内外动力地质作用耦合的崩塌形成机理研究:以藏东昌都地区上三叠统石灰石矿山采场崩塌为例

李洪梁高 波张佳佳田 尤陈 龙黄 海王 灵李宝幸

1.中国地质科学院探矿工艺研究所,四川 成都 611734;

2.自然资源部地质灾害风险防控工程技术创新中心,四川 成都 611734;

3.成都理工大学地球科学学院,四川 成都 610059;

4.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059;

5.重庆市地质矿产勘查开发局208地质队,重庆 401121;

6.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083

0 引言

藏东昌都地区石灰石矿主要产于上三叠统波里拉组(T3b),矿层产出稳定,体量大,是区域经济发展的重要支撑。随着西部大开发的持续推进,昌都市作为藏东经济发展的火车头,对石灰石矿等基建材料的需求不断攀升,然而伴随矿山开采的不断加剧,众多采场形成了大量高陡边坡,成为矿山企业安全生产面临的主要威胁之一。

目前,国内外学者从不同角度对崩塌地质灾害形成机理的研究积累了大量研究成果。在模拟试验方面,刚体极限平衡法、物理模拟试验法等手段被用于反演灾变过程,建立崩塌发生机制的概念模型,并揭示崩塌失稳破坏的主要影响因素(冉涛等,2012;林锋等,2015;王延平,2016);在结构面分析方面,胡新丽等(2011)利用工程地质条件和结构面统计模拟相结合的手段,利用赤平投影法分析了汶川老虎嘴崩塌成因机制;程鹏翔和李宗发(2019)通过剖析危岩带岩体结构特征分析了贵州武陵山区崩塌地质灾害形成机理;李霍等(2013)在调查斜坡结构的基础上,采用岩体力学理论分析了贵州上洋水河流域崩塌地质灾害形成机理;肖锐铧等(2018)和Fan et al.(2017)则从工程地质角度研究了贵州纳雍县“8·28”崩塌破坏过程和形成机理。此外,Dai et al. (2011)、Huang et al. (2012)、冯 振 等(2014)、邹银先等(2019)和韩明明(2019)在查明危岩体特征的基础上,结合区域地形地貌、地质构造和地层岩性等地质条件,分别对贵州、四川和三峡库区等地的岩质崩塌进行了成因分析。这些研究丰富和完善了崩塌成因机理的研究,形成了较为完备的理论成果。然而,从上述研究方法中不难看出,多数学者对崩塌形成机理的研究主要是从数值模拟、工程地质学或两者结合的角度出发,侧重于对崩塌体地质特征的现状分析,即基于崩塌发育的地质环境现状条件进行分析和模拟,但地质灾害是内、外动力地质作用耦合的产物,尤其内动力地质作用是地质灾害发育根本原因(李晓等,2008;张永双等,2020;薛翊国等,2020;李洪梁等,2022a,2022b),将两者割裂难以全面剖析地质灾害的形成机理。为此,文章以藏东昌都地区为研究区,以上三叠统石灰石矿山采场崩塌为例,在详实的地质调查基础上,结合区域地质、环境演化,从崩塌危岩体基础地质和构造地质角度出发,厘定其形成机理,为藏东昌都地区岩溶崩塌地质灾害防治和相关铁路建设提供基础参考资料。

1 区域地质概况

研究区处于唐古拉山脉东缘、横断山脉北部,夹持于芒康山与他念他翁山之间,山脉走向多呈北西—南东向,地势总体北高南低,最低海拔

2800 m,最高海拔5752 m,平均海拔约4250 m;区内地势险要,切割深,起伏大,总体表现为高原高山峡谷地貌。海拔在5600 m以上的山峰或山脊地带基本是终年积雪,空气极为稀薄,气候十分寒冷,表现为山岳冰川地貌。

