红云金顶变质岩区危岩发育特征及变形破坏机理研究

顾国辉

(贵州大学 国土资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室，贵阳 550025)

1 概 述

红云金顶危岩位于贵州省铜仁市印江县梵净山旅游景区，红云金顶自下而上发育一套完整浅变质岩系，沿着红云金顶景区登山步道发育十多块形态各异的危岩，目前国内外对于危岩的研究大多局限于沉积岩、火成岩区，沉积岩中又以软硬互层型危岩、河谷下切或人工开挖型高边坡危岩、碳酸盐岩区岩溶型危岩为代表[1-5]。对于厚层变质砂岩、板岩等地层发育的危岩体涉及较少，本文以梵净山红云金顶变质岩区危岩为例，对变质岩区危岩的形态规模等特征、变质岩区危岩形成演化机理、变质岩区危岩变形破坏机理进行研究，研究成果对于不同变质岩的致灾机理研究具有一定的理论意义，同时对变质岩地区的危岩(崩塌)等地质灾害的防治等具有一定的现实意义。

2 地质背景

梵净山红云金顶为低山丘陵地貌中发育的柱状孤峰，海拔高程在433～2 572 m之间，区内主要为侵蚀低中山地貌，为沟谷地形，区内沟谷多呈V型谷，山脊多呈尖刃状，山高谷深，红云金顶垂直高差约104 m。

研究区在大地构造位置处于羌塘-扬子-华南板块扬子陆块江南复合造山带黔南坳陷区铜仁复式褶皱变形区，区内主要构造有梵净山穹状背斜、郭栗压性断裂等。研究区主要经历了武陵运动、雪峰运动、燕山运动等多期构造运动。武陵运动之前研究区为一套巨厚层的基性岩浆岩洋壳基地，后来武陵运动中期主要发育一套厚层浅海相杂砂岩沉积，经历武陵造山运动主要发育北北东向构造及南北向扭曲性构造形迹，后来又经历雪峰-加里东运动、印支运动、燕山运动等时期发生褶皱、断裂和隆升[6]。

研究区地层岩性从老至新依次为梵净山群(Pt2fj)、元古界板溪群甲路组(Pt3bnbj)、元古界板溪群乌叶组第一段(Pt3bnbw1)，梵净山群(Pt2fj)岩性主要为浅灰微带绿色厚层状变余砂岩、块状变质细碧-角斑岩及变质基性火山岩-蚀变岩等，间夹粉砂质板岩；板溪群甲路组(Ptbnbj)主要发育灰、紫灰色薄层含钙质绢云母板岩夹千枚岩；板溪群乌叶组第一段(Ptb3nbw1)主要发育为浅灰及深灰色厚层变余细砂岩及变余硅质粉砂岩，夹浅灰色粉砂质板岩；浅灰、灰、灰绿色薄层、板状绢云母板岩及粉砂纸板岩，中上部偶夹变余绢云母粉砂岩。

研究区主要发育松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两类，红云金顶主要为基岩裂隙水，红云金顶步道下部有泉眼出露。

3 危岩发育特征分析

经过现场地质调查梵净山红云金顶发育12块危岩，红云金顶为一套完整变质岩体系，主要发育变余粉砂岩与砂质板岩，通常危岩体发育在软硬互层岩层中较多，对于硬质岩中危岩的发育特征研究较少[7-9]，本文主要从形态及分布特征、结构面特征、岩性特征几方面进行分析：

3.1 形态规模及分布特征

研究区危岩形态较为特别，有悬臂式危岩、坠落式危岩、贴坡式等，危岩体积规模较小、倾角大、岩体强度高，发育在变余砂岩中的危岩棱角分明，受节理、劈理等切割较为强烈，危岩大多沿着变余砂岩的劈理面发育，表现为光滑陡壁上悬挂危岩，在变余砂岩中还发育有贴壁躺卧式危岩，并且下部临空后缘裂隙发育。砂质板岩中发育的危岩也表现出悬臂式特征，砂质板岩相对较软，危岩表面断口较为粗糙，并且断口多为参差状，此类危岩一般较薄，片理尤为发育，并且厚度从后缘向前部逐渐减小，在外形上呈“矛头状”，该类危岩通常底部、两侧都临空。红云金顶由于是旅游景区，危岩主要沿着金顶登山步道倾向坡外分布。

