風(fēng)化作用對溝谷型泥石流發(fā)育環(huán)境的影響研究

余 斌，褚勝名，朱 淵，謝 洪

（1.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059；2.四川省川建勘察設(shè)計(jì)院，四川 成都 610017；3.中國科學(xué)院 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041）

泥石流是突發(fā)性的自然災(zāi)害，常造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。影響泥石流發(fā)育的自然環(huán)境因素較多，總體上可以歸結(jié)為地形、地質(zhì)和降水三大條件。其中，地質(zhì)條件主要體現(xiàn)在為泥石流的發(fā)育提供豐富的固體物源。發(fā)育泥石流的地質(zhì)條件主要與流域內(nèi)的巖性、構(gòu)造、地震烈度以及風(fēng)化作用等有關(guān)。其中風(fēng)化作用對形成泥石流固體物源的影響較大［1－7］。目前對泥石流的發(fā)育條件研究中，風(fēng)化作用及其程度的研究主要是定性地描述，還沒有系統(tǒng)地、定量地研究其在泥石流形成中的作用。國內(nèi)外學(xué)者通過修正普氏堅(jiān)固系數(shù)［8］獲得流域巖性的定量描述［1］，以及加入構(gòu)造、地震烈度以及風(fēng)化的修正［2－3］，為定量描述泥石流形成的地質(zhì)條件提供了一個(gè)新的途徑，但對風(fēng)化作用的確定還沒有一個(gè)可行的方法，僅借助已有的調(diào)查及參考文獻(xiàn)給出風(fēng)化程度。在尚未開展詳細(xì)調(diào)查的流域，則無法給出風(fēng)化程度的判斷。風(fēng)化作用主要是指在大氣、水與生物等的相互作用下，通過物理和化學(xué)的作用使得地殼表層的巖石在原地遭受破碎與破壞的過程 根據(jù)風(fēng)化作用的類型 可分為物理風(fēng)化 化學(xué)風(fēng)化及生物風(fēng)化三類。生物風(fēng)化作用主要體現(xiàn)在生物活動加劇巖石物理或化學(xué)風(fēng)化的破壞作用［9］，相對較為次要。本研究暫不考慮生物風(fēng)化的影響。

本研究在前人定量研究巖性、構(gòu)造、地震烈度的基礎(chǔ)上，通過分析物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化在形成泥石流固體物源中的作用，研究物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化在溝床起動類型泥石流發(fā)育中的作用，提出了對巖石堅(jiān)固系數(shù)修正的物理和化學(xué)風(fēng)化因素的修正因子。最終修正得到泥石流發(fā)育的地質(zhì)因子，為泥石流發(fā)育研究提供了一個(gè)新方法。

1 物理風(fēng)化

在泥石流發(fā)育中，泥石流流域巖性的平均堅(jiān)固系數(shù)是重要的參數(shù)。泥石流流域巖性的平均堅(jiān)固系數(shù)［1－3］源于對普氏堅(jiān)固系數(shù)［8］的修改。它與泥石流的暴發(fā)頻率和泥石流發(fā)生的難易程度關(guān)系為:泥石流流域的巖石越堅(jiān)固，其固體物源則主要為崩塌產(chǎn)生，固體物質(zhì)顆粒相對較大，積累時(shí)間較長，泥石流的暴發(fā)頻率越低，泥石流發(fā)生越困難；反之，泥石流流域的巖石越軟弱，其固體物源則主要由滑坡產(chǎn)生，固體物質(zhì)顆粒相對較小，不需要長時(shí)間的積累，泥石流暴發(fā)頻率越高，泥石流發(fā)生越容易。

本研究在已有的巖石平均堅(jiān)固系數(shù)研究基礎(chǔ)上［1－3］，增加了“軟”和“松散”兩部分巖土類型（表1）。當(dāng)泥石流的固體物源為膠結(jié)較差的冰磧物時(shí) 如四川省瀘定縣海螺溝特大泥石流［10］），巖土類型為“軟”，堅(jiān)固系數(shù)可以取1.5。當(dāng)泥石流物源為松散堆積體時(shí)（如四川省清平縣文家溝泥石流［11］，貴州省關(guān)嶺滑坡泥石流［12］），巖土類型為“松散”，堅(jiān)固系數(shù)可以取0.5（因巖土類型已經(jīng)是松散堆積體，不用再采用其它影響因素修正即可以得到最終的地質(zhì)因子系數(shù)）。這樣表1就概括了幾乎全部與泥石流發(fā)育有關(guān)的巖土類型。

