承德市磬锤峰工程地质认识浅析

2020-03-17多晓松多桂林李晓露宋江涛

河北旅游职业学院学报 2020年3期

多晓松，多桂林，王亮，李晓露，宋江涛，胡冲

（1.华北地质勘查局五一四地质大队，河北承德 067000；2.河北旅游投资集团股份有限公司，石家庄 050000；3.河北省地矿局第四地质大队，河北承德 067000；4.河北省地矿局第八地质大队，河北秦皇岛 066000）

引言

磬锤峰地处冀北燕山腹地，位居承德市十大名山之首，是承德市地标性自然人文景观，其独特的地貌类型是中国北方丹霞地貌的代表，在我国旅游风景资源中具有崇高的盛誉。磬锤峰是承德丹霞地貌国家地质公园的主要组成部分，具有极大的旅游、历史、地质、人文地理、自然生态等方面的研究价值，属于中国“上帝的拇指”。自改革开放四十多年以来，以牺牲环境为代价的社会经济、城市发展高速发展，导致坏境不断恶化，酸雨增多，磬锤峰风化速度加快。自2000年以来的4 次雷击，造成峰体岩石开裂及脱落严重，同时雨水入渗裂隙不断增大，对峰体稳定性及整体性造成威胁。西非纳米比亚境内“上帝的拇指”已经崩塌，为磬锤峰保护敲醒了警钟。河北省地矿局第四地质大队等多家科研单位对磬锤峰在内的丹霞地貌提出了保护方案，但未对磬锤峰进行专门性的工程地质研究，作者在前人研究结果之上，加之从工程地质角度出发，为磬锤峰保护及预警监测方案提供基础依据。

1. 磬锤峰自然概况

1.1 自然地理条件

磬锤峰地处暖温带向中温带过渡地带，属温带半湿润、半干旱区大陆性季风型山地气候。多年平均气温8.9℃，多年平均降雨量587mm，降雨年、季变化大，年内降雨主要集中在七、八、九三个月份。磬锤峰所处区域为冀北坝下侵蚀切割构造山地、沟谷地貌，山体浑圆，微地貌形态多样，且地形复杂，地势起伏较大，相对高差可达132m。磬锤峰及其周边区域流水侵蚀现象强烈，沟谷以“V”字型为主，且溶槽、溶孔较多。磬锤峰四周分布有四条沟谷，是这四条沟谷流水溯源侵蚀的中心位置（陈丽红等，2015）[1]。

1.2 磬锤峰演化概况

磬锤峰形成于1.5 亿年前的承德河湖盆地泥沙、砂砾、砾石陆相沉积岩石中，其年龄已达300 万年。罄锤峰的主要岩层是中生代侏罗系后城组（J2h），岩性是紫红色巨厚层砾岩、砂砾岩夹钙质、泥砂质胶结砂岩透镜体（俗称“承德砾岩”）（渠洪杰等，2005）[2]，产状192°∠5°，随着地壳地质构造运动变化，在磬锤峰所在的山体形成石墙陡崖，其中砂砾岩、砾岩等岩石坚硬且不易风化，而钙质、泥砂质胶结砂岩透镜体易溶水属易风化岩石，经过长期的差异风化，就在石墙陡崖上形成了多处沿岩石层理面的横向凹槽及水蚀槽方向的纵向凹槽。（邵明申等，2015）[3]。当沿岩石层里面发展的横向凹槽风化达到一定深度时，形成凌空体，使凌空面上部的岩体内部应力失衡，凹槽上部的岩石就会沿节理面（或裂隙面）蠕变而崩离，在重力作用下以坠落式或者倾倒式崩落下来；而岩水蚀槽方向发展的纵向溶槽在长时间风化作用下形成巷谷将石墙变成一个个孤立的石峰，这就是形成罄锤峰丹霞地貌的地质外营力条件。同时在砾岩、砂砾岩等岩石成岩过程中受到燕山构造活动的作用产生多组共轭剪节理，对承德丹霞地貌的形态特征及发展进程起着关键性作用，这就是形成罄锤峰丹霞地貌的地质内营力条件，所以承德地区丹霞地貌多呈孤立状石峰、石堡、石墙、石柱、天生桥等（商晓军，2010；武智勇等，2015）[4][5]。

