三峽庫區萬縣復向斜構造特征及其與地質災害分布關系

王 嵐 許曉亮 周 準 張凱元

(1.三峽庫區地質災害教育部重點實驗室, 湖北 宜昌 443002;2.三峽大學 土木與建筑學院, 湖北 宜昌443002)

萬縣復向斜位于川東褶皺帶與大巴山-大洪山構造帶復合部位,前人對該區的構造特征有過較為詳細的研究[1-6],例如王晨旭等[2]對湘西沅麻盆地早白堊世紅層古地磁學進行了研究,并估算出川東褶皺帶位于齊岳山斷裂東南側的部分自晚白堊世以來積累了950～93 km 之間的右旋走滑變形;胡召齊等[3]通過對川東-湘鄂西北部“侏羅山式”褶皺帶詳細的野外考察,認為川東-湘鄂西北部“侏羅山式”褶皺帶的褶皺變形發生在晚侏羅世末至早白堊世初期間;賈小樂等[4]通過對西山背斜的構造幾何變形進行運動學模擬,分析研究了西山背斜三層構造的構造特征;王宗秀等[5]通過野外斷裂構造詳細的解析、褶皺構造的形態分析以及沉積地層接觸關系的研究,建立了川東-武陵地區顯生宙構造格局,探討了多期構造演化過程,這些研究雖然對該區構造特征進行了詳細研究,但大都局限于基礎地質領域.另有一些研究局限于頁燃氣勘探研究領域[7-9],關于川東褶皺帶和大巴山-大洪山弧形構造特征與地質災害內在關系的研究少有涉及.滑坡是一種常見的地質災害現象,每年都會造成大量人員傷亡.在國內外以往的研究中,對于滑坡問題往往側重于對單體滑坡的研究,忽略了滑坡個體與個體之間的聯系,特別是對于整個庫岸滑坡群空間演化規律的相關研究甚少.對庫岸空間演化規律的研究是建立時間演化過程的前提,也是實現地質災害預測預報的基礎.地質災害與局部構造之間存在密切的關系,主要體現在局部構造作為地質災害產生的地質環境背景,對坡體結構、地質災害類型以及時空演化過程起到了明顯的控制作用[10-13],對這一過程的認識在以往研究中常常被忽略,缺乏對群體與個體,個體與個體之間內在關系的研究[14],研究成果存在片面性.

地質災害的形成與多種因素有關,前人曾將這些因素分為兩類[15],第一類為地質環境因素(先天因素),包括新老構造條件以及巖性條件等;第二類為觸發因素,包括外動力地質因素(河流切割、卸荷等)、降雨、地震等,主要涉及岸坡破壞點的選擇問題.先天因素的研究是基礎,即把受相同局部構造控制,位于相同新構造活動區域的多個地質災害個體分布帶作為一個整體,對分布帶內部地質災害個體之間在成因機理、演化特征的關系進行研究.這是本文要探討的主要問題.

本文在野外地質調查和勘察資料的基礎上,采用構造地質與工程地質相結合的分析方法,解剖萬縣向斜局部構造,揭示了萬縣向斜構造與區域內地質災害內在的成生關系,為研究區域內地質災害的預測預防提供了一定的參考和依據.

1 區域地質背景

研究區位于揚子準地臺的四個二級構造單元中的川東褶皺帶內部.齊耀山背斜與華鎣山斷裂之間的川東褶皺帶是由一系列平行線狀延伸的緊閉背斜和寬緩向斜相間排列組合形成的隔擋式褶皺,背斜核部大多發育突破性斷裂構造.區域構造線方向大多為北東向,總體呈25°～31°延伸,主要形成于印支、燕山時期.NE方向川東褶皺帶背斜軸跡由NE 向逐漸轉變為EW 向構造,呈現出向西北方向突出的弧形構造.川東褶皺帶東側以齊耀山背斜(齊耀山斷裂)為界與八面山構造相鄰,西北方向以華鎣山斷裂為界與四川盆地相鄰,北部接大巴山弧形構造帶.萬縣向斜位于川東褶皺帶的北東部位,為一寬緩的向斜構造,北西方向為云安場背斜帶,南東方向為方斗山背斜和齊耀山背斜(如圖1所示).

