某地區Chipwi韌性剪切帶構造特征及其巖體工程性狀

鄧爭榮，雷世兵，何永剛，吳樹良

(1.長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010;2.三峽國際能源投資集團有限公司，北京 100033)

1 工程背景

東南亞某地區主干河流May Kha江流域水資源開發利用，經規劃及論證研究后，推薦梯級開發方案中最下一級擬建設Ⅰ等大(1)型水電站工程［1］，樞紐工程由擋水建筑物、泄水建筑物、引水發電系統等主要建筑物組成。其中，擋水、泄水建筑物布置于主河床，設計為碾壓混凝土重力壩，擬正常蓄水位高出河床枯水位150余米，壩頂高出正常蓄水位8 m，設計最大壩高200余米。

工程區域順主干河流發育有May Kha斷裂，系區域性斷裂，但非構造分區的邊界斷裂，不具活動性［2］。主干河流流域規劃的本梯級河段內水電站壩址的選擇，難以徹底避開此斷裂對工程的影響。從大地構造地質學意義出發，該斷裂構造形跡包括形成于中晚元古代的變質—變形同期的韌性剪切帶構造和形成于喜馬拉雅早中期的脆性斷裂構造［3］。韌性剪切帶西側發育有碎裂巖帶，碎裂巖帶中發育有脆性破裂形成的斷層;其東側邊界發育有另一脆性破裂形成的斷層。

May Kha區域性斷裂構造形跡組成骨架的韌性剪切帶，發育在中上元古界念青唐古拉巖群(Pt2－3Nq)變質巖系內部，寬約500～800 m，因其通過鄰近水電站工程的Chipwi市(鎮)，將其命名為“Chipwi韌性剪切帶”。它主要為一套具有強烈定向組構的粗糜棱巖帶，是在地殼中深構造層次的高溫高壓環境中，原巖經強烈的韌性變形而形成的一線狀高應變帶，具有塑性流變及旋轉應變特征。研究Chipwi韌性剪切帶構造特征，對擬建水電站工程地區區域構造的認識具有十分重要的意義;研究其巖體工程性狀，可為水電站工程設計提供技術支撐，同時，亦可為其它工程類似研究提供參考。

2 區域地質概況

2.1 地形地貌

工程研究區屬于構造剝蝕中低山地貌區，山脈地勢總體上北高南低、東高西低。其東側最高山頂高程3 000～4 000 m，西側最高山頂高程2 800～3 500 m。研究區內山嶺高聳陡峻，河流深切，溝谷縱橫發育。工程場址區主干河流近SN向，自北流向南，兩岸地形坡度多35°～45°，河谷呈相對較開闊的“V”字型。

2.2 地層分區及巖性

工程研究區在地層區劃上屬滇藏地層大區岡底斯—騰沖地層區之拉薩—察隅地層分區，區內變質巖、巖漿巖廣布，未變質的沉積巖幾乎未見，地層巖性復雜，主要出露中上元古界(Pt2－3)變質巖地層念青唐古拉巖群，為一套以粗粒斑狀云母片麻巖及黑云母花崗片麻巖為主，并含少許角閃片巖及角閃巖透鏡體或條帶的中高級變質巖系，系多期形成的古老結晶變質雜巖，其變質作用類型屬于區域動力熱流變質作用類型。

2.3 大地構造單元

工程研究區橫跨歐亞大陸5個一級大地構造單元，即喜馬拉雅褶皺系(Ⅰ)、岡底斯—念青唐古拉褶皺系(Ⅱ)、唐古拉—昌都—蘭坪—思茅褶皺系(Ⅲ)、松潘—甘孜褶皺系(Ⅳ)、揚子準地臺(Ⅴ)。工程場址區處于岡底斯—念青唐古拉褶皺系(Ⅱ)伯舒拉嶺—高黎貢山褶皺帶(Ⅱ2)中的銅壁關褶皺束(Ⅱ23)。區域斷裂構造走向多呈近SN向和NW向，以近SN向為首要優勢方向。

