天山天池堆積壩體結構及大小鍋底坑老崩塌-老滑坡發育階段探討

尚彥軍，伊學濤，Muhammad Hasan，崔振東，賀強，何香蘭，曹遠遠

（1.中國科學院地質與地球物理研究所頁巖氣與地質工程重點實驗室，北京 100029；2.中國科學院大學，北京 100049；3.新疆地質災害防治重點實驗室(新疆工程學院)，新疆 烏魯木齊 830023；4.新疆地質環境監測院，新疆 烏魯木齊 830000；5.新疆天池管理委員會，新疆 阜康 831500）

距烏魯木齊90多公里的天山天池旅游景區，每年都有崩塌、泥石流發生。核心景區飛龍澗大型崩塌不僅影響景觀質量，且崩積物有堵塞河道，導致潰決洪水危害游客、中下游道路、旅游設施的可能。35年來天池海南泥石流使湖岸前進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，與周圍景觀不協調，有堵潰河道造成更大破壞風險可能①中科院成都山地環境與災害研究所.天池景區地質災害研究報告，2008。10 多年來天池管理部門先后實施了2期地質災害治理工作。

地質災害研究離不開從地質成因中尋找答案。數十年來專家學者們從地理氣象、區域地質、第四紀地質、災害地質等方面對天池成因進行研究，提出古冰蝕-終磧堰塞湖和山崩、滑坡堰塞湖兩種說法，分歧在于對呈3級階梯舌狀體天池堆積壩形成機制認識不同。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[1-2]。下層冰磧層大多被崩塌體覆蓋，Deng 強調了天池滑坡成因[3]。隨著測年技術發展，Yi等測得壩上巨大塊石宇宙核素（石英暴露時代集中在12 ka）。據鍋底坑脊洼相間分布和壩體3級臺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期天池西部發生崩塌形成堰塞壩[4]。堆積塊石測年結果屬全新世，按發生年代劃歸為老地質災害（全新世以來滑動，現今整體穩定）[5]。下文討論采用老崩塌、老滑坡表述，以示與現代崩塌和滑坡相區別。

在前人工作基礎上，筆者采用地質調查和高密度電法勘探等技術手段，分析堆積壩體結構及分布形態。對老崩塌-老滑坡兩階段劃分及對天池古河道改造方面提出新認識，希望得到批評指正。

1 地理氣象條件

天山天池景區地勢由北向南逐漸抬高，海拔800～5 445 m，最大相對高差4 645 m。按海拔高程將山區分為極高山、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，為天山北坡最大降水量高度帶，也是流水和重力侵蝕強烈地帶。河床沖刷強烈，山坡裸巖不斷擴大，滑坡泥石流災害嚴重，危及森林生態安全和斜坡、壩體穩定。

天山天池景區地處中緯度亞洲中心地帶，屬溫帶大陸性干旱氣候區內的山地氣候區。景區冬季漫長寒冷，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氣溫相對穩定溫和。據天池氣象站1971—2007 年實測資料，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，出現兩個高豐水年，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年實測24 h最大降雨量大于50 mm 時，景區相應區域隨之暴發泥石流和崩塌災害。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 地層巖性與構造

2.1 南部及中部博格達組

以灰綠色凝灰巖、凝灰粉砂巖、凝灰砂巖為主，夾凝灰礫巖、灰紫色安山巖、紫紅色泥質灰巖透鏡體。

2.2 北部柳樹溝組

以灰綠色中性凝灰巖、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分布Q2冰水堆積物及Q3-4沖洪積物。

本區構造上位于天山緯向構造體系博格達弧形構造褶皺隆起帶，主要構造線及巖層走向為NE20°～30°。該褶皺隆起帶是以石炭系火成巖為主的復式背斜。強擠壓使背斜多倒轉，巖層產狀近直立，向南或北傾斜。背斜軸部多為灰白、灰綠色凝灰質粉砂巖和砂巖。北翼主要為紫紅色安山巖，南翼為灰綠色凝灰巖和凝灰質砂巖及砂巖。齊點溝、五官溝、大面場溝-白楊溝、石峽及海西仙女灣溝發育5條順溝斷裂，斷裂與各支干溝走向一致，呈NEE向①新疆地質局第二水文地質工程地質大隊.三臺幅、達坂城幅（1∶200,000）區域水文地質報告區域地質報告，1980。