圖1 川東褶皺帶構造綱要圖

研究區主要出露三疊系下統大冶組薄層灰巖、三疊系中、上統巴東組和須家河組的泥灰巖和砂泥巖互層;侏羅系下統珍珠沖組泥頁巖夾煤層,侏羅系中統上下沙溪鎮組砂泥巖互層,侏羅系上統遂寧組、蓬萊鎮組砂泥巖互層和中厚層砂巖.研究區長江干流庫岸段主要發育侏羅系砂巖、泥巖和頁巖,是地質災害的主要承載地層.

2 萬縣向斜局部構造特征

萬縣向斜整體近EW 走向,是夾持在斷層傳播褶皺(斷層相關褶皺中的一種類型)之間的向斜構造,向E翹起消亡.為了更清晰地表現出萬縣向斜整體縱向上的變化特征,野外調查選取了3條橫剖面,自南西向北東依次為3-3'～1-1'剖面,根據局部構造特征,具體將萬縣向斜段劃分為3個區段(如圖2所示).

圖2 三峽庫區萬縣-奉節庫岸段地質圖

2.1 西部EW 向構造與NE向構造疊加區

該區域為NE向的褶皺與近EW 向的萬縣向斜疊加區域(萬縣與云陽新縣城之間),EW 構造為早期構造,受大巴山弧形構造帶所控制,NE 向構造隸屬于川東褶皺的組成部分,疊加構造主體位于萬縣向斜的寬緩核部附近.

其中NE向疊加構造主要有小周背斜,黃柏溪向斜,新場背斜,萬縣向斜主體區域位于長江以南區域,巖層產狀300°∠3°～5°,受疊加構造影響,褶皺面呈波狀起伏,向南逐漸過渡為方斗山背斜的北翼,方斗山背斜南翼產狀變陡,傾角50°～60°;萬縣向斜北翼巖層產狀為140°∠25°(如圖3所示),向北逐漸過渡為云安場背斜,核部地層為三疊系須家河組,表現為軸面北傾的斜歪背斜,背斜北翼,地層傾角為17°,背斜南翼地層傾角為25°～40°.在方斗山背斜和云安場背斜核部都發育有突破性斷裂,表明方斗山背斜和云安場背斜具有斷層相關褶皺屬性.

圖3 三峽庫區萬縣向斜3-3'地質剖面

2.2 中部構造疊加向東西向構造轉化區

該區域構造線方向由NE 向逐漸向EW 向轉變(云陽新縣城與云陽老縣城之間),隸屬于萬縣向斜內部故陵向斜的軸向NE 部分,向斜核部位于長江以南,南翼巖層產狀330°∠10°～50°,長江南岸巖層傾角緩,向南巖層傾角逐漸增大,逐漸過渡為方斗山背斜的北翼,方斗山背斜核部為三疊系須家河組和巴東組地層,南翼傾角陡,產狀340°∠50°～70°;長江北岸,萬縣向斜北翼巖層產狀較陡,產狀160°∠44°～65°,逐漸過渡為云安場背斜,其核部地層為三疊系嘉陵江組和巴東組,表現為軸面北傾的斜歪背斜,背斜北翼,地層傾角為25°,背斜南翼地層傾角為55°.在該處野外地質調查同樣發現了斷層,其位置位于云安場背斜的核部附近(如圖4所示),深部地球物理剖面解釋也進一步證明了這一點[16](如圖5所示),同樣表明云安場背斜為斷層相關褶皺,方斗山背斜,萬縣向斜以及云安場背斜構成隔檔式構造樣式.

圖4 三峽庫區萬縣向斜2-2'地質剖面

圖5 三峽庫區萬縣向斜地震剖面解釋成果圖

2.3 東部萬縣向斜翹傾端

該區域構造線方向為EW 向(云陽老縣城與奉節縣之間),隸屬于萬縣向斜內部故陵向斜的軸向EW部分,為萬縣向E逐漸翹傾消亡部位,北部的云安場背斜與南部的齊耀山背斜逐漸靠近,方斗山背斜傾伏消亡于齊耀山背斜(如圖6所示),傾伏消亡部位在奉節縣安坪鎮附近,萬縣向斜核部位于長江北岸,核部地層為侏羅系,萬縣向斜南翼稍緩,巖層產狀10°∠30°,北翼陡,產狀170°∠50°;樞紐產狀260°∠37°.

