程萬強，楊坤光，段偉鋒

(1.中國水電顧問集團華東勘測設(shè)計研究院，浙江杭州 310006;2.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029;3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430074)

根據(jù)國際地質(zhì)巖土工程學(xué)會聯(lián)合會(FIGS)約定的分工，工程地質(zhì)做出地質(zhì)建模，巖土力學(xué)進行計算分析，巖土工程開展設(shè)計和施工。對工程區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究精度直接決定了巖土力學(xué)計算精度和穩(wěn)定性評價結(jié)果［1～2］，繼而影響設(shè)計施工方案。早在20世紀70年代，谷德振先生就意識到地質(zhì)體的構(gòu)造形貌是控制巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素［3］。近幾十年的大型工程實踐主要在構(gòu)造相對簡單穩(wěn)定的中東部地區(qū)，工程地質(zhì)問題通過適當?shù)难a救方案即可滿足施工要求，因此對地質(zhì)構(gòu)造問題重視不夠。隨著大型工程，尤其是水電建設(shè)向西南部的挺進［4］，復(fù)雜和強烈的構(gòu)造環(huán)境越來越成為制約工程建設(shè)的壁壘。對復(fù)雜構(gòu)造的準確解析不僅為大型工程建設(shè)的安全提供保障，還可以極大程度地節(jié)約工程成本。

1 工程地質(zhì)概況

丹巴水電站位于四川省甘孜藏族自治州丹巴縣境內(nèi)的大渡河干流上，為大渡河干流22級梯級開發(fā)中的第8級梯級電站，初擬裝機容量1196.6MW，構(gòu)造位置位于有“地質(zhì)百慕大”之稱的松潘-甘孜造山帶東南側(cè)的丹巴弧形滑脫構(gòu)造帶內(nèi)［5］(圖1)。區(qū)內(nèi)巖石普遍經(jīng)歷了多期強烈變形和高達角閃巖相的變質(zhì)作用，構(gòu)造組合復(fù)雜，疊加置換強烈。工程設(shè)計引水隧洞長逾17km，其中約10km斷續(xù)經(jīng)過二云母片巖(軟巖)區(qū)，地表見軟巖單斜層最厚可達1～2km，軟巖洞段最大埋深達1220m，開挖后有可能出現(xiàn)較嚴重的大變形破壞現(xiàn)象，遇水也易發(fā)生軟化現(xiàn)象，對工程穩(wěn)定性影響巨大。因此軟巖層實際厚度，空間延伸和分布規(guī)律成為制約工程設(shè)計方案和經(jīng)濟成本的重要因素。對此，利用綜合構(gòu)造解析方法對引水線路區(qū)及其臨區(qū)進行了高精度地質(zhì)建模，以期明確軟巖層和主要結(jié)構(gòu)面空間展布規(guī)律。

2 非史密斯巖層序列的重建方式

地層層序的建立是巖體區(qū)域結(jié)構(gòu)解析的基礎(chǔ)也是關(guān)鍵問題之一。研究區(qū)主要由志留系至泥盆系含藍閃石榴石二云母片巖、石榴石云母石英片巖、變粒巖、石英巖和大理巖組成，夾偉晶巖脈和斜長角閃巖透鏡體，變質(zhì)級別為低-高角閃巖相。區(qū)域上以傾向NE或NW，傾角40～70°的單斜層為主。由于巖層已普遍經(jīng)歷構(gòu)造置換，恢復(fù)原始沉積層面費時費力，且可靠度低?；诠こ痰刭|(zhì)研究特點［6］，提出以主期片理面代替沉積層面，以巖性組代替古生物地層組進行地質(zhì)建模。查明巖層的構(gòu)造置換方式和有序性，明確片理面原始產(chǎn)狀形態(tài)成為首要任務(wù)。

圖1 (a)丹巴地區(qū)大地構(gòu)造位置示意圖;(b)丹巴及鄰區(qū)地質(zhì)簡圖Fig．1 (a)Sketch map showing tectonic location of Danba;(b)Regional geologic map of the Danba area

