GEOCHEMISTRY CHARACTERISTICS AND TECTONIC SIGNIFICANCE OF THE HAERTEERDELE GRANITE MASS IN MIDDLE DEVONIAN IN BEISHAN, GANSU
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摘要: 牛圈子哈尔特尔德勒岩体具有高硅（Si>72.2%）、高碱（AR=2.9~5.1，K2O=3.86%~5.49%，Na2O=3.04%~3.83%）和高FeOT/MgO值（3.29~13.47）、低Al2O3（11.48%~13.42%）、贫CaO（0.57%~2.27%）和MgO（0.14%~0.78%）、低FeOT（1.33%~2.34%）的特征，A/NK值为1.43~1.77，A/CNK值为1.35~1.4，为过铝质高钾钙碱性花岗岩。ΣREE较高，LREE略富集（（La/Yb）N=4.9~16），轻重稀土元素分馏不明显，Eu负异常明显（δEu=0.12~0.21）；相对富集Rb、K、Pb等大离子亲石元素，强烈亏损Ba、Sr、P、Ti，Eu，并弱亏损Ta、Nb等元素；同时具有与地壳更为接近的Nb/Ta与Nd/Th值，显示了A（A2）型花岗岩的特征。LA-ICP-MS锆石定年获得哈尔特尔德勒岩体的206Pb/238U年龄为371.7±2.9 Ma，代表该岩体的形成年龄，表明其为中泥盆世岩浆活动的产物。结合区域构造演化以及与区域同时代A型花岗岩的对比显示，该岩体形成于后碰撞伸展环境。
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关键词:
- 哈尔特尔德勒花岗岩体 /
- A型花岗岩 /
- 锆石定年 /
- 后碰撞构造 /
- 中泥盆世
Abstract: The Haerteerdele granite mass in Niuquanzi shows a high content of Si (>72.2%), alkaline(AR=2.9~5.1, K2O=3.86%~5.49%, Na2O=3.04%~3.83%)and FeOT/Mg(3.29~13.47), and a low content of Al2O3(11.48%~13.42%), CaO(0.57%~2.27%), MgO(0.14%~0.78%) and FeOT(1.33%~2.34%).It is determined that the granites are peraluminous granitoids of the calc-alkaline suite (A/NK=1.43~1.77, A/CNK=1.35~1.4), with the characteristics that an enriched pattern with a high ΣREE content and a slight high LREE content ((La/Yb)N=4.9~16), unapparent fractionation of heavy and rare earth elements, obvious Eu negative abnormality(δEu=0.12~0.21), relatively large concentration of large ion lithophile elements such as Rb, K, Pb, strong depletion of the elements of Ba、Sr、P、Ti, Eu, and weak depletion of Ta, Nb and other elements. Also the granites have the similar value in Nb/Ta and Nd/Th with the earthcrust, showing the characteristic of typeA (A2) granite. The chronology result of LA-ICP-MS zircon dating shows the age of 206Pb/238U of the Haerteerdele granite mass is 371.7±2.9Ma, which represents the formation age of the granite mass and the formation period is the middle Devonian. Taking into consideration the regional tectonic evolution and the comparison with the contemporary type A granite, it shows that the granite mass is the product of postcollision to extension.-
Key words:
- Haerteerdele granite mass /
- typeA granite /
- zircon dating /
- post-collision structure /
- Middle Devonian
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0. 引言
