甘肅文縣天池地質成因及環境效應分析

黎佳 王運生 陳明 梁瑞鋒

摘要：碳酸鹽巖地區永久型堰塞湖地質成因鮮有研究，在少雨區域這類堰塞湖的環境效應也缺乏系統分析，其地質成因機制具有理論與現實意義，但目前其成因機理并不十分清楚。通過野外詳細調查和C14測年，對文縣天池的形成原因和環境效應進行較深入研究，得出如下結論：天池是（6 450±73）年前，強震觸發下天池溝右、左岸同時發生相向高位高速遠程滑坡堵塞天池溝形成的，滑坡堆積體的“反粒序堆積結構特征”使堰塞壩物質粒徑結構具有“下部小上部大”和“中間小兩邊大”的特征，致使天池能夠長期穩定存在，成為天然的水庫，形成獨特的小氣候，進而塑造豐富、多樣和異質的景觀類型。天池的長期存在，加快了堰塞壩下游的侵蝕下切速率，使湖區內的下切受到控制，對湖區上游的溝谷下切速率影響較小。地貌上形成鮮明的對比。

關鍵詞：文縣天池；滑坡；成因分析；環境效應

中圖分類號：P642.5；P694文獻標志碼：A文章編號：16721683（2018）03009408

Analysis of the formation mechanism and environmental effects of

Tianchi Lake in Wenxian，Gansu Province

LI Jia，WANG Yunsheng，CHEN Ming，LIANG Ruifeng

（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，

Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

Abstract：The geological formation mechanism of permanent barrier lakes in carbonate areas is rarely studied.Systematic analysis is also lacking on the environmental effects of such barrier lakes in arid areas.Their geological formation mechanism has theoretical and practical significance，but the mechanism is not very clear yet.Using detailed field surveys and C14 dating method，we conducted an indepth study on the formation mechanism and environmental effects of Tianchi Barrier Lake in Wenxian County.The results showed that Tianchi Lake was formed when a strong earthquake struck the Tianchi region （6450 ± 73） years ago，causing two high landslides in the right bank and left bank of Tiachi valley at the same time，blocking the Tianchi valley.The "inverse grading structure feature" of the landslide deposit causes the particle size structure of the landslide dam material to show the features of "smaller below and larger above" and "smaller in the middle and larger on the sides".This is the reason why the Tianchi Barrier Lake can stand long，becoming a natural reservoir，forming a unique microclimate，and generating a very rich，varied，and heterogeneous landscape type.The long existence of Tianchi Barrier Lake accelerated the erosion rate down the landslide dam，controlled the undercutting in the lake area，and had little effect on the undercut rate of the valley in the upper reaches of the lake，forming clearly contrasting landforms.

Key words：Tianchi Barrier Lake；landslide；cause analysis；environmental effects

強震作用下高位斜坡失穩（滑坡）形成堰塞湖在復雜山區是十分常見的[14]，有一些堰塞壩可以穩定存在數百年、數千年，甚至數萬年[5]，對周圍環境產生深刻的環境效應。許多學者對滑坡的形成機制及地質災害效應[610]和滑坡堰塞湖的環境效應[1113]進行研究，提出了典型的斜坡（滑坡）變形破壞的地質力學模式，分析了堰塞壩存續期間對所在區域的地貌及地質環境演化的影響。

文縣天池，又名洋湯天池，位于甘肅省隴南市文縣天池鄉境內（圖 1（a）），為我國四大天池之一。由于研究區強震活動較為頻繁，致使深切峽谷區高位山體滑坡[14]，天池溝谷被堵截，于是在海拔2 400余m的天魏山上，便匯成了狀如葫蘆的一湖碧水，古稱“天魏湫”。文縣舊志載，“文縣天池，碧波萬頃，如揩新綠，微風鼓浪，勢若海潮，巖樹倒影，隱如龍躍”。本文對文縣天池堰塞壩兩岸斜坡變形破壞模式分析，旨在闡明文縣天池形成以及長期穩定存在的原因，并對其在水文、地貌和景觀方面的環境效應進行初步探討。

1地質環境背景

1.1地貌

文縣天池地理坐標：104°44′40″E，33°15′00″N，屬于中高山地和河川谷地地貌類型，具有地形起伏大，山高谷深的特點（圖 1（b））。天池區內海拔1 300～3 650 m，春冬季節山頂有積雪。山脊主要為高陡的單薄山脊，自然坡度在20°～50°。山脊線主要呈南-北向延伸。區內天池溝近南-北向，溝谷的強烈下蝕作用為天池區內滑坡的形成提供了有利的地形條件。第16卷 總第96期·南水北調與水利科技·2018年6月黎佳等·甘肅文縣天池地質成因及環境效應分析

