內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用耦合的崩塌形成機(jī)理研究:以藏東昌都地區(qū)上三疊統(tǒng)石灰石礦山采場崩塌為例

李洪梁高 波張佳佳田 尤陳 龍黃 海王 靈李寶幸

1.中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所,四川 成都 611734;

2.自然資源部地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防控工程技術(shù)創(chuàng)新中心,四川 成都 611734;

3.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,四川 成都 610059;

4.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059;

5.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局208地質(zhì)隊(duì),重慶 401121;

6.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京 100083

0 引言

藏東昌都地區(qū)石灰石礦主要產(chǎn)于上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b),礦層產(chǎn)出穩(wěn)定,體量大,是區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐。隨著西部大開發(fā)的持續(xù)推進(jìn),昌都市作為藏東經(jīng)濟(jì)發(fā)展的火車頭,對石灰石礦等基建材料的需求不斷攀升,然而伴隨礦山開采的不斷加劇,眾多采場形成了大量高陡邊坡,成為礦山企業(yè)安全生產(chǎn)面臨的主要威脅之一。

目前,國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對崩塌地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理的研究積累了大量研究成果。在模擬試驗(yàn)方面,剛體極限平衡法、物理模擬試驗(yàn)法等手段被用于反演災(zāi)變過程,建立崩塌發(fā)生機(jī)制的概念模型,并揭示崩塌失穩(wěn)破壞的主要影響因素(冉濤等,2012;林鋒等,2015;王延平,2016);在結(jié)構(gòu)面分析方面,胡新麗等(2011)利用工程地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)面統(tǒng)計(jì)模擬相結(jié)合的手段,利用赤平投影法分析了汶川老虎嘴崩塌成因機(jī)制;程鵬翔和李宗發(fā)(2019)通過剖析危巖帶巖體結(jié)構(gòu)特征分析了貴州武陵山區(qū)崩塌地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理;李霍等(2013)在調(diào)查斜坡結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用巖體力學(xué)理論分析了貴州上洋水河流域崩塌地質(zhì)災(zāi)害形成機(jī)理;肖銳鏵等(2018)和Fan et al.(2017)則從工程地質(zhì)角度研究了貴州納雍縣“8·28”崩塌破壞過程和形成機(jī)理。此外,Dai et al. (2011)、Huang et al. (2012)、馮 振 等(2014)、鄒銀先等(2019)和韓明明(2019)在查明危巖體特征的基礎(chǔ)上,結(jié)合區(qū)域地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性等地質(zhì)條件,分別對貴州、四川和三峽庫區(qū)等地的巖質(zhì)崩塌進(jìn)行了成因分析。這些研究豐富和完善了崩塌成因機(jī)理的研究,形成了較為完備的理論成果。然而,從上述研究方法中不難看出,多數(shù)學(xué)者對崩塌形成機(jī)理的研究主要是從數(shù)值模擬、工程地質(zhì)學(xué)或兩者結(jié)合的角度出發(fā),側(cè)重于對崩塌體地質(zhì)特征的現(xiàn)狀分析,即基于崩塌發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀條件進(jìn)行分析和模擬,但地質(zhì)災(zāi)害是內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用耦合的產(chǎn)物,尤其內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育根本原因(李曉等,2008;張永雙等,2020;薛翊國等,2020;李洪梁等,2022a,2022b),將兩者割裂難以全面剖析地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)理。為此,文章以藏東昌都地區(qū)為研究區(qū),以上三疊統(tǒng)石灰石礦山采場崩塌為例,在詳實(shí)的地質(zhì)調(diào)查基礎(chǔ)上,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)、環(huán)境演化,從崩塌危巖體基礎(chǔ)地質(zhì)和構(gòu)造地質(zhì)角度出發(fā),厘定其形成機(jī)理,為藏東昌都地區(qū)巖溶崩塌地質(zhì)災(zāi)害防治和相關(guān)鐵路建設(shè)提供基礎(chǔ)參考資料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)處于唐古拉山脈東緣、橫斷山脈北部,夾持于芒康山與他念他翁山之間,山脈走向多呈北西—南東向,地勢總體北高南低,最低海拔

2800 m,最高海拔5752 m,平均海拔約4250 m;區(qū)內(nèi)地勢險(xiǎn)要,切割深,起伏大,總體表現(xiàn)為高原高山峽谷地貌。海拔在5600 m以上的山峰或山脊地帶基本是終年積雪,空氣極為稀薄,氣候十分寒冷,表現(xiàn)為山岳冰川地貌。

1.1 地質(zhì)特征

研究區(qū)大地構(gòu)造位置地處金沙江縫合帶(JSJS)與瀾滄江縫合帶(LCS)之間的北羌塘-昌都-思茅地體(潘桂棠等,2016)東段南側(cè),緊鄰北瀾滄江縫合帶(LCS)(圖1a)。瀾滄江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(kuò)張、俯沖削減到閉合的完整威爾遜旋回(魏君奇等,2008;李才,2008;李才等,2009;范建軍等,2014;許志琴等,2016)。新生代受印度-歐亞大陸碰撞造山作用的疊加改造,奠定了區(qū)內(nèi)基本構(gòu)造格架(寇琳琳等,2021;李洪梁等,2021;李藝豪等,2022)。區(qū)內(nèi)構(gòu)造線與區(qū)域構(gòu)造線一致,呈北西—南東向展布,斷裂、復(fù)式褶皺密集發(fā)育(圖1b),常常組成對沖式褶沖帶,褶皺兩翼及斷層上下兩盤層間、切層剪切作用極為強(qiáng)烈,形成了大量透入性構(gòu)造結(jié)構(gòu)面,如剪切劈理、軸面劈理、“X”型共軛剪節(jié)理和張節(jié)理等,將巖體切割為破碎的塊體。

