嵩山世界地质公园地质工程野外教学体系的构建与探索

摘要：野外教学是地质工程专业巩固课堂理论知识、培养学生科研素养和实际工作能力的重要教学环节。多年来，郑州大学水利与环境学院充分利用嵩山世界地质公园实习基地丰富而典型的野外地质教学资源，取得了很好的实践教学效果。根据多年的嵩山地质实践教学探索，提出了适合于交通运输专业方向的地质工程实习的内容、方法及特色。

关键词：嵩山世界地质公园；地质工程野外教学；实践教学资源；实践教学体系

作者简介：王志荣（1963-），男，浙江嘉善人，郑州大学环境与水利工程学院，副教授。（河南 郑州 450001）

中图分类号：G642.42     文献标识码：A     文章编号：1007-0079（2011）13-0124-02

嵩山位于河南省西部登封市境内，是我国著名的“五岳”之一——“中岳”。2004年2月13日，嵩山被联合国教科文组织评为全球第一批世界地质公园。2010年8月1日，联合国教科文组织第34届世界遗产大会审议通过，将中国的登封“天地之中”历史建筑群列为世界文化遗产。从此，古老的中原大地首添了一处兼具自然与人文珍稀遗迹的“圣地”。

嵩山的大地构造位置处华北古陆南缘，是我国构造稳定区与活动区的过渡地带。公园内三大类岩石发育齐全，而且连续完整地出露35亿年以来太古代、元古代、古生代、中生代和新生代五个地质历史时期的地层，被地质界称为“五代同堂”。园区至今清晰地保存着代表三次前寒武纪全球性地壳运动的地层角度不整合面，即发生在23亿年前的嵩阳运动、18.5亿年前的中岳运动及5.7亿年前的少林运动。嵩山世界地质公园除赋存上述珍稀的基础地质遗迹外，尚发育大量不良地质现象以及珍贵的史前地质信息，同样是郑州大学（以下简称“我校”）工科类院校或专业（如土木工程、水利工程、交通工程、地理信息工程）进行地质野外实践教育的理想场所。今天，地质工程教学资源以及学术地质教学资源与基础地质教学资源一起，构成了嵩山世界地质公园完整的、立体的、多层次的的野外教学体系。本文试图从工程地质、水文地质及环境地质角度，对嵩山世界地质公园的野外教学资源进行挖掘与探索。

一、工程地质实践教学资源

工程地质学是调查、研究、解决与各种工程建设有关的地质问题的科学，它是地质学的一个分支，也是一门涉及土木工程、水利工程、交通运输工程、采矿工程、市政工程、环境工程以及军事工程的专业基础课，应用极其广泛。地质灾害是指自然产生和人为诱发的，对人民生命财产和安全造成危害的地质现象。针对建设工程的专业特点，登封工程地质实践教育必须引导学生牢固树立工程地质服务于工程建设的思想，必须深入了解地质条件对工程建设的影响，必须初步掌握各种地质灾害的防治措施。实习区具有罕见的不良地质现象，现分述如下。

1.岩质边坡的变形破坏

少林水库坝西头溢洪道两岸均为人工开挖形成的高危边坡，由嵩山组的石英岩与石英云母片岩组成，岩石的结构面（主要为节理与片理）极其发育，因此风化后松弛张裂现象严重。西岸入水口发育一个由两组断层面构成的滑坡。滑体规模较小，滑动面长52m，高24m，滑动线不清，已被表土所覆盖，如图1所示。边坡滑动导致大量水土流失，从而影响坡底溢洪道的泄洪能力。针对这一地质情况，在滑坡区必须采取一些有效的防治措施，如防渗排水措施，即为了防治大气降水向滑体中渗透，可在其外围布置排水沟槽，以截断水流；为保证块裂岩体本身的稳定性，尚应采取坡面锚杆治理措施，即应用预应力锚杆（或锚索）来提高岩体抗滑与抗倾覆能力。

此外，郑少高速公路+25km处东侧，发育一个由近直立断层构成的边坡，断层边坡长33m，高76m，岩性为寒武系厚层灰岩。为保证高速公路的正常通行，公路管理局对由断层上盘构成的潜在滑体已实施人工放坡，总计土石量达一万余方，如图2所示。该边坡滑动面近于直立，滑体岩石风化程度较轻，主要为新鲜的基岩以及少许弱风化岩。因此，仅采取简单的放坡措施即可。

以上两个边坡均由坚硬块裂岩体构成，产生原因均为多组不同产状的断层切割所致，防治措施相对简单。

2.三皇寨节理岩体与泥化夹层

三皇寨太古代辉绿岩属海底火山喷发，是嵩山地区最古老的岩石。岩石中发育大量开放式剪节理，节理面平直，产状稳定，裂隙率为81.5%，最大线密度为10条/m，这种由节理岩体构成的碎块状边坡，是风景区道路安全的最大隐患，如图3所示。经节理实测与统计，主要有三组节理：（1）走向NE10-20和NE60-70剪节理最为发育；为X型共轭节理，如图4所示。（2）走向NW280的剪节理较为发育；（3）走向EW的张节理少量发育，但透水性强，是地下水的主要渗漏通道。为消除上述碎裂岩体对景区导路构成的威胁，应进行锚杆配合喷射混凝土的复合支护。