1.2地層巖性

天池區內地層由老到新為泥盆系中統三河口組6段（D21s6）和7段（D21s7）、石炭系（C）、二疊系下統（P124）。滑坡區出露地層為三河口組7段（D21s7）灰色薄-厚層狀灰巖夾灰黑色含碳千枚巖和鈣質千枚巖，弱風化，節理發育，天池溝左右岸地層產狀分別為332°∠46°和328°∠41°（圖 2）。天池區內基巖主要發育三組節理。節理J1：產狀34°∠57°，節理面平直光滑，延伸較好，間距2條/m；節理 J2：產狀108°∠54°，節理面平直光滑，延伸一般，2條/m；節理J3：產狀214°∠31°，節理面平直光滑，延伸較好，3條/m。

1.3地質構造

文縣天池大地構造位置處于印度、揚子、華北板塊匯聚形成的倒三角形構造區域的北部[15]，秦嶺造山帶與松潘-甘孜造山帶相結合部位。區內大地構造以特有的“文縣弧形”構造為主。天池位于文縣弧形構造弧頂偏東翼的冷堡子-呂家壩背斜的西北側，天池區內褶曲總體為傾向NW的單斜巖層，傾角一般為20°～60°。天池距離堡子壩-椿樹坪-梨坪斷裂（F1）16 km，距高樓山-呂家壩-冷堡子斷裂（F2）22 km（圖 2（a））。F1和F2均為全新世活動的擠壓逆沖斷裂兼具右旋走滑特征，新活動性強，且為1879年武都南8級地震的主要發震斷裂[16]。天池區內發育兩條次級斷裂（圖 2），一條南-北向的斷層從天池西側山體穿過，另一條東-西向的斷層從天池北東側山體穿過。據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015），天池鄉峰值加速度030 g，反應譜特征周期040 s。綜上所述，天池區地處地震強烈活動區，受斷裂的影響較大。

2斜坡變形破壞

天池區內發育4處主要的滑坡（圖 2），其中Ⅰ和Ⅱ號滑坡系強震觸發滑坡，是堵塞天池溝形成天圖2天池地質圖

池的重要滑坡，Ⅲ和Ⅳ號滑坡并未對天池造成太大的影響。

2.1Ⅰ號滑坡

Ⅰ號滑坡形態呈長條狀，主滑方向為N40°E，后轉向為S80°E。前緣高程1 741 m，后緣高程2 180 m，滑坡體平均寬度約680 m，最大寬度約800 m，縱長約1 830 m（圖 2），體積約3 846萬m3，是典型的高位高速遠程滑坡[17]。

Ⅰ號滑坡AA′剖面見圖 3，滑坡堆積體主要為灰巖的塊碎石，前緣有大的孤石，具有一定的“反粒序堆積結構特征”[1820]。粒徑較小的碎屑物質主要分布于堆積物的中下部，而大塊石主要分布在堆積物的表面和前端。如圖 3（a）所示，滑坡堆積體的中部位置的坡體結構具有明顯的分層，上層為膠結密實塊石層，主要為8～10 cm的塊石，塊石含量在70%～80%，為鈣質膠結；下層為膠結密實碎石層，主要為1～5 cm的碎石，碎石含量在60%～70%，為鈣質膠結。如圖 3（b）所示，此為滑坡前緣的孤石區，主要為直徑05～2 m的孤石，其中最大為3 m×2 m×2 m。

滑源區巖層總體產狀328°∠41°。滑源區E側受天池溝切割呈陡坡，NE側有月流溝（圖 2）。滑源區斜坡巖體內發育兩組分別與傾向和走向近于平行的陡傾長大結構面，其產狀分別為J2：108°∠54°和J1：34°∠57°。上述兩組結構面與E側和NE側臨空面相互組合將滑源區斜坡巖體切割成塊狀。在地震強大的動力作用下，這些弱面上產生拉應力并且反復的震動會導致結構面產生累進性位移，致使層面的強度不斷地被克服和削弱，并最終越過峰值，迅速降低到殘余值。塊狀巖體首先沿后緣NW向陡傾結構面拉裂，并不斷的加深，形成陡峻的后緣拉裂邊界，以山體內側NE向陡傾結構作為側裂面，以巖層中鈣質千枚巖的軟弱夾層作為底滑面，在3個邊界趨于交會的瞬間坡體的摩阻力降到最低，坡體最終高速潰滑下來。整體沿N40°E運動，沖覆月流溝，遇到山體阻擋，碰撞碎裂解體轉向S80°E，形成高速碎屑流，最后在天池溝形成堆積。其地質力學模式為地震觸發的拉裂潰滑模式。