斷裂構(gòu)造作用使巖石的完整性、堅(jiān)固性及穩(wěn)定性均遭到極大的破壞。斷裂帶內(nèi)軟弱結(jié)構(gòu)面較為發(fā)育，巖石較為破碎，為泥石流的發(fā)育提供了大量的松散固體碎屑物質(zhì)。泥石流流域的斷裂帶的數(shù)目也直接影響著泥石流的發(fā)育情況。構(gòu)造作用對泥石流流域堅(jiān)固系數(shù)的影響系數(shù)詳見表2［1－3］。

地震作用使山體的破碎性加重，巖石的強(qiáng)度降低，從而為泥石流發(fā)育提供更多的松散固體物質(zhì)來源。地震烈度越大的地區(qū)，松散固體物質(zhì)就越多。地震對泥石流流域堅(jiān)固系數(shù)的影響系數(shù)詳見表2［1－3］。

物理風(fēng)化作用是形成泥石流物源的關(guān)鍵。晝夜溫差的影響，尤其是冰劈作用都對物理風(fēng)化產(chǎn)生巨大的影響。晝夜溫度在0℃上、下波動時(shí)，充填于裂隙中的水體融、凍頻繁，造成巖石破壞，裂隙擴(kuò)大［9］。其風(fēng)化作用的大小主要受所處區(qū)域的年降雨量和年平均溫度的影響［13］。

參照構(gòu)造（斷裂帶）和地震烈度對巖石堅(jiān)固系數(shù)的影響，以及物理風(fēng)化的分級及系數(shù)關(guān)系［2］，物理風(fēng)化也可以按照其強(qiáng)烈程度予以賦值，得到修正系數(shù)詳見表2。

由巖石平均堅(jiān)固系數(shù)以及構(gòu)造（斷裂帶）、地震烈度和物理風(fēng)化的修正系數(shù)，可以得到修正的泥石流流域巖石堅(jiān)固系數(shù)F′:

式中 修正泥石流流域巖石堅(jiān)固系數(shù)0泥石流流域巖石平均堅(jiān)固系數(shù)；C1——構(gòu)造（斷裂帶 修正系數(shù)2地震烈度修正系數(shù)3物理風(fēng)化修正系數(shù)。

表2 斷裂帶（構(gòu)造）、地震烈度和物理風(fēng)化對巖石堅(jiān)固程度的影響及系數(shù)賦值

2 化學(xué)風(fēng)化

化學(xué)風(fēng)化對發(fā)育泥石流的固體物源的影響遠(yuǎn)小于物理風(fēng)化的影響。化學(xué)風(fēng)化使巖石遭到破壞，而且還使破壞產(chǎn)物的化學(xué)成分發(fā)生顯著的變化，并形成一些新礦物［14］。在水中溶解度大的巖石為易溶性礦物，如巖鹽、石膏等。自然界的水常含有硫酸、硝酸、碳酸及鹽酸等酸性物質(zhì)，因而增加了巖石礦物的溶解度。碳酸鹽巖類礦物在含有CO2的水中時(shí)，難溶的碳酸鹽就形成了易溶的重碳酸鹽從而被溶解。

碳酸鹽巖主要由含量大于50%的沉積碳酸鹽礦物組成。其巖石中代表性的礦物類型分別是方解石CaCO3和白云石CaMg［CO3］［OH］2。石灰?guī)r的礦物組成成分中方解石和白云石占主要成分。兩者甚至可占全部礦物重量的90%以上。白云巖主要含白云石，此外還含有方解石［15］。石灰?guī)r主要成分為方解石，白云巖主要成分為白云石。碳酸根離子CO2－3在方解石（CaCO3）中的含量為60%，在白云石中CaMg［CO3］［OH］2的含量為38%。表3［14］為各類含方解石和白云石的一些常見巖石的區(qū)分與對比以及含碳酸根離子CO2－3的量。

