藏東昌都覺學紅層滑坡的地質(zhì)成因分析

李洪梁, 陳 龍, 楊 棟, 張佳佳, 田 尤,蔡佳君, 王 靈, 李寶幸,4

(1. 中國地質(zhì)科學院探礦工藝研究所, 四川 成都 611734; 2. 中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災害防治技術中心, 四川 成都 611734; 3. 西南石油大學土木工程與測繪學院, 四川 成都 610500; 4. 中國地質(zhì)大學 (北京) 地球科學與資源學院, 北京 100083)

0 引言

紅層由于其特殊的工程地質(zhì)特性,如水理性質(zhì)差、膨脹崩解嚴重、物理力學強度低等,屬于典型的易崩、易滑地層(張濤等,2017;李江等,2015;2016;耿興福等,2014;殷坤龍等,2014;武鵬,2015),在強降雨、地震等突發(fā)因素或公路、鐵路建設等工程活動影響下,常發(fā)生大規(guī)?；?影響工程施工,甚至造成人員傷亡。 中國紅層廣泛發(fā)育,主要分布在西北、西南和中南及東南,其中以西南地區(qū)紅層研究程度較高,主要涉及揚子地臺西南四川、重慶和湖北等地,主要發(fā)育滑坡和崩塌(程強等,2004;張明等,2014;吳紅剛等,2010;吳瑋江等,1993)。 隨著川藏交通建設的推進,中國地質(zhì)調(diào)查局圍繞交通廊道內(nèi)面臨的地質(zhì)安全問題開展了大量基礎與災害地質(zhì)調(diào)查工作,為其規(guī)劃設計提供技術支撐(李洪梁,2021a;2022)。 在此過程中,項目組在藏東昌都地區(qū)發(fā)現(xiàn)大面積分布三疊系(T)和侏羅系(J)紅層,紅層沿吉多—類烏齊—昌都—察雅—阿孜呈北西南東向展布,延伸長逾600 km,寬度約100 km,面積近6萬km2,暫命名為“藏東昌都紅層區(qū)”。 區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害廣泛發(fā)育,主要以崩塌和滑坡為主,其中滑坡多為大型,主要分布于瀾滄江河谷兩岸,使坡腳居民面臨著嚴重威脅。

針對紅層滑坡,眾多學者對其成因和演化機制進行了大量研究,如黃潤秋等(2003,2004,2007)、Huang et al.(2011) 通過對揚子地臺區(qū)典型滑坡案例分析,提出了滑移-拉裂-剪斷模式、平推模式、擋墻潰決模式、蠕滑-彎曲-剪斷模式和傾倒變形模式;范宣梅等(2008)和杜巖等(2019)在此基礎上對平推模式進行了深化;吳紅剛等(2010)利用地質(zhì)分析和室內(nèi)模型試驗相結合的手段提出紅層滑坡的變形與成因機制為:“原始地貌→坡體卸荷松弛→巖土強度衰減→坡體整體滑移”;在川藏交通廊道,張永雙等(2021)以地貌特征、斜坡巖體結構、觸發(fā)條件等為基本要素,總結歸納了堆積體滑移型、順層滑移拉裂型、卸荷剪斷型、巖溶貫通拉裂型、崩滑潰散型和構造控制型等6 種地質(zhì)力學模型。 毫無疑問,這些研究成果為紅層滑坡的成因機制研究奠定了理論基礎,也多被應用于工程實踐中,但研究方法多采用物理模擬試驗或工程地質(zhì)分析(陶志剛等,2021;馬文著等;2020;蔡俊超,2020;譚儒蛟等,2009;任光明等,2003;鄭達等;2019),側重于從地質(zhì)體現(xiàn)狀分析災害成因,對地質(zhì)體的形成和演化過程卻鮮有涉及。 同時,由于不同區(qū)域構造體制的巨大差異,很多成因機制無法應用于受大陸碰撞造山作用影響的青藏高原東緣。

本文以藏東昌都市主城區(qū)西側約800 m、瀾滄江右岸的覺學紅層滑坡為例,通過詳實的野外地質(zhì)調(diào)查,結合區(qū)域地質(zhì)演化,以基礎地質(zhì)為切入點,分析其形成機理,以期豐富和完善紅層滑坡的成因研究,為后續(xù)滑坡的防治工作和川藏交通建設提供基礎參考資料。