1.1 地质特征

研究区大地构造位置地处金沙江缝合带(JSJS)与澜沧江缝合带(LCS)之间的北羌塘-昌都-思茅地体(潘桂棠等,2016)东段南侧,紧邻北澜沧江缝合带(LCS)(图1a)。澜沧江缝合带所代表的澜沧江古特提斯洋演化依次经历了早寒武世—晚三叠世的打开、扩张、俯冲削减到闭合的完整威尔逊旋回(魏君奇等,2008;李才,2008;李才等,2009;范建军等,2014;许志琴等,2016)。新生代受印度-欧亚大陆碰撞造山作用的叠加改造,奠定了区内基本构造格架(寇琳琳等,2021;李洪梁等,2021;李艺豪等,2022)。区内构造线与区域构造线一致,呈北西—南东向展布,断裂、复式褶皱密集发育(图1b),常常组成对冲式褶冲带,褶皱两翼及断层上下两盘层间、切层剪切作用极为强烈,形成了大量透入性构造结构面,如剪切劈理、轴面劈理、“X”型共轭剪节理和张节理等,将岩体切割为破碎的块体。

除第四系冲积物(Qal)和残坡积物(Qdl+el)外,研究区地层从老至新主要分布上三叠统波里拉组(T3b)、上三叠统阿堵拉组(T3a)、上三叠统夺盖拉组(T3d)、下侏罗统汪布组(J1w)、中侏罗统东大桥组(J2d)和上侏罗统小索卡组(J3x)(图1b)。相邻地层之间均为整合接触,其中,上三叠统波里拉组(T3b)地层岩性为灰色、灰黑色中厚层灰岩、含生物碎屑灰岩。灰岩杂质含量低、可采厚度大,是昌都地区石灰石矿山最主要开采地层,同时也是区内崩塌地质灾害的主要发育层位;其余地层整体为一套细碎屑岩建造,岩性以紫红色、红色、灰色薄—中层砂岩、粉砂岩和泥岩为主,局部夹紫红色中层砾岩,是藏东昌都红层区的主要组成部分。

1.2 新构造运动与地震

研究区内新生断裂活动不明显,但古老断裂的继承性活动比较频繁,主要表现为上新世以来持续的断块造山运动和昌都-思茅陆块内的右行走滑,以大面积整体间歇性掀斜抬升、垂直差异升降运动、地震、热水活动为标志,具有继承性、新生性和间歇性,控制了区内第四系(Q)的分布,并奠定了现今地貌形态(潘桂棠等,2020)。受玉树-邓柯断裂、白通断裂等的持续活动影响,区内曾发生过3次MS5.0～5.9级地震,3次MS4.0～4.9级地震。最近一次地震发生于2007年5月7日,位于妥坝县,震级MS5.6级。区内地震峰值加速度为0.1g,对应的地震烈度为Ⅶ级,属于区域地壳基本稳定区(Ⅱ)。

2 崩塌灾害基本特征

2.1 发育特征

调查发现,藏东昌都地区上三叠统石灰石矿山采场崩塌共计7处(图1b),从北到南依次为赛洛扑崩塌、爱华娃崩塌(图2a)、波巴弄崩塌、加克岗崩塌(图2b)、勃洛雄崩塌(图2c)、卡若崩塌(图2d)和喀如雄崩塌,其中以卡若崩塌规模最大,危险性也最大,经常有碎石崩落,目前已停止开采活动。经走访与实地调查得知,2021年5月至9月中旬,在汛期强降雨影响下,卡若崩塌已至少发生3次岩体崩落和坡面泥石流,阻塞、破坏村村通公路,致使车辆无法通行。

图1 昌都地区大地构造位置图与区域地质简图Fig.1 Geotectonic map of the Qamdo area and regional geological sketchmap

图2 典型石灰石矿山采场崩塌Fig.2 Typical rockfalls in limestone mines

总体来看,藏东昌都地区石灰石矿山采场崩塌均发育在上三叠统波里拉组(T3b)灰岩地层,崩塌基本分布于区域内复式背斜核部(图2),呈带状沿北西—南东向展布,与区内F2、F4对冲断层的延伸一致(图1b),表明崩塌地质灾害的发育与构造活动密切相关。从崩塌发育高程来看,研究区石灰石矿山采场崩塌主要集中分布于2个高程段,分别为3500～3800 m、4000～4200 m,多数崩塌相对高差在200 m以上。

