武当山国家地质公园地质灾害形成条件研究

袁玉华, 曾 洋, 李 寅, 肖宇煌

(湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

武当山国家地质公园地质灾害形成条件研究

袁玉华, 曾 洋, 李 寅, 肖宇煌

(湖北省地质环境总站,湖北 武汉 430034)

武当山国家地质公园内地质灾害的形成是各种孕灾条件相互控制与影响、共同作用的结果。地质构造是孕灾根源,是区内地质灾害形成的决定性、控制性作用条件,也是最为重要、最关键的孕灾条件;广泛发育的软弱变质岩系及第四系松散土体成为地质灾害的物质基础条件;独特的地形地貌(如陡峻断块山、断崖峭壁等),为地质灾害提供了天然的孕灾场所和孕育条件;局部暴雨与连阴雨是诱发地质灾害的“导火索”;工程切坡与水土流失则加剧了地质灾害的形成与发展。

地质灾害;形成条件;武当山

武当山作为国家地质公园、国家5A级旅游风景区,其古建筑群被列入联合国《世界文化遗产名录》,拥有奇特绚丽的自然景观与丰富多彩的人文景观。2013年武当山景区接待游客达500万人次,实现旅游总收入25亿元,为武当山旅游经济特区的支柱产业。

由于特定的自然地理环境,极为复杂的地形地质条件加上人类工程经济活动的影响,区内地质灾害活动日渐频繁,伴随着武当山旅游产业规模的不断升级,地质灾害对旅游安全和旅游产业发展的袭扰如影随形。各类地质灾害严重威胁着游客生命财产及作为世界文化遗产的武当山古建筑群的安全,阻碍景区旅游产业可持续发展,危害性与潜在威胁巨大。

区内为古老变质岩区,受多期次构造运动作用,断裂、节理裂隙及片理发育,加之山岭陡峭,孕灾环境极为复杂。因此,研究区内地质灾害发育特征与形成条件,分析地质构造、地层岩性、地形地貌等因素对地质灾害的控制作用尤为重要。

鉴于山岳型景区“亦险亦景”的特质,本次研究专门选取地质灾害密集发育区作为研究对象,研究区面积为26.53 km2,北起太子坡—老君堂,经紫霄宫、南岩宫、八仙观至金顶—下观一线,含太子坡村、紫霄村、八仙观村、大湾村4个景区行政村。通过研究分析区内地质灾害形成条件,为后续防治措施的研究提供相关理论依据,对防灾减灾具有重要意义。

1 区域地质背景与孕灾环境的形成

1.1 区域地质背景

图1 武当地区地质构造略图Fig.1 Geological structure sketch map of Wudang area1.丹江口水库库区;2.中—新生界;3.震旦系—下古生界;4.扬子地台;5.南华系耀岭河组;6.武当群变沉积岩组;7.武当群变火山岩组;8.韧性滑脱构造面;9.脆韧性逆冲推覆面;10.断层;11.武当山地质公园范围。

武当山国家地质公园位于秦岭褶皱系南秦岭褶皱带武当山复背斜之核部(图1)。武当山复背斜由四个复式褶皱组成,由北往南分别为两郧背斜、黄龙滩向斜、武当山背斜和竹山褶皱束。武当山国家地质公园横跨公路大断裂,涉及武当山背斜和黄龙滩向斜。

武当山复背斜之核部为中、新元古界武当(岩)群,四周由南华系耀岭河组、震旦系陡山沱组和灯影组及古生界呈裙边状环绕。北部地层层序分布正常,南部地层被竹山断裂带和青峰断裂带切割破坏。这些地层均经受了多期区域动热变质作用,而转变成各类区域变质岩,变质程度为绿片岩相;在公路断裂带与两郧断裂之间及断裂带上的断陷盆地中,有上白垩统寺沟组和古近系红色砂砾岩沉积。

研究区仅分布有中、新元古界武当(岩)群,玄岳湖边零星分布有上白垩统寺沟组红色砂砾岩,沟谷及山坡上有零星第四系分布。

1.2 地质灾害孕灾环境条件

1.2.1 地形地貌

研究区主要为构造侵蚀、剥蚀型低中山地貌,主峰天柱峰海拔1 612.1 m,最低处位于北部剑河谷底,海拔约302.5 m。区内受构造侵蚀、剥蚀作用,山峰陡峻,且沟谷狭长,切割深,多形成峻峰峭壁和V形河谷,山体坡度30°～70°,山脊呈牛背状,植被发育。

