Relations between loess bedrock unconformity surface and landslide

Scientific Journal of Earth Science September 2013, Volume 3, Issue 3, PP.88-94

Relations between Loess-bedrock Unconformity Surface and Landslide Xuemei Jia, Shouyun Liang† Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China attached to the Ministry Education of China, and Department of Geological Engineering, School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou, Gansu 730000, P.R. China †Email:

jiaxm07@lzu.cn

Abstract As originally weak texture plane, loess-bedrock unconformity surface is closely related to landslides developed seriously in loess areas, which has gradually attracted the attention of academics. By summarizing the interrelated literatures of loess-bedrock unconformity surface and landslide, we proposed some issues and future research fields: 1) to classify loess-bedrock unconformity surface; 2) to classify loess-bedrock landslide; 3) to research the structure and weathered crust characteristics of different types of loess-bedrock unconformity surfaces; 4) to research the spatial distribution of loess-bedrock unconformity surfaces and the correlation with landslides; 5) to research the impact of occurrence, morphology and structural characteristics of unconformity surfaces on loess slope stability, then to make further exploration on the action laws that unconformity surfaces, an important geological interface governs loess-bedrock landslides, so as to enrich the theory of formation mechanism of loess-bedrock landslides.

Keywords: Loess-bedrock Unconformity Surfaces; Ancient Weathered Crusts; Loess landslides; Overview

黄土—基岩不整合面与滑坡的关系 贾雪梅，梁收运 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，兰州大学土木工程与力学学院地质工程系，甘肃 兰州 730000 摘 要：不整合面属于原生的软弱结构面，黄土—基岩不整合面与黄土地区普遍发育的滑坡现象关系密切，逐渐引起学术 界的关注。通过对已有不整合面以及黄土滑坡相关的研究成果进行综述，提出了不整合面与黄土滑坡关系研究中存在的 问题以及今后的研究方向：1)黄土—基岩不整合面的分类问题；2)黄土—基岩滑坡的分类问题；3)不同类型黄土—基岩不 整合空间结构及风化壳发育特征；4)不整合面展布特征与滑坡空间发育规律之间的相关性；5)不整合面产状、形态及结 构特征对黄土斜坡稳定性的影响。进一步分析不整合面这一重要地质界面在黄土—基岩滑坡中的作用规律，丰富黄土滑 坡形成机理的理论。 关键词：黄土—基岩不整合面；古风化壳；黄土滑坡；综述

引言 地层不整合接触是地壳浅层一种常见的地质现象，不仅是划分地层单位、鉴定地壳运动、研究地质发 展历史的基本依据之一 [1,2]，而且是重要的控藏、控矿构造 [3]，同时在工程地质中还是重要的地质体分界面 或软弱结构面。 黄土高原地区沟壑纵横，伴随着人类工程活动规模和强度的日益增大，一些地方的黄土滑坡等地质灾 害频繁出现，尤其是与不整合面密切相关的黄土—基岩滑坡规模大、危害严重，常常造成重大的生命财产 损失。调查显示，该类滑坡的滑面常沿下伏第三系软弱泥岩等基岩顶面发育，或者在一定程度上受基岩倾 向的控制[4-6]。一般认为，红层沉积年代相对较新，岩性软弱，黄土层之下的红层基岩表面受到古风化作用 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41072213).

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的影响，结构较为松散，甚至呈土状，遇水后细腻光滑，有利于发育成滑动面[7]。黄土与下覆基岩之间的不 整合接触破坏了岩土体结构的完整性，但已有研究对黄土—基岩不整合结构、甚至扮演滑动面角色的黄土 —基岩不整合面特征（如基岩风化层厚度的大小、产状等）、发育规律方面较少涉及，缺乏不整合与滑坡 内在联系方面的理论研究。因此，及时综述该方面的研究成果，分析目前不整合接触关系在工程地质研究 中存在的问题以及今后的研究方向，一方面可丰富滑坡形成机理理论，另一方面对于中新生代红层广泛发 育、崩滑灾害严重的黄土高原地区灾害防治具有重要现实意义。

