2 工作区地质略图
Fig.2 Geological sketch of the work area
1.2.2 地质构造与地震
隆子县位于西藏南部，地处两大断裂带之间，即雅鲁藏布断裂带和汝巴—都登—阿米里断裂带，隆子县区内的岩体，构造背景隶属西藏的缓慢抬升区;新构造运动主要表现为:缓慢抬升、第四系冰川活动;且在两处断裂地带，岩体所在的河谷区域内，可见多层级阶地，其显示出河流的潜蚀、侵蚀作用，且发育较强烈。
隆子县地壳目前处于相对稳定阶段。但区域隶属于缓慢抬升区域，地震对其构造格架影响较大[1]。据已有资料表明，区域地震动峰值加速度分类，地震的动峰值加速度0.2g;据地震烈度的分类情况，隆子县属Ⅸ度烈度区域。缓慢抬升区内长时间尺度内地震多发生强烈，诱发差异性抬升，形成特殊的地质环境体系，诱发崩塌、滑坡、泥石流等自然灾害的发生。较强地震仍有发生的可能性，构成一定的灾害隐患，且随着缓慢抬升区构造背景格架的延续，可能会不断产生新的地质灾害，继而形成链性灾害[2]。
1.2.3 水文地质
调查区地下水的补给来源，主要为大气降水以及冰川消融。径流与排泄条件严格受到岩石类型及地形地貌条件的控制。
松散岩类孔隙水在盆地边缘和宽谷山前地带接受基岩裂隙水补给，向盆地和谷地中部运移，在河谷两侧多以散状渗出补给河流，地下水动态受大气降雨控制明显。基岩裂隙水含水层的补给来源主要为大气降水和冰川消融，工作区因沟谷切割强烈，地形坡度较陡，地下水径流途径短，有就地补给就地排泄的特点。从宏观上看，地下水径流方向基本与地表水水流方向一致。
1.3 地球物理特征
物探工作区地层主要为三叠系上统玉门构造混杂岩(T3Y)和全新统(Q4)地层。
叠系上统玉门构造混杂岩(T3Y):属于汇聚板块边界特殊地质体，主要形成于俯冲和碰撞两种构造背景之下，在工作区广泛分布，主要由基质和块体组成，基质为灰色、深灰色粉砂质绢云板岩夹深灰色薄层状硅质岩。块体为辉橄岩、超基性岩、纯橄岩、辉绿岩、枕状玄武岩。
全新统(Q4):全新统分布主要集中于河谷地段，沉积类型较为多样，主要有冲积、洪积、残坡积以及崩坡积等。冲积、洪积、残破积、崩坡积岩性主要以碎石土为主，碎石以片状、棱角状为主，分选差，多呈稍密~中密，母岩成分为砂岩、石英砂岩、粉砂质泥岩等，多为强风化，少量呈中等风化状态，粒间以角砾和黄土充填为主。
岩土电阻率随岩性、风化程度及岩石破碎程度的不同，存在一定的差异，第四系覆盖层下部由于松散富水，电阻率一般较低，但第四系覆盖层为上部表层干燥、孔隙度大的角砾石土、碎石土、卵石土层时，则呈现高阻;岩体随风化程度的不同，电阻率亦不同:中~弱风化岩石一般结构致密，电阻率偏高;强风化岩石，岩石结构强度低，岩体节理裂隙发育程度高，岩石破碎程度越高，含水量沿裂隙充填增加，电阻率因导电性增强降低，硅质岩的结构较为致密、孔隙度小，抗风化性能强，电阻率值普遍较高。
表1 工作区主要岩土体电物性参数测定结果统计表
Table 1 Statistical table of measured results of electrical and physical parameters of major rock and soil masses in the work area
|
岩性名称 |
计数 |
电阻率(ohm.m) |
||
|
最小值 |
最大值 |
平均值 |
||
|
板岩(中等风化) |
30 |
1684.3 |
2718.5 |
1875.8 |
|
板岩(强风化) |
30 |
634.5 |
1326.4 |
750.6 |
|
干土 |
30 |
185.3 |
486.5 |
323.7 |
|
湿土 |
30 |
89.5 |
185.6 |
135.6 |
|
合计 |
120 |
/ |
/ |
/ |
通过标本法和野外小四极法对工作区主要岩土体进行了电参数测量(照片2)。标本物性测量采用加拿大GDD公司SCIP岩石电性参数测定仪进行测量。SCIP岩石电性参数测定仪是加拿大GDD公司的明星产品，它是一款可以快速实时测量采集样本、岩芯、露头岩石和钻孔围岩的电阻率和极化率的仪器。它具有体积小、速度快、使用方便、功耗低等特点，适用于室内或野外使用。
从物性测试结果来看，砂质板岩(弱风化)电阻率较高，最大值达2718.5ohm.m，但电阻率测试结果差异较大，这和地层破碎情况、含泥质情况和含水情况有关;湿土电阻率最低，通常在80~180ohm.m;第四系地层因含水情况的差异电阻率有所差异，含水率越高，电阻率越低。因此，通过这种地电性质差异，我们可以利用电阻率法来进行地层划分。
2 技术手段