新構造運動為強烈升降運動形式，可見不同規模古夷平面。河流兩岸發育高差100 m 的2 級階地，并有沖洪積扇重疊現象[9]。1863年以來該段共發生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 級地震，最大地震為1965 年11 月13 日烏魯木齊東北6.6 級地震。1970 年新疆建立地震臺網以來記錄MS≥3.0 地震51次，其中5.0 級地震僅1 次。震源深度顯示，地震優勢分布在25～40 km，為淺源地震[10]。據1990年國家地震局頒布的烈度區劃資料，本區地震烈度為7度。由中國地震動峰值加速度區劃圖上查得工作區動峰值加速度為0.15 g。

3 崩塌滑坡災害

天池景區有崩塌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。崩落體主要為凝灰巖、安山巖、凝灰質砂巖等，發育于高陡邊坡或陡巖分布區，失穩后形成規模不等的崩塌落石災害。景區內海南三工河泥石流、飛龍澗崩塌頻繁活動，規模與危害快速增大②中科院成都山地環境與災害研究所.天池景區地質災害研究報告，2008。2008 年以來天池有關管理部門組織全面系統的地質災害詳細調查工作，先后開展了2期地質災害專項治理（圖1）。

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

據前人對天池景區考察分析，天池形成過程中冰川衰退減薄時，西岸山坡曾發生大型崩塌災害。大量崩塌土石體堆積在冰坎殘留冰磧層之上，認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，大鍋底坑對應滑坡后壁和后緣洼地、北側平直的斜坡控制滑坡運動側緣；小鍋底坑對應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、高密度電法電性結構剖面給出的巨礫、塊石為代表的老崩塌和老滑坡堆積及下伏冰磧物厚度[11]。由遙感影像圖上測出的周長、面積及計算得到的體積結果見表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動堆積區組成，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]。對比發現，表1 列出的天池湖區和天池堆積壩體平面尺寸與1994年發表的文獻[1]中給出的數據接近，說明天池湖水和壩體總體穩定。

表1 天池景區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 堆積壩體淺表結構

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，對10 個出露地表孤立的長3 m 以上巨礫進行長、寬和長軸方向幾何要素量測。圖3 顯示相關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動方向，即由SW轉向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布置7 個深度10 m 以內鉆孔(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 的天池西側坡前剖面。在西小天池東側布置6 個深度30 m 以內鉆孔（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 個工程鉆孔平面分布位置見圖2。鉆探工作揭露上下7 個不同巖土層位，第四系松散體分別為角礫、巨礫和碎石土。天池西側海西仙女灣溝中埋深在5 m以內的基巖，包括閃長巖、安山巖和二長斑巖，總體以中性巖為主①新疆地質工程勘察院.新疆阜康市天池旅游景區地質災害專項勘查報告，2009。仙女灣溝北鉆探所揭露的下伏基巖與地質圖上表示的天池中南部柳樹溝組的中性凝灰巖、壩體區基巖多以安山巖為主①新疆地質局第二水文地質工程地質大隊.三臺幅、達坂城幅（1:200,000）區域水文地質報告區域地質報告，1980。