1 地質(zhì)背景概述

研究區(qū)大地構造位置位于青藏高原東緣金沙江縫合帶與瀾滄江縫合帶之間的北羌塘-昌都-思茅地體東段南側(潘桂棠等,2009),緊鄰瀾滄江縫合帶北側(圖1a),該縫合帶所代表的瀾滄江古特提斯洋演化依次經(jīng)歷了早寒武世—晚三疊世的打開、擴張、俯沖削減到閉合的完整威爾遜旋回(范建軍等,2014;許志琴等;2013;魏君奇等,2008;李才,2008),同時也是印度與歐亞大陸碰撞造山作用的強烈影響區(qū)域。 區(qū)內(nèi)構造線與區(qū)域構造線一致,呈北西—南東向展布,斷裂、復式褶皺密集發(fā)育(圖1b),常常組成小型褶沖帶,層間及切層剪切作用極為強烈。 地層主要分布下侏羅統(tǒng)汪布組(J1w)、中侏羅統(tǒng)東大橋組(J2d)和上侏羅統(tǒng)小索卡組(J3x),巖性以紫紅色、紅色薄—中層砂巖、粉砂巖和泥巖為主,局部夾紫紅色中層礫巖,是藏東昌都紅層區(qū)的主要組成部分。 新生代以來,伴隨青藏高原的強烈隆升,瀾滄江縫合帶復活轉(zhuǎn)化為右旋斜沖斷裂,區(qū)域大面積出現(xiàn)整體間歇性掀斜抬升和垂直差異升降運動,地震、水熱活動較為發(fā)育,具有繼承性、新生性和間歇性的特點(潘桂棠等,2020a)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)背景圖(圖a 據(jù)許志琴等,2011)Fig.1 Geological background map of the study area (after Xu et al.,2011 for figure a)

覺學紅層滑坡位于青藏高原東緣他年他翁山與芒康山夾持的瀾滄江河谷右岸,河流侵蝕作用強烈,地勢險要,切割深,起伏大,總體表現(xiàn)為高原高山峽谷地貌。 受內(nèi)外地質(zhì)營力作用耦合的影響,山脈、河流走向與區(qū)域構造線一致,且具有“向斜成山、背斜呈谷”的地貌特征。 區(qū)內(nèi)夏季氣候溫和濕潤,冬季氣候干燥寒冷,空氣稀薄,光照充足,年溫差小,日溫差大,干濕分明,總體屬于高原溫帶半濕潤半干旱山地季風氣候。 年降水量為 450 ~ 570 mL,夏秋多雨,雨季集中在5 ~9 月份。

2 覺學紅層滑坡基本特征

2.1 斜坡結構特征

區(qū)域構造演化形成的斜坡結構及其內(nèi)部結構面組合特征是滑坡地質(zhì)災害形成的主控因素之一,為此對滑坡區(qū)域進行了詳實的基礎地質(zhì)調(diào)查。 滑坡區(qū)地層為中侏羅統(tǒng)東大橋組(J2d),巖性為紫紅色或橘紅色、灰色薄—中層泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾同層厚的砂巖,兩者厚度比例介于 3∶1 ~10∶1 之間。 覺學滑坡位于區(qū)域復式向斜的北東翼(圖1b),滑坡后緣更靠近復式向斜核部,層間小褶皺極為發(fā)育,以“M”型和“S”型為主(圖2a),但從局部來看,滑坡四周地層均呈單斜構造產(chǎn)出,地層原生層理產(chǎn)狀約:240°∠60°(S0),斜坡坡面(SP)產(chǎn)狀:40°∠53° ~18°,兩者傾向相反,形成典型的反向坡。

