“4·20”蘆山地震次生地質(zhì)災害預測評價

李為樂，黃潤秋，許 強，唐 川

（地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059）

2013年4月20日8時2分（北京時間），四川省雅安市蘆山縣發(fā)生Ms7.0級強震（簡稱“4·20”蘆山地震），震中坐標為30.284°N、102.956°E，震源深 度為12.3km，震 中 烈度達 Ⅸ 度[1，2]。此次地震發(fā)震斷裂為龍門山前山斷裂——江油－灌縣斷裂西南段的雙石－大川斷裂（圖1），震源破裂持續(xù)時間約30s，造成斷層破裂長度約為35～40km，最大水平滑動量達到1.6m[3]。截至2013年4月26日16時，共發(fā)生余震5 086次，其中3級以上余震112次，5.0～5.9級4次，4.0～4.9級21次，3.0～3.9級87次，最大余震5.4級[4]。截至4月26日6時，地震已造成196人死亡、21人失蹤、13 484人受傷[5]。

由于此次地震震級高、震源淺、烈度大，加之地震區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱，地震觸發(fā)了大量崩塌滑坡災害。此次地震與2008年“5·12”汶川 Ms 8.0級地震均發(fā)生在青藏高原與四川盆地交界的龍門山地震區(qū)，兩次地震重災區(qū)的地形、地質(zhì)條件都比較類似，且發(fā)震斷裂都以上沖為主，發(fā)震機制類似[6]。筆者對汶川地震觸發(fā)地質(zhì)災害的分布規(guī)律進行過較深入研究，并建立了汶川地震次生地質(zhì)災害敏感性評價模型[7－11]。由于震后很難快速獲取整個震區(qū)的震后遙感影像，無法對地震觸發(fā)的地質(zhì)災害進行解譯，因此，難以獲取整個地震影響區(qū)次生地質(zhì)災害的空間分布。本文在假設蘆山地震次生地質(zhì)災害與汶川地震次生地質(zhì)災害具有類似分布規(guī)律的前提下，利用汶川地震次生地質(zhì)災害敏感性評價模型對蘆山地震次生地質(zhì)災害的空間分布進行預測。我們在震后第二天就完成了蘆山地震次生地質(zhì)災害空間分布預測的相關圖件，并發(fā)送給野外調(diào)查人員參考使用[12]。

1 蘆山地震與汶川地震對比分析

1.1 地震參數(shù)對比

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 The location of study area

蘆山地震震中位置距汶川地震主震震中約95km，其震級為Ms7.0級，震中地震烈度為Ⅸ度（圖2）。2008年汶川地震的震級為Ms8.0級，震中地震烈度為Ⅺ度。兩者的震級相差1級，釋放能量相差約33倍，震中地震烈度相差了2度。蘆山地震地表破裂長度約35～40km，汶川地震地表破裂總長度達320km，二者相差約8倍，且汶川地震導致中央斷裂和前山斷裂同時破裂。蘆山地震Ⅶ度區(qū)以上面積約5 655km2，汶川地震約125 536km2。其中，Ⅶ度區(qū)面積蘆山地震為4 029km2，汶川地震為84 449km2，相差約21倍；Ⅷ度區(qū)面積蘆山地震為1 418km2，汶川地震為27 786km2，同樣相差約20倍；Ⅸ度區(qū)以上面積蘆山地震為208km2，汶川地震為13 301km2，相差達64倍（表1）。由此推測，“4·20”蘆山地震造成的損失及地震引起的次生地質(zhì)災害規(guī)模應遠遠小于“5·12”汶川地震。

1.2 次生地質(zhì)災害數(shù)量和分布范圍比較

根據(jù)Keefer（1984）建立的震級與滑坡分布面積、個數(shù)的統(tǒng)計關系[14，15]，“4·20”蘆山地震觸發(fā)的崩塌滑坡災害最大分布范圍將達10 000 km2，地質(zhì)災害總數(shù)最多約3 000處（圖3、圖4）。截至2013年4月29日，四川省測繪地理信息局對重災區(qū)面積約為1 300km2范圍0.05～0.5m分辨率航空影像進行解譯，已經(jīng)解譯崩塌滑坡地質(zhì)災害點1 901處[16]。而汶川地震地質(zhì)災害的分布范圍約為100 000km2，地質(zhì)災害總數(shù)約60 000處[17]。初步分析認為，蘆山地震次生地質(zhì)災害的直接危害將遠遠小于汶川地震。