除第四系沖積物(Qal)和殘坡積物(Qdl+el)外,研究區(qū)地層從老至新主要分布上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)、上三疊統(tǒng)阿堵拉組(T3a)、上三疊統(tǒng)奪蓋拉組(T3d)、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)(圖1b)。相鄰地層之間均為整合接觸,其中,上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)地層巖性為灰色、灰黑色中厚層灰?guī)r、含生物碎屑灰?guī)r?；?guī)r雜質(zhì)含量低、可采厚度大,是昌都地區(qū)石灰石礦山最主要開采地層,同時(shí)也是區(qū)內(nèi)崩塌地質(zhì)災(zāi)害的主要發(fā)育層位;其余地層整體為一套細(xì)碎屑巖建造,巖性以紫紅色、紅色、灰色薄—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。

1.2 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地震

研究區(qū)內(nèi)新生斷裂活動(dòng)不明顯,但古老斷裂的繼承性活動(dòng)比較頻繁,主要表現(xiàn)為上新世以來持續(xù)的斷塊造山運(yùn)動(dòng)和昌都-思茅陸塊內(nèi)的右行走滑,以大面積整體間歇性掀斜抬升、垂直差異升降運(yùn)動(dòng)、地震、熱水活動(dòng)為標(biāo)志,具有繼承性、新生性和間歇性,控制了區(qū)內(nèi)第四系(Q)的分布,并奠定了現(xiàn)今地貌形態(tài)(潘桂棠等,2020)。受玉樹-鄧柯斷裂、白通斷裂等的持續(xù)活動(dòng)影響,區(qū)內(nèi)曾發(fā)生過3次MS5.0～5.9級地震,3次MS4.0～4.9級地震。最近一次地震發(fā)生于2007年5月7日,位于妥壩縣,震級MS5.6級。區(qū)內(nèi)地震峰值加速度為0.1g,對應(yīng)的地震烈度為Ⅶ級,屬于區(qū)域地殼基本穩(wěn)定區(qū)(Ⅱ)。

2 崩塌災(zāi)害基本特征

2.1 發(fā)育特征

調(diào)查發(fā)現(xiàn),藏東昌都地區(qū)上三疊統(tǒng)石灰石礦山采場崩塌共計(jì)7處(圖1b),從北到南依次為賽洛撲崩塌、愛華娃崩塌(圖2a)、波巴弄崩塌、加克崗崩塌(圖2b)、勃洛雄崩塌(圖2c)、卡若崩塌(圖2d)和喀如雄崩塌,其中以卡若崩塌規(guī)模最大,危險(xiǎn)性也最大,經(jīng)常有碎石崩落,目前已停止開采活動(dòng)。經(jīng)走訪與實(shí)地調(diào)查得知,2021年5月至9月中旬,在汛期強(qiáng)降雨影響下,卡若崩塌已至少發(fā)生3次巖體崩落和坡面泥石流,阻塞、破壞村村通公路,致使車輛無法通行。

圖1 昌都地區(qū)大地構(gòu)造位置圖與區(qū)域地質(zhì)簡圖Fig.1 Geotectonic map of the Qamdo area and regional geological sketchmap

圖2 典型石灰石礦山采場崩塌Fig.2 Typical rockfalls in limestone mines

總體來看,藏東昌都地區(qū)石灰石礦山采場崩塌均發(fā)育在上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)灰?guī)r地層,崩塌基本分布于區(qū)域內(nèi)復(fù)式背斜核部(圖2),呈帶狀沿北西—南東向展布,與區(qū)內(nèi)F2、F4對沖斷層的延伸一致(圖1b),表明崩塌地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育與構(gòu)造活動(dòng)密切相關(guān)。從崩塌發(fā)育高程來看,研究區(qū)石灰石礦山采場崩塌主要集中分布于2個(gè)高程段,分別為3500～3800 m、4000～4200 m,多數(shù)崩塌相對高差在200 m以上。