高密度电阻率法(high-density resistivity method)以常规电法勘探为基础，逐步发展而来的新型勘探方法，自20世纪70年代末期阵列电法探测思想而起源，是浅层地球物理勘查的主要方法之一。该方法能够一次性完成电极全面布设，测量中不再需要跑极等工作，具成本低、数据采集量较大、工作效率较高，地下空间电性异常体可直观准确反映等优点[3]。
高密度电阻率法现已被广泛应用于水文地质、工程地质、活动断裂勘查以及地质灾害调查等诸多领域，采用高密度电阻率勘探技术进行地下水资源勘查在国内已有不少成功案例。
高密度电阻率法测量过程采用保持各个电极排列顺序的固定排布，通过时不停地沿测线变换电极之间的距离，利用逐点观测实测数据，绘制视电阻率断面图，以正演为基础进行反演计算，从而可最终得到真实地下结构的二维视电阻率剖面，其工作原理及流程见图3。
图3 高密度电阻率法测量原理示意图
Fig.3 Schematic diagram of the measurement principle of High-Density Resistivity Method
3 方法应用
本次物探工作区位于玉麦乡北西侧“V”型沟谷北东侧山体，国道G219曲折穿插而过，滑坡命名为玉麦—桑曲村公路Ⅳ滑坡，为一土质滑坡。上部沟口区域为冲洪积扇体，物质成分以粘土、亚粘土为主，饱水;滑坡体中部表层多为角砾土，砾径20~200cm不等，砾石成分主要为板岩、辉长岩等，松散杂乱堆积，孔隙度较大。下部为滑坡前缘，植被茂密，第四系堆积体较厚，表层以腐殖土层为主。滑坡未见明显剪出口，滑坡体内部也未见拉张裂缝或剪切裂缝，滑坡南侧边界为玉门雄曲。由于该区域地形较陡(平均坡度大于30°)，交通工程削坡导致第四系堆积物不稳定，部分区域出现地面沉降、坍塌等现象[4]。
根据实施方案要求，工作区物探剖面共布置4条(2横2纵)，方向大致垂直，剖面布设主要以控制滑坡体边界为原则，并综合地形条件综合布置，测线总长度约1805.6m，完成测点218个，剖面及点位布置见图4。
图4 高密度电法测量测线位置分布图
Fig.4 Location distribution map of survey lines measured by High-Density Resistivity Method
4 数据结果及分析
数据采集开始前，进行仪器设备检查，保证仪器设备、配件等设施齐全，仪器质检合格，并进行了仪器稳定性试验和方法选择试验。本次工作采用高密度数据处理使用瑞典Res2Dinv软件进行数据处理和反演，采用Surfer12软件、CorelDrw X8软件进行成果数据编辑和成果图件输出。
4.1 数据处理
高密度电阻率法数据处理的一般流程为:高密度电阻率法测量的数据处理的一般流程为:(1)导入实测数据并进行数据转换，剔除干扰信号和跳跃点;(2)如有起伏地形、导入地形文件，地形坡度过大是，进行地形校正处理;(3)数据滤波和圆滑处理，压制测量过程中的随即干扰;(4)选择合适的方法和参数进行反演，并生成边界白化文件和色标文件;(5)网格化文件和白化处理;(6)图形编辑成图[15]。
本次高密度电法测量工作采用瑞典Res2Dinv高密度电阻率数据二维反演软件进行数据处理，选择最小二乘法进行反演，为保证反演成果最大程度接近真实值，迭代次数程序通常使用1~3次、收敛误差值一般小于10%，采用Surfer12软件进行对数据分别网格化、光滑、白化等编辑处理及成图，反演过程及模型见图5。
图5 PM01剖面反演模型图
Fig.5 Inversion model diagram for PM01 profile
4.2 解译分析
4.2.1 推断准则建立
物探解译工作并遵循从已知到未知，从局部到整体，定性解释与定量解释相结合的基本分析方法，充分收集各方面资料(地面调查、地球物理、钻探等)进行综合解释。
青藏高原地区由于构造变形作用强烈，昼夜温差大，特别是冰雪覆盖区，广泛分布有区域变质岩、构造混杂岩，极易风化堆积形成滑坡。根据本区地层岩性组合特征，建立以下推断解释准则。
(1)岩石地层的电阻率与自身性质和赋存物质有关，第四系表层角砾土，干燥、松散堆积、孔隙度大，表现为中高阻;第四系冲洪积扇体，物质组成为粘土或亚粘土，地层饱水，表现为低阻特征;第四系碎石土层，主要包括沟谷下部区域大量堆积的残坡积物，因含水情况差异电阻率不同，通常为中低阻特征;第四系下层角砾土，结构稍密，通常少量含水，湿润，表现为中低阻层;第四系冲洪积卵砾石层，位于河道及两侧区域，孔隙度大，受河流侧向补给作用被地下水充填，表现为大范围低阻特征;强风化构造混杂岩，基质通常为易风化板岩，节理裂隙发育，被地下水充填，表现为低阻特征;中~弱风化构造混杂岩，基质通常为机构致密的硅质岩，块体通常为岩浆岩，孔隙度小，抗风化能力强，表现为高阻特征。