由于地處金沙江縫合帶與瀾滄江縫合帶之間,伴隨強烈的印度-歐亞板塊強烈的造山作用和由此導致的青藏高原巨量隆升,加上滑坡區(qū)地層巖性主體以物理力學性質(zhì)弱的泥質(zhì)巖為主,地層內(nèi)與褶皺、斷層配套的構造結構面,如軸面劈理和“X”型共軛剪節(jié)理,極為發(fā)育。 其中,軸面劈理與復式向斜配套,在滑坡后緣中侏羅統(tǒng)東大橋組(J2d)地層內(nèi)的次級褶皺內(nèi)極為發(fā)育,且較為完整,呈扇狀分布(圖2b-d)。 覺學紅層滑坡區(qū)分布的軸面劈理主要呈半扇形分布在復式向斜北東翼,是向斜軸面劈理的一部分,產(chǎn)狀約為:25°∠(81° ~45°)(S1)(圖 2e);“X”型共軛剪節(jié)理在整個昌都地區(qū)均有發(fā)育,且產(chǎn)狀變化不大,是區(qū)域北東—南西向構造應力的產(chǎn)物,產(chǎn)狀分別為:119°∠59°(S2)、321°∠74°(S3),節(jié)理面光滑、平直(圖2f-h),延伸遠,局部可見低溫熱液活動形成的方解石薄膜,薄膜上可見節(jié)理面剪切形成的釘子痕和階步(圖2i),表明節(jié)理面透入性強,且曾有過地下水熱液活動。 另外,由于褶皺廣泛發(fā)育,順層剪切作用強烈,在層內(nèi)形成了密集的層間剪切劈理(S4),但因不同巖性層之間的劈理面存在劈理折射(圖2e、j),因此未單獨進行產(chǎn)狀測量。除構造結構面外,斜坡內(nèi)還發(fā)育重力、風化及斜坡物理地質(zhì)作用形成的張性卸荷裂隙,發(fā)育深度較淺,其產(chǎn)狀與斜坡坡面產(chǎn)狀較為接近,裂隙面呈不規(guī)則的鋸齒狀,上寬下窄,延伸距離短,透入性弱。

圖2 滑坡區(qū)地質(zhì)構造與結構面特征圖Fig.2 Geological structure and structural plane characteristic map of landslide area

2.2 滑坡特征

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),覺學紅層滑坡總體滑向約21°,與褶皺樞紐走向垂直,與軸面劈理(S1)傾向接近?；卤睎|側與南西側為季節(jié)性小沖溝,滑坡后緣位于反傾斜坡中下部,高程約3692 m,前緣為瀾滄江右岸一支溝溝口(圖1b),高程為3462 m,相對高差約230 m。 按照攝影測量規(guī)范化流程(李洪梁等,2019a;2020;2021b),采用無人機載Lidar 獲取去植被后的滑坡區(qū)DEM,可見后緣地層反傾特征明顯(圖3a)。 滑坡區(qū)地形總體較陡,滑坡后壁產(chǎn)狀與軸面劈理(S1)產(chǎn)狀近于一致,坡度約53°,滑體后部相對平緩,具微弱的高低起伏現(xiàn)象,坡度約18°。 滑體中部微地形顯著,發(fā)育次級弧形或圈椅狀滑坡后壁(圖3b),指示主滑體形成后曾發(fā)生過二次滑坡。 滑體平面呈舌狀或長條狀,縱長約650 m,寬度介于約220 ~460 m,平均約300 m。

覺學紅層滑坡堆積體主要由碎石塊土、砂土和粉土組成,以砂土和粉土為主,約占總體積的60%~70%,主要巖性為泥質(zhì)巖。 碎石塊土體積占比約30% ~40%,呈角礫狀,長軸粒徑多在5 ~30 cm,主要巖性為砂巖。

由于地表及滑坡后緣植被覆蓋,除在滑坡后緣右側軸面劈理(S1)面發(fā)育滑動留下的階步(圖3c)外,并未見到明顯的滑帶與滑面。 不過,野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),滑坡前緣發(fā)育3 處串珠狀地下水滲流點(圖3d),且沿基覆界面展布,表明基覆界面已貫通,暗示基覆界面應為滑坡滑面。 鉆探工程的揭露表明,滑帶位于潛水面之下,厚度介于1.8 ~5.5 m 之間,可能在形成過程中追蹤、改造原有結構面而呈波狀或階梯狀起伏(圖3e)。 由于滑體及滑坡區(qū)地層巖性以泥質(zhì)巖為主,在地下水的改造下極易軟化,因而鉆孔內(nèi)滑面及滑帶特征難以保留。

