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吕艳;董颖;张茂省;杨建平;李亚哲
【摘 要】Xi’an is one of the oldest cities in China and has a civilization history of more than 3000 years. Recently, several large-scale rock avalanches have been found in peaks of the Qinling Mountains on the southern side of this city, and these rock avalanches might have a history as long as the city’s civilization. Among them, the Cuihua rock avalanche (CRA) located 30 kilometers to the south of Xi’an City is the most typical one, which, with characteristics of large scale, magnificent scene and good preservation, is called geological museum or miracle scenery of rock avalanche in China. Based on field investigation and geophysical prospecting, the authors studied such features of this rock avalanche as its geomorphology, volume, age, genetic mechanism and dynamics process. The results indicate that the volume of the rock avalanche is up to 1.8×107 m3 and its age is about 2900 years, suggesting that it resulted from the earthquake of 780 BC. The results of numerical simulation show that the whole failure pro
cess included four stages of starting up, accelerating, decelerating and accumulating; furthermore, the rock avalanche has some features of high speed and long distance. The study of the Cuihua rock avalanche has special importance for geological heritage protection, landslide research and tourism resources development.%西安已有3000余年的文明史,在其南部秦岭山峰中发育的多处大型基岩山崩体的形成历史与西安文明史一样久远,其中以西安市南30 km的翠华山大型山崩最为典型。该山崩体规模壮观,体量巨大,形态保存完整,景观奇特,被誉为中国“山崩奇观”,但其成因目前仍存争论。本文在野外调查与勘探基础上,对翠华山天池地段的山崩体形态特征、堆积体结构、成灾范围、形成年代、成因机理及其动力学过程进行研究。结果表明,翠华山山崩体体积约1.8×107 m3,山崩体的形成与距今2900年左右的古西周都城的消亡属同一时期的重大地震灾害事件；山崩过程包括孕育萌生、启动、加速、减速堆积等四个阶段,具有高速和长距离性；遗迹区内湖光、石海、断崖浑然一体,风景秀丽如画,具有奇、险、特、野之景观风格和极高的旅游观光价值。 【期刊名称】《地球学报》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】9页(P220-228)
【关键词】花岗岩;山崩;地震;地质遗迹
【作 者】吕艳;董颖;张茂省;杨建平;李亚哲
【作者单位】长安大学地球科学与资源学院，陕西西安 710054; 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，陕西西安 710054;中国地质环境监测院，北京 100081;中国地质调查局西安地质调查中心，陕西西安 710054;秦岭终南山世界地质公园办公室，陕西西安 710016;长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054
电池盖帽
【正文语种】中 文
【中图分类】P588.121;P542.3
Key words: granite; rock avalanche; earthquake; geological relicsQDFILM
