龍門(mén)山地區(qū)地震次生災(zāi)害發(fā)育分布規(guī)律研究

龍門(mén)山地區(qū)地震次生災(zāi)害發(fā)育分布規(guī)律研究

“5.12”地震對(duì)龍門(mén)山區(qū)導(dǎo)致了許多滑坡和崩塌災(zāi)害。這些災(zāi)害分布廣泛、規(guī)模大、危害嚴(yán)重、影響周期長(zhǎng)（重發(fā)性高）等特點(diǎn)。對(duì)這些地震誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布規(guī)律進(jìn)行研究,認(rèn)識(shí)其變形破壞與基本地質(zhì)環(huán)境要素的相互關(guān)系,對(duì)類(lèi)似高烈度地震山區(qū)的鐵路建設(shè)及其他工程建設(shè)具有十分重要的參考價(jià)值。對(duì)于地震誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律的研究,應(yīng)在充分考慮龍門(mén)山地區(qū)地貌形態(tài)及構(gòu)造活動(dòng)背景的基礎(chǔ)上,從整體和局部?jī)蓚€(gè)層面來(lái)進(jìn)行研究。首先從宏觀上,研究區(qū)段內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的形成和分布遵循龍門(mén)山斷裂帶地震活動(dòng)性的橫向差異性和縱向分段性特征。災(zāi)害的發(fā)育程度取決于斷裂不同部位的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式,如龍門(mén)山斷裂帶表現(xiàn)為逆沖性質(zhì),主動(dòng)盤(pán)(上盤(pán))災(zāi)害發(fā)育程度高于被動(dòng)盤(pán)。其次從流域的角度,在特定的研究流域,崩滑泥石流災(zāi)害分布又受地形地貌等因素的制約,主要流域沿岸災(zāi)害發(fā)育的密度高于斷裂帶附近其他區(qū)域的平均密度。因此,對(duì)于災(zāi)害發(fā)育分布規(guī)律的認(rèn)識(shí),應(yīng)首先研究區(qū)域內(nèi)部與斷裂帶、水系等主要影響因素的宏觀特性,然后在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、研究各種地質(zhì)因素與災(zāi)害發(fā)育影響的基礎(chǔ)上,對(duì)各流域內(nèi)的局部分布特征進(jìn)行研究。而目前對(duì)于龍門(mén)山地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育分布規(guī)律的研究,通常是以遙感解譯數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的整體分布和宏觀研究,但如上所述,災(zāi)害的產(chǎn)生往往還受到巖性、坡體結(jié)構(gòu)等的影響而產(chǎn)生一定的差異,因此,在掌握宏觀特征的基礎(chǔ)上,應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,才能較為明晰地了解流域段內(nèi)災(zāi)害分布的局部規(guī)律。1外學(xué)者的研究由于研究區(qū)位于龍門(mén)山地區(qū)的地震受災(zāi)區(qū),面積廣大、交通不便且不斷發(fā)生的余震和潛在的崩塌落石等對(duì)研究人員的生命安全有極大威脅,現(xiàn)場(chǎng)勘查的難度很大。但國(guó)內(nèi)外學(xué)者仍然以衛(wèi)星遙感及航拍影像解譯為基礎(chǔ)展開(kāi)了大量的研究和分析,這些研究成果以宏觀的斷層和水系的分段、分帶特性為主,目前已經(jīng)取得的認(rèn)識(shí)有如下幾點(diǎn):(1)沿發(fā)震斷裂的“帶狀”分布;(2)沿河流水系的“線狀”分布;(3)震中東北方向分布范圍明顯大于西南方向;(4)大(巨)型滑坡的分布明顯受發(fā)震斷裂控制。除此之外,對(duì)局部的災(zāi)害發(fā)育分布來(lái)說(shuō),往往還具有一些獨(dú)特的分布特征,如斷層效應(yīng)、烈度效應(yīng)等,這些分布特征往往與其區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境要素有直接或間接的關(guān)系。2成帶性成帶特性本次研究主要針對(duì)成蘭鐵路各比選線路方案在龍門(mén)山地區(qū)通過(guò)的區(qū)段進(jìn)行,主要包括雎水河、茶坪河(安昌河支流)、綿遠(yuǎn)河及石亭江流域的河流沿線地質(zhì)災(zāi)害。