王健陽

(貴州大學 喀斯特環(huán)境與地質災害防治重點實驗室，貴陽 550025)

0 引 言

梵凈山，武陵山脈主峰，得名于“梵天凈土”，位于貴州省銅仁市的江口、印江、松桃交界處，最高山峰海拔2 572 m，地形最大高差2 100 m。梵凈山總面積約960 km2，是第42屆世界遺產大會認定的世界自然遺產，這里不僅有著大自然鬼斧神工造就的地質奇觀，還有被譽為“基因庫”、“人類的寶貴遺產”的豐富生物資源，同時這里是西南地區(qū)著名的千年佛教名山。梵凈山紅云金頂是武陵山脈的最高峰，因早晨朝陽照射常見紅云瑞氣環(huán)繞而聞名。隨著貴州旅游業(yè)的迅速發(fā)展，越來越多的目光將聚焦于此。開展對梵凈山紅云金頂形成演化的研究，不僅對分析貴州高原地質環(huán)境變遷具有重要的科學意義，而且對景區(qū)發(fā)展規(guī)劃產生深遠影響。

流固耦合是指巖土體內部的滲流場和應力場之間相互影響、相互作用的過程[1]。國內有許多學者對梵凈山地質開展了大量研究，主要是從構造地質學、環(huán)境地質學、水文地質學等傳統方向入手，但結合數值模擬進行分析的卻很少，考慮流固耦合影響的更是匱乏。因此，本文根據其地質歷史背景，通過有限差分軟件進行紅云金頂形成演化的流固耦合分析，力求能最大限度地還原形成演化中滲流場和應力場相互作用帶來的影響。研究結論有助于深化對梵凈山地質構造發(fā)育規(guī)律的認識，有效保護好這來之不易的世界自然遺產。

1 地質背景

1.1 地形地貌

梵凈山是云貴高原向湘西丘陵過渡斜坡上的第一高峰(相對高度達2 000 m)，它不僅是烏江與沅江分水嶺，還是橫亙于貴州、重慶、湖南、湖北4省(區(qū))的武陵山脈的最高主峰。紅云金頂位于梵凈山頂部山脊，由一塊高約104 m的錐柱狀山體組成，整個山體高聳直立，上半段地形坡度達85°～90°，許多區(qū)段形成“凸嘴”、“凹巖腔”，下部兩側為脈狀山體的陡坡地帶，地形坡度達30°～55°。

1.2 地層巖性

研究區(qū)出露地層有第四系松散堆積層(Q4)與元古界板溪群烏葉組第一段(Pt3w1)、甲路組(Pt3j)及梵凈山群(Pt2fj)。

第四系松散堆積層主要為殘坡積碎石土、黏土夾碎石土等，廣泛分布于下方斜坡和溝谷中，厚度0.2～3.5 m。元古界板溪群烏葉組第一段(Pt3w1)主要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質板巖，中上部偶夾變余絹云母粉砂巖[2]。完整巖體較為堅硬，錘擊聲脆。表層巖體多風化嚴重，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。巖體中節(jié)理裂隙發(fā)育。元古界板溪群甲路組(Pt3j)巖性為灰、紫灰色薄層含鈣質絹云母板巖夾千枚狀構造，該層厚度較薄，總體厚度約10余米，主要分布于烏葉組形成的陡崖之下的基座位置，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育。梵凈山群(Pt2fj)巖性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，為梵凈山景區(qū)的主要地層。

1.3 地質構造

區(qū)內總體大地構造處于羌塘-揚子-華南板塊揚子陸塊江南復合造山帶黔南坳陷區(qū)銅仁復式褶皺變形區(qū)[2]，區(qū)內構造復雜，主要發(fā)育北北東向構造及南北向扭曲性構造形跡。歷史上經歷了五陵、雪峰、燕山等多期構造運動，褶皺、斷裂發(fā)育，區(qū)內主要構造有梵凈山穹狀背斜、郭栗壓性斷裂等。

