青藏高原東緣活動斷裂地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)研究

張永雙, 郭長寶, 姚 鑫, 楊志華, 吳瑞安, 杜國梁

中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 國土資源部新構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室, 北京 100081

?

青藏高原東緣活動斷裂地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)研究

張永雙, 郭長寶, 姚 鑫, 楊志華, 吳瑞安, 杜國梁

中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 國土資源部新構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室, 北京 100081

摘 要:活動斷裂的地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)是工程地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容。本文以第四紀(jì)以來構(gòu)造活動最強烈的青藏高原東緣為例, 闡述了活動斷裂地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)的主要表現(xiàn)形式, 包括: (1)活動斷裂對地形地貌和巖體結(jié)構(gòu)的影響; (2)斷裂劇烈活動(地震)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害; (3)斷裂蠕滑作用對斜坡應(yīng)力場和穩(wěn)定性的影響; (4)斷裂活動是地質(zhì)災(zāi)害鏈的源頭, 為地質(zhì)災(zāi)害提供物源。上述表現(xiàn)形式及災(zāi)害成因機理和分布規(guī)律是活動構(gòu)造區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治中需要關(guān)注的關(guān)鍵問題。根據(jù)青藏高原東緣典型地質(zhì)災(zāi)害案例研究提出, 內(nèi)外動力耦合作用成災(zāi)機理是未來地質(zhì)災(zāi)害研究方向, 將為活動構(gòu)造區(qū)地質(zhì)災(zāi)害早期識別和防災(zāi)減災(zāi)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:活動斷裂; 地質(zhì)災(zāi)害; 內(nèi)外動力耦合; 地震滑坡; 青藏高原東緣

本文由國家科技部基礎(chǔ)性工作專項(編號: 2011FY110100-2)、中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(編號: 1212010914025)和國家自然科學(xué)基金項目(編號: 41072269)聯(lián)合資助。

斷裂活動不僅可直接錯斷工程建(構(gòu))筑物, 還可促進或誘發(fā)崩塌、滑坡、碎屑流等地質(zhì)災(zāi)害。活動斷裂與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性研究是現(xiàn)代構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和現(xiàn)代工程地質(zhì)學(xué)發(fā)展的新趨勢(彭建兵, 2006)。青藏高原作為地球上一個獨特的自然地域單元, 在晚新生代以來的強烈隆升及其對周邊地區(qū)氣候與地質(zhì)環(huán)境的深刻影響, 一直為科學(xué)界所矚目。特別是,青藏高原東緣作為中國東、西部地質(zhì)地貌過渡帶,現(xiàn)今構(gòu)造活動強烈, 地震頻發(fā)且強度大, 地質(zhì)災(zāi)害的形成條件復(fù)雜, 滑坡泥石流頻發(fā), 防災(zāi)減災(zāi)形勢嚴(yán)峻。

盡管人們普遍贊同構(gòu)造活動是地質(zhì)災(zāi)害形成過程中非常重要的地質(zhì)作用, 但是由于除了地震之外的斷裂構(gòu)造活動不易觀察到, 大多只能根據(jù)經(jīng)驗進行判斷和定性研究。而且, 非地震狀態(tài)下活動斷裂對地質(zhì)災(zāi)害的影響仍未受到重視。2008年四川汶川MS8.0級地震之后, 由于地震地表破裂和山體滑坡、碎屑流極其發(fā)育, 進一步促進了地質(zhì)災(zāi)害與活動斷裂之間關(guān)系的研究。黃潤秋和李為樂(2009)認(rèn)為, 汶川地震地質(zhì)災(zāi)害的空間分布固然受地形地貌、地層巖性和人類工程活動等因素的影響, 但主要還是受發(fā)震斷層的控制, 絕大多數(shù)大型滑坡緊鄰斷裂上盤發(fā)育, 而且斷裂錯斷方式對滑坡滑動方向具有較大影響。在國內(nèi)外著名的地震誘發(fā)滑坡實例中, 均發(fā)現(xiàn)地震滑坡的發(fā)育特征具有明顯的坡向效應(yīng)(Ashford and Sitar, 1997; 許強和李為樂, 2010)。

除了國內(nèi)外報道的與地震有關(guān)的崩塌滑坡災(zāi)害外, 與活動斷裂帶有關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害案例不勝枚舉,例如: 2010年7月18日, 在陜西安康市一個以斷裂為側(cè)邊界的大型滑坡, 導(dǎo)致29人死亡和大量建筑物損壞。2000年4月9日, 西藏波密縣易貢藏布河扎木弄溝發(fā)生巨型高速滑坡, 形成高54 m、體積約300×106m3的堰塞壩(殷躍平, 2000), 隨即淹沒了上游約7 km范圍內(nèi)的農(nóng)田、茶園和廠礦等, 并造成交通中斷。后經(jīng)研究證實, 易貢滑坡與易貢藏布—帕隆藏布斷裂帶有關(guān)(Xu et al., 2012)。在四川省道孚縣至爐霍縣一帶, 沿鮮水河斷裂帶發(fā)育一系列大-中型滑坡, 它們有的是歷史地震造成的老滑坡, 在斷裂蠕滑作用下產(chǎn)生復(fù)活并轉(zhuǎn)化為泥石流, 幾乎每年都有導(dǎo)致公路中斷、阻斷河道的事件發(fā)生。國外比較著名的圣安德烈斯斷裂及其誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害是眾所周知的(Scheingross et al., 2013)。可以看出, 活動斷裂的地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)不僅體現(xiàn)在斷裂劇烈活動產(chǎn)生的地震地質(zhì)災(zāi)害, 活動斷裂在長期演化過程中對地形地貌、巖體結(jié)構(gòu)、斜坡結(jié)構(gòu)以及局部地應(yīng)力條件的影響等, 都是活動斷裂地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)的研究范疇。因此, 無論從區(qū)域活動構(gòu)造控震角度, 還是從局地斜坡帶活動斷裂控滑角度分析, 活動斷裂對群發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)作用均不容忽視。