翠华山山崩地质遗迹区位于西安市城南约30 km处的秦岭山脉终南山北麓。山崩块石自然形态千变万化, 天然艺术造型石体众多, 湖光山浑然一体, 天然洞穴奇妙无穷, 奇、险、特
、野的风格尽在其中, 集科考、休闲、探险、旅游于一体, 因而具有极大的旅游观赏价值, 历史上曾被长期辟为皇家园林, 现今成为中国秦岭终南山世界地质公园的主要景区之一, 为世界地质灾害遗迹的旅游开发与利用提供了范例, 每年吸引着30多万海内外游客及各界人士前来观光、旅游和科学考察。
翠华山山崩遗迹总量位列世界第三(塔吉克斯坦Usoi岩崩和新西兰Waikaremoana岩崩分别位列第一、第二), 其遗迹保存完整。近些年许多学者如南凌等(2000)、吴成基等(2001, 2009)、Weidinger (2002)、郭力宇(2001)、郭力宇等(2005)、贺明静等(2005, 2006)、苏惠敏等(2005)、苏惠敏(2006)、李昭淑等(2007)、武智远等(2011)分别对山崩体的地质背景、形成条件、堆积体及石块特征、成因机理、景观特征及开发利用进行过研究, 形成了一批重要成果, 并在此基础上建成了国家地质公园和秦岭终南山世界地质公园主景区。这些成果主要是基于野外调查工作提出的, 未能作深入的地质测量与勘探工作, 因而对翠华山山崩的特征及成因的认识难免受限。迄今为止, 关于该堆积体是滑坡还是岩崩,是一次山崩还是三次崩滑, 堆积体厚度100 m还是200 m, 以及成因机理与形成年代等问题均尚有存疑。本文作者通过遥感影像分析、野外地质测绘、浅层地震勘探和地震事件对比研究, 进一步详细论证了翠华山山崩形成的地质背景、山崩体地质特征、成因机制及其演化过程、山崩地质
遗迹特征及景观利用价值, 其成果对地质遗迹的科学研究、开发利用和保护工作具有重要的参考价值和示范意义。
翠华山位于北秦岭造山带北坡的太乙峪河西岸, 距东西向延伸的秦岭北缘大断裂直线距离仅4 km(图1)。秦岭北缘断裂自宝鸡向东延伸310 km至潼关, 是这一区域内最长且活动最强烈的断裂(彭建兵等, 1992)。断层面倾向北, 倾角45°～70°, 是秦岭山地与渭河盆地分界断层。该断裂目前仍在活动, 断裂北侧相对下降形成渭河盆地, 南侧相对上升形成高耸的秦岭山脉, 全新世活动上升速率为1.7～3.4 mm/a。渭河盆地的构造活动性十分活跃, 成为中国大陆地震多发区。依据历史记载, 里氏8级以上地震可能有两次, 一次是众所周知的1556年华县大地震, 震中位于秦岭北缘断裂东延的华山山前段; 另一次发生在公元前780年, 震中可能位于秦岭北缘断裂的长安—户县段, 两次地震的震中都可能与秦岭北缘活动断裂带相关。
翠华山地区出露的岩层按地质时代和分布范围可分为两大类: 一是中元古界宽坪沉积变质岩系, 二是印支期花岗岩侵入体, 岩性主要为二长花岗岩, 并具不同程度的混合岩化作用, 为翠华山山崩体的母岩。前者多分布在山前及二长花岗岩体周围, 呈东西带状展布在翠华山地区; 花岗岩分布于太平峪口—沣峪—翠华山一带, 侵入于变质岩之中,岩性质地坚硬, 受构造
运动影响, 断裂和节理发育,呈大小不等的块状构造, 在坡面岩石破碎集中地段,成为潜在不稳定的岩体。
由于秦岭北坡的持续强烈抬升, 太乙峪河强烈下切, 形成了“V”字形峡谷, 河谷相对高度大, 两侧基岩陡壁高达200～300 m, 谷坡陡峻稳定性较差,为山崩的形成提供了有利的地形地貌条件。
1.1 山崩体平面展布特征
依据野外调查与测量, 翠华山山崩的最大落差大约为300 m。山崩体自西向东崩落, 宽约500 m,山崩体崩塌运动路径向北, 因此, 山崩堆积体整体沿断崖延伸方向呈带状展布, 形成长轴方向为南北向的堆积区, 长约1000 m。山崩体的平面形态呈东西向扇状, 山崩体的厚度约30～120 m, 面积约1.5×105m2, 体积约1.8×107m3(图2)。现今翠华山山崩的后壁坡度很大, 余留下来的是山顶和断崖,断崖高度一般在160～220 m, 倾角为60°～65°(图2)。依山崩体崩落方向, 堆积体自西向东可分为四个区(带): ①与后壁平行的崩积体后缘洼地区。地势略低于主堆积区3～20 m, 块石直径较小, 堆积体厚度也较小, 石块是分散的。②中部主堆积区。呈南北走向龚岗状, 块石巨大, 厚度最大。③前缘堆积区。位于中部堆积区的东缘地带, 块
石粒径变小,厚度明显减小。④东部堰塞坝和堰塞湖区(水湫池)。其北段构成堰塞坝, 其南段为堰塞湖, 堰塞湖面积约1.2×105m2, 呈不规则矩形, 长为700 m, 宽为90～320 m, 平均深度7 m(最深为11 m), 这个堰塞湖是秦岭北坡唯一的高山湖泊。山崩堆积物主要由不同尺寸和形状的花岗岩块石组成, 形成十分壮观的石海。因此, 翠华山山崩的代表性现象是悬崖(后壁陡崖), 石海(岩崩堆积体)和堰塞湖(图3)。
1.2 山崩体块石特征
山崩体上的块石主要为巨型花岗岩块体, 块石巨大, 最大粒径达70 m, 上部保留着原始地面的土壤层, 堆积体砾石多呈棱角状, 相互支撑, 泥沙质黄土含量低。崩塌堆积体以半空隙接触堆积过渡,充填物为泥砂、砂、黄土、碎石等, 堰塞坝坝体主要是粗碎屑的砾石堆积, 砾石含量较少, 且直径较小, 多呈半棱角状, 迎湖坝面多被后期洪水带来的泥沙覆盖。
