程万强 王运生 宋良 李正友 周宇航 台梓含

摘要：

白鹤滩水电站作为世界装机容量第二大的水电站，在该水电站库区内位于云南省昭通市巧家县城台地后缘发育有一近南北走向的宽缓槽谷，其成因至今未有定论，研究该槽谷的成因对金沙江水系的变迁及巧家莲塘移民安置点场地的稳定性评价具有重要的理论及现实意义。基于详实的野外调查、超深钻孔编录、广域电磁法探测、土壤氡气测量以及测年等方法，研究了莲塘-龙井湾槽谷的地貌学特征、边界特征、充填序列、断陷幅度及其发育时限。结果表明：① 莲塘-龙井湾槽谷形态上呈NNW且向东微凸，南北长约8 km，东西均宽约0.8 km，为小江断裂与则木河断裂交汇贯通后断陷形成；② 莲塘-龙井湾槽谷基底为巧家拉分断陷盆地堰塞（构造）湖形成，其上覆泥石流冲洪积层和坡洪积层；③ 槽谷的断陷始于29万a前，终止于2万a前，断层幅度达37.5 m。

关 键 词：

莲塘-龙井湾槽谷； 小江断裂； 则木河断裂； 地质钻探； 铀系测年； 成因分析； 金沙江

中图法分类号： P534.63；P542

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.021

0 引 言

大型水库蓄水后，部分居民地可能会被库区水位淹没，由此在水库蓄水前开展大型移民点的场地地质成因调查工作越来越受到重视［1-3］。莲塘-龙井湾槽谷位于白鹤滩水电站库区内，其发育的NNW且较为平坦的槽谷地形为巧家库區的移民提供了良好的地形条件。然而，关于该槽谷的成因意见不一［4-5］，因此查清莲塘-龙井湾槽谷堆积体的物质组成及其成因对白鹤滩水电站巧家库区移民点的稳定性具有重要意义。

由于巧家县城处于小江断裂带和则木河断裂的交汇位置且其为白鹤滩水电站库区的最大移民点，因此众多学者对巧家地区的地质环境、灾害及蓄水后库岸再造进行了研究。在巧家地区地质环境研究方面，Li ［6］、裴向军［7］等认为巧家盆地是受断裂走滑运动控制的拉分断陷盆地。在巧家河段的地质灾害研究方面，刘美等［8］通过RS和GIS技术定量分析了断裂构造对巧家至蒙姑段泥石流规模的影响，认为活动断裂和断层为泥石流提供丰富的物源条件；王盈［9］对河段内的滑坡进行解译并对其易发性进行评价，得到了河段内比较详细的灾害编目以及滑坡灾害易发性图；冯振等［10］对巧家后山巨型古滑坡的工程地质特征展开了研究，认为小江断裂的左旋走滑作用是巧家后山古滑坡形成的可能原因；刘莉等［11］对巧家后山巨型古滑坡的发育特征和形成条件进行了研究，认为巧家巨型古滑坡的形成与坡体形态、岩性、断层活动以及地震活动等因素有密切关系。在库岸再造方面，王双［12］对白鹤滩水库蓄水前后巧家县城整体斜坡的稳定性展开了研究，发现在蓄水前后巧家整体斜坡均处于未定状态，但在地震蓄水的极端工况下，斜坡表层可能会产生砂土液化；胡云鹏［13］对白鹤滩水库蓄水后巧蒙库岸段坡体塌岸展开了研究，水库蓄水后土质岸坡段稳定性变化最为明显。上述研究多为对巧家县城及周边较大区域场地环境及稳定性的研究，而对莲塘-龙井湾莲塘槽谷这一回迁移民安置点的小区域场地成因研究较少。其中，李郎平等［4］在对金沙江-巧家新市镇古水系变迁的研究中发现，位于莲塘西侧山梁上高860 m处发育有一古阶地，古阶地的砾石呈叠瓦状排列且扁平面总体呈向西北，认为巧家莲塘发育的宽缓古槽谷为古河道；张欣等［5，14］通过对槽谷地貌和水系的观察，提出莲塘槽谷是在张拉环境下发生的具有正断效应的古河道。前人对莲塘-龙井湾槽谷的研究大多基于地表调查资料，缺少槽谷内的沉积学证据。同时，小江断裂带的北端起点位于巧家县城以北，经龙井湾-莲塘槽谷向南展布，从断裂构造学的角度，对于槽谷在发育过程中是否受小江断裂带的控制尚无定论；此外，槽谷处于巧家拉分盆地的东缘，巧家盆地的演化过程对槽谷形成的具体作用，也是有待解决的问题。