2.2 地層特征

野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),石灰石礦山采場崩塌發(fā)育在區(qū)域復(fù)式背斜核部,靠近對沖系斷裂,斜坡結(jié)構(gòu)為橫向坡(圖2),坡度大于60°。背斜樣式為正常水平褶皺,但兩翼產(chǎn)狀陡,不同部位傾角多介于55°～80°之間,屬于中等緊閉褶皺。核部地層緩傾或水平,巖體極為破碎。背斜核部地層為上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)灰?guī)r,巖石刻劃硬度大于指甲,與小刀接近,屬硬質(zhì)巖。背斜兩翼受對沖系斷裂的影響,地層缺失較為嚴(yán)重,導(dǎo)致灰?guī)r地層與三疊系(T)或侏羅系(J)地層呈斷層接觸(圖2,圖3a)。以F4逆沖斷層為例,其斷裂帶厚度在60～100 m之間(圖3a),斷裂帶內(nèi)巖石破碎(圖3b),帶內(nèi)發(fā)育典型的鈣質(zhì)膠結(jié)斷層角礫巖,角礫的巖性為灰?guī)r,粒徑在2～20 mm之間(圖3c)。盡管斷層角礫巖膠結(jié)良好,但可能受后期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,角礫巖帶出現(xiàn)了嚴(yán)重的二次破裂現(xiàn)象(圖3d),可見斷層角礫被后期延伸無規(guī)律的張性裂隙切割(圖3d),裂隙面寬度在2～300 mm之間,裂隙內(nèi)充填了大量經(jīng)雨水沖刷侏羅系(J)紅層形成的紫紅色泥質(zhì)條帶,條帶內(nèi)泥質(zhì)物質(zhì)尚未固結(jié)(圖3d、3e)。這一現(xiàn)象揭示出對沖系斷裂在形成之后,受區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的影響發(fā)生了繼承性復(fù)活,表現(xiàn)為斷層上盤沿先成斷裂帶向下運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)換為正斷層,破壞了已經(jīng)成巖的逆斷層角礫巖。

圖3 危巖帶地層中的F4斷層角礫巖特征Fig.3 Photos of the F4 fault breccia in the unstable rock zone

此外,崩塌區(qū)灰?guī)r溶蝕嚴(yán)重,層理面及裂隙面上隨處可見瘤狀或波狀起伏現(xiàn)象(圖4a),局部發(fā)育溶溝、石牙(圖4b)。在背斜核部垂直張裂隙等張性空間內(nèi)則發(fā)育淋濾沉積形成的葡萄狀(圖4c)和皮殼狀鐘乳石(圖4d),鐘乳石內(nèi)包裹灰?guī)r角礫核心(圖4d),表明區(qū)內(nèi)構(gòu)造格架形成之后,水巖交互作用強(qiáng)烈,加劇了對巖體結(jié)構(gòu)面的溶蝕、拓寬等改造,進(jìn)一步破壞了巖體的完整性。

圖4 灰?guī)r中的溶蝕和淋濾沉積現(xiàn)象Fig.4 Dissolution and leaching deposition in limestone

3 崩塌區(qū)巖體結(jié)構(gòu)面分析

巖體結(jié)構(gòu)面是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的主要影響因素之一,對地質(zhì)災(zāi)害形成和發(fā)展具有較強(qiáng)的控制作用。為此,此次研究針對卡若石灰石礦山采場崩塌區(qū)巖體進(jìn)行了細(xì)致的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面識別與數(shù)據(jù)采集,采集區(qū)域如圖2d所示,結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息如表1所示,然后利用Dips軟件(ver. 5.103,下半球投影)繪制極點(diǎn)圖和等密度圖(圖5),進(jìn)一步分析崩塌區(qū)巖體優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征。從結(jié)構(gòu)面極點(diǎn)圖中(圖5a)可見巖體結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀主要分布于北北西、西南和東南側(cè)3個(gè)區(qū)域;在結(jié)構(gòu)面等密度圖中(圖5b)可見3處高密度區(qū)域,與極點(diǎn)圖分布相對應(yīng),但西南和東南側(cè)區(qū)域根據(jù)結(jié)構(gòu)面傾角的不同均可細(xì)分為兩處次級的陰影區(qū),表明除地層原生層理面(S0)外,卡若崩塌區(qū)主要發(fā)育5組優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面。利用數(shù)據(jù)窗選取高密度區(qū)域獲得優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀分別為31°∠76°、296°∠85°、303°∠66°、161°∠72°和55°∠69°,結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查分析認(rèn)為依次代表南西翼縱張節(jié)理(S1,北東翼已形成臨空面,無法采集縱張節(jié)理產(chǎn)狀)、橫張節(jié)理(S2)、“X”型共軛剪節(jié)理(S3、S4)和層間剪節(jié)理(S5),結(jié)構(gòu)面透入性好,內(nèi)多充填白色方解石細(xì)脈或網(wǎng)脈(圖6)。將褶皺兩翼地層產(chǎn)狀(北東翼S0N:49°∠67°,南西翼S0S:221°∠69°)與優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀疊加發(fā)現(xiàn),各結(jié)構(gòu)面大圓弧多呈大角度相互穿切(圖5b),將巖體切割為破碎的塊體,使得巖體完整度極差(圖6)。

圖5 巖體結(jié)構(gòu)面特征分析圖Fig.5 Characterization plots of the rock mass structural planes(a) Pole plot of the rock mass structural plane; (b) Contour plot of the rock mass structural plane

表1 結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀信息及其統(tǒng)計(jì)表/(°)Table 1 Occurrence information and statistics of the structural plane/(°)

根據(jù)沉積學(xué)原理,沉積地層在形成之后,若無構(gòu)造擾動(dòng),一般僅發(fā)育原生層理面(S0)。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn),研究區(qū)發(fā)育317°～137°走向的褶皺和對沖系斷裂(圖1b),地層內(nèi)可見大量密集的透入性構(gòu)造結(jié)構(gòu)面(圖6),表明沉積地層形成后,區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。根據(jù)縱彎褶皺和對沖系斷裂的延伸方向反演可知,區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力方位約為47°～227°。

圖6 巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征Fig.6 Photos showing the characteristics of the rock mass structural planes

