龍門山地區地震次生災害發育分布規律研究

“5.12”地震對龍門山區導致了許多滑坡和崩塌災害。這些災害分布廣泛、規模大、危害嚴重、影響周期長（重發性高）等特點。對這些地震誘發地質災害發育分布規律進行研究,認識其變形破壞與基本地質環境要素的相互關系,對類似高烈度地震山區的鐵路建設及其他工程建設具有十分重要的參考價值。對于地震誘發地質災害分布規律的研究,應在充分考慮龍門山地區地貌形態及構造活動背景的基礎上,從整體和局部兩個層面來進行研究。首先從宏觀上,研究區段內地質災害的形成和分布遵循龍門山斷裂帶地震活動性的橫向差異性和縱向分段性特征。災害的發育程度取決于斷裂不同部位的相對運動方式,如龍門山斷裂帶表現為逆沖性質,主動盤(上盤)災害發育程度高于被動盤。其次從流域的角度,在特定的研究流域,崩滑泥石流災害分布又受地形地貌等因素的制約,主要流域沿岸災害發育的密度高于斷裂帶附近其他區域的平均密度。因此,對于災害發育分布規律的認識,應首先研究區域內部與斷裂帶、水系等主要影響因素的宏觀特性,然后在現場調查、研究各種地質因素與災害發育影響的基礎上,對各流域內的局部分布特征進行研究。而目前對于龍門山地區地質災害發育分布規律的研究,通常是以遙感解譯數據為基礎的整體分布和宏觀研究,但如上所述,災害的產生往往還受到巖性、坡體結構等的影響而產生一定的差異,因此,在掌握宏觀特征的基礎上,應結合現場調研,才能較為明晰地了解流域段內災害分布的局部規律。1外學者的研究由于研究區位于龍門山地區的地震受災區,面積廣大、交通不便且不斷發生的余震和潛在的崩塌落石等對研究人員的生命安全有極大威脅,現場勘查的難度很大。但國內外學者仍然以衛星遙感及航拍影像解譯為基礎展開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,目前已經取得的認識有如下幾點:(1)沿發震斷裂的“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震斷裂控制。除此之外,對局部的災害發育分布來說,往往還具有一些獨特的分布特征,如斷層效應、烈度效應等,這些分布特征往往與其區域內的地質環境要素有直接或間接的關系。2成帶性成帶特性本次研究主要針對成蘭鐵路各比選線路方案在龍門山地區通過的區段進行,主要包括雎水河、茶坪河(安昌河支流)、綿遠河及石亭江流域的河流沿線地質災害。研究區屬高山溝谷深切割地貌,區域內溝谷切割強烈,河流彎曲,溝谷兩側坡度普遍大于35°,垂直高差大,“5.12”地震在該區域誘發的次生地質災害的分布整體上受水系、斷裂帶控制,其成群成帶特性明顯,服從前述區域分布特征(圖1)。除此之外,其局部發育分布還受到其他各種地質環境因素的影響。2.1地質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,包括坡體的物質組成、形態、規模、臨空條件、結構特征等。對于此次研究的龍門山地區的地震次生地質災害來說,由于其獨特的觸發因素———強震及龍門山地區的特有地貌及構造條件,其地質災害呈現與普通重力環境下地質災害不同的動力力學特性。這些獨特的失穩、破壞機理及運動特性與其地質背景因素密切相關。不同的地質背景因素對地質災害的產生也有著不同程度的影響,如高程、坡度、坡向距發震斷裂的距離(前山斷裂F2、中央斷裂F3)、位于斷層的盤別(上盤或下盤)等都對災害的發生起到了特定的作用。通過對這些不同因素下地質災害分布特征的研究,可以對不同地質環境條件下災害發生、發展的趨勢分析和評價提供重要依據。因此,在航空遙感圖像解譯的基礎上,下文對災害發生部位的高程、距斷層距離、坡度、坡向、巖性和坡體結構等因素及其與災害發生頻度的相互關系分別進行分析評價。2.2采樣段災害發育的概況研究區主要為構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程中,不同高程部位動力響應特性的差異,導致災害分布在垂直方向不同高程部位具有不同的分布特征。現場調查和遙感數據均表明其發育密度和所處高程密切相關。在GIS平臺上,采用1∶5萬數字等高線構建DEM,并對各流域內災害點發育位置的高程進行空間統計分析。研究區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據囊括650~2300m高程段,總研究面積133.2km2,災害發育總體密度達5.7個/km2。