實(shí)際的石灰?guī)r和白云巖可能還含有少量黏土礦物。當(dāng)石灰?guī)r和白云巖的含量在90%以上時(shí)，仍然稱為石灰?guī)r和白云巖。石灰?guī)r、白云巖與泥質(zhì)巖的過渡關(guān)系詳見表4［14］。由表4可得其各類巖石的碳酸根離子CO2－3的含量（表5）。

表3中石灰?guī)r和白云巖的平均碳酸根離子CO2－3含量分別為58.9%和39.1%，而表5中的石灰?guī)r和白云巖的平均碳酸根離子CO2－3含量分別為57%和36.1%。由石灰?guī)r和白云巖的定義可知，石灰?guī)r和白云巖的含量在90%以上時(shí)為石灰?guī)r和白云巖，因此石灰?guī)r和白云巖的平均CO2－3含量下限分別為57%和36.1%。

表3 碳酸根離子在方解石與白云石中的含量

表4 礦物在石灰?guī)r、白云巖和泥質(zhì)巖之間的過渡類巖石中的含量

表5 各類巖石中碳酸根離子的含量

鈣質(zhì)膠結(jié)巖石屬于碳酸鹽膠結(jié)物的一類，膠結(jié)物成分主要為方解石、白云石等，膠結(jié)物的成分為鈣質(zhì)，所膠結(jié)的巖石硬度比泥質(zhì)膠結(jié)的稍大。而膠結(jié)物在巖石中的含量一般不超過25%。若含量超過25%時(shí)，即可用其它巖石的命名［16］。由于鈣質(zhì)巖類只能確定其膠結(jié)物為方解石、白云石，并不能確定其含量的多少。因此，其礦物組成的碳酸根離子含量的上限為9.5%～15%。

石灰?guī)r與白云巖是碳酸鹽巖的代表性巖石，由于碳酸根離子CO2－3（平均含量＞36.1%）的作用，化學(xué)風(fēng)化十分明顯，對泥石流的發(fā)育有很大的影響。尤其在濕潤溫暖的亞熱帶和熱帶地區(qū)，如貴州、云南、廣西、四川等省的喀斯特地區(qū)表現(xiàn)的尤為突出。因此，定義碳酸根離子CO2－3含量＞35%時(shí)，化學(xué)風(fēng)化對泥石流的發(fā)育有很大的影響。鈣質(zhì)膠結(jié)巖石的碳酸根離子CO2－3含量上限為9.5%～15%，其化學(xué)風(fēng)化的影響較小，因此定義CO2－3含量≤15%時(shí)，化學(xué)風(fēng)化對泥石流的發(fā)育影響較小。在CO2－3含量處于15%～35%的中值，以25%為界，定義35%≥CO2－3＞25%時(shí)，化學(xué)風(fēng)化對泥石流的發(fā)育有較大的影響。當(dāng)25%≥CO2－3＞15%時(shí)，化學(xué)風(fēng)化對泥石流的發(fā)育有一定的影響。當(dāng)無CO2－3含量時(shí)，化學(xué)風(fēng)化對泥石流的發(fā)育無影響。

化學(xué)風(fēng)化對巖石的堅(jiān)固程度的影響表現(xiàn)為化學(xué)風(fēng)化越嚴(yán)重，巖石孔（洞）隙越大，巖石強(qiáng)度越小，堅(jiān)固程度越低。本研究與泥石流發(fā)育有關(guān)的綜合地質(zhì)因素采用巖石的堅(jiān)固系數(shù)表示，堅(jiān)固系數(shù)越大，越不利于泥石流發(fā)育。僅考慮固體物源條件，化學(xué)風(fēng)化使巖石受到溶蝕，巖體的整體堅(jiān)固系數(shù)變小，易于塌陷破壞等，有利于泥石流發(fā)育。但化學(xué)風(fēng)化對泥石流的水源條件有更大的影響，化學(xué)風(fēng)化越強(qiáng)烈，流域內(nèi)裂（洞）隙越多，越不利于地表水流的匯集，對泥石流發(fā)育越不利。這兩個(gè)互為相反作用的結(jié)果，造成化學(xué)風(fēng)化不利于泥石流發(fā)育，這是碳酸鹽巖地區(qū)泥石流的發(fā)育程度較差的原因。