承德丹霞地貌形成与演化过程可划分为三个阶段：幼年期、壮年期、老年期，老年期对地貌的侵蚀量已经超过70%，老年期又细分为三期，初期首先形成起伏较大的造型山脊；第二期形成群体造型的地貌景观；第三期形成单体或双体造型的地貌景观（武智勇等， 2016）[6]，如磬锤峰、双塔山、鸡冠山、夹墙山等。也就是说，罄锤峰在地貌演化阶段上已进入第三阶段（老年期）的第三期，风化剥蚀最为强烈，磬锤峰丹霞地貌景观也正在走向消亡，因此磬锤峰所处的地质环境已经非常脆弱（王勇民，2009）[7]。

2.磬锤峰峰体风化概况

经专业测量，磬锤峰海拔标高596.29m，顶部直径15.04m，根部直径10.7m，峰体高38.29m，连同基座高59.42m，体积达6508.08m3，重约16205t。磬锤峰当前现状与1936 年所拍摄照片[8]进行对比发现变化非常明显，磬锤峰历经近百年的风吹日晒、雨淋雷击，磬锤峰基座风化加速,特别是基座中部出现的凹槽不断变大变深，整体稳定性减弱，磬锤峰峰体与基座平台夹角由直角变成锐角（中国新闻网，2013）[9],峰体根部岩块不断发生崩落,峰体中部蒙桑所处位置由于根劈作用裂隙加大。

天津大学李哲教授经航拍结果分析表明，磬锤峰岩体质量差别较大，较软的砂岩与较硬的砾岩互层，差异风化严重。峰体顶部有厚0.2-0.3m 厚的角砾沉积层，峰体中，上半部岩石表面纵向裂隙多，近水平状层理间出现凹槽，岩石质量较差，碎石多；峰体根部侵蚀严重，可见三层层理，层理间凹槽较上部深，且凹槽上部出现岩石崩落现象，在根部的东南侧，可见大范围的岩石沿裂隙脱落痕迹，纵向裂隙高度达到20m，可见崩落岩石体积较大，造成磬锤峰体根部（与近水平基座的连接部位）呈锁颈状，在峰体四周发现有明显的竖向、斜向溶痕[9]，加速了岩石的风化。

图1 磬锤峰历史与当前照片对比镜向NE

3.磬锤峰工程地质认识

由于磬锤峰平台栏杆多年未修，且栏杆高度较低，现已腐蚀，部分栏杆基部出现岩石风化现象，对游人起不到很好的防护作用，有人提出将现有栏杆进行更换。锤峰所在区域砂砾岩、砂岩抗压强度在18 ～50MPa 之间，承载力特征值400-4600kPa（于辉增等，2006；王好根等，2002；张英平等，2012）[10]-[12]，属于一般坚硬-软弱类岩石（指浅表层）。对建设防护栏杆来讲，其承载力固然能够承受桩杆的垂向荷载，但是在岩体边缘其抗拉强度非常低，容易产生侧向破坏。针对罄锤峰平台而言，在岩壁边缘向下打孔安装防护栏杆的桩杆时，可能产生“劈裂”作用，使得岩石开裂，加之防护栏一旦被人为拥靠，其侧向受力，导致岩体脱落的可能性非常大。另外，在岩体表面打垂直的孔洞，也加剧雨水入渗侵蚀，对山体不利。另外，移除原有防护栏、加密打桩孔、施工震动等也会对罄锤峰山体造成影响。综合以上地质环境条件考虑，认为罄锤峰山体目前以保持现状为宜，并应加强岩石风化破坏的观察与监测，不赞成改造防护栏。

4.磬锤峰地质环境评估预测

从环境地质角度出发，磬锤峰即为崩塌危岩体，但由于其独特的造型，成为宝贵的丹霞地貌地质遗迹。磬锤峰出现的锁颈状根部是岩石差异风化的结果，在漫长的地质发展史中，历经风吹雨打日晒，之所以没有倒塌，是因为重心未发生偏移。1976 年唐山大地震造成承德丹霞地貌中距离磬锤峰14 公里处的鸡冠山前两个石柱发生倒塌，磬锤峰石柱高度比鸡冠山石柱高，且基座连接部位比鸡冠山规模小，依然屹立，经受住了大地震的考验。磬锤峰基座岩层倾向192°，虽倾角近乎水平，但峰体倾向趋于192°方向，只要保持目前的平衡状态，就不会发生崩塌，但自然环境是一个动态过程，连续强降雨、震动、裂隙水静压力及冻融作用等都能造成磬锤峰遭到破坏，在未来一个漫长的地质发展过程中，磬锤峰倒塌是一个必然，目前能做的就是减缓这种形变速度，尽量保证这种平衡状态不发生偏移。