紅云金頂變質巖區危巖發育特征及變形破壞機理研究

顧國輝

(貴州大學 國土資源部喀斯特環境與地質災害重點實驗室，貴陽 550025)

1 概 述

紅云金頂危巖位于貴州省銅仁市印江縣梵凈山旅游景區，紅云金頂自下而上發育一套完整淺變質巖系，沿著紅云金頂景區登山步道發育十多塊形態各異的危巖，目前國內外對于危巖的研究大多局限于沉積巖、火成巖區，沉積巖中又以軟硬互層型危巖、河谷下切或人工開挖型高邊坡危巖、碳酸鹽巖區巖溶型危巖為代表[1-5]。對于厚層變質砂巖、板巖等地層發育的危巖體涉及較少，本文以梵凈山紅云金頂變質巖區危巖為例，對變質巖區危巖的形態規模等特征、變質巖區危巖形成演化機理、變質巖區危巖變形破壞機理進行研究，研究成果對于不同變質巖的致災機理研究具有一定的理論意義，同時對變質巖地區的危巖(崩塌)等地質災害的防治等具有一定的現實意義。

2 地質背景

梵凈山紅云金頂為低山丘陵地貌中發育的柱狀孤峰，海拔高程在433～2 572 m之間，區內主要為侵蝕低中山地貌，為溝谷地形，區內溝谷多呈V型谷，山脊多呈尖刃狀，山高谷深，紅云金頂垂直高差約104 m。

研究區在大地構造位置處于羌塘-揚子-華南板塊揚子陸塊江南復合造山帶黔南坳陷區銅仁復式褶皺變形區，區內主要構造有梵凈山穹狀背斜、郭栗壓性斷裂等。研究區主要經歷了武陵運動、雪峰運動、燕山運動等多期構造運動。武陵運動之前研究區為一套巨厚層的基性巖漿巖洋殼基地，后來武陵運動中期主要發育一套厚層淺海相雜砂巖沉積，經歷武陵造山運動主要發育北北東向構造及南北向扭曲性構造形跡，后來又經歷雪峰-加里東運動、印支運動、燕山運動等時期發生褶皺、斷裂和隆升[6]。

研究區地層巖性從老至新依次為梵凈山群(Pt2fj)、元古界板溪群甲路組(Pt3bnbj)、元古界板溪群烏葉組第一段(Pt3bnbw1)，梵凈山群(Pt2fj)巖性主要為淺灰微帶綠色厚層狀變余砂巖、塊狀變質細碧-角斑巖及變質基性火山巖-蝕變巖等，間夾粉砂質板巖；板溪群甲路組(Ptbnbj)主要發育灰、紫灰色薄層含鈣質絹云母板巖夾千枚巖；板溪群烏葉組第一段(Ptb3nbw1)主要發育為淺灰及深灰色厚層變余細砂巖及變余硅質粉砂巖，夾淺灰色粉砂質板巖；淺灰、灰、灰綠色薄層、板狀絹云母板巖及粉砂紙板巖，中上部偶夾變余絹云母粉砂巖。

研究區主要發育松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩類，紅云金頂主要為基巖裂隙水，紅云金頂步道下部有泉眼出露。

3 危巖發育特征分析

經過現場地質調查梵凈山紅云金頂發育12塊危巖，紅云金頂為一套完整變質巖體系，主要發育變余粉砂巖與砂質板巖，通常危巖體發育在軟硬互層巖層中較多，對于硬質巖中危巖的發育特征研究較少[7-9]，本文主要從形態及分布特征、結構面特征、巖性特征幾方面進行分析：

3.1 形態規模及分布特征

研究區危巖形態較為特別，有懸臂式危巖、墜落式危巖、貼坡式等，危巖體積規模較小、傾角大、巖體強度高，發育在變余砂巖中的危巖棱角分明，受節理、劈理等切割較為強烈，危巖大多沿著變余砂巖的劈理面發育，表現為光滑陡壁上懸掛危巖，在變余砂巖中還發育有貼壁躺臥式危巖，并且下部臨空后緣裂隙發育。砂質板巖中發育的危巖也表現出懸臂式特征，砂質板巖相對較軟，危巖表面斷口較為粗糙，并且斷口多為參差狀，此類危巖一般較薄，片理尤為發育，并且厚度從后緣向前部逐漸減小，在外形上呈“矛頭狀”，該類危巖通常底部、兩側都臨空。紅云金頂由于是旅游景區，危巖主要沿著金頂登山步道傾向坡外分布。