1.2.2 气象水文

武当山属北亚热带湿润季风气候，气候温和，雨量充沛，四季分明。年平均气温15.6～16 ℃之间。最高气温是7月，平均温度27.8 ℃，极端值41.5 ℃(1966年7月19—20日)，最低气温是1月，平均温度3.1 ℃，极端值-12.4 ℃(1977年1月30日)。

武当山天柱峰周围，河谷深切，溪涧纵横，园区内以武当山为发源地的水系有3条，即剑河、东河、九道河。

1.2.3 地层岩性

研究区内主要出露的地层为中—新元古界武当(岩)群,北部玄岳湖畔分布少量上白垩统红色砂砾岩。武当(岩)群在区内分为下部变火山岩组和上部变沉积岩组,变火山岩组中有变基性火山岩和变酸性火山岩两种,这些岩石均经受了绿片岩相变质作用;区内尚广泛分布晋宁期(延续至南华纪,800—680 Ma)侵入的变基性岩。

1.2.4 人类工程活动

区内景区交通建设发展迅速,多条交通线路正在密集建设中。受地形条件制约,多采取开挖切坡、人工爆破、回填路基等方式。区内部分地质灾害就发育在人类工程活动频繁的地区(如景区公路沿线)。

区内有多处大型居民区、重点工程项目及12处库区移民安置点,移民安置点大多数采取就地后靠的方式,多分布高切坡和高填方,易发生地质灾害。

此外,区内宜耕种土地资源有限,除河谷阶地内有少量的适宜耕种的低缓农田外,其它均为坡耕地,除部分已退耕还林外,多数坡地仍在耕种,再加上低丘岗地改造作用,形成了一些陡坡经济林地,这些坡耕地一般表层土壤较薄,结构较松散,在降雨入渗作用下,常加速斜坡变形或形成滑坡。

2 研究区地质灾害特征

武当山地质公园地质灾害共42处。除8处零散分布外,其余地质灾害均分布在太子坡—金顶—下观一带内,本次调查以该地段内集中发育的34处地质灾害作为研究对象。

2.1 地质灾害类型

截至2013年12月,研究区内共调查各类地质灾害34处,其中,滑坡14处、崩塌9处、不稳定斜坡隐患11处(图2)。

图2 研究区灾害类型统计分布图Fig.2 Statistical distribution chart of geologic hazards in study area

区内发育有大型滑坡1处、中型滑坡1处、小型滑坡12处;崩塌中型2处、小型7处;不稳定斜坡中型2处、小型9处(表11)。

表1 研究区灾害规模统计表Table 1 Statistical table of disaster scale in study area

2.2 地质灾害发育规律

根据研究区地质灾害的空间展布,区内地质灾害有在局部地形地质条件下集中发育的特点及规律。局部地形地质条件与人类活动的不同,地质灾害类型及发育规律、发育特征也不尽相同,总体上可分为以下4个地质灾害发育单元(图3)。

2.2.1 紫霄宫—南岩宫断裂构造控制崩塌集中发育单元(A)

区内受南岩断裂构造控制,形成连绵数千米的断层崖、断层谷,多发育有>60°的陡崖,最大高差达200 m,岩体受区内主控构造——南岩断裂作用挤压、切割,陡崖峭壁临空条件好,造成受构造控制的崩塌类地质灾害集中发育,共11处,占研究区地质灾害总数的32.3%,其中包括崩塌6处,潜在崩塌的不稳定斜坡1处,崩坡积层内潜在滑坡3处,岩土质滑坡1处。该地段主要分布于紫霄村,受灾害点威胁的景点主要有紫霄宫、南岩宫、榔梅祠、七星树、黄龙洞、天一湖等。

图3 研究区灾害类型统计分布图Fig.3 Statistical distribution chart of geologic hazards in study area1.崩坡积;2.残坡积;3.变沉积岩组;4.变火山岩组;5.滑坡及编号;6.不稳定斜坡及编号;7.崩塌及编号;8.片理产状;9.重要旅游景点;10.地质界线;11.;12.景区公路;13.地质灾害集中发育单元及编号。

2.2.2 太子坡—八仙观残坡积层滑坡集中发育单元(B)

该地段位于研究区北部太子坡—八仙观,垂向上处于武当山地区五级夷平面以下,区内山势总体渐缓,自然坡度约25°～40°,从近山脊至坡体中部为大面积源于残坡积的第四系松散土层所覆盖,下伏基岩通常为隔水片状变质岩类,为潜在滑移面的形成提供了有利条件,在前缘临空条件较好情况下,易发生滑坡等地质灾害。区内共发育地质灾害8处,其中滑坡6处(土质5处,岩质1处),不稳定斜坡2处(均为土质,潜在变形破坏方式为潜在滑坡)。周边主要景点有太子坡、八仙观、复真观等。

