第四节 三峡地区第四纪地貌过程与地质灾害
构造-地貌-气候耦合是现代地球系统科学研究的热点之一。大量地质事实表明，构造、地貌、气候与地质灾害的发生密切相关，而三者的演化阶段性耦合，即地文期-构造节律-气候旋回耦合，在很大程度上决定了地质灾害在时间分布上的群发和空间上的群集。开展地文期-构造节律-气候旋回耦合与地质灾害研究，对掌握地质灾害的成生与发展演化规律，科学地预测与防治地质灾害具有十分重要的意义。近年来，不少学者对此进行了研究（邓清禄等，2000；李愿军等，2003；夏金梧等，2005；陈剑等，2005；李长安，1997a，1997b；王令占等，2009）。为了进一步推动三峡地区地质灾害的地球系统科学研究，本书以三峡地区为例，强调构造-地貌-气候耦合应该是在其发展演化过程中阶段性耦合，在地文期-构造节律-气候旋回的关系及耦合的基础上，探讨构造、地貌、气候与地质灾害的关系。
一、地文期-构造节律-气候旋回的关系及耦合作用分析
1.地文期与构造节律的关系
“地文期”一词是1903年维里斯在研究华北区域地貌发展历史时提出的，其意思是指区域地貌发育过程中以侵蚀为主和以堆积为主相互交替的发展阶段（曹伯勋等，1995）。构造节律是指构造运动（活动）的周期性和韵律性，即构造活跃期与平静期交替演化的阶段。构造节律是地球构造演化的基本特点。地文期与构造节律的关系主要体现在地文期的形成是由新构造运动活跃—稳定的节律性所决定的。一般地，构造活跃期（抬升阶段），地表径流下切，侵蚀地貌发育，因而与地文期以侵蚀为主的阶段相对应；构造稳定期地表径流转以侧蚀为主，形成大量的堆积地貌，因而与地文期中以堆积为主的阶段相对应。
2.地文期与气候旋回的关系
气候旋回表现为地球气候的冷暖、干湿的周期性变化。气候旋回的显著特点是冰期—间冰期组合，这是第四纪最主要的地球气候特征。由于冰期时海平面下降，造成侵蚀基准面的降低，使地表径流的侵蚀活力增强。因此，地文期与气候旋回的关系主要体现在冰期对应于地文期中以侵蚀为主的阶段，间冰期则与地文期堆积阶段相对应。这一点已被许多地质事实所证实。此外，侵蚀期会导致风化作用加强，硅酸盐化学风化消耗大量的CO2，从而引发“冷室效应”，使气候变冷。
3.构造节律与气候旋回的关系
构造-气候旋回已成为近十多年来研究的热点。大量研究表明，地壳运动的节律性与气候旋回性有着密切的联系。一般地，构造活跃期与气候恶化期（冷期）相对应，如寒武纪以来的全球3次重大的气候变冷事件均对应于重要的构造运动：古生代冈瓦拉大陆有冰川发育的奥陶纪、志留纪冷期和石炭纪、二叠纪冷期分别对应于加里东运动和海西运动，中生代以来的全球降温对应于喜马拉雅运动（Frankes，1979）；又如上新世末期以来的7个新构造活跃时期都伴有全球性的气候恶化（朱照宇等，1994）。关于构造运动影响气候变化的原因，化学风化说（Ruddiman，1997；Raymo et al，1992）认为，造山运动形成的隆升区侵蚀强烈，硅酸盐化学风化消耗大量的CO2，导致大气CO2含量降低，大气层的温室效应功能减弱，全球气候变冷；大气热机效率变化说认为，造山运动形成的大起伏地形，有利于高效大气环流系统（高原季风）的形成，导致全球热机效率增大，极赤温差加大，极地和高纬大降温，出现冰期；火山活动说认为，构造活跃期常常伴有大量的火山喷发，强烈的火山喷发把大量的气体和火山灰抛向空中，在平流层下部形成一个持久的含有硫酸盐粒子的气溶胶层，从而增加了大气的反照率，减少了太阳对地球表面的辐射，导致地球表面温度下降，该影响被称为“阳伞效应”。
4.地文期-构造节律-气候旋回的耦合
由上述地文期、构造节律、气候旋回的关系分析可见，地貌侵蚀期-构造活跃期-气候冷期相对应，而地貌堆积期-构造稳定期-气候暖期相对应，我们把这种地球自然演化的规律称为地文期-构造节律-气候旋回的关系及耦合。
二、地文期、构造节律、气候旋回与地质灾害的关系概述
1.地文期与地质灾害