2.2Ⅱ號滑坡

Ⅱ號滑坡形態呈不規則扇形狀，主滑方向為N38°W。前緣高程1 741 m，后緣高程2 130 m，滑坡體平均寬度約960 m，最大寬度約1 180 m，長約1 310 m（圖 2），體積約4 948萬m3，是典型的高位高速遠程滑坡。

Ⅱ號滑坡BB′剖面見圖 4，滑坡堆積體主要為灰巖的塊碎石，前緣有大的孤石，具有一定的“反粒序堆積結構特征”。粒徑較小的碎屑物質主要分布于堆積物的中下部，而大塊石主要分布在堆積物的表面和前端。如圖 4（a）所示，滑坡堆積體的中前部主要為2～5 cm的碎石，含量在65%～70%；塊石含量為25%～30%，其中直徑為03～05 m的大塊石含量約為10%，為鈣質膠結，膠結密實。如圖4（b）所示，此為滑坡前緣，主要為10～30 cm的塊石，含量在55%～60%，其中夾有大孤石，較大的有06 m×1 m×12 m，主要分布在上部；碎石的含量為25%～30%；為鈣質膠結，膠結密實。

溝谷下切，產生臨空條件，受到薄-中層灰巖層面332°∠46°的控制，在重力作用下沿著鈣質千枚巖層面發生蠕滑，由于前緣自然坡度小于巖層的傾角，發生彎曲變形，成為鎖固段。節理J3：產狀214°∠31°以及溝谷臨空面為滑坡的滑動提供邊界條件。在地震觸發下，彎曲部分節理裂隙貫通，滑體沿N322°W滑動，運移過程中碎裂解體，最終在天池溝形成堆積。其地質力學模式為地震觸發的滑移彎曲模式。在Ⅱ號滑坡的下部基巖中，發現明顯的彎曲變形現象（圖 5（d）），與其地質力學模式得到相互印證。Ⅱ號滑坡的形成演化過程可分為如下三個步驟（圖 5）。

（1）單薄的山脊，在溝谷快速下切過程中，巖層傾角較大的薄層狀灰巖在自重應力場的作用下沿鈣質千枚巖（軟弱面）層面蠕滑，在坡體前緣極易產生彎曲變形，坡頂產生拉張裂隙（圖 5（a））。

（2）隨著溝谷繼續下切，彎曲程度顯著增強，并在層面中出現型錯動，彎曲段成為“鎖固段”，發育“X”剪節理，其中一組節理逐漸發展為滑移剪切面。由于累進性滑移的存在，地面持續隆起，巖體松動加劇局部出現崩落或滑落現象（圖 5（b））。

（3）在地震作用下，力學性質較差的巖層層面，其抗剪強度進一步削弱，成為坡體的滑動結構控制面，“鎖固段”的彎曲程度進一步增強，巖體節理裂隙密集發育，并逐步貫通，滑體沿著貫通的滑移面發生滑動（圖 5（c））。

2.3Ⅲ號滑坡

天池地處地震強烈活動區，在多期地震震裂效應作用下，山體結構遭受嚴重破壞，尤其是單薄的山梁在地震波的高程放大效應和地形放大效應[2122]作用下結構變得破碎，從而形成碎屑流。Ⅲ號滑坡表面有較為新鮮的碎屑，表明Ⅲ號滑坡仍在發生持續變形破壞。從滑坡堆積的范圍（圖 6）來看，Ⅲ號滑坡并未影響到天池，也未對堰塞壩產生影響。

3天池地質成因

文縣天池（圖 1（b））有九道大灣，形狀呈葫蘆狀。天池長度207 km，最寬處065 km，平均寬度為040 km，水域面積082 km2，最大水深97 m，平均水深293 m[14]，天池庫容為2417×106 m3。天池的匯水面積為378 km2（圖 2），湖面海拔1 741 m，是由Ⅰ號滑坡和Ⅱ號滑坡共同堵塞天池溝形成的滑坡堰塞湖。