2.2.3 中观—下观断层谷地滑坡集中发育单元(C)

该地段位于研究区南部,为综合坡度约24°的缓坡谷地,斜坡表层堆积有崩坡积松散第四系岩类覆盖,同时由于地形条件适宜,宫观及旅游设施建设较多,对原有土体结构及斜坡形态多有扰动,加之受周边高山来水汇集,受地表水、变质岩风化裂隙水垂向及侧向补给,使得区内表层松散岩系易饱和并形成沿下伏隔水界面渗流带,降低岩土体的抗滑强度,形成易发生滑坡的地形条件。区内共发育地质灾害5处,均为土质滑坡。周边威胁对象包括中观、下观等宫观,停车场、旅客集散中心、索道、商业街等旅游设施。

2.2.4 景区公路沿线崩塌危岩体带状发育单元(D)

包括紫霄宫—逍遥谷段、八仙观—大湾段景区公路沿线公路岩质高切坡,切坡面在长期风化、剥蚀作用下,节理裂隙异常发育,加之良好的临空条件,形成沿公路崩滑带,该地段地质灾害主要由人类工程活动诱发。区内共发育地质灾害7处,其中岩质滑坡1处,崩塌3处,不稳定斜坡3处(均为岩质,其中潜在崩塌2处,潜在滑坡1处)。

综上所述,研究区内的地质灾害空间发育特征具有一定的链生性与群发性。地质灾害发育单元B与单元C呈面状分布于第四系松散岩类中,以发育滑坡、土质不稳定斜坡为主;地质灾害发育单元A及单元D主要受断裂构造控制与景区公路建设影响,呈线性分布,以发育崩塌、岩质不稳定斜坡为主。

3 研究区地质灾害形成条件分析

3.1 地质构造——孕灾根源

根据前述孕灾环境的形成及区内地质灾害的发育规律分析,多期次的地质构造运动是孕灾根源与基础。区内断裂构造发育、形迹复杂、岩体破碎,成为孕育地质灾害的理想背景场所;地质构造不仅为地质灾害的形成提供结构条件,同时对区内的地貌格局产生一定的影响。可见,地质构造控制着其他孕灾条件。

地质构造对地质灾害的控制作用,主要体现在以下方面:控制地质灾害的边界条件、范围、规模、滑向等空间特征;控制地质灾害的分布与发育规律;控制坡体内软弱结构面的形成和组合方式,以及岩石风化程度;控制地质灾害的地形地貌特征和地下水分布富集等。分析其主要控制方式如下。

3.1.1 断裂构造控制地质灾害的分布规律

根据调查结果，研究区内地质灾害多沿断裂构造带两侧密集发育。受区内构造作用影响，断裂带附近的岩体结构较为破碎，结构面较多，岩体风化程度较高，易形成松散堆积体。区内受南岩断裂作用发育有11处地质灾害；受九道河—下观断裂作用影响发育地质灾害5处。

3.1.2 断裂构造控制地质灾害的空间发育规律

如九道河—下观断裂在区内断裂上(北)盘上升形成规模宏大的断层崖,而下(南)盘下降在中观—下观一带,则形成综合坡度24°的缓坡谷地,其中有5处土质滑坡的展布(沿断裂走向)、主滑方向(沿断裂倾向)基本一致,滑坡后缘明显均受区域内NEE向断裂构造线所控制,滑体物质成分(源于断层崖下的崩坡积物)也基本相同。以上这些共性特点,充分反映了这些滑坡是在相同的地质条件下产生的,其主控因素与形成机理基本一致,都受区内地质构造的控制和影响。

3.1.3 断裂构造控制滑坡边界条件与范围

受构造应力作用的影响，断裂带附近构造裂隙较为发育，在大气降雨及地下水作用下，断层破碎带附近容易形成软弱面或者软弱带，其稳定性较差，易形成滑坡等地质灾害。

如红家岩滑坡(WDS-HP86),滑坡面形态呈不规则状,主滑方向70°,纵长约550 m,最宽处200 m,厚15 m,面积约11×104m2,规模约165×104m3。为一大型岩土质老滑坡(图4、图5)。