本文結(jié)合作者多年來對青藏高原東緣活動構(gòu)造、地震地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害的研究積累, 闡述青藏高原東緣活動斷裂地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)的主要表現(xiàn)形式、災(zāi)害成因機理和分布規(guī)律等, 對于活動構(gòu)造區(qū)地質(zhì)災(zāi)害早期識別和防災(zāi)減災(zāi)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

青藏高原東緣是典型的高山峽谷地區(qū), 崇山峻嶺、峽谷縱橫, 地形起伏度一般在1 000 m/km2以上,最大可達1 600 m/km2。海拔從不到500 m迅速上升到4 000 m以上, 形成一個巨大的地形陡變帶(圖1)。

青藏高原東緣地層巖性的分布受地質(zhì)構(gòu)造控制比較明顯, 地層走向與區(qū)域性斷裂走向基本一致。青藏高原東緣也是“南北地震帶”的重要組成部分(徐錫偉等, 2005; 王雙緒等, 2005; 張岳橋等, 2008), 帶內(nèi)的條-塊結(jié)構(gòu)清楚、南北分段明顯, 地震分布與活動構(gòu)造密切相關(guān)。地震常誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害, 尤其是強烈地震往往造成分布廣、密度大、規(guī)模大的地震滑坡。在眾多與地質(zhì)災(zāi)害密切相關(guān)的活動斷裂帶中, 尤以逆沖型為主的龍門山斷裂帶、走滑型的鮮水河斷裂帶和逆沖兼走滑型的安寧河斷裂帶最為典型, 它們都屬于區(qū)域性的地塊邊界斷裂帶(圖1)。

上述陡峻的地形、強烈的河流深切作用、活躍的構(gòu)造活動以及受構(gòu)造控制而結(jié)構(gòu)軟弱的巖性條件,造成青藏高原東緣成為內(nèi)外動力地質(zhì)作用都非常強烈的地區(qū), 地質(zhì)環(huán)境十分脆弱。

2 活動斷裂帶地質(zhì)災(zāi)害的一般特征

2.1活動斷裂對地形地貌的控制作用

野外調(diào)查和研究表明, 活動斷裂帶大型地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育主要受控于特殊的地形地貌、山體結(jié)構(gòu)以及斷裂強烈活動的動力特征等方面, 常形成完整的斷裂活動-差異性隆升-風(fēng)化剝蝕(滑坡)的演化序列?；顒訑嗔训陌l(fā)育為地質(zhì)塊體的快速差異性隆升奠定了基礎(chǔ), 造成河流深切, 為地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生有利條件(彭建兵, 2006; 馮向陽, 2007; Avouac, 2008)。強烈的新構(gòu)造活動形成了高山峽谷地貌, 相對高差大,容易積累勢能, 有利于大型滑坡尤其是高速遠(yuǎn)程滑坡的發(fā)生(圖2)。高速遠(yuǎn)程滑坡啟動后, 作為遠(yuǎn)程飛行重要條件的氣墊效應(yīng)受到峽谷地貌圈閉作用的控制。汶川地震形成的若干高速遠(yuǎn)程滑坡, 如牛圈溝滑坡、謝家店子滑坡、文家溝滑坡、東河口滑坡等,都存在峽谷圈閉而產(chǎn)生的氣墊效應(yīng)。

Hovius和Meunier(2012)采用中國四川汶川和臺灣Chi-Chi(集集)、日本Niigata(新瀉)、西班牙Finisterre、美國Northridge等地的實例, 分析總結(jié)了地形對地質(zhì)災(zāi)害的貢獻, 并指出, 活動斷裂造成的山體隆升, 主要由崩塌、滑坡或剝蝕作用進行平衡、協(xié)調(diào)。這些例子有著共同的地貌特征: 在滑坡最大密度區(qū)中地震滑坡是最多的; 在山脊和其它凸出地形, 常誘發(fā)滑坡群集體出現(xiàn)(Parker et al., 2011)。并且, 滑動速度可以在地震發(fā)生多年后仍舊維持在高位。持續(xù)的滑動加上地震引起的侵蝕量, 降低或消除了地震引起的表面隆起。例如, 1950喜馬拉雅山阿薩姆(中國察隅)M8.6級地震引發(fā)的山體滑坡體積約47 km3(Mathur, 1953), 1935在巴布亞新幾內(nèi)亞托里切利山M7.9地震造成的山體滑坡導(dǎo)致地表平均降低74～400 mm, 這反映了在地震質(zhì)量平衡作用下引起侵蝕的潛在重要性(Keefer, 1999), 這樣的體積估算可以與地震有關(guān)的地表位移約束匹配。

2.2活動斷裂帶滑坡的一般特征

斷裂帶內(nèi)斜坡的巖體結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜, 表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)面密集發(fā)育、類型多樣, 使活動斷裂帶及其附近一定范圍內(nèi)斜坡的完整性大大降低, 巖體破碎程度高、巖土體力學(xué)性質(zhì)差, 由此導(dǎo)致大型滑坡容易發(fā)生, 且穩(wěn)定性較差?，F(xiàn)以滑坡為例, 管窺活動斷裂帶地質(zhì)災(zāi)害的一般特征:

(1)沿斷裂帶成群成帶分布

圖1　青藏高原東部活動構(gòu)造與地質(zhì)災(zāi)害分布略圖(據(jù)徐錫偉等, 2005; 張岳橋等, 2008; 張永雙等, 2013)Fig. 1 Major active structures and corresponding geohazards in the eastern margin of the Tibetan Plateau (after XU et al., 2005; ZHANG et al., 2008; ZHANG et al., 2013)

