广西桂北硅化岩三元结构模型研究及其工程地质意义

李志青

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

广西桂北山区发育的资新断裂，在漫长的地质历史时期经过多种构造作用形成其特有的岩层标志——硅化岩。其独特的岩石性质对该地区地貌的形成起到了关键作用，并影响了关联地层的主要工程地质特性，间接的成为该地区多种地质灾害发生的因素。

目前国内外对硅化岩的研究主要集中于地球化学特征、构造意义上的分布特征及沉积环境分析，或者仅是施工技术应对等。而对硅化岩影响其关联地层的物理性质研究较少，而人类建设工程主要受岩层的物理性质影响。

通过桂北某高速公路的勘察以及施工期间的灾害预防与处置工作期间，在前人的研究基础之上，系统的从硅化岩的形成历史分析及现场综合勘察手段验证总结出目前该地区的地貌形态成因以及受其影响的关联地层工程地质特性，对该地区工程勘察、设置及地质灾害预防与处置提出了较为稳妥的建议。目前，该高速公路已建成通车，效果良好。

1 概 况

广西资源(梅溪)至兴安高速公路项目是国家高速公路网络中，呼北高速(呼和浩特—北海)公路的组成部分。整个线路地域内属桂林市的辖区范围，项目起点位于资源县梅溪乡，接湖南洞口至新宁高速公路；终点位于兴安县严关镇，接泉南高速公路兴安至桂林段。

线路区域位于江南地轴南缘与湘桂褶皱带交汇处，为扬子准地台和南华准地台的过渡地带，地质构造特征具有扬子准地台和南华准地台的两重性。在同一种构造条件和构造力的作用下，经过加里东、印支、燕山三次剧烈的褶皱断裂运动，路线走廊区域内形成的褶皱和断裂展布基本呈北北东向构造。而项目中所遇到的资新断裂便是在如此的地质背景中形成。路线在资源县境内主要沿资新断裂行走。

2 硅化岩的历史形成及其特性

2.1 硅化岩的历史形成

根据《中华人民共和国区域地质报告—城步幅》研究结果揭示，硅化岩的历史形成主要经历了震旦纪的沉积时期，寒武纪—志留纪的硅化变质时期。

硅化岩原岩为板岩，在加里东期岩浆伴随着强烈褶皱侵入以及资新断裂的活动过程，使原有板岩构成了该地区越城岭断褶带的东翼。而在该段岩浆活动时期，伴随着热液作用，完成了从板岩到硅化岩的变质过程。硅化岩沿资新断裂分布(见图1)，是越城岭花岗岩体与白垩系沉积盆地的分界，其与资兴高速在资源段走向基本一致。

图1 越城岭断褶带地质构造

2.2 硅化岩的主要特性

在上述构造作用下，形成了目前的硅化岩(见图2)，青灰色—灰白色，成分以石英为主，隐晶质结构，板状构造，岩质坚硬，节理裂隙不发育，岩体完整，主结构面产状310(°)∠30(°)。选取资兴高速K24附近钻孔岩芯进行力学指标测定：其单轴抗压强度达188.9 MPa，属于很强级别岩石强度；粘聚力及摩擦角分别为65 kPa、30(°)[1]。上述性状表明硅化岩致密，强度大，极其坚硬；正因为硅化岩具有较好的岩石指标，不易在自然作用下风化，使其在后期的地壳运动中控制了该地区白垩系沉积盆地的分布。

图2 硅化岩钻探取芯

3 硅化岩对关联地层的影响

选取资兴高速K14+700处作为典型断面对硅化岩附近地层做高密度电法测试，得到高密度电法反演成果并对其进行分区。按照地层空间位置分别划分出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ个区域代表硅化岩关联地层的三元结构模型。其中Ⅰ区主要指加里东期花岗岩，其影响了硅化岩的形成，反过来，硅化岩影响了其风化程度；Ⅱ区主要指硅化岩；Ⅲ区在反演图上表示为砾岩，这是由于本研究区域主要与硅化岩接触的地层为白垩系的砂砾岩，但Ⅲ区并不仅仅代表白垩系地层，按照历史成因分析，其可包括硅化岩形成之后出现的自石炭系到第四系以来的各类地层(见图3)。