2.2 地层特征

野外地质调查发现,石灰石矿山采场崩塌发育在区域复式背斜核部,靠近对冲系断裂,斜坡结构为横向坡(图2),坡度大于60°。背斜样式为正常水平褶皱,但两翼产状陡,不同部位倾角多介于55°～80°之间,属于中等紧闭褶皱。核部地层缓倾或水平,岩体极为破碎。背斜核部地层为上三叠统波里拉组(T3b)灰岩,岩石刻划硬度大于指甲,与小刀接近,属硬质岩。背斜两翼受对冲系断裂的影响,地层缺失较为严重,导致灰岩地层与三叠系(T)或侏罗系(J)地层呈断层接触(图2,图3a)。以F4逆冲断层为例,其断裂带厚度在60～100 m之间(图3a),断裂带内岩石破碎(图3b),带内发育典型的钙质胶结断层角砾岩,角砾的岩性为灰岩,粒径在2～20 mm之间(图3c)。尽管断层角砾岩胶结良好,但可能受后期构造运动影响,角砾岩带出现了严重的二次破裂现象(图3d),可见断层角砾被后期延伸无规律的张性裂隙切割(图3d),裂隙面宽度在2～300 mm之间,裂隙内充填了大量经雨水冲刷侏罗系(J)红层形成的紫红色泥质条带,条带内泥质物质尚未固结(图3d、3e)。这一现象揭示出对冲系断裂在形成之后,受区域构造活动的影响发生了继承性复活,表现为断层上盘沿先成断裂带向下运动,转换为正断层,破坏了已经成岩的逆断层角砾岩。

图3 危岩带地层中的F4断层角砾岩特征Fig.3 Photos of the F4 fault breccia in the unstable rock zone

此外,崩塌区灰岩溶蚀严重,层理面及裂隙面上随处可见瘤状或波状起伏现象(图4a),局部发育溶沟、石牙(图4b)。在背斜核部垂直张裂隙等张性空间内则发育淋滤沉积形成的葡萄状(图4c)和皮壳状钟乳石(图4d),钟乳石内包裹灰岩角砾核心(图4d),表明区内构造格架形成之后,水岩交互作用强烈,加剧了对岩体结构面的溶蚀、拓宽等改造,进一步破坏了岩体的完整性。

图4 灰岩中的溶蚀和淋滤沉积现象Fig.4 Dissolution and leaching deposition in limestone

3 崩塌区岩体结构面分析

岩体结构面是地质灾害发育的主要影响因素之一,对地质灾害形成和发展具有较强的控制作用。为此,此次研究针对卡若石灰石矿山采场崩塌区岩体进行了细致的构造结构面识别与数据采集,采集区域如图2d所示,结构面产状信息如表1所示,然后利用Dips软件(ver. 5.103,下半球投影)绘制极点图和等密度图(图5),进一步分析崩塌区岩体优势结构面发育特征。从结构面极点图中(图5a)可见岩体结构面产状主要分布于北北西、西南和东南侧3个区域;在结构面等密度图中(图5b)可见3处高密度区域,与极点图分布相对应,但西南和东南侧区域根据结构面倾角的不同均可细分为两处次级的阴影区,表明除地层原生层理面(S0)外,卡若崩塌区主要发育5组优势结构面。利用数据窗选取高密度区域获得优势结构面产状分别为31°∠76°、296°∠85°、303°∠66°、161°∠72°和55°∠69°,结合野外地质调查分析认为依次代表南西翼纵张节理(S1,北东翼已形成临空面,无法采集纵张节理产状)、横张节理(S2)、“X”型共轭剪节理(S3、S4)和层间剪节理(S5),结构面透入性好,内多充填白色方解石细脉或网脉(图6)。将褶皱两翼地层产状(北东翼S0N:49°∠67°,南西翼S0S:221°∠69°)与优势结构面产状叠加发现,各结构面大圆弧多呈大角度相互穿切(图5b),将岩体切割为破碎的块体,使得岩体完整度极差(图6)。

图5 岩体结构面特征分析图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 结构面产状信息及其统计表/(°)Table 1 Occurrence information and statistics of the structural plane/(°)

根据沉积学原理,沉积地层在形成之后,若无构造扰动,一般仅发育原生层理面(S0)。野外调查发现,研究区发育317°～137°走向的褶皱和对冲系断裂(图1b),地层内可见大量密集的透入性构造结构面(图6),表明沉积地层形成后,区内构造活动强烈。根据纵弯褶皱和对冲系断裂的延伸方向反演可知,区域构造应力场主应力方位约为47°～227°。