從650m高程開始,每隔200m作為一個采樣段,對流域內災害點高程指標進行分段統計,成果揭示了該統計段災害發育個數、密度和高程密切相關,研究區段隨著海拔的提升,災害點個數迅速增加,并在1000~1200m段到達峰值,然后又隨之逐漸減少。1600m高程以上,地質災害的發育已十分稀少。800~1400m是災害發育最為密集的高程段,各個采樣段災害發育密度均超過了7個/km2。(2)茶坪河段。總體來說,該段災害發育程度不及雎水河段,解譯取得的災害總數為189個,總體發育密度3.25個/km2。分段統計成果揭示,該采樣區內的災害發育與雎水河段有著相似的規律,由于該區的河流平均海拔高與雎水段相比約低100~150m,從統計結果看,災害點隨高程的增加在1200~1400m段到達峰值,但總體來說其發育個數與1000~1200m段差距不大,在大于1600m的高程段上,僅有零星的災害點分布,在1200~1400m采樣段上,災害發育密度約為4.02個/km2。(3)綿遠河段。該采樣區主要位于綿遠河上清平鄉及其下游區段的河流右岸,采樣區內海拔介于820~2880m,航拍解譯取得的災害點總數達890個,總解譯面積87.4km2,由于采樣區靠近中央斷裂F3,平均災害發育密度高于雎水段和茶坪段,達10.18個/km2。由于中央斷裂F3的控制作用,該采樣區內災害發育的個數及密度均遠高于前兩區,但總體來說,仍呈現災害點個數隨高程抬升呈先增加后衰減的趨勢,災害點個數在1200~1400m采樣段到達峰值,2000m以上災害發育數目明顯減少。1200~1800m段災害發育密度均超過了11個/km2。值得注意的是,2000~2200m采樣段的災害發育密度高達13個/km2,這是因為這個高程段的采樣區巖性主要為夾雜輝綠巖巖脈的花崗巖巖帶,災害發育受巖性影響十分顯著。(4)石亭江段。采樣區海拔高程介于650~2500m高程,總解譯面積118.3km2,災害點個數607個,平均災害發育密度5.13個/km2。該采樣區內災害發育個數的峰值出現在1200~1400m高程段,800m以下及2200m以上災害發育均十分稀少,1200~1600m高程段的災害發育密度均超過了8個/km2。由以上統計可以看出,采樣區內災害發育個數與密度和災害點所處高程具有密切關系,從數目上來說,研究區內災害點發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段集中了采樣區內69%以上的地質災害(圖2)。而在1800m以上,地質災害發育的個數及密度均遠小于其他高程段。2.3研究區災害發育的個數研究發現,宏觀上發震斷裂兩側10km范圍是地震地質災害的強發育區,10~20km范圍為中等發育區。本次研究主要針對距前山斷裂(F2)13km范圍內的區域。以1km距離為單位對流域內災害發育密度與斷層F2和F3的距離關系進行統計,由于采樣區多位于斷裂F3附近,對于位于F2、F3之間的雎水河段和石亭江段來說,以F2,F3垂直距離13km計,災害點距離F2愈遠,即表示其距F3愈近。從圖3的統計結果中可以看出,對于前山斷裂F2來說,災害的數目基本呈現距斷裂帶愈近,發生個數愈多的趨勢。其中距斷層F2距離4km范圍內的災害占據了整個研究區內災害發育個數的50%。災害發生頻度隨其距F2距離增加而急劇減少,并在7~8km處開始逐漸回升。圖中也可明顯地看出,隨著距斷層F3距離的減小,災害發育的個數沒有明顯的增加,這和F3不是主要發震斷裂及F3附近山體高度不大、地形平緩均有一定的關系。茶坪河段主要位于中央斷裂帶F3兩側4km范圍內,其災害發育隨距離增加而減少的趨勢十分明顯,由圖4可見,流域內斷層兩側2km范圍內的災害占據了總體災害發生數目的70%以上。從圖5可見,對綿遠河流域來說,研究區主要位于斷層F2兩側,距F2斷層2km范圍內的災害占據了研究區災害數目的50%,隨著距離的增加,災害數目減少的趨勢十分明顯。對于石亭江段來說,災害發生數目隨距離增加而減少的趨勢也比較明顯,其中距F2斷層5km范圍內的災害占據了整體的60%,由圖6也可以看出,在距離斷層4~6km處災害發生的數目有明顯的突然增加,這和該段內的分支斷裂有一定關系。由上述統計結果可以看出,采樣區內的災害主要集中于斷層兩側5km的范圍內,距斷層距離愈近,災害點的數目就愈多,對于統計區域位于F2、F3之間的雎水河段和石亭江段來說,其災害發育數目隨距F2的距離增加而減少的趨勢到5km距離外有明顯的變化,這是因為對于這兩個采樣區段來說,災害點的數目除受斷層F2影響外,還一定程度上受到了斷層F3的影響。