表1 蘆山地震和汶川地震參數(shù)對比[13]Table1 The seismic parameters of the Lushan earthquake and the Wenchuan earthquake

圖2 蘆山地震烈度圖Fig.2 The seismic intensity map of the Lushan earthquake（據(jù)中國地震局資料改）[13]

圖3 地震滑坡最大分布范圍與震級關系圖[14，15]Fig.3 Area affected by landslides as a function of earthquake magnitude

2 蘆山地震地質(zhì)災害空間分布快速預測

圖4 地震滑坡個數(shù)與震級關系圖[15]Fig.4 Number of landslide as a function of earthquake magnitude

震后災區(qū)影像資料非常匱乏，為了能大致掌握地震地質(zhì)災害可能的分布范圍，作者利用在汶川地震區(qū)建立的地震地質(zhì)災害敏感性多元回歸模型，對整個蘆山地震重災區(qū)次生地質(zhì)災害的空間分布進行了快速預測。汶川地震區(qū)和蘆山地震區(qū)同屬龍門山地震區(qū)，地形、地質(zhì)條件類似，發(fā)震斷裂均屬為上沖斷裂，發(fā)震機制類似，甚至有學者認為蘆山地震屬于汶川地震的強余震[2]。所以，采用汶川地震區(qū)的地震災害敏感性模型來預測蘆山地震次生地質(zhì)災害空間分布，對應急救災有一定的指示意義。

2.1 評價范圍確定

根據(jù)美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局USGS發(fā)布的PGA數(shù)據(jù)，本次蘆山地震最大PGA達6.2m／s2[1]，如圖5所示。歷史強震數(shù)據(jù)表明，地震次生地質(zhì)災害主要分布于PGA＞1m／s2的區(qū)域，所以本文選取PGA＞1m／s2的蘆山、寶興、天全、雅安、滎經(jīng)、邛崍、大邑、名山8個縣市為研究區(qū)，總面積達13 400km2（圖5）。

2.2 評價因子

汶川地震后，我們通過遙感解譯和現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)汶川地震觸發(fā)崩塌滑坡地質(zhì)災害主要受發(fā)震斷層控制，同時受地形地貌、地層巖性和坡體結(jié)構的影響，據(jù)此將汶川地震地質(zhì)災害的空間分布規(guī)律總結(jié)為“十大效應”，即上盤／下盤（主動盤）效應、斷層距離效應、斷層鎖固段效應、坡度效應、巖性效應、河流水系效應、高程效應、斜坡方向效應、微地貌效應和坡體結(jié)構效應[7－11，18，19]，并選取到發(fā)震斷層的距離、地形坡度、地層巖性、距離水系的距離、海拔高度、地震峰值加速度（PGA）6個關鍵參數(shù)建立了汶川地震次生地質(zhì)災害敏感性（susceptibility）評價模型[11]。其中，上盤（主動盤）效應、斷層距離效應主要由到發(fā)震斷層距離因子體現(xiàn)，坡度效應由地形坡度因子體現(xiàn)，巖性效應由地層巖性因子體現(xiàn)，河流水系效應由到水系距離因子體現(xiàn)。而斜坡方向效應只局限于特定區(qū)域，對整個地震區(qū)效應不明顯，該評價模型沒有考慮。斷層鎖固段效應、微地貌效應和坡體結(jié)構效應由于很難找到合適的參數(shù)進行量化，也沒有考慮。此外，考慮到觸發(fā)因素地震作用，模型中引入PGA作為地質(zhì)災害的觸發(fā)因素影響因子。評價因子的分類和賦值直接采用汶川地震區(qū)計算結(jié)果。

圖5 蘆山地震PGA圖Fig.5 The PGA map of the Lushan earthquake（1g≈10m／s2）

2.2.1 到發(fā)震斷層的距離

USGS提供的蘆山地震震中位置（30.284°N，102.956°E）正好位于龍門山前山斷裂——江油－灌縣斷裂上，因此，我們認為江油－灌縣斷裂是蘆山地震的發(fā)震斷裂。在沒有野外調(diào)查獲取其破裂長度的情況下，我們依據(jù)USGS的PGA數(shù)據(jù)，判斷斷裂的破裂長度為PGA≥2m／s2的區(qū)域，即蘆山縣大川鄉(xiāng)到天全縣小河鄉(xiāng)，全長約52km，這比后來野外調(diào)查確定的破裂長度長了約10km。