以卡若石灰石礦山采場崩塌為例,根據(jù)縱彎褶皺相關(guān)結(jié)構(gòu)面形成機(jī)理,巖體內(nèi)部構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征也能很好的佐證這一推論。縱張節(jié)理形成于背斜轉(zhuǎn)折端,多平行褶皺樞紐展布,是背斜形成過程中,兩翼擠壓,核部隆起拉張形成;橫張節(jié)理延伸與縱張節(jié)理垂直,是縱彎褶皺在兩翼向核部擠壓過程中,背斜核部派生的局部拉伸所致;“X”型剪節(jié)理多形成于背斜早期,常常被其他類型構(gòu)造結(jié)構(gòu)面穿切,是反演區(qū)域應(yīng)力場的主要構(gòu)造面,兩組結(jié)構(gòu)面的銳夾角平分線即為主應(yīng)力方向;層間剪節(jié)理是背斜兩翼在擠壓過程中,相鄰沉積層之間的順層剪切作用形成,此類構(gòu)造結(jié)構(gòu)面的分布多局限于背斜兩翼,是縱彎褶皺作用的重要識別標(biāo)志(圖7)。利用赤平投影刻畫結(jié)構(gòu)面空間展布特征(圖5),結(jié)合上述原理,分析結(jié)構(gòu)面形成的主應(yīng)力方位可知,縱張節(jié)理垂線走向、橫張節(jié)理的走向、“X”型共軛剪節(jié)理銳夾角平分線和層間剪節(jié)理的傾向所代表的最大主應(yīng)力方位介于8°～69°之間,主體分布于35°～65°(圖8),平均約43.7°,在誤差范圍內(nèi)與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場主應(yīng)力方位(唐菊興等,2006)一致,表明這些構(gòu)造結(jié)構(gòu)面是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的產(chǎn)物,與褶皺和對沖系斷裂配套。

圖7 縱彎背斜相關(guān)結(jié)構(gòu)面形成機(jī)理Fig.7 Formation mechanism of the structural planes related to longitudinally curved anticlines

圖8 最大主應(yīng)力方位反演玫瑰花圖Fig.8 Rose diagram for inversion of the maximum principle stress orientation

4 崩塌災(zāi)害形成機(jī)理探討

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育是內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用耦合的產(chǎn)物(李曉等,2008;張永雙等,2009;許強(qiáng)和李為樂,2010;薛翊國等,2020;李洪梁等,2022a,2022b),文章選取藏東昌都地區(qū)目前危險(xiǎn)性最大的卡若石灰石礦山采場崩塌為重點(diǎn)研究對象,剖析崩塌地層的沉積建造,探討崩塌危巖帶對區(qū)域地質(zhì)演化的響應(yīng),最后分析區(qū)域構(gòu)造格架形成之后的水巖交互作用等外動(dòng)力地質(zhì)作用對危巖帶的改造,進(jìn)而厘定崩塌形成機(jī)理。

4.1 沉積地層建造

沉積建造指在一定構(gòu)造背景條件下形成的一套具有特定巖相組合的沉積巖系(金振奎等,2008),是沉積巖區(qū)崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)?？ㄈ羰沂V山采場崩塌所在區(qū)域晚古生代(Pz2)時(shí)為西側(cè)瀾滄江洋和東側(cè)金沙江洋夾持的一個(gè)弧后盆地,受晚二疊世(P3)海西運(yùn)動(dòng)和中三疊世(T2)印支運(yùn)動(dòng)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(yáng)子克拉通西緣(李興振等,1998)。晚三疊世(T3)初,三江聯(lián)合地體東側(cè)甘孜-理塘洋西向俯沖,與此同時(shí),西側(cè)為怒江洋被動(dòng)大陸邊緣,使得大陸地殼向東、西兩側(cè)相背運(yùn)動(dòng),昌都地區(qū)發(fā)生陸內(nèi)裂陷,形成昌都陸內(nèi)裂谷盆地,并接受沉積形成上三疊統(tǒng)甲丕拉組(T3j)紫紅色河流相泥巖、砂礫巖。隨著拉張裂陷的持續(xù),盆地漸深,發(fā)生大規(guī)模海侵,在昌都盆地快速沉積了一套較為穩(wěn)定的灰?guī)r建造,即上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b),為碳酸鹽緩坡內(nèi)坡相沉積。晚三疊世(T3)中期,受金沙江造山帶和瀾滄江造山帶雙向擠壓的影響,昌都盆地逐漸萎縮,盆地漸淺,伴隨海退形成潮坪—瀉湖—三角洲環(huán)境,相繼沉積形成上三疊統(tǒng)阿堵拉組(T3a)和波里拉組(T3d)灰色、灰黑色細(xì)碎屑巖建造,局部夾煤線。到了侏羅紀(jì)(J),西側(cè)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)境下接受由周緣巖石風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)而來的碎屑物質(zhì)沉積,依次形成了下侏羅統(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)紫紅色湖相泥巖、泥質(zhì)巖夾砂巖(唐菊興等,2006;占王忠等,2018;曹代勇等,2019),是藏東昌都紅層區(qū)雛形。