此外，节理岩体中发育一处宽约20cm的泥化夹层。该软层呈黄褐色，性极软，锤击甚至手抓即破碎，野外遇水后迅速成糨糊状。该泥化夹层的走向与道路延伸方向大致垂直，上部较陡而下部转缓，如图5所示，经赤平投影分析，这种产状的空间配置对园区道路尚不构成威胁，可以不做任何防治措施。

3.库区边坡的蠕变与崩塌

软岩具有较大的流变性，因此边坡破坏方式为长时间的蠕变。三皇寨太古代辉绿岩遭受强风化后，形成本区罕见的软岩，由其构成的山坡变形严重，风化软岩沿与母岩辉绿岩的界面产生蠕变，其上长有大片“醉汉林”，如图6所示。

边坡崩塌也是一种常见的地质灾害，一般发生于山区地势陡峻部位，岩石多为坚硬的刚性块裂岩体。三皇寨园区公路的边坡崩塌发育于坚硬的太古代灰绿岩中，最大的崩落体约3立方米，是松弛张裂和重力滑动长期作用的结果，如图7所示。

蠕变与崩塌是边坡破坏过程中两个不同阶段的表现形式。蠕变虽然没有发生整体的、大范围的崩塌和滑坡，仍属连续变形类型或处于安全阶段。但变形进一步发展并超出某个限度，即可导致边坡发生急剧的整体破坏，也就是道路工程中常见的崩塌和滑坡。因此，在蠕变与崩塌的多发地段，应加强监测与巡防，发现危险症状特别是有潜在的崩塌体则必须及时清除。

4.园区道路开挖段的边坡堆积体

登封市区至三皇寨风景区的园区道路，沿山区古河道阶地逆行而上，两岸为中高山系，相对高差较大。道路的一侧为高峡深谷，另一侧则为壁立千仞的高山。山坡一侧发育众多的第四系堆积体，如图8所示，对公路的安全运行构成较大的危险。堆积体以灰～灰黑色块碎石土为主，块状，一般厚度数十米，块碎石成分单一，以灰绿岩为主，粒径一般100～250mm，个别孤块石直径达1500～3000mm，呈次棱～棱角状。孔隙中局部充填黄褐色泥砂，分选极差。为地史时期山区河流的岸坡洪积物。上述由松散体构成的边坡，宜采用喷浆、块石铺砌以及挡土墙等支护措施。

5.高速公路路基的不均匀沉降

郑少高速公路+25km处为深挖与高填的过渡部位，由于岩石地基与填土地基的压缩性能差别甚大，导致严重的路基不均匀沉降，在路面表现为一系列横向裂缝密集分布。软土地基部位的路面中央尚发育一纵向宽裂缝，如图9所示，路基边坡经注浆加固、回填反压与锚喷支护等一系列措施，横、纵裂缝宽度已得到有效控制。

二、水文地质实践教学资源

经过若干年的野外教学与野外实习，笔者认为，嵩山世界地质公园同样是进行水文地质实习的理想场所，可以观察山区河流和山前平原河流的侵蚀堆积作用、河谷地貌以及冲积物特点；了解和掌握山区及冲、洪积扇地下水的补给、径流、排泄特征；了解少林水库的用途及其与地下水的补给关系；了解水源地的选择和保护，饮用水的处理与输送；观察不同岩性（软岩和硬岩）和不同构造部位裂隙发育情况；了解泉水的出露和形成特点。总而言之，嵩山世界地质公园的水文地质教学资源的开发是十分必要的，也是十分可行的。

1.区域含水层的划分与了解

河南省气候属大陆性半干燥亚湿润气候带，特点是冬春干旱，夏秋湿润，降雨多集中在7～9月，曲线成三角峰形，约占全年降水量的60%以上。根据地下水赋存条件，水力特征，岩性特征以及与主采层之间的空间关系，将园区含水层划分为第四系松散孔隙含水层、碎屑岩类裂隙含水层和碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层三大含水岩组。

（1）第四系松散岩类孔隙含水层。园区内新生界第四系松散土层广泛分布，厚度0～15m，局部20m。由于缺少足够的水源补给，赋水性较差，不能作为区域性供水层位。

具有供水意义的含水层唯独河谷漫滩与阶地，主要分布在大金店以东颍河河谷。除受南北山区基岩裂隙水补给外，还与地表水呈季节性互补关系，含水丰富，常有泉点出露。

（2）碎屑岩类裂隙含水层。碎屑岩类裂隙含水层主要由区域二叠系砂岩组成，总厚度约70m左右。岩性以中粗粒、中细粒长石石英砂岩为主，有时底部有厚度较小的砾岩，富水性及透水性一般。

（3）碳酸盐岩类岩溶裂隙含水层。嵩山世界地质公园灰岩含水层可分为石炭系太原群（C3）岩溶裂隙含水层和寒武奥陶系（+O）灰岩岩溶裂隙含水层。石炭系上统太原组灰岩岩溶裂隙含水层分布于太原组下段和上段的灰岩，一般有10层以上，单层厚度不大，总厚约30～40m。上段灰岩为中等含水层。有一定的供水意义。