圖4 實施13個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構

2020 年11 月初采用E60BN 高密度電法儀對天池堆積壩體結構進行探測。電法剖面采用5 m電極距，64個電極采用單極-單極電極排列方式，進行滾動勘探布置，可達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 條縱測線（TCW06-04 和TCW14-15），大致垂直于堆積體軸向的3 條橫測線(TCW21-19，TCW25-28 和TCW30-29)（圖5）。5 條縱橫跨越堆積壩體電法探測剖面總長1 840 m。野外采集數據經軟件反演處理得到電性結構剖面。結合區域地質特點和巖土介質電阻率變化范圍，給出相應的地質解釋剖面圖（圖6）。由圖6可見，堆積壩體從下至上可分為5種巖土介質：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的風化及構造破碎巖(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)。地質解釋剖面顯示其結構主要特征：①發育兩條近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形成時間較新的老滑坡堆積體多為富水體，剖面形狀多為不規則橢圓狀；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，剖面形態呈囊狀或透鏡狀；⑤物探線上基巖埋深最小區域位于F1斷層北側氣象站高地。東西兩條物探線（4線和5線）結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，該位置對應西小天池源頭泉水集中出露區域。雖5個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域（1 線），起到阻擋天池水大規模外滲的天然阻水壩作用，使湖水位長期穩定在高程1 910 m附近。

圖5 天山天池堆積壩上物探線布設及電性結構剖面投影圖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 老滑坡側緣斷層控制邊界

壩體西北側陡坡上梳妝鏡鏡面呈乳白色，因風化淋濾作用難以觀察到新鮮巖石所在段斷層面（產狀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生斜滑運動并被錯斷[12]。南側下滑呈底平的谷地松林茂密平整，平臺寬約110 m，滑動方向為天池堆積壩高地傾斜，傾角約20°。該處采集3個顏色和結構不同的火山巖樣品，經薄片鑒定其以凝灰結構為主，并經風化（蝕變）作用（表2），梳妝鏡巖性為淺灰白色蝕變粗安質玻屑凝灰巖。現場可見，梳妝鏡凝灰巖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 殘留斷層面側滑運動的梳妝鏡凝灰巖體出露形態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構及成分鑒定結果Table 2 Lithological structure and composition identification results of the vanity mirror exposed as a section

3.4 堆積壩結構反映的成因信息

從電性結構剖面及地質解釋剖面可見，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、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），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，不發育穩定統一的含水層。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隨季節波動，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、泉水點增多、流量明顯增大的主要原因[13]。兩個EW 向剖面結合部位顯示，斷層阻水作用及深槽狀低阻帶發育，該處是西小天池上游泉水大規模出露點。結合對地下水連通性和滲透系數電法研究結果[14]，推測該處為被滑坡擠占掩埋的天池下泄的部分古河道區段。通過對比天池湖水和地下水水化學成分，發現它們屬同類型（HCO3-Ca 型水），水質為最好的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年結果為11 ka[4，11]，說明其形成于晚更新世晚期。大鍋底坑東、堆積壩西端2 個巨礫宇宙核素測年數據為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 等研究發現，天池湖上游五分之三的湖底地勢較低，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，發生時間晚于冰磧物形成的Q3末期時間。

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，造成該湖濱線較穩定平直，巨大塊石架空土層不發育。南端即仙女灣溝北側7個工程鉆孔從剖面上也說明這一特征。

大鍋底坑形態、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生結果。近EW向斷層F2控制滑坡北側緣，錯斷灰白色凝灰巖穹窿體形成梳妝鏡。小鍋底崩塌發生后，大鍋底滑坡發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。該處發育的NNW 向斷層造成東岸基巖陡崖[10]，使天池水經長期泄流下切，形成飛龍澗瀑布疊水景觀及兩岸崩塌滑坡災害發育，影響上壩道路交通安全及生態環境保護[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生并擠占天池古河道的結果。

5 結論

（1）天池堆積壩體由下至上可分為隔水高阻火山巖、風化破碎巖、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統一的潛水含水層，即使是富水的老滑坡堆積物也是橢圓狀不連續分布，使地下水通道呈斷續狀分布。西小天池上游發育一隱伏深槽狀導水帶，應為被老滑坡推擠掩埋的天池曾經下泄的局部古河道。

（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，造成氣象站區域高地，保護了天池水穩定在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生的重大地質災害事件，影響和塑造了天池西岸平直形態和壩體上部巨礫為特色的含水透水塊石堆積體。