圖2　斷裂—隆升—剝蝕(滑坡)的更迭示意圖Fig. 2 Schematic change of fault–uplift–denudation (rockslide)

活動斷裂對地質(zhì)災(zāi)害的形成和分布具有直接的控制作用。斷裂帶通常是破碎和易風(fēng)化的部位,為滑坡的形成創(chuàng)造了有利條件。如在映秀鎮(zhèn)蓮花心溝上游斜坡, 龍門山中央斷裂通過處, 彭灌雜巖的風(fēng)化帶厚度可達40 m以上, 而斷裂帶之外一般僅為5～10 m。

圖3　2008年汶川MS8.0地震誘發(fā)大型滑坡分布圖Fig. 3 Huge landslide distribution induced by 2008 MS8.0 Wenchuan earthquake

在斷裂帶交匯處或斷裂方向發(fā)生變化地段, 如安寧河斷裂與南河斷裂交匯處、安寧河斷裂與則木河斷裂交匯處、則木河斷裂與小江斷裂交匯處等部位, 地質(zhì)災(zāi)害密集發(fā)育。這與黃潤秋和李為樂(2009)提出的鎖固段效應(yīng)是一致的。

(2)一坡到頂和高位特征

斷裂帶在控制陡峻地形的同時, 也為地形放大和動力放大效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)(Ashford and Sitar, 1997; Sepúlveda et al., 2005; Peng et al., 2009), 其本質(zhì)是應(yīng)力與地形的耦合作用。地震動的地形放大效應(yīng)導(dǎo)致地震滑坡異常密集的現(xiàn)象在國內(nèi)外地震中很普遍(Hartzell et al., 1994; Murphy, 2006; Peng et al., 2009;黃潤秋和李為樂, 2009; 王濤等, 2015); 在非地震狀態(tài)下, 沿斷裂帶斜坡發(fā)生滑坡時, 不管滑坡的滑動方向與斷裂走向平行或垂直, 斷裂帶滑坡都會表現(xiàn)出一坡到頂和高位發(fā)生的特征。在斷裂持續(xù)活動狀態(tài)下, 滑坡往往還會出現(xiàn)多次活動。

(3)后緣推擠型滑坡特征

中國西南山區(qū)強震觸發(fā)的滑坡, 按照運動方式可分為推移式、牽引式、溜滑式、崩塌式滑坡4種類型(周本剛和張裕明, 1994)。其中“推移式”是活動斷裂帶滑坡的突出特點。當(dāng)斷裂帶從軟弱巖體斜坡中部通過時, 在斷裂和降水聯(lián)合作用下, 易出現(xiàn)推移式滑坡, 即滑坡從斷裂處啟動, 而不表現(xiàn)為前端啟動的牽引式。后緣推擠型滑坡在其它地區(qū)的活動斷裂帶也比較常見(辛鵬等, 2013), 其與降雨型滑坡通常表現(xiàn)為牽引特征具有明顯的區(qū)別。

3 斷裂劇烈活動(地震)誘發(fā)大型滑坡的主要特征

沿活動斷裂發(fā)生的強烈地震不僅會形成連續(xù)分布的地表破裂帶(董樹文等, 2008), 也使震前不存在滑坡隱患的山體成為災(zāi)害敏感區(qū), 在降雨作用下發(fā)生滑坡或泥石流。一些不穩(wěn)定的山體也可能受地震影響直接形成滑坡, 汶川地震災(zāi)區(qū)就有許多此類實例。

3.1分布特征

以龍門山斷裂帶為例, 汶川地震誘發(fā)大型-特大型滑坡數(shù)百處, 在汶川、什邡、綿竹、安縣、北川和青川等地最為發(fā)育(圖3), 其中70%以上的大型滑坡密布于中央斷裂帶附近。統(tǒng)計結(jié)果表明(許強和李為樂, 2010), 在距發(fā)震斷裂約3 km范圍內(nèi), 大型高速滑坡達94個, 超過大型滑坡總數(shù)的50%, 說明距發(fā)震斷裂越近, 滑坡密度越大, 滑坡規(guī)模也越大。

當(dāng)然, 走滑型地震誘發(fā)的滑坡分布范圍與逆沖型地震相比, 前者比后者要窄得多, 這可以從爐霍地震(走滑型)、玉樹地震(走滑型)和汶川地震(逆沖型)誘發(fā)滑坡的分布范圍看出來(圖4, 圖5)。

圖4　汶川地震大型滑坡沿龍門山斷裂帶分布統(tǒng)計Fig. 4 Distribution of huge landslides induced by Wenchuan earthquake along Longmenshan fault

圖5　爐霍地震地質(zhì)災(zāi)害沿鮮水河斷裂分布統(tǒng)計Fig. 5 Distribution of geohazards induced by Luhuo earthquake along Xianshuihe fault

3.2 形態(tài)特征

調(diào)查表明, 活動斷裂所在的斜坡發(fā)生地震滑坡后, 斜坡上部多出現(xiàn)平臺(圖6)。這是由于逆沖斷裂上盤物質(zhì)被拋射后形成的平緩臺面。當(dāng)斷裂上盤伴生同傾向的次級斷裂或斜坡為層狀反向坡時, 也可出現(xiàn)2級或多級平臺(張永雙等, 2009)。地震滑坡平臺多由下方的基巖和堆積物聯(lián)合構(gòu)成, 其形成過程一般為: 沖擊力首先造成斷裂帶淺部松散物質(zhì)拋射,然后斜坡上方的松散巖體在重力作用下產(chǎn)生崩塌,崩塌的物質(zhì)堆積于滑坡壁與平臺后緣之間。