由上可見,在此過程中,昌都盆地接受沉積主要形成了上三疊統(tǒng)(T3)碳酸鹽建造和上三疊統(tǒng)(T3)—侏羅系(J)碎屑巖建造。其中,區(qū)內(nèi)碎屑巖建造因泥質(zhì)含量高,主體為一套軟巖,導(dǎo)致昌都地區(qū)崩塌地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)育于灰?guī)r建造和碎屑巖建造中的中—厚層砂巖層,但主體以前者為主。因此,上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)灰?guī)r是藏東昌都地區(qū)崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的沉積建造基礎(chǔ)。

4.2 區(qū)域構(gòu)造演化與崩塌危巖帶形成

地質(zhì)構(gòu)造與崩塌地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系主要表現(xiàn)為斷裂、褶皺等構(gòu)造改變巖體結(jié)構(gòu),各類伴生構(gòu)造結(jié)構(gòu)面將巖體切割為破碎的塊體,為崩塌的發(fā)育提供物源的同時(shí),也控制著崩塌體邊界、臨空面等,是崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的必要條件。

研究區(qū)構(gòu)造線與瀾滄江縫合帶(LCS)等區(qū)域構(gòu)造線一致,呈北西—南東向展布,表明區(qū)域構(gòu)造演化制約了昌都地區(qū)現(xiàn)今的整體構(gòu)造格架。據(jù)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料(西藏自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院一分院,2007),昌都地區(qū)始新統(tǒng)(E2)紫紅色磨拉石建造與下伏古生界(Pz)、三疊系(T)、侏羅系(J)和白堊系(K)地層之間呈角度不整合接觸,指示區(qū)域強(qiáng)烈的褶皺造山運(yùn)動(dòng)始于晚白堊世(K2)—古新世(E1),而這一時(shí)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(dòng)時(shí)間(Molnar and Tapponnier, 1975; Beck et al.,1996;莫宣學(xué)等,2003, 2007;Leech et al., 2005; Donaldson et al.,2013;Zhu et al., 2017; 李洪梁等,2019)吻合,且北東向碰撞的主應(yīng)力方位與在研究區(qū)通過構(gòu)造結(jié)構(gòu)面反演的應(yīng)力場方位一致,表明昌都新生代褶皺造山帶是區(qū)域構(gòu)造演化的產(chǎn)物。地層年代學(xué)的研究成果證實(shí),昌都地區(qū)新生代褶皺造山運(yùn)動(dòng)可分為4幕,即始新世(E2)Ⅰ幕、中新世(N1)Ⅱ幕、中新世(N1)—上新世(N2)Ⅲ幕和上新世(N2)—更新世(Qp)Ⅳ幕,而最強(qiáng)烈的褶皺造山運(yùn)動(dòng)發(fā)生在Ⅰ幕,其次為Ⅱ幕,形成了遍布全區(qū)的逆沖推覆構(gòu)造及相關(guān)褶皺,構(gòu)成典型的褶沖帶,奠定了昌都地區(qū)的主構(gòu)造框架。中新世(N1)—上新世(N2)Ⅲ幕和上新世(N2)—更新世(Qp)Ⅳ幕為后褶皺造山運(yùn)動(dòng),主要表現(xiàn)為先成斷裂斷塊的掀斜、區(qū)域差異性隆升和局部的橫彎褶皺作用,并發(fā)生構(gòu)造疊加和改造,特別是區(qū)域差異隆升導(dǎo)致早期斷裂繼承性復(fù)活(Harrison et al., 1992; Sylvester, 1998; An et al., 2001; Tapponnier et al., 2001; 唐菊興等,2006;Royden et al., 2008)。

研究區(qū)地層巖性主要為灰?guī)r建造和以泥質(zhì)巖為主的碎屑巖建造,在北東—南西向應(yīng)力場褶皺造山運(yùn)動(dòng)影響下,地層掀斜彎曲形成褶皺及指示主應(yīng)力方位的“X”型共軛剪節(jié)理(S3、S4)。由于灰?guī)r硬度高于以泥質(zhì)巖為主的碎屑巖,表現(xiàn)為能干性層,因此在應(yīng)力擠壓下,傾向于發(fā)生脆性變形,在背斜核部拉張形成縱張節(jié)理(S1)和橫張節(jié)理(S2)。在背斜兩翼,因地層間的差異滑動(dòng)而出現(xiàn)順層剪切,形成層間剪節(jié)理(S5)。這些構(gòu)造結(jié)構(gòu)面走向差異大,呈大角度相交,將巖體切割為碎塊,是崩塌地質(zhì)災(zāi)害的物源準(zhǔn)備。隨著應(yīng)力的持續(xù)加載,超過巖石極限強(qiáng)度,地層沿灰?guī)r建造和碎屑巖建造之間的巖性差異面破裂,由兩翼向核部逆沖,形成對沖系斷裂,斷裂帶內(nèi)由灰?guī)r脆性破裂形成的角礫在后期鈣質(zhì)地下熱液灌入后膠結(jié)形成角礫巖,巖體慢慢“愈合”。進(jìn)入新近紀(jì)(N)后褶皺造山運(yùn)動(dòng)階段,構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換發(fā)生區(qū)域差異性隆升(Harrison, 1992; Sylvester, 1998; 唐菊興等,2006;Royden et al.,2008),對沖系斷裂發(fā)生繼承性復(fù)活演化為正斷層(圖9中F4),破壞已經(jīng)“愈合”的逆沖斷裂帶,使得巖體二次破碎,結(jié)構(gòu)面不斷擴(kuò)展,進(jìn)一步弱化了巖體完整性,形成了卡若石灰石礦山采礦崩塌危巖帶的雛形。