3.2 危巖結構面特征

研究區危巖體結構面較發育，主要發育原生結構面、構造結構面、淺表生結構面，紅云金頂發育的危巖結構面主要為構造結構面、卸荷結構面。紅云金頂發育9條深大拉裂隙，部分裂隙從頂部貫通至金頂基座，張開度為5～50 cm，大多結構面無填充，部分結構面填充有碎石與第四系殘坡積物。

1) 原生結構面：主要為變余砂巖的層理面、變質作用形成的砂質板巖、千枚巖等的片理面，原生結構面大多為母巖的層面、變質后的片理面，原生結構面往往呈板狀平滑發育，表部結構面張開較大，內部往往閉合(圖1-圖2)。

圖1 變余砂巖層理

圖2 粉砂質板巖片理

2) 構造結構面：主要由構造作用產生的巖層錯動、升降、扭曲等形成的結構面，研究區自元古代以來經歷了4次大的構造運動，巖體節理發育，特別式縱向張節理尤為發育(圖3)。

圖3 構造錯動裂隙

3) 淺表生結構面：主要包括卸荷裂隙、風化裂隙，淺表生結構面一般發育深度較小，在分布上往往不連續或呈透鏡體狀，卸荷裂隙在硬質巖與較堅硬巖中均有發育，風化裂隙主要發育在較堅硬的巖層中。

卸荷裂隙在紅云金頂主要表現為傾向臨空面的拉張裂隙，主要發育在堅硬的變余砂巖層中。研究區的卸荷裂隙寬度5～20 cm，裂隙向坡體內延伸數米不等，但是卸荷裂隙在縱向發育較長，可能由于梵凈山紅云金頂自形成之后經歷了多期的構造運動，在地質歷史時期水平拉張或豎直升降運動下的巖體卸荷、多期構造運動的疊加，才發育現今深大的卸荷裂隙(圖4)。

圖4 深大卸荷裂隙

風化裂隙在紅云金頂主要表現為砂質板巖、千枚巖表面參差不齊的裂隙，主要發育在較軟弱的板巖、千枚巖層中，由于這類巖體雖然經歷了變質作用對其強度有所強化，但是其變質母巖還是泥巖、砂質泥巖等，含有較多的黏土礦物，在水化、凍脹、根劈等作用下膠結物質被逐漸帶走，巖體順層脫落，發育風化裂隙。紅云金頂風化裂隙發育的深度只有數厘米，規模較小。

3.3 危巖巖性特征

梵凈山紅云金頂基底為梵凈山群，一套發育于中元古代的火山蝕變巖產物，巖性為中-厚層變余砂巖夾粉砂質板巖、千枚巖，上部發育一套區域變質作用形成的變余砂巖砂質板巖。據貴州省區域地質志、地質歷史分析、沉積相分析顯示，研究區變質母巖主要為淺海沉積相砂巖、砂質泥巖，經過變質作用之后礦物顆粒重結晶，顆粒間的膠結變強，巖體抗拉強度、抗剪強度也相應增大。變余砂巖整體完整性較好，質地堅硬，錘擊聲脆，表面微風化-中風化，巖體中多發育垂向拉張裂隙。砂質板巖相對于變余砂巖強度稍弱，砂質板巖主要為薄層狀，表面中風化-強風化，常具劈理構造，將巖體按一定方向分割成平行密集的薄片狀、薄板狀。沉積巖在經歷變質作用之后，片狀礦物在壓應力作用下發生機械旋轉并定向排列，在溫度、壓力以及地應力等作用下礦物顆粒垂直于最大主應力方向發生重結晶，尤其在粉砂質板巖中多見薄層狀劈理構造。

4 危巖形成及破壞機理

變質巖相對于其他巖類既表現有母巖的特征又具有變質作用帶來的特征，紅云金頂發育一套淺變質變余砂巖與粉砂質板巖，從危巖的形成演化到變形破壞方式都具有變質巖地區的特殊性，本文主要從變質巖區危巖的形成演化機理、變形破壞機理進行探討。

4.1 危巖形成演化機理

變質巖區危巖的形成相比區沉積巖區的危巖形成具有特殊性，并且變質巖區的危巖在形態上多以懸臂式、墜落式、貼坡式為特征，本文從區域地質構造、變質作用、冰川作用、風化卸荷作用、熱應力交變作用等方面對梵凈山紅云金頂特殊危巖形成演化機理進行研究。