图3 三元结构模型

3.1 三元结构模型中地下水分布特征

该区域地下水主要由大气降水补给，在三元结构模型中地下水的来源由大气降水及越城岭基岩裂隙水侧向补给构成。由于硅化岩致密、相对隔水的特性[2]，造成该结构中对应Ⅰ区、Ⅲ区形成了不同的地下水影响类型(图4)。在Ⅰ区，由于硅化岩的隔水作用，致使地下水在硅化岩与花岗岩交界处流动迅速衰减，造成相对富水；在Ⅲ区，由于地下水通过沉积岩层下渗至硅化岩面，造成大量地下水沿硅化岩面排泄，形成一排泄通道，相较远离硅化岩面地层富水。

图4 地下水径流示意

从图4可知，三元结构模型中水流排泄模式共有3种。①地表径流排泄模式：主要由大气降水补给，直接从地表排泄；②地表径流、地表下渗排泄模式：主要由大气降水补给，从山体流至硅化岩西侧后下渗，沿硅化岩面排泄；③地表径流、地表下渗汇集模式：主要由大气降水、越城岭基岩裂隙水补给，大气降水从山体硅化岩东侧直接下渗形成越城岭基岩裂隙水后于硅化岩与花岗岩交界处汇集。主要泉水等岩层侧向径流模式排泄。

3.2 硅化岩对越城岭花岗岩的影响

加里东期侵入岩，当岩体侵入后尚未凝固，猫儿山主体随之侵入，伴随强烈的褶皱运动，使靠近硅化岩(即资新断裂)附近的花岗岩呈片麻状构造。在三元结构模型中，其下伏于硅化岩，对硅化岩的硅化过程提供了热量及物质基础。

从图3中可判释出：在硅化岩下部一定深度的花岗岩电阻率在750～3 000 Ω·m之间，而同类型花岗岩其上部未有硅化岩存在时(以同禾隧道进口为例，其高程以及测深类似，硅化岩东侧约1 000 m)电阻率缺在3 000～6 000 Ω·m之间(见图5)。这说明硅化岩的存在对下伏的花岗岩起到促进风化作用[3]。

图5 同禾隧道加里东期花岗岩电阻率成果

综合硅化岩特性分析，硅化岩致密导致其为相对隔水层，导致越城岭向白垩系盆地排泄的地下水在硅化岩后呈聚集形态。长时期的富水状态导致有硅化岩上覆的花岗岩层风化程度要高于无硅化岩上覆的花岗岩。

3.3 硅化岩对沉积地层的影响

石炭系、白垩系地层均上覆于硅化岩，呈不整合接触。石炭系主要以炭质页岩为主，白垩系主要以砂岩、砾岩为主，泥钙质胶结[4]。

从图3可判释出：三元结构模型中Ⅲ区白垩系砾岩的电阻率在200～600 Ω·m之间，而远离硅化岩同属白垩系砾岩(以大石山隧道为例，硅化岩西侧约500 m)的电阻率在300～1 000 Ω·m之间(见图6)。

图6 大石山隧道白垩砾岩电阻率成果

在资兴高速施工期间，位于K3～K5段落的单面山部分挖方段落多次发生地质灾害：K3+500段落分别于2014年及2015年雨季发生开裂及滑塌；K4+500段落于2015年10月及11月发生滑塌；其主要表现为挖方边坡未完全的清除Ⅲ区地层，导致该类地层在暴雨的诱发下发生滑塌现象。并且重复性很高，最终将该类地层全部清除，直接将挖方边坡置于硅化岩面后才完成治理工作。

综合上述现场成果分析认为：硅化岩其稳定的化学特性，致使后期的沉积地层均未能与硅化岩形成稳固的地层形态，其属于相对隔离状态；硅化岩相对隔水的特性造成大量降雨从硅化岩面与沉积地层之间渗入，并在硅化岩面形成水流通道，水流的作用对富含粘土矿物的Ⅲ区地层产生了破坏，致使靠近硅化岩的地层力学性质较差[5]。