對工區(qū)三百多個地質(zhì)點的詳細觀察證實工區(qū)內(nèi)片理在百米尺度上延伸穩(wěn)定，但在公里尺度上具有透鏡體狀特征。軟巖層中強硬巖層較平直延伸，其延伸方向與片理平行。軟巖層內(nèi)石英脈形成的鞘褶皺和無根褶皺等隨處可見，并發(fā)育指示向南順層滑脫的滑脫型褶皺。另外，在能干性相對較強的片麻巖和云母石英片巖中多處可見層內(nèi)掩臥褶皺，軸面與片理面近平行，為相似緊閉或不協(xié)調(diào)褶皺。軟弱巖層相間的地區(qū)則多發(fā)育指示巖層疊置的逆沖斷層，斷層面與片理面近平行。上述現(xiàn)象充分證實研究區(qū)層狀變質(zhì)巖片理形成于橫向構(gòu)造置換過程。區(qū)域內(nèi)廣泛發(fā)育的層內(nèi)掩臥褶皺、滑脫不協(xié)調(diào)褶皺和層內(nèi)低角度逆掩斷層等構(gòu)造現(xiàn)象與中下地殼剪切型堆垛層代表構(gòu)造樣式一致，因此工區(qū)內(nèi)似層狀變質(zhì)巖應(yīng)形成于剪切型構(gòu)造置換下的構(gòu)造堆垛作用(圖2)。基于上述認識，工區(qū)內(nèi)構(gòu)造-巖層建造具有如下特征:

圖2 丹巴縣地層大套有序、小套無序的地層堆垛演化模式Fig．2 Tectonic stacking modeling of Danba indicating“l(fā)ong-range order，short-long disorder”

(1)區(qū)域片理在形成之始產(chǎn)狀近水平，片理面在百米尺度上具有穩(wěn)定性。這是由于造山過程中中下地殼剪切運動方向為近水平［7］?，F(xiàn)今百米級宏觀褶皺主要形成于片理化之后的構(gòu)造活動。因此考慮區(qū)域巖層展布幾何形態(tài)時，可近似為層狀巖層考慮，從而簡化了區(qū)域幾何構(gòu)造形態(tài)。

(2)構(gòu)造堆垛導(dǎo)致巖層重復(fù)。擠壓應(yīng)力作用下強硬巖層易沿低角度逆沖斷層(滑脫面)相互疊置，從而造成巖層的重復(fù)(圖2)。而強硬巖層間的軟弱巖層則起到良好滑脫面作用。因此工區(qū)內(nèi)巖層在空間上的重復(fù)不一定代表褶皺作用。根據(jù)對工區(qū)巖層露頭的詳細觀察，認為由構(gòu)造堆疊導(dǎo)致的地層重復(fù)尺度在公里以下，公里及以上尺度的地層重復(fù)則應(yīng)由褶皺作用所致。

(3)工區(qū)巖層是由有限個具有一定延伸規(guī)模的基本巖性段以某種“遠程有序，近程無序”的模糊狀序列存在。公里尺度上總體遵循新老地層疊覆關(guān)系，但百米尺度上可出現(xiàn)基本巖性段的無序重復(fù)堆垛。

3 強變質(zhì)區(qū)沉積環(huán)境重建

查明研究區(qū)沉積環(huán)境和沉積相有助于指導(dǎo)巖層的空間分布規(guī)律。除大理巖和斜長角山片巖等較易識別其變質(zhì)前原巖類型外，工區(qū)內(nèi)主要的變粒巖、二云母片巖等只能通過礦物學(xué)結(jié)合地球化學(xué)方法進行原巖類型恢復(fù)。本次研究采用KAF圖解結(jié)合區(qū)域大地構(gòu)造背景對工區(qū)內(nèi)30塊采自不同地點的變質(zhì)巖進行原巖類型恢復(fù)。該方法首先在顯微鏡下統(tǒng)計主要造巖礦物含量，并根據(jù)公式計算相應(yīng)A、K、F值，然后投點即可。該方法簡單快捷，且準確度較高［8］。

式中:A巖、K巖、F巖——所研究巖石的A、K、F值;

a、b、……i——組成巖石的各種礦物;

Na、Nb……Ni——巖石中各種礦物的含量;

Aa、Ka、Fa、Ab、Kb、Fb……Ai、Ki、Fi——各種礦物的A、K、F 值;

Sa、Sb……Si——各種礦物的 SiO2分子數(shù)。

基于AKF圖解的巖石組合類型顯示該區(qū)沉積環(huán)境屬淺海-半深海穩(wěn)定被動陸源沉積環(huán)境(圖3)。原始沉積層在公里尺度空間上應(yīng)有一定延伸規(guī)模［9］。據(jù)此參考變形較弱的鄰區(qū)小金和金湯棒打地區(qū)志留系-泥盆系地層剖面格架［10］，利用受剪切變形影響較弱的厚層石英巖作為標志層對研究區(qū)層序進行了控制，將巨厚二云母片巖劃分為三個次級巖性段，并在單斜層中識別出三向夾兩背褶皺，將軟巖層原始層厚確定為328m，與鄰區(qū)粉砂質(zhì)、泥質(zhì)板巖或千枚巖可對比。在此基礎(chǔ)上建立了該區(qū)巖層序列格架，將研究區(qū)地層劃分為兩個巖性組和8個基本巖性段。野外巖層是8個基本巖性段以某種模糊有序的方式組合。