研究區(qū)屬高山溝谷深切割地貌,區(qū)域內(nèi)溝谷切割強(qiáng)烈,河流彎曲,溝谷兩側(cè)坡度普遍大于35°,垂直高差大,“5.12”地震在該區(qū)域誘發(fā)的次生地質(zhì)災(zāi)害的分布整體上受水系、斷裂帶控制,其成群成帶特性明顯,服從前述區(qū)域分布特征(圖1)。除此之外,其局部發(fā)育分布還受到其他各種地質(zhì)環(huán)境因素的影響。2.1地質(zhì)背景因素斜坡巖土體的破壞,通常受控于多種自然或人為的因素,包括坡體的物質(zhì)組成、形態(tài)、規(guī)模、臨空條件、結(jié)構(gòu)特征等。對(duì)于此次研究的龍門(mén)山地區(qū)的地震次生地質(zhì)災(zāi)害來(lái)說(shuō),由于其獨(dú)特的觸發(fā)因素———強(qiáng)震及龍門(mén)山地區(qū)的特有地貌及構(gòu)造條件,其地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)與普通重力環(huán)境下地質(zhì)災(zāi)害不同的動(dòng)力力學(xué)特性。這些獨(dú)特的失穩(wěn)、破壞機(jī)理及運(yùn)動(dòng)特性與其地質(zhì)背景因素密切相關(guān)。不同的地質(zhì)背景因素對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生也有著不同程度的影響,如高程、坡度、坡向距發(fā)震斷裂的距離(前山斷裂F2、中央斷裂F3)、位于斷層的盤(pán)別(上盤(pán)或下盤(pán))等都對(duì)災(zāi)害的發(fā)生起到了特定的作用。通過(guò)對(duì)這些不同因素下地質(zhì)災(zāi)害分布特征的研究,可以對(duì)不同地質(zhì)環(huán)境條件下災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展的趨勢(shì)分析和評(píng)價(jià)提供重要依據(jù)。因此,在航空遙感圖像解譯的基礎(chǔ)上,下文對(duì)災(zāi)害發(fā)生部位的高程、距斷層距離、坡度、坡向、巖性和坡體結(jié)構(gòu)等因素及其與災(zāi)害發(fā)生頻度的相互關(guān)系分別進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。2.2采樣段災(zāi)害發(fā)育的概況研究區(qū)主要為構(gòu)造侵蝕中低山和高山地貌、河谷階地地貌,由于在地震波傳播的過(guò)程中,不同高程部位動(dòng)力響應(yīng)特性的差異,導(dǎo)致災(zāi)害分布在垂直方向不同高程部位具有不同的分布特征。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和遙感數(shù)據(jù)均表明其發(fā)育密度和所處高程密切相關(guān)。在GIS平臺(tái)上,采用1∶5萬(wàn)數(shù)字等高線構(gòu)建DEM,并對(duì)各流域內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)發(fā)育位置的高程進(jìn)行空間統(tǒng)計(jì)分析。研究區(qū)各流域高程分布如表1所示。(1)雎水河段。已有的雎水河影像數(shù)據(jù)囊括650~2300m高程段,總研究面積133.2km2,災(zāi)害發(fā)育總體密度達(dá)5.7個(gè)/km2。從650m高程開(kāi)始,每隔200m作為一個(gè)采樣段,對(duì)流域內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)高程指標(biāo)進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì),成果揭示了該統(tǒng)計(jì)段災(zāi)害發(fā)育個(gè)數(shù)、密度和高程密切相關(guān),研究區(qū)段隨著海拔的提升,災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)迅速增加,并在1000~1200m段到達(dá)峰值,然后又隨之逐漸減少。1600m高程以上,地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育已十分稀少。800~1400m是災(zāi)害發(fā)育最為密集的高程段,各個(gè)采樣段災(zāi)害發(fā)育密度均超過(guò)了7個(gè)/km2。(2)茶坪河段?？傮w來(lái)說(shuō),該段災(zāi)害發(fā)育程度不及雎水河段,解譯取得的災(zāi)害總數(shù)為189個(gè),總體發(fā)育密度3.25個(gè)/km2。