随着我国社会经济发展和西部大开发战略的不断推进，国家重大工程规划和城镇化建设向地质条件复杂、构造活动强烈的青藏高原东部山区推进，正在规划建设中的甘肃关中－天水经济区、兰州－西宁经济区等两大国家级战略经济区，以及成兰铁路、兰渝铁路、陇海铁路和宝鸡－兰州客运专线等重大工程规划建设区即位于地质构造条件极为复杂的南北活动构造带中段。该区跨越地域大，地形地貌和地质条件都十分复杂，山高谷深，地形切割破碎，新构造活动强烈，是我国现今构造活动最为强烈的地区，地震频发且强度大，在内外动力耦合作用下，该区发生地质灾害的种类和规模都是罕见的，并以类型齐全、数量众多、规模巨大为其特点[1~2]，如：2008年汶川Ms8.0级地震诱发的崩塌、滑坡等地质灾害达四万余处，广泛分布于四川、甘肃和陕西省境内[3~5]；1920年宁夏海原Ms 8.5级地震诱发了大量黄土滑坡，地震滑坡分布区域达4000~5000 km2，致使10多万人遇难；1718年通渭南Ms 7.5级地震，造成通渭县城北面的笔架山发生大规模的崩塌和滑坡，滑坡体顷刻掩埋了大半个县城，造成四千余居民死伤。此外，在强降雨和人类工程活动等影响下，该区也发育一系列大型崩塌、滑坡和泥石流等，如：2017年6月24日茂县叠溪发生高速远程滑坡碎屑流灾害，掩埋40余户农房，造成90余人失联；G213线石大关段在2014年、2016年和2017年多次因发生高位崩塌而中断交通等，这些地质灾害给该区工程规划建设和人类生命财产安全造成重大影响。同时，公路、铁路等重大工程在穿越活动构造带时受到活动断裂、地质灾害，以及深埋隧道高地温、高地应力(岩爆)、软岩大变形和突水等重大工程地质问题的制约。
重大工程建设成败的关键是发现和解决工程地质问题，由于工程赋存的地质环境条件差异大，导致重大工程建设过程中遇到的工程地质问题也多。近年来由于重大工程建设中发生的工程地质问题和事故而导致群死群伤的事件也日渐增多，防灾形式严峻，特别是在复杂艰险山区进行工程规划建设时，必须重视活动断裂及其工程断错效应、地质灾害效应，以及重大工程地质问题的调查评价，突出表现为：(1)活动断裂带的工程地质问题不容忽视，如:美国1971圣佛南都Ms 6.4级地震使圣佛南都隧道穿越断裂处竖向错动2.29 m；我国青藏线关角隧道通过的11条断裂共发生塌方130余次，最大一次长达52 m[6]；(2)工程建设频繁诱发滑坡灾害问题，如：南昆铁路八渡车站修建在古滑坡体上，线路以路堑从滑坡的中后部通过，在铁路的修建过程中，诱发了古滑坡的复活变形，滑坡多次滑动，后期历时多年多次治理，治理费用过亿[7, 8]；2007年腾冲7.19苏家河口水电站滑坡，滑坡体积约3×104 m3，造成29人死亡、5人受伤[4]；2013年5月8日，云南麻柳湾至昭通高速公路一施工隧道旁发生山体滑坡，造成隧道破坏和房屋受损；(3)深埋隧道岩爆和软岩大变形问题机理复杂，在高地应力区开展的隧道工程，由于高地应力导致隧道塌方、软岩大变形等事故也层出不穷，如：2005年贵昆铁路隧道发生塌方，造成12名工人被困；2011年8月11日，在雅西高速公路泥巴山隧道出口附近发生岩爆塌方，强烈岩爆造成进洞右侧拱腰以上位置的岩石劈裂崩落，延伸40余米，最大深度达3.6 m；2013年兰渝铁路狼牙山隧道发生软岩大变形导致的塌方，造成2名工人死亡[9]；(4)地质灾害对工程建设的持续影响，除地质灾害对重要城镇和线路工程在规划设计阶段的影响外，在铁路工程竣工运营后，地质灾害对铁路工程的影响也较大，南昆线八渡K343+380~K343+450地段于2001年7月4日发生山体滑坡，路基下沉2 m、左移2 m，中断行车139个多小时。这些工程地质问题和地质灾害事件表明活动构造复杂的山区工程地质问题多且危害严重，正在规划建设的成兰铁路、九黄高速等重大工程，以及甘肃关中－天水经济区的天水市、秦安县和甘谷县等重点城镇和不少地段面临复杂地质构造、活动断裂、强烈地震、高地应力、高地热异常与地质灾害等诸多地质难题，在一定程度上影响了地质调查工作服务于国家能源、战略安全的决策实施。因此，为服务国家西部城镇建设和重大工程规划建设，中国地质调查局从2016年起实施二级地质调查项目“甘肃天水等城镇和成兰交通廊道工程地质调查”，主要开展重要活动断裂发育分布特征及活动性、地质灾害、地震滑坡，以及深埋隧道岩爆和软岩大变形等重大工程地质问题的调查研究，本文系该项目前期调查研究成果的梳理和初步总结。
1. 地质背景
“甘肃天水等城镇和成兰交通廊道工程地质调查”项目研究区主要位于青藏高原东缘，南北活动构造带中段附近(见图 1)，规划建设中的成兰铁路南起四川盆地的成都，跨龙门山断裂带穿越川青块体，并向北进入甘南块体，终点位于甘肃省宕昌县哈达铺镇，全长约458 km，之后与兰渝高铁哈达铺站接轨，向北至甘肃兰州，其东部为正在规划建设的甘肃关中－天水经济区，地形地貌和地质构造极为复杂。
图 1 研究区构造位置图Ⅰ－喜马拉雅区；Ⅱ－西藏块体；Ⅲ－甘青块体；Ⅳ－川滇块体；Ⅴ－华南地块；Ⅵ－鄂尔多斯地块；Ⅶ－塔里木块体；1－红河断裂；2－小江断裂；3－则木河断裂；4－安宁河断裂；5－金沙江断裂；6－嘉黎断裂带；7－喜马拉雅南麓主山断裂带；8－亚东－谷露断裂；9－甲岗定结断裂带；10－龙门山断裂带；11－鲜水河断裂；12－玉树断裂；13－东昆仑断裂带；14－鄂拉山断裂；15－日月山断裂；16－文县断裂；17－西秦岭北缘断裂；18－海原断裂带；19－龙首山断裂；20－阿尔金断裂带Figure 1. Tectonic structure and location map of the study area1.1 地形地貌
研究区在地貌上对应于青藏高原东部强烈的地形起伏带，从海拔500~700 m的成都平原急剧变化为海拔为3000~5600 m的第一地貌阶梯。地势总体为北西高、南东低，地形切割强烈，相对高差多在1000 m以上，发育有龙门山、岷山、西秦岭等山脉，以及岷江、白龙江、渭河等大江大河，受水系的深切作用，区内形成了纵横交错的深切河谷地貌(见图 2)，地质环境十分脆弱。同时，该区由于受剧烈的新构造运动控制，造成构造地貌形态极不规则，是内、外动力地质灾害都极为发育并强烈耦合的地带。
图 2 研究区地形起伏度与大型滑坡分布图Figure 2. Topographic relief and large landslide distribution map of the study area1.2 地质构造
研究区位于青藏高原东部，其区域构造地质背景与青藏高原的构造演化密切相关。青藏高原内部及周边几条重要的构造活动带将该区分为7个主要构造块体(见图 1)：喜马拉雅块体(Ⅰ)、西藏块体(Ⅱ)、甘青块体(Ⅲ)、川滇块体(Ⅳ)、华南地块(Ⅴ)、鄂尔多斯地块(Ⅵ)和塔里木块体(Ⅶ)。研究区主要位于南北地震带的中段，跨越中国西部强隆区和东部弱升区两个一级新构造运动单元，岷山断块和龙门山挤压构造带则构成了这两个一级新构造单元的分界线，新构造运动主要表现为整体差异抬升、挤压推覆及水平走滑运动为主，并造成区内发育龙门山断裂、岷江断裂、白龙江断裂、西秦岭北缘断裂等一系列大型走滑断裂带(见图 3)，地震活动频繁。
