尚彥軍，伊學(xué)濤，Muhammad Hasan，崔振東，賀強(qiáng)，何香蘭，曹遠(yuǎn)遠(yuǎn)

（1.中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所頁巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.新疆地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(新疆工程學(xué)院)，新疆 烏魯木齊 830023；4.新疆地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，新疆 烏魯木齊 830000；5.新疆天池管理委員會(huì)，新疆 阜康 831500）

距烏魯木齊90多公里的天山天池旅游景區(qū)，每年都有崩塌、泥石流發(fā)生。核心景區(qū)飛龍澗大型崩塌不僅影響景觀質(zhì)量，且崩積物有堵塞河道，導(dǎo)致潰決洪水危害游客、中下游道路、旅游設(shè)施的可能。35年來天池海南泥石流使湖岸前進(jìn)271 m，面積縮小85 000 m2，湖面面積縮小3.47%。飛龍澗瀑布左岸發(fā)育有一連綿約1 300 m 的崩塌群，該崩塌群表面為0.105 km2裸巖，與周圍景觀不協(xié)調(diào)，有堵潰河道造成更大破壞風(fēng)險(xiǎn)可能①中科院成都山地環(huán)境與災(zāi)害研究所.天池景區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究報(bào)告，2008。10 多年來天池管理部門先后實(shí)施了2期地質(zhì)災(zāi)害治理工作。

地質(zhì)災(zāi)害研究離不開從地質(zhì)成因中尋找答案。數(shù)十年來專家學(xué)者們從地理氣象、區(qū)域地質(zhì)、第四紀(jì)地質(zhì)、災(zāi)害地質(zhì)等方面對(duì)天池成因進(jìn)行研究，提出古冰蝕-終磧堰塞湖和山崩、滑坡堰塞湖兩種說法，分歧在于對(duì)呈3級(jí)階梯舌狀體天池堆積壩形成機(jī)制認(rèn)識(shí)不同。天池的形成與下層冰川作用殘留冰磧層和上層西坡崩塌體有關(guān)[1-2]。下層冰磧層大多被崩塌體覆蓋，Deng 強(qiáng)調(diào)了天池滑坡成因[3]。隨著測(cè)年技術(shù)發(fā)展，Yi等測(cè)得壩上巨大塊石宇宙核素（石英暴露時(shí)代集中在12 ka）。據(jù)鍋底坑脊洼相間分布和壩體3級(jí)臺(tái)階等微地形地貌特征及壩體堆積物單峰型顆分曲線，提出更新世末期新仙女事件時(shí)期天池西部發(fā)生崩塌形成堰塞壩[4]。堆積塊石測(cè)年結(jié)果屬全新世，按發(fā)生年代劃歸為老地質(zhì)災(zāi)害（全新世以來滑動(dòng)，現(xiàn)今整體穩(wěn)定）[5]。下文討論采用老崩塌、老滑坡表述，以示與現(xiàn)代崩塌和滑坡相區(qū)別。

在前人工作基礎(chǔ)上，筆者采用地質(zhì)調(diào)查和高密度電法勘探等技術(shù)手段，分析堆積壩體結(jié)構(gòu)及分布形態(tài)。對(duì)老崩塌-老滑坡兩階段劃分及對(duì)天池古河道改造方面提出新認(rèn)識(shí)，希望得到批評(píng)指正。

1 地理氣象條件

天山天池景區(qū)地勢(shì)由北向南逐漸抬高，海拔800～5 445 m，最大相對(duì)高差4 645 m。按海拔高程將山區(qū)分為極高山、高山、中山、低山丘陵帶。地貌上有冰湖、冰川、丘陵、流水、洪積扇和雅丹等。森林多分布在海拔1 600～2 600 m 中山區(qū)，為天山北坡最大降水量高度帶，也是流水和重力侵蝕強(qiáng)烈地帶。河床沖刷強(qiáng)烈，山坡裸巖不斷擴(kuò)大，滑坡泥石流災(zāi)害嚴(yán)重，危及森林生態(tài)安全和斜坡、壩體穩(wěn)定。

