基于圖幅調查的六盤山鎮孕災地質條件分析

王高峰,王愛軍,田運濤,孫秀娟,李 強

(中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心,河北 保定 071051)

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基于圖幅調查的六盤山鎮孕災地質條件分析

王高峰,王愛軍,田運濤,孫秀娟,李 強

(中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心,河北 保定 071051)

調查研究小流域孕災地質環境背景，是分析地質災害時空分布規律與成災模式，完成地質災害易發程度、危險性區劃評價，提出地質災害綜合防治對策建議的重要依據。以涇河流域六盤山鎮幅地質災害調查為實例分析了地形地貌、地質構造和工程地質巖組與地質災害的關系。結果顯示：(1)大的地貌單元和格局較明顯地控制著地質災害的分布，不同地貌單元內的地質災害類型、發育程度和分布特征等都有差異性，統計表明滑坡主要發育在剝蝕構造丘陵區及低山區地貌，泥石流主要發育在侵蝕中低山區，崩塌主要分布在河谷斜坡地帶和斷裂帶內，地質災害一般沿地貌邊界帶密集分布發育，尤其是沿斷裂呈線狀展布；(2)軟弱的泥巖巖組是研究區內主要的易滑地層，控制著地質災害的分布，在不同工程地質巖組區間內滑坡面積的多寡與滑坡分布密度相關性不大；(3)區域地質構造不僅控制著區域地層的展布，也控制著區域地質災害的發育，不同斷裂也凸顯出一定的差異性。

地質災害; 孕災地質條件; 涇河流域; 易滑地層

1999—2008年開展以縣市為調查單元的地質災害調查與區劃，基本摸清了我國地質災害發育狀況，劃分了地質災害易發區，建立了以縣為單元的地質災害群測群防體系。2005年在地質災害多發的縣(區、市)啟動的1∶5萬崩滑流地質災害調查，基本查明了我國地質災害及隱患點的分布規律，為編制全國和地方地質災害防治規劃提供了科學依據，在地質災害防治實踐中發揮了重要的技術支撐作用。近年來，重特大地質災害仍然時有發生，地質災害防災減災形勢依然嚴峻。對孕災地質條件調查深度不夠，地質災害發育規律和地質災害鏈認識不足，較少開展極端條件下地質災害易發性和風險性的定量評價。對此，2013年以來，在地質災害高易發區，選擇人口密集的中小流域、活動構造帶、重要城鎮、重大工程區，以1∶5萬標準圖幅為基本工作單元，啟動了更加注重孕災地質背景和工程地質條件調查的崩塌滑坡泥石流災害調查，由鋪面全覆蓋調查評價轉向具有典型性或代表性的地質災害高易發區的調查評價，從“就災論災”的地質災害調查轉向地質災害隱患與孕災地質條件的綜合調查。

地質災害的產生是孕災因子和致災因子共同作用的結果。相對致災因子的時變性，孕災因子的變化相對遲緩，地質災害孕災環境研究是進行相關研究的基礎[1]。如何正確確定不同區域地質災害孕災背景條件是開展一個地區地質災害調查的前提，也是一項復雜的、難度較大的系統科學問題。對因素的選擇要適當，才有利于孕災因素權重的分配；對地質災害孕災背景條件的選取沒有統一的規定，不同的研究人員所選取的因素也各不相同。差異性地貌為滑坡、崩塌的生成和泥石流的形成運移提供了良好的勢能和物質積累條件，在很大程度上決定了地質災害能否形成以及其類型、數量、規模；地質構造不僅控制地貌的形成發育，也改變了巖土體的結構、物理性質和力學強度；不同的構造單元有著不同的地層巖性組合，巖土體巖性組合及其結構特征對于滑坡變形失穩的影響是顯著的，它們是決定斜坡巖土體強度、應力分布、變形破壞特征的基礎，同時也是滑坡等地質災害的物質基礎，在一定程度上決定了坡體的破壞失穩方式；在具備合適的地形地貌和地質條件時，降水尤其是持續性降水或短時高強度暴雨無疑是引發地質災害最主要的因素之一。