地文期与地质灾害的这种相关性，实际上是以构造运动和气候变化为条件的。构造活跃（抬升）期地表切割增强，起伏加大，边坡稳定性降低，为滑坡的形成提供了地貌条件；此时的气候为冰期阶段，寒冻和冰川作用为滑坡提供了物质条件。构造稳定阶段，地表径流的侧蚀进一步增大了边坡的不稳定性，同时也为滑坡的发生提供临界条件；这时的气候又恰为间冰期，降雨的增加为滑坡的发生提供了条件。因此，滑坡常发生于地文期侵蚀阶段之后的堆积阶段初期。这是地文期-构造-气候相互耦合的产物。
2.构造节律与地质灾害
构造节律是指构造运动（活动）的周期性和韵律性，即构造活跃期与平静期交替演化的阶段。构造节律是地球构造演化的基本特点。由于火山、地震等是构造活动的主要表现形式，构造活跃期自然是火山、地震等内营力地质灾害的多发期。同时，构造活动也是崩塌、滑坡、泥石流等外营力地质灾害的主要控制因素。一方面，表现在构造活动对外营力地质灾害的直接诱发，即地震诱发崩塌、滑坡、泥石流等，如2009年我国汶川大地震就是典型一例；另一方面，体现在构造活动为外营力地质灾害创造了条件，如构造强烈隆升加剧了地表的起伏，导致期后大量外营力地质灾害的发生。现代喜马拉雅地区，快速的基岩抬升和河流下切形成的陡坡也主要是通过滑坡作用进行调节的（Bonglas et al，1996）。
3.气候旋回与地质灾害
气候旋回表现为气候的冷暖、干湿的周期性变化。气候旋回与地质灾害的关系主要表现在两个方面：一是直接关系，即暖湿期降水量大极易导致滑坡发生；二是间接关系，冷干期海平面下降，陆地表面因侵蚀基准面降低强烈侵蚀，地形起伏增大。同时，冷干期地表植被发育较差，且物理风化强烈，地表岩石破坏加强，并产生大量的碎屑物，这就为滑坡的发生提供了地貌和物质条件。而当冷干期过后，暖湿期到来时，滑坡就很自然地发生了。据此推理，冰期中的间冰阶是最有利于滑坡发生的时期。
4.地文期、构造节律、气候旋回与地质灾害的耦合
根据以上分析，我们初步构建了地文期、构造节律、气候旋回与地质灾害的耦合关系图（图6-50）。
三、三峡地区滑坡与地文期、构造节律、气候旋回的耦合关系初探
滑坡是三峡地区最主要、破坏性最强的地质灾害，长期以来颇受关注。目前，对滑坡的研究多注重其“结果”，即某滑坡体的现状和稳定性，而对其“原因”，即形成条件、发生过程和规律的系统研究不够。随着三峡地区地质灾害研究的不断深入和防灾减灾的需要，对滑坡发生规律的研究越来越受到重视。
（一）三峡库区滑坡发育的年代学特征
1.黄土坡滑坡的年代
黄土坡滑坡是三峡库区重要滑坡之一，由于其对移民安置的重要性，近年来对其进行了较深入的研究。黄土坡滑坡是一个多期次形成的、多个崩滑堆积体和滑坡组成的特大型复合变形体，是在特定的地质环境及内外动力因素影响下发生并经长期地质过程发展演化的产物。为判定各变形体形成的时代，滑坡勘查中，分别于1991年和2001年采集滑带土绝对年龄测试（ESR，以下同）样5组和15组。根据测试结果并结合变形体物质成分、结构特征，以及崩滑堆积物质之间的叠置关系综合分析，黄土坡滑坡大致经历了以下三个形成时期（陈松等，2008）。
图6-50 地文期、构造节律、气候旋回与地质灾害的耦合关系
（1）临江崩滑堆积体形成时期。临江崩滑堆积体分布于高程250～260m以下至江边，分为东西两个崩滑堆积体，即西边的临江Ⅰ号崩滑堆积体与东边的临江Ⅱ号崩滑堆积体。在其中共采集绝对年龄测试样品15组，测试结果表明，其形成发展于距今（54～19）×104a的中更新世中后期，经多次调整，在中更新世末期，即距今（15～13）×104a得以基本稳定。其间经历了三次较大的变形破坏，即分别为距今（40～38）×104a、（31～30）×104a、（22～18）×104a，气候期在第二暖期。
（2）变电站滑坡、园艺场滑坡形成时期。根据1991年的5组样年龄测试结果，变电站滑坡发生于距今（16～13）×104a的中更新世末期，表明该滑坡发生时间晚于临江崩滑堆积体，这一点从勘察揭露的变电站滑坡多处超覆于临江崩滑堆积体之上的叠置关系可以得到证实。