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黄土—基岩不整合类型 黄土—基岩不整合面是指：第四纪黄土沉积之前曾发生过沉积间断，不同年代黄土披覆于下部古地形

之上，与不同类型基岩形成不整合接触。同基岩中发育的地层不整合面一样，黄土—基岩不整合面也是一 种常见的地层不协调接触关系（表现在几何形态、古生物组合、岩性等方面），不同的是前者由于其与油 气成藏密切相关，在油气勘探、盆地分析等领域中较早得到研究，而黄土—基岩不整合面的灾害地质研究 直到二十世纪九十年代才逐渐被关注。 类型的正确划分是有关不整合面研究的首要问题，自 1915 年 Pirsson 和 Schuchert 将各种不整合统称为 “Unconformity”之后，诸多学者对不整合面的类型划分这一基础问题展开了大量研究。目前经典分类方法中 将不整合分为角度不整合和假整合或平行不整合，但次一级的分类方案尚不统一，其主要的分类依据有分 布范围（区际、区域和局部）、不整合面起伏（平整、嵌入）、地理位置（边缘和盆内）、成因机制、地 震反射、沉积间断、地层产状、地层岩性等[4,5,8,9]。这些类型的划分大多应用于盆地构造分析、地层划分、 矿床和油气勘探研究领域，且涉及的不整合几乎全部发育在地壳浅层不同时代的基岩之间，而与滑坡密切 相关的黄土—基岩不整合仅是根据地层岩性划分的一个大类，进一步的分类研究尚属空白。 一般来说，黄土—基岩不整合面中涉及基岩的类型多样，包括各种类型的沉积岩、变质岩和岩浆岩， 基岩的种类影响到不整合面的形成发育及其特征。一般在黄土地区，中新生代盆地发育，黄土下伏地层以 红色碎屑沉积岩为主，这种不整合在滑坡研究中常被称之为黄土—三趾马红土（泥岩）不整合。以兰州地 区为例（图 1），根据黄土下伏基岩的种类，至少可将黄土—基岩不整合划分为黄土—沉积岩不整合、黄土 —变质岩不整合和黄土—岩浆岩不整合。除此之外，还需进一步探索新的分类方案。

图 1 兰州地区黄土与基岩分布简图 - 89 http://www.j-es.org/

黄土—基岩不整合的结构

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2.1 一般特征 构造和沉积作用的不均一性导致不整合具有鲜明的空间结构特征已成为共识 [8,10]。基岩中发育的不整合 面，其典型的三层结构模型为不整合面之上的沉积岩层（一般为底砾岩或水成砂岩），不整合面之下的风 化粘土层和半风化岩层（古风化壳），及其下伏未风化母岩。各层具有不同的物质组成、结构特征及渗透 性[11-16]。除此之外，广义的不整合结构还应包括沉积间断、缺失的地层。一般文献中出现的“不整合面”也并 非几何意义上的一个“面”，同地学中的许多“界面”一样，是一个三维实体，有着自身的物质、结构组成，主 要由不整合界面之下的风化粘土层和半风化岩层组成，即不整面具有空间上的结构性。 就地表过程而言，不整合表征地层的沉积间断，沉积作用停止之时风化剥蚀作用即便开始，各种风化 残坡积物一旦被掩埋便形成古风化壳，因而不整合面的地质结构又常表现为古风化壳，显然不整合面与古 风化壳是同一实体的不同称谓。古风化壳中存在的古土壤、风化岩、古岩溶等对古气候、古环境、寻找原 生矿产、构造活动等都具有重要的指示意义[17,18]。

2.2 地质结构模型 地质结构是在岩（土）层建造和地质构造基础上形成的不同时代岩（土）层的不同地质组合，它随结 构面和结构体两个基本要素在时空演化过程中的形成与组合特征而异 [19]。对黄土地区的斜坡稳定性和斜坡 的变形破坏过程而言，黄土—基岩不整合面往往扮演着重要的角色。 兰州地区的黄土—基岩不整合地质结构模型大体可划分为以下两种类型。 河流阶地型