3.2 危岩结构面特征

研究区危岩体结构面较发育，主要发育原生结构面、构造结构面、浅表生结构面，红云金顶发育的危岩结构面主要为构造结构面、卸荷结构面。红云金顶发育9条深大拉裂隙，部分裂隙从顶部贯通至金顶基座，张开度为5～50 cm，大多结构面无填充，部分结构面填充有碎石与第四系残坡积物。

1) 原生结构面：主要为变余砂岩的层理面、变质作用形成的砂质板岩、千枚岩等的片理面，原生结构面大多为母岩的层面、变质后的片理面，原生结构面往往呈板状平滑发育，表部结构面张开较大，内部往往闭合(图1-图2)。

图1 变余砂岩层理

图2 粉砂质板岩片理

2) 构造结构面：主要由构造作用产生的岩层错动、升降、扭曲等形成的结构面，研究区自元古代以来经历了4次大的构造运动，岩体节理发育，特别式纵向张节理尤为发育(图3)。

图3 构造错动裂隙

3) 浅表生结构面：主要包括卸荷裂隙、风化裂隙，浅表生结构面一般发育深度较小，在分布上往往不连续或呈透镜体状，卸荷裂隙在硬质岩与较坚硬岩中均有发育，风化裂隙主要发育在较坚硬的岩层中。

卸荷裂隙在红云金顶主要表现为倾向临空面的拉张裂隙，主要发育在坚硬的变余砂岩层中。研究区的卸荷裂隙宽度5～20 cm，裂隙向坡体内延伸数米不等，但是卸荷裂隙在纵向发育较长，可能由于梵净山红云金顶自形成之后经历了多期的构造运动，在地质历史时期水平拉张或竖直升降运动下的岩体卸荷、多期构造运动的叠加，才发育现今深大的卸荷裂隙(图4)。

图4 深大卸荷裂隙

风化裂隙在红云金顶主要表现为砂质板岩、千枚岩表面参差不齐的裂隙，主要发育在较软弱的板岩、千枚岩层中，由于这类岩体虽然经历了变质作用对其强度有所强化，但是其变质母岩还是泥岩、砂质泥岩等，含有较多的黏土矿物，在水化、冻胀、根劈等作用下胶结物质被逐渐带走，岩体顺层脱落，发育风化裂隙。红云金顶风化裂隙发育的深度只有数厘米，规模较小。

3.3 危岩岩性特征

梵净山红云金顶基底为梵净山群，一套发育于中元古代的火山蚀变岩产物，岩性为中-厚层变余砂岩夹粉砂质板岩、千枚岩，上部发育一套区域变质作用形成的变余砂岩砂质板岩。据贵州省区域地质志、地质历史分析、沉积相分析显示，研究区变质母岩主要为浅海沉积相砂岩、砂质泥岩，经过变质作用之后矿物颗粒重结晶，颗粒间的胶结变强，岩体抗拉强度、抗剪强度也相应增大。变余砂岩整体完整性较好，质地坚硬，锤击声脆，表面微风化-中风化，岩体中多发育垂向拉张裂隙。砂质板岩相对于变余砂岩强度稍弱，砂质板岩主要为薄层状，表面中风化-强风化，常具劈理构造，将岩体按一定方向分割成平行密集的薄片状、薄板状。沉积岩在经历变质作用之后，片状矿物在压应力作用下发生机械旋转并定向排列，在温度、压力以及地应力等作用下矿物颗粒垂直于最大主应力方向发生重结晶，尤其在粉砂质板岩中多见薄层状劈理构造。

4 危岩形成及破坏机理

变质岩相对于其他岩类既表现有母岩的特征又具有变质作用带来的特征，红云金顶发育一套浅变质变余砂岩与粉砂质板岩，从危岩的形成演化到变形破坏方式都具有变质岩地区的特殊性，本文主要从变质岩区危岩的形成演化机理、变形破坏机理进行探讨。

4.1 危岩形成演化机理

变质岩区危岩的形成相比区沉积岩区的危岩形成具有特殊性，并且变质岩区的危岩在形态上多以悬臂式、坠落式、贴坡式为特征，本文从区域地质构造、变质作用、冰川作用、风化卸荷作用、热应力交变作用等方面对梵净山红云金顶特殊危岩形成演化机理进行研究。