研究区地层复杂，南北纵跨阿拉善地层区、贺兰山－汾渭地层区、祁连山地层区、西秦岭分区、松潘－甘孜地层区、羌塘－昌都地层区等，区内自震旦系至第四系均有出露。受区域构造的控制，研究区内的地层走向与区域控制性断裂走向基本一致，并且受地质构造的影响，成兰铁路沿线约70%段落出露的岩体多为软弱破碎的板岩、炭质板岩、千枚岩等，其次为砂岩、灰岩、页岩(含煤层)，同时受构造活动的影响，多表现出强烈的揉皱变形和挤压破碎特征，工程地质力学性质较差[10]。
1.4 工程地质问题概况
青藏高原复杂特殊的地质环境决定了其工程地质问题的地域性、复杂性和特殊性，复杂特殊的地质环境突出表现为“四高、三不利”，即：高陡地形、高地震烈度、高寒高海拔、高地应力，不利的构造背景、不利的岩土条件、不利的气候特征。在该区进行城镇和重大工程等规划建设中，遇到的工程地质问题主要有：(1)活动断裂与地壳稳定性问题；(2)隧道工程，高地应力与岩爆、软岩大变形(片岩、泥岩、断层破碎带、蚀变岩等)、突水、瓦斯突出、高地温等；(3)特殊土问题(不良工程地质特性)，黄土、冰碛土、盐渍土、河床深厚覆盖层等；(4)地质灾害，崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面塌陷；(5)其他，石漠化和沙尘等。
2. 活动断裂和地震活动
2.1 主要活动断裂发育分布特征
研究区主要位于南北地震带中段，东西向、近南北向和北西向的断裂极为发育(见图 3)。在总结前人研究资料的基础上，对研究区内活动断裂发育特征和活动性进行了梳理和补充调查，认为研究区内与成兰铁路、甘肃天水等重点城镇规划建设密切相关的活动断裂主要有龙门山断裂带、岷江断裂带、白龙江断裂带、西秦岭北缘断裂带等15条大型活动断裂带(见图 3，表 1)，这些断裂晚更新世以来活动强烈，并且具有诱发强震背景，其中：(1)位于青藏高原东缘与四川盆地相交的龙门山断裂带，由龙门山山前隐伏断裂、前山断裂、中央断裂和后山断裂等四条主干断裂组成宽约30~40 km的断裂带，总体走向北东40°~50°，延伸约500 km，断面西倾，倾角不定，晚第四纪以来持续活动，以右旋走滑为主兼具逆冲分量[11]，是龙门山地区地壳缩短增厚、山脉隆升与构造地貌演化的重要原因[12~14]。2008年5月12日沿龙门山断裂带的北川－映秀断裂发生Ms 8.0级强震，并产生了长约240 km的地表破裂带[15~16]，表现为逆冲－右旋错动性质，其中位于北川沙坪村的最大垂直位错量达6.5±0.5 m，右旋水平最大位错量约4.9 m[15]。(2)甘肃天水等城镇规划建设区内发育的西秦岭北缘断裂，是一条大型左旋走滑活动断裂带，分段性显著，自东南向西北主要分为宝鸡－天水断裂、天水－凤凰山断裂、甘谷－武山断裂、漳县断裂、黄香沟断裂和锅麻滩断裂等6段[17~18]，该断裂带晚更新世晚期以来活动强烈，平均水平滑动速率2~3 mm/a，垂直滑动速率为0.2~0.8 mm/a，历史上多发强震，如143年甘谷Ms7.0级地震、734年天水Ms7.0~7.5级地震等，其中天水－凤凰山断裂、甘谷－武山断裂、漳县断裂、黄香沟断裂对正在规划建设的甘肃天水、甘谷、武山和漳县等重要城镇，以及成兰铁路漳县段(与兰渝高铁共线)影响较大。
表 1 甘肃天水等城镇和成兰交通廊道沿线及邻区重要活动断裂特征与活动性一览表Table 1. Characteristics and activity of important active faults in the study area and adjacent areas编号 断裂名称及断裂分段特征 活动性质 活动时代 活动速率(VH-水平活动速率，Vv-垂直活动速率，mm/a) 与铁路或重点城镇的关系 1 龙门山前山断裂 江油-灌县断裂 逆冲兼右旋走滑 Q3~Q4 VH=5.0±，Vv≤0.5 与成兰铁路大角度相交 江油-广元断裂 右旋走滑/逆冲 Q1~Q2 VH=1.54 与兰渝铁路大角度相交 2 龙门山中央断裂 北川-映秀断裂 逆冲兼右旋走滑 Q3~Q4 VH=2.0~3.0，Vv=1.0± 与成兰铁路近于直交 茶坝-林庵寺断裂 南段走滑，北段逆冲 南段Q4，北段Q1-2 VH=1.0-5.0，Vv≤1.0 3 龙门山后山断裂 耿达-陇东断裂 逆冲兼右旋走滑 Q3~Q4 茂县-汶川断裂 右旋走滑/逆冲 Q4 VH=1.4±，Vv=0.5-0.9 与成兰铁路近于直交 平武-青川断裂 逆冲兼右旋走滑 Q3 VH=1.0±，Vv=0.5-0.7 4 岷江断裂 左旋走滑，走滑 Q4 VH≤0.2，Vv=0.37~0.53 与成兰铁路平行展布，与成兰铁路多次斜交 5 虎牙断裂 逆冲兼左旋走滑 Q4 VH=1.4~2.55，Vv=0.3~0.5 6 雪山梁子断裂 右旋走滑 Q3 与成兰铁路近于直交 7 龙日坝断裂 右旋兼逆断 Q4 VH=1~2，Vv=0.7 8 哈南-稻畦子断裂 左旋走滑兼逆冲 Q4 9 塔藏断裂 左旋走滑 Q4 VH=3.2~3.6，Vv=0.5~0.7 与成兰铁路大角度相交 10 迭部-白龙江断裂 左旋走滑兼逆冲 Q3~Q4 VH=5.0±，Vv=0.2~0.3 与成兰铁路近于直交 11 光盖山-迭山断裂 左旋走滑兼逆断 Q4 VH=0.51±0.13，Vv=0.49~1.15 与成兰铁路近于直交 12 临潭-宕昌断裂 左旋走滑兼逆冲 Q3~Q4 VH=2.0~2.5 与成兰铁路近于直交 13 礼县-罗家堡断裂 左旋兼正断 Q4 VH=0.64~1.25，Vv=0.24~0.47 穿越礼县县城 14 西秦岭北缘断裂 天水-凤凰山断裂 左旋兼正断 Q3~Q4 VH=2.1~2.8，Vv=0.4~0.7 穿越天水市区 甘谷-武山断裂 左旋走滑 Q4 VH=2.8 穿越甘谷县 漳县断裂 左旋走滑 Q4 VH=2.5 影响漳县和武山县 黄香沟断裂 左旋走滑兼正断 Q4 VH=2.3±0.2，Vv=0.28±0.08 与成兰铁路近于直交 15 马衔山断裂 左旋走滑 Q4 VH=2.5~3.0， 与成兰铁路大角度相交 2.2 地震活动
