激发极化法探测滑坡应用系列研究（三）：岩冰川案例——定量表征冰水含量与失稳机理

《Geophysical Journal International》：Induced polarization applied to landslides. Part 3: The case of rock glaciers

本研究针对高山地区岩冰川失稳灾害预测难题，创新性地应用时间域激发极化法（IP）对法国Vanoise国家公园Plan-du-Lac多单元岩冰川复合体开展精细探测。通过反演电导率（σ）和归一化充电率（Mn）层析成像，首次实现岩冰川内部液态水含量（θ）、阳离子交换容量（CEC）和冰体积含量（φi≤16%）的定量刻画，揭示其根部仍存在活动性冰体与地表形变区的空间耦合关系。该研究为粗粒材料滑坡的水冰动力学机制研究提供了新的地球物理范式。

　　

在全球气候变化背景下，高山永久冻土区岩冰川（rock glacier）的失稳现象日益频发，成为阿尔卑斯山区域亟待解决的地质灾害难题。这些由岩石碎屑、冰、液态水和空气组成的特殊地貌，其运动机制主要依赖于底部薄层剪切带的蠕变变形。然而，传统电阻率法（ERT）在区分高阻异常时存在固有局限——无法辨别岩屑中的空气填充空隙与冰体赋存区，这严重制约了对岩冰川活动状态的精准判断。

为突破这一技术瓶颈，由法国萨瓦勃朗峰大学André Revil教授领衔的国际团队，在系列研究前两篇聚焦粘土质滑坡的基础上，将激发极化法（Induced Polarization, IP）的创新应用拓展至粗粒材料主导的岩冰川系统。研究团队选择法国Vanoise国家公园Plan-du-Lac岩冰川复合体（北纬45°12'，东经6°45'）作为关键解剖对象，该区域呈现典型的多单元结构：下游单元（PDL1-PDL3）为化石态（relict），而上游单元（PDL4-PDL5）根部仍存在年位移量达30-100厘米的蠕变区（通过合成孔径雷达干涉测量InSAR验证），是研究过渡态（transitional）岩冰川水冰耦合机制的天然实验室。

研究人员于2023年8月布设了四条IP剖面（总电极数196个）：两条横向高分辨率剖面（P1、P3，电极间距5米）和两条纵向深部探测剖面（P2、P4，电极间距20米），使用ABEM Terrameter LS2系统以全波形模式采集数据（采样频率2 kHz）。通过设置1秒电流注入周期（T=1 s）和0.1秒死区时间（dead time），有效压制电磁耦合效应，并采用13个0.1秒时间窗解析二次电压衰减曲线。数据反演依托pyGIMLi开源库，采用高斯-牛顿算法获得电导率（σ）和充电率（m）的二维分布，进而计算归一化充电率（M_n=σ×m）。

在定量解释阶段，团队创新性地融合动态斯特恩层模型（Dynamic Stern Layer model）与机器学习聚类算法：首先基于Waxman-Smits方程从σ和M_n反演液态水含量θ=√[(σ-M_n/R)/σ_w]和粘土含量指标CEC（单位meq/100 g），其中σ_w通过岩冰川前缘泉水实测确定为（210±20）μS/cm（25°C校正值）；继而运用k-means++聚类算法在logσ-logM空间识别出5类岩性单元，针对冰体赋存区（Cluster 3）引入半导体极化理论，通过修正的电荷量模型M=M_b+(9/2)φ_i计算冰体积分数φ_i（校正因子a=10）。

剖面结构与物质组成

电性层析成像清晰揭示了岩冰川体与基底的物性差异：横向剖面P1和P3显示，岩冰川主体由高阻（ρ>10⁴ Ω·m）、低极化（M_n<10^-3 S/m）的岩石碎屑组成，与导电性更强的云母片岩基底形成鲜明对比。水含量反演结果证实岩冰川体饱和度普遍低于20%，CEC值小于1 meq/100 g，符合贫粘土碎屑特征。

冰体空间分布规律

纵向剖面P2和P4的聚类分析发现，岩冰川根部（海拔>2580米）存在典型冰体响应区（Cluster 3），其特征为超高电荷率（M>0.1）与极高电阻率（ρ>2×10⁴ Ω·m）共存。冰含量量化显示：P2剖面最大冰体积分数为10%，P4剖面达16%，且高冰含量区与InSAR识别的蠕变区（Z1、Z2）高度吻合。值得注意的是，下游单元（如PDL1）虽呈现高阻特征，但其低电荷率（M<0.01）排除了冰体存在的可能性，证实为空气填充碎屑。

水文结构三维重建

通过整合四条剖面数据，构建了岩冰川复合体的三维水含量模型：岩冰川体厚度约30-40米，底部存在连续含水层（θ>30%），这与前缘泉水的高流量排放现象相互印证。上游蠕变区冰体呈透镜状分布，其底部界面与液态水饱和带相接，这种水-冰共存结构为理解热力学作用下的剪切带液化机制提供了关键证据。

本研究通过多尺度IP探测与物理模型驱动的反演策略，成功实现了三个突破性进展：首先，证实IP方法可有效区分岩冰川中空气填充碎屑与冰体赋存区，解决了传统电阻率法的解释歧义；其次，首次在Plan-du-Lac岩冰川根部量化了冰含量空间分布，揭示其与地表蠕变的直接关联；最后，建立了适用于粗粒材料的水-冰-岩多相体系地球物理解释流程。该成果不仅为阿尔卑斯山区域岩冰川灾害风险评估提供了精准的探测范式，更开创了将IP方法应用于过渡态岩冰川动力学研究的新路径。未来结合时序IP监测与热-水-力耦合模型，有望进一步揭示气候变暖背景下岩冰川失稳的触发机制。

（论文发表于《Geophysical Journal International》，DOI: 10.1093/gji/ggaf446）