圖3 丹巴工區(qū)角閃巖相變質(zhì)巖變質(zhì)巖原巖類型恢復(fù)KAF圖解Fig．3 Protolith KAF Diagram of Danba metamorphic rocks of amphibolite facies

4 復(fù)雜變形區(qū)深埋構(gòu)造解析

丹巴引水隧洞最大埋深達1220m。預(yù)測隧洞沿線巖體結(jié)構(gòu)是本次研究的重點。根據(jù)地表構(gòu)造推斷深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)是構(gòu)造幾何模型。不同溫壓條件下褶皺和斷裂的幾何模型迥異。因此選擇合適的構(gòu)造模型是深埋構(gòu)造預(yù)測的關(guān)鍵。

變質(zhì)礦物溫壓計指示研究區(qū)主期構(gòu)造形成于15～20km 的中地殼(0.5 ～ 0.6 GPa，500 ～ 600℃)［11］。該深度構(gòu)造特征以緩傾角的流塑性剪切滑動為主，缺少脆性斷裂活動［12］。野外觀測也證實了上述構(gòu)造模式。二云母片巖內(nèi)部，尤其是片巖與強硬巖層交界部位普遍發(fā)育規(guī)模不等的近平行片理的剪切滑動帶。褶皺形態(tài)強硬層相對開闊而軟巖層基本為緊閉甚至同斜褶皺，層間滑脫作用明顯，軟弱巖層向褶皺核部等弱變形區(qū)匯集。區(qū)內(nèi)發(fā)育的脆性斷裂主要為后期淺層變形所致，同時切穿了主期剪切帶和褶皺，斷層面平整，傾角多在60～70°，斷層泥厚度在15～30cm，平面延伸多在幾百米至幾公里，逆斷層和正斷層均有發(fā)育。后期褶皺變形不強烈，以開闊-中常褶皺為主，主要是對早期褶皺形態(tài)進行擾動。而節(jié)理等則局限于厚層強硬巖層內(nèi)部，且間距在1～2m甚至更大，對巖體穩(wěn)定性影響不大。因此丹巴地區(qū)構(gòu)造變形是以不同層次的剪切滑脫變形為主，主滑脫面位于志留系巖層與震旦系巖層之間。與工程相關(guān)的主滑脫面上部巖系以緊閉甚至同斜褶皺為主，強弱巖層間和軟巖層內(nèi)部發(fā)生順層滑脫，并被后期脆性變形改造?；讕r系則以平緩褶皺為主，變形相對簡單(圖4)。

圖4 丹巴水電站引水隧洞沿線剖面略圖Fig．4 Simplified geologic section along the water diversion route of the Danba Hydropower Station

5 討論

長期以來，工程地質(zhì)勘查一直沿用區(qū)域地質(zhì)調(diào)查的思路，首先建立沉積層序，再根據(jù)地表實測剖面和史密斯地層法則推測深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)。勘查階段開展的鉆探和洞探等也僅能對關(guān)鍵部位地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行檢驗，工程區(qū)地質(zhì)模型的建立仍主要依靠平面地質(zhì)調(diào)查。造山帶地區(qū)普遍經(jīng)歷了中深程度的變質(zhì)和多期構(gòu)造事件的疊加。巖層的原始層理和沉積序列早已蕩然無存。此時，再遵循填圖法則，首先恢復(fù)原始沉積層面和沉積序列然后再進行地質(zhì)填圖，不僅費時費力，其準確性也令人質(zhì)疑。地層的工程地質(zhì)調(diào)查不同于區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，主要關(guān)心巖石建造、構(gòu)造面發(fā)育程度和幾何規(guī)律，借以判斷工程地質(zhì)環(huán)境的穩(wěn)定性?，F(xiàn)今構(gòu)造形貌是歷史構(gòu)造演化的集中展現(xiàn)。對此，本文嘗試在深變質(zhì)和構(gòu)造變形復(fù)雜區(qū)區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)解析中以構(gòu)造解析為主線，回避次要矛盾(原始沉積序列)，“以辯證唯物的高度活動的地球構(gòu)造觀為指導(dǎo)，以分析地質(zhì)構(gòu)造的矛盾為核心，應(yīng)用當代先進的構(gòu)造分析方法”［13］，為重建復(fù)雜變形區(qū)較為準確的地質(zhì)結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。