(2)当电阻率等值线在小范围内具有较为明显梯度的变化，或某一处两侧的电阻率出现明显差异，可以推测为岩/土界面，基岩与第四系分界面，可以推测为滑动面。
(3)当电阻率断面图上断层两侧出现电阻率突变现象，则为断层造成了相互地层错动。再者，在垂直于构造测线上出现较陡立的低阻异常，则为判断断层展布的主要标志，因为断层活动使断层层面及附近出现构造破碎带[6]。
4.2.2 剖面测量及解译
PM01:剖面地形起伏变化较大，整体电性结构差异明显，物性层位清晰，能够反映斜坡内部情况，根据地表调查及剖面电性特征，将剖面物质组成主要划分为表层角砾土、冲洪积扇体粘土(亚粘土)、下层角砾土、中等风化构造混杂岩(硅质岩)、强风化构造混杂岩(板岩)五类物质成分(图6)。
图6 PM01剖面高密度电法反演解译成果图
Fig.6 Interpretation result of High-Density Resistivity Method inversion for PM01 profile
表层角砾土:分布于斜坡中~下部表层，厚度0~5m，由于角砾石块松散杂乱堆积，在表层形成大小不一的空洞区，地层导电性差，总体表现为中高阻特征;冲洪积扇体:分布于斜坡上部靠近沟口区域，成分主要为粘土、亚粘土，长期受上部冲沟雨水或冰雪融水补给、地层饱水，表现为低阻特征;下层角砾土:在剖面上表现为条带状中低阻异常区，且横向上具有较好的连通性，厚度10~15m;中等风化构造混杂岩:以硅质岩或岩浆岩为主，结构致密，表现为中高阻特征，分布于剖面垂向结构的中下部，厚度约20m;强风化构造混杂岩:基质以板岩为主，节理裂隙发育，岩石破碎严重，地下水丰富，表现为低阻特征，该异常在剖面上未闭合;构造破碎带:低阻条带特征，电性特征通常表现为切割或梯度变化，位于剖面里程160~200m，深度约20m。
zk01、zk02分别位于剖面里程120m、255m处，钻孔深度分别为25.1m、26.1m。zk01钻孔编录显示0~20.3m为碎石角砾土或角砾碎石土，20.3~25.1为中~强风化构造混杂岩，推测滑动面位于20.3m;zk02钻孔编录显示0~25.2m为第四系堆积层，成分为碎石土、角砾土或泥砾土，13.6m具有稳定地下水位，25.2~26.1m为强~全风化构造混杂岩，推测滑动面位于20.8m;物探解译结果与钻探结果差异较小。
PM02:剖面地形起伏变化较大，电性结构垂向变化特征与PM01剖面类似，根据地表调查及剖面电性特征，将剖面物质组成主要划分为卵砾石土、碎石土、表层角砾土、下层角砾土、中等风化构造混杂岩、强风化构造混杂岩六类物质成分(图7)。
图7 PM02剖面高密度电法反演解译成果图
Fig.7 Interpretation result of High-Density Resistivity Method inversion for PM02 profile
第四系冲洪积卵砾石层，位于玉门雄曲河道及两侧深部区域，受河流侧向补给作用被地下水充填，表现为大范围低阻特征;表层角砾土:分布于剖面前半段表层，厚度0~5m，由于角砾石块松散杂乱堆积，总体表现为中高阻特征;碎石土:第四系残坡积物，分布于玉门雄曲南岸林地，中低阻特征;下层角砾土:分布于剖面前半段中上部，在剖面上表现为条带状中低阻异常区，且横向上具有较好的连通性，厚度10~15m;中等风化构造混杂岩:以硅质岩或岩浆岩为主，结构致密，表现为高阻特征，分布于剖面垂向结构的中下部，厚度10~30m;强风化构造混杂岩:基质以板岩为主，节理裂隙发育，饱含地下水，表现为低阻特征，该异常在剖面上未闭合;构造破碎带:低阻特征，电性特征通常表现为切割或梯度变化，位于剖面里程120~160m，深度约20m。
zk04钻孔位于剖面里程182.4m处，钻孔深度分别为25.1m。zk01钻孔编录显示0~20.1m为第四系堆积层，成分为碎石土、角砾土或泥砾土，23.1~25.1为中~强风化构造混杂岩，推测滑动面位于17.8m;钻探验证情况表明:高密度电法推断的滑动面位置与zk04大致吻合。
PM03:剖面电性结构相对简单，整体呈现中~高阻特征，根据地表调查及剖面电性特征，将剖面物质组成主要划分为表层角砾土、下层角砾土、中等风化构造混杂岩、强风化构造混杂岩四类物质成分(图8)。
图8 PM03剖面高密度电法反演解译成果图
Fig.8 Interpretation result of High-Density Resistivity Method inversion for PM03 profile