天山天池景區(qū)地處中緯度亞洲中心地帶，屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)內(nèi)的山地氣候區(qū)。景區(qū)冬季漫長寒冷，夏季溫暖短促，氣溫日變化較大。天山北坡從山麓到山峰垂直梯度變化較大[6]，西部降水多于東部[7]。北坡冬季逆溫層使景區(qū)氣溫相對(duì)穩(wěn)定溫和。據(jù)天池氣象站1971—2007 年實(shí)測(cè)資料，多年平均降雨量562 mm，2007年降水最豐，為867 mm；1977年降水最少，僅344 mm。2000 年以后降水普遍增多，出現(xiàn)兩個(gè)高豐水年，即2003 年（835 mm）、2007 年（867 mm）。降水量較集中，4—10 月占年降水量的85.6%，11月至次年3月占年降水量的14.4%[7]。降雨集中在夏季，多暴雨。2001—2007年實(shí)測(cè)24 h最大降雨量大于50 mm 時(shí)，景區(qū)相應(yīng)區(qū)域隨之暴發(fā)泥石流和崩塌災(zāi)害。天池為三工河源頭，后者中游多年平均徑流量1.666 m3/s，7月平均徑流量最大3.803 m3/s，2月平均徑流量最小0.711 m3/s[8]。

2 地層巖性與構(gòu)造

2.1 南部及中部博格達(dá)組

以灰綠色凝灰?guī)r、凝灰粉砂巖、凝灰砂巖為主，夾凝灰礫巖、灰紫色安山巖、紫紅色泥質(zhì)灰?guī)r透鏡體。

2.2 北部柳樹溝組

以灰綠色中性凝灰?guī)r、凝灰砂巖、凝灰礫巖為主。

2.3 天池壩下部

分布Q3冰磧物、三工河沿岸階地和各支溝內(nèi)分布Q2冰水堆積物及Q3-4沖洪積物。

本區(qū)構(gòu)造上位于天山緯向構(gòu)造體系博格達(dá)弧形構(gòu)造褶皺隆起帶，主要構(gòu)造線及巖層走向?yàn)镹E20°～30°。該褶皺隆起帶是以石炭系火成巖為主的復(fù)式背斜。強(qiáng)擠壓使背斜多倒轉(zhuǎn)，巖層產(chǎn)狀近直立，向南或北傾斜。背斜軸部多為灰白、灰綠色凝灰質(zhì)粉砂巖和砂巖。北翼主要為紫紅色安山巖，南翼為灰綠色凝灰?guī)r和凝灰質(zhì)砂巖及砂巖。齊點(diǎn)溝、五官溝、大面場(chǎng)溝-白楊溝、石峽及海西仙女灣溝發(fā)育5條順溝斷裂，斷裂與各支干溝走向一致，呈NEE向①新疆地質(zhì)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì).三臺(tái)幅、達(dá)坂城幅（1∶200,000）區(qū)域水文地質(zhì)報(bào)告區(qū)域地質(zhì)報(bào)告，1980。

新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為強(qiáng)烈升降運(yùn)動(dòng)形式，可見不同規(guī)模古夷平面。河流兩岸發(fā)育高差100 m 的2 級(jí)階地，并有沖洪積扇重疊現(xiàn)象[9]。1863年以來該段共發(fā)生MS≥4.7 以上地震8 次。歷史上最早記載的地震為1863 年9 月25 日烏魯木齊5.5 級(jí)地震，最大地震為1965 年11 月13 日烏魯木齊東北6.6 級(jí)地震。1970 年新疆建立地震臺(tái)網(wǎng)以來記錄MS≥3.0 地震51次，其中5.0 級(jí)地震僅1 次。震源深度顯示，地震優(yōu)勢(shì)分布在25～40 km，為淺源地震[10]。據(jù)1990年國家地震局頒布的烈度區(qū)劃資料，本區(qū)地震烈度為7度。由中國地震動(dòng)峰值加速度區(qū)劃圖上查得工作區(qū)動(dòng)峰值加速度為0.15 g。