2.4 新構造運動

圖1 Chipwi韌性剪切帶分布示意圖Fig.1 Distribution of Chipwi ductile shear zone

區域新構造運動主要表現為自上新世以來由西北—東南方向的快速掀斜式抬升運動，以大斷裂為邊界的斷塊間差異運動及局部快速抬升，次級板塊的側向滑移，次級板塊的相對轉動，火山活動及斷陷和斷裂活動等。工程近場區主要表現為間歇性快速抬升作用。

3 Chipwi韌性剪切帶構造特征

3.1 幾何學特征

Chipwi韌性剪切帶形成于中晚元古代，變質—變形同期，在擬建水電站工程場址區沿May Kha江左岸近岸斜坡展布(圖1)，寬度約500～800 m，走向NNE(8°～10°)，西側以碎裂巖帶邊界為界，東側以脆性破裂斷層F40為界，帶內物質組成主要為具有強烈定向組構的粗糜棱巖。該韌性剪切帶西盤為中上元古界念青唐古拉巖群a巖組(Pt2－3Nqa)花崗片麻巖夾斜長角閃巖為主，變質相主要為高綠片巖相—角閃巖相;東盤為中上元古界念青唐古拉巖群b巖組(Pt2－3Nqb)黑云石英片巖、石英片巖及花崗片麻巖夾變粒巖為主，變質相為綠片巖相，片巖片理發育，并可見沿片理裂開現象。兩盤片麻理(或片理)產狀為走向 NNE(5°～20°)，西盤傾向近W、傾角70°～85°;東盤傾向近E、傾角65°～80°。

3.2 內部結構及變形特征

Chipwi韌性剪切帶內巖石遭受高溫高壓環境下的強烈韌性剪切變形，形成了一系列的韌性剪切變形構造巖，即粗糜棱巖和構造片巖。同時，在其東、西兩側的邊界附近，可見后期的疊加在早期韌性剪切帶邊緣部位的脆性構造巖。本韌性剪切帶的構造變形較為發育，具有一定的代表性。帶內主要發育灰色長英質眼球狀粗糜棱巖、糜棱巖及少量糜棱片巖［4－5］，可見粗糜棱結構、糜棱結構、超糜棱結構，并可見流體作用表現生成的長英質條帶及透鏡狀、眼球狀、旋轉碎斑、書斜構造等(圖2)。其典型構造巖特征見表1。

圖2 Chipwi韌性剪切帶巖石及變形特征Fig.2 Rock deformation characteristics of Chipwi ductile shear zone

表1 Chipwi韌性剪切帶典型構造巖特征Table1 Typical tectonites characteristics of the Chipwi ductile shear zone

韌性剪切帶中的糜棱巖葉理面上發育的線理方向，代表了巖石在發生韌性變形時礦物的拉伸變長方向，也代表了帶中的物質流動方向或韌性剪切位移方向，因此拉伸線理可以作為確定其剪切位移的標志［6］。Chipwi韌性剪切帶中糜棱巖的傾向大多在95°～110°之間，傾角變化范圍在70°～85°之間，多數在75°左右。在一些部位可以見到糜棱巖葉理面上發育拉伸線理，側伏角一般在S25°左右，表明其主要表現在SN向以水平剪切為主，伴有次要的垂直運動。通過對剪切帶中的旋轉碎斑、書斜構造等變形構造的分析，認為該韌性剪切帶具右旋正斷性質。右旋正斷作用直接導致工程場址區左右岸面理傾向相背、左岸(東岸)變質程度比右岸(西岸)輕的構造格局。

從總體特征來看，Chipwi韌性剪切帶是韌性變形作用的結果，在巖石經歷了變質之后，發生了韌性構造變形，在此過程中分異了大量的長條狀、透鏡狀的長英質條帶(脈體)。而且帶內片麻理(或片理)傾向受韌性剪切變形影響，沒有東、西盤片麻理(或片理)產狀穩定。在此次韌性變形之后很晚的時期(喜馬拉雅早中期)，該區域沿早期韌性剪切變形較強的變形帶或者韌性剪切帶邊緣，發育了脆性變形。因此，該韌性剪切帶經歷了不同時期多期次不同性質的構造活動，脆性變形疊加在韌性變形帶之上。