鉆孔編錄資料也能很好的印證這一推論。 以ZK06 鉆孔19.2 ~28.8 m 的揭露情況(圖3e)為例可見,19.2 ~23.1 m 為紫紅色含碎石土,濕度較大,碎石呈角礫狀,巖性為砂巖,含量在15% ~20%之間,最大粒徑約1.5 cm,無分選性,與滑坡堆積體物質(zhì)組成相似;23.1 ~25.4 m 為紫紅色粉土、黏土,含少量( <5%)次棱角狀—次圓狀碎石,粒徑小于0.5 cm,巖性為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖,其刻劃硬度小于指甲。 該段土體總體濕潤,含泥量大,遇水軟化嚴重,干燥后可見明顯收縮紋。 這些特征表明滑體在滑動剪出過程中大部分碎石經(jīng)歷擠壓碾磨,形成了細粒的粉土或黏土,出現(xiàn)了碎石含量降低、泥質(zhì)物質(zhì)含量升高的現(xiàn)象,由此推測該段為滑帶土,厚度約2.3 m;25.4 m~ 28.2 為中侏羅統(tǒng)東大橋組(J2d)基巖,層理清晰,巖性為砂巖、泥質(zhì)粉砂巖,與上覆滑帶土之間呈現(xiàn)明顯的突變接觸。 由于泥質(zhì)巖透水性差,基覆界面就成了地下水滲流的良好通道。

以此為基礎,綜合各鉆孔的揭露情況認為,滑坡堆積體厚度變化于21 ~42 m 之間(圖3e),平均厚度約28 m,由此估算的滑坡堆積物體積約為546萬m3,屬大型滑坡。

圖3 覺學紅層滑坡工程地質(zhì)特征Fig.3 Engineering geological characteristics of Juexue red strata landslide

3 覺學紅層滑坡形成機理探討

不同區(qū)域的滑坡由于區(qū)域地質(zhì)條件的差異,有著不同的成因機制,表明區(qū)域地質(zhì)演化對滑坡等地質(zhì)災害形成的具有控制作用,但在進行成因分析時,很多學者多強調(diào)從滑坡形成后滑帶及滑體的工程地質(zhì)學特征入手,往往造成基礎地質(zhì)與災害地質(zhì)的脫節(jié),難以把握地質(zhì)災害形成的本質(zhì)原因(張永雙等,2009;2020;李曉等,2008;李洪梁等,2022)。因此,作者以覺學紅層滑坡為例,結合區(qū)域地質(zhì)演化特征,分析滑坡區(qū)地層的沉積環(huán)境,探討滑坡區(qū)地質(zhì)構造與區(qū)域構造演化的關系,以及滑坡區(qū)地質(zhì)構造特征在滑坡形成過程中扮演的角色。 最后,討論地下水動力等外動力地質(zhì)作用在區(qū)域地質(zhì)格架形成之后對滑坡發(fā)育的促進作用。

3.1 沉積相控制巖體物理力學性質(zhì)

沉積相,即沉積物形成的環(huán)境、條件和特征的總和,是一定沉積環(huán)境下形成的具一定巖性和古生物標志的地層單元(吳崇筠等,1981)。 前已述及,覺學紅層滑坡所在的昌都紅層地區(qū)位于金沙江縫合帶與瀾滄江縫合帶之間(圖1a),受晚二疊世(P3)海西運動和中三疊世(T2)印支運動影響,瀾滄江洋和金沙江洋相繼閉合形成三江聯(lián)合地體增生于揚子克拉通西緣。 晚三疊世(T3),昌都地區(qū)發(fā)生陸內(nèi)拉張拗陷形成昌都盆地之后,受金沙江造山帶和北瀾滄江造山帶的雙向擠壓影響,盆地快速萎縮,期間接收沉積形成了碎屑巖夾碳酸鹽建造。 到了侏羅紀(J),西側怒江洋盆逐漸打開,昌都盆地再次打開形成陸內(nèi)湖泊環(huán)境, 在炎熱干旱和氧化環(huán)境下接受周緣巖石風化、剝蝕、搬運而來的碎屑物質(zhì)沉積,依次形成了覺學紅層滑坡所在區(qū)域上的下侏羅統(tǒng)汪布組(J1w)、中侏羅統(tǒng)東大橋組(J2d)和上侏羅統(tǒng)小索卡組(J3x)紫紅色泥巖、泥質(zhì)巖夾砂巖(Liu et al.,2013;曹代勇等,2019;占王忠等,2018;Chung et al.,2005;吳悠等,2010;唐菊興等,2006;潘桂棠等,2020b;王保弟等,2021;An et al., 2001;朱弟成等,2021)。 在此過程中形成的三疊系(T)、侏羅系(J)地層也就是如今我們所見的“藏東昌都紅層區(qū)”的雛形。