研究区地处我国著名的南北地震带中部的龙门山地震带、兰州－天水地震带上，是青藏高原北部地震亚区主要强震活动带之一。根据第五代中国地震危险性区划结果(1: 400万)，西秦岭北缘断裂带沿线抗震设防烈度均为Ⅷ度(0.2g)及以上地区，天水地区周边设防烈度达到Ⅷ度(0.3g)。自公元前193年起有地震记载以来至2016年间，研究区内发生≥Ms5.0级以上地震120余次，其中Ms 8.0级以上强震3次，Ms 7.0~7.9级强震8次，Ms 6.0~6.9级地震34次，目前最大的地震是1654年甘肃天水南Ms 8.0级地震、1879年甘肃武都南Ms 8.0级地震和2008年四川汶川Ms 8.0级地震，其次还有1933年叠溪Ms 7.5级地震、1718年通渭Ms 7.5级地震等强震，2017年8月8日，在四川九寨沟发生Ms 7.0级强震，中、强地震及其诱发地质灾害将对城镇和线路工程产生严重影响和潜在毁灭性破坏。
3. 浅表层地质灾害
甘肃天水等城镇和成兰铁路沿线山高谷深，地形切割破碎强烈，横穿龙门山、岷山、西秦岭等山脉，跨越岷江、白龙江和渭河等大江大河，多发育陡峻的V型谷，常见近直立的岸坡或陡崖，加之该区雨季强降雨集中，在内外动力耦合作用下形成的崩塌、滑坡和泥石流等浅表层地质灾害具有发育范围广、危害大等特征(见图 4~图 7)，滑坡的发育分布对区内铁路规划建设、公路运营安全，以及城镇建设安全具有严重的威胁和影响[10]。
图 4 研究区典型崩塌发育特征Figure 4. Development characteristics of typical collapses in the study area
图 5 研究区典型降雨型滑坡发育特征Figure 5. Derelepment characteristics of typical landslides triggered by rainfalls in the study area
图 6 研究区典型地震滑坡发育特征Figure 6. Develepment characteristics of typical seismic landslides in the study area
图 7 研究区典型泥石流发育特征Figure 7. Develepment characteristics of typical debris flows in the study area3.1 崩塌
崩塌灾害在研究区内发育较多(见图 4)，主要发育于深切河谷区，以及天然或人工开挖形成的陡峻斜坡中，其与岩体结构密切相关且多发育在石灰岩、白云岩、板岩地层中，并且在横向坡中崩塌发育较多，如松潘县下纳米村白马岩、茂县叠溪公路边等在雨季经常发生中小规模的崩塌，中断公路(见图 4a，4b)；在黄土地区也发育有较多小规模的崩塌(见图 4c)。在地震、降雨作用，以及长期卸荷和自重应力场作用下，高陡岩质边坡中极易发生崩塌，如2008年汶川地震中在新北川中学发生的岩石崩塌导致700人死亡(见图 4d)；2017年8月6日，国道213线茂县石大关境内发生高位山体塌方(见图 4e)，导致交通中断，塌方量约7000 m3左右，在该点位处曾于2014年、2016年发生多次山体崩塌，并造成公路中断和人员伤亡等灾害。
3.2 滑坡
根据已有资料，青藏高原周缘地质灾害极为发育，并发育大量大型、特大型－巨型滑坡，其中研究区内体积≥100×104 m3的超过2000处(见图 2)，体积≥500×104 m3的达800余处，体积≥1000×104 m3的近200处。影响滑坡发育分布的因素主要有地震、降雨、人类工程活动和断裂蠕滑等，以及在多因素耦合作用下发生滑动，如1990年发生的天水锻压机床厂滑坡即受到人工切坡和暴雨作用等多因素的共同影响[19]，对锻压机床厂造成了毁灭性灾害。研究区内滑坡的发育分布主要以降雨型滑坡为主，并发育大量的古地震滑坡和历史地震滑坡，其中部分古滑坡已发生复活并引起地质灾害事件，影响车站、隧道进出口和公路安全等问题，如成兰铁路松潘隧道入口的红花屯古滑坡即影响着铁路隧道的安全(见图 5a)。
3.2.1 降雨型滑坡
研究区地域跨度大，受地形地貌和气候分带的影响，区内年平均降雨量差异大，其中茂县多年平均降雨量为480~560 mm，松潘地区为720 mm，九寨沟为552 mm，白龙江地区为450~1000 mm，甘肃天水地区为450~700 mm，在强降雨、久旱与降雨交替等因素作用下，研究区内滑坡极为发育，广泛分布于黄土、碎石土和岩质斜坡中。在众多滑坡中，部分滑坡具有高位、高速远程的特点，并多分布在龙门山区、岷江流域和白龙江流域，如2017年6月24日，在数日降雨作用下，茂县叠溪新磨村发生高速远程滑坡碎屑流(见图 5b)，滑体从高3400余米的高度崩落并高速远程冲毁位于2300 m的新磨村，落差1100~1150 m，运动距离2500余米，滑坡方量1500~1800×104 m3，掩埋40余户农房，造成90余人失联，形成特大滑坡灾害；位于甘肃舟曲的泄流坡滑坡，20世纪以来剧烈滑动8次，其中1981年剧烈滑动，堵江高度达21 m，目前该滑坡仍在缓慢变形中[20]。
甘肃天水等城镇也面临地质灾害的严重威胁，如1990年8月11日，天水市区一场暴雨诱发20多处滑坡[19]，其中天水锻压机床厂滑坡，近200×104 m3的滑坡体在十几秒内突然快速水平滑动150余米，摧毁6个车间(见图 5c)，给该厂造成了毁灭性灾害[19~22]。2001年秦城区北山王家半坡老滑坡复活，威胁到玉泉中学、市三中等单位和居民的安全，目前天水市秦州区城区北山滑坡群仍呈蠕滑变形状态，危及北山白家堡子、中和巷、王家半坡、张家窑、玉泉观景区等五大区域。2013年7月30日，天水市麦积区伯阳镇龚坪山韩河村因近期强降雨引发一起长约1 km、宽约30 m的山体滑坡(见图 5d)，并形成一处蓄水约42×104 m3、水深约14 m的堰塞湖，威胁下游村镇人民群众生命财产安全。
3.2.2 地震滑坡
研究区内在强震作用下诱发的地震滑坡极为发育，从北向南主要分布有天水地区地震滑坡群、岷县地震滑坡群、叠溪地震滑坡群和龙门山地震滑坡群等4个地震滑坡集中发育区，总体上具有沿高山峡谷和近断裂带密集发育分布的特征。地震滑坡大多具有高位、规模大、滑速快、滑程远、破坏力强等特点[23]，对重大工程和城镇安全具有极大的威胁，王涛等[24]通过对南北活动构造带进行1: 100万地震滑坡危险性评价，认为区内45个地级城市中，有6个处于高危险水平；317个县级城市中，有55个处于高危险水平。