该滑坡的边界条件明显受断裂构造控制。滑坡后缘高程约940 m,处于南岩主断裂(F1)的两条次级断裂(F2、F3)交汇部位;NEE侧边界整体受控于F3次级断裂;NNE侧上部边界主要受F2次级断裂的制约,至F1与F2断裂交汇处后,下部边界则主要受F1南岩主断裂带切割控制。滑坡前缘高程约580 m,早期的崩滑堆积体形成鼓丘,伸入天一湖内,占据部分河床,表现为河道外凸。

图4 红家岩滑坡全景Fig.4 Overall view of Hongjiayan landslide

图5 红家岩滑坡平面图Fig.5 Plan of Hongjiayan landslide1.第四系滑坡崩坡积;2.第四系残坡积;3.滑坡周界及滑向;4.正断层;5.逆断层;6.剖面线方向及编号。

在F2次级断裂上部,明显可见高达十几米的早期滑壁,树木多折断、倾倒或歪斜。多条断裂交汇的软弱破碎带中,岩石遭受强烈破坏而极为破碎,这些破碎构造岩及断层崖崩积物提供了良好的滑坡物源;断层交汇带和影响带宽度大、裂隙发育、含水丰富,在大气降水以及天一湖浸泡、侵蚀坡脚、风化作用等因素综合影响下,沿断裂交汇破碎带内生成滑坡是显而易见的地质作用。

3.1.4 地质构造控制坡体内软弱结构面的形成和组合方式

岩体受构造作用影响，一方面导致其风化程度较高，另一方面其软弱面较为发育。受构造作用影响形成的各种优势结构面对滑坡滑向起至关重要的作用。滑坡发生过程中通常在软弱面先出现变形，当软弱面贯通之后，滑坡开始出现剧烈变形，在此过程中优势结构面对其滑动方向起着决定性作用。

3.2 地层岩性——孕灾物质基础条件

地层岩性在地质灾害形成过程中为其提供了物质基础条件。区内岩土体结构较为破碎，节理裂隙较为发育，在一定的卸荷作用及风化作用的影响下，易形成崩塌；而第四系松散岩体的残坡积物(Qel+dl)与崩坡积物(Qcol+dl)，则为滑坡的形成提供了物质基础。

3.2.1 软弱变质岩成为崩塌、滑坡物源

区内经受了多期区域变质作用和动力变质作用,变质岩岩体由于受断裂和褶皱挤压等影响而较破碎,岩性软弱,构造节理裂隙发育。如梳妆台崩塌、前述的红家岩滑坡等。

3.2.2 第四系松散土体成为滑坡物源

区内主要分布变质岩，其岩性软弱，结构较为破碎，风化作用较为强烈。受长期风化剥蚀作用的影响，第四系松散岩土体(残坡积物、崩坡积物)成为了滑坡的主要物源。如太子坡滑坡、七里沟滑坡等。

3.2.3 软硬相间的不利岩体结构

区内出露岩体主要为变质岩，其岩性交错情况较为复杂，一方面在构造应力作用下，岩体发生倒转、断裂，进而产生塑性变形，导致岩性分布不均；另一方面变质岩形成后，作为侵入体的岩浆岩发生突变，由于二者物理性质存在较大差异，通常在其接触面产生应力集中区，导致变质岩物理力学性质变差，容易破碎。如黄龙洞不稳定斜坡、龙头香崩塌均属于这种不利的岩体结构及组合条件。

3.3 地形地貌——提供孕灾场所

研究区内地形地貌的形成和演化与构造运动有着直接的关系,受断裂裂隙控制而形成独特的陡峻断块山和一系列单面山,而悬崖峭壁多为断裂形成之断崖或岩石沿陡倾裂隙崩塌而成,峰或悬崖峭壁的高度常受变粒岩或变基性岩厚度的控制。

3.3.1 地形地貌对滑坡的孕育影响

坡度因素在地形地貌条件中对滑坡的形成起到决定性作用。当斜坡坡度为20°～40°，斜坡内岩土体风化物堆积程度较高，且位于斜坡中下部，受地下水和地表降雨相互交换作用强烈，降低了岩土体力学性质，同时产生了较高的动、静水压力。当坡度<20°时，一方面岩土体下滑势能较小，不易滑动，另一方面地表水及地下水汇流较慢，不易形成滑坡。当坡度>40°时，堆积层规模较小，地表降水和地下水排泄过于迅速，仅对浅表层堆积物有一定影响，无法下渗到深部的堆积层。