研究區地質災害的發生主要受地形地貌、地質構造、巖性組合等孕災因子控制，在GIS平臺環境下，基于六盤山鎮幅地質災害調查數據庫，分別統計每個因子的取值區間與地質災害分布的關系。衡量地質災害發育程度的指標主要包括：地質災害面積百分比(LAR)，即影響因子的不同取值區間內地質災害面積除以區間面積；地質災害點分布頻數(LC)，為每km2內災害的個數。本文主要采用LC來衡量地質災害在某一因子不同區間內的發育程度。

1　研究區概況

研究區位于涇河流域源區，涉及行政區域包括寧夏回族自治區涇源縣、甘肅省平涼市崆峒區，主要位于涇源縣中北部。在地貌上地處六盤山東麓，崆峒山西緣，地貌形態可分為侵蝕構造中低山區、丘陵區和侵蝕堆積河谷階地區，地形起伏較大，地表侵蝕強烈；地質構造上位于華北陸塊鄂爾多斯地塊西緣與秦祁活動帶祁連—北秦嶺褶皺系東端的復合部位，寧夏南部弧形擠入推覆構造帶之西華山—六盤山弧形推覆構造帶的南段，大地構造位置特殊，褶皺、斷裂較為發育；地震頻發，屬地質災害高易發區。區域孕災地質背景復雜，新構造運動強烈，巖土體類型及性質各異，基巖山區及黃土等地貌類型豐富，河流水系發達，且人類工程活動劇烈，致使在不同孕災地質條件下的地質災害形成機制及發育特征也不相同。因此開展該區域地質災害孕災條件背景研究極其重要。圖1為研究區范圍與地質構造誘發地質災害分布圖。

①上梁公社—劉家峽斷裂；②隆德向斜；③月亮山斷裂；④六盤山背斜；⑤六盤山斷裂；⑥固原斷裂；⑦古城鎮向斜；⑧西溝斷裂；⑨白陽鎮西正斷層；白陽鎮西逆斷層；王洼鎮逆斷層；沙井子斷裂。

圖1研究區范圍與斷裂誘發地質災害分布

2　孕災地質背景條件分析

2.1地形地貌控制作用

地形地貌是崩塌、滑坡、不穩定斜坡以及泥石流等突發性地質災害類型和規模的主控因素，為地質災害提供能量和活動場所[2]。研究區位于我國地質地貌南北向分界線、第一梯級向第二梯級的轉折過渡地帶，跨地臺與地槽區。東面是鄂爾多斯斷塊，西北為阿拉善斷塊，西南系青藏斷塊及祁連地槽褶皺系。新生代時期，北部受華北應力場的影響，南部受青藏應力場的影響，使該區域具有擠壓型弧形地貌格局。再者該區西部即六盤山基巖山區(大關山)為中更新世以來在擠壓或剪切—擠壓型斷裂構造作用下，再經流水侵蝕的碎屑巖泥質巖中山區地貌類型；中部為上新世末—更新世初以來的受擠壓型構造影響，經流水侵蝕的兼具紅層狹長的涇源縣城—六盤山鎮剝蝕構造丘陵區地貌，局部夾侵蝕堆積而成的沖積河流階地地貌；東部即小關山為前第三紀以來在擠壓或剪切—擠壓型斷裂構造作用下，再經流水侵蝕的碎屑巖、泥質巖低山區地貌類型。

這種特殊的大地構造位置或特定的地質構造背景以及獨有的新生代應力狀態，深刻地影響著該區地貌的形成與發展，決定了區域地貌的基本特征。野外實地調查統計分析：滑坡主要發育在剝蝕構造丘陵區及低山區地貌；泥石流主要發育在侵蝕中低山區；崩塌主要分布在河谷斜坡地帶和斷裂帶內。地質災害一般沿地貌邊界帶密集分布發育，尤其是沿斷層呈線狀展布。

不同高程的地方，受河流切割作用不同，往往形成不同的地形地貌，其與地質災害的分布存在一定耦合關系。研究區數字高程模型(DEM)空間分辨率為25 m×25 m，在GIS 平臺下可以通過DEM 提取坡向、坡度因子柵格。研究區內高程為1 560～2 685 m，按照100 m一個級別將研究區內高程進行分組，并統計每組內發育的地質災害面積，統計結果見表1。大約83%的研究區高程位于2 100 m以下，2 100 m以上面積僅為17%。約95%的地質災害發育在2 100 m高程以下，超過50%的地質災害發生在1 900～2 100 m高程范圍內，地質災害發育災害面積百分比最大的高程區間為1 900～2 000 m。