發(fā)震斷層主要控制地震次生地質(zhì)災害總體空間分布特征，距離發(fā)震斷層越近地質(zhì)災害越發(fā)育，規(guī)模也越大。對于逆斷層型地震，其次生地質(zhì)災害還具有上盤效應，即發(fā)震斷裂上盤地質(zhì)災害要比下盤多。為了同時考慮斷層距離和上盤效應，我們分別對斷層上盤和下盤以5km為間隔建立緩沖區(qū)，并賦予分類值。如表2所示，該因子共分為14子類，距離發(fā)震斷裂越遠，其值越小。斷層上盤0～5km范圍內(nèi)最大，斷層上盤5～10km次之，斷層上盤10～15km與斷層下盤0～5km相當，充分體現(xiàn)了上盤效應。

2.2.2 地形坡度

地形坡度是控制地震觸發(fā)崩塌滑坡具體發(fā)生位置最重要因素，一般地形坡度越大越容易發(fā)生，尤其是對于崩塌。地形坡度因子采用研究區(qū)1∶50 000地形圖生成的DEM，單元格大小為25m×25m。該因子被分為6個子類，坡度越大其值也越大（圖6、表3）。

圖6 蘆山地震區(qū)地形坡度圖Fig.6 The slope gradient map of the Lushan earthquake area

表2 到發(fā)震斷裂距離分類和賦值[11]Table2 Classification and assignment of the distances to the seismic fault

表3 坡度指標分類和賦值[11]Table3 Classification and assignment of the slope gradients

2.2.3 地層巖性

地層巖性主要控制次生地質(zhì)災害的類型，一般巖漿巖、碳酸鹽巖等硬巖中主要發(fā)生崩塌和大型滑坡災害，而千枚巖、頁巖、泥巖等軟巖地層中則以淺層滑坡為主。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)本次地震次生地質(zhì)災害主要以崩塌為主，可能主要分布于二疊系碳酸鹽巖、火山巖，石炭系碳酸鹽巖和震旦系的白云巖和灰?guī)r中（圖7）。研究區(qū)地層巖性較復雜，我們將其歸納為9大類，并分別賦值（表4）。

表4 地層巖性分類和賦值[11]Table4 Classification and assignment of lithology

2.2.4 到水系的距離

河流水系的切割主要為崩塌滑坡的發(fā)生提供了臨空面，地震地質(zhì)災害具有沿主干水系分布的特點。發(fā)震斷裂附近主干水系為玉溪河、沫河、靈關河和白沙河等，且兩岸坡度較陡，易于崩塌災害發(fā)生（圖8）。如表5所示，距離主要河流200～300m范圍最易于地震地質(zhì)災害的發(fā)生，＞500m后主干水系的影響逐漸減弱。

表5 到水系距離分類和賦值[11]Table5 Classification and assignment of the distances to the main river

2.2.5 海拔高度

在汶川地震地質(zhì)災害的研究中，我們發(fā)現(xiàn)大量的崩塌滑坡主要發(fā)生在海拔高度為1～2km的范圍內(nèi)，主要原因可能是由于在龍門山地區(qū)這個高度范圍是河谷兩岸由底部陡峭峽谷向上部相對平緩的寬谷過渡區(qū)域，應力相對集中。

圖8 蘆山地震區(qū)水系圖Fig.8 The drainage map of the Lushan earthquake area

蘆山地震區(qū)海拔高度范圍為430～5 352m（圖9），與汶川地震區(qū)相似，共分為8級，分別賦值（表6）。海拔高度為1～2km范圍賦值最大；＜0.6km和＞3km的高度地震地質(zhì)災害非常稀少，賦值最小。

2.2.6 地震峰值加速度

我們對汶川地震和蘆山地震地質(zhì)災害的分析均采用USGS提供的地震峰值加速度（PGA）數(shù)據(jù)（表7）。PGA值越大，其對應的分類值就越大。汶川地震地質(zhì)災害主要發(fā)育于PGA＞6m／s2的區(qū)域；而蘆山地震PGA最大為6.2m／s2，＞6m／s2的區(qū)域面積非常小，這也意味著蘆山地震次生地質(zhì)災害的數(shù)量和規(guī)模均要遠小于汶川地震。

表6 海拔高度分類和賦值[11]Table6 Classification and assignment of the elevations above sea－level