第四紀(jì)(Q)以來,伴隨構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的持續(xù)抬升,疊加西側(cè)揚(yáng)子剛性陸塊的阻隔,北瀾滄江縫合帶(LCS)轉(zhuǎn)化為右行斜沖斷裂(潘桂棠等,2020)。謝富仁等(2011)、郝平等(2012)對現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的研究表明,青藏高原東緣區(qū)域最大主應(yīng)力為北東向,與構(gòu)造結(jié)構(gòu)面反演結(jié)果一致,向南繞喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)順時(shí)針旋轉(zhuǎn),具顯著的右行走滑分量。北瀾滄江縫合帶西接?xùn)|西向龍木措—雙湖縫合帶,南連滇西南北向昌寧-孟連縫合帶,處于應(yīng)力區(qū)邊界轉(zhuǎn)折帶,屬典型的應(yīng)力集中區(qū)和強(qiáng)震活動(dòng)集中區(qū)(郝平等,2012),對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育具有促進(jìn)作用(李洪梁等,2022b)。同時(shí),青藏高原1999—2007年GPS高精度監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,受印度-歐亞大陸碰撞引發(fā)地殼物質(zhì)東向擠出的影響,北瀾滄江縫合帶走滑速率可達(dá)7.2 mm/a,拉張速率近7.5 mm/a(王閻昭等,2008;Hao et al., 2019;瞿偉等,2021),但因受斷裂帶西側(cè)及帶內(nèi)斷續(xù)分布的印支-燕山期帶狀花崗巖體和地殼深部2條水平軟弱帶(即結(jié)晶基底和蓋層的分界)的影響,逐漸發(fā)展為震源斷裂,控制著區(qū)域應(yīng)力-形變場,曾誘發(fā)超過6次MS4.0級以上地震,震源深度約20 km(李渝生等,2016),如2007年“5·7”妥壩MS5.6級地震,直接誘發(fā)區(qū)內(nèi)40余處崩塌落石,造成多處公路被阻斷?？ㄈ羰沂V山采場崩塌所在的昌都地區(qū)緊鄰北瀾滄江縫合帶,靠近昌都-墨脫應(yīng)力區(qū)和喜馬拉雅應(yīng)力區(qū)的分界(謝富仁等,2011),地處應(yīng)力區(qū)邊界轉(zhuǎn)折帶,應(yīng)力集中,促進(jìn)了巖體結(jié)構(gòu)面的貫通,加速了巖體劣化。此外,昌都市西南側(cè)卡貢鄉(xiāng)分布的多級河流階地及朱古寺、繽達(dá)等溫泉(群)、泉華臺地的帶狀發(fā)育,也是現(xiàn)今新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的強(qiáng)有力佐證。

4.3 水巖交互作用弱化巖體結(jié)構(gòu)面

從對危巖帶地層特征的調(diào)查發(fā)現(xiàn),上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)地層中溶蝕及淋濾沉積現(xiàn)象極為發(fā)育,灰?guī)r表面發(fā)育溶溝、石牙,結(jié)構(gòu)面被溶蝕、擴(kuò)展,裂隙中可見葡萄狀和皮殼狀鐘乳石等,表明區(qū)內(nèi)構(gòu)造格架形成之后,存在強(qiáng)烈的水巖交互作用?；?guī)r作為可溶性巖石,且發(fā)育陡傾層理面和5組構(gòu)造結(jié)構(gòu)面,為水巖交互作用的進(jìn)行提供了先決條件,而灰?guī)r中強(qiáng)烈的溶蝕及淋濾沉積現(xiàn)象表明,昌都地區(qū)至少在新近紀(jì)(N)以來大氣降水或地下水活動(dòng)作用強(qiáng)烈。

地殼表層的循環(huán)系統(tǒng)主要由大氣降水、地表水和地下水組成,氣候環(huán)境主要受大氣降水的強(qiáng)弱影響,濕熱的氣候環(huán)境往往雨量充沛,地下水動(dòng)力作用強(qiáng)烈,干冷氣候環(huán)境則反之。研究表明,自晚白堊世(K2)—古新世(E1)印度—?dú)W亞大陸碰撞造山作用以來,昌都新生代褶皺造山帶的形成經(jīng)歷了4幕間歇式隆升,深刻塑造了亞洲古氣候和現(xiàn)今東亞季風(fēng)氣候系統(tǒng),僅晚更新世(Q3)以來,昌都地區(qū)至少經(jīng)歷了4次濕-熱氣候,帶來了豐富的降雨量(朱宗敏等,2007;覃建勛等,2014;Chen et al., 2020)。大氣降雨沿陡傾層理面、結(jié)構(gòu)面下滲,與灰?guī)r發(fā)生強(qiáng)烈的水巖交互作用,不斷加寬、擴(kuò)展、貫通結(jié)構(gòu)面,進(jìn)一步破壞了巖體完整度。橫張節(jié)理(S2)和“X”型共軛剪節(jié)理(S3、S4)傾角大,且走向與坡向相近(S3、S4)、甚至一致(S2),極易形成陡傾臨空面或者凹巖腔,在后期強(qiáng)降雨、地震和人類礦山開采等突發(fā)因素觸發(fā)下,容易導(dǎo)致巖體崩塌。