(1) 天水地区地震滑坡群：主要由1654年天水南Ms 8.0级地震、1718年通渭Ms 7.5级地震等强震作用下诱发形成的地震滑坡，发震断裂主要包括西秦岭北缘断裂、礼县－罗家堡断裂和通渭断裂带等。区内地震滑坡分布特征明显受地形地貌控制，大中型滑坡主要沿渭河、散渡河、藉河及支流沟谷密集发育，通常具有规模巨大、高速远程及致灾严重等特点，以黄土－泥岩复合型滑坡为主，滑面发生在下伏新近纪泥岩地层中。典型滑坡包括磐安镇滑坡、海头村滑坡和笔架山滑坡等。其中1718年通渭地震触发的磐安巨型地震滑坡由三个滑坡体构成[25]，总体积约6.06×108m3，其前缘已发生局部复活，危及公路安全(见图 6a)。
(2) 岷县地震滑坡群：岷县地区历史地震频发，有记载以来的主要有1961年岷县东Ms 5.7级地震，2003年岷县Ms 5.2级地震等，最近一次强震是2013年发生的岷县Ms 6.6级地震，该次地震诱发了大量滑坡，造成同震滑坡6478处[26]，滑坡类型以黄土崖崩塌、滑坡和倾倒为主，同时发育有一系列大型深层土质－泥岩滑坡，如红光村滑坡(见图 6b)、永光村1#滑坡、永光村2#滑坡等，其中永光村1#滑坡最长水平运动距离1.1 km，平面分布面积为4.2×104 m2[27]。
(3) 叠溪地震滑坡群：叠溪地震滑坡群位于南北活动构造带中段，地震滑坡主要由1933年8月25日叠溪Ms7.5级地震诱发，集中分布在岷江河谷及其右岸支流(松坪沟、鱼儿寨沟、水磨沟)两岸，滑坡体主要由湖相沉积物构成，堵江后形成十余座天然堆石坝和堰塞湖，包括叠溪较场坝附近著名的大海子和小海子[28]，它们分别由银屏崖崩塌和较场滑坡群堵江形成；在地震后45天，堰塞湖溃决，造成下游2500余人死亡。
(4) 龙门山地震滑坡群：龙门山地区是南北构造带中部地震滑坡发育最为密集的区域，其中2008年汶川Ms8.0级地震诱发了数以万计的地质灾害，导致约2万人死亡，在龙门山中央断裂带附近，发育多处大型－特大型高速远程滑坡－碎屑流，滑坡大多具有先崩后滑的特点，后续次生灾害频发。该类滑坡滑床往往不具连续平整的滑面，在高速滑动过程中，包含了气垫效应、铲刮效应、撞击折返及震动液化等动力学过程[4]。典型滑坡包括大光包滑坡、文家沟滑坡－碎屑流、东河口滑坡－碎屑流(见图 6c)、谢家店子滑坡－碎屑流等。同时，该区还发育一些历史地震中形成的古滑坡，如茂县周场坪滑坡(见图 6d)等。
3.3 泥石流
研究区地形地貌和地质构造条件极为复杂，在强震作用下造成岩土体结构破坏强烈、山体稳定性差，同时受季风气候控制，降雨量时空分布不均，即多暴雨且发生频繁，加之人类活动影响，该区泥石流灾害频繁发生，是我国泥石流最为活跃、发育密度和规模最大的地区之一。本区泥石流以沟谷型为主(见图 7)，发育少量坡面侵蚀型泥石流。在区域上，泥石流主要分布在高山峡谷区、活动构造带附近，以及历史强震区内。如2010年8月7日，在强降雨作用下，位于白龙江断裂带内的舟曲县罗家峪和三眼峪地区同时爆发泥石流(见图 7a)，由北向南冲向县城，冲毁谷坊坝、房屋、公路、阻断白龙江形成堰塞湖，其中三眼峪泥石流沟沟长约6 km，流域面积达26 km2，泥石流发源地与沟口高差达2500 m，沟谷坡降平均为30%，最大达60%以上，具有短径流、高洪峰等特点。
正在规划建设的成兰铁路受泥石流危害极为严重，其经过的安县、茂县和松潘县等地段内位于2008年汶川地震极震区内，在汶川地震之后形成的若干大型、巨型泥石流直接威胁着铁路选址、施工和运营安全，如文家沟泥石流(见图 7c)、小岗剑泥石流、红椿沟泥石流等。在泥石流发育区，铁路规划受泥石流的净空控制，部分比选线路需要抬高高程，还导致部分比选车站设置在桥梁上[29]，需要定期清理泥石流堆积物，降低泥石流百年淤积高度等，或进行绕避，如槽木沟泥石流[30]。
泥石流还对城镇安全具有重要的影响，如位于岷江右岸、紧靠松潘县进安镇顺江村西侧发育的上窑沟泥石流(见图 7b)，其形态近似椭圆形，流域面积约为1.71 km2，主沟长约2.29 km，沟床纵比降约282‰。该沟于1979、1987和1988年的雨季曾发生3次较大规模泥石流，其后在2001年－2008年期间，在每年雨季均发生泥石流，对沟口进安镇顺江一村和G213国道构成严重威胁。受2008年“5.12”汶川地震影响，沟域内堆积了大量松散固体物质，使得泥石流易发程度显著提高。近年来，当地政府陆续修筑谷坊坝、拦挡坝和排导槽等工程措施，有效降低了泥石流危害性。但由于该泥石流沟地形陡峻、沟壑密集，发育众多崩塌、滑坡和不稳定斜坡等灾害，以及泥石流松散固体物源的汇集提供了有利条件，在强降雨条件下泥石流对沟口两侧房屋等仍存在极为严重的危害。在甘肃天水等城镇地区，受泥石流危害也极为严重，天水市罗玉沟曾发生过10余次淹没城市的重大泥石流灾害。2013年7月，天水市连续遭遇数次暴雨洪涝灾害，引发山洪泥石流、滑坡及山体崩塌等灾害，其中2013年7月24日，天水市麦积区马跑泉镇大沟村、天水市秦州区娘娘坝镇等地区发生特大泥石流(见图 7 d)，造成严重经济损失。
4. 深埋隧道重大工程地质问题
研究区内地形起伏大，高山峡谷地貌极为发育，在成兰铁路、兰渝铁路等交通运输网的建设中，隧道工程占据重要的比例和地位，并有一系列深埋长大隧道，如成兰铁路跃龙门隧道长约19.98 km，最大埋深约1520 m。由于特殊的地形和地质条件，铁路隧道穿越高地应力、软弱围岩等地段的深埋长大隧道越来越多，同时也遇到了活动断裂断错、软岩大变形、高地温、深埋隧道岩爆和涌突水等地质难题(见图 8)。
图 8 研究区成兰铁路隧道施工中发生的典型工程地质问题Figure 8. Typical engineering geological problems during the railway construction along the Chengdu-Lanzhou Railway4.1 活动断裂断错
断裂带碎裂岩体和蚀变软岩引起的隧道和边坡变形破坏成为制约铁路建设的重要工程地质问题之一，这些特殊岩土体在青藏高原东部普遍存在[31]，而这些问题是必须通过面上地质调查和专项研究才能攻克的难题，是目前该区重大工程规划建设的拦路虎。活动断裂的工程断错问题，往往由于认识不清，造成重大损失，或有些工程尽管修建完成，但问题仍然存在，如在建的兰渝高速铁路西秦岭段隧道施工中，由于断裂带附近的高地应力和岩体破碎，导致隧道围岩严重变形破坏，已延误工期一年多，直接经济损失超过3亿元[32]。