3 崩塌滑坡災(zāi)害

天池景區(qū)有崩塌20 處（飛龍澗4 處、海西5 處、公路S111線11處）。20處崩塌中除飛龍澗有1處大型崩塌外，其余均為小型崩塌。崩落體主要為凝灰?guī)r、安山巖、凝灰質(zhì)砂巖等，發(fā)育于高陡邊坡或陡巖分布區(qū)，失穩(wěn)后形成規(guī)模不等的崩塌落石災(zāi)害。景區(qū)內(nèi)海南三工河泥石流、飛龍澗崩塌頻繁活動(dòng)，規(guī)模與危害快速增大②中科院成都山地環(huán)境與災(zāi)害研究所.天池景區(qū)地質(zhì)災(zāi)害研究報(bào)告，2008。2008 年以來天池有關(guān)管理部門組織全面系統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查工作，先后開展了2期地質(zhì)災(zāi)害專項(xiàng)治理（圖1）。

圖1 天池壩東側(cè)飛龍澗左岸冰磧物斜坡發(fā)育成滑坡Fig.1 The moraine slope on the left bank of Feilongjian on the east side of Tianchi Dam developed into landslides

據(jù)前人對(duì)天池景區(qū)考察分析，天池形成過程中冰川衰退減薄時(shí)，西岸山坡曾發(fā)生大型崩塌災(zāi)害。大量崩塌土石體堆積在冰坎殘留冰磧層之上，認(rèn)為天池湖堤由崩塌堆積物與冰磧物混合堆積形成[1-2，4]。從遙感影像圖看，大鍋底坑對(duì)應(yīng)滑坡后壁和后緣洼地、北側(cè)平直的斜坡控制滑坡運(yùn)動(dòng)側(cè)緣；小鍋底坑對(duì)應(yīng)西岸大范圍分布的老崩塌堆積體（圖2）。

圖2 天池巨型老崩塌老滑坡地貌遺跡圖Fig.2 Landform Map of Giant Old Collapse and Old Landslide Relics in Tianchi Lake

將大、小鍋底坑及天池堆積壩體面積乘以各自厚度即可得到它們的體積。堆積壩體厚度來源于鉆孔剖面、高密度電法電性結(jié)構(gòu)剖面給出的巨礫、塊石為代表的老崩塌和老滑坡堆積及下伏冰磧物厚度[11]。由遙感影像圖上測(cè)出的周長、面積及計(jì)算得到的體積結(jié)果見表1。由表1 可知，老崩塌堆積體超過1 000×104m，屬巨型崩塌；老滑坡體由大鍋底坑及中游運(yùn)動(dòng)堆積區(qū)組成，天池堆積壩體上部（不包括下部冰磧物）滑坡堆積，體積大于1×108m，屬巨型滑坡[5]。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，表1 列出的天池湖區(qū)和天池堆積壩體平面尺寸與1994年發(fā)表的文獻(xiàn)[1]中給出的數(shù)據(jù)接近，說明天池湖水和壩體總體穩(wěn)定。

表1 天池景區(qū)老崩塌老滑坡堆積體幾何要素表Table 1 Geometric Elements of Ancient Collapse and Landslide Accumulation Mass in Tianchi Scenic Area

3.1 堆積壩體淺表結(jié)構(gòu)

從天池堆積壩體東部船塢沿壩上水泥路向西至碼頭北三岔路口，在走向約236°、長約275 m 范圍內(nèi)，對(duì)10 個(gè)出露地表孤立的長3 m 以上巨礫進(jìn)行長、寬和長軸方向幾何要素量測(cè)。圖3 顯示相關(guān)度較高情況下寬度約為長度的0.71倍。長度在4 m以上者長軸方向呈NNW向，長度小于4 m者長軸方向呈NE向，說明壩體上部巨礫代表重力作用下巖土體運(yùn)動(dòng)方向，即由SW轉(zhuǎn)向NE。