表层角砾土:分布于剖面上部表层，厚度0~10m，由于角砾石块松散杂乱堆积，总体表现为中高阻特征。下层角砾土:分布于垂向结构的中上部，在剖面上表现为条带状中低阻异常区，且横向上具有较好的连通性，厚度10~15m;中等风化构造混杂岩:以硅质岩或岩浆岩为主，结构致密，表现为高阻特征，剖面上厚度较大;强风化构造混杂岩:分布于剖面中后段的深部区域，基质以板岩为主，节理裂隙发育，饱含地下水，表现为低阻特征，该异常在剖面上未闭合;构造破碎带:低阻特征，电性特征表现为切割或梯度变化特征，位于剖面里程200~240m，深度约20m。
PM04:剖面电性结构相对简单，整体呈现中~高阻特征，根据地表调查及剖面电性特征，将剖面物质组成主要划分为表层角砾土、下层角砾土、中等风化构造混杂岩、强风化构造混杂岩四类物质成分(图9)。
图9 PM04剖面高密度电法反演解译成果图
Fig.9 Interpretation result of High-Density Resistivity Method inversion for PM04 profile
表层角砾土:分布于剖面上部表层，厚度0~20m(剖面里程100~160m后斗较大)，由于角砾石块松散杂乱堆积，总体表现为中高阻特征。下层角砾土:分布于垂向结构的中上部，在剖面上表现为条带状中低阻异常区，且横向上具有较好的连通性，厚度10~30m;中等风化构造混杂岩:以硅质岩或岩浆岩为主，结构致密，表现为高阻特征，剖面上厚度较大;强风化构造角砾岩:分布于剖面中后段的深部区域，基质以板岩为主，节理裂隙发育，饱含地下水，表现为低阻特征，该异常在剖面上未闭合;构造破碎带:低阻特征，电性特征通常表现为切割、梯度变化，位于剖面里程280~330m、410~420m，深度20~30m。
zk03钻孔位于剖面里程537.6m处，钻孔深度分别为23.0m。zk03钻孔编录显示0~20.5m为第四系堆积层，成分主要为角砾碎石土或碎石角砾土，20.5~23.0为中~强风化板岩、硅质岩，推测滑动面位于20.5m;高密度电法推断解译结果与钻探结果大致吻合。
5 结论
本次工作通过在玉麦—桑曲村公路Ⅳ滑坡开展高密度电法测量工作，通过数据处理、反演并结合地面调查、钻探等资料进行了综合解译，取得了如下成果认识:
(1)通过物性测量将工作区主要地层分为3个电性层，即低阻层(冲洪积扇粘土、亚粘土;冲洪积卵砾石)、中低阻层(碎石土;下层角砾土;强风化板岩)、中高阻层(表层角砾土;中等风化硅质岩)。
(2)实施完成4条高密度剖面共计218点、1.805km的地球物理测量工作，并结合地面调查、钻探编录等资料进行了综合解译，分析了剖面深部地球物理特征，并根据异常形态和特征进行了地层划分。
(3)高密度反演解译结果表明，玉麦—桑曲村公路Ⅳ滑坡表层为干燥、孔隙度大的角砾土层，中上部为湿润的角砾土层，基岩为中~强风化构造混杂岩，滑动面为基覆面，滑动面深度0~20m
6 下一步工作建议
(1)开展反演方法和迭代次数的对比试验分析，结合测区地质情况，选择合适的反演方法和迭代次数，分析实际应用效果。
(2)由于测区地形起伏大，地形条件和随机产生的人为干扰对物探数据采集存在一定影响，加之物探资料的解释存在多解性，如有不妥，需要对资料开展进一步验证。
利益冲突: 作者声明无利益冲突。
[②] *通讯作者 Corresponding author:孟诚，459008539@qq.com
收稿日期:2024-04-22; 录用日期:2024-04-24; 发表日期:2024-09-28
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Application and Evaluation of Geophysical Prospecting in Geological Disaster Investigation in Lhünzê County, Xizang Autonomous Region
(China Geological Survey Military-Civilian Integration Geological Survey Center, Chengdu 610037, China)
Abstract: The role of geophysical work in geological disaster investigation has gradually become more and more prominent, especially in high-altitude areas such as Tibet, "CT for the earth" to detect regional geological disasters is convenient and reliable; In this work, high density electrical profile survey was carried out in Longzi County, Xizang