调查研究表明，成兰铁路沿线主要受9条大型活动断裂带的影响，在四川境内，铁路穿越极强活动的龙门山断裂带的北川－映秀断裂和东昆仑断裂带东段的塔藏断裂(玛曲－荷叶断裂)，这2条极强活动断裂分别于2008年和1879年诱发了汶川Ms8.0级和武都南Ms8.0级强震，铁路应重点关注断裂活动引起的断错效应、隧道软岩大变形和地震地质灾害等问题；在四川境内，断裂还穿越强烈活动的雪山梁子断裂，与强烈活动的岷山断裂平行展布，局部共线或小角度相交(见表 1)，这2条强烈活动的断裂控制着岷山区域的隆升和岷江的形成发展，断裂带规模大，历史地震和斜坡地质灾害发育，需要重点关注断裂活动对隧道、桥梁引起的断错效应、地基不均匀沉降和斜坡地质灾害问题。
在甘肃境内，成兰铁路穿越极强活动的西秦岭北缘断裂黄香沟断裂段，该段断裂走滑活动速率显著、具有强震发育背景，与铁路大角度相交，需要关注该段断裂的断错效应和诱发地震灾害；铁路还与强烈活动的白龙江断裂、光盖山－迭山南麓断裂、中等活动的光盖山－迭山北麓断裂、临潭－宕昌断裂呈大角度相交，这4条断裂总体走向为北西向，控制着区域山谷、河流等地形地貌的展布，断裂带内地质灾害极为发育且危害严重，应重点关注断裂活动引起的断错效应和斜坡地质灾害。
4.2 高地应力
在青藏高原东部复杂地质构造环境的影响下，研究区内区域构造应力特征明显，基本处于以北西西－北西向的近水平主压应力为主的现代构造应力场中[33]。中铁二院通过对成兰铁路沿线地质构造特征及32个深孔186个测段的水压致裂法地应力实测数据统计分析[34]，认为：成兰铁路工程区南段地应力特征表现为最大水平主应力SH＞垂直主应力Sv＞最小水平主应力Sh，以构造应力场为主，最大水平主应力SH优势方向均在北西285°－340°之间，与区域构造应力方向基本一致；而北段地应力特征表现为最大水平主应力SH＞最小水平主应力Sh＞垂直主应力Sv，构造应力场更为明显，最大水平主应力SH优势方向为北东20°－北西312°，受西秦岭构造带影响，变化较大，并认为成兰铁路沿线侧压力系数(即最大主应力SH与垂直主应力Sv的比值)1.12~1.77，平均值为1.33，说明区域构造应力场特征明显。张鹏等[32]对兰渝铁路临潭－宕昌断裂带段开展了水压致裂法地应力测量分析，获得了隧道内最大、最小水平主应力大小分别为38.4 MPa和15.8 MPa，最大水平主应力方向总体为北东47°－北东55°，揭示了隧道内现今地应力状态为SH＞Sh＞Sv。高地应力是引起深埋隧道岩爆、软岩大变形等重大工程地质问题的主要因素。
4.3 软岩大变形
隧道围岩大变形主要是指发生在低级变质岩、断裂破碎带及煤系地层等一些低强度围岩中，容易引起开挖变形不收敛，造成支护失效，形成塌方，或者变形过大导致支护侵限和支护拆换，长期变形造成二次称砌开裂失效等。如在建的成兰铁路成都至川主寺段在隧道施工中有多段出现了不同程度的软岩大变形破坏现象(见图 8a)，柿子园隧道、跃龙门隧道、松潘隧道、榴桐寨隧道、茂县隧道、杨家坪隧道等隧道软岩大变形问题严重[35~36]，其中松潘隧道D3K243+823~D3K243+859段最大变形量达53.8 cm、隧道D3K244+200~D3K244+240段监控量测数据变形速率超标等[35]。
成兰铁路柿子园隧道围岩大变形现象显著，该隧道位于四川省绵阳市安县境内，沿雎水河左岸傍河而行，隧道穿越地层主要为中生代和古生代(T-D)沉积岩，并穿越龙门山前山断裂带、太平场倒转向斜构造带、龙门山中央断裂带三大构造体系，受断层影响严重，层面紊乱，节理裂隙发育，岩体破碎。在4号横洞工区施工过程中，发现左线D3K87+353~D3K87+500段仰拱填充及拱部有裂缝[36]，且有向掌子面方向逐渐增强的趋势，右线则逐步发现裂缝痕迹，造成工期延误，并引起后期工程变更和增加投资。
4.4 隧道涌突水突泥
成兰铁路全线的涌突水(泥)段落主要集中在岩溶发育地段及构造发育地段，全线岩溶发育的隧道共有13座，可溶岩段落长度达55 km，其中试验段可溶岩长度约30 km。可溶岩地段主要为跃龙门隧道地区、九寨沟地区及甘肃段，岩性多为灰岩夹层，岩溶弱－中等发育，局部地段为灰岩，岩溶中等－强烈发育，如黄龙景区、神仙池景区都是非常著名的钙化池。另外本线断裂众多，构造发育，在断裂活动等构造影响范围内，岩体节理裂隙发育地段很可能遇到突水、突泥等灾害(见图 8b，8c)，如柿子园隧道和跃龙门隧道即发育有岩溶及其引起的涌水突泥现象，其中跃龙门隧道在开挖初期每天突泥、突砂量超过3×104 m3，严重影响了施工进度和质量。
5. 结论与讨论
活动构造与地壳稳定性、地质灾害是密切相关的，活动构造可以直接诱发地质灾害，构造活动引发的地震又可以进一步造成崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害，对地质环境、重大工程建设造成重要影响。甘肃天水等城镇和成兰交通廊道位于青藏高原东部南北活动构造带中段，断裂活动性强、地质灾害发育密度大、部署建设的重大工程多，并且遇到的工程地质问题多且复杂。通过对研究区内地质构造、地层岩性、断裂活动、地质灾害和重大工程地质问题的资料分析和野外调查分析得到如下认识。
(1) 青藏高原复杂特殊的地质环境决定了工程地质问题的地域性、复杂性和特殊性，制约着重大工程规划和建设，并导致区内重要城镇、重大工程建设过程中工程地质问题频发，防灾形式严峻。
(2) 在区域地质灾害调查评价方面，此前主要关注降雨等外动力因素诱发的地质灾害问题，地震地质灾害调查评价工作十分薄弱。在关键理论与技术创新方面，亟需针对地震地质灾害调查与风险区划有关的关键科技问题取得突破，主要包括在不同断裂活动类型、震源机制及场地条件下的斜坡地震动响应及破坏规律，地震滑坡成灾模式，地震滑坡快速应急及潜在风险评估区划技术等。
(3) 随着重大工程建设的推进，受地形地貌和地质构造条件的限制，深埋长大隧道、高陡边坡和特大桥等重要单体工程日益增多，出现了众多深埋长大隧道，在工程建设中遇到岩爆、软岩大变形、高地温和活动断裂断错作用等因素的影响，严重制约铁路、公路和水利水电工程的规划，亟需针对深埋长大隧道、高陡边坡和特大桥等重要工程规划区开展专项工程地质调查。
(4) 研究区内地形地貌和地质条件极为复杂，宜围绕重大工程地质问题和工程规划建设需求，开展重点地段1: 5万综合工程地质调查，同时，与工程规划建设方构建地质资料共享机制，充分集成工程建设场地所开展的工程勘察、设计及施工过程中的地质资料数据，形成基础性、公益性地质调查成果，并进一步为重大工程规划选址、建设运营提供基础地质资料和技术支撑。