4.1.1 区域构造运动

红云金顶特殊性变质岩危岩的形成与该区域经历的构造运动有着密切的关系，梵净山红云金顶的形成主要经历了武陵运动、雪峰运动、印支运动、燕山运动等，新元古代武陵造山运动结束了华南狭窄洋盆，基底由洋壳转化为陆壳，为红云金顶的形成提供了前提。武陵运动期由于强烈的褶皱发育导致洋壳拉裂，基性岩浆的侵入使梵净山群发生变质作用；青白口纪之前的的雪峰运动形成巨大的拉陷盆地，使得南华内陆洋盆再次复活，雪峰旋回期发育一套巨厚层粉砂岩、粉砂质泥岩，雪峰构造旋回期间发育陆内裂谷，引起裂谷带岩浆入侵，使得已固结成岩的板溪群发生区域变质作用，在后期的地质历史中又经历了印支运动的挤压作用，发育NNE向斜构造，燕山运动该地区发生褶曲、断裂等发育，喜山运动以来经历了贵州省整体的隆升，从内力地质作用上控制了危岩的形成。在梵净山的西侧发育NNE向余家沟正断层，使梵净山西侧地层下滑，对梵净山孤立台地的形成具有一定影响 。

4.1.2 区域变质作用

梵净山红云金顶变质作用主要为两次区域性的变质作用，主要为伴随着武陵旋回构造运动、雪峰旋回运动引起的基性岩浆的侵入产生的变质作用，但是这两次变质作用影响的范围以及变质程度有所差异。武陵造山运动导致扬子古陆与华夏古陆相互碰撞、挤压、俯冲，使陆内裂谷带岩浆喷发引起高温变质作用，此次变质作用主要影响梵净山群，将梵净山群黏土岩、石英砂岩等蚀变成变质粉-细砂岩、变质含细砾砂岩、变质泥砂质砾岩、粉砂质板岩等；第二次主要为雪峰运动拉张形成陆内裂陷，再次引发岩浆入侵，此次变质作用影响地层范围较广包括梵净山群与板溪群，使得板溪群沉积的一套浅海相砂岩、粉砂岩、泥质砂岩等经区域变质作用形成变余砂岩、粉砂质板岩、夹绢云母板岩、千枚岩等变质岩体系。在变质作用过程中，原有的沉积岩构造发生构造置换作用与固态流变作用，石英、方解石、黏土矿物等重新定向排列、发生结晶分异作用，发育变晶构造、劈理构造、片理构造，矿物颗粒重结晶之后使得砂岩、泥岩等变得更加致密，使砂岩的抗拉、抗剪强度相比于母岩增强，因此在红云金顶经历了漫长的地质历史仍发育有数块坠落式、悬臂式危岩。

4.1.3 冰川作用

红云金顶主要地层为新元古代青白口系板溪群，新元古代梵净山地区地形相对较平坦，红云金顶孤峰还未发育。据贵州省区域地质志以及张启锐、林树基对贵州南华纪冰期的研究，南华纪贵州最少经历了两次冰期，但是梵净山现今只保留有青白口系地层，上部南华系、震旦系等的缺失，南华纪冰期对梵净山的影响无从考证。从晚第三纪以来贵州整体进入寒冷期，进入寒冷期后岩体冻融、冻胀作用明显，沿着原有的卸荷裂隙、风化裂隙扩展，使岩体结构进一步遭到破坏[10-11]。进入第四纪早更新世以后，贵州开始进入冰期，据林树基等基于古生物、地球化学等研究，证实贵州第四纪共经历了6次冰期旋回，分别为喜鹊沟冰期、坪地冰期、平坝冰期、龙塘沟冰期、惠水冰期、赤土冰期。李兴中等认为梵净山红云金顶为第四纪冰川作用形成的柱状角峰，并且在梵净山地区发现冰川悬谷、冰斗、冰窟以及冰川运移铲刮等的遗迹[12]。第四纪梵净山区经历的六次冰期对红云金顶岩体的劣化起到推动作用，冰期岩体发生冻胀作用，红云金顶变余砂岩节理裂隙扩张，而后进入间冰期，冰川消融带走大量的冻胀碎屑岩，使原有的裂隙进一步加大，在反复6次的冻胀、消融作用下，红云金顶发育数条深大裂隙，发育棱角分明的柱状孤峰，同时局部岩体结构受到破坏，剪节理发育明显形成楔形破坏遗迹，也加剧了粉砂质板岩、变余砂岩的劈裂破坏。