我們近期在安寧河斷裂帶開展地質(zhì)調(diào)查時發(fā)現(xiàn), 古地震滑坡也存在沿斷裂帶呈線狀分布和高速遠(yuǎn)程的特征。例如, 位于冕寧縣漫水灣鎮(zhèn)的漫水灣滑坡, 體積約(2.0～2.5)×108m3, 滑動距離達3.5～4.0 km(圖7a)。安寧河斷裂從滑體中部通過, 具有地震高速遠(yuǎn)程滑坡的一般特點, 其啟程區(qū)位于安寧河斷裂上盤, 斷裂突然錯動造成斷裂兩側(cè)的節(jié)理化花崗巖快速解體, 滑體物質(zhì)向安寧河方向運動,具有規(guī)模大、剪出口高、高速遠(yuǎn)程等特點, 并引起安寧河堰塞。再如, 在喜德縣中壩村西側(cè), 沿安寧河斷裂發(fā)育大型古滑坡群, 主體滑動方向朝東, 與安寧河斷裂走向近于垂直(圖7b)。

3.3斷裂活動方式與地震滑坡的力學(xué)行為

從地質(zhì)構(gòu)造控制論的角度, 以往人們在研究活動斷裂與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系時, 已經(jīng)注意到了I級結(jié)構(gòu)面的宏觀作用, 在研究滑坡成因時關(guān)注的是IV級或V級結(jié)構(gòu)面(祁生文等, 2004), 而關(guān)于II級或III級結(jié)構(gòu)面對滑坡形成機理的影響如何進行分析還比較模糊, 也未形成統(tǒng)一的認(rèn)識, 這正是研究活動斷裂與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系的關(guān)鍵之所在(伍法權(quán)和祁生文, 2014)。

根據(jù)汶川地震滑坡調(diào)查和分析認(rèn)為, 地震作用常沿地震斷裂產(chǎn)生很強的沖擊力(張永雙等, 2011; 王煥等, 2015), 造成斷裂帶及上盤斜坡破碎巖體產(chǎn)生拋擲(圖8a)。地震滑坡拋擲量與地震動力、斜坡風(fēng)化卸荷程度及其形成的松散巖土體有很大的關(guān)系, Huang等(2009)提出的地震誘發(fā)大型滑坡的模式, 也有力地支持這一觀點。沖擊力可用式(1)表示:

式中:Iσ為沖擊力,Tσ為滑坡壁巖體抗拉強度,Gσ為重力沿滑壁的法向分量。

對于5·12汶川MS8.0級地震而言, 通常被拋擲出的滑坡體厚度與斜坡中等風(fēng)化帶厚度相當(dāng)。強震誘發(fā)滑坡的后緣破裂面與重力式滑坡有明顯的差異,前者表現(xiàn)為斷壁陡立、裂面粗糙呈鋸齒狀、張剪性特征; 而后者的滑坡后壁主要表現(xiàn)為光滑、呈弧形的特點。

圖6　陳家壩太洪村地震滑坡平臺的形成過程Fig. 6 Formation process of earthquake-induced landslide platform in Taihong village, ChenjiabaTown

圖7　安寧河斷裂漫水灣滑坡(a)和中壩村一帶古滑坡(b)發(fā)育特征Fig. 7 Characteristics of Manshuiwan landslide (a) and old landslides near Zhongba village (b) along Anninghe fault

對于4·20蘆山MS7.0級地震而言, 地震沖擊力遠(yuǎn)比汶川地震小(圖8b), 或者說并未充分滿足式(1)的條件(Zhang et al., 2013)。根據(jù)地震誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查結(jié)果可以看出, 蘆山地震僅造成表層全-強風(fēng)化帶產(chǎn)生局部失穩(wěn), 或者沿節(jié)理等結(jié)構(gòu)面控制的楔形體產(chǎn)生崩落。

3.4地震滑坡與碎屑流的鏈生性及分段性

野外調(diào)查表明, 地震高速遠(yuǎn)程滑坡具有明顯的鏈生性?；聠雍? 通常會在運移過程中發(fā)生鏟刮和撞擊作用, 由滑坡轉(zhuǎn)化為碎屑流(圖9)。在平面上大致可分為5段: 啟動崩滑段、重力加速段、快速氣墊飛行-撞擊段、鏟刮減速碎屑流段、堆積掩埋段(張永雙等, 2009), 汶川地震誘發(fā)的滑坡普遍具有類似的分段性和災(zāi)害鏈特點。

圖8　地震誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害概念模型圖Fig. 8 Conceptual model of earthquake-induced geo-hazards

4 斷裂蠕滑作用對斜坡穩(wěn)定性的影響

眾所周知, 并非所有的斷裂都會誘發(fā)地震, 斷裂的蠕滑作用對斜坡應(yīng)力場具有重要的影響, 并制約著地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育特征。從大尺度來說, 大型斷裂控制了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的分布(謝富仁, 1993); 從小尺度來看, 在褶皺或斷裂構(gòu)造附近, 應(yīng)力場常發(fā)生變化,形成與區(qū)域應(yīng)力場不一致的局部應(yīng)力場。斷裂構(gòu)造對于大型-超大型滑坡的形成與穩(wěn)定性具有重要的控制作用, 是內(nèi)外動力耦合作用下形成地質(zhì)災(zāi)害的主要表現(xiàn)形式之一(李曉等, 2008; 張永雙等, 2009), 在斷裂構(gòu)造作用下, 坡體結(jié)構(gòu)更易破壞, 從而產(chǎn)生規(guī)模更大、破壞性更強的崩塌和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。

4.1斷裂蠕滑作用對斜坡應(yīng)力場的影響

斷裂活動對斜坡應(yīng)力場影響的數(shù)值模擬結(jié)果表明, 斷裂蠕滑作用對斜坡體內(nèi)應(yīng)力分布和斜坡體的穩(wěn)定性有直接的影響(圖10), 主要表現(xiàn)為: 斷層面后緣的塑性區(qū)范圍遠(yuǎn)大于斷層不活動時的范圍,而且斷層后緣的塑性區(qū)大于坡腳位置的塑性區(qū)和范圍。逆斷層斜坡的塑性區(qū)范圍大于正斷層相同斷錯量的范圍, 也比無斷層斜坡體相對應(yīng)的范圍大, 這與逆斷活動造成的擠壓作用有關(guān)。