本文基于野外调查、地质钻探、广域电磁法探测以及土壤氡气测量，厘定了槽谷的边界特征，并揭示了槽谷内部堆积体的组成、结构特征。同时，结合巧家台地坡洪积漂砾表面盖膜的铀系年代测定以及前人的测年结果，界定了槽谷的发育时限。最后，探讨了莲塘-龙井湾槽谷在晚-中更新世走滑背景下断陷的成因。研究成果可为金沙江水系的变迁及巧家莲塘移民安置点场地的稳定性评价提供科学参考。

1 区域地质背景

1.1 研究区概况

研究区位于云南省昭通市巧家县金沙江下游，距离下游白鹤滩水电站坝址约45 km。在构造上，研究区位于川滇断块的东边界，则木河断裂带与小江断裂带北端交界的部位，是川西高原、云贵高原与四川盆地的交汇地带（见图1）。川滇断块在青藏高原南东挤出的构造应力作用下，其东边界的小江断裂带和则木河断裂带均表现出左旋走滑运动，自上新世以来，小江断裂与则木河断裂贯通并成为鲜水河断裂系的重要组成部分，鲜水河断裂系是现今西南地区最为活跃的区域性断层之一，GPS显示断裂系现今滑移速率为10～12 mm/a［15］（见图1）。

槽谷位于巧家盆地东缘，北起龙井湾，南至巧家红路，在平面上呈向东微凸的弧形，整体呈NNW-SSE走向（见图2～3），其南北长约8 km，槽底宽约0.8 km。槽谷内巧家县城步行街一带的谷底地势最高，地势沿其向南北两端降低。槽谷东侧为药山山脉，山顶高程约3 200 m，山脉走向近SN，西侧金沙江自南向北穿过研究区。

1.2 地层及岩石类型

在莲塘-龙井湾槽谷及其邻近地区出露地层主要有寒武系-泥盆系、二叠系、三叠系和第四系（见图2）。其中奥陶系、泥盆系以及第四系分布较为广泛，而寒武系、志留系以及三叠系分布较少。研究区岩石类型以灰岩、玄武岩和第四系的松散堆积物为主，其次为砂页岩、泥页岩、白云岩等其他岩石类型。

2 测试原理与方法

1∶200 000及1∶50 000地质图笼统将槽谷划为小江断裂带北段，金沙江巧家段由于第四系覆盖层较为深厚且人类的改造活动强烈，并未在地表见断层露头，为了查明莲塘-龙井湾槽谷的边界是否与小江断裂的活动有关，在金沙江右岸布置了横跨槽谷的两条测氡剖面（见图2）。为了验证测氡的准确性，厘清槽谷的充填序列，在金沙江巧家段右岸布置了钻孔剖面和广域电磁剖面各一条（见图2）。

土壤氡气测量脉冲值的曲线与断层有良好的对应关系，这是因为断层上盘的破碎程度往往高于下盘，氡气在上盘的运移速度快于下盘，即在氡气异常值峰值处，上盘所处的位置氡气值下降比下盘快［16］。本次土壤氡气测量采用型号为KJD-2000R的测氡仪，测量间距为15～25 m，具体间距视现场情况而定，且测量时的天气为阴天，须确保测氡仪器在使用过程中不被其他因素干扰，以保证测量数据的连续性和可靠性。测氡数据分析参考前人研究中提出的标准［4］，通过对每条测线的测量平均值加减3倍的标准差为限，剔除测量值中大于上限或小于下限值后所计算的平均值作为背景值，并以背景值和1.5倍标准差之和作为该条测线的异常阈值（RNF），超出异常阈值的位置即为断层通过处。

广域电磁法是相对于传统的可控源音频大地电磁法和磁偶源频率测深法（MELOS）提出来的，是解译断层的良好手段［17］。本次布设的广域电磁剖面采用中南大学何继善院士团队研发的广域电磁剖面观测系统，整个剖面共布置了65个测点，测点间距50 m。对采集到的数据利用中南大学戴世坤教授开发的GEO GMES平台并采用2D连续介质进行反演。