4.1.4 风化、卸荷作用

风化作用主要影响粉砂质板岩中局部小裂隙的发育，使岩体向临空方向出现各向异性节理，但是影响深度通常较小。红云金顶的岩体卸荷作用比较特殊，并不是简单的人工开挖或河谷下切引起的卸荷，而是在漫长的地质历史时期经过构造错动、隆升、冰川侵蚀使得变质岩沿着劈理面破坏时，内部岩体应力重分布，相对新鲜面出现倾向临空面的裂隙。对于梵净山红云金顶的成因目前并没有统一的说法，印支运动以来贵州整体发育NNE向斜褶曲，燕山运动使白垩系以下地层发生褶曲、断裂构造，喜山运动以来时贵州整体抬升，发育地堑、地垒构造，笔者认为是印支运动以来一系列断裂、褶曲、隆升共同作用的结果，开始形成大的孤立变质岩台地，在红云金顶北部可见类似孤峰，后期在冰川作用、风化作用等共同影响下岩体卸荷，发育深大的卸荷裂隙，由于卸荷裂隙的对岩体的切割，发育数块悬挂式危岩，并且危岩一侧为贯通裂隙。

4.1.5 热应力交变作用

红云金顶进入间冰期之后，随着地表温度的回升，温差变化于岩体结构具有密切关系。依据近几年观测研究区的日平均温差达到8°，日最大温差达到23°，由于温差较大热应力交变作用明显。根据黄润秋等热应力交变作用对危岩形成的影响[13]，温度差变化越大，热应力也越大，当地表温度较高时，岩体中最大主热应力σ1以压应力为主;而当地表处于低温状态下,岩体中的最小主热应力σ3以拉为主。温差不断变化条件下，卸荷带内岩体的拉应力、压应力也不断转换，使得卸荷带内的拉裂隙不断扩张，最终使得红云金顶岩体结构进一步劣化，主要对贴坡式危岩的形成影响较大。

综上所述，梵净山红云金顶危岩的形成经历了多期次复杂的构造运动，并且经历了特殊的变质作用，矿物颗粒重结晶使岩体强度得到强化，相对于板岩发育薄层劈理、片理构造，加速了粉砂质板岩的板裂化，第四纪又经历了多期冰川作用，在反复的冻胀、消融作用下，岩体中裂隙扩展，并且在冰川侵蚀、刮铲作用下裂隙中破碎岩块被冲走，最终形成一线天。对于变余砂岩中形成的悬挂式、悬臂式危岩，其上部岩体内存在平行坡面的拉裂隙，并且变质岩中倾向坡外的劈理、面理构造发育，在卸荷裂隙与劈理共同切割下倒是岩体呈倾倒式破坏，在劈理面与卸荷裂隙交线处发育两面或三面临空的悬臂式、坠落式危岩。

4.2 危岩变形破坏机理

危岩的变形破坏是多因子耦合的结果，危岩体的形成因素包括地形地貌、地质构造、地层岩性、岩体结构、水文地质作用、热应力交变作用、生物作用等，但是对于变质岩地区的危岩变形破坏机理必须要考虑到变质作用对地层岩性、岩体结构、原岩构造等的改变，矿物重结晶后形成的变晶结构相当于对原岩的强化，但是形成的劈理、面理等在一定程度上对岩体结构又具有弱化作用，所以变质岩区的危岩破坏的特殊性主要悬臂式危岩、坠落式危岩、贴破式危岩的变形破坏。

4.2.1 悬臂式危岩

红云金顶粉砂质板岩层中发育的危岩WY01(图5)，该危岩具有“悬臂式”特征，发育在相对较软的砂质板岩中，砂质板岩为薄层状并且板理面尤为发育(图6)，粉砂质板岩中的板理面为相对软弱面。根据李世刚等对于粉砂质板岩力学特性及各向异性的研究，粉砂质板岩在荷载作用下，垂直板理面方向比平行片理面方向更容易变形破坏，同时也说明了粉砂质板岩的各向异性。

发育在粉砂质板岩中的WY01，该处为中-强风化粉砂质板岩，砂质板岩中含有较多的黏土矿物以及绢云母、绿泥石等，在遇水条件下具有崩解性，并且粉砂质板岩抗风化、软化能力较弱，岩体中节理交错发育，不规则，相比于变余砂岩，粉砂质板岩在变形破坏时无固定的节理面，断口多是锯齿状参差不齐，形成上下错落式的凹岩腔。