分段統(tǒng)計(jì)成果揭示,該采樣區(qū)內(nèi)的災(zāi)害發(fā)育與雎水河段有著相似的規(guī)律,由于該區(qū)的河流平均海拔高與雎水段相比約低100~150m,從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,災(zāi)害點(diǎn)隨高程的增加在1200~1400m段到達(dá)峰值,但總體來(lái)說(shuō)其發(fā)育個(gè)數(shù)與1000~1200m段差距不大,在大于1600m的高程段上,僅有零星的災(zāi)害點(diǎn)分布,在1200~1400m采樣段上,災(zāi)害發(fā)育密度約為4.02個(gè)/km2。(3)綿遠(yuǎn)河段。該采樣區(qū)主要位于綿遠(yuǎn)河上清平鄉(xiāng)及其下游區(qū)段的河流右岸,采樣區(qū)內(nèi)海拔介于820~2880m,航拍解譯取得的災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)達(dá)890個(gè),總解譯面積87.4km2,由于采樣區(qū)靠近中央斷裂F3,平均災(zāi)害發(fā)育密度高于雎水段和茶坪段,達(dá)10.18個(gè)/km2。由于中央斷裂F3的控制作用,該采樣區(qū)內(nèi)災(zāi)害發(fā)育的個(gè)數(shù)及密度均遠(yuǎn)高于前兩區(qū),但總體來(lái)說(shuō),仍呈現(xiàn)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)隨高程抬升呈先增加后衰減的趨勢(shì),災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)在1200~1400m采樣段到達(dá)峰值,2000m以上災(zāi)害發(fā)育數(shù)目明顯減少。1200~1800m段災(zāi)害發(fā)育密度均超過(guò)了11個(gè)/km2。值得注意的是,2000~2200m采樣段的災(zāi)害發(fā)育密度高達(dá)13個(gè)/km2,這是因?yàn)檫@個(gè)高程段的采樣區(qū)巖性主要為夾雜輝綠巖巖脈的花崗巖巖帶,災(zāi)害發(fā)育受巖性影響十分顯著。(4)石亭江段。采樣區(qū)海拔高程介于650~2500m高程,總解譯面積118.3km2,災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)607個(gè),平均災(zāi)害發(fā)育密度5.13個(gè)/km2。該采樣區(qū)內(nèi)災(zāi)害發(fā)育個(gè)數(shù)的峰值出現(xiàn)在1200~1400m高程段,800m以下及2200m以上災(zāi)害發(fā)育均十分稀少,1200~1600m高程段的災(zāi)害發(fā)育密度均超過(guò)了8個(gè)/km2。由以上統(tǒng)計(jì)可以看出,采樣區(qū)內(nèi)災(zāi)害發(fā)育個(gè)數(shù)與密度和災(zāi)害點(diǎn)所處高程具有密切關(guān)系,從數(shù)目上來(lái)說(shuō),研究區(qū)內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)發(fā)育最多的高程段位于海拔1000~1600m之間,其中1000~1200段占26%,1200~1400m段占25%,1400~1600m段占18%,這3段集中了采樣區(qū)內(nèi)69%以上的地質(zhì)災(zāi)害(圖2)。而在1800m以上,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的個(gè)數(shù)及密度均遠(yuǎn)小于其他高程段。2.3研究區(qū)災(zāi)害發(fā)育的個(gè)數(shù)研究發(fā)現(xiàn),宏觀上發(fā)震斷裂兩側(cè)10km范圍是地震地質(zhì)災(zāi)害的強(qiáng)發(fā)育區(qū),10~20km范圍為中等發(fā)育區(qū)。本次研究主要針對(duì)距前山斷裂(F2)13km范圍內(nèi)的區(qū)域。以1km距離為單位對(duì)流域內(nèi)災(zāi)害發(fā)育密度與斷層F2和F3的距離關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì),由于采樣區(qū)多位于斷裂F3附近,對(duì)于位于F2、F3之間的雎水河段和石亭江段來(lái)說(shuō),以F2,F3垂直距離13km計(jì),災(zāi)害點(diǎn)距離F2愈遠(yuǎn),即表示其距F3愈近。從圖3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出,對(duì)于前山斷裂F2來(lái)說(shuō),災(zāi)害的數(shù)目基本呈現(xiàn)距斷裂帶愈近,發(fā)生個(gè)數(shù)愈多的趨勢(shì)。其中距斷層F2距離4km范圍內(nèi)的災(zāi)害占據(jù)了整個(gè)研究區(qū)內(nèi)災(zāi)害發(fā)育個(gè)數(shù)的50%。