图6 岩体结构面发育特征Fig.6 Photos showing the characteristics of the rock mass structural planes

以卡若石灰石矿山采场崩塌为例,根据纵弯褶皱相关结构面形成机理,岩体内部构造结构面的发育特征也能很好的佐证这一推论。纵张节理形成于背斜转折端,多平行褶皱枢纽展布,是背斜形成过程中,两翼挤压,核部隆起拉张形成;横张节理延伸与纵张节理垂直,是纵弯褶皱在两翼向核部挤压过程中,背斜核部派生的局部拉伸所致;“X”型剪节理多形成于背斜早期,常常被其他类型构造结构面穿切,是反演区域应力场的主要构造面,两组结构面的锐夹角平分线即为主应力方向;层间剪节理是背斜两翼在挤压过程中,相邻沉积层之间的顺层剪切作用形成,此类构造结构面的分布多局限于背斜两翼,是纵弯褶皱作用的重要识别标志(图7)。利用赤平投影刻画结构面空间展布特征(图5),结合上述原理,分析结构面形成的主应力方位可知,纵张节理垂线走向、横张节理的走向、“X”型共轭剪节理锐夹角平分线和层间剪节理的倾向所代表的最大主应力方位介于8°～69°之间,主体分布于35°～65°(图8),平均约43.7°,在误差范围内与区域构造应力场主应力方位(唐菊兴等,2006)一致,表明这些构造结构面是区域构造应力场的产物,与褶皱和对冲系断裂配套。

图7 纵弯背斜相关结构面形成机理Fig.7 Formation mechanism of the structural planes related to longitudinally curved anticlines

图8 最大主应力方位反演玫瑰花图Fig.8 Rose diagram for inversion of the maximum principle stress orientation

4 崩塌灾害形成机理探讨

地质灾害的发育是内外动力地质作用耦合的产物(李晓等,2008;张永双等,2009;许强和李为乐,2010;薛翊国等,2020;李洪梁等,2022a,2022b),文章选取藏东昌都地区目前危险性最大的卡若石灰石矿山采场崩塌为重点研究对象,剖析崩塌地层的沉积建造,探讨崩塌危岩带对区域地质演化的响应,最后分析区域构造格架形成之后的水岩交互作用等外动力地质作用对危岩带的改造,进而厘定崩塌形成机理。

4.1 沉积地层建造

沉积建造指在一定构造背景条件下形成的一套具有特定岩相组合的沉积岩系(金振奎等,2008),是沉积岩区崩塌地质灾害发育的物质基础。卡若石灰石矿山采场崩塌所在区域晚古生代(Pz2)时为西侧澜沧江洋和东侧金沙江洋夹持的一个弧后盆地,受晚二叠世(P3)海西运动和中三叠世(T2)印支运动影响,澜沧江洋和金沙江洋相继闭合形成三江联合地体,增生于扬子克拉通西缘(李兴振等,1998)。晚三叠世(T3)初,三江联合地体东侧甘孜-理塘洋西向俯冲,与此同时,西侧为怒江洋被动大陆边缘,使得大陆地壳向东、西两侧相背运动,昌都地区发生陆内裂陷,形成昌都陆内裂谷盆地,并接受沉积形成上三叠统甲丕拉组(T3j)紫红色河流相泥岩、砂砾岩。随着拉张裂陷的持续,盆地渐深,发生大规模海侵,在昌都盆地快速沉积了一套较为稳定的灰岩建造,即上三叠统波里拉组(T3b),为碳酸盐缓坡内坡相沉积。晚三叠世(T3)中期,受金沙江造山带和澜沧江造山带双向挤压的影响,昌都盆地逐渐萎缩,盆地渐浅,伴随海退形成潮坪—泻湖—三角洲环境,相继沉积形成上三叠统阿堵拉组(T3a)和波里拉组(T3d)灰色、灰黑色细碎屑岩建造,局部夹煤线。到了侏罗纪(J),西侧怒江洋盆逐渐打开,昌都盆地再次打开形成陆内湖泊环境,在炎热干旱和氧化环境下接受由周缘岩石风化、剥蚀、搬运而来的碎屑物质沉积,依次形成了下侏罗统汪布组(J1w)、中侏罗统东大桥组(J2d)和上侏罗统小索卡组(J3x)紫红色湖相泥岩、泥质岩夹砂岩(唐菊兴等,2006;占王忠等,2018;曹代勇等,2019),是藏东昌都红层区雏形。