图5 悬臂式危岩

图6 悬臂式危岩剖立面图

红云金顶危岩WY06(图7-图8)为变余砂岩中两组结构面切割形成的“悬臂式”危岩，悬臂式危岩的特殊性体现在上部、下部以及侧面都存在临空面，节理沿着变余砂岩层理面发育，右侧发育深大卸荷裂隙，上部岩体在卸荷作用下，卸荷带内部出现垂向拉裂隙。在外力地质作用下卸荷带内裂隙完全贯通后，上部岩体在自重作用下发生拉裂-倾倒破坏，下部凹岩腔的形成与上部凹岩类似，变余砂岩层理面较为发育，红云金顶又存在数条宽大导水裂隙，在地下水渗流作用下沿着相对软弱层面会形成天然的排水通道，层面裂隙扩展到一定程度后块体相当于底部临空，当后壁裂隙不足以支撑该岩块时便会发生拉裂-倾倒破坏。变余砂岩中悬臂式危岩的形成破坏过程可以概括为：①弹性卸荷回弹导致裂隙发育；②裂隙水压力、热应力交变作用、冰劈、风化作用等对裂隙进一步扩展；③裂隙完全贯通形成悬臂式危岩，在不良地质条件下发生拉裂坠落式破坏。

图7 悬臂式危岩

图8 悬臂式危岩剖立面图

4.2.2 坠落式危岩

坠落式危岩(图9-图10)主要发育在变余砂岩较硬的岩层中，该处岩层近于水平，破坏后的变余砂岩壁面较为光滑，为长英质砂岩在变质作用过程中矿物重结晶形成的劈理面，通常砂岩的断口较粗糙，解理极不发育。在风化、卸荷等作用下沿着劈理面发生劈裂，由于结晶分异作用的影响，局部岩体胶结较好，在劈裂过程中残留下来，形成现今的危岩，危岩的主控结构面为后缘拉裂隙，该处原为红云金顶深大卸荷裂隙发育的劈理面，当后缘裂隙在裂隙水压力或风化、冻胀作用等影响下，裂隙进一步扩展，侧壁的抗剪强度不足以支撑整块危岩，便会出现拉剪坠落式破坏。

图9 坠落式危岩正面

图10 坠落式危岩剖立面图

4.2.3 贴坡式危岩

红云金顶贴坡式危岩主要发育在较坚硬的变余砂岩中，后部裂隙倾角大于80°，控制性结构面为下部的压剪面，后缘的裂隙不起控制性作用。以WY10(图11-图12)为例，说明贴坡式危岩形成破坏机理。在地质历史时期上部岩体由于卸荷作用等发育倾向坡外的卸荷裂隙，卸荷带内部出现拉裂隙，在降雨、风化、冻胀等外力作用下，上部岩体发生拉裂倾倒破坏。该危岩后缘裂隙与上部岩体的拉裂隙为同时发育，下部剪切面为控制性结构面，当下部剪切面逐渐被溶蚀、风化作用、以及水压力作用贯通后，危岩在自重作用下便会产生压剪坠落型破坏。

图11 贴坡式危岩

图12 贴坡式危岩剖立面图

5 结 论

本文运用地质历史分析法、层序地层学原理、基于无人机航测、现场地质调查、岩体物理力学试验等方法，对变质岩地区危岩体形态发育特征、形成演化机理、变形破坏机理进行研究，得到以下结论：

1) 红云金顶危岩形态特异、体积小、坡度大、临空面广、岩体强度高、劈理片理等结构面发育、卸荷作用强烈等特点。

2) 红云金顶危岩形成演化机理主要为在新元古代主要经历了武陵运动、雪峰运动引发的岩浆侵入，导致两次区域变质作用以及后期的印支、燕山运动形成红云金顶孤立台地，在第四纪冰川作用、风化作用、卸荷作用、热应力交变作用等共同影响下对红云金顶变质岩进行侵蚀、切割，导致变余粉砂岩、粉砂质板岩沿着劈理、片里面发生剪切、拉张等破坏，最终形成现今形态特殊的危岩。

3) 红云金顶危岩变形破坏机理主要为悬臂式危岩、坠落式危岩、贴坡式危岩的变形破坏，危岩在风化、裂隙水压力等外地质营力作用下发生拉裂-坠落、拉剪-坠落、压剪-滑移、压致拉裂-滑移等。