园艺场滑坡位于黄土坡地区南西部，滑坡最显著的特点是源于T2b2堆积体和源于T2b3-1堆积体的相间分布，反映了滑坡后期多次变形破坏特征。该滑坡东侧滑体物质超覆于变电站滑坡之上，其西侧前缘滑体物质超覆于临江Ⅰ号崩滑堆积体之上。从滑坡特有的物质结构及其与变电站滑坡、临江崩滑堆积体的叠置关系分析判断，该滑坡形成时间应晚于变电站滑坡，其时间分析为距今（13～11）×104a。
（3）近代滑坡形成时期。勘察表明，近代滑坡形成多与人类不合理的工程活动密切相关，但其中发生于1995年的三道沟滑坡主要是自然因素引发的，显示出黄土坡滑坡在长时期应力调整过程中，使前缘应力集中鼓胀而导致滑坡，它应是滑坡由稳定到不稳定发展演化过程中的一个转变过程。
2.三峡库区其他滑坡发育的年代
据万州7大古滑坡分布及滑带土测年数据（殷坤龙等，2005）表明，古滑体的地面高程在220～300m，对应着万州地区Ⅳ～Ⅴ级阶地高程区间，即为Qp2-2～Qp2-3（第四纪中更新世中—晚期）的产物；滑床面高程在195～250m，对应万州地区Ⅲ～Ⅳ级阶地高程区间，为Qp2-3（中更新世晚期）形成的台面高程。发育期中更新世中期在（38.38～35.61）×104aB.P.，中晚期在（28.91～25.14）×104aB.P.，气候期在第二暖期。
三峡库区奉节—巫山段古滑坡测年数据分析表明，大型滑坡几乎均发生在Qp2或Qp3，且与当时的暖湿气候期相对应。据统计分析（刘传正，2004），从奉节到巴东的峡段内，滑坡发育的高峰期有两个：40×104aB.P.和（15～7）×104aB.P.。
三峡库区万州至庙河滑坡发育的年代测试结果如表6-12、图6-51所示（邓清禄，2000）。
表6-12 三峡库区古滑坡绝对年龄
从以上滑坡测年资料综合分析，可以得到以下认识。
（1）长江三峡库区滑坡在时序上具有阶段性发育特点。
图6-51 更新世滑坡年代分布
（2）长江三峡滑坡发育期主要是中更新世中后期和晚更新世早期。以具有发育过程测年资料的巴东黄土坡滑坡（位于巫峡出口处，规模大，与巫山、奉节县城区具有类同的巴东组岩性组合等）为代表，滑坡集中发育的四个阶段为：（40～38）×104aB.P.、（31～30）×104aB.P.、（22～18）×104a.B.P.、（16～11）×104aB.P.。万州至庙河段多个滑坡测年资料统计（图6-51），主要发育的三个阶段为：（41～37）×104aB.P.、（31～27）×104aB.P.、（17～5）×104aB.P.。高发期的起始时间基本上都在40×104aB.P.。
（二）三峡地区新构造运动的节律特征
1.断裂活动的节律性
从断裂活动年龄测试分析（袁登维等，1996），断裂活动大致集中于四个时间段，即大于200万年、100万年左右、40万年左右和15万年左右。这种时间系列也相应同中国大陆火山活动的时间系列吻合，即以Qp2时期最强，Qp1次之，Qp3弱。另据三峡库区断裂同位素年龄测试资料（唐辉明等，2005），中更新世可划分出三个地震活跃期，即：（50～42）×104aB.P.、（30～27）×104aB.P.、（24～8）×104aB.P.。
2.层状地貌反映的三峡地区新构造运动的节律性
三峡隆起区一般高程1 000～1 500m，发育的5级夷平面和6级河流阶地、多级溶洞，明显地反映了该区新构造运动整体上呈间歇性隆升的特点。
（1）夷平面、阶地反映的新构造运动。据山原期夷平面计算，三峡隆起相对江汉坳陷第四纪200万年以来上升约1 000m，视平均速率为0.5mm/a；三峡隆起与江汉坳陷之间平缓连续的掀斜坡平均掀斜速率只有0.057mm/a。