參照地質(zhì)構(gòu)造、地震烈度和物理風(fēng)化對巖石堅(jiān)固系數(shù)的影響及修正方法，根據(jù)化學(xué)風(fēng)化不利于泥石流發(fā)育，提出影響發(fā)育泥石流的綜合地質(zhì)因素F，由巖石的修正堅(jiān)固系數(shù)F′，乘以化學(xué)風(fēng)化修正系數(shù)，得到綜合地質(zhì)因素F。F越大，越不利于泥石流發(fā)育?；瘜W(xué)風(fēng)化的修正系數(shù)及方法詳見表6。

式中:F——發(fā)育泥石流的綜合地質(zhì)因素；C4——化學(xué)風(fēng)化修正系數(shù)。

表6 化學(xué)風(fēng)化的修正系數(shù)

3 汶川地震影響區(qū)泥石流暴發(fā)實(shí)例驗(yàn)證

汶川“5·12”強(qiáng)烈地震影響區(qū)內(nèi)發(fā)生多次群發(fā)性泥石流，如都江堰市龍池鎮(zhèn)、阿壩州汶川縣映秀鎮(zhèn)、綿竹市清平鄉(xiāng)、綿陽市北川縣、平武縣南壩鎮(zhèn)等，但在這些群發(fā)泥石流過程中，并不是所有的小流域都發(fā)生了泥石流，甚至相鄰的流域，就存在發(fā)生和沒有發(fā)生泥石流的兩種情況，這為研究泥石流的發(fā)育條件提供了很好的素材。泥石流發(fā)育主要受地形、地質(zhì)和降雨3大條件影響。由于缺乏詳細(xì)的、精確到各小流域的降雨資料，只能近似地認(rèn)為在各流域內(nèi)發(fā)生泥石流時(shí)均有大范圍的降雨過程時(shí)，小范圍內(nèi)的降雨條件基本一致。因此在群發(fā)區(qū)域中較小范圍內(nèi)，可以認(rèn)為降雨過程基本一致，亦即降雨條件基本相同。當(dāng)降雨條件基本一致，泥石流暴發(fā)與否的決定因素就只有地形條件和地質(zhì)條件。在汶川地震影響區(qū)域內(nèi)的震后群發(fā)泥石流事件中，大多數(shù)泥石流都是溝床起動類型的溝谷泥石流。溝床起動類型的泥石流的地形條件可以用一個(gè)綜合地形因素G 表示［17－18］。

式中:T——泥石流形成區(qū)形狀系數(shù)（形成區(qū)流域面積與形成區(qū)溝長平方之比）；J——泥石流形成區(qū)縱比降；A——泥石流形成區(qū)面積（km2）；A0——單位面積（1km2）。

在震后群發(fā)泥石流事件中，汶川地震的發(fā)震斷裂帶上盤或下盤的區(qū)域所受地震的影響不同，需要區(qū)別對待。為了便于研究巖性和風(fēng)化作用的影響，在群發(fā)泥石流區(qū)域內(nèi)選擇的研究區(qū)域至少存在2種或2種以上巖性，在區(qū)域內(nèi)兼有泥石流暴發(fā)和未暴發(fā)的流域同時(shí)存在，而且研究區(qū)域的范圍較小，同時(shí)處于發(fā)震斷裂帶的上盤或下盤。2010年8月13日綿竹市清平鄉(xiāng)暴發(fā)群發(fā)泥石流，滿足上述條件的區(qū)域包括:位于距映秀—北川斷裂帶下盤1～4km和4～8km的綿遠(yuǎn)河兩岸的兩個(gè)區(qū)域，區(qū)域內(nèi)主要巖性分別為頁巖、粉砂巖和砂巖、石灰?guī)r以及一個(gè)原來是石灰?guī)r但最后巖土類型是松散堆積體，研究得到區(qū)域內(nèi)泥石流溝的地質(zhì)因子F和地形因子G，以及G和F與泥石流的暴發(fā)關(guān)系（圖1）。