表1　地質災害與高程的關系

注：A為因子劃分區間面積，LN為地質災害數量，LA為地質災害面積，PoLA為災害面積占總災害面積百分比，LC為地質災害點分布頻率，下表同。

坡度是地質災害發生的主要影響因素之一，對其發生起到控制性作用；另外坡度廣泛用于地質災害危險性的評價因子，不同坡度坡體，其內部應力分布不同，穩定性不同，以往研究表明坡度在10°～40°最易發生滑坡災害。在GIS空間分析模塊中以DEM為基礎插值等高線獲得地形坡度，將研究區坡度劃分為6級，即<5°，5°～15°，15°～25°，25°～30°，30°～40°，>40°。研究區內坡度分類與各個級別中的地質災害發生統計情況見表2，統計結果表明大部分地質災害發育在坡度5°～40°。在坡度過大(>40°)與過小(<5°)的區域內地質災害均很少發生，但是災害點分布頻率最大的是坡度5°～25°和大于40°的區域內。以滑坡為例，研究區在5°～25°坡度范圍內最易發生滑坡災害，而黃土型滑坡主要發生在坡度為10°～40°，基巖滑坡主要發生在25°～50°，碎石層滑坡主要發生在5°～45°，土巖復合型滑坡主要發生在8°～40°。

坡向對研究區內的地質災害發育起著一定的作用：(1)因為六盤山東麓深大逆沖斷裂走向自北而南由北西向變為北北西—近南北向，在垂直于主應力方向上的巖石受積壓破碎；(2)坡向決定了坡體受陽光照射時點及時長，進而影響巖體風化速度，從一定程度上影響著地質災害的發生。地質災害與坡向的統計結果見表3，可以看出SSE—SSW是地質災害發育的優勢方向，其次是SE，原因是研究區地貌形成是六盤山東麓斷裂側向擠壓逆沖所致，而導致此坡向的斜坡易于失穩而滑動，所以在此坡向上的地質災害占優勢。

表3　地質災害與坡向的關系

2.2工程地質巖組控制作用

地層巖性是地質災害發生、發展的重要內因和物質基礎。不同的巖土體具有不同的力學性質、不同的巖性組合及斜坡結構類型具有不同的穩定性，其發育的地質災害類型不同[3]。即巖土體性質在一定程度上決定著地質災害的發育程度與類型，是形成的內在主要控制因素，其類型、性質、結構決定著致災體的物質來源，并控制著地質災害的發育類型和生成規模[4]。按照巖土沉積環境或建造類型、結構特征及其工程特性，將研究區劃分為7個工程巖組類別。這7類工程地質巖組分別為：Ⅰ類工程巖組為松散黏砂—礫石雙層結構土，主要為松散黏砂土，含少量礫石、碎石，下部為礫石層，多成河流階地地貌，礫石土骨架疏松，易形成河道塌岸；Ⅱ類工程巖組為非濕陷性黃土—卵礫石雙層結構土，主要為粉砂質黃土層、砂礫石層、碎石土層，沉積物柱狀節理發育，整體結構較差，局部膠結強度大，在雨水和外力作用下極易產生崩塌、黃土滑坡、覆蓋層滑坡等地質災害；Ⅲ類工程巖組為軟弱的泥巖巖組，由古近系山麓沖積扇—河相粗碎屑巖沉積的寺口子組砂礫巖、泥巖和湖湘沉積的清水營組砂巖、泥巖組成，該巖組表層松散堆積層遇水飽和，大部分遇水沿裂縫下滲到下伏具有遇水軟化、具有隔水性的泥巖、粉砂質泥巖，在軟弱接觸帶多產生滑坡災害；Ⅳ類工程巖組為半堅硬的塊狀、片狀薄—中厚層狀泥巖、頁巖泥巖巖組，由下白堊系馬東山組、乃家河組泥灰巖、泥灰質頁巖、泥巖等組成，在小關山一帶集中出露，局部呈東西向狹條帶延伸至崆峒山山脈，該巖組多發育基巖滑坡、覆蓋層—基巖混合型滑坡、泥石流等災害；Ⅴ類工程巖組為較堅硬塊狀中厚層狀粉砂巖夾頁巖巖組，巖性為白堊系李洼峽組粉砂巖，泥灰質粉砂巖夾頁巖，粉砂質頁巖等，在馬場大臺至西峽水庫一帶及研究區東部崆峒山與小關山交界一帶等地呈南北向分布，屬較堅硬巖石；Ⅵ類工程巖組為堅硬塊狀厚層狀礫巖砂巖巖組，由下白堊系三橋組塊狀礫巖，和尚鋪組砂巖組成，主要分布在六盤山東麓東山坡—松樹臺沿線及崆峒山西緣沿線；砂巖、含礫砂巖在秋千架一帶出露，屬堅硬巖石；Ⅶ類工程巖組為碳酸鹽類巖建造的堅硬的塊狀厚層狀石灰巖巖組，由中寒武系、中奧陶系青灰色灰巖組成，為碳酸鹽臺地潮坪相沉積及臺地邊緣淺灘相、濱海淺灘沉積，巖層層狀結構發育，屬堅硬巖石，地質災害發育少。