圖6 三峽庫區萬縣向斜1-1'地質剖面

萬縣向斜局部構造特征控制了該區域地質災害分布,與局部構造相對應,地質災害同樣可以劃分為3個分布區,分別為西部地質災害分布區(Ⅰ),對應庫岸段為萬縣～云陽新縣城;中部地質災害分布段(Ⅱ),對應庫岸段為云陽新縣城～云陽老縣城;東部地質災害分布段(Ⅲ),對應庫岸段云陽老縣城～奉節段西部地質災害分布區(Ⅰ),庫岸長度28 km,滑坡數量34處(特大型滑坡1處,大型滑坡18處,中型滑坡14處,小型滑坡1處),滑坡發育的線密度為1.10個/km,平均規模達197×104m3;中部地質災害分布段(Ⅱ),庫岸長度16 km,滑坡數量18處(特大型滑坡5處,大型滑坡7 處,中型滑坡6 處,小型滑坡0處),滑坡發育的線密度為1.12 個/km,平均規模1 251×104m3;東部地質災害分布段(Ⅲ)庫岸長度40 km,滑坡數量48處(特大型滑坡6處,大型滑坡12處,中型滑坡30處,小型滑坡0處),滑坡發育的線密度為1.20個/km,平均規模840×104m3.對比可以看出,地質災害空間演化規律具有從西向東地質災害線密度逐漸增大的特征(見表1).

表1 萬縣-奉節長江庫岸段滑坡分段簡表

3 萬縣向斜局部構造與地質災害內在關系

萬縣向斜作為斷層相關褶皺,其形成過程中存在大量順層剪切帶[17],在形成過程后期由于重力作用的影響順層間剪切帶向下運動,這是該區地質災害形成的主要原因之一(如圖7所示),同時軟硬相間地層的存在也加劇了重力作用的效果.

圖7 斷層相關褶皺不同局部部位與地質災害關系統計分析

不同的局部構造部位,地質災害具有不同的空間分布特征.在該區域內劃分的西部、中部和東部地質災害分布區同樣具有不同的空間分布特征.

3.1 西部地質災害分布區(Ⅰ)

從局部構造看,該區位于NE 向疊加構造控制區,長江河谷區域巖層產狀平緩,向北迅速變陡,長江在此區域河段形成一個縱谷區域和一個橫谷區域,地質災害空間分布特征明顯(如圖8所示);在縱向河谷區長江由斜向谷轉變為縱向河谷,然后轉變為斜向谷,地質災害規模由小逐漸增大,然后又逐漸減小(見表2),長江北岸為緩傾順向坡,是地質災害的主要集中區,長江南岸為緩傾反向坡結構,地質災害較北岸明顯減少,地質災害的形成主要受河流沖刷侵蝕岸所引起,空間上具有由西向東地質災害規模逐漸減小的趨勢(見表3).

表2 NE向疊加構造分布區長江北岸縱向河谷區北岸地質災害特征

表3 NE向疊加構造分布區長江縱向河谷區南岸④地質災害特征

圖8 NE向疊加構造分布區地質災害空間分布特征

在橫向河谷區域,地質災害明顯減少,受到長江水流沖刷的影響,在侵蝕岸形成局部規模較大的滑坡,但空間演化規律不清晰(見表4).

表4 NE向疊加構造分布區長江橫向河谷區庫岸段⑤地質災害特征

3.2 中部地質災害分布區(Ⅱ)

從局部構造看,該區位于故陵向斜NE 軸跡向所控制的區域內部,向斜核部位于長江南岸,為地質災害低發地段,如圖7所示;滑坡集中于長江北岸順向坡結構區,滑坡剪出口位于巖層產狀轉變帶處,由中陡傾角(20°～40°)到緩傾角(6°～15°)位置(如圖9所示),中陡傾角巖層構成斜坡的主體部分,巖層產狀轉變帶的位置控制著滑坡體的規模,巖層產狀轉變帶越靠近長江,滑坡規模相對越大(如圖10所示).