勘探钻孔是最为直观的揭示地层的一种方法。在沿槽谷的横向钻孔剖面上共布置5个钻孔，为保证钻孔的取芯质量，所用的钻孔均采用双管单动回转钻进工艺，并用SM植物胶对钻孔进行钻孔护壁，最终覆盖层的取芯率在95%以上，基岩的取芯率达到了100%。布置在槽谷内部的钻孔QK9和QZK17终孔深度分别达到了748 m和200.95 m，钻孔QK9将槽谷内的覆盖层完全揭示。

3 槽谷边界特征

3.1 槽谷宏观边界

槽谷内巧家县城步行街地势最高，约910 m，以其为界将槽谷分为南、北两段，南段为莲塘槽谷，北段为龙井湾槽谷，槽谷南、北分界线位置如图3所示。

南段莲塘槽谷谷底宽度约0.8 km，其东侧以巧家后山坡脚为界，后山斜坡上基岩与洪沟相间且地形坡度约60°，并在地貌上呈5～30 m的陡坎；西侧以巧家台地堆积陡坎为界，台地的斜坡坡度约50°且在靠近莲塘侧出露早-中更新世巧家拉分断陷盆地形成的冲洪积钙质胶结卵砾石层。槽谷底部已被改造成稻田及居民宅基地，可见明显的槽谷地貌（见图3（a））。槽谷向南东纵坡降减小，位于槽谷最南端的红路一带的高程约800 m，这与步行街分水岭高程相差约110 m，沟底的纵坡降为10.1‰。

北段龙井湾槽谷谷底宽约0.8～1.0 km，其东侧边界为多级洪积陡坎，坡面有建筑物；西侧为微凸的垄岗地形，被巧家县城建筑物占据且受人类工程活动改造作用明显（见图3（b））。槽谷向北西纵坡降减少，至笕槽沟一带海拔降为740 m，沟底的纵坡降为34.3‰。

3.2 槽谷边界氡气值

金沙江巧家段右岸布设的两条横穿槽谷的测氡剖面A-B和H-I的位置及结果分别如图2和4所示。从测氡的结果可以得出，两条剖面通过处存在多处氡气值异常（见图4）。

龙井湾槽谷的A-B测氡剖面异常值的位置有3处（见图4（a）），距离起始位置0.35 km的位置1处显示氡气异常，其氡气值的最高峰峰值为12 015 Bq/m3，异常值宽度约30 m。在对应龙井湾槽谷西、东边界的位置2和3处的氡气值也显示出异常。槽谷西边界的2位置处氡气值的最高峰峰值为12 258 Bq/m3，异常值宽度约25 m，东边界的3位置处氡气值的最高峰峰值为17 592 Bq/m3，异常值宽度约100 m。

莲塘槽谷的H-I测氡剖面也存在4处异常值（见图4（b））。在距离起始位置约1 km的位置1和2处显示氡气异常，其氡气值的最高峰峰值分别为11 990 Bq/m3和13 232 Bq/m3，异常值宽度分别约为15 m和25 m，与布置在龙井湾槽谷的测氡剖面异常现象类似。H-I剖面穿过莲塘槽谷西、东边界（见图4（b）中3，4点）的氡气值也出现异常，槽谷西、东边界氡气值的最高峰峰值分别为13 201 Bq/m3和19 367 Bq/m3，异常值宽度约20 m和100 m。

在野外调查的基础之上，结合测氡剖面的氡气值曲线分析结果，推测槽谷东边界为倾西的小江断裂（见图4（a）中3峰值点、图4（b）中4峰值点），西边界为小江断裂在走滑运动过程中形成的次级东倾正断层（见图4（a）中2峰值、图4（b）中3峰值点）。由槽谷边界的氡气异常值得出槽谷在龙井湾段的宽度约为1 km，在莲塘段的宽度约为0.8 km。此外，结合槽谷边界的地形地貌特征，莲塘槽谷1和2点位以及龙井湾槽谷1点位于槽谷西边界外侧的台地上，发育众多近南北向的次级断层，导致槽谷边界外的巧家台地氡气值出现多个异常峰值。