由上可见,在此过程中,昌都盆地接受沉积主要形成了上三叠统(T3)碳酸盐建造和上三叠统(T3)—侏罗系(J)碎屑岩建造。其中,区内碎屑岩建造因泥质含量高,主体为一套软岩,导致昌都地区崩塌地质灾害主要发育于灰岩建造和碎屑岩建造中的中—厚层砂岩层,但主体以前者为主。因此,上三叠统波里拉组(T3b)灰岩是藏东昌都地区崩塌地质灾害发育的沉积建造基础。

4.2 区域构造演化与崩塌危岩带形成

地质构造与崩塌地质灾害的关系主要表现为断裂、褶皱等构造改变岩体结构,各类伴生构造结构面将岩体切割为破碎的块体,为崩塌的发育提供物源的同时,也控制着崩塌体边界、临空面等,是崩塌地质灾害发育的必要条件。

研究区构造线与澜沧江缝合带(LCS)等区域构造线一致,呈北西—南东向展布,表明区域构造演化制约了昌都地区现今的整体构造格架。据区域地质调查资料(西藏自治区地质调查院一分院,2007),昌都地区始新统(E2)紫红色磨拉石建造与下伏古生界(Pz)、三叠系(T)、侏罗系(J)和白垩系(K)地层之间呈角度不整合接触,指示区域强烈的褶皱造山运动始于晚白垩世(K2)—古新世(E1),而这一时间段与印度板块向北(青藏高原)、北东(青藏高原东缘)俯冲与欧亚大陆碰撞造山作用的启动时间(Molnar and Tapponnier, 1975; Beck et al.,1996;莫宣学等,2003, 2007;Leech et al., 2005; Donaldson et al.,2013;Zhu et al., 2017; 李洪梁等,2019)吻合,且北东向碰撞的主应力方位与在研究区通过构造结构面反演的应力场方位一致,表明昌都新生代褶皱造山带是区域构造演化的产物。地层年代学的研究成果证实,昌都地区新生代褶皱造山运动可分为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,而最强烈的褶皱造山运动发生在Ⅰ幕,其次为Ⅱ幕,形成了遍布全区的逆冲推覆构造及相关褶皱,构成典型的褶冲带,奠定了昌都地区的主构造框架。中新世(N1)—上新世(N2)Ⅲ幕和上新世(N2)—更新世(Qp)Ⅳ幕为后褶皱造山运动,主要表现为先成断裂断块的掀斜、区域差异性隆升和局部的横弯褶皱作用,并发生构造叠加和改造,特别是区域差异隆升导致早期断裂继承性复活(Harrison et al., 1992; Sylvester, 1998; An et al., 2001; Tapponnier et al., 2001; 唐菊兴等,2006;Royden et al., 2008)。

研究区地层岩性主要为灰岩建造和以泥质岩为主的碎屑岩建造,在北东—南西向应力场褶皱造山运动影响下,地层掀斜弯曲形成褶皱及指示主应力方位的“X”型共轭剪节理(S3、S4)。由于灰岩硬度高于以泥质岩为主的碎屑岩,表现为能干性层,因此在应力挤压下,倾向于发生脆性变形,在背斜核部拉张形成纵张节理(S1)和横张节理(S2)。在背斜两翼,因地层间的差异滑动而出现顺层剪切,形成层间剪节理(S5)。这些构造结构面走向差异大,呈大角度相交,将岩体切割为碎块,是崩塌地质灾害的物源准备。随着应力的持续加载,超过岩石极限强度,地层沿灰岩建造和碎屑岩建造之间的岩性差异面破裂,由两翼向核部逆冲,形成对冲系断裂,断裂带内由灰岩脆性破裂形成的角砾在后期钙质地下热液灌入后胶结形成角砾岩,岩体慢慢“愈合”。进入新近纪(N)后褶皱造山运动阶段,构造体制转换发生区域差异性隆升(Harrison, 1992; Sylvester, 1998; 唐菊兴等,2006;Royden et al.,2008),对冲系断裂发生继承性复活演化为正断层(图9中F4),破坏已经“愈合”的逆冲断裂带,使得岩体二次破碎,结构面不断扩展,进一步弱化了岩体完整性,形成了卡若石灰石矿山采矿崩塌危岩带的雏形。

