砂卵砾石层异常定向排列成因探讨

李万逵，陈 晓

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

砂卵砾石层异常定向排列成因探讨

李万逵，陈 晓

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000)

砂卵砾石在自然界中是一种极为常见的地质体，砂卵砾石层的定向排列则在普通地质和工程地质勘察分析工作中有着重要的作用，在断层带上呈定向排列时被认为是该断层活动的重要标志之一。当不同的地质体接触面上有呈定向排列的砂卵砾石层时需要认真分析，通过几个工程实例对此进行了较为详细的分析和研究。

砂卵砾石;定向;排列

0 引言

砂卵砾石在自然界中是一种常见的地质体，一般是新生界第四系(Q)的流水沉积物，主要分布在河流的河床和两岸阶地上，分布在较高河流阶地上的砂卵砾石层一般时代都较老，由于是流水沉积地质体，正常状态下其层理一般都近水平向分布，卵砾石的扁平方向略倾向上游侧，据此可判断古河道的河流流向。当河流的流水量变化较大、上游的物质来源有较大的变化时，砂卵砾石层内也会形成交错层理、透镜体等不规则地质体。在砂卵砾石层沉积的初期，当基底的地形有突变时，砂卵砾石层也会随着发生一定的弯曲现象，当基底被填平、基底的地形突变消失时，砂卵砾石层又会逐渐呈近水平状的正常形态分布。

当砂卵砾石层形成后或在形成过程中，基底产生变形，砂卵砾石层也会随着基底产生变形，隆起，形成松散地层中的褶皱构造［1］，形成砂卵砾石层的异常定向排列现象;当有断层错动砂卵砾石层时，可能将砂卵砾石层错断，也可能使砂卵砾石层沿断层错动的方向发生弯曲，形成砂卵砾石层的牵引变形、岩块或砾卵石旋转、扁平面或长轴顺力的牵引或作用方向排列等异常定向排列现象［2］。工程地质、地震地质和其它相关的地质工作［3］中也常用砂卵砾石层的异常定向排列现象判断断层的活动性和活动时代。

基底的构造隆起或断层的错动［4］可使砂卵砾石层产生异常定向排列现象，但砂卵砾石层有异常定向排列现象，并不一定是基底的构造隆起或断层错动的结果。本文对卵砾石层的异常定向排列进行了分类，并通过几个工程实例说明以上的分析和论述。

1 砂卵砾石层定向排列的分类

依据砂卵砾石层定向排列的基本形式，可分为正常定向排列和异常定向排列两大类。砂卵砾石层在沉积过程中未受基底地形起伏和流水变化的影响，形成后也未受外动力地质作用的扰动，为正常定向排列，反之为异常定向排列。

正常定向排列的砂卵砾石层，其工程地质特性相对较为简单，而异常定向排列的砂卵砾石层其工程地质特性相对较为复杂。

异常定向排列的砂卵砾石层依据其是否为外动力地质作用的产物，可分为外动力地质作用下的异常定向排列和非外动力地质作用下的异常定向排列两大类。外动力地质作用下的异常定向排列多与地质构造和新构造运动有关，与工程关系密切。

非外动力地质作用下的异常定向排列常见的有两种，一种是砂卵砾石层在沉积过程中受基底地形起伏的影响形成的定向排列;另一种为流水变化的影响而形成的交错层理，其为典型的非外动力地质作用下的异常定向排列现象。

2 砂卵砾石层异常定向排列的几个工程实例

2.1 大西沟水库右岸砂卵砾石层的异常定向排列现象

大西沟水库位于乌鲁木齐河上游，后峡下游河段处，距乌鲁木齐市以南约68 km。地理坐标：东经87°12'～87°15'、北纬 43°17'～43°20'。

该工程水库库容6 985万m3，拟建坝高92.2 m，校核洪水位1 988 m。导流兼泄洪洞、灌溉洞、溢洪道均布置在右岸。工程区地震烈度为Ⅶ度，2008年8月开始动工修建。

2008年10月下旬，在导流兼泄洪洞出口开挖过程中，明渠右坡出现砂层和砂砾石层的弯曲现象和异常定向排列现象(见照片1)，现场施工地质人员立即从宏观和现场情况两方面进行了详细的勘察、分析和研究。

从现场的地形地貌特征分析，没有明显的陡坎、冲沟、连续的负地形存在，明渠右岸为30°～40°、倾向河谷平顺连续的自然斜坡，对自然岸坡无任何影响，因此，从地形地貌特征表明，该断层规模较小，无活动迹象。

从区域地质构造方面分析，该小断层不是区域性大断裂的平行断裂，也不是区域性大断裂的分支断裂，也无迹象表明是坝址区某一条较大断层的分支或者平行断层。因此，从区域地质构造条件分析，该断层不具备活动断层的条件。

照片1 大西沟水库导流兼泄洪洞出口明渠右坡砂砾石层的异常定向排列现象(镜向：东，摄影：李万逵)Fig.1 Abnormal directional alignment of spillway tunnel of Daxigou Resenvoir