4.1.1 區域構造運動

紅云金頂特殊性變質巖危巖的形成與該區域經歷的構造運動有著密切的關系，梵凈山紅云金頂的形成主要經歷了武陵運動、雪峰運動、印支運動、燕山運動等，新元古代武陵造山運動結束了華南狹窄洋盆，基底由洋殼轉化為陸殼，為紅云金頂的形成提供了前提。武陵運動期由于強烈的褶皺發育導致洋殼拉裂，基性巖漿的侵入使梵凈山群發生變質作用；青白口紀之前的的雪峰運動形成巨大的拉陷盆地，使得南華內陸洋盆再次復活，雪峰旋回期發育一套巨厚層粉砂巖、粉砂質泥巖，雪峰構造旋回期間發育陸內裂谷，引起裂谷帶巖漿入侵，使得已固結成巖的板溪群發生區域變質作用，在后期的地質歷史中又經歷了印支運動的擠壓作用，發育NNE向斜構造，燕山運動該地區發生褶曲、斷裂等發育，喜山運動以來經歷了貴州省整體的隆升，從內力地質作用上控制了危巖的形成。在梵凈山的西側發育NNE向余家溝正斷層，使梵凈山西側地層下滑，對梵凈山孤立臺地的形成具有一定影響 。

4.1.2 區域變質作用

梵凈山紅云金頂變質作用主要為兩次區域性的變質作用，主要為伴隨著武陵旋回構造運動、雪峰旋回運動引起的基性巖漿的侵入產生的變質作用，但是這兩次變質作用影響的范圍以及變質程度有所差異。武陵造山運動導致揚子古陸與華夏古陸相互碰撞、擠壓、俯沖，使陸內裂谷帶巖漿噴發引起高溫變質作用，此次變質作用主要影響梵凈山群，將梵凈山群黏土巖、石英砂巖等蝕變成變質粉-細砂巖、變質含細礫砂巖、變質泥砂質礫巖、粉砂質板巖等；第二次主要為雪峰運動拉張形成陸內裂陷，再次引發巖漿入侵，此次變質作用影響地層范圍較廣包括梵凈山群與板溪群，使得板溪群沉積的一套淺海相砂巖、粉砂巖、泥質砂巖等經區域變質作用形成變余砂巖、粉砂質板巖、夾絹云母板巖、千枚巖等變質巖體系。在變質作用過程中，原有的沉積巖構造發生構造置換作用與固態流變作用，石英、方解石、黏土礦物等重新定向排列、發生結晶分異作用，發育變晶構造、劈理構造、片理構造，礦物顆粒重結晶之后使得砂巖、泥巖等變得更加致密，使砂巖的抗拉、抗剪強度相比于母巖增強，因此在紅云金頂經歷了漫長的地質歷史仍發育有數塊墜落式、懸臂式危巖。

4.1.3 冰川作用

紅云金頂主要地層為新元古代青白口系板溪群，新元古代梵凈山地區地形相對較平坦，紅云金頂孤峰還未發育。據貴州省區域地質志以及張啟銳、林樹基對貴州南華紀冰期的研究，南華紀貴州最少經歷了兩次冰期，但是梵凈山現今只保留有青白口系地層，上部南華系、震旦系等的缺失，南華紀冰期對梵凈山的影響無從考證。從晚第三紀以來貴州整體進入寒冷期，進入寒冷期后巖體凍融、凍脹作用明顯，沿著原有的卸荷裂隙、風化裂隙擴展，使巖體結構進一步遭到破壞[10-11]。進入第四紀早更新世以后，貴州開始進入冰期，據林樹基等基于古生物、地球化學等研究，證實貴州第四紀共經歷了6次冰期旋回，分別為喜鵲溝冰期、坪地冰期、平壩冰期、龍塘溝冰期、惠水冰期、赤土冰期。李興中等認為梵凈山紅云金頂為第四紀冰川作用形成的柱狀角峰，并且在梵凈山地區發現冰川懸谷、冰斗、冰窟以及冰川運移鏟刮等的遺跡[12]。第四紀梵凈山區經歷的六次冰期對紅云金頂巖體的劣化起到推動作用，冰期巖體發生凍脹作用，紅云金頂變余砂巖節理裂隙擴張，而后進入間冰期，冰川消融帶走大量的凍脹碎屑巖，使原有的裂隙進一步加大，在反復6次的凍脹、消融作用下，紅云金頂發育數條深大裂隙，發育棱角分明的柱狀孤峰，同時局部巖體結構受到破壞，剪節理發育明顯形成楔形破壞遺跡，也加劇了粉砂質板巖、變余砂巖的劈裂破壞。