3.3 巖石顯微構造特征

為了研究本韌性剪切帶的顯微構造特征，對工程場址及附近的出露部位選擇代表性點位采取巖塊樣品，通過室內加工后，進行了顯微鏡下鑒定和分析。經多個樣品鏡下鑒定，鑒定名稱絕大多數為××花崗質粗糜棱巖或花崗質粗糜棱巖，其代表性顯微構造特征如下:

糜棱結構，塊狀具半定向不規則條紋狀構造，巖石組分仍包括碎斑和碎基兩部分，組分主要由長石和石英組成。

碎斑＞60%，粒度粗細不一，粒徑介于0.2～5 mm不等，以＜2 mm為主，常呈不規則粒狀或透鏡狀，粗細混雜，呈半定向分布，粒間主要被碎基充填。碎斑組分主要由長石組成，含少量石英，無序，穿插共生，長石主要由鉀長石和斜長石組成，切片較潔凈無色，但也有不同程度的泥化和絹云母化。斜長石以絹云母化為主，粒度相對偏細小，偶見細密的聚片雙晶，局部被少量細粒碳酸鹽交代;鉀長石碎斑與斜長石相似，一般粒度稍偏大，以輕微泥化為主，不規則裂隙較發育，偶見含斜長石包體及細粒石英呈穿孔狀交代或含微條紋狀結構;石英碎斑仍較少，粒度粗細不一，但較潔凈透明，波狀消光較強烈;局部含少量細粒不規則粒狀綠泥石充填于碎斑粒間，并含少量細粒鐵質共生，疑由黑云母蝕變形成。

碎基較多，細—微粒不等粒不規則粒狀或糜棱帶狀，尤以后者為主，無序散布充填于碎斑粒間，糜棱質碎基。皆呈不完全帶狀并呈半定向分布，主要由碎裂和塑性變形的石英組成，鏡下以潔凈透明為特點，偶含不規則粒狀長石碎屑，平行糜棱片理常含少許細粒土狀或塵點狀鐵質充填，后者尤多見于碎裂裂隙中，并常與綠泥石共生。

4 Chipwi韌性剪切帶巖體工程性狀

Chipwi韌性剪切帶穿越擬建水電站工程混凝土重力壩左岸壩基，帶內巖體涉及工程的巖性為粗糜棱巖，研究其巖體工程性狀，可為水電站工程設計提供技術支撐。

4.1 巖體風化

據工程場址區巖體風化特點，強風化巖體僅局部呈透鏡體，鉛直厚度不超過2 m，從工程地質意義上出發，將巖體風化帶劃分為全強風化、弱風化、微風化三帶。Chipwi韌性剪切帶粗糜棱巖巖體全強風化帶厚度一般不超過16 m;弱風化帶厚度一般不超過9 m，且多＜5 m;以下為微風化帶及新鮮帶。

4.2 巖體主要勘探技術指標

Chipwi韌性剪切帶粗糜棱巖，全強風化帶巖體鉆孔及平洞揭示呈砂土含碎粒及夾少量碎石狀，巖石質量指標RQD為0，鉆孔聲波縱波速值一般2 300～3 000 m/s;弱風化帶巖體鉆孔巖芯主要呈短柱狀夾碎塊狀，巖石質量指標RQD平均值多為20% ～50%，鉆孔聲波縱波速值一般3 000～4 500 m/s;微風化帶巖體鉆孔巖芯多呈長20～40 cm柱狀，巖石質量指標RQD平均值為65% ～90%，且多＞75%，鉆孔聲波縱波速值一般4 500～5 700 m/s。

4.3 巖石(體)物理力學性質

4.3.1 室內巖石物理力學性質

水電站工程勘察期，對Chipwi韌性剪切帶粗糜棱巖采取大量鉆孔芯樣，進行了室內巖石物理力學性質試驗，主要成果統計見表2。巖石飽和塊體密度平均為:弱風化 2.64 g/cm3，微風化 2.69 g/cm3;巖石飽和單軸抗壓強度平均為:弱風化44.4 MPa(中硬巖)，微風化124.7 MPa(堅硬巖);巖石聲波縱波速值平均為:微風化5 624 m/s。

4.3.2 原位巖體力學性質

水電站工程勘察期，對Chipwi韌性剪切帶粗糜棱巖在勘探平洞內選取代表性部位，進行了現場原位巖體抗剪試驗和變形試驗，成果統計見表3。

表2 粗糜棱巖室內巖石物理力學性質試驗主要成果統計表Table 2 Physical mechanics characteristics of coarse mylonite