2.2.1

黄河及其支流河谷特殊的二元阶地结构，使得该种不整合地质结构表现为：下部基岩与河流阶地之上 的堆积黄土直接接触，其基本发育模式按由底到顶的顺序为基岩—河流相砾石层—河漫滩相粉砂层（冲积 黄土）—风成黄土。这里应注意的是不能将河流阶地的二元结构扩大到黄土地层，而阶地之上的黄土也并 非二元结构的一部分，两者是独立的地层单位[20]。如：距离兰州市 40km 处的黑方台属于黄河Ⅳ级阶地， 该处地层结构即形成典型的河流阶地型角度不整合，台缘滑坡灾害时有发生（图 2），其不整合面产状平 缓，该类不整合对斜坡稳定性相对较为有利，但是基岩与风成黄土间所夹的河流二元结构层之卵石层和粉 砂层的相对厚度大小、各层的工程地质性质，特别是水理性质的差异对斜坡稳定性的影响尚需进一步深入 研究。

图 2 盐锅峡抚河桥头滑坡剖面(据王念秦等，2005)[22] - 90 http://www.j-es.org/

2.2.2

山地披覆型

黄土直接不整合于中新生代红层或较早时代岩石的风化剥蚀面上，以黄土梁、峁为主要地貌表现，黄 土的年代包括早更新世（午城黄土 Q1）)、中更新世（离石黄土 Q2）和晚更新世（马兰黄土 Q3）以及全新世 （新近堆积黄土 Q4），黄土地层的完整性依地域而异。由于风成黄土典型的继承性堆积特点[21]，黄土地貌 一般是在下部古地形基础上形成的幔帽堆积改造而成。如：兰州市东盆地北部山区（图 3），黄土与下伏红 层沉积岩、加里东期花岗岩及前寒武系变质岩形成山地披覆型角度不整合。如果不整合面倾向坡外，倾角 较大，该类不整合面一般对斜坡的稳定性起着控制作用。

图 3 兰州市东盆地北部山区地质地貌剖面示意图(据丁祖全等，2009)[7]

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黄土—基岩不整合与滑坡的关系

3.1 不整合面与黄土滑坡分类 统计发现，黄土滑坡岩土体组成物质主要为 Q3 黄土和不同时代的泥质砂岩、变质岩。在许多文献中都 有这样的描述：黄土与基岩之间不整合面的岩体风化严重，风化壳厚度大，工程地质性质差，是潜在的滑 坡滑动带，而且极易进一步演化成为滑动面。沿此种不整合面附近发育主滑面的黄土—基岩滑坡曾有过多 种命名，如黄土与三趾马红土（基岩）复合滑坡[5]、黄土—基岩接触面滑坡[23-25]、黄土—基岩层面滑坡[26]、 红粘土顶面滑坡[24]、黄土—基岩混合滑坡[27]等。 由此可见，不整合面与黄土—基岩滑坡滑面的发育密切相关，为了进一步凸显黄土—基岩不整合面这 一重要地质界面在滑坡中的作用，根据不整合面与滑面的关系可将黄土—基岩滑坡概化为两大类：黄土— 基岩接触面滑坡和黄土—基岩非接触面（切层或顺层）滑坡，不整合面在两类滑坡的形成中所起的作用均 有待进一步研究。

3.2 不整合面与黄土滑坡成因 特殊的斜坡结构和物质组成是黄土—基岩滑坡发生的基础条件，斜坡上部为不同年代的黄土，下部为 不同年代的基岩，以白垩系、古近系及新近系红层沉积最为普遍。不整合面的存在导致斜坡岩土体的非均 质性增强，上部黄土疏松多孔、垂直节理发育，而下部基岩表面风化，粘土矿物含量增多，形成不易透水 的相对隔水层。在水的作用下表现出两种致滑机理：(1)基岩顶部风化破碎带在地下水的作用下软化，抗剪 强度下降，逐渐形成软弱面（带），当不整合面的倾向与斜坡倾向一致，具备临空条件时，不整合面就可 能演化成滑床或破裂面[4,23,28]，形成黄土—基岩接触面滑坡；(2)降雨下渗受到基岩顶部风化粘土层的阻隔， 造成不整合面以上的黄土饱和，强度降低，坡体自重增加，一旦有微小的初始剪切变形即可导致界面上黄 土的液化，造成上覆黄土层的滑动[5,29,30]，形成以不整合面为边界条件的纯黄土滑坡；如果下渗水穿过风化 黏土层，也可能会形成规模较大的黄土—基岩顺层或切层滑坡。 除理论分析之外，现场检测以及模型试验也是滑坡成因机理研究的重要手段。针对陇西地区广泛发育 的黄土—红层滑坡，殷石勇等 [31]提出不同类型黄土—红层滑坡的滑移—压致—拉裂型，滑移—拉裂—剪断 - 91 http://www.j-es.org/