大西沟水库原有的地震烈度为Ⅶ度，在工程的勘察设计过程中又对该方面进行了专项研究工作，确认为Ⅶ度，该方面的资料表明，工程区存在活动断裂的可能性极小。

从现场开挖的剖面分析，该断层在基岩面以上1.0～1.5 m范围内的砂层和砂砾石有弯曲和定向的迹象，但再向上的砂层和砂砾石却是连续的，层理是完整的，没有受到动力变形的扰动，在地面倾向河谷的岸坡也是平整的，没有任何起伏的迹象，也就是说，已有基岩面以上部分砂层的弯曲和砂砾石的异常定向排列不能证明是断层的活动所形成的。

该断层在基岩面以下3～4 m范围内的断层带宽度在3～5 cm之间，没有看到强烈的断层泥、糜棱岩和其它强烈的构造岩。在基岩面3～4 m以下，断层的宽度仅有2～3 mm的裂缝，对于活动断裂而言，无论如何，构造岩是相当强烈的，而该断层不具备该方面的构造岩和构造特征。

经过对区域和现场的各种信息的分析和有关该方面专家的分析评定，在导流兼泄洪洞出口开挖过程出现的砂层和砂砾石层的异常定向排列现象不是活动断层所形成的。

该剖面上虽有砂砾石层的弯曲和异常定向排列现象，但其“上不通天，下不入地”，即向上没有连续通向地表，向下结构面也未向地下深部延伸，仅分布在小范围内，所以该剖面上砂卵砾石层的异常定向排列现象是由于基底的起伏，在沉积过程中形成的。为非外动力地质作用形成的异常定向排列。

2.2 阿尔塔什水利枢纽左岸砂卵砾石层的异常定向排列现象

阿尔塔什水利枢纽工程位于新疆莎车县城南西约130 km(公路距离)的叶尔羌河中游河段上，地理坐标：东经 76°27'25″，北纬 37°57'20″。最大坝高 165m，水库总库容为29.26亿m3，控制灌溉面积49万hm2。电站装机容量660 MW，年发电量23.6亿kW·h，属大(Ⅰ)型一等工程。工程区地震烈度为Ⅷ度区。

2008年11月上旬展开可行性研究阶段的地质勘察工作，2009年5月进行了阿尔塔什断裂的活动性的专题研究工作。在工作过程中发现，在坝址下游约6 km处叶尔羌河左岸(北岸)Ⅱ级阶地前缘陡坎天然剖面上有砂卵砾石层的异常定向排列现象(见照片2)，现场工程地质人员和相关技术专家对砂卵砾石层的异常定向排列现象进行了详细的工程地质勘察、分析和研究工作。

照片2 阿尔塔什水利枢纽坝址下游左岸砂卵砾石层异常定向排列现象(镜向：北，摄影：李万逵)Fig.2 Abnormal directional alignment of Aertashi damsite of hydroproject

该砂卵砾石层的异常定向排列现象出露地点非常敏感，在该点的南则约500 m的叶尔羌河右岸(南岸)，就是阿尔塔什大断裂东支的出露点，这对其成因的研究显得尤为重要。

在该点，有异常定向排列的砂卵砾石层上覆浅紫红色土层，厚1.5～2 m。异常定向排列的砂卵砾石层出露垂直厚度为2.0～2.5 m，岩性差异接触面上下游出露宽度约2.5 m。浅紫红色土层和砂卵砾石层均为第四系全新统冲积物。

该天然剖面清晰地显示，上游侧的浅紫红色土层和接触面下游侧的有异常定向排列的砂卵砾石层接触面很清晰，没有强烈的相互混杂现象，没有强烈的构造挤压作用的痕迹，两种不同的岩性具有明显的“冷接触”的特征，为非动力接触。在地表天然剖面上显示的各种信息表明，上下游两种不同的岩性是沉积接触关系，在其下游侧的有异常定向排列的砂卵砾石层沉积之前，其下部的浅紫红色土层接受了侵蚀切割作用，使得当时的地面地形起伏较大，从而使其后期沉积的砂卵砾石层因地基地形的起伏而产生了异常定向排列。在该点向地面以下开挖深度为2.5m时，地层已连续，事实证明，在对地表天然剖面上显示的信息分析是正确的，为非外动力地质作用形成的异常定向排列。

2.3 吉音水利枢纽左岸砂卵砾石层的异常定向排列现象

吉音水利枢纽工程位于新疆和田地区于田县境内的克里雅河干流上，地理坐标为东径 81°32'，北纬36°12'。工程区距于田县城约 120 km，距和田市303 km。

水库总库容0.85亿 m3，控制灌溉面积4.7万hm2，拦河坝最大坝高125 m，电站装机3×8.0 MW，年发电量1.09亿kW·h，2009年10月动工修建。