1.4 地質演化

研究區(qū)處于揚子地層區(qū)，發(fā)育一套新元古代變質巖系，基底梵凈山群為一套巖漿侵入碎屑巖發(fā)育的粉砂質板巖與變余砂巖系，與上部淺變質板溪群呈角度不整合。該區(qū)經歷了以武陵構造旋回為特征的造山運動、以雪峰-加里東構造旋回為特征的內陸裂谷拉張運動、以海西-印支-燕山構造旋回為特征的地層褶曲斷裂、以喜馬拉雅及新構造旋回期為特征的整體抬升。該區(qū)古地理演化受大地構造演化控制。武陵構造旋回期、雪峰-加里東構造旋回期、海西-印支-燕山構造旋回期均為由淺及深再變淺的海侵-海退過程，構造旋回期末均因造山運動而成為陸地[3]。

武陵構造旋回期(新元古代中期)，從起始到結束呈現的巖漿活動性質，早期表現為夭折陸間裂谷(發(fā)育初始洋殼，紅海型)的島弧-弧后拉斑-鈣堿性玄武質巖漿噴溢和侵位性質，晚-末期表現為后碰撞高溫高分異A2型酸性巖漿侵位及后碰撞-板內S型酸性巖漿侵位。

雪峰-加里東構造旋回期(新元古代晚期-早古生代)，在武陵運動之后，黔東地區(qū)發(fā)育造山期后的磨拉石盆地相快速堆積的底礫巖，總體反映該時期屬濱岸-淺海陸棚環(huán)境，該地區(qū)在沉積環(huán)境上已經擺脫了武陵造山運動的影響而基本夷平。隨后揚子地塊與華夏地塊在此基礎上再次發(fā)生裂解，其間南華裂谷盆地形成，由此形成板溪群、下江群和丹洲群反映出的臺地、斜坡、盆地的沉積格局。處于該構造旋回期造山帶邊部的黔東地區(qū)表現為輕微變質。

海西-印支-燕山構造旋回期(晚古生代-早白堊世)，貴州已進入陸內裂陷演化發(fā)展階段，沉積格局出現重大變化，黔東地區(qū)主要受江南復合造山帶欽杭帶晚古生代欽防海槽發(fā)展演化的遠程影響。使該地區(qū)從泥盆-早白堊世，經歷了從裂谷盆地至前陸盆地的演化歷程。貴州處于濱太平洋與特提斯構造域的聯合作用。發(fā)生于早白堊世末的燕山運動產生強烈而廣泛的褶皺和斷裂，使若干先期斷裂復活。在強大的區(qū)域擠壓應力作用下，受遠程影響效應的黔東地區(qū)的老變質巖系遭區(qū)域低溫動力變質疊加影響，產生與燕山期區(qū)域褶皺軸向一致的透入性劈理及定向組構，沿脆性斷裂帶的動力碎裂變質作用遍及全省。

喜馬拉雅及新構造旋回期(晚白堊世-第四紀)，貴州處于板內隆升活動階段，具有陸內活動性質。新構造活動主要表現為區(qū)域性隆升背景下的斷塊活動，具有明顯的掀斜性、間歇性隆升和差異性隆升等特征，而且現代仍處在隆升趨勢之中。對貴州現今發(fā)育的河谷階地、第四系殘坡積物、溫泉、地震及地貌和水系格式的分布具有重要影響。

2 數值模擬流固耦合的基本理論

2.1 基本理論

對于流固耦合的基本理論[4-5]，前人已經作了大量研究說明，本文就不再贅述。

使用三維有限差分軟件進行流固耦合計算時，流體在孔隙介質中的流動服從各向同性Darcy定律,孔隙介質可被看成是可變形體,同時滿足Biot方程,主要包括運動方程、平衡方程、本構方程和幾何方程,方程中通過建立孔隙壓力p與流體滲流速度q及巖體應力σ、應變ε之間的關系實現流體與固體的耦合計算。在流固耦合計算中，有4種類型的滲流計算邊界條件:①給定孔隙水壓力；②給定邊界外法線方向流速分量；③不透水邊界；④透水邊界。系統默認為不透水邊界[6]。

2.1.1 運動方程

液體的流動規(guī)律通過Darcy定律來描述。對于恒定均勻流，該定律可表達如下：

(1)

2.1.2 平衡方程[7]

1) 流體質量平衡方程。公式如下：

(2)

式中：qi,j為流量，m3/s；qu為體積流體源強度，L/s；ζ為孔隙介質體內單位體積的液體體積改變量。

2) Cauchy運動方程。公式如下：

(3)