3.3.2 地形地貌对崩塌的孕育影响

经历多期构造运动后,受到侵蚀风化作用的控制,在断裂裂隙影响下,区内形成了多处坡度>60°的陡壁。而峰侧之悬崖峭壁,多为断裂形成之断崖或岩石沿陡倾裂隙崩塌而成。如南岩断裂一线,形成一系列断层崖、断层谷,多发育有>60°的陡崖,最大高差达200 m,岩体受断裂作用挤压、切割,陡崖峭壁临空条件极好。而其上升盘形成近垂直的陡峭临空面,使本就构造节理裂隙极其发育的岩体重力作用极为活跃,在降雨、风化剥蚀等因素叠加影响下,发生崩塌在所难免。

3.4 大气降雨——诱灾“导火索”

武当山的构造隆升,使区内气候的变化幅度相对较大,垂直差异变化明显,降雨也较为不同,局部小气候有时形成灾害性局部暴雨。区内滑坡崩塌等地质灾害受突发性暴雨和连阴雨影响强烈。短时间内造成坡体第四系松散土体含水量陡增,是形成滑坡的重要影响因素。

3.5 人类活动——加剧地质灾害的形成与发展

人类活动对自然环境的改变和破坏逐渐强烈,加剧了地质灾害的形成与发展,如景区公路沿线就发育地质灾害7处。人类活动的影响主要表现在以下两种方式。

(1) 公路与建房切坡。切坡斩脚、挖断斜坡等工程活动,坡脚内缩改变了原有坡体形态,打破了坡体的原始平衡,造成了坡体内部应力失衡,从而破坏了坡体自稳。如大崖滑坡(景区公路沿线)。

图6 武当山国家地质公园地质灾害形成条件关联图Fig.6 Association diagram of geologic hazard forming conditions in Wudang Mountains National Geopark

(2) 水土流失。人类活动与水土流失间的关系复杂,新增大范围的斜坡耕地是区内水土流失的主要因子。水土流失还造成植被破坏,地下水、地表水的径流方式改变,岩体风化加速等不利因素,斜坡体上的松散堆积体受到大气降水作用影响，同时在自身重力影响下，容易形成滑坡等地质灾害。如八仙观茶场滑坡。

4 结论

区内地质灾害在形成过程中受到各种孕灾因素的制约与影响(图6)。地质构造在地质灾害形成过程中是最为核心的要素，起到了决定性作用，同时也是其孕灾根源；广泛分布的变质岩及第四系松散堆积物在地质灾害形成过程中为其提供了一定的物质基础，特殊的地形地貌在地质灾害形成过程中为其提供了孕灾场所；局部暴雨与连阴雨是诱发地质灾害的“导火索”;工程切坡与水土流失则加剧了地质灾害的形成与发展。

[1] 肖玉煌,苏昌,李寅,等.丹江口市地质灾害详细调查报告[R].武汉:湖北省地质环境总站,2014.

[2] 李正琪,谭秋明,左文超,等.拟建湖北武当山国家地质公园综合考察报告[R].武汉:湖北省地质遗迹调查评价中心,2007.

[3] 王少军,张志.湖北武当山区土壤侵蚀景观成因机理研究[J].水土保持研究,2003,10(4):113-116.

(责任编辑：陈姣霞)

Study on Forming Condition of Geologic Hazards in WudangMountains National Geopark

YUAN Yuhua, ZENG Yang, LI Yin, XIAO Yuhuang

(HubeiProvinceGeologicalEnvironmentTerminus,Wuhan,Hubei430034)

The formation of geologic hazards in Wudang Mountains National Geopark is the result of interaction and influence of various disaster-causing conditions. The geological structure is not only the root,but the most important condition of disaster-causing,which is the decisive and dominate forming condition of geologic hazards in this area. The widely developed weak metamorphic rocks and Quaternary loose soil is the material base of geologic hazards. The special landform and geomorphy(such as steep fault-block mountains,bluffs and cliffs)provides natural place and condition for disaster. Local rainstorm and continuous rain can be the blasting fuse leading disaster. Besides,the cutting slope and water and soil loss intensify the forming and developing of geologic hazards.

Geologic hazards; forming conditions; Wudang Mountains

2016-03-04;改回日期:2017-01-11

袁玉华(1967-),男,高级工程师,水文地质、工程地质与环境地质专业,从事水文地质工程地质与环境地质勘察及地质灾害防治工作。E-mail:bdyuanyh@163.com

P694

A

1671-1211(2017)03-0321-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.03.017

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170516.1350.002.html 数字出版日期:2017-05-16 13:50