圖9 故陵向斜NE軸跡向控制區域地質災害空間分布特征

圖10 云陽城西滑坡工程地質剖面圖

如果在長江河谷附近巖層產狀轉化帶不存在,由于巖層產狀大于坡角,滑坡規模迅速較小,整體上看該庫岸段滑坡規?？臻g上具有從東西兩側向中部減小的趨勢(見圖11和表5).

表5 中部地質災害分布區地質災害特征

圖11 云陽乾草窩滑坡工程地質剖面圖

3.3 東部地質災害分布區(Ⅲ)

東部地質災害分布區,受萬縣向斜翹傾消亡以及方斗山背斜傾伏消亡的影響,在該區域地質災害可以劃分為兩個大區,分別為故陵向斜南翼到方斗山背斜北翼地質災害分布區(①區)和齊耀山背斜北翼地質災害分布區(②區)(如圖12所示).

圖12 故陵向斜EW 軸跡控制區域地質災害空間分布特征

①區滑坡集中于長江南岸順向坡結構區,巖層產狀轉變帶處的寬度決定了滑坡規模,緩傾角結構面分布范圍較寬的情況下,阻滑區阻滑里強,滑坡規模小,滑坡主要分布于緩傾角結構面范圍內,故陵滑坡西側滑坡具有這種特征(如圖13所示);故陵滑坡前面緩傾角結構面寬度減小,同時近南北向長灘河切割故陵滑坡西側,形成臨空面,阻滑力下降,形成故陵滑坡(如圖14所示);越過故陵滑坡,在長江河谷附近巖層產狀轉化帶不存在,由于巖層產狀大于坡角,滑坡規模迅速較小(見表6).

表6 東部地質災害分布區①地質災害特征

圖13 故陵滑坡以西滑坡特征(大河壩滑坡)

圖14 故陵滑坡特征及形成機理示意圖

②區滑坡集中于長江南岸順向坡結構區,為方斗山背斜傾伏消亡區逐漸過渡為齊耀山背斜的北翼,整體結構表現為中傾順向坡結構,地質災害的規模主要受控于斜坡的坡長,以及巖層產狀的大小;坡面與巖層產狀基本一致,在發生變形的部位剛剛形成局部加厚或蠕動變形(重力褶皺)的特征,并在該處形成切層(見表7、圖15),順層剪切帶以及層間節理的存在在坡體變形破壞演化過程中起到重要控制作用,其破壞模式可以劃分為兩種:

表7 東部地質災害分布區②地質災害特征

圖15 尼姑淌滑坡特征及形成機理示意圖

1)直線破壞性,滑坡規模相對較小,主要受坡長和層間節理所控制,先期為巖質滑坡,后期轉化為堆積型滑坡(如圖16所示).

圖16 直線型巖質滑坡形成機理演化示意圖

2)重力潰曲破壞性,滑坡規模大,坡長往往較大,相對高差較大,重力集中明顯,形成重力背斜,從重力背斜下部切層,先期為巖質滑坡,后期逐漸轉化為堆積型滑坡(如圖17所示).

圖17 重力潰曲巖質滑坡形成機理演化示意圖

4 結 論

通過野外地質調查研究以及部分滑坡的勘察資料的分析評價,通過以上研究得出如下結論:萬縣向斜整體近EW 走向,是夾持在斷層傳播褶皺(屬于斷層相關褶皺中的一種類型)之間的向斜構造,其內部可以劃分為:西部NE 向構造疊加構造區域;中部故陵向斜軸跡NE 向區域和東部故陵向斜軸跡近EW向區域(也是故陵向斜翹傾消亡部位).

萬縣向斜內部局部構造的分區特征對地質災害起到明顯控制作用,將地質災害也劃分為3個區域.

1)西部地質災害分布區地質災害發育規模小,且主要集中于局部縱谷地段,橫谷地段地質災害數量明顯減小.

2)中部地質災害主要集中于長江北岸,巖層陡緩傾角轉化帶的存在對地質災害的規模起到了主要控制作用.

3)東部地質災害分布區主要集中于長江南岸,除巖層陡緩傾角轉化帶的存在對地質災害的規模起到了主要控制作用以外,斜坡坡長和巖層產狀為中陡傾的特點對地質災害的規模同樣具有重要的控制作用.