從沉積學角度來看,泥巖及粉砂質(zhì)泥巖為泥質(zhì)結構,粒度細,在沉積過程中極易受水動力條件的改變而形成細層,因此層理極為發(fā)育,一次水動力條件下形成的單層泥質(zhì)巖厚度多小于5 cm(圖4a)。從巖石物理力學性質(zhì)來看,泥質(zhì)巖水理性質(zhì)差、膨脹崩解嚴重(圖4),屬軟巖范疇,極易受到后期風化作用的改造。 相比較而言,砂巖粒度較粗,膠結較好,單層厚度較大(圖4b),物理力學性質(zhì)也相對較好,抗風化能力強于泥質(zhì)巖,但由于受物源補給和沉積過程中的物理分選作用的制約而形成了侏羅系(J)以泥質(zhì)巖為主的“軟夾硬”的地層結構(圖4c)。 在泥巖夾砂巖組成“軟夾硬”地層結構中,泥巖作為非能干性層,砂巖則為相對能干性層,在受到擠壓應力形成縱彎褶皺過程中,極易發(fā)生層間滑動剪切,會在層內(nèi)形成剪切劈理。 由于泥巖沉積層單層沉積厚度小,且粒度較細,物理力學性質(zhì)相對較弱,更容易發(fā)生剪切作用,在層間形成與原始層理面(S0)相交的剪切劈理;砂巖層則反之,且調(diào)查發(fā)現(xiàn),通常單層沉積厚度越大,沉積物粒度越粗,但同時剪切形成的劈理面(S4)與原始層理面(S0)之間的夾角也越大(圖4b),從而將地層切割為破碎的塊體,由此表現(xiàn)出強度低、易風化崩解等特點。 覺學紅層滑坡所在的中侏羅統(tǒng)東大橋組(J2d)上部地層正是發(fā)育這些“軟夾硬”層序的典型地段。 因此,侏羅系(J)紅層沉積是覺學紅層滑坡發(fā)育的沉積建造基礎。

圖4 覺學紅層滑坡區(qū)地層結構特征Fig.4 Structural characteristics of strata in Juexue red strata landslide area

3.2 區(qū)域構造演化制約斜坡與巖體結構

根據(jù)沉積學原理,原始湖相沉積的地層是水平或近于水平的,且在無構造活動影響的前提下,其內(nèi)部除原始沉積層理面(S0)外,并無其他構造結構面。 野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),覺學紅層滑坡區(qū)構造線呈北西南東向展布,尤以褶皺分布廣泛,背斜、向斜相間發(fā)育,主應力方向為北東—南西向。 覺學紅層滑坡所在地層除發(fā)育傾斜的沉積層理面(S0)外,還廣泛發(fā)育2 種類型(軸面劈理和“X”型共軛剪節(jié)理)的3 組透入性極強的構造結構面,表明沉積地層形成后經(jīng)歷了強烈的構造活動影響。 據(jù)昌都地區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料(西藏自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院,2007①),始新統(tǒng)(E2)紫紅色磨拉石建造角度不整合于下伏古生界(Pz)、三疊系(T)、侏羅系(J)和白堊系(K)地層之上,指示晚白堊世(K2)—古新世(E1)強烈的構造運動,而這一時間段與印度板塊向北(青藏高原)、北東(青藏高原東緣)俯沖與歐亞大陸碰撞造山作用的啟動時間(Zhu et al., 2013;莫宣學等,2003;2007;Leech et al., 2005;李洪梁等,2019b)極為吻合,表明區(qū)域構造演化制約了昌都地區(qū)現(xiàn)今的構造格架。

在印度-歐亞大陸碰撞造山作用影響下,經(jīng)歷始新世(E2)和中新世(N1)強烈的褶皺造山運動(曹代勇等,2019;占王忠等,2018;Chung et al.,2005;吳悠等,2010;唐菊興等,2006),地層掀斜、彎曲形成褶皺,兩翼擠壓剪切,會在兩翼層間形成剪切劈理, 在核部形成走向平行于褶皺樞紐的扇狀劈理(圖5),如上述層間剪切劈理S4和軸面劈理S1,其中對于軸面劈理,劈理面從褶皺外弧向內(nèi)弧收斂,形成正扇形,外弧拉張、內(nèi)弧擠壓,使得同處于地表的向斜核部巖體完整度和抗風化能力遠遠高于背斜核部巖體,因此向斜核部易形成山嶺,而背斜核部多形成溝谷,溝谷兩側斜坡結構也就自然發(fā)展為反向坡。 這也就是區(qū)域地形地貌呈現(xiàn)出“向斜成山、背斜成谷”的原因。 覺學紅層滑坡正好位于核部為瀾滄江河谷的背斜南西翼或核部為瀾滄江右岸山嶺的向斜北東翼形成的反向坡。