4.4 崩塌災(zāi)害形成過程

根據(jù)上述對卡若石灰石礦山采場崩塌形成的3個(gè)關(guān)鍵地質(zhì)過程的分析認(rèn)為崩塌是內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用耦合的結(jié)果,從崩塌地層沉積相、區(qū)域構(gòu)造演化與崩塌危巖帶的形成出發(fā),將其形成過程劃分為崩塌地層沉積建造形成階段、巖體構(gòu)造破碎階段和崩塌危巖帶的變形破壞3個(gè)階段(圖9)。

(1)崩塌地層沉積建造形成階段:晚三疊世(T3)早期,昌都地區(qū)發(fā)生陸內(nèi)裂陷,形成昌都陸內(nèi)裂谷盆地,隨后發(fā)生大規(guī)模海侵,在碳酸鹽緩坡內(nèi)坡相快速沉積了一套較為穩(wěn)定的灰?guī)r建造,即上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)灰?guī)r。晚三疊世(T3)中期—侏羅紀(jì)(J),昌都盆地逐漸萎縮,規(guī)模減小,形成陸內(nèi)湖,在炎熱干旱的氧化環(huán)境下沉積形成了一套紫紅色為主的細(xì)碎屑巖(唐菊興等,2006;占王忠等,2018;曹代勇等,2019;圖9a)。其中,灰?guī)r硬度高,沉積層厚穩(wěn)定,是崩塌發(fā)育的沉積建造基礎(chǔ)。

圖9 卡若石灰石礦山采場崩塌形成過程示意圖Fig.9 Schematic diagram of the rockfall formation process in the Caro limestone mine

(2)巖體構(gòu)造破碎階段:或稱“崩塌危巖帶的形成階段”。晚白堊世(K2)—古新世(E1),印度板塊在昌都地區(qū)向北東俯沖與歐亞大陸對接碰撞(Molnar and Tapponnier, 1975; Beck et al., 1996; 莫宣學(xué)等,2003,2007; Leech et al., 2005; Donaldson et al., 2013;Zhu et al., 2017),區(qū)域地殼抬升為陸,經(jīng)歷始新世(E2)Ⅰ幕和中新世(N1)Ⅱ幕褶皺造山運(yùn)動(dòng)(Harrison et al., 1992; Sylvester, 1998; An et al., 2001; Tapponnier et al., 2001; 唐菊興等,2006;Royden et al., 2008),三疊系(T)—侏羅系(J)地層縱彎褶皺,形成以上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)灰?guī)r為核部的背斜。隨著板塊間的持續(xù)擠壓,兩翼地層不斷壓縮,形成中等緊閉背斜及與該構(gòu)造過程配套的陡傾縱張節(jié)理(S1)、橫張節(jié)理(S2)、“X”型共軛剪節(jié)理(S3、S4)和層間剪節(jié)理(S5),在與沉積原生層理面(S0)的組合下將巖石切割為碎塊(圖9b)。當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力超過巖石極限強(qiáng)度時(shí),地層沿灰?guī)r和碎屑巖之間的巖性突變界面破裂,在研究區(qū)形成對沖系斷裂F2、F4,并使得上述相關(guān)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面不斷擴(kuò)展;新近紀(jì)(N)中期后,區(qū)域構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換進(jìn)入后褶皺造山運(yùn)動(dòng)階段,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以斷塊掀斜、區(qū)域差異隆升為主(Harrison et al., 1992;Sylvester, 1998;唐菊興等,2006;Royden et al., 2008),導(dǎo)致早期已“愈合”的逆沖斷裂發(fā)生繼承性復(fù)活,使得巖體發(fā)生二次破碎,完整度進(jìn)一步降低,崩塌危巖帶基本成型。進(jìn)入第四紀(jì)(Q),新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,加劇了危巖帶巖體結(jié)構(gòu)的破壞(圖9c)。

(3)崩塌危巖帶的變形破壞:晚更新世(Q3)以來,昌都地區(qū)多為濕-熱氣候,降雨量充沛(朱宗敏等,2007;覃建勛等,2014;Chen et al., 2020),且灰?guī)r作為可溶性巖石,又發(fā)育了大量陡傾結(jié)構(gòu)面,使得水巖交互作用強(qiáng)烈,不斷拓寬、改造和貫通結(jié)構(gòu)面,沿橫張節(jié)理(S2)和“X”型共軛剪節(jié)理(S3、S4)等結(jié)構(gòu)面形成高陡臨空面和凹巖腔,加劇了危巖帶的變形破壞(圖9d)。另外,大氣降水在弱化巖體結(jié)構(gòu)面的同時(shí),將上覆侏羅系(J)紅層中的細(xì)粒黏土物質(zhì)不斷帶入巖體裂隙,由于黏土具遇水軟化的特性,由此降低了危巖帶崩塌所需克服的阻力,促進(jìn)了崩塌的發(fā)育。