圖1 清平鄉(xiāng)地質(zhì)因子F和地形因子G的關(guān)系

2008年9月24日綿陽市北川縣的群發(fā)泥石流大部分位于映秀—北川斷裂帶上盤。本研究選取小區(qū)域按照與清平群發(fā)泥石流小區(qū)域同樣的辦法，選取研究區(qū)域位于上盤距斷裂帶1km以內(nèi)，1～4km，4～8km等3個(gè)區(qū)域。區(qū)域內(nèi)主要巖性分別為砂巖、千枚巖、板巖和碳酸鹽巖。研究得到各區(qū)域的地質(zhì)因子F和地形因子G，以及G和F與泥石流的暴發(fā)關(guān)系（圖2）。

同樣將前述典型區(qū)域的分析方法，應(yīng)用到綿陽市平武縣南壩鎮(zhèn)2010年8月13日群發(fā)泥石流區(qū)域。選取位于斷裂帶1～4km的區(qū)域，區(qū)域內(nèi)主要巖性分別為砂巖、粉砂巖、板巖和泥灰?guī)r，得在該區(qū)域的地質(zhì)因子F和地形因子G，以及G和F與泥石流的暴發(fā)關(guān)系（圖3）。

圖1—3中的泥石流流域地質(zhì)條件應(yīng)用本計(jì)算方法得到地質(zhì)因子F，結(jié)合地形因子G的計(jì)算取值，在較小區(qū)域內(nèi)降雨條件基本一致的情況下，可以得到大多數(shù)研究區(qū)域內(nèi)明確的泥石流發(fā)生與否的界限，G／F值越大，越容易發(fā)生泥石流；僅有綿陽市北川縣4～8km范圍內(nèi)有一些偏差。這可能與其范圍稍大，降雨量存在一定差異有關(guān)。

從G與F在圖1—3中的關(guān)系可得，在泥石流形成過程中，兩者對泥石流的形成有同樣重要的地位。判別值G／F在不同區(qū)域內(nèi)有不同的臨界值，臨界值的大小由該區(qū)域內(nèi)的降雨量、受地震的影響程度（上下盤、與斷裂帶的距離等）決定。

圖2 北川縣地質(zhì)因子F和地形因子G的關(guān)系

圖3 南壩鎮(zhèn)上盤1～4km地質(zhì)因子F和地形因子G關(guān)系

4 結(jié)論

（1）物理風(fēng)化作用對泥石流固體物源的發(fā)育影響很大，溫差的影響，尤其是冰劈的作用造成巖石破壞，形成泥石流物源。

（2）化學(xué)風(fēng)化作用對泥石流固體物源的發(fā)育有利，但影響較?。换瘜W(xué)風(fēng)化作用對泥石流發(fā)育的水源有較大的不利影響；這兩個(gè)互為相反作用的結(jié)果是化學(xué)風(fēng)化不利于泥石流發(fā)育，這是碳酸鹽巖地區(qū)泥石流的發(fā)育程度較差的原因。

（3）以修改的普氏堅(jiān)固系數(shù)得到的巖石平均堅(jiān)固系數(shù)為基本數(shù)據(jù)，結(jié)合泥石流流域內(nèi)的構(gòu)造、地震等條件，采用物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化修正，可以得到綜合的地質(zhì)因子。

（4）在汶川地震影響區(qū)內(nèi)的較小區(qū)域內(nèi)降雨條件基本一致的情況下，結(jié)合地形因子采用本研究的地質(zhì)因子判別泥石流的暴發(fā)與否，與實(shí)際情況基本一致。

（5）盡管本方法在汶川地震影響區(qū)的一些區(qū)域內(nèi)得到了驗(yàn)證，但驗(yàn)證范圍仍然較小，還需要在其它有不同巖性的地區(qū)繼續(xù)驗(yàn)證方法的正確性。

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