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图 1 甘肃北山哈尔特尔德勒岩体地质简图[13]
Figure 1. Geological sketch map of the granite mass in Haerteerdele area, Beishan, Gansu Province
图 4 哈尔特尔德勒花岗岩体稀土元素球粒陨石标准化分布模式图(a)和原始地幔标准化蛛网图(b)[19]
Figure 4. Chondrite-normalized REE patterns (a) and primitive mantle normalized spidergram (b) of the Haerteerdele granite mass
图 5 哈尔特尔德勒岩体锆石特征和LA-ICP-MS测点位置
Figure 5. Zircon characteristics and LA-ICP-MS measuring points of the Haerteerdele granite mass
图 6 单颗粒锆石的谐和图及206Pb/238U加权平均年龄直方图
Figure 6. Concordia diagram and 206Pb/238U weighted average age histogram of single-grain zircon
表 1 哈尔特尔德勒二长花岗岩主量元素及稀土、微量元素分析结果
Table 1. Analysis results of major elements, rare earth elements and trace elements of the Haerteerdele monzonitic granite
样品 YQ-3 YQ-21 YQ-32 YQ-6 YQ-9 YQ-23 YQ-41 YQ-1 YQ-15 YQ-26 SiO2 78.0 74.59 76.15 76 76.28 75.66 77.0 75.6 74.98 72.2 Al2O3 11.5 13.31 12.38 12.34 12.19 12.33 12.1 12.5 12.58 13.42 Fe2O3 0.01 0.01 0.01 0.58 0.06 0.24 0.01 0.01 0.1 0.01 FeO 1.32 1.74 1.96 1.02 1.45 1.6 1.33 2.33 1.82 2.3 CaO 0.74 0.57 0.8 0.67 0.84 0.7 0.6 0.89 1.24 2.27 MgO 0.21 0.33 0.22 0.2 0.14 0.15 0.14 0.21 0.42 0.78 K2O 4.37 5.49 4.92 4.86 4.59 5.32 5.05 4.84 4.52 3.86 Na2O 3.2 3.83 3.14 3.35 3.5 3.04 3.07 3.35 3.25 3.72 TiO2 0.12 0.17 0.16 0.14 0.13 0.15 0.12 0.14 0.22 0.24 P2O5 0.02 0.02 0.03 0.02 0.02 0.02 0.02 0.04 0.04 0.06 MnO 0.02 0.02 0.03 0.02 0.04 0.04 0.03 0.03 0.04 0.04 LOI 0.7 0.76 0.74 0.77 0.75 1.06 0.63 1.08 0.79 1.69 Pb 34.2 22 29.7 38.3 34 26.8 39.7 36.3 25.4 26.3 Cr 6.49 9.46 15.2 8.5 4.31 11.6 2.16 4.24 7.71 9.14 Ni 1.87 3.49 6.21 4.77 1.55 2.42 0.83 1.94 3.14 5.38 Co 1.08 2.72 1.29 2.16 0.87 1.94 0.62 1.1 2.66 3.2 Rb 273 164 251 214 339 182 191 222 199 209 Cs 3.54 1.58 2.38 4.14 11 2.33 1.74 4.02 2.22 4.64 Sr 41.4 77.4 74.5 45.8 27.1 69.1 40.4 39.4 80.7 174 Ba 121 350 297 150 114 414 145 151 404 366 Sc 1.83 7.22 3.63 2.62 1.6 7.46 2.66 1.54 8.91 6.05 Nb 14.6 10.2 12.9 17.4 19.5 12.8 11.3 14.5 13.1 15.2 Ta 1.15 0.85 1.03 1.28 1.54 0.94 0.93 1.14 0.95 1.3 Zr 130 241 265 220 203 235 178 160 201 156 Hf 5.45 6.86 7.43 6.62 7.28 6.71 5.8 5.59 6.21 5.04 U 3.76 1.86 1.83 2.75 4.9 1.58 1.92 1.76 2.34 2.36 Th 45.3 18.8 25.5 25.6 29.7 19.5 18.2 25.9 20 21 La 49.9 82.1 103 73.8 53.3 112 42.7 54.1 58.8 46.4 Ce 110 175 195 150 120 209 83.4 117 132 97.5 Pr 12.7 20.2 20.9 18.4 13.7 22.5 9.54 13.7 15.8 12 Nd 48.8 78.2 78.2 69.8 53.6 85.7 34.3 53 64.3 47 Sm 10.5 14.8 15.8 14.4 12.2 15.2 8.33 11.5 15.5 11.4 Eu 0.4 0.64 0.74 0.56 0.41 0.82 0.53 0.48 0.72 0.62 Gd 9.9 11.8 14.9 12.9 12.3 13.2 6.98 10.9 16.6 11.8 Tb 1.7 1.78 2.41 2.14 2.07 2.04 1.09 1.8 