圖3 天池堆積壩上游巨礫分布及其幾何特征Fig.3 Distribution and geometric characteristics of boulders in the upstream of Tianchi accumulative dam

在海西仙女灣溝北側(cè)布置7 個(gè)深度10 m 以內(nèi)鉆孔(從西向東依次為z33、34、35、37、36、38、39)，總體沿59°方向組成水平長度683 m 的天池西側(cè)坡前剖面。在西小天池東側(cè)布置6 個(gè)深度30 m 以內(nèi)鉆孔（2 條從SE 向NWz40、42、44，z41、43、45），分別沿306°方向長754 m、沿313°方向長327 m，組成2 條剖面（圖4）。13 個(gè)工程鉆孔平面分布位置見圖2。鉆探工作揭露上下7 個(gè)不同巖土層位，第四系松散體分別為角礫、巨礫和碎石土。天池西側(cè)海西仙女灣溝中埋深在5 m以內(nèi)的基巖，包括閃長巖、安山巖和二長斑巖，總體以中性巖為主①新疆地質(zhì)工程勘察院.新疆阜康市天池旅游景區(qū)地質(zhì)災(zāi)害專項(xiàng)勘查報(bào)告，2009。仙女灣溝北鉆探所揭露的下伏基巖與地質(zhì)圖上表示的天池中南部柳樹溝組的中性凝灰?guī)r、壩體區(qū)基巖多以安山巖為主①新疆地質(zhì)局第二水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì).三臺(tái)幅、達(dá)坂城幅（1:200,000）區(qū)域水文地質(zhì)報(bào)告區(qū)域地質(zhì)報(bào)告，1980。

圖4 實(shí)施13個(gè)淺層鉆組成三條斷面顯示層厚變化Fig.4 The 13 shallow drills forming three sections to show layer thickness changes

3.2 電性剖面揭示的壩體結(jié)構(gòu)

2020 年11 月初采用E60BN 高密度電法儀對(duì)天池堆積壩體結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)。電法剖面采用5 m電極距，64個(gè)電極采用單極-單極電極排列方式，進(jìn)行滾動(dòng)勘探布置，可達(dá)300 m 勘探深度。在壩體中部布置NNW向、大致平行于堆積體長軸方向的2 條縱測(cè)線（TCW06-04 和TCW14-15），大致垂直于堆積體軸向的3 條橫測(cè)線(TCW21-19，TCW25-28 和TCW30-29)（圖5）。5 條縱橫跨越堆積壩體電法探測(cè)剖面總長1 840 m。野外采集數(shù)據(jù)經(jīng)軟件反演處理得到電性結(jié)構(gòu)剖面。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)特點(diǎn)和巖土介質(zhì)電阻率變化范圍，給出相應(yīng)的地質(zhì)解釋剖面圖（圖6）。由圖6可見，堆積壩體從下至上可分為5種巖土介質(zhì)：埋深約100 m的基巖（新鮮火山巖，視電阻率大于2 500 Ω.m）、厚50～100 m的風(fēng)化及構(gòu)造破碎巖(視電阻率2 500～1 000 Ω.m)、厚50～150 m的冰磧物(視電阻率1 000～400 Ω.m)、厚度基本不大于50 m 的滑坡堆積物(視電阻率400～70 Ω.m)和厚度小于30 m的淺表薄土層(視電阻率＞5 000 Ω.m)。地質(zhì)解釋剖面顯示其結(jié)構(gòu)主要特征：①發(fā)育兩條近EW向且傾向上游為主的斷層F1和F2；②斷層引起兩側(cè)下伏基巖面埋深劇烈的起伏變化，斷層本身具一定隔水性；③形成時(shí)間較新的老滑坡堆積體多為富水體，剖面形狀多為不規(guī)則橢圓狀；④位于破碎基巖上方和滑坡堆積體之下的冰磧物為弱透水體或隔水，剖面形態(tài)呈囊狀或透鏡狀；⑤物探線上基巖埋深最小區(qū)域位于F1斷層北側(cè)氣象站高地。東西兩條物探線（4線和5線）結(jié)合部位解釋出向東傾斜的斷層，上盤富水，且呈一深度較大低阻的弱透水槽，該位置對(duì)應(yīng)西小天池源頭泉水集中出露區(qū)域。雖5個(gè)物探剖面解釋的地下水位高程為1 750～1 850 m，但壩上游向南傾斜斷層F1控制了氣象站高地成為基巖埋深最小區(qū)域（1 線），起到阻擋天池水大規(guī)模外滲的天然阻水壩作用，使湖水位長期穩(wěn)定在高程1 910 m附近。