吉音水利枢纽工程在项目建议书阶段的工程地质勘察工作中发现，在上坝址下游4 km处，河流右岸Ⅲ级阶地前缘陡坎天然剖面上有砂卵砾石层的定向排列现象(如照片3)。

剖面上基岩为侏罗纪的紫红色砂岩，其上为第四系上更新统冲积(Q3al)砂卵砾石层。在对该天然剖面上显示的地质信息进行分析时发现，在其上游侧侏罗纪的紫红色砂岩和第四系上更新统冲积(Q3al)砂卵砾石层的分界面处，有卵砾石长轴方向倾向下游侧呈定向排列的砂卵砾石层存在。在其下游侧第四系上更新统冲积(Q3al)砂卵砾石层和侏罗纪的紫红色砂岩的分界面处，也有卵砾石长轴方向倾向上游侧、呈定向排列的砂卵砾石层存在。有异常层理的砂卵砾石层和其上部的砂卵砾石层是连续沉积的，上游界面处和下游界面处卵砾石长轴倾斜方向相反。第四系上更新统冲积砂卵砾石呈明显地楔形体嵌入状堆积在基岩的切槽内，两种不同岩性的分界面附近没有明显的外动力作用的迹象，河流右岸的地层也是连续的，河流两岸地貌无明显的连续负地形存在。经分析认为该剖面显示的砂卵砾石层的异常定向排列现象是沉积过程中形成的。后期的勘探工作表明，该处是在侏罗纪紫红色砂岩中的古河槽。

照片3 玉龙水利枢纽上坝址右岸砂砾石层异常定向排列现象(镜向：西，摄影：员继军)Fig.3 Abnormal directional alignment of Yulong damsite of hydroproject

2.4 和田玉龙水利枢纽左岸砂卵砾石层的异常定向排列现象

玉龙水利枢纽地理坐标：东径79°52'16″，北纬36°30'46″，总库容约 5.0 ×108m3，最大坝高 230 m，电站总装机容量400 MW。2009年12月新疆水利水电勘测设计院对其进行项目建议书阶段的野外勘察工作时，发现上坝址右岸的砂砾石层有异常定向排列现象，如照片4所示。有异常层理的砂砾石层为第四系全新统河流冲积物(Q4al)。

异常定向排列的砂砾石层厚度(可见)5～6 m，无胶结，有少量固结现象，上下游长约100 m，倾斜处产状：85°SE∠15°，向下游逐渐变为正常的水平状态，异常定向排列的砂砾石层仅在小范围内存在。

因该层异常定向排列的砂砾石层的上游和下游附近均无断裂构造存在，而且只在小范围内存在，据此分析，该层异常定向排列的砂砾石层现象属于非外动力地质作用的产物，而是由沉积作用形成的异常定向排列。

照片4 玉龙水利枢纽上坝址右岸砂砾石层异常定向排列现象(镜向：西，摄影：李万逵)Fig.4 Abnormal directional alignment of Yulong damsite of hydroproject

3 结论

砂卵砾石层的层理、定向排列、异常定向排列现象对研究地质构造和新构造运动具有极为重要的作用，当不同的地质体接触面上有呈定向排列的砂卵砾石层时需要认真的分析。

在遇到砂卵砾石层的异常定向排列现象时，应能从点到面、从面到点，也就是从现场到区域，从区域到现场的综合性分析、评价和论证，才有可能得出正确的结论。

无论是从现场到区域，或从区域到现场的综合性分析和论证砂卵砾石层的异常定向排列现象时，应能充分利用动力学的原理。如果砂卵砾石层的异常定向排列现象确属新构造运动的结果，则会留下动力作用的痕迹，从力学的原理着手，便于得出正确的结论。

［1］李万逵.松散地层中的褶皱构造及其对水工建筑物的影响［J］.新疆水利水电，1993(1)：11.

［2］彭敦复.新疆水利水电工程活断层处理的工程实践［M］.乌鲁木齐：新疆人民出版社，2005：169.

［3］张森奇，李永国，尚小刚.等.黄河源区新构造运动对生态环境恶化的影响［J］.地质通报，2006(2)：215.

［4］GB50287—2006，水力发电工程地质勘察规范［S］.

Discussion on Abnormal Directional Alignment of Sand Gravel

LI Wankui，CHEN Xiao
(Xinjiang Water Conservancy and Hydropower Investigation and Design Institute，Urumqi，Xinjiang830091)

Sand gravel is the very normal geological body，directional alignment of sand gravel layer is very useful in the normal geology and the engineering geological investigation.Directional alignment of fault zone is considered to be the one important indicator of fault activity，when different geological contact surface has orientational sand gravel layer need earnest analysis.The paper analyzes it for reference.

sand gravel;orientation;alignment

P619.22+8;P642.1

A

1671－1211(2011)04－0345－04

2010－10－28;改回日期：2011－03－21

李万逵 (1954－)，男，高级工程师，注册土木工程师及监理工程师，水利水电专业，从事水文工程地质工作。E－mail：jfour1128@sina.com

潘 潇)