第四纪(Q)以来,伴随构造运动的持续抬升,叠加西侧扬子刚性陆块的阻隔,北澜沧江缝合带(LCS)转化为右行斜冲断裂(潘桂棠等,2020)。谢富仁等(2011)、郝平等(2012)对现代构造应力场的研究表明,青藏高原东缘区域最大主应力为北东向,与构造结构面反演结果一致,向南绕喜马拉雅东构造结顺时针旋转,具显著的右行走滑分量。北澜沧江缝合带西接东西向龙木措—双湖缝合带,南连滇西南北向昌宁-孟连缝合带,处于应力区边界转折带,属典型的应力集中区和强震活动集中区(郝平等,2012),对地质灾害的发育具有促进作用(李洪梁等,2022b)。同时,青藏高原1999—2007年GPS高精度监测数据显示,受印度-欧亚大陆碰撞引发地壳物质东向挤出的影响,北澜沧江缝合带走滑速率可达7.2 mm/a,拉张速率近7.5 mm/a(王阎昭等,2008;Hao et al., 2019;瞿伟等,2021),但因受断裂带西侧及带内断续分布的印支-燕山期带状花岗岩体和地壳深部2条水平软弱带(即结晶基底和盖层的分界)的影响,逐渐发展为震源断裂,控制着区域应力-形变场,曾诱发超过6次MS4.0级以上地震,震源深度约20 km(李渝生等,2016),如2007年“5·7”妥坝MS5.6级地震,直接诱发区内40余处崩塌落石,造成多处公路被阻断。卡若石灰石矿山采场崩塌所在的昌都地区紧邻北澜沧江缝合带,靠近昌都-墨脱应力区和喜马拉雅应力区的分界(谢富仁等,2011),地处应力区边界转折带,应力集中,促进了岩体结构面的贯通,加速了岩体劣化。此外,昌都市西南侧卡贡乡分布的多级河流阶地及朱古寺、缤达等温泉(群)、泉华台地的带状发育,也是现今新构造活动强烈的强有力佐证。

4.3 水岩交互作用弱化岩体结构面

从对危岩带地层特征的调查发现,上三叠统波里拉组(T3b)地层中溶蚀及淋滤沉积现象极为发育,灰岩表面发育溶沟、石牙,结构面被溶蚀、扩展,裂隙中可见葡萄状和皮壳状钟乳石等,表明区内构造格架形成之后,存在强烈的水岩交互作用。灰岩作为可溶性岩石,且发育陡倾层理面和5组构造结构面,为水岩交互作用的进行提供了先决条件,而灰岩中强烈的溶蚀及淋滤沉积现象表明,昌都地区至少在新近纪(N)以来大气降水或地下水活动作用强烈。

地壳表层的循环系统主要由大气降水、地表水和地下水组成,气候环境主要受大气降水的强弱影响,湿热的气候环境往往雨量充沛,地下水动力作用强烈,干冷气候环境则反之。研究表明,自晚白垩世(K2)—古新世(E1)印度—欧亚大陆碰撞造山作用以来,昌都新生代褶皱造山带的形成经历了4幕间歇式隆升,深刻塑造了亚洲古气候和现今东亚季风气候系统,仅晚更新世(Q3)以来,昌都地区至少经历了4次湿-热气候,带来了丰富的降雨量(朱宗敏等,2007;覃建勋等,2014;Chen et al., 2020)。大气降雨沿陡倾层理面、结构面下渗,与灰岩发生强烈的水岩交互作用,不断加宽、扩展、贯通结构面,进一步破坏了岩体完整度。横张节理(S2)和“X”型共轭剪节理(S3、S4)倾角大,且走向与坡向相近(S3、S4)、甚至一致(S2),极易形成陡倾临空面或者凹岩腔,在后期强降雨、地震和人类矿山开采等突发因素触发下,容易导致岩体崩塌。