不同巖組內地質災害發育面積與數目統計結果見表4。就整個研究區而言，總的地質災害面積占研究區總面積的百分比為2.3%，災害密度為0.336個/km2。大部分地質災害(46.1%)發生在Ⅳ類巖組中，此類巖組的平均災害面積也是最大的，達到4.38 km2，但是災害密度反而較低；Ⅲ類巖組中也發育了占地質災害總數量38.3%的災害，但是該巖組地質災害密度最高，達到0.987個/km2；其他5類發育的地質災害數量很少。

研究區與地質災害關系密切的易滑地層主要有古近系泥質、砂質紅層軟巖；白堊系的紫紅色泥巖。這些易滑地層強度低、遇水易軟化，由其組成的斜坡穩定性差，發生滑坡的頻率高。主要是因為：一方面，不同時代的紅層軟巖的巖性、結構構造和產狀有較大的差異，對斜坡穩定性、滑坡類型和發育程度有一定影響。研究區白堊系地層層理發育，單層厚度變化大，一般厚度較小，巖相巖性變化較大，夾有多層頁巖、灰巖，軟硬相間，物理力學性質變化也較大。且經受的地質構造作用也較強烈，節理發育，局部巖層傾角大而多變，差異性風化明顯。因此，白堊系紅層軟巖中滑面沿層理發育的順層滑坡較常見。另一方面，古近系泥巖巖性相對單一，以泥巖、砂質泥巖為主，多為厚層狀，層理不甚發育，物理力學性質變化不大，除盆地邊緣、斷層帶附近外，巖層一般呈近水平狀，也多發育切層滑坡。該層在水的作用下，強度急劇降低，產生滑坡，而成為易滑地層。再者，在水的作用下泥巖還具有膨脹性，當水進入泥巖變形破壞區，產生軟化的同時，發生體積膨脹，劈裂巖體，加速變形破壞和滑面的發育，膨脹壓力作用于上部變形體，降低滑面上的有效應力，促發滑坡。古近系泥巖還具有半定向—定向排列的微結構特點，從而發育天然軟弱面，便產生巖性的各向異性和沿定向排列方向的蠕變性和易滑性，同時具有明顯的流變性。

表4　地質災害與巖組的關系

2.3斷裂構造帶控制作用

地質構造條件對地質災害的發育分布有重要的影響，主要包括構造格局、新構造運動、斷裂等方面對滑坡的控制作用。斷裂是巖體破碎，并為地下水滲流創造了條件，他常常控制著滑坡、崩塌的發育地帶的延伸方向、發育規模及分布密度[5]。研究區受北北西—近南北向構造控制，從西部到東部依次形成了六盤山背斜、六盤山深大逆沖斷裂、涇源斷陷向斜、崆峒山背斜大地構造格局。背斜中低山區主要以白堊系地層為主；向斜盆地丘陵區主要覆蓋古近系泥巖和砂巖地層，少數地段馬蘭黃土蓋帽式覆蓋。在中、低山區以崩塌和泥石流災害為主，主要威脅公路、景區等；斷陷盆地區以覆蓋層滑坡為主，主要威脅居民區及主干公路。