4.1.4 風化、卸荷作用

風化作用主要影響粉砂質板巖中局部小裂隙的發育，使巖體向臨空方向出現各向異性節理，但是影響深度通常較小。紅云金頂的巖體卸荷作用比較特殊，并不是簡單的人工開挖或河谷下切引起的卸荷，而是在漫長的地質歷史時期經過構造錯動、隆升、冰川侵蝕使得變質巖沿著劈理面破壞時，內部巖體應力重分布，相對新鮮面出現傾向臨空面的裂隙。對于梵凈山紅云金頂的成因目前并沒有統一的說法，印支運動以來貴州整體發育NNE向斜褶曲，燕山運動使白堊系以下地層發生褶曲、斷裂構造，喜山運動以來時貴州整體抬升，發育地塹、地壘構造，筆者認為是印支運動以來一系列斷裂、褶曲、隆升共同作用的結果，開始形成大的孤立變質巖臺地，在紅云金頂北部可見類似孤峰，后期在冰川作用、風化作用等共同影響下巖體卸荷，發育深大的卸荷裂隙，由于卸荷裂隙的對巖體的切割，發育數塊懸掛式危巖，并且危巖一側為貫通裂隙。

4.1.5 熱應力交變作用

紅云金頂進入間冰期之后，隨著地表溫度的回升，溫差變化于巖體結構具有密切關系。依據近幾年觀測研究區的日平均溫差達到8°，日最大溫差達到23°，由于溫差較大熱應力交變作用明顯。根據黃潤秋等熱應力交變作用對危巖形成的影響[13]，溫度差變化越大，熱應力也越大，當地表溫度較高時，巖體中最大主熱應力σ1以壓應力為主;而當地表處于低溫狀態下,巖體中的最小主熱應力σ3以拉為主。溫差不斷變化條件下，卸荷帶內巖體的拉應力、壓應力也不斷轉換，使得卸荷帶內的拉裂隙不斷擴張，最終使得紅云金頂巖體結構進一步劣化，主要對貼坡式危巖的形成影響較大。

綜上所述，梵凈山紅云金頂危巖的形成經歷了多期次復雜的構造運動，并且經歷了特殊的變質作用，礦物顆粒重結晶使巖體強度得到強化，相對于板巖發育薄層劈理、片理構造，加速了粉砂質板巖的板裂化，第四紀又經歷了多期冰川作用，在反復的凍脹、消融作用下，巖體中裂隙擴展，并且在冰川侵蝕、刮鏟作用下裂隙中破碎巖塊被沖走，最終形成一線天。對于變余砂巖中形成的懸掛式、懸臂式危巖，其上部巖體內存在平行坡面的拉裂隙，并且變質巖中傾向坡外的劈理、面理構造發育，在卸荷裂隙與劈理共同切割下倒是巖體呈傾倒式破壞，在劈理面與卸荷裂隙交線處發育兩面或三面臨空的懸臂式、墜落式危巖。

4.2 危巖變形破壞機理

危巖的變形破壞是多因子耦合的結果，危巖體的形成因素包括地形地貌、地質構造、地層巖性、巖體結構、水文地質作用、熱應力交變作用、生物作用等，但是對于變質巖地區的危巖變形破壞機理必須要考慮到變質作用對地層巖性、巖體結構、原巖構造等的改變，礦物重結晶后形成的變晶結構相當于對原巖的強化，但是形成的劈理、面理等在一定程度上對巖體結構又具有弱化作用，所以變質巖區的危巖破壞的特殊性主要懸臂式危巖、墜落式危巖、貼破式危巖的變形破壞。

4.2.1 懸臂式危巖

紅云金頂粉砂質板巖層中發育的危巖WY01(圖5)，該危巖具有“懸臂式”特征，發育在相對較軟的砂質板巖中，砂質板巖為薄層狀并且板理面尤為發育(圖6)，粉砂質板巖中的板理面為相對軟弱面。根據李世剛等對于粉砂質板巖力學特性及各向異性的研究，粉砂質板巖在荷載作用下，垂直板理面方向比平行片理面方向更容易變形破壞，同時也說明了粉砂質板巖的各向異性。

發育在粉砂質板巖中的WY01，該處為中-強風化粉砂質板巖，砂質板巖中含有較多的黏土礦物以及絹云母、綠泥石等，在遇水條件下具有崩解性，并且粉砂質板巖抗風化、軟化能力較弱，巖體中節理交錯發育，不規則，相比于變余砂巖，粉砂質板巖在變形破壞時無固定的節理面，斷口多是鋸齒狀參差不齊，形成上下錯落式的凹巖腔。