4.4 崩塌灾害形成过程

根据上述对卡若石灰石矿山采场崩塌形成的3个关键地质过程的分析认为崩塌是内外动力地质作用耦合的结果,从崩塌地层沉积相、区域构造演化与崩塌危岩带的形成出发,将其形成过程划分为崩塌地层沉积建造形成阶段、岩体构造破碎阶段和崩塌危岩带的变形破坏3个阶段(图9)。

(1)崩塌地层沉积建造形成阶段:晚三叠世(T3)早期,昌都地区发生陆内裂陷,形成昌都陆内裂谷盆地,随后发生大规模海侵,在碳酸盐缓坡内坡相快速沉积了一套较为稳定的灰岩建造,即上三叠统波里拉组(T3b)灰岩。晚三叠世(T3)中期—侏罗纪(J),昌都盆地逐渐萎缩,规模减小,形成陆内湖,在炎热干旱的氧化环境下沉积形成了一套紫红色为主的细碎屑岩(唐菊兴等,2006;占王忠等,2018;曹代勇等,2019;图9a)。其中,灰岩硬度高,沉积层厚稳定,是崩塌发育的沉积建造基础。

图9 卡若石灰石矿山采场崩塌形成过程示意图Fig.9 Schematic diagram of the rockfall formation process in the Caro limestone mine

(2)岩体构造破碎阶段:或称“崩塌危岩带的形成阶段”。晚白垩世(K2)—古新世(E1),印度板块在昌都地区向北东俯冲与欧亚大陆对接碰撞(Molnar and Tapponnier, 1975; Beck et al., 1996; 莫宣学等,2003,2007; Leech et al., 2005; Donaldson et al., 2013;Zhu et al., 2017),区域地壳抬升为陆,经历始新世(E2)Ⅰ幕和中新世(N1)Ⅱ幕褶皱造山运动(Harrison et al., 1992; Sylvester, 1998; An et al., 2001; Tapponnier et al., 2001; 唐菊兴等,2006;Royden et al., 2008),三叠系(T)—侏罗系(J)地层纵弯褶皱,形成以上三叠统波里拉组(T3b)灰岩为核部的背斜。随着板块间的持续挤压,两翼地层不断压缩,形成中等紧闭背斜及与该构造过程配套的陡倾纵张节理(S1)、横张节理(S2)、“X”型共轭剪节理(S3、S4)和层间剪节理(S5),在与沉积原生层理面(S0)的组合下将岩石切割为碎块(图9b)。当构造应力超过岩石极限强度时,地层沿灰岩和碎屑岩之间的岩性突变界面破裂,在研究区形成对冲系断裂F2、F4,并使得上述相关构造结构面不断扩展;新近纪(N)中期后,区域构造体制转换进入后褶皱造山运动阶段,构造运动以断块掀斜、区域差异隆升为主(Harrison et al., 1992;Sylvester, 1998;唐菊兴等,2006;Royden et al., 2008),导致早期已“愈合”的逆冲断裂发生继承性复活,使得岩体发生二次破碎,完整度进一步降低,崩塌危岩带基本成型。进入第四纪(Q),新构造活动强烈,加剧了危岩带岩体结构的破坏(图9c)。

(3)崩塌危岩带的变形破坏:晚更新世(Q3)以来,昌都地区多为湿-热气候,降雨量充沛(朱宗敏等,2007;覃建勋等,2014;Chen et al., 2020),且灰岩作为可溶性岩石,又发育了大量陡倾结构面,使得水岩交互作用强烈,不断拓宽、改造和贯通结构面,沿横张节理(S2)和“X”型共轭剪节理(S3、S4)等结构面形成高陡临空面和凹岩腔,加剧了危岩带的变形破坏(图9d)。另外,大气降水在弱化岩体结构面的同时,将上覆侏罗系(J)红层中的细粒黏土物质不断带入岩体裂隙,由于黏土具遇水软化的特性,由此降低了危岩带崩塌所需克服的阻力,促进了崩塌的发育。