为了验证槽谷边界氡气值异常推测断层的准确性，在金沙江巧家龙井湾北侧选择适合的位置布置一条横穿槽谷的广域电磁剖面C-D-E（见图2），广域电磁剖面的结果揭示在巧家盆地东侧发育有两条陡倾的低阻带（见图5），推测为小江断裂及其影响带，其对应地表位置大致与槽谷边界的氡气异常值的位置即图4（a）中3峰值点、图4（b）中4峰值点基本吻合，这印证了地球化学方法在该地区使用的可靠性。同时，也表明了槽谷边界的确受到小江断裂及其次级断裂的控制。

4 槽谷内部充填序列特征

为探明莲塘槽谷内部的充填序列特征，在槽谷内布置了QK3，QK4，QK5，QK8，QK9，QZK14和QZK17等共计7个钻孔，钻孔位置如图2所示。其中钻孔QK9和QZK17钻孔深度分别达到了748.00 m和200.95 m，并将槽谷覆盖层揭穿。结合现场调查及其余钻孔内的沉积物编录，认为槽谷基底上、下分別为泥石流冲洪积层和堰塞（构造）湖积层（见图6）。以钻孔QK9的沉积类型作为典型参照，对钻孔QK3，QZK17，QK4，QK5的岩芯进行编录并建立槽谷横向沉积剖面（见图6）。槽谷的横向沉积剖面揭示了槽谷基底的形态，基底以上主要分为两个沉积层，其成因类型包括泥石流冲洪积层和坡洪积层。槽谷沉积层的充填特征概述如下：泥石流冲洪积层的砾石成分以玄武岩、砂岩和灰岩为主，分选性差，磨圆度呈次棱角-次圆状，砾石层之上的泥砂层为细砂-粉砂；坡洪积层整体呈现棕黄色-棕红色，砾石风化程度多为中等强度风化-全风化，砾石成分均为近源的玄武岩和灰岩，分选性差，磨圆度呈棱角-次棱角状，上部的泥砂层主要为泥质并夹有砾石。

5 槽谷成因

5.1 槽谷成因初步探讨

从槽谷所在的构造环境及其内部沉积组成分析，槽谷是在走滑拉分断陷背景下二次断陷并充填形成的。

在槽谷所处的构造条件方面，结合此前对巧家盆地成因分析［18-19］，认为巧家盆地东缘的槽谷处于小江断裂带和则木河断裂带的围陷区域。则木河断带由5条左阶羽列的次级活动断层组成，其中大同断层位于则木河断裂的最南端［20-21］，在空间上与小江断裂带北段相接［5］，并且则木河断裂带自早-中更新世时期，由原来的逆冲断裂系转为左旋走滑运动［20-22］，而小江断裂带北段自上新世晚期-更新世以来一直以强烈的左旋走滑运动为主［5］，在二者的左旋走滑运动下，两个断裂带所围陷的区域形成巧家盆地拉分应力区并产生断陷（见图7（a））。在巧家盆地断陷过程中，古金沙江在盆地内至少发育了3期南向的河流沉积并呈宽阔的辫状河沉积环境［23］，造成莲塘西侧山梁上高860 m处发育有一古阶地，并且其砾石呈叠瓦状排列且扁平面总体呈向西北。在小江断裂带与则木河断裂带持续左旋走滑的过程中，巧家盆地断陷区南侧形成一个刚性的应力集中区，小江断裂与则木河断裂有交汇贯通的趋势（见图7（b））。随着断裂带走滑运动加强，小江断裂和则木河断裂在金沙江左岸交汇贯通，二者围陷区域的最大主应力方向由南北向转为西向的单向应力（见图7（c））。在西向单向主应力的作用下，整个盆地第四系覆盖层西移，莲塘-龙井湾一带的西侧形成次级断层并最终贯通，从而断陷成现今地貌（见图7（d））。巧家盆地西侧的测氡值高达40 000 Bq/m3，是盆地东侧测氡值（约18 000 Bq/m3）的2倍多［5，14］，即小江断裂与则木河断裂在金沙江左岸交汇贯通，金沙江左岸小江断裂带一侧的活动性趋弱。