圖5 懸臂式危巖

圖6 懸臂式危巖剖立面圖

紅云金頂危巖WY06(圖7-圖8)為變余砂巖中兩組結構面切割形成的“懸臂式”危巖，懸臂式危巖的特殊性體現在上部、下部以及側面都存在臨空面，節理沿著變余砂巖層理面發育，右側發育深大卸荷裂隙，上部巖體在卸荷作用下，卸荷帶內部出現垂向拉裂隙。在外力地質作用下卸荷帶內裂隙完全貫通后，上部巖體在自重作用下發生拉裂-傾倒破壞，下部凹巖腔的形成與上部凹巖類似，變余砂巖層理面較為發育，紅云金頂又存在數條寬大導水裂隙，在地下水滲流作用下沿著相對軟弱層面會形成天然的排水通道，層面裂隙擴展到一定程度后塊體相當于底部臨空，當后壁裂隙不足以支撐該巖塊時便會發生拉裂-傾倒破壞。變余砂巖中懸臂式危巖的形成破壞過程可以概括為：①彈性卸荷回彈導致裂隙發育；②裂隙水壓力、熱應力交變作用、冰劈、風化作用等對裂隙進一步擴展；③裂隙完全貫通形成懸臂式危巖，在不良地質條件下發生拉裂墜落式破壞。

圖7 懸臂式危巖

圖8 懸臂式危巖剖立面圖

4.2.2 墜落式危巖

墜落式危巖(圖9-圖10)主要發育在變余砂巖較硬的巖層中，該處巖層近于水平，破壞后的變余砂巖壁面較為光滑，為長英質砂巖在變質作用過程中礦物重結晶形成的劈理面，通常砂巖的斷口較粗糙，解理極不發育。在風化、卸荷等作用下沿著劈理面發生劈裂，由于結晶分異作用的影響，局部巖體膠結較好，在劈裂過程中殘留下來，形成現今的危巖，危巖的主控結構面為后緣拉裂隙，該處原為紅云金頂深大卸荷裂隙發育的劈理面，當后緣裂隙在裂隙水壓力或風化、凍脹作用等影響下，裂隙進一步擴展，側壁的抗剪強度不足以支撐整塊危巖，便會出現拉剪墜落式破壞。

圖9 墜落式危巖正面

圖10 墜落式危巖剖立面圖

4.2.3 貼坡式危巖

紅云金頂貼坡式危巖主要發育在較堅硬的變余砂巖中，后部裂隙傾角大于80°，控制性結構面為下部的壓剪面，后緣的裂隙不起控制性作用。以WY10(圖11-圖12)為例，說明貼坡式危巖形成破壞機理。在地質歷史時期上部巖體由于卸荷作用等發育傾向坡外的卸荷裂隙，卸荷帶內部出現拉裂隙，在降雨、風化、凍脹等外力作用下，上部巖體發生拉裂傾倒破壞。該危巖后緣裂隙與上部巖體的拉裂隙為同時發育，下部剪切面為控制性結構面，當下部剪切面逐漸被溶蝕、風化作用、以及水壓力作用貫通后，危巖在自重作用下便會產生壓剪墜落型破壞。

圖11 貼坡式危巖

圖12 貼坡式危巖剖立面圖

5 結 論

本文運用地質歷史分析法、層序地層學原理、基于無人機航測、現場地質調查、巖體物理力學試驗等方法，對變質巖地區危巖體形態發育特征、形成演化機理、變形破壞機理進行研究，得到以下結論：

1) 紅云金頂危巖形態特異、體積小、坡度大、臨空面廣、巖體強度高、劈理片理等結構面發育、卸荷作用強烈等特點。

2) 紅云金頂危巖形成演化機理主要為在新元古代主要經歷了武陵運動、雪峰運動引發的巖漿侵入，導致兩次區域變質作用以及后期的印支、燕山運動形成紅云金頂孤立臺地，在第四紀冰川作用、風化作用、卸荷作用、熱應力交變作用等共同影響下對紅云金頂變質巖進行侵蝕、切割，導致變余粉砂巖、粉砂質板巖沿著劈理、片里面發生剪切、拉張等破壞，最終形成現今形態特殊的危巖。

3) 紅云金頂危巖變形破壞機理主要為懸臂式危巖、墜落式危巖、貼坡式危巖的變形破壞，危巖在風化、裂隙水壓力等外地質營力作用下發生拉裂-墜落、拉剪-墜落、壓剪-滑移、壓致拉裂-滑移等。