斷裂蠕滑作用對斜坡穩(wěn)定性的影響與斜坡應(yīng)力場的變化規(guī)律是相輔相成的。在青藏高原東緣, 斷裂的蠕滑作用對滑坡和泥石流的控制作用明顯, 特別是當(dāng)活動斷裂直接穿越滑坡、泥石流等災(zāi)害體時, 其對地質(zhì)災(zāi)害具有直接的控制作用。當(dāng)斷裂穿越順向坡且斷裂產(chǎn)狀與巖層產(chǎn)狀相反時, 斷裂蠕滑容易引起順向坡上部巖層發(fā)生彎折傾倒現(xiàn)象, 并發(fā)生失穩(wěn)。

圖9　謝家店子滑坡分段性特征Fig. 9 Development stages of the Xiejiadianzi landslide

圖10　正斷活動(左)和逆斷活動(右)狀態(tài)下斜坡體塑性應(yīng)變分布圖Fig. 10 Plastic strain distribution of slope body under normal fault active(left) and reverse fault active(right)

圖11　活動斷裂帶蠕滑型滑坡特征Fig. 11 Slow-moving slides along the active faults

4.2斷裂蠕滑活動的斜坡變形響應(yīng)

近年來, 斷裂蠕滑作用對滑坡的影響得到國內(nèi)外學(xué)者的重視, Scheingross等(2013)采用InSAR監(jiān)測技術(shù), 在美國加州圣安德烈斯斷裂帶附近獲取了150個以前未識別出來的蠕滑型滑坡, 主要發(fā)生在梯度為20%～40%的山坡上, 其中75%的山體滑坡分布在距活動斷裂不到2 km的地帶(圖11a)。這種現(xiàn)象僅用地形, 降水和巖石類型等指標(biāo)來解釋是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的, 這極可能是圣安德烈斯斷裂導(dǎo)致區(qū)域巖體強度降低而加劇山坡失穩(wěn)的結(jié)果。

作者采用2007年1月9日—2011年3月7日的ALOS衛(wèi)星PALSAR數(shù)據(jù), 通過PS-InSAR數(shù)據(jù)處理方法獲得了鮮水河斷裂帶道孚段的地表變形量,并進行了斷裂活動與蠕滑型滑坡的對比分析。結(jié)果表明, 該段斷裂帶附近構(gòu)造活動產(chǎn)生的LOS變形速率在–3.8～0.19 mm/a之間, 超出這個范圍則反映了滑坡蠕滑造成的變形。在鮮水河支流紐日河左岸斜坡帶高變形PS“點團”反映了一系列滑坡的存在及其活動特征(圖11b)。其中, PS-InSAR觀測到的蠕滑型滑坡主要沿斷裂帶分布, 尤其是在地形中等陡峭、巖體破碎、現(xiàn)今活動跡象明顯的道孚—松林口一帶非常顯著, 體現(xiàn)了活動斷裂的地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)。

圖12　斷裂蠕動誘發(fā)克木水電站滑坡示意圖Fig. 12 Sketch map of Kemu hydropower landslide induced by fault slipping

我們還考察了位于爐霍縣仁達鄉(xiāng)南約1 500 m的鮮水河克木電站滑坡(圖12), 該滑坡位于水庫大壩上游1 000 m, 鮮水河斷裂從滑坡前緣通過, 該段斷裂目前左旋走滑速率高達10 mm/a以上, 對滑坡整體產(chǎn)生強烈的牽引作用, 加速了滑坡的整體蠕變滑動。

5 斷裂破碎帶是地質(zhì)災(zāi)害鏈的源頭

區(qū)域性活動斷裂?？刂坪庸鹊男纬砂l(fā)育, 并與泥石流主溝呈大角度相交, 成為地質(zhì)災(zāi)害鏈的源頭。特別是活動斷裂垂直穿越部分泥石流溝的形成區(qū)和流通區(qū)時, 造成溝道兩岸巖土體破碎強烈, 易發(fā)生崩塌滑坡, 為泥石流提供豐富物源(Zhang et al., 2014)。上述現(xiàn)象在青藏高原東緣也較常見, 例如安寧河斷裂帶沿線的渾水溝泥石流、冷漬溝泥石流、鹽井溝泥石流、勒帕溝泥石流和拖烏泥石流等活動強烈, 危害嚴(yán)重。

野外調(diào)查表明, 安寧河斷裂帶從冷漬溝穿過(圖13), 斷裂破碎帶寬60～100 m, 其內(nèi)發(fā)育的崩塌滑坡為泥石流提供了豐富的松散物源。泥石流長約1 500 m, 平均寬約100 m, 平均厚約30 m, 體積達450×104m3。冷漬溝在1920—1930年曾發(fā)生過大規(guī)模的滑坡, 并演變成為碎屑流, 隨后多次暴發(fā)泥石流。近年來, 每年雨季都會暴發(fā)泥石流, 少則1次,多則5～6次, 位于溝口的公路多次遭受泥石流的沖毀和淤埋。

圖13　冕寧縣冷漬溝泥石流遙感影像圖(底圖引自Google Earth)Fig. 13 Remoting sensing image of Lengzigou debris flow in Mianning County (the base map quoted from Google Earth)

6 結(jié)語

活動斷裂帶的地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)是工程地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害領(lǐng)域研究的重要內(nèi)容。本文以構(gòu)造活動最強烈的青藏高原東緣為例, 闡述了活動斷裂地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)的主要表現(xiàn)形式。獲得如下認(rèn)識:

(1)活動斷裂帶地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育主要受控于活動斷裂帶特殊的地形地貌、山體結(jié)構(gòu)以及斷裂強烈活動的動力特征等方面?；顒訑嗔褞Щ戮哂醒財嗔褞С蓭С扇悍植?、一坡到頂、高位剪出、呈后緣推擠失穩(wěn)模式等特征。

(2)不同類型的斷裂發(fā)生劇烈活動, 其誘發(fā)大型滑坡范圍不同, 以逆沖型地震誘發(fā)滑坡分布范圍最大。逆斷層上盤巖土體在地震力作用下被拋射后,常在滑坡上部形成平臺。在地震力的沖擊拋射作用下, 滑體高位剪出形成高速遠(yuǎn)程滑坡, 甚至向碎屑流轉(zhuǎn)化。

(3)斷裂的蠕滑作用通過改變斜坡應(yīng)力場的分布來影響斜坡穩(wěn)定性, 斷裂破碎帶易發(fā)生滑坡和崩塌, 同時為泥石流發(fā)育提供了豐富的物源。

(4)與活動斷裂有關(guān)的地質(zhì)災(zāi)害廣泛分布。隨著研究的深入, 作者發(fā)現(xiàn)當(dāng)前仍存在許多亟待解決的重要科學(xué)問題, 例如: 新構(gòu)造、活動斷裂、第四紀(jì)地質(zhì)等基礎(chǔ)性研究與地質(zhì)災(zāi)害研究有待進一步交叉和融合; 在內(nèi)外動力地質(zhì)災(zāi)害的耦合研究方面, 前期研究比較注重以外動力作用為主的地質(zhì)災(zāi)害成災(zāi)規(guī)律, 很少從活動構(gòu)造角度去研究地質(zhì)災(zāi)害鏈, 也缺乏地質(zhì)災(zāi)害鏈評價方法; 針對青藏高原東緣強烈侵蝕山區(qū)與活動斷裂地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)相關(guān)的多因素綜合觀測(崩塌滑坡災(zāi)害、地應(yīng)力、微地震、地脈動等)比較薄弱, 地表過程對深部構(gòu)造活動響應(yīng)的研究還處于初步探索階段。作為活動斷裂和地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的區(qū)域, 青藏高原東緣存在著許多值得深化研究的問題。

Acknowledgements:

This study was supported by Basic Research Project of Ministry of Science and Technology, China (No. 2011FY110100-2), China Geological Survey (No. 1212010914025), and National Natural Science Foundation of China (No. 41072269).

參考文獻:

董樹文, 張岳橋, 龍長興, 吳珍漢, 安美建, 張永雙, 楊農(nóng), 陳正樂, 雷偉志, 施煒, 石菊松. 2008. 四川汶川Ms8.0地震地表破裂構(gòu)造初步調(diào)查與發(fā)震背景分析[J]. 地球?qū)W報, 29(3): 392-396.

馮向陽. 2007. 試論西藏當(dāng)雄-羊八井活動構(gòu)造帶的基本特征及其對青藏鐵路安全運營的影響[J]. 地球?qū)W報, 28(2): 173-180.

黃潤秋, 李為樂. 2009. 汶川大地震觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的斷層效應(yīng)分析[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報, 17(1): 19-28.

李曉, 李守定, 陳劍, 廖秋林. 2008. 地質(zhì)災(zāi)害形成的內(nèi)外動力耦合作用機制[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 27(9): 1792-1806.

彭建兵. 2006. 中國活動構(gòu)造與環(huán)境災(zāi)害研究中的若干重大問題[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報, 14(1): 5-12.

祁生文, 伍法權(quán), 劉春玲, 丁彥慧. 2004. 地震邊坡穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 23(16): 2792-2797.

王煥, 李海兵, 司家亮, 孫知明, 付小方, 劉棟梁, 裴軍令, 李成龍, 張佳佳, 宋圣榮, 郭力偉, MORI J, 薛蓮, BRODSKY E E, 云錕, 龔正. 2015. 汶川地震斷裂作用研究新認(rèn)識[J].地球?qū)W報, 36(3): 257-269.

王濤, 吳樹仁, 石菊松, 辛鵬, 梁昌玉. 2015. 歷史強震對渭河中游群發(fā)大型滑坡的誘發(fā)效應(yīng)反演[J]. 地球?qū)W報, 36(3): 353-361.

王雙緒, 張希, 張四新, 張曉亮, 薛富平. 2005. 青藏高原東北緣現(xiàn)今構(gòu)造變動與地震活動特征[J]. 地球?qū)W報, 26(3): 209-216.

伍法權(quán), 祁生文. 2014. 巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)的統(tǒng)計巖體力學(xué)研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報, 22(4): 601-609.

謝富仁, 祝景忠, 梁海慶, 劉光勛. 1993. 中國西南地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場基本特征[J]. 地震學(xué)報, 15(4): 407-417.

辛鵬, 吳樹仁, 石菊松, 王濤, 石玲, 韓金良. 2013. 渭河中游寶雞-扶風(fēng)北岸斜坡結(jié)構(gòu)及其對大型滑坡形成機理指示意義[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(地球科學(xué)版), 43(2): 506-514.

徐錫偉, 張培震, 聞學(xué)澤, 秦尊麗, 陳桂華, 朱艾斕. 2005. 川西及其鄰近地區(qū)活動構(gòu)造基本特征與強震復(fù)發(fā)模型[J]. 地震地質(zhì), 27(3): 446-461.

許強, 李為樂. 2010. 汶川地震誘發(fā)大型滑坡分布規(guī)律研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報, 18(6): 818-826.

殷躍平. 2000. 西藏波密易貢高速巨型滑坡特征及減災(zāi)研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì), (4): 8-11.