圖5 縱彎向斜相關結構面示意圖Fig.5 Schematic diagram of structural planes associated with longitudinal bending syncline

擠壓應力在沉積地層中形成褶皺及伴生軸面劈理外,最為常見的構造結構面即為“X”型共軛剪節(jié)理(圖5),且兩組節(jié)理面走向銳夾角平分線方位代表了主應力方向。 野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),覺學紅層滑坡區(qū)發(fā)育“X”型共軛剪節(jié)理(S2、S3),根據(jù)上述原理統(tǒng)計區(qū)內(nèi)44 個產(chǎn)狀點數(shù)據(jù),計算得最大主應力方位介于 30° ~45°之間,平均約 40°(另文發(fā)表),與印度-歐亞大陸在青藏高原東緣碰撞的主應力方向(唐菊興等,2006)一致(圖6),暗示S2、S3剪節(jié)理是區(qū)域構造應力場的產(chǎn)物。

對于巖體結構,覺學紅層滑坡區(qū)地層宏觀上呈層狀結構,但層理面(S0)及穿切層理的構造結構面(S1、S2和S3)已經(jīng)貫穿,透入性強且密集發(fā)育,層理面(S0)與軸面劈理(S1)之間以及兩組共軛剪節(jié)理(S2和 S3)之間均大致互為反傾,且 S0、S1與 S2、S3走向近于垂直(圖6),將巖體切割為菱形塊體(圖2g、h,圖4),整體表現(xiàn)為較為松散的層狀-碎裂狀結構,是滑坡形成的物源準備。 同時,“X”型共軛剪節(jié)理(S2、S3)交線產(chǎn)狀、軸面劈理(S1)產(chǎn)狀與滑坡后壁(Sp)產(chǎn)狀近于一致(圖6),在滑坡后緣右側砂巖層發(fā)育的軸面劈理(S1)面上還可見明顯的滑動痕跡(圖3d),表明“X”型共軛剪節(jié)理(S2、S3)和軸面劈理(S1)的發(fā)育對斜坡物質(zhì)的滑動具有促進作用,滑面可能是由軸面劈理(S1)演化而來。 由于滑坡區(qū)地層構造結構面密集發(fā)育、原生層理厚度小,且?guī)r性以物理力學性質(zhì)弱的泥質(zhì)巖為主,后期又受風化作用的改造,因此覺學紅層滑坡堆積體呈現(xiàn)出以砂土和粉土為主要成分的特征。

圖6 覺學紅層滑坡區(qū)主要結構面赤平投影圖Fig.6 Stereographic projection of main structural planes in Juexue red strata landslide area

除此之外,褶皺形成過程中的層間剪切作用對巖體物理力學性質(zhì)的弱化也不容忽視。 層間強烈的剪切作用會導致碎屑巖粒度細化,顆粒出現(xiàn)定向性,粒徑較大顆粒沿剪切方向出現(xiàn)虛脫空間而發(fā)生碎裂、溶蝕現(xiàn)象,粉粒和黏粒含量增加,蒙脫石、伊利石等黏土礦物含量升高(李曉等,2008),比表面積增大,水巖交互作用增強,使巖體c、φ值降低,從而破壞巖體結構、弱化巖體物理力學性質(zhì)。

3.3 地下水動力與重力作用加劇斜坡失穩(wěn)

鉆孔資料揭示及覺學紅層滑坡前緣地下水滲流現(xiàn)象表明,地下水潛水面埋深較淺,位于滑面之上(圖3d),且活動為較為強烈。 層理面(S0)及穿切層理的構造結構面(S1、S2、S3和S4)正是地下水活動的良好通道。 由于滑坡區(qū)地層以泥質(zhì)巖為主,地下水在結構面內(nèi)循環(huán)過程中,水巖交互作用強烈,在與泥質(zhì)巖發(fā)生物質(zhì)交換的同時,還會改變巖體結構,使其變得疏松,發(fā)生泥化現(xiàn)象,進而形成泥化夾層。