综合对三元结构模型地下水分布特征及对Ⅰ区、Ⅲ区的影响分析，可判断出：正是由于硅化岩的作用才造就了该模型的存在，通过其自身的岩石特性，改变了局部地下水径流模式，造成Ⅰ区花岗岩及Ⅲ区硅化岩接触带工程地质条件较同类型地层差。这对该区域工程设置及地质灾害分布产生了较大影响。

4 影响及建议

工程类型的设置要与场地工程地质条件相匹配，否则易引发次生地质灾害或造成工程投资浪费。在调查访问过程中，发现当地很多民居修建于硅化岩与白垩系地层交界处，由于Ⅲ区地层力学性质较差，致使在雨期部分房屋发生开裂、基础破坏等现象，给当地居民造成人身安全威胁及巨大经济损失。资兴高速在设计阶段便将此模型工程地质条件充分考虑，但由于线型控制及施工因素，在建设期间发生了多次工程变更。通过三元结构模型特征分析，针对各类工程特点提出应对方案，从而保证工程建设安全及投资控制。

1)隧道工程应在远离该结构模型地层中设置。Ⅰ区相对富水及风化程度较高，隧道施工时易遇到围岩差、涌水量大等不利条件，并容易造成Ⅰ区汇集的地下水沿隧道排泄，破坏原有地下水径流模式，造成当地居民生活所用泉水枯竭。Ⅲ区靠近硅化岩面地层力学性质较差且存在地下水排泄通道，隧道施工时易出现围岩极差、暴雨时期涌水量极大等不利条件。

2)桥梁工程设置应查明地层界限及风化程度。Ⅰ区存在花岗岩风化程度较大现象，在勘察期间，周围极坚硬的硅化岩，完整的花岗岩层容易造成误判，致使桥梁桩基类型或端承桩长度错误[6]。Ⅲ区在设置桥梁基础时应将基础置于稳定的硅化岩层中。

3)路基工程设置应避免在Ⅲ区出现挖方边界不够。由于Ⅲ区靠近硅化岩面地层力学性质较差，当挖方边界不能达到硅化岩面时，施工干扰更容易促发硅化岩面之上剩余地层滑塌。应将挖方边界设置于硅化岩面上，将易滑地层进行全部清除。

4)民居应避开Ⅲ区靠近硅化岩面地层。由于该属于低山地区，能够修建住宅房屋的区域相对较为稀缺，居民通常选择地势较为平坦的Ⅲ区靠近硅化岩面处修建；但硅化岩及其坚硬，致使居民无法将房屋基础坐落于稳定的硅化岩中。在暴雨时期或Ⅲ区地层扰动情况下，造成房屋基础失稳或开裂。

5)目前资兴高速已建成通车，较大的人为干扰因素较少发生；故该地区主要的地质灾害隐患便集中在Ⅲ区硅化岩接触带附近，其力学性质差，又兼备地下水排泄通道的功能使得该区域在暴雨实况下极易发生滑坡、溜坍等地质灾害；改善该区域人类建筑物的防排水措施及改变相对应的Ⅲ区硅化岩接触带力学性质是预防上述地质灾害的主要手段。

5 结 论

1)加里东期岩浆活动是现有硅化岩层形成的主要因素，其特有的性质在后期控制了沉积盆地的形成。

2)硅化岩致密、隔水的特性对侵入接触的下伏地层及不整合接触的上覆地层产生一定影响，形成了特有的三元结构模型。

3)三元结构模型中硅化岩是影响因素，Ⅰ区富水且风化程度较高，Ⅲ区与硅化岩接触带地层力学性质差且为地下水排泄通道是影响结果。

4)三元结构模型对设计、施工的指导意义即Ⅰ区岩层风化程度的迷惑性和Ⅲ区与硅化岩接触带力学性质差易破坏性。

5)改变人类建筑物在Ⅲ区硅化岩接触带附近的防排水措施及接触带力学性质是预防该区域地质灾害的主要手段。