2.1.3 本構方程

體積應變的改變引起流體孔隙壓力的變化；反過來，孔隙壓力的變化也會導致體積應變的發(fā)生[8]?？紫督橘|本構方程的增量形式為：

(4)

2.1.4 相容方程

應變率和速度梯度之間的關系為：

εij=(vi,j+vj,i)/2

(5)

2.2 建模步驟

建模步驟簡化見圖1，主線表示應力場計算的過程，左右兩邊表示考慮滲流場后的新增步驟。

圖1 建模流程圖

3 研究區(qū)形成演化過程模擬

3.1 三維有限差分軟件建模

紅云金頂出露的地層主要是板溪群，在武陵構造旋回期(新元古代中期)形成的是紅云金鼎基底的梵凈山群巖層，板溪群主要是雪峰-加里東構造旋回期(新元古代晚期-早古生代)沉積變質而來。在經歷了海西-印支-燕山構造旋回期(晚古生代-早白堊世)和喜馬拉雅及新構造旋回期(晚白堊世-第四紀)的一系列復雜的斷裂、隆升、冰蝕等內外力地質作用下才形成了現在紅云金頂的奇觀。

因此，根據研究區(qū)的地質背景，建立三維模型進行數值分析。在建模時分為4層，分別代表研究區(qū)發(fā)生的4次構造旋回期，并且根據不同時期對研究區(qū)形成演化的影響，將每層的厚度作出相應的調整。在建立數值模型時考慮模型邊界條件、卸荷等地質現象，模型的范圍必須要足夠大，以覆蓋開挖可能影響的區(qū)域，同時又要兼顧計算效率。研究區(qū)的實際尺寸為27 m×25 m×104 m，參考已有的研究成果，為盡可能消除模型范圍過小而導致邊界效應的影響，四周邊界距金頂水平距離不小于5倍金頂直徑，模型的尺寸設計為444 m×400 m×342 m。為減少不必要的網格，網格劃分原則為金頂附近密集，遠處稀疏，模型共有節(jié)點126 511個，單元337 863個。

本模擬進行3次開挖來反映不同構造旋回期對研究區(qū)的影響，劃分4個階段(初始階段→萌芽階段→發(fā)展階段→完成階段)進行具體的形成演化描述，對比只受應力場作用和應力場與滲流場耦合作用下的開挖模擬結果，分析流固耦合條件下的變形破壞特征是否更符合現實。

3.2 參數設置

巖體采用摩爾-庫侖彈塑性力學模型，滲流場模擬采用各向同性滲流模型，底部和兩側邊界為不透水邊界，頂部邊界為自由邊界。為了能體現海西-印支-燕山構造旋回期(晚古生代-早白堊世)的變質作用帶來的巖體力學參數的變化，設置混合巖1和混合巖2進行區(qū)別。具體參數通過巖石物理力學試驗的成果，結合一些規(guī)范、手冊以及以往工程經驗綜合取值。具體參數見表1。

表1 巖體參數表

3.3 形成演化分析

3.3.1 初始階段

經過武陵構造旋回期(新元古代中期)的巖漿活動后，在雪峰-加里東構造旋回期(新元古代晚期-早古生代)，相對深水滯留缺氧的環(huán)境中進行沉積，水平層理比較發(fā)育，該地區(qū)在沉積環(huán)境上已經擺脫了武陵造山運動的影響而基本夷平。所以，初始模型以此為地質背景，分為在應力場作用下的初始地應力場平衡(圖2)和在力場與滲流場耦合作用下的初始孔壓場平衡(圖3)。

3.3.2 萌芽階段(第一次開挖)

雪峰-加里東構造旋回期(新元古代晚期-早古生代)，基本夷平之后揚子地塊與華夏地塊在此基礎上再次發(fā)生裂解，其間南華裂谷盆地形成，由此形成板溪群反映出的臺地沉積格局，經歷了從裂谷盆地-(初始)洋盆-前陸盆地-磨拉石盆地的演化歷程。所以，原始地面模型以此為地質背景，這一時期以沉積為主，發(fā)育著局部構造變形跡象，在內力和外力的作用下地表不斷剝蝕。第一次開挖后，在只考慮應力場的作用下，由圖4、圖5可知，原始山體形成，兩側出現卸荷變形區(qū)，中間出現應力集中區(qū)，山體未見明顯塑性區(qū)。在考慮應力場與滲流場耦合作用下，由圖6可知，山體表面出現大量塑性屈服和拉裂破壞單元，這是由于開挖后孔隙水壓力的下降導致。