据重庆至宜都长江干流阶地形成时期年龄测试，宜昌一带有完整的6级阶地，其中Ⅵ级阶地的云池花岗岩（砾石）形成时期为120×104aB.P.，Ⅴ级为73×104aB.P.；重庆有5级阶地，而峡区内的巫山、奉节、巴东等地只有3级（II、Ⅲ、Ⅳ级），其中Ⅳ级形成时期为（11.2＋0.56）×104aB.P.（宜昌，黏土）。表明宜昌Ⅴ、Ⅵ级阶地发育后的中更新世时期，三峡地区乃处于隆升阶段，只有Ⅳ级阶地才有统一的位相。长江河谷阶地堆积物和古坡积物同位素年龄测量推算的三峡地区隆升的平均速率与视平均速率一致，为0.5mm/a，中更新世时期河流下切速率略大于构造上升速率，晚更新世构造上升—河流下切平均速率为0.3～0.44mm/a，现今隆升的平均速率为0.46mm/a。
（2）多级溶洞反映的新构造运动。鄂西山区形成有完好的多级夷平面，也存在与之相应的岩溶化时期，在不同岩溶发育期发育了不同的岩溶形态，一般在一、二级夷平面上表现为以发育垂向岩溶为主、水平岩溶为辅，而在三、四、五级夷平面上则有以发育水平岩溶为主、垂直岩溶为辅的特点（表6-13）。
表6-13 鄂西山区岩溶发育与剥夷面关系特征
表6-13说明，岩溶发育与地壳的上升、停顿和岩溶水的侵蚀、演变密切相关。
据区域岩溶地质调查统计，岩溶发育由强到弱的地层序列是：三叠系——二叠系——寒武系——奥陶系——石炭系。西陵峡段分布有这些碳酸盐岩系；巫峡、瞿塘峡段只分布有三叠系大冶组中厚层至厚层状纯灰岩，因此岩溶强烈发育。
（三）三峡地区古气候分期
据区域地质灾害调查表明，诱发滑坡作用的一个重要因素就是降雨，因此，古气候变化特征是研究滑坡发育的重要条件。
三峡及邻区第四纪以来经历了冷暖、干湿的多次交替演变。江汉平原构造沉降区第四系沉积物源来自于三峡区，其完整的第四纪层序地层是一部难得的记录三峡区各类地质事件和古气候变化的“天书”。依据地层层序及同位素测年成果，全新统底界年限采用1.1～1.2万年；更新统细分为上、中、下三个岩性段，其底界年限分别采用13万年、73万年、248万年，其中，标志性的网纹状红土下、上限年为（90～10）×104aB.P.，强网纹状红土与弱网纹状红土的分界年为38×104aB.P.。作为三峡区上游的成都平原区，据岩性、动物群、矿物、化学成分判断，该时段也形成了可与中国南方红土相比的网纹红土。综合目前我国气候分期，据植物孢粉鉴定成果及组合特征，经对江汉区300m以上沉积物反映的地质时期的古气候进行分析，得出上第三纪晚期为气候湿热期，第四纪有5个暖热期和5个寒冷期（李长安等，2003）。具体划分为：第一冷期，更新世早期的初期，（248～201）×104aB.P.；第一暖期，更新世早期的晚期，（201～73）×104aB.P.；第二冷期，更新世中期的早期，（73～40）×104aB.P.；第二暖期，更新世中期的晚期，（40～13）×104aB.P.；第三冷期，更新统晚期的早期，（13～10）×104aB.P.；第三暖期，更新统晚期的中期，（10～7）×104aB.P.；第四冷期，更新世晚期的中期的初期，（7～5）×104aB.P.；第四暖期，更新世晚期的中期，（5.0～2.4）×104aB.P.；第五冷期，更新世晚期的末期，（2.4～1.1）×104aB.P.；全新世阶段的古气候，是大理冰期之后的冰后期，即第五暖期，气候特征总体为温暖湿润，但有较大波动。
（四）三峡地区滑坡与地文期、构造节律、气候旋回的关系
1.构造节律与滑坡
长江三峡地区构造活动与滑坡的研究应考虑以下三个方面。
（1）地震对滑坡的诱发作用。三峡地区属于中强地震活动（4.75～6.5级）地区，历史上已有地震触发大规模灾难性岩崩和滑坡事件的震例。以1856年湖北咸丰大路坝地震为例，此次地震导致山体崩滑达10余里，由许家湾、板桥溪抵蛇盘溪30余里成湖，压毙300余家。近年来还有两次震例，如1988年重庆江北连续发生5.2级和5.4级两次地震，震中Ⅶ度区面积近30km2，并造成岩崩、滑坡、地震塌陷面和地震破裂现象。另一次是1979年秭归龙会观5.1级地震，震中Ⅶ度区长15km，短轴6km，面积达80km2，而地震波及面积影响达1 200km2。巴东新城位于V度区范围，地震时龙会观主峰北侧悬崖崩塌，崖下窜起数十米高烟尘经久不散。震后调查在红岩脑壳基岩中发育一条走向北东30°的地裂缝，并将树根左旋错断1cm，地裂缝长170m，宽可达3m。值得注意的是，此次地震还诱发了巴东新城大坪古滑坡的普遍裂缝和局部下陷，1983年的暴雨沿地震裂缝渗入而诱使滑坡复活。