張永雙, 石菊松, 孫萍, 姚鑫. 2009. 汶川地震內(nèi)外動力耦合及災(zāi)害實例[J]. 地質(zhì)力學(xué)學(xué)報, 15(2): 131-141.

張永雙, 蘇生瑞, 吳樹仁, 石菊松, 孫萍, 姚鑫, 熊探宇. 2011.強震區(qū)斷裂活動與大型滑坡關(guān)系研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 30(S2): 3503-3513.

張岳橋, 楊農(nóng), 施煒, 董樹文. 2008. 青藏高原東緣新構(gòu)造及其對汶川地震的控制作用[J]. 地質(zhì)學(xué)報, 82(12): 1668-1678.

周本剛, 張裕明. 1994. 中國西南地區(qū)地震滑坡的基本特征[J].西北地震學(xué)報, 16(1): 95-103.

References:

ASHFORD S A, SITAR N. 1997. Analysis of topographic amplification of inclined shear waves in a steep coastal bluff[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 87(3): 692-700.

AVOUAC J P. 2007. Dynamic processes in extensional and compressional settings–mountain building: from earthquakes to geological deformation[J]. Earth Systems and Environmental Sciences, 6: 377-439.

DONG Shu-wen, ZHANG Yue-qiao, LONG Chang-xing, WU Zhen-han, AN Mei-jian, ZHANG Yong-shuang, YANG Nong, CHEN Zheng-le, LEI Wei-zhi, SHI Wei, SHI Ju-song. 2008. Surface Rupture Investigation of the Wenchuan Ms 8.0 Earthquake of May 12th, 2008, West Sichuan, and Analysis of Its Occurrence Setting[J]. Acta Geoscientica Sinica, 29(3): 392-396(in Chinese with English abstract).

FENG Xiang-yang. 2007. Basic caracteristics of the Damxung Yangbajain active tectonic zone in Tibet and its influence on the safety of the Qing Zang Railway[J]. Acta Geoscientica Sinica, 28(2): 173-180(in Chinese with English abstract).

HARTZELL S H, CARVER D L, KING K W. 1994. Initial investigation of site and topographic effects at Robinwood Ridge, California[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 84(5): 1336-1349.

HOVIUS N, MEUNIER P. 2012. Earthquake ground motion and patterns of seismically induced landsliding[J]. Landslide, 24-36.

HUANG R Q, LI W L. 2009. Development and distribution of geohazards triggered by 5.12 Wenchuan earthquake in China[J]. Science in China (Series E) - Technological Sciences, 52(4): 810-819.

HUANG Run-qiu, LI Wei-le. 2009. Fault effect analysis of geo-hazard triggered by Wenchuan earthquake[J]. Journal of Engineering Geology, 17(1):19-28(in Chinese with English abstract).

KEEFER D K. 1999. Earthquake-induced landslides and their effects on alluvial fans[J]. Journal of Sedimentary Research, 69(1): 84-104.

LI Xiao, LI Shou-ding, CHEN Jian, LIAO Qiu-lin. 2008. Coupling effect mechanism of endogenic and exogenic geological processes of geological hazards evolution[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 27(9): 1792-1806(in Chinese with English abstract).

MATHUR L P. 1953. Assam earthquake of 15th August 1950: A short note on factual observations[J]//A Compilation of Papers on the Assam Earthquake of August 15, 1950. National Geographical Research Institute, Hyderabad, Central Board ofGeophysics Publication 1: 56-60.

MURPHY W. 2006. The role of topographic amplification on the initiation of rock slopes failures during earthquakes[J]. NATO Science Series, Landslides from Massive Rock Slope Failure, PART 2, 49: 139-154.

PARKER R N, DENSMORE A L, ROSSER N J, DE MICHELE M, L Y, HUANG R Q, WHADCOAT S, PETLEY D N. 2011. Mass wasting triggered by the 2008 Wenchuan earthquake exceeds orogenic growth[J]. Nature Geoscience, 4, doi: 10.1038/ ngeo1154.

PENG Jian-bing. 2006. Some important problems to be addressed in research of active tectonics and environmental disasters in China[J]. Journal of Engineering Geology, 14(1): 5-12(in Chinese with English abstract).

PENG W F, WANG C L, CHEN S T, LEE S T. 2009. A seismic landslide hazard analysis with topographic effect, a case study in the 99 Peaks region, Central Taiwan[J]. Environmental Geology, 57(3): 537-549.

QI Sheng-wen, WU Fa-quan, LIU Chun-ling, DING Yan-hui. 2004. Engineering geology analysis on stability of slope under earthquake[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 23(16): 2792-2797(in Chinese with English abstract).

SCHEINGROSS J S, MINCHEW B M, MACKEY B H, SIMONS M, LAMB M P, HENSLEY S. 2013. Fault-zone controls on the spatial distribution of slow-moving landslides[J]. Geological Society of America Bulletin, 125(3-4): 473-489.

SEPúLVEDA S A, MURPHY W, PETLEY D N. 2005. Topographic controls on coseismic rock slides during the 1999 Chi-Chi earthquake, Taiwan[J]. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology, 38: 189-196.

WANG Huan, LI Hai-bing, SI Jia-liang, SUN Zhi-ming, FU Xiao-fang, LIU Dong-liang, PEI Jun-ling, LI Cheng-long, ZHANG Jia-jia, SONG Sheng-rong, GUO Li-wei, MORI James, XUE Lian, BRODSKY E E, YUN Kun, GONG Zheng. 2015. Progress in the Study of the Wenchuan Earthquake Faulting[J]. Acta Geoscientica Sinica, 36(3): 257-269(in Chinese with English abstract).