4.5 崩塌破坏模式

现场调查发现,研究区内石灰石矿山采矿崩塌的破坏模式主要可分为3种,分别为倾倒式、坠落式和滑移式,但以前两者为主。其中,倾倒式崩塌主要由2组竖直结构面和1组向临空面缓倾的结构面将岩体切割为近直立的长方体状或长柱型,在重力卸荷、强降雨等因素影响下,竖直裂隙不断向下扩展,当与缓倾结构面贯通后,岩体呈孤石,失去与坡内岩体之间的凝聚力,不断向坡外倾覆,当倾覆力矩达到某一临界值后,发生倾倒式崩塌,如卡若石灰石矿山采场崩塌危岩带被近直立的纵张节理(S1)、横张节理(S2)和核部缓倾原生层理面(S0)切割为柱状危岩单体(图10a、10b),在地震、强降雨等因素触发下,具有倾倒的危险;坠落式崩塌与倾倒式崩塌具有一定的成因联系,同样受3组结构面控制,但由于局部构造应力集中形成剪切带,致使危岩体下部的岩体更为破碎,形成差异风化,不断崩落形成凹岩腔,上部危岩体在剪切面之上以悬臂梁的形式向外突出,在长期重力作用下,陡倾的横张节理面(S2)逐渐向下贯通,岩体坠落,毁坏公路设施(图10c、10d);滑移式崩塌分布较为局限,比较典型的是爱华娃石灰石矿山采场崩塌。该崩塌分布于区域背斜北东翼,危岩体临空面为地层原生层理面(S0)。在纵弯背斜形成过程中,两翼地层出现差异滑动,导致层间剪切,形成剪节理(S5),与原生层理面(S0)呈小角度联通,演化为危岩体的弧形滑移面(图10e)。在降雨、长期重力作用或地震等因素影响下,危岩体重力分力克服抗滑阻力,将产生崩塌,使矿山企业的安全生产面临威胁。

图10 石灰石矿山采场崩塌主要破坏模式Fig.10 Main failure modes of rockfall in limestone mines

5 结论

文章以藏东昌都地区上三叠统石灰石矿山采场崩塌地质灾害为例,采用基础地质、构造地质和灾害地质分析相结合的手段,通过详实的地质灾害调查,查明了崩塌地质灾害分布规律、地层结构与区内结构面分布特征,研究了区内石灰石矿山采场崩塌地质灾害的形成过程及破坏模式类型,主要结论如下。

(1)藏东昌都地区上三叠统石灰石矿山采场崩塌地质灾害发育于横向坡,呈北西—南东向展布于区域复式背斜核部的上三叠统波里拉组(T3b)灰岩地层,与区域对冲系断裂走向一致。

(2)除原生层理面(S0)外,崩塌区地层内发育陡倾的纵张节理(S1)、横张节理(S2)、“X”型共轭剪节理(S3、S4)及层间剪节理(S5)共5组与区域褶皱和对冲系断裂配套的构造结构面。呈大角度相交的各组结构面,将岩体切割为破碎的块体,破坏了岩体完整性。

(3)藏东昌都地区上三叠统石灰石矿山采场崩塌地质灾害是内、外动力地质作用耦合的产物。晚三叠世(T3)早期,昌都地区发生陆内裂陷,形成陆内裂谷盆地,引发海侵,沉积了一套稳定的灰岩建造,是崩塌发育的物质基础;晚白垩世(K2)—古新世(E1),印度与欧亚大陆对接碰撞,经历始新世(E2)Ⅰ幕和中新世(N1)Ⅱ幕褶皱造山运动在昌都地区形成了北西—南东向褶冲带及相关构造结构面,奠定了区内构造格架。新近纪(N)中期,区内构造体制转换导致先成对冲系断裂发生继承性复活,引发岩体二次破碎、结构面扩展,形成了崩塌危岩带的雏形;进入第四纪(Q),新构造活动强烈,加剧了危岩带岩体结构的破坏。同时,晚更新世(Q3)以来的昌都地区湿-热气候交替频繁、降雨量充沛,使得水岩交互作用强烈,结构面不断拓宽、改造和贯通,形成高陡临空面和凹岩腔等,在强降雨、地震和人类矿山开采活动等因素触发下,形成崩塌地质灾害。

(4)根据石灰石矿山采场崩塌地质灾害的变形破坏情况,在藏东昌都岩溶区识别出倾倒式、坠落式和滑移式等3种崩塌破坏模式,但以前两者为主。