型，滑移—拉裂型三种破坏模式。李媛等 [32]以现场检测以及模型试验为基础对某一黄土—红层接触面滑坡 研究表明，其变形破坏的地质模式为“坡体蠕动—后缘拉裂—滑带由中部向两侧发展—剪出口形成—坡体突 滑”，滑坡变形特征除了受制于坡形、黄土、红层结构和性质之外，还受黄土—红层接触面的产状和性质的 控制[33]。红层沉积年代相对较新，为半成岩状，岩性软弱，其强度低，抗风化能力弱、水敏感性较强，是 典型的易滑地层。黄土—红层滑坡的形成机制是由于 Q4 砾岩层面上的地下水沿着有砾岩的裂隙深入红层泥 岩岩层而使其膨胀，产生很大的膨胀力所致[7]。何蕾等[34]以兰州地区徐家山、文昌阁黄土—红层滑坡附近风 化泥岩为研究对象，通过室内试验研究表明地下水对兰州红层风化泥岩抗剪强度的影响表现为力学、化学 和物理效应的综合作用，当黄土—红层斜坡高速滑动时，水在风化泥岩抗剪强度中的力学效应大于化学效 应和物理效应，反之，物理效应和化学效应可能远远大于力学效应，地下水化学效应和物理效应的强弱程 度取决于泥岩中可溶盐含量、粘土矿物类型及其含量。Fan 等[25]通过对中国黄土—基岩滑坡研究的综述，特 别强调基岩顶部的古风化壳发育特征及基岩顶面形态对滑坡的控制作用和边界效应。 由此可见，无论是红层表面风化遇水软化，还是粘土膨胀致滑，黄土—基岩不整合面对黄土滑坡的发 育至关重要已成共识，但是对黄土层下伏基岩风化层厚度的大小、发育特征及对斜坡稳定性的影响，不整 合界面对滑坡的控制作用及边界效应等方面尚缺乏卓有成效的研究成果，不整合面与滑坡的关系研究基本 上停留在工程地质定性分析的层面上，缺少对不整合面与黄土滑坡内在联系的定量及系统分析。

4

结语 不整合面是一个具有特殊地质结构的地质体，黄土—基岩不整合面的地质结构决定或影响着斜坡的变

形破坏特征。今后应注重以下方面的研究：1)不整合面类型与黄土滑坡类型的详细划分是深入研究的基础； 2)不整合面的空间展布特征与黄土滑坡发育规律之间的相关性；3)各类典型不整合面地质结构剖面解剖，详 细观察与取样测试，研究不整合面岩土体物理性质、结构特征及风化壳的发育程度；4)充分利用风化壳、不 整合方面的已有成果，采用物理模型试验、数值分析等手段，研究黄土—基岩不整合面产状、地质结构、 导水特性及非均一性对斜坡稳定性的影响。重视黄土—基岩不整合面在滑坡演化形成过程中所起的作用， 揭示不整合面这一重要地质界面在黄土—基岩滑坡中的作用规律，丰富黄土滑坡形成机理的理论。

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【作者简介】 贾雪梅（1987-），女，汉族，在读硕

梁收运（1965-），男，汉族，博士学位，教授，主要从事

士研究生，主要从事工程地质和灾害地

工程地质、环境地质和灾害地质方面的教学与科研工作。

质方面的研究工作。

Email: liangsy@lzu.edu.cn

Email: Jiaxm07@lzu.cn

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