WANG Shuang-xu, ZHANG Xi, ZHANG Si-xin, ZHANG Xiao-liang, XUE Fu-ping. 2005. Characteristics of recent tectonic deformation and seismic activity in the northeastern margin of Tibetan Plateau[J]. Acta Geoscientica Sinica, 26(3): 209-216(in Chinese with English abstract).

WANG Tao, WU Shu-ren, SHI Ju-song, XIN Peng, LIANG Chang-yu. 2015. Inversion of the inducing effects of historical strong earthquakes on large-scale landslides around the middle reaches of the Weihe River[J]. Acta Geoscientica Sinica, 36(3): 353-361(in Chinese with English abstract).

WU Fa-quan, QI Sheng-wen. 2014. Statistical mechanics on the structure effects of rock masses[J]. Journal of Engineering Geology, 22 (4): 601-609(in Chinese with English abstract).

XIE Fu-ren, ZHU Jing-zhong, LIANG Haiqing, LIU Guang-xun. 1993. The basic characteristics of recent tectonic stress field in southwest region of China[J]. Acta Seismologica Sinica, 15(4): 407-417(in Chinese).

XIN Peng, WU Shu-ren, SHI Ju-song, SHI Ling, HAN Jin-liang. 2013. Slope structure on the north bank of Baoji-Fufeng section in the middle reaches of Weihe River and its indicative significance on the formation mechanism of large landslide[J]. Journal of Jilin University (Earth Science Edition), 43(2): 506-514(in Chinese with English abstract).

XU Q, SHANG Y J, VAN ASCH T, WANG S T, ZHANG Z Y, DONG X J. 2012. Observations from the large, rapid Yigong rock slide – debris avalanche, southeast Tibet[J]. Canadian Geotechnical Journal, 49(5): 589-606.

XU Qiang, LI Wei-le. 2010. Distribution of large-scale landslide induced by Wenchuan earthquake[J]. Journal of Engineering Geology, 18(6): 818-826(in Chinese with English abstract).

XU Xi-wei, ZHANG Pei-zhen, WEN Xue-ze, QIN Zun-li, CHEN Gui-hua, ZHU Ai-lan. 2005. Features of active tectonics and recurrence behaviors of strong earthquakes in the western Sichuan Province and its adjacent regions [J]. Seismology and Geology, 27(3): 446-461(in Chinese with English abstract).

YIN Yue-ping. 2000. Rapid huge landslide and hazard reduction of Yigong River in Bomi, Tibet[J]. Hydrogeology and Engineering Geology, (4): 8-11 (in Chinese with English abstract).

ZHANG Y S, CHENG Y L, YIN Y P, LAN H X, WANG J, FU X X. 2014. High-position debris flow: A long-term active geohazard after the Wenchuan earthquake[J]. Engineering Geology, 180: 45-54.

ZHANG Y S, DONG S W, HOU C T, GUO C B, YAO X, LI B, DU J J, ZHANG J G. 2013. Geohazards induced by the Lushan Ms7.0 earthquake in Sichuan Province, Southwest China: typical examples, types and distributional characteristics[J]. Acta Geologica Sinica, 87(3): 646-657.

ZHANG Yong-shuang, SHI Ju-song, SUN Ping, YAO Xin. 2009. Coupling between endogenic and Exogenic geological processes in the Wenchuan earthquake and example analysis of geo-hazards[J]. Journal of Geomechanics, 15(2): 131-141(in Chinese with English abstract).

ZHANG Yong-shuang, SU Sheng-rui, SHI Ju-song, SUN Ping, YAO Xin, XIONG Tan-yu. 2013. Research on relationship between fault movement and large-scale landslide in intensive earthquake region[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 30(S2): 3503-3513(in Chinese with English abstract).

ZHANG Yue-qiao, YANG Nong, SHI Wei, DONG Shu-wen. 2008. Neotectonics of Eastern Tibet and its control on the Wenchuan earthquake[J]. Acta Geologica Sinica, 82(12): 1668-1678(in Chinese with English abstract).

ZHOU Ben-gang, ZHANG Yu-ming. 1994. Some characteristics of earthquake-induced landslide in southwestern China[J]. Northwestern Seismological Journal, 16(1): 95-103(in Chinese with English abstract).

Research on the Geohazard Effect of Active Fault on the Eastern Margin of the Tibetan Plateau

ZHANG Yong-shuang, GUO Chang-bao, YAO Xin, YANG Zhi-hua, WU Rui-an, DU Guo-liang Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard, Ministry of Land and Resources, Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081

Abstract:The geohazard effect of active fault is one of the important subjects of engineering geology and geohazard research. Exemplified by the east margin of the Tibetan Plateau characterized by the most intense tectonic activities since Quaternary, this paper has presented major manifestations of the geohazard effects of active faults, which include (1) influence of active faults on terrain landforms and rock mass structure, (2) dramatic activities of a certain fault (earthquake) inducing geohazards, (3) influence of fault creep slipping on slope stress field and slope stability, (4) fault activity acting as the source of geohazard chain, which can provide abundant materials for landslides or debris flows. These manifestations, together with the geohazard formation mechanisms and their distribution regularity, are key problems which should be emphasized during geohazard prevention. Based on typical geohazard cases on the eastern margin of the Tibetan Plateau, the authors point out that the coupling mechanism of endogenic and exogenic geological processes is the research direction of geohazards in the future, which can provide important theoretical basis for early recognition and prevention of geohazards in the tectonic active regions.

Key words:active fault; geo-hazard; coupling of endogenic and exogenic process; earthquake-induced landslide; east margin of the Tibetan Plateau

中圖分類號:P546; P694

文獻標(biāo)志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.03

收稿日期:2015-12-07; 改回日期: 2016-02-20。責(zé)任編輯: 張改俠。

第一作者簡介:張永雙, 男, 1968年生。博士, 研究員, 博士生導(dǎo)師。主要從事工程地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害方面的研究工作。E-mail: zhys100@sohu.com。