斷裂構造分析采用構造線密度來表達，即單位面積內斷裂線的總長度，然后以DEM數據為基礎，首先生成1 km×1 km網格，然后利用GIS中的分析功能，將研究區內斷裂及斷層經過與網格相交、重新統計總長度、連接等操作，最后得到構造密度圖。這樣將研究區按照密度系數分為7類，研究區內最大構造密度為3×10-3m/km2，對每個類別中的地質災害發育情況進行統計分析，結果見表5，可以看出在斷裂構造密集發育區也是地質災害高發區。大約62%的研究區構造密度小于1×10-4m/km2，相對應超過50%的地質災害也發生在該區間，但是災害點分布頻率最大的是1.5×10-3～2×10-3的區域，達到了0.918個/km2。

表5　地質災害與斷裂的關系

根據表5分析研究區地質災害與斷裂的關系：(1)活動斷裂兩側地形地貌、地層巖性差異顯著，為地質災害的形成提供了動力來源和物性差異。處于研究區西部的六盤山東麓深大逆沖斷裂不僅控制了研究區中山區到河谷丘陵區的展布，而且控制了白堊系地層與古近系地層的分布。在斷裂下盤出露地層大部分為古近系清水營組及寺口子組磚紅色泥巖、砂巖易滑地層，在山前斜坡頂部還出露蓋帽式黃土層，在河谷斜坡中上部出露第四系砂礫石層；而在其上盤主要發育白堊系六盤山群泥巖、灰巖及礫巖地層，巖性較堅硬。六盤山東麓深大逆沖斷裂控制了六盤山東麓中山區與河谷丘陵區的邊界，沿斷裂發育了一系列的古、老、新地質災害，滑坡、崩塌、泥石流具有大量發育，在其上盤以崩塌、泥石流災害為主，而在下盤以滑坡災害為主。另外，在研究區中東部的土窯—秋千架—沙南逆沖斷裂作為白堊系堅硬—半堅硬巖層與古近系軟弱紅層的分界線其對滑坡災害的控制也較明顯，在其下盤以中小型滑坡、崩塌災害發育，相反，在其上盤地質災害不發育，但是局部褶皺、小型斷層十分發育，坡體往往剝蝕嚴重，在該斷裂帶內中大型滑坡極其發育，坡體前緣堆積大量的土黃色強膠結的碎石層，厚度從10～40 m不等。(2)六盤山東麓深大逆沖斷裂帶控制了研究區南北向斷陷區域地質災害分布的空間格局，尤其是該斷裂為一新的構造活動斷裂，它處于華北陸塊鄂爾多斯地塊西南緣與秦祁活動帶祁連—北秦嶺褶皺系東端的復合部位，寧夏南部弧形擠入推覆構造帶之西華山—六盤山弧形推覆構造帶的南段。新近紀末的喜馬拉雅運動使研究區接受第四期變形，構造活動甚為強烈，使六盤山東麓、小關山等地形成斷裂，并且向著東北側的盆地逆沖，古近紀—新近紀地層也被卷入變形之中，白堊紀地層逆沖到了古近系之上(圖2)，這次運動造就了現今活動斷裂分布及地貌的基本輪廓。第四紀活動是新近紀末喜馬拉雅運動的繼續，更新世—全新世研究區在總體上升遭受剝蝕的同時，在河流的溝谷、山間盆地及山麓地帶沉積了沖積、洪積的砂、礫、泥和厚度不等的風成黃土。地質災害大部分沿兼具紅層狹長的新民鄉—六盤山鎮構造斷陷區內密集發育且規模大，數量多，尤其發育大量的新滑坡。

注：1第四系全新統崩坡積物；2第四系全新統沖積物；3古近系漸新統清水營組；4白堊系下統馬東山組；5白堊系下統李洼峽組；6逆斷層；7含礫粉質黏土；8粉質黏土；9碎裂巖；10泥巖；11泥質粉砂巖；12粉砂質泥巖。