4.5 崩塌破壞模式

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn),研究區(qū)內(nèi)石灰石礦山采礦崩塌的破壞模式主要可分為3種,分別為傾倒式、墜落式和滑移式,但以前兩者為主。其中,傾倒式崩塌主要由2組豎直結(jié)構(gòu)面和1組向臨空面緩傾的結(jié)構(gòu)面將巖體切割為近直立的長方體狀或長柱型,在重力卸荷、強(qiáng)降雨等因素影響下,豎直裂隙不斷向下擴(kuò)展,當(dāng)與緩傾結(jié)構(gòu)面貫通后,巖體呈孤石,失去與坡內(nèi)巖體之間的凝聚力,不斷向坡外傾覆,當(dāng)傾覆力矩達(dá)到某一臨界值后,發(fā)生傾倒式崩塌,如卡若石灰石礦山采場崩塌危巖帶被近直立的縱張節(jié)理(S1)、橫張節(jié)理(S2)和核部緩傾原生層理面(S0)切割為柱狀危巖單體(圖10a、10b),在地震、強(qiáng)降雨等因素觸發(fā)下,具有傾倒的危險(xiǎn);墜落式崩塌與傾倒式崩塌具有一定的成因聯(lián)系,同樣受3組結(jié)構(gòu)面控制,但由于局部構(gòu)造應(yīng)力集中形成剪切帶,致使危巖體下部的巖體更為破碎,形成差異風(fēng)化,不斷崩落形成凹巖腔,上部危巖體在剪切面之上以懸臂梁的形式向外突出,在長期重力作用下,陡傾的橫張節(jié)理面(S2)逐漸向下貫通,巖體墜落,毀壞公路設(shè)施(圖10c、10d);滑移式崩塌分布較為局限,比較典型的是愛華娃石灰石礦山采場崩塌。該崩塌分布于區(qū)域背斜北東翼,危巖體臨空面為地層原生層理面(S0)。在縱彎背斜形成過程中,兩翼地層出現(xiàn)差異滑動(dòng),導(dǎo)致層間剪切,形成剪節(jié)理(S5),與原生層理面(S0)呈小角度聯(lián)通,演化為危巖體的弧形滑移面(圖10e)。在降雨、長期重力作用或地震等因素影響下,危巖體重力分力克服抗滑阻力,將產(chǎn)生崩塌,使礦山企業(yè)的安全生產(chǎn)面臨威脅。

圖10 石灰石礦山采場崩塌主要破壞模式Fig.10 Main failure modes of rockfall in limestone mines

5 結(jié)論

文章以藏東昌都地區(qū)上三疊統(tǒng)石灰石礦山采場崩塌地質(zhì)災(zāi)害為例,采用基礎(chǔ)地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)和災(zāi)害地質(zhì)分析相結(jié)合的手段,通過詳實(shí)的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查,查明了崩塌地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律、地層結(jié)構(gòu)與區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)面分布特征,研究了區(qū)內(nèi)石灰石礦山采場崩塌地質(zhì)災(zāi)害的形成過程及破壞模式類型,主要結(jié)論如下。

(1)藏東昌都地區(qū)上三疊統(tǒng)石灰石礦山采場崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育于橫向坡,呈北西—南東向展布于區(qū)域復(fù)式背斜核部的上三疊統(tǒng)波里拉組(T3b)灰?guī)r地層,與區(qū)域?qū)_系斷裂走向一致。

(2)除原生層理面(S0)外,崩塌區(qū)地層內(nèi)發(fā)育陡傾的縱張節(jié)理(S1)、橫張節(jié)理(S2)、“X”型共軛剪節(jié)理(S3、S4)及層間剪節(jié)理(S5)共5組與區(qū)域褶皺和對沖系斷裂配套的構(gòu)造結(jié)構(gòu)面。呈大角度相交的各組結(jié)構(gòu)面,將巖體切割為破碎的塊體,破壞了巖體完整性。

(3)藏東昌都地區(qū)上三疊統(tǒng)石灰石礦山采場崩塌地質(zhì)災(zāi)害是內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用耦合的產(chǎn)物。晚三疊世(T3)早期,昌都地區(qū)發(fā)生陸內(nèi)裂陷,形成陸內(nèi)裂谷盆地,引發(fā)海侵,沉積了一套穩(wěn)定的灰?guī)r建造,是崩塌發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ);晚白堊世(K2)—古新世(E1),印度與歐亞大陸對接碰撞,經(jīng)歷始新世(E2)Ⅰ幕和中新世(N1)Ⅱ幕褶皺造山運(yùn)動(dòng)在昌都地區(qū)形成了北西—南東向褶沖帶及相關(guān)構(gòu)造結(jié)構(gòu)面,奠定了區(qū)內(nèi)構(gòu)造格架。新近紀(jì)(N)中期,區(qū)內(nèi)構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換導(dǎo)致先成對沖系斷裂發(fā)生繼承性復(fù)活,引發(fā)巖體二次破碎、結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展,形成了崩塌危巖帶的雛形;進(jìn)入第四紀(jì)(Q),新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,加劇了危巖帶巖體結(jié)構(gòu)的破壞。同時(shí),晚更新世(Q3)以來的昌都地區(qū)濕-熱氣候交替頻繁、降雨量充沛,使得水巖交互作用強(qiáng)烈,結(jié)構(gòu)面不斷拓寬、改造和貫通,形成高陡臨空面和凹巖腔等,在強(qiáng)降雨、地震和人類礦山開采活動(dòng)等因素觸發(fā)下,形成崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

(4)根據(jù)石灰石礦山采場崩塌地質(zhì)災(zāi)害的變形破壞情況,在藏東昌都巖溶區(qū)識別出傾倒式、墜落式和滑移式等3種崩塌破壞模式,但以前兩者為主。