災(zāi)害發(fā)生頻度隨其距F2距離增加而急劇減少,并在7~8km處開(kāi)始逐漸回升。圖中也可明顯地看出,隨著距斷層F3距離的減小,災(zāi)害發(fā)育的個(gè)數(shù)沒(méi)有明顯的增加,這和F3不是主要發(fā)震斷裂及F3附近山體高度不大、地形平緩均有一定的關(guān)系。茶坪河段主要位于中央斷裂帶F3兩側(cè)4km范圍內(nèi),其災(zāi)害發(fā)育隨距離增加而減少的趨勢(shì)十分明顯,由圖4可見(jiàn),流域內(nèi)斷層兩側(cè)2km范圍內(nèi)的災(zāi)害占據(jù)了總體災(zāi)害發(fā)生數(shù)目的70%以上。從圖5可見(jiàn),對(duì)綿遠(yuǎn)河流域來(lái)說(shuō),研究區(qū)主要位于斷層F2兩側(cè),距F2斷層2km范圍內(nèi)的災(zāi)害占據(jù)了研究區(qū)災(zāi)害數(shù)目的50%,隨著距離的增加,災(zāi)害數(shù)目減少的趨勢(shì)十分明顯。對(duì)于石亭江段來(lái)說(shuō),災(zāi)害發(fā)生數(shù)目隨距離增加而減少的趨勢(shì)也比較明顯,其中距F2斷層5km范圍內(nèi)的災(zāi)害占據(jù)了整體的60%,由圖6也可以看出,在距離斷層4~6km處災(zāi)害發(fā)生的數(shù)目有明顯的突然增加,這和該段內(nèi)的分支斷裂有一定關(guān)系。由上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,采樣區(qū)內(nèi)的災(zāi)害主要集中于斷層兩側(cè)5km的范圍內(nèi),距斷層距離愈近,災(zāi)害點(diǎn)的數(shù)目就愈多,對(duì)于統(tǒng)計(jì)區(qū)域位于F2、F3之間的雎水河段和石亭江段來(lái)說(shuō),其災(zāi)害發(fā)育數(shù)目隨距F2的距離增加而減少的趨勢(shì)到5km距離外有明顯的變化,這是因?yàn)閷?duì)于這兩個(gè)采樣區(qū)段來(lái)說(shuō),災(zāi)害點(diǎn)的數(shù)目除受斷層F2影響外,還一定程度上受到了斷層F3的影響。但總體來(lái)說(shuō),災(zāi)害發(fā)育受F2的影響要比F3更加顯著。2.4采樣區(qū)地表坡度分布斜坡的破壞通常發(fā)生于以下幾類(lèi)對(duì)地震波有明顯放大效應(yīng)的部位:(1)地形坡度由緩變陡的過(guò)渡轉(zhuǎn)折部位;(2)單薄山脊部位;(3)孤立山頭或多面臨空的山體部位。這些微地貌特征與斜坡所處部位的坡度具有一定相互關(guān)系,通過(guò)DEM數(shù)據(jù),以5°為一采樣區(qū)間對(duì)災(zāi)害產(chǎn)生部位的地形坡度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖7)。從統(tǒng)計(jì)數(shù)目上看,各個(gè)采樣區(qū)均呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律,25°以下、50°以上的斜坡上產(chǎn)生災(zāi)害的數(shù)量較小。研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害主要集中于40°~45°的岸坡中,分布數(shù)量最多,占據(jù)了采樣區(qū)災(zāi)害總數(shù)的26%,35°~40°的岸坡中災(zāi)害點(diǎn)發(fā)育數(shù)目占據(jù)采樣區(qū)災(zāi)害總數(shù)的23%。值得注意的是,50°以上的岸坡并非是災(zāi)害不易發(fā)生的地區(qū),理論上,坡度越陡的岸坡越容易受地震波影響而產(chǎn)生破壞,然而采樣區(qū)內(nèi)50°以上的岸坡樣本數(shù)目不足,很大程度上影響了統(tǒng)計(jì)結(jié)果。2.5流域?yàn)?zāi)害與坡向的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn),震區(qū)災(zāi)害的空間展布主要受控于流域地形地貌及河流的走向,但除此之外仍具有一定的方向效應(yīng),其空間分布同時(shí)受地震動(dòng)力影響顯著,具備“背坡面效應(yīng)”和“斷層錯(cuò)斷方向效應(yīng)”等空間效應(yīng)。這些方向效應(yīng)可以通過(guò)地質(zhì)災(zāi)害與坡體走向的關(guān)系直觀地展露出來(lái),各流域?yàn)?zāi)害與坡向關(guān)系如圖8~11所示。