由于大氣降水、地表水和地下水是地殼表層次的循環(huán)系統(tǒng),地下水動力作用的強弱主要受氣候環(huán)境決定,濕熱的氣候環(huán)境往往地下水動力作用強烈,干冷氣候環(huán)境則反之。 自印度-歐亞大陸初始碰撞以來,青藏高原東緣的隆升可劃分為4 幕,呈現(xiàn)間歇式隆升的特征(唐菊興等,2006),對亞洲古氣候包括現(xiàn)今的東亞季風氣候系統(tǒng)的塑造具有深遠的影響(Kirkpatrick et al., 2020; Kapp et al.,2019),僅晚更新世(Q3)以來,青藏高原東緣就至少經(jīng)歷了4 次濕熱氣候,降雨量充沛(覃建勛等,2014;朱宗敏等,2007)。 大氣降水沿層理面及結構面下滲,與圍巖發(fā)生強烈的水巖交互作用,軟化巖石,使結構面不斷加寬、松弛、貫通,進一步破壞了巖體的完整度。

另外,數(shù)值模擬、物理概化模擬(陶志剛等,2021;馬文著,2020;鄭達等,2019;楊國香等,2012;張以晨等,2011)以及野外工作實踐證實,反傾巖質(zhì)邊坡普遍發(fā)育傾倒變形,且通常單層厚度越小、巖體強度越低,其傾倒深度往往越深,地層內(nèi)部以褶皺轉(zhuǎn)折端縱張裂隙的形式逐漸形成拉張裂隙。 隨著傾倒變形的持續(xù),這些張裂隙不斷擴展、貫通,形成潛在的滑面。 覺學紅層滑坡發(fā)育于反向坡,地層內(nèi)發(fā)育近于平行坡面的軸面劈理(S1),為地層的傾倒變形創(chuàng)造了良好條件。 在平行斜坡表面的重力分力作用下形成彎矩作用,地層向下做懸臂梁彎曲(黃潤秋等,2007),追蹤、改造軸面劈理(S1)形成張裂隙。 伴隨重力作用的持續(xù)加載,坡腳由于應力最為集中,張裂隙不斷向上擴展,地層持續(xù)彎曲,引發(fā)層間及張裂隙兩側巖體剪切,為地層的彎曲傾倒提供空間。 如此循環(huán)往復,地層根部折斷,形成斷續(xù)分布的折斷面,逐漸貫通,張裂隙傾向發(fā)生小角度偏轉(zhuǎn),形成弧面,進而錯斷地層,破壞了反傾地層的鎖固效應。 在與地下水動力作用耦合改造下,由張裂隙發(fā)展而來的弧面內(nèi)巖石不斷軟化,形成泥化帶,進而發(fā)展為潛在滑面。 在后期強降雨、地震等突發(fā)因素誘發(fā)下,斜坡失穩(wěn)形成滑坡。

3.4 滑坡演化過程分析

盡管覺學紅層滑坡發(fā)育在反傾斜坡,但前緣剪出口滑坡堆積物直接覆蓋于基巖之上,前緣下伏滑面平整(圖3d),且滑坡后緣具有沿先成軸面劈理(S1)下挫的破壞特征,加上滑坡區(qū)地層巖性整體為以泥質(zhì)巖為主的軟巖,表明滑體為順“層(即結構面)”滑動,可見覺學紅層滑坡并不具備“鎖固段”失穩(wěn)機理。 因此,依據(jù)上述對覺學紅層滑坡形成的3個關鍵地質(zhì)過程的分析可見,該滑坡的形成是內(nèi)、外動力地質(zhì)作用耦合的結果,可從滑坡地層沉積相、區(qū)域構造演化和滑面的形成出發(fā),將覺學紅層滑坡的演化過程概化為滑坡地層沉積建造形成階段、巖體構造破碎階段、滑面初始貫通階段和破壞4個階段(圖7)。 詳述如下:

(1)滑坡地層沉積建造形成階段:中侏羅世(J2)時期,覺學紅層滑坡所在的昌都盆地屬于陸內(nèi)湖泊,在炎熱干旱的氧化環(huán)境下,接收周緣巖石風化、剝蝕、搬運而來的陸源碎屑物質(zhì)沉積,形成了中侏羅統(tǒng)東大橋組(J2d)上部物理力學性質(zhì)弱的泥質(zhì)巖夾砂巖組合(Liu et al., 2013;曹代勇等,2019;占王忠等,2018;Chung et al.,2005;吳悠等,2010;唐菊興等,2006;潘桂棠等,2020b;王保弟等,2021;An et al.,2001;朱弟成等,2021)(圖7a),是覺學紅層滑坡發(fā)育的沉積建造基礎。