Autonomous Region to divide strata. The location, contour, scale and burial depth of anomalous bodies were accurately interpreted in combination with field investigation and drilling data, and the location and extension direction of special geological bodies in the target area were identified. In this work, ① the main strata in the working area are divided into three electrical layers by physical property measurement, namely, low resistivity layers (alluvial fan clay, subclay; Alluvial gravel) , mediumto- low resistance layer (gravel soil; Lower breccia soil; Highly weathered SLATE) , medium-to-high resistivity layer (surface breccia soil; Moderately weathered siliceous rock) ; (2) Combined with the ground survey, drilling records and other data, the deep geophysical characteristics of the section are analyzed, and the stratigraphic division is carried out according to the abnormal morphology and characteristics; (3) Highdensity inversion interpretation results show that the surface layer of landslide Ⅳ in Yumai-Sangqucun Road is dry breccia soil layer with large porosity, the middle and upper part is wet breccia soil layer, the bedrock is medium-strong weathered structural melange, and the sliding surface is the base covering surface with a depth of 0~20 meters. This work preliminarily identified the internal material structure of the landslide, providing a basis for comprehensively screening the hidden geological disaster situation in the working area, and identifying the distribution, development characteristics and harm degree of the geological disaster latent area within the work area.
Keywords: Longzi County, geological disaster, high-density electrical method, landslide, stratigraphic division
DOI: 10.48014/cesr.20240422001
Citation: ZHANG Mingyuan, MENG Cheng, WANG Longjiao, et al. Application and evaluation of geophysical prospecting in geological disaster investigation in Lhünzê County, Xizang Autonomous Region[J]. Chinese Earth Sciences Review, 2024, 3(3): 113-124.