圖2 模型初始應力分布云圖

圖3 模型初始孔壓場分布云圖

3.3.3 發(fā)展階段(第二次開挖)

海西-印支-燕山構造旋回期(晚古生代-早白堊世)，以發(fā)育侏羅山式褶皺、日爾曼式褶皺、逆沖推覆斷層、淺層滑脫構造、平行走滑斷層為代表，構造運動方向由東向西，變形以脆性變形為主要特點，具淺部層次構造變形特征。區(qū)域褶皺伴隨區(qū)域低溫動力變質-脆性斷裂伴隨動力碎裂變質。所以，原始地面模型以此為地質背景，多次構造運動，既有激烈的褶皺運動，又有緩和的升降運動。以海相碎屑地層和火山巖經區(qū)域變質作用形成的地層為主。第二次開挖后，在只考慮應力場的作用下，由圖7、圖8可知，原始山體繼續(xù)發(fā)展，不斷的卸荷作用，在兩側出現卸荷變形區(qū)，中間出現應力集中區(qū)，山體有零星的塑性區(qū)。在考慮應力場與滲流場耦合作用下，由圖9可知，山體周圍局部出現較密集塑性屈服和拉裂破壞單元。

圖4 第一次開挖X方向位移

圖5 第一次開挖塑性區(qū)

圖6 第一次開挖流固耦合塑性區(qū)

圖7 第二次開挖X方向位移

圖8 第二次開挖塑性區(qū)

圖9 第二次開挖流固耦合塑性區(qū)

圖10 第三次開挖X方向位移

3.3.4 完成階段(第三次開挖)

喜馬拉雅及新構造旋回期(晚白堊世-第四紀)，由海變陸并隆升成為高原，該構造階段貴州受青藏高原隆升影響，垂直運動特征明顯，典型構造樣式為隆升背景下的地壘-地塹式構造組合，以脆性變形為主要特點，具淺表層次構造變形特征。所以，原始地面模型以此為地質背景，第三次開挖后，由圖10、圖11可知，在只考慮應力場的作用下，原始山體發(fā)育基本完成，經過多期的卸荷作用，風化作用的影響下，山體頂端因應力集中現象出現塑性區(qū)，其方向沿著構造面的走向隨著時間不斷發(fā)展，這也是紅云金頂主裂縫的形成原因。在考慮應力場與滲流場耦合作用下，由圖12可知，山體上部周圍出現較密集塑性屈服和拉裂破壞單元。這也是紅云金頂四周節(jié)理裂隙發(fā)育，不斷剝落的原因。

圖11 第三次開挖塑性區(qū)

圖12 第三次開挖流固耦合塑性區(qū)

綜上所述，通過分析可知考慮流固耦合作用更能體現這幾次構造旋回期不斷的造山運動所帶來的影響，其結果也更符合現狀。此外，梵凈山地區(qū)第四紀歷史上曾發(fā)生過多次冰川流行，從山上到山下保存著一套完整的冰蝕地貌、冰磧臺地及冰磧泥礫等形跡[9]，對當今紅云金頂地貌的形成也起到控制性作用。

4 結 論

1) 梵凈山的大地質背景，經歷了多期復雜的洋陸轉換和板內活動，是一個處于充水環(huán)境下，不斷沉積、變質、固結成巖，隆起成山的過程。用三維有限差分軟件進行數值模擬分析，可以較好地反映紅云金頂形成演化的每一個構造旋回期。

2) 采用流固耦合分析，考慮形成演化中應力場和滲流場之間的相互影響，對比只受應力場作用，模擬可知流固耦合的結果更符合當今地貌的發(fā)展特征。

3) 紅云金頂目前處于整體穩(wěn)定，但由于山體節(jié)理裂隙比較發(fā)育，存在發(fā)生崩塌的風險。作為世界自然遺產，應該進行針對性的保護措施治理。