4.4 巖體結構及基本質量

Chipwi韌性剪切帶粗糜棱巖巖體結構受巖體風化和巖體中發育的結構面控制，據其巖體風化狀態和結構面的發育程度及間距，巖體結構分類為:全強風化帶巖體屬散體結構，破碎;弱風化帶上部巖體主要屬鑲嵌結構，完整性差;弱風化帶下部巖體多屬次塊狀結構，較完整;微風化帶或新鮮巖體主要屬塊狀結構、次塊狀結構，較完整。

巖體基本質量由巖石堅硬程度和巖體完整程度所決定，由該韌性剪切帶粗糜棱巖巖體的巖石飽和單軸抗壓強度(Rb)、巖體完整性系數(KV)確定的巖體基本質量指標(BQ)，可得出其巖體基本質量分級［7］(表4)。

表3 粗糜棱巖平洞現場原位巖體力學性質試驗成果統計表Table 3 Rock mechanical characteristics of coarse mylonite adit

表4 Chipwi韌性剪切帶粗糜棱巖巖體基本質量分級Table 4 Basic quality classification of coarse mylonite rock mass of Chipwi ductile shear zone

4.5 巖體滲透特性

Chipwi韌性剪切帶粗糜棱巖全強風化帶滲透系數(K)為量級 10－4～10－2cm/s，滲透性等級屬中等透水;弱風化帶、微風化帶巖體據鉆孔壓水試驗成果，其透水率(q)分別為10 ～100 Lu、0.1 ～10 Lu，滲透性等級分別屬中等透水、弱透水—微透水。

按本水電站混凝土重力壩大壩滲控工程防滲標準:兩岸山體帷幕灌后巖體透水率q≤3 Lu;河床壩基主帷幕灌后巖體透水率q≤1 Lu。該韌性剪切帶巖體透水率q≤3 Lu的埋深13～44 m，q≤1 Lu的埋深18～84 m，靠近西側碎裂巖帶部位段埋深呈相對增大趨勢。

5 結語

經對Chipwi韌性剪切帶構造特征及其巖體工程性狀研究，可以得出以下主要結論:

(1)該韌性剪切帶形成于中晚元古代，變質—變形同期，在擬建水電站工程場址區沿May Kha江左岸近岸斜坡展布，寬度約500～800 m，走向NNE，西側以碎裂巖帶邊界為界，東側以脆性破裂斷層為界，帶內物質組成主要為具有強烈定向組構的粗糜棱巖。

(2)該韌性剪切帶是區域上順主干河流不具活動性的May Kha斷裂構造形跡組成的骨架，經歷了不同時期多期次不同性質的構造活動。在韌性變形之后很晚的時期(喜馬拉雅早中期)，區域上沿早期韌性剪切變形較強的變形帶或者韌性剪切帶邊緣，發育了脆性變形疊加在韌性變形帶之上。

(3)該韌性剪切帶穿越擬建水電站工程混凝土重力壩左岸壩基，其巖體工程性狀研究結果表明，它在工程場址區僅僅具有構造地質學上的意義，工程可容易利用的微新狀巖體能滿足工程要求，對擬建水電站工程建設無不利影響，其巖體工程性狀的研究可為水電站工程設計提供技術支撐。

［1］ SL 252—2000，水利水電工程等級劃分及洪水標準［S］.

［2］ GB 50287—2006，水力發電工程地質勘察規范［S］.

［3］ 朱志澄.構造地質學［M］.武漢:中國地質大學出版社，1999.

［4］ 路鳳香，桑隆康.巖石學［M］.北京:地質出版社，2002.

［5］ 劉德民，李德威，楊巍然.定結地區韌性剪切帶變形特征與糜棱巖研究［J］.地學前緣，2003，10(2):479 －486.

［6］ 張桂林，梁金城，劉之葵，等.桂北元古代本洞花崗閃長巖體中發現左旋—正滑型韌性剪切帶［J］.桂林工學院學報，2003，23(1):1－4.

［7］ GB/T50218—2014，工程巖體分級標準［S］.