(2)巖體構造破碎階段:晚白堊世(K2)—古新世(E1)開始,印度與歐亞板塊對接碰撞(Zhu et al.,2013;莫宣學等,2003,2007;Leech et al., 2005),昌都盆地上升為陸。 伴隨碰撞造山的持續(xù),區(qū)內(nèi)經(jīng)歷了4 幕強烈的褶皺造山運動,形成了昌都地區(qū)連續(xù)發(fā)育的褶皺及伴生的逆沖推覆斷層(唐菊興等,2006),在同期風化作用的強烈改造下形成了“向斜成山、背斜成谷”的地形地貌。 受造山運動巨大的構造應力影響,侏羅系(J)沉積地層在形成褶皺、斷層的同時,也在巖體內(nèi)部形成了大量與褶皺配套的透入性軸面劈理(S1)、層間剪切劈理(S4)和響應北東—南西向最大主應力的“X”型共軛剪節(jié)理(S2、S3),這些密集分布結構面與原生層理面(S0)組合將地層切割為菱形塊體,嚴重破壞了巖體的完整度(圖7b),是結構面發(fā)展為滑坡滑面的必要條件。

(3)滑面初始貫通階段:晚更新世(Q3)以來,昌都地區(qū)濕熱氣候頻繁,雨量充沛(覃建勛等,2014;朱宗敏等,2007),大氣降水沿層理面及結構面下滲,與圍巖發(fā)生強烈的水巖交互作用,軟化巖石,使結構面不斷加寬、松弛、貫通,進一步破壞了巖體的完整度。 同時,在自身重力作用的加持下,反傾地層做懸臂梁式傾倒變形,追蹤、改造先成軸面劈理(S1)、導致層間剪切,進而加劇傾倒變形,形成弧面,錯斷地層,破壞地層的鎖固效應。 傾倒變形的加劇增強了地下水動力作用,水巖交互作用增強,不斷軟化弧面內(nèi)巖石。 如此循環(huán)往復,在地下水動力與重力作用的耦合下,沿弧面形成泥化帶(圖7c),進而發(fā)展為潛在滑面。

(4)破壞階段:由于斜坡坡腳為應力最為集中的地段,在滑面初始貫通后,在坡體重力長期作用下,前緣逐漸出現(xiàn)緩慢的剪切蠕滑變形;隨著變形的加劇,上部坡體逐漸失去支撐產(chǎn)生拉裂,進而整個坡體逐漸發(fā)生傾倒變形,造成蠕滑—拉裂—傾倒破壞模式。 在后期強降雨或斷層活動(地震)等突發(fā)因素影響下,弧形潛在滑面強度峰值被突然克服,坡體沿初始貫通滑面整體失穩(wěn),形成滑坡(圖7d)。 隨后,在降雨、風化及人類工程活動等影響下,滑體前緣出現(xiàn)臨空面,逐漸失穩(wěn),形成二次滑坡。

圖7 覺學紅層滑坡形成演化過程簡圖Fig.7 Schematic map of the formation and evolution of the Juexue red strata landslide

4 結論

(1)覺學紅層滑坡發(fā)育在瀾滄江河谷右岸反傾斜坡。 滑坡區(qū)地層巖性為中侏羅統(tǒng)東大橋組(J2d)上部物理力學性質(zhì)弱的泥質(zhì)巖夾砂巖。 除原生層理(S0)外,地層內(nèi)發(fā)育軸面劈理(S1)、“X”型共軛剪節(jié)理(S2、S3)和層間剪切劈理(S4)等4 組與區(qū)域構造演化密切相關的透入性結構面。

(2)覺學紅層滑坡是內(nèi)、外動力地質(zhì)作用耦合的產(chǎn)物。 侏羅系(J)昌都盆地所處的炎熱干旱氧化環(huán)境下形成了物理力學性質(zhì)弱的、以泥質(zhì)巖為主要巖性的紅層沉積是滑坡發(fā)育的沉積建造基礎。 晚白堊世(K2)以來的印度-歐亞板塊碰撞造山作用奠定了區(qū)域構造格架,是滑坡發(fā)育的必要條件。 進入更新世(Q3),昌都地區(qū)頻繁的濕熱氣候環(huán)境誘發(fā)強烈的地下水動力作用以及斜坡自身重力作用是覺學紅層滑坡的主要誘發(fā)因素。

注釋:

①西藏自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院,2007. 中華人民共和國1:25 萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告(囊謙縣幅、昌都縣幅和江達縣幅)[R]. 拉薩:西藏地質(zhì)區(qū)地質(zhì)西藏自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院一分院.