堰塞壩長320 m，寬450 m。壩頂較平坦（圖 8（a）），頂寬度90～110 m，相對水面高度24 m。壩體臨池一側坡度約10°，背池一側坡度約15°～20°（圖 7）。

堰塞壩由Ⅰ號滑坡和Ⅱ號滑坡的堆積體組成，物質成分為鈣質膠結密實的灰巖碎塊石（圖 8（c））。其中碎石含量在55%～60%，粒徑主要為1～5 cm（圖 8（g）），塊石含量在25%～30%，粒徑主要為10～30 cm。由于Ⅰ號滑坡和Ⅱ號滑坡都屬于高位高速遠程滑坡，其堆積體都具有一定的“反粒序堆積結構特征”。粒徑較小的碎屑物質主要分布于堆積物的中下部，而大塊石主要分布在堆積物的表面和前端。因而整個堰塞壩的物質組成的粒徑從下到上具有“由小到大”的特點（圖 8），從迎水面到背水面物質組成的粒徑呈“中間小兩邊大”特點（圖 7）。整個堰塞壩形成一個天然的堆石壩（圖 8（b））。1879年甘肅武都南8級地震，天池區的地震烈度至少達Ⅹ級[16，23]（圖 2（a）），但是天池堰塞壩仍然完好，表明堰塞壩的結構穩定。這也是天池能夠在地震強烈活動地區長期存在重要原因。

由于堰塞壩物質粒徑結構具有“下部小上部大”和“中間小兩邊大”的特征，使得整個壩體的滲透性較差，可以起到較好的隔水作用，利于天池蓄水。在Ⅰ號滑坡和Ⅱ號滑坡堆積重疊區，由于處于兩個滑坡的前緣，因而組成物質含較多的大塊石（圖 8（e）），塊石之間的空隙成為水流的滲流通道，在重疊區形成“五指洞”（圖 8（d））。五指洞是天池的重要排水通道，根據現場實測，五指洞的流量為05 m3/s，得出年地表徑流量為1576×106 m3。據中國氣象局數據中心，文縣地面累年值年值數據集（1981-2010年）累計平均年降雨量440 mm，天池的匯水面積為3785 km2，得出天池的年降雨補給量為16654×106 m3。累年平均年蒸發量2 122 mm，天池水域面積為8248萬m2，湖水年蒸發量為1750×106 m3。年降雨量補給量遠大于年地表徑流量與湖水年蒸發量之和，也遠大于庫容量2417×106 m3。但據訪問與池岸淹沒痕跡顯示，庫水位變幅僅2～3 m，表明天池的補給量和徑流量處于動態平衡狀態，因而天池的蓄水量可以控制在一個相對穩定的值，不會因蓄水溢壩而產生潰壩，利于天池長期穩定存在。

除此之外，天池池水屬貧營養類型，無任何污染。入湖徑流有響水溝、捉魚溝、苦桃壩溝等6條，其中響水溝和捉魚溝為常年性流水，余為季節性流水。入湖徑流溝道中物源較少，因而不會對天池造成泥沙淤積。天池池底全系大小不等的碎石塊（圖 8（f）），不見松軟泥質沉積。這也是天池長期穩定存在的另一個重要原因。

Ⅱ號滑坡堵塞響水溝，形成飲馬池。取飲馬池底最下層的淤泥（取樣位置如圖 2三角形所示），在成都理工大學環境科學與工程研究所進行C14測年，測得其年齡為（6 450±73年），可以大致代表Ⅱ號滑坡形成時代，即天池的形成時代。

4環境效應

天池對天池溝水文過程、地貌演變和景觀具有顯著的影響效應。天池深刻影響溝谷的地貌過程，并在整體上顯著改善天池區內環境、生態，提升景觀水平。天池堰塞壩是天池溝持續下切、岸坡失穩而自然反饋形成的裂點，使水流阻力增大，池區下切得到控制，岸坡趨于穩定。

4.1水文影響

天池形成初期，堰塞壩壅堵上游來水，上游溝谷水位抬升，而下游溝谷來水減少甚至無來水。天池蓄水一定程度后，天池來水和出流過程漸趨平衡，堰塞壩下游溝谷的水文條件逐漸接近自然狀況。由于天池蓄水作用，天池成為天然的水庫，庫容量2417×106 m3，蘊含豐富的水資源。