我们在野外对块石的大小进行过统计, 结果显示, 将近一半的块石直径大小在1～5 m范围内。直径在5～10 m、10～20 m和20～50 m的百分比分别是27.8%, 14.8%和6.8%。依据数据显示, 不同尺寸的大量原生岩石被节理和裂隙分割开来。
由于巨大的势能(高差超过300 m), 岩石沿原有节理裂隙面分离, 同时岩体下跌滚落、反弹、相撞和摔裂, 一些新的裂缝发生使岩体破碎、分离, 形成形态各异、大小不一的块石。特别是在堆积体中轴带, 大块石密集分布, 形成十分壮观的石海(图3)。
这些大小不同的块石, 边缘和角落都是很明显的。相互叠加的巨大石块形成架空结构和奇妙的地下空间, 如著名的风洞(图版I-4)、冰洞, 蝙蝠洞、石桥、石峰和醉石等。块石堆积形成的堰塞坝堆砌结构十分坚固, 保证了大坝在过去近三千年的日月里未被冲毁。除了崩积体的上述特点外, 我们还发现, 看似混乱的石块分布排列或多或少可以保留和反映一些山崩体的运动特征信息。一般来说, 块石的长轴方向基本上代表了山崩的的滑动方向。我们调查统计了数百块岩块, 结果表明, 大多数块石的长轴方向集中在0°～30°和50°～70°, 这与崩塌体的长轴方向相吻合。该山崩体现已趋于稳定, 但崩塌石块擦痕、摩擦镜面和硅化条带等构造形迹清晰可见, 因而在不同部位还可观察到山崩由孕育、发展、崩塌以至堆积形成山崩体的演化痕迹。有源噪声控制
1.3 山崩体厚度与结构特征
为了揭示山崩体的真实厚度, 我们使用高精度浅层地震勘探方法对山崩体进行了探测, 结果
如图4和图5所示。图4中的地震剖面I-I'近东西横切山崩堆积体(图2), 剖面结果显示, T1作为山崩堆积体的底部边界, 可以清楚地反映出该剖面上堆积体的厚度变化特点, 即西部厚度较小, 约30 m左右; 中部厚度起伏变化, 最浅处为50 m; 东部厚度变深,约80 m左右(见图4中的地质解释剖面)。图5中的地震剖面II-II'近南北向布设于山崩堆积体的东缘(图2), 即堰塞湖的西岸。结果表明, 堆积体北部平均厚度为80～100 m, 最大厚度达120 m, 南部仅10～30 m厚(见图5中的地质解释剖面)。显然, 山崩体的下垫面是起伏不平的, 表现为自西而东埋深逐渐变深, 自南而北也逐渐变深, 反映了原始沟谷地貌向沟峪中心和沟外倾斜的特征。
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粽子机2.1 山崩与岩体结构面的关系
如果岩体是完整和坚硬的, 崩塌滑坡就不容易发生。然而, 岩体若发育节理、裂隙和软弱层带等先存结构面, 在地震动力作用下, 边坡岩体极易失稳, 产生崩塌滑坡(祁生文等, 2004; Qi et al., 2011)。实地调查统计表明, 在翠华山花岗岩体中存在多组节理, 其中有三组是最主要的, 分别命名为J1、J2和J3(图6)。J1倾向东70°～85°, 倾角60°左右, 与山崩后壁产状一致; J2倾向250°, 倾角80°～90°, 它几乎垂直于边坡; J3倾向160°～175°, 倾角70°～85°(图6)。显然, 平行于沟峪、倾向东的J1作为山崩的滑动面, 对山崩的发生起着决定性作用;倾向西、
平行于边坡的J2作为边坡的拉裂面, 利于岩体的分离和崩出; 倾向南的J3在横向截面上发挥了作用, 对边坡岩体失稳有着重要影响。
节理裂隙发育的岩体风化作用更强, 长期受日温差、年温差、冻融及流水作用影响, 使岩体进一步破碎, 特别是潜在不稳定岩体与母岩间的陡直破裂面不断扩大贯通, 同时还新生风化卸荷裂隙。翠华山岩体中可见到一组倾向东、倾角近直立的大型卸荷裂隙, 对边坡的失稳起着推波助澜的作用。此外, 结构面中的充填物在水的长期作用下发生泥化、软化或膨胀, 地下水沿结构面运动, 使其摩擦系数减小, 阻力降低, 这些均有利于山崩的形成。
2.2 山崩与地震的关系
翠华山山崩不是孤立的地质灾害事件, 仅翠华山山崩所在的太乙峪, 就分布着另外两个山崩体,其中甘湫池山崩体体积达1. 6×107m3, 也属于超大型崩塌体, 它们是同期形成的。此外, 在约38 km长的秦岭北坡带内, 从东边的大峪到西边的太平峪,也都发现一些大型岩崩(图7)。现场调查表明, 这些岩石崩塌体呈东西向带状分布, 位于秦岭北缘断层的下盘, 距山前断层3～8 km, 与断层的活动有关。在太乙沟西15 km的石脑沟, 山崩体规模大, 山崩落差约为300 m, 堆积体从南到北长约1200 m, 从东到西宽约200 m, 估计总体积约3×107m3(图版Ⅰ-7)
, 最大的块石直径10余m(图版Ⅰ-8)。规模小一些的山崩体在大峪沟(图版Ⅰ-9)、小峪沟以及太平峪、紫阁峪和构峪中均可见及(图7)。地震滑坡、崩塌的分布不仅受岩性的控制, 而且与断裂构造有密切的关系(张永双等, 2008; 董树文等, 2009)。秦岭北缘呈带状集中分布的大规模山崩无疑是同一次重大地质事件的产物, 它应当是一次特大地震次生的山崩灾害, 而且该次地震的震中可能位于山崩集中发育的区带范围内, 发震断层很可能是秦岭北缘大断裂。
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