圖5 天山天池堆積壩上物探線布設(shè)及電性結(jié)構(gòu)剖面投影圖Fig.5 Layout of geophysical prospecting line and profile projection of electrical structure on Tianchi accumulation dam

圖6 天池壩上5條高密度電法反演及地質(zhì)解釋剖面圖Fig.6 Profile map of 5 high-density electrical inversion and geological interpretation on Tianchi Dam

3.3 老滑坡側(cè)緣斷層控制邊界

壩體西北側(cè)陡坡上梳妝鏡鏡面呈乳白色，因風(fēng)化淋濾作用難以觀察到新鮮巖石所在段斷層面（產(chǎn)狀105°∠74°）。表面斷層面階步和長大裂隙殘留可見，揭示近EW 向斷層下盤表面曾發(fā)生斜滑運(yùn)動(dòng)并被錯(cuò)斷[12]。南側(cè)下滑呈底平的谷地松林茂密平整，平臺(tái)寬約110 m，滑動(dòng)方向?yàn)樘斐囟逊e壩高地傾斜，傾角約20°。該處采集3個(gè)顏色和結(jié)構(gòu)不同的火山巖樣品，經(jīng)薄片鑒定其以凝灰結(jié)構(gòu)為主，并經(jīng)風(fēng)化（蝕變）作用（表2），梳妝鏡巖性為淺灰白色蝕變粗安質(zhì)玻屑凝灰?guī)r。現(xiàn)場(chǎng)可見，梳妝鏡凝灰?guī)r巖體呈下大上小的穹窿形，斷面長42 m，高20 m，出露面積約840 m2（圖7）。從天池堆積壩上數(shù)公里外可觀察到走向15°斜坡上部這面白色梳妝鏡。

圖7 殘留斷層面?zhèn)然\(yùn)動(dòng)的梳妝鏡凝灰?guī)r體出露形態(tài)Fig.7 Exposed form of tuff body as dressing mirror with residual fault plane sideslip movement

表2 作為斷面出露的梳妝鏡巖性結(jié)構(gòu)及成分鑒定結(jié)果Table 2 Lithological structure and composition identification results of the vanity mirror exposed as a section

3.4 堆積壩結(jié)構(gòu)反映的成因信息

從電性結(jié)構(gòu)剖面及地質(zhì)解釋剖面可見，天池堆積壩是由最早的冰川作用形成的冰磧物覆蓋在基巖上，然后靠近壩上游西側(cè)、小鍋底坑及下游巨大塊石為特色的崩塌堆積體覆于其上（崩塌堆積體主要分布在堆積壩體的南西部而不完全在物探線范圍內(nèi)），最后為松散富水的滑坡堆積物堆積。上部巨礫和表土是后期淺表沖刷改造作用的結(jié)果，為不含水的包氣帶高阻體（圖6）。從橫向和縱向剖面看，下伏基巖面高低起伏變化，冰磧物呈囊狀或透鏡狀不連續(xù)分布；上部富水老滑坡堆積物縱向連通性好于橫向連通性，不發(fā)育穩(wěn)定統(tǒng)一的含水層。這決定了潛水含水層受斷層阻隔影響并受下部冰磧物隔水。潛水面在一定深度內(nèi)隨季節(jié)波動(dòng)，使夏季高湖水位（高程大于1910 m）更多地通過上部老滑坡堆積體向下游滲漏，這也是夏季地下水位升高、泉水點(diǎn)增多、流量明顯增大的主要原因[13]。兩個(gè)EW 向剖面結(jié)合部位顯示，斷層阻水作用及深槽狀低阻帶發(fā)育，該處是西小天池上游泉水大規(guī)模出露點(diǎn)。結(jié)合對(duì)地下水連通性和滲透系數(shù)電法研究結(jié)果[14]，推測(cè)該處為被滑坡擠占掩埋的天池下泄的部分古河道區(qū)段。通過對(duì)比天池湖水和地下水水化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)它們屬同類型（HCO3-Ca 型水），水質(zhì)為最好的I 類[11]，說明地下水和湖水間的連通性。