但總體來說,災害發育受F2的影響要比F3更加顯著。2.4采樣區地表坡度分布斜坡的破壞通常發生于以下幾類對地震波有明顯放大效應的部位:(1)地形坡度由緩變陡的過渡轉折部位;(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系,通過DEM數據,以5°為一采樣區間對災害產生部位的地形坡度進行統計(圖7)。從統計數目上看,各個采樣區均呈現相同的分布規律,25°以下、50°以上的斜坡上產生災害的數量較小。研究區的地質災害主要集中于40°~45°的岸坡中,分布數量最多,占據了采樣區災害總數的26%,35°~40°的岸坡中災害點發育數目占據采樣區災害總數的23%。值得注意的是,50°以上的岸坡并非是災害不易發生的地區,理論上,坡度越陡的岸坡越容易受地震波影響而產生破壞,然而采樣區內50°以上的岸坡樣本數目不足,很大程度上影響了統計結果。2.5流域災害與坡向的關系研究發現,震區災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,其空間分布同時受地震動力影響顯著,具備“背坡面效應”和“斷層錯斷方向效應”等空間效應。這些方向效應可以通過地質災害與坡體走向的關系直觀地展露出來,各流域災害與坡向關系如圖8~11所示。從圖8~11可以看出,采樣區災害發育與岸坡走向存在一定的統計關系,總體來說,近150°、330°走向范圍附近區域的災害多于60°、240°~270°走向范圍附近的災害,即地質災害產生的優勢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部分,即映秀~汶川段和北川段,對于靠近北川的雎水段采樣區來說,可以認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源為由北至東傳播考慮,背向傳播方向的走向范圍(180°~360°)內岸坡發生災害的數目要多于走向與地震波傳播方向近于相同(0°~180°)的岸坡。而對于相對受映秀-汶川段破裂影響明顯的石亭江、綿遠河段,其結果恰恰相反,這和“背坡面效應”的理論是相吻合的。茶坪段的結果由于河流走向及樣本數目的制約,其統計特征區分不太明顯。2.6巖性與地質災害龍門山地區巖性按照其堅硬程度,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、凝灰巖、砂巖、灰巖、粉砂巖夾頁巖、千枚巖及各類花崗巖夾輝綠巖等。不同的巖性與地質災害的發育雖然沒有顯著的對應關系(圖12),總體上,地震地質災害在各類巖層中均較發育,但其巖性的相對硬度卻對災害發生的數目有一定的影響,對于采樣區內的地質災害來說,災害發生個數最多的是較堅硬的碳酸鹽巖及脆性的花崗巖,其中花崗巖巖組中的災害密度達到了11.36個/km2,碳酸鹽巖中也達到了8.0個/km2。千枚巖和砂板巖等相對軟弱巖性中災害發育數目相對較少。2.7各類抗側力面的結構分類不同岸坡的結構決定著斜坡變形破壞的類型、數量和規模。這是由于庫區內岸坡的原生層狀結構面是區內斜坡破壞的主要控制面,而層面與河流走向的組合關系又決定了斜坡的臨空條件及結構特點。因此,依據研究區內巖體的結構特性,將區內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)的組合關系作為劃分依據,按照如下指標劃分坡體結構類型。A:塊狀結構Ⅰ:平緩層狀岸坡(α<10°,0°≤β≤180°);Ⅰ1:平緩傾內層狀岸坡;Ⅰ2:平緩傾外層狀岸坡。Ⅱ:橫向岸坡(60°≤β≤120°,0°≤α≤90°)。Ⅲ1:緩傾外順向層狀岸坡(10°≤α≤20°);Ⅲ2:中傾外順向層狀岸坡(20°<α≤45°);Ⅲ3:陡傾外順向層狀岸坡(α>45°)。Ⅳ:逆向層狀岸坡(150°<β≤180°。Ⅳ1:緩傾內逆向層狀岸坡(10°≤α≤20°);Ⅳ2:中傾內逆向層狀岸坡(20°<α≤45°);Ⅳ3:陡傾內逆向層狀岸坡(α>45°)。Ⅴ:斜向層狀岸坡(0°≤α≤90°);Ⅴ1:斜向傾內層狀岸坡(120°≤β≤150°);Ⅴ2:斜向傾外層狀岸坡(30°≤β≤60°)。依據上述岸坡結構的分類,對采樣區內發生災害的斜坡的坡體結構進行統計,如圖13~16所示。由圖13~16可以看出,研究區內災害發生數目最多的處于橫向岸坡中,推測其原因主要為以下幾個方面:(1)研究區此類岸坡分布較廣,相對面積大于其他類型的岸坡;(2)橫向岸坡的層面和其他結構面組合易于形成楔形塊體,不利于