“遠程有序、近程無序”，是亞穩(wěn)定場幾何結(jié)構(gòu)的普遍規(guī)律，構(gòu)造活躍區(qū)也不例外?；谏鲜鎏攸c，綜合利用地球化學(xué)、變質(zhì)地質(zhì)學(xué)，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造環(huán)境，對主要變質(zhì)巖的原巖類型進行復(fù)原，可以推知大致的沉積環(huán)境和沉積相，從而對巖層的原始空間延伸范圍進行推測。如陸相環(huán)境地層橫向變化快(常為百米尺度)、厚度變化大，可用楔形塊模型表征，而海相地層往往擁有較廣的延伸范圍，可與鄰區(qū)進行對比。片理面與原始層面的構(gòu)造置換方式則是明確片理幾何結(jié)構(gòu)和片巖巖石序列的主要參考，主要有兩種:縱彎型構(gòu)造置換和剪切型構(gòu)造置換［13］。

構(gòu)造相和構(gòu)造層次是制約構(gòu)造變形樣式的主要因素［12～13］。不同構(gòu)造相的褶皺和斷層組合差異明顯，如造山帶地區(qū)多以近水平的高溫剪切變形和緊密線狀縱彎褶皺為主，而板塊穩(wěn)定區(qū)則以寬緩褶皺和X型節(jié)理為主。向地下深處溫壓條件和巖石性質(zhì)的改變對變形機制和構(gòu)造樣式同樣具有決定性作用［13］。

工程巖體的現(xiàn)今構(gòu)造形態(tài)是歷史構(gòu)造變形演化的集中展現(xiàn)。不對研究區(qū)構(gòu)造歷史進行解析，以演化的觀點看待構(gòu)造問題就很難理解和把握研究區(qū)構(gòu)造格架［14］。遵循構(gòu)造研究的歷史反演法則，借助構(gòu)造幾何學(xué)的研究對工程區(qū)構(gòu)造變形歷史進行恢復(fù)有助于系統(tǒng)理解和檢驗建立的構(gòu)造模型(圖5)。

圖5 復(fù)雜變形區(qū)地質(zhì)構(gòu)造解析思路Fig．5 An guide line for complex structural analysis

丹巴地區(qū)位于松潘-甘孜造山帶東側(cè)，經(jīng)歷了角閃巖相變質(zhì)，構(gòu)造置換徹底，構(gòu)造變形強烈。沿底部滑脫面的強烈滑脫形成的同斜褶皺造成單斜層的假觀。用傳統(tǒng)史密斯填圖法則對研究區(qū)進行建模則軟巖層單套厚度在1km以上，嚴重危害地下洞室穩(wěn)定性，且地質(zhì)模型過于簡單，無法指導(dǎo)工程設(shè)計。根據(jù)工程地質(zhì)勘查特點，基于構(gòu)造解析法則，以野外實測數(shù)據(jù)為依據(jù)確定了研究區(qū)巖層的基本厚度，延伸穩(wěn)定性和地層堆垛模式，在此基礎(chǔ)上建立了丹巴工區(qū)三維地質(zhì)結(jié)構(gòu)，將軟巖層總厚度限制在3km以內(nèi)。為工程設(shè)計和施工提供了較為可靠的參考，并節(jié)約了不必要的預(yù)算成本。并在此基礎(chǔ)上建立了對工程地質(zhì)穩(wěn)定性評價和設(shè)計施工具有重要參考意義。

6 結(jié)論

(1)工程巖體現(xiàn)今結(jié)構(gòu)是地質(zhì)體多期次、多層次、多機制的沉積-變質(zhì)-構(gòu)造歷史作用的集中展現(xiàn)。遵循構(gòu)造歷史解析原則，綜合利用沉積地層學(xué)、巖石礦物學(xué)、變質(zhì)地質(zhì)學(xué)和構(gòu)造地質(zhì)學(xué)進行系統(tǒng)解析有助于最大程度查明工程巖體的三維結(jié)構(gòu)，為地質(zhì)工程設(shè)計提供可靠參考。

(2)丹巴復(fù)雜變形區(qū)區(qū)域片理形成于15～20km深度的高溫剪切滑脫作用下，是剪切型構(gòu)造置換的構(gòu)造堆垛體。原始片理產(chǎn)狀近水平，巖層序列則以構(gòu)造堆垛機制下的模糊有序序列為特征。在遠程有序、近程無序的背景下，巖體結(jié)構(gòu)可由有限基本巖性段以不同方式組合而成。從而解決了巖層的混亂無序問題。

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