4 討論

堆積壩東端泄水溝岸坡冰磧物測(cè)年結(jié)果為11 ka[4，11]，說明其形成于晚更新世晚期。大鍋底坑?xùn)|、堆積壩西端2 個(gè)巨礫宇宙核素測(cè)年數(shù)據(jù)為10～7 ka[4]，說明老滑坡堆積體晚于冰磧物約3 ka。航拍顯示，壩體附近湖底有兩道向東突出的呈扇形或放射狀弧形崩塌地形，屬西岸崩塌體湖底延伸部分[15]。Yi 等研究發(fā)現(xiàn)，天池湖上游五分之三的湖底地勢(shì)較低，靠近壩體部分湖底高低起伏很大[4]。說明老崩塌和老滑坡堆積體均在天池西岸，發(fā)生時(shí)間晚于冰磧物形成的Q3末期時(shí)間。

小鍋底坑所在天池西岸及湖邊雜亂堆積的塊石堆，顯示重力崩塌作用特點(diǎn)，造成該湖濱線較穩(wěn)定平直，巨大塊石架空土層不發(fā)育。南端即仙女灣溝北側(cè)7個(gè)工程鉆孔從剖面上也說明這一特征。

大鍋底坑形態(tài)、梳妝鏡出露特征、西小天池上游泉水集中出露部位深槽狀低阻體，說明該巨型老滑坡堆積體的發(fā)生結(jié)果。近EW向斷層F2控制滑坡北側(cè)緣，錯(cuò)斷灰白色凝灰?guī)r穹窿體形成梳妝鏡。小鍋底崩塌發(fā)生后，大鍋底滑坡發(fā)生并擠占和覆蓋了原來的天池河道，推擠刮削冰磧壟直抵陡峻的基巖東岸。該處發(fā)育的NNW 向斷層造成東岸基巖陡崖[10]，使天池水經(jīng)長期泄流下切，形成飛龍澗瀑布疊水景觀及兩岸崩塌滑坡災(zāi)害發(fā)育，影響上壩道路交通安全及生態(tài)環(huán)境保護(hù)[16]。因此，天池堆積壩是小鍋底巨型老崩塌后大鍋底巨型老滑坡發(fā)生并擠占天池古河道的結(jié)果。

5 結(jié)論

（1）天池堆積壩體由下至上可分為隔水高阻火山巖、風(fēng)化破碎巖、弱透水或半隔水冰磧物、富水老滑坡堆積物及上覆表土層。

（2）壩體本身不存在連續(xù)統(tǒng)一的潛水含水層，即使是富水的老滑坡堆積物也是橢圓狀不連續(xù)分布，使地下水通道呈斷續(xù)狀分布。西小天池上游發(fā)育一隱伏深槽狀導(dǎo)水帶，應(yīng)為被老滑坡推擠掩埋的天池曾經(jīng)下泄的局部古河道。

（3）壩體兩條斷層傾向上游，起到較好的隔水阻水作用，尤其是壩上游斷層F1使基巖埋深最淺，造成氣象站區(qū)域高地，保護(hù)了天池水穩(wěn)定在1 910 m高程附近不至大范圍泄露。

（4）晚更新世末期冰磧物形成后，小鍋底坑巨型老崩塌和大鍋底坑巨型老滑坡為兩期先后發(fā)生的重大地質(zhì)災(zāi)害事件，影響和塑造了天池西岸平直形態(tài)和壩體上部巨礫為特色的含水透水塊石堆積體。