（2）断裂的活动节律与滑坡的活动与群集。可从三个方面开展研究，其一是着眼于整个三峡库区断裂的活动节律与滑坡群发研究，就目前已有的资料看，两者的相关性是比较明显的（图6-52）。其二是分段耦合性研究，或以某一断裂带为对象，或以某一河段（具有相对独立的地质或地貌特征）为对象。如九畹溪断层和仙女山断层的活动节律与其周围的滑坡活动就有着良好的对应性（夏金梧等，2005）。其三是大型滑坡的多期活动与附近断层的活动性关系研究。
（3）间歇性构造抬升与滑坡。三峡地区间歇性构造抬升直接表现是多级河流阶地，即地文期。间歇性构造抬升与滑坡的关系将在地文期与滑坡中讨论。
图6-52 断层活跃期与滑坡活跃期之间的对应关系
2.气候旋回与滑坡
目前在第四纪古气候研究中，太平洋赤道附近的深海岩芯中生物碎屑的氧同位素资料是被公认为最具权威性的。具有代表性的V28-239孔岩芯中的氧同位素含量变化，记录了0.4Ma以来地球的12个气候期（阶段），其中奇数为暖期，偶数为冰期或冷期（Shackleton et al，1976）。深海氧同位素气候记录也得到陆地沉积物气候记录的支持。我国北方黄土也是第四纪古气候的重要载体，其古气候学研究得到与深海氧同位素一致的结论（刘东生等，1990），我国南方洞穴沉积物230 Th/234 U年代和碳同位素古气候研究也可与深海氧同位素气候分期记录对比（张寿越等，1985）。近年来，越来越多的资料揭示出，第四纪全球有近乎一致的变化规律。表6-14是三峡库区已有测年数据的滑坡与第四纪气候变化的初步对比，从中可见，滑坡主要发生在奇数阶段，即暖期，尤其是第3、第5阶段最明显。目前三峡地区滑坡的测年资料十分有限，还有待进一步研究。未来还应加强三峡地区的第四纪古气候研究，三峡地区大量的溶洞是第四纪古气候研究的良好载体，应予以关注。
3.地文期与滑坡的关系
河流阶地是地文期的典型代表。地文期与滑坡的关系可通过河流阶地与滑坡剪出口的高程比较来讨论。从理论上分析，滑坡剪出口高程应与河流阶地的高程相一致。因为阶地在形成时河流下切，谷坡变陡，不仅坡体的势能增大，也为滑坡的发生创造了临空条件。数值计算、模拟实验都证明坡脚部位是剪应力最集中的部位。三峡地区大量现代滑坡集中分布于河床的高程附近的现象也证明了这一点（图6-53）。现代喜马拉雅地区，快速的基岩抬升和河流下切形成的陡坡也主要是通过滑坡作用进行调节的（Bonglas et al，1996）。从整个三峡河段阶地的高程与滑坡剪出口高程的比较来看，两者有一定的对应性，但并不明显。而局部河段两者的一致性则比较明显（李长安，1997b）。对此还有待深入研究。
表6-14 三峡地区滑坡与气候旋回的对比
图6-53 三峡库区主要滑坡的分布高程
（五）三峡地区滑坡与地文期、构造节律、气候旋回的耦合关系
以上通过对构造隆升、第四纪地层、层状地貌、气候分期、滑坡发育等采用测年等多种方法，分别进行了其发育过程的分析，现以时间为轴，将各相关因素发育过程综合于图6-54。
根据三峡区各种动力因素和地貌特征的时间轴展布，可以形成如下认识。
（1）中更新世隆升的构造背景和温暖湿润的气候是长江贯通发展的最佳时期。从三峡期夷平面定型后的中更新世初期（70×104aB.P.）开始，三峡地区进入峡谷地貌发育阶段。
（2）两期阶地期之间的地壳快速上升与河流快速下切时期即是滑坡的高发期。
（3）滑坡高发期与断层活跃期之间具有一定的对应关系，只是滑坡期略滞后些，受喜马拉雅运动隆升带动的三峡区，快速的基岩抬升和河流下切形成的陡坡主要是通过滑坡作用进行调节的，但其间有一个塑造过程。
（4）对于三峡区来讲，在地质时期，催生滑坡作用的还有一个重要的因素就是降雨，第二暖期气候温暖湿润是这阶段滑坡高发的一个重要的必备条件。
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