+O灰岩岩溶含水层为园区主要含水层，溶隙溶洞发育，临近园区的雪花洞风景区曾揭露8.8m高的溶洞。富水性极强，但不均匀，是本区真正意义上的供水层。

变质岩类隔水层主要有太古界、元古界的片岩、片麻岩、石英岩组成，分布在山区，如图10所示及山麓地带，含水性极不均匀，完全取决于裂隙发育程度，无供水意义，常常构成区域性隔水边界。

2.第四纪地质地貌观察与分析

嵩山世界地质公园发育众多类型的地貌单元，主要有山地（前寒武系变质岩）、丘陵（古生界沉积岩）、山前平原（第四系松散层）以及河谷地貌（第四系松散层）。以嵩阳书院观察点为例，古建筑群就位于山前平原中的某一洪积扇中，该洪积扇西北高、东南低，总体坡向南东，属典型的山麓斜坡堆积地貌。第四纪更新世，西北嵩山山谷（即颖河上游）中的洪流携带大量碎屑物质向山前平原泄洪，从而形成扇形地质体。

洪积扇由第四系松散的卵（碎）石、圆（角）砾、漂（块）石、砾砂和粘性土构成，常常以不同的颗粒形状及粒径比例组成不同的混合土，如图11所示。各混合土层厚度变化极大，难以区分及对比，完全符合洪积扇中土粒级配和层次结构的典型特征。此外，少林水库下游发育典型的河谷地貌。水库建成后，虽然经历过开垦开挖等人工破坏，但河床、河漫滩、阶地等河谷地貌，如图12所示，依然清晰可见。

3.地下水的补给与径流排泄

嵩山世界地质公园的地质地貌特征对园区水文网的控制具有明显的方向性。嵩山和萁山分别成为东西向展布的一级分水岭，构成本区大气降水渗入补给场的南北边界。与其走向一致的颖阳—芦店向斜在地形上为低洼的山间盆地，正好汇集两翼的地表水与地下水，并沿东南方向在告成一带向白砂向斜盆地排泄。

（1）地下水的补给。嵩山、萁山分水岭一带的高中山区为基岩区，大面积出露古老变质岩与花岗岩。但岩石裂隙极不发育，植被稀少，且地形起伏较大，雨水易形成地表径流。因而几乎无地下水补给。

萁山背斜北翼低中山区和告成以东大冶、王村一带丘陵地区，广泛出露寒武、奥陶系灰岩和白云质灰岩，地面发育大量的溶槽、溶沟与溶隙，地下水补给条件十分优越。

松散岩类含水层主要分布在芦店向斜核部的河谷盆地中。上游属山麓堆积，以残坡积物居多，局部有新老第三系半固结的泥岩和砂质泥岩。这些岩层出露部位地形相对较高，沟谷切割厉害，地下水补给条件较差。而中下游颖河河谷地段，广泛出露砂砾石层，地形平坦，植被发育，是园区地下水的主要补给区段。

（2）地下水的径流排泄。嵩山地区为一南、北、西三面高围，向东一面开口的畚箕形地形。储水地质构造为一东西向展布且略向东倾伏的承压向斜，由此可见，区内地下水分水岭与地表水分水岭基本吻合，地下水流向与地表水流向也基本一致。受区域东西向地形与地质构造影响，大气降水渗入地下后首先沿地层倾向至中部盆地汇集，然后再沿断裂走向和地层走向向东运移。

地下水的排泄形式主要有点状排泄、线状排泄与面状排泄三种。点状排泄主要表现为基岩裂隙水在运移途中受沟谷切割，常以下降泉形式排泄出地表，都为季节性泉点，流量不大。岩溶水在径流途中当遇到隔水层或隔水断层时，常常以上升泉的形式溢出地表，流量较大且四季皆有。

线状排泄形式主要表现为颍河两岸第四系空隙潜水的排泄。由于河流切割，两岸堆积阶地中的砂砾含水层出露地表，地下水沿河流切割线泄于地表，但洪水季节将会出现短时的倒灌现象。面状排泄主要指地面蒸发和植物叶面的蒸腾作用，嵩山地区地下水埋藏较深，蒸发作用较弱，因而也没有什么面状排泄。

三、结束语

嵩山世界地质公园保存有大量的工程地质水文地质遗迹，从而构成完整的野外地质教学体系。上述罕见的教学科普资源，为学生了解区域工程地质条件，分析地下水的补给与径流排泄，乃至研究第四纪剥蚀夷平等地质过程提供了坚厚的物质基础。这部完整的由岩石、地层以及构造变形构成的地球历史教科书，对普及地球科学知识、探索自然科学奥秘都具有重大的现实意义和深远的历史意义。

参考文献：

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[5]胡杰,赖旭龙.野外教学实习中的地质思维教育[J].中国地质教育,2000,(2):39-41.

（责任编辑：苏宇嵬）

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