4.2地貌效應

通過橫剖面FF′（圖 9（a））和HH′（圖 9（c）），發現天池堰塞壩下游的溝谷（忽略Ⅳ號滑坡的影響）為窄而深的“V”型谷，與天池上游溝谷特征一致。天池溝谷左岸發育Ⅱ號和Ⅳ號滑坡，使得左岸坡度相對平緩，坡度在7°～20°之間，右岸自然坡度在30°～50°，通過橫剖面GG′（圖 9（b））和II′（圖 9（d）），發現天池區內橫斷面表現為溝谷左側平緩右側陡立“U”型谷特征。對比橫剖面FF′、HH′和GG′、II′，天池堰塞壩下游和天池湖區上游呈“V”字形的典型山區河谷特征，天池湖區呈“U”字形典型的平原或盆地河谷特征。天池堰塞壩下游和天池湖區上游在谷底的寬度從正常溝谷的數十米增大到天池湖區的數百米，可見天池對溝谷橫斷面的影響還是十分顯著。

天池對溝谷縱斷面的影響也十分顯著（圖 9（e））。天池溝谷的縱比降在113‰左右。天池堰塞壩下游的縱比降為217‰，明顯提高了河谷比降，加快河谷侵蝕下切速率。天池湖區為水平段，使得溝谷侵蝕基準抬升，在堰塞壩處形成顯著裂點，流水阻力增大，湖區內河溝谷下切受到控制，岸坡變緩，趨于穩定。天池湖區上游溝谷的縱比降為140‰，比天池溝谷的比降增大了27%，表明天池湖區上游溝谷仍然在繼續下切，受到天池的影響不大。

〖HJ1.85mm]綜上所述，天池的存在，加快了堰塞壩下游的侵蝕下切速率，湖區內的下切受到控制，對湖區上游的溝谷下切速率影響不大。

4.3景觀效應

天池風光旖旎（圖 10（a）），四季景色各異。湖畔多奇峰怪石、茂林修竹，在池水中留下倒影，湖光映襯、山光水色、相得益彰，形成眾多的天池景色，如象嘴石、仙女石、獅子峰、捉魚溝、飲馬池、五指洞等景點。

天池鄉境內屬于半干旱地區，植被稀疏（圖 10（b）），但天池區內形成獨特的小氣候，使得區內天然植被發育良好[14]（圖 10（a）、10（c）），且具有顯著的垂直分帶特征。海拔1 000～1 600 m為常綠闊葉和落葉、闊葉混交林帶，以華山松、油松、鐵松、栓皮棟、麻棟、銳齒棟和柞棟等松棟林類型為主；海拔1 600～2 300 m為落葉闊葉林帶，有楓楊、漆、黃連木、華山松、油松、三尖杉及鐵堅杉等；海拔2 300～2 900 m為針葉闊葉混交林帶，除生長樺椴、山楊等幾種闊葉樹外，還有云杉、青吊杉、華山松、柏鐵杉等；海拔2 900～3 300 m為針葉林帶，常以冷杉、云衫組成純林或混生有紅樺、松柏和紅杉等；海拔3 300 m以上為冷杉、杜鵑、高山柳、棉柳、箭竹等高山灌叢或高山草甸。

天池塑造十分豐富、多樣和異質的景觀類型，因而具有較為突出的景觀效應。是我國四大天池之一，被列為國家級森林公園、省級地質公園。

5結論

通過對文縣天池邊坡變形的機制進行分析，探討文縣天池的形成以及長期穩定存在的原因，并對其在水文、地貌和景觀方面的環境效應進行分析，可以得出如下結論。

（1）天池形成于（6 450±73）年前，主要由兩個同時發生的高速遠程滑坡堵塞造成的。這個兩個滑坡發生在天池溝的兩側，其破壞模型分別為：拉裂潰滑型（Ⅰ號滑坡）和滑移彎曲型（Ⅱ號滑坡）。滑坡堆積體具有“反粒序堆積結構特征”，這使堰塞壩物質粒徑結構具有“下部小上部大”和“中間小兩邊大”的分布特征；這是天池能夠長期穩定存在的重要原因，其次天池的補給量和徑流量處于動態平衡狀態，也利于天池長期穩定存在。

（2）天池塑造十分豐富、多樣和異質的景觀類型，成為天然的水庫，蘊含豐富的水資源。天池的存在，加快了堰塞壩下游的侵蝕下切速率，使湖區內的下切受到控制，對湖區上游的溝谷下切影響較小。某些地質災害對環境的影響具有兩面性，滑坡失穩堰塞時過程中對環境會造成暫時的破壞，但在長期的演化中，逐步趨于良好，最終形成優美的景觀。

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