從圖8~11可以看出,采樣區(qū)災(zāi)害發(fā)育與岸坡走向存在一定的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,總體來(lái)說(shuō),近150°、330°走向范圍附近區(qū)域的災(zāi)害多于60°、240°~270°走向范圍附近的災(zāi)害,即地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的優(yōu)勢(shì)方向與斷裂走向基本垂直。已有研究表明,“5.12”地震的地表破裂可分為兩個(gè)部分,即映秀~汶川段和北川段,對(duì)于靠近北川的雎水段采樣區(qū)來(lái)說(shuō),可以認(rèn)為該段受北川段破裂的影響更加顯著,因此以地震波傳播來(lái)源為由北至東傳播考慮,背向傳播方向的走向范圍(180°~360°)內(nèi)岸坡發(fā)生災(zāi)害的數(shù)目要多于走向與地震波傳播方向近于相同(0°~180°)的岸坡。而對(duì)于相對(duì)受映秀-汶川段破裂影響明顯的石亭江、綿遠(yuǎn)河段,其結(jié)果恰恰相反,這和“背坡面效應(yīng)”的理論是相吻合的。茶坪段的結(jié)果由于河流走向及樣本數(shù)目的制約,其統(tǒng)計(jì)特征區(qū)分不太明顯。2.6巖性與地質(zhì)災(zāi)害龍門(mén)山地區(qū)巖性按照其堅(jiān)硬程度,可粗分為8大巖組,如表2所示。地層巖性主要為前震旦系、泥盆系、三疊系、志留系、第四系的崩坡積和殘坡積物、凝灰?guī)r、砂巖、灰?guī)r、粉砂巖夾頁(yè)巖、千枚巖及各類(lèi)花崗巖夾輝綠巖等。不同的巖性與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育雖然沒(méi)有顯著的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖12),總體上,地震地質(zhì)災(zāi)害在各類(lèi)巖層中均較發(fā)育,但其巖性的相對(duì)硬度卻對(duì)災(zāi)害發(fā)生的數(shù)目有一定的影響,對(duì)于采樣區(qū)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害來(lái)說(shuō),災(zāi)害發(fā)生個(gè)數(shù)最多的是較堅(jiān)硬的碳酸鹽巖及脆性的花崗巖,其中花崗巖巖組中的災(zāi)害密度達(dá)到了11.36個(gè)/km2,碳酸鹽巖中也達(dá)到了8.0個(gè)/km2。千枚巖和砂板巖等相對(duì)軟弱巖性中災(zāi)害發(fā)育數(shù)目相對(duì)較少。2.7各類(lèi)抗側(cè)力面的結(jié)構(gòu)分類(lèi)不同岸坡的結(jié)構(gòu)決定著斜坡變形破壞的類(lèi)型、數(shù)量和規(guī)模。這是由于庫(kù)區(qū)內(nèi)岸坡的原生層狀結(jié)構(gòu)面是區(qū)內(nèi)斜坡破壞的主要控制面,而層面與河流走向的組合關(guān)系又決定了斜坡的臨空條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。因此,依據(jù)研究區(qū)內(nèi)巖體的結(jié)構(gòu)特性,將區(qū)內(nèi)層狀斜坡按照巖層傾角(α),巖層傾向和岸坡傾向間的夾角(β)的組合關(guān)系作為劃分依據(jù),按照如下指標(biāo)劃分坡體結(jié)構(gòu)類(lèi)型。A:塊狀結(jié)構(gòu)Ⅰ:平緩層狀岸坡(α<10°,0°≤β≤180°);Ⅰ1:平緩傾內(nèi)層狀岸坡;Ⅰ2:平緩傾外層狀岸坡。Ⅱ:橫向岸坡(60°≤β≤120°,0°≤α≤90°)。Ⅲ1:緩傾外順向?qū)訝畎镀?10°≤α≤20°);Ⅲ2:中傾外順向?qū)訝畎镀?20°<α≤45°);Ⅲ3:陡傾外順向?qū)訝畎镀?α>45°)。Ⅳ:逆向?qū)訝畎镀?150°<β≤180°。Ⅳ1:緩傾內(nèi)逆向?qū)訝畎镀?10°≤α≤20°);Ⅳ2:中傾內(nèi)逆向?qū)訝畎镀?20°<α≤45°);Ⅳ3:陡傾內(nèi)逆向?qū)訝畎镀?α>45°)。Ⅴ:斜向?qū)訝畎镀?0°≤α≤90°);Ⅴ1:斜向傾內(nèi)層狀岸坡(120°≤β≤150°);Ⅴ2:斜向傾外層狀岸坡(30°≤β≤60°)。依據(jù)上述岸坡結(jié)構(gòu)的分類(lèi),對(duì)采樣區(qū)內(nèi)發(fā)生災(zāi)害的斜坡的坡體結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),如圖13~16所示。由圖13~16可以看出,研究區(qū)內(nèi)災(zāi)害發(fā)生數(shù)目最多的處于橫向岸坡中,推測(cè)其原因主要為以下幾個(gè)方面:(1)研究區(qū)此類(lèi)岸坡分布較廣,相對(duì)面積大于其他類(lèi)型的岸坡;(2)橫向岸坡的層面和其他結(jié)構(gòu)面組合易于形成楔形塊體,不利于