在槽谷的内部沉积组成方面，远源的堰塞（构造）湖积层对巧家盆地充填完之后，近源的泥石流冲洪积层、坡洪积层，在槽谷内堆积、充填形成其内部的充填序列。钻孔QK9和QZK17揭示的槽谷頂部的坡洪积层在巧家台地（QK3）以及靠近巧家后山（QK4和QK5）的钻孔中均可见（见图6），并且巧家台地最高处为魁阁梁子（见图3（a），海拔947 m），空间上与巧家后山最大支沟石灰窑沟口相对（见图2），台地地势在魁阁梁子处向北、向西、向南降低。此外，槽谷内的钻孔揭露到松散河流相卵砾石层沉积上部具有槽谷张拉后填充的支沟坡洪积碎石土，下伏胶结良好的卵砾石，并在层序上与西侧台地的古老砾石层有很好的对应性。上述分析表明槽谷是在巧家坡洪积台地形成之后才开始张拉断陷的，而非古河道。

5.2 槽谷发育时限及断陷幅度

前述可知，槽谷断陷发育晚于巧家坡洪积台地，对位于巧家台地干田坝一带的坡洪积灰岩漂砾表面的钙膜进行取样，取样位置如图2所示，经中国科学院地质与地球物理研究所进行铀系测年，测年结果为 35万a。巧家盆地的断陷终止时间为44万a前［18］，认为巧家盆地断陷终止后（见图8（a）），盆地内部的冲洪积卵砾石在距今35万a左右被右岸支沟的坡洪积超覆（见图8（b））。莲塘槽谷西侧台地顶部开挖高程约860 m，贺蕊［24］测得年龄为29万a，即槽谷发育时限始于中更新世晚期（见图8（c））。槽谷两端被堰塞粉细砂层覆盖过，申通等［25-26］测得年龄为2万a，表明槽谷的断陷终止于晚更新世晚期（见图8（d））。

根据槽谷内的钻孔剖面，以孔内的坡洪积层为标志层，得出槽谷的断陷幅度约37.5 m（见图6）。

6 结 论

小江断裂带和则木河断裂带的左旋走滑运动对莲塘-龙井湾槽谷的形成起到控制作用，根据槽谷边界和内部沉积特征，将莲塘-龙井湾槽谷的演化过程分为3个阶段：巧家盆地终了期坡洪积超覆阶段、槽谷断陷阶段、后期改造阶段。所得主要认识如下。

（1） 巧家断陷盆地终了期东侧斜坡大量松散物源被洪流及泥石流搬运到盆地东缘，超覆在断陷盆地东部的卵砾石上，形成向西倾斜的巧家台地，从距今35万a至29万a，历时6万a。

（2） 距今35万a后，小江断裂北段走滑运动趋于强烈，并与左阶斜列的则木河断裂空间上耦合作用，且随着小江断裂与则木河断裂在金沙江左岸交汇贯通，巧家台地东侧次级断层在29万a前贯通，随后槽谷开始断陷。

（3） 在拉分断陷完成之后，槽谷开始接受后期的改造作用，槽谷南北两端被2万a前的堰塞粉细砂覆盖。从断陷开始至终止共历时27万a，目前槽谷已停止断陷活动。

鉴于槽谷断陷终止于晚更新世，小江断裂带与则木河断裂带在金沙江左岸交汇贯通，小江断裂带巧家段的活动性趋弱，表层全新世堆积未见断裂扰动迹象，可以判断其对莲塘槽谷新区场地的稳定性影响甚微。

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（编辑：刘 媛）

Abstract：

As the second-largest installed capacity hydropower station in the world，a wide and gentle trough valley develops in the Baihetan Hydropower Station reservoir area，however its cause has not been clear.The study on the cause of the valley has essential theoretical and practical significance for research on the evolution of Jinsha River system and the stability evaluation of a resettlement site.The geomorphic characteristics，boundary characteristics，filling sequence，fault subsidence amplitude and development of the Liantang-Longjingwan through valley were studied based on detailed field investigation，ultra-deep borehole logging，wide-area electromagnetic detection，soil radon measurement，and dating technique.The results showed that：① The shape of Liantang-Longjingwan through valley was NNW and slightly convex to the east.It was about 8 km long from north to south and 08 km wide from east to west，which was formed by fault depression after intersection between Xiaojiang fault and Zemuhe fault；② The base of Liantang-Longjingwan valley was formed by Qiaojia fault depression basin，which was covered by debris flows alluvium and diluvium；③ The fault depression of this valley developed 029 million years ago and ended 02 million years ago，with a fault depth of 375 m.

Key words：

Liantang-Longjing through valley；Xiaojiang fault；Zemuhe fault；geological drilling；uranium-series dating；genesis discussion；Jinsha River