2.75 2.08 Dy 9.98 9.08 13.5 11.4 12.6 10.8 5.89 10.4 15.6 12.5 Ho 1.96 1.66 2.58 2.28 2.51 2.12 1.18 2.02 2.98 2.52 Er 5.56 4.4 6.78 6.22 7.27 5.76 3.18 5.63 7.83 7.1 Tm 0.87 0.64 0.96 0.9 1.09 0.82 0.49 0.85 1.09 1.08 Yb 5.31 3.73 5.55 5.32 7.05 5.02 3.17 5.26 6.3 6.74 Lu 0.77 0.53 0.75 0.78 0.97 0.73 0.51 0.78 0.85 0.93 Y 57.3 37.8 69.4 60.2 74.3 54.4 27.7 55.1 85.3 74.7 LREE 232.3 370.94 413.64 326.96 253.21 445.22 178.8 249.78 287.12 214.92 HREE 36.05 33.62 47.43 41.94 45.86 40.49 22.49 37.64 54 44.75 δEu 0.12 0.14 0.15 0.12 0.1 0.17 0.21 0.13 0.14 0.16 
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表 2 哈尔特尔德勒二长花岗岩(TW07) 锆石U-Pb同位素分析结果
Table 2. LA-ICP-MS U-Pb zircons dating results of Haerteerdele monzonitic granites (TW07)
Analysis Th U Th/U Pb207/Pb206 Pb207/U235 Pb206/U238 Pb208/Th232 Pb207/U235 Pb206/U238 Pb208/Th232 ratio 1sigma ratio 1sigma ratio 1sigma ratio 1sigma ratio 1sigma ratio 1sigma ratio 1sigma TW7-1 185.31 357.06 0.52 0.05393 0.00261 0.44243 0.01727 0.05949 0.00092 0.01816 0.00042 372 12.16 372.5 5.62 363.7 8.38 TW7-4 120.70 330.65 0.37 0.05399 0.00303 0.44027 0.0211 0.05913 0.00101 0.01947 0.00062 370.4 14.87 370.3 6.16 389.8 12.2 TW7-5 183.47 462.75 0.40 0.0539 0.00249 0.4371 0.01587 0.05881 0.00089 0.01904 0.00045 368.2 11.21 368.4 5.4 381.2 8.97 TW7-6 219.49 743.12 0.30 0.05385 0.00208 0.43574 0.01158 0.05867 0.0008 0.01985 0.0004 367.2 8.19 367.5 4.9 397.3 7.97 TW7-9 212.08 493.50 0.43 0.054 0.00233 0.44641 0.01452 0.05995 0.00087 0.01837 0.00039 374.8 10.19 375.3 5.31 367.9 7.74 TW7-10 255.38 619.72 0.41 0.05482 0.0024 0.4409 0.01468 0.05832 0.00086 0.01855 0.00041 370.9 10.34 365.4 5.22 371.4 8.05 TW7-20 354.68 1074.24 0.33 0.05414 0.00242 0.45062 0.01556 0.06037 0.0009 0.01959 0.00049 377.7 10.89 377.8 5.48 392.2 9.68 TW7-22 132.62 357.72 0.37 0.05462 0.00363 0.43867 0.02606 0.05825 0.00113 0.0197 0.00077 369.3 18.4 365 6.9 394.3 15.22 TW7-25 281.59 842.06 0.33 0.05411 0.0022 0.44406 0.01303 0.05953 0.00084 0.01909 0.0004 373.1 9.16 372.8 5.14 382.2 7.99 TW7-26 70.35 180.46 0.39 0.05413 0.00374 0.44357 0.02759 0.05944 0.00117 0.01646 0.00068 372.8 19.41 372.2 7.14 329.9 13.51 TW7-27 261.00 730.45 0.36 0.05416 0.00195 0.44916 0.01012 0.06016 0.0008 0.02093 0.00034 376.7 7.09 376.6 4.88 418.6 6.75 TW7-30 177.79 600.40 0.30 0.05378 0.00256 0.43647 0.01657 0.05886 0.00091 0.0192 0.00053 367.8 11.72 368.7 5.55 384.5 10.58 TW7-31 76.48 212.91 0.36 0.05403 0.00295 0.44391 0.02056 0.0596 0.00101 0.01977 0.0006 373 14.46 373.2 6.12 395.7 11.99 TW7-32 258.61 957.70 0.27 0.05418 0.00185 0.44755 0.00886 0.05992 0.00078 0.02023 0.00032 375.6 6.21 375.2 4.76 404.9 6.32
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