2.3 評價模型

將上述6個評價因子賦值后，轉(zhuǎn)化為單元格大小為25m×25m的柵格數(shù)據(jù)圖層，在汶川地震區(qū)隨機選取3 000個滑坡采樣點（1）和3 000個非滑坡采樣點（0），并獲取采樣點位置6個評價因子對應的值后，導入SPSS統(tǒng)計軟件，建立汶川地震區(qū)地震地質(zhì)災害敏感性評價的多元回歸模型如下[11]

表7 PGA分類和賦值[11]Table7 Classification and assignment of PGA

圖9 蘆山地區(qū)海拔高度圖Fig.9 The elevation above sea－level map of the Lushan area

式中：Ls為崩塌滑坡發(fā)生可能性，取值范圍為0～1；d為到發(fā)震斷層的距離；α為地形坡度；L為地層巖性；r為到水系的距離；h為海拔高度；A為地震峰值加速度（PGA）。

可見，到發(fā)震斷層的距離在模型中權重最大，次之為地形坡度，地層巖性和到水系的距離權重相當，PGA的權重最小。

2.4 評價結(jié)果

利用公式（1），在ARCGIS軟件里利用柵格數(shù)據(jù)疊加運算功能，便可生成蘆山地震次生地質(zhì)災害空間分布預測圖。圖10顯示蘆山地震次生地質(zhì)災害敏感性高的區(qū)域主要分布于地震峰值加速度（PGA）＞1m／s2的蘆山、寶興、天全、雅安、滎經(jīng)、邛崍、大邑等縣市的山區(qū)，并主要集中分布于發(fā)震斷層龍門山前山斷裂附近的蘆山縣大川鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)、太平鎮(zhèn)、雙石鎮(zhèn)、寶興縣靈關鎮(zhèn)、天全縣小河鄉(xiāng)等區(qū)域。

3 討論

圖10 蘆山地震次生地質(zhì)災害敏感性預測圖Fig.10 The susceptibility map of the co－seismic landslides in study area

現(xiàn)有關于地震地質(zhì)災害敏感性的研究主要是對某一次地震地質(zhì)災害進行地質(zhì)災害編目，然后利用編目的地質(zhì)災害與其影響因素的統(tǒng)計關系，建立敏感性評價模型，其評價結(jié)果也往往只對本次地震地質(zhì)災害的空間分布有一定預測意義。本研究嘗試在一次強震事件后，在還沒有對其觸發(fā)的地質(zhì)災害進行編目的情況下，直接利用與該次地震具有類似地形、地質(zhì)條件和類似發(fā)震機制的另一地震地質(zhì)災害事件的敏感性評價模型對該次地震觸發(fā)的地震災害空間分布進行快速預測，其準確程度和可行性有待利用該次地震地質(zhì)災害的詳細編目數(shù)據(jù)進行檢驗。

本研究評價模型沒有考慮地震震級的影響，汶川地震為Ms 8.0級，而蘆山地震只有Ms 7.0級，這可能導致蘆山地震地質(zhì)災害的分布范圍被高估。如何在評價模型中加入地震震級、震源深度等地震本身參數(shù)的影響，提高預測的準確性，是今后改進的方向。此外，本次研究沒有考慮地質(zhì)災害的類型，不同的地質(zhì)災害類型如崩塌和滑坡，對各影響因子的敏感程度可能不相同。今后的研究可以考慮針對不同的災害類型分別建立預測模型，可能會提高預測精度。

4 結(jié)論

利用汶川地震次生地質(zhì)災害敏感性評價模型，以到發(fā)震斷層的距離、地形坡度、地層巖性、到水系的距離、海拔高度、PGA為評價因子對“4·20”蘆山地震地質(zhì)災害的空間分布進行了快速預測，為野外調(diào)查工作提供參考。預測結(jié)果顯示蘆山地震次生地質(zhì)災害敏感性高的區(qū)域主要是蘆山、寶興、天全、雅安、滎經(jīng)、邛崍等縣市的山區(qū)，并主要集中分布于發(fā)震斷層龍門山前山斷裂附近的蘆山縣大川鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)、太平鎮(zhèn)、雙石鎮(zhèn)、寶興縣靈關鎮(zhèn)、天全縣小河鄉(xiāng)等區(qū)域。該預測結(jié)果的準確性和可行性有待利用該次地震地質(zhì)災害的詳細編目數(shù)據(jù)進行檢驗。

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