圖2涇源蘭家大莊附近斷層地質剖面

3　結 論

(1)地質災害主要發育在2 100 m高程以下，且在1 900～2 100 m高程范圍內集中發育，在5°～25°坡度范圍內最易發生滑坡災害；受活動斷裂的影響，SSE—SSW是地質災害發育的優勢方向；與地質災害關系密切的易滑地層巖組為軟弱的泥巖巖組，地質災害密度最高，達到0.987個/km2，其次為半堅硬的塊狀、片狀薄—中厚層狀泥巖、頁巖泥巖巖組。

(2)六盤山東麓斷裂構造帶以活動褶皺與活動斷裂相伴形式出現，是一條以擠壓逆沖運動為主的典型活動逆斷裂構造帶，在研究區多處可見有高角度的逆沖運動，使組成六盤山主體的白堊系地層逆掩在古近系紅層之上，在涇河源鎮南營村發現白堊系紫紅色砂巖及灰綠色泥巖向東逆沖至第四紀階地的砂礫層之上[6]，在研究區東北部安國鄉石咀子附近六盤山群逆沖推覆于第四紀馬蘭黃土之上，垂直推覆達75 mm。地質災害的分布明顯受活動構造控制，在六盤山東麓逆沖斷裂帶及土窯秋千架逆沖斷裂帶兩側呈線性帶狀展布，如六盤山東麓逆沖斷裂帶附近，斷裂穿過處，地形坡度發生急劇變化，造成斷裂帶附近的巖層破碎、散落，從一定程度降低了巖土體的自身強度，也有利于雨水入滲，進一步降低坡體的穩定性，斷裂帶附近往往發育大型滑坡、崩塌，這也為泥石流的形成提供了大量的物源。另外在秋千架附近地質構造集中發育，是活動斷裂的密集發育區，該區域內巖石塊體極不穩定，有利于崩塌的產生。

[1]林孝松,唐紅梅,陳洪凱,等.重慶市地質災害孕災環境分區研究[J].中國安全科學學報,2011,21(7):3-7.

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Analysis on Disaster-Pregnant Geological Environment of Liupanshan Town Based on Map Sheet Survey

WANG Gaofeng,WANG Aijun,TIAN Yuntao,SUN Xiujuan,LI Qiang

(Center for Hydrogeology and Environmental Geology Survey,China Geology Survey,Baoding,Hebei 071051,China)

The investigation on small basin disaster-pregnant geological environment is an important basis to analyze the spatial and temporal distribution of geological disasters and disaster mode.It is also important to complete geological disaster-prone degree and zoning assessment of geological disasters and to propose comprehensive countermeasures.The geological hazard survey in Liupanshan Town of Jinghe River Basin analyzed the relationship between topography,geological structure,engineering geological rock group and geological disasters.The results show that: (1)the large landscape units and patterns obviously control the distribution of geological disasters,the geological disasters within the different types of landforms,the degree of development and distribution have some differences,the statistics shows that landslide mainly developes in the erosion construction hilly and low mountain areas,debris flow mainly developes in the low mountains,and collapse mainly developes in the valley slope zone and fault,the distribution of geological disasters developes densely along the border of general topography,linear distribution is common along the fault; (2)the weak mudstone rock group are the region′s major slide-prone stratum,controlling the distribution of geological disasters,the amount of the landslide has little correlation with landslide density in the range of different engineering geological rock group; (3)the regional geological structure not only controls the stratum spread,also controls the development of regional geological disasters.Different fracture highlights some differences.

geo-hazards; Disaster-Pregnant Geological Environment; Jinghe River Basin; slide-prone stratum

2015-07-10

2015-08-02

中國地質調查局地質調查項目“涇河流域地質災害調查評價”(12120113008700)

王高峰(1984—),男,河南淮陽人,碩士,工程師,主要從事地質災害調查及GIS研究。E-mail:403016203@163.com

王愛軍(1963—),男,河北辛集人,學士,教授級高工,主要從事地質災害調查、監測預警研究。E-mail:ffswaijun@163.com

P642.2; P642.4; P694

A

1005-3409(2016)05-0364-06