汶川地震驅(qū)動的隆升、剝蝕作用與龍門山地貌生長
——以映秀紅椿溝為例

李 勇，周榮軍，趙國華，李海兵，蘇德辰，丁海容，顏照坤，閆 亮，云 錕，馬 超

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2.四川省地震局工程地震研究院，成都610041；3.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，北京100037）

汶川地震驅(qū)動的隆升、剝蝕作用與龍門山地貌生長
——以映秀紅椿溝為例

李 勇1，周榮軍2，趙國華1，李海兵2，蘇德辰3，丁海容1，顏照坤1，閆 亮1，云 錕1，馬 超1

（1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2.四川省地震局工程地震研究院，成都610041；3.中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，北京100037）

汶川（Ms 8.0）地震驅(qū)動的構(gòu)造抬升作用和滑坡、泥石流剝蝕作用如何影響龍門山的地貌生長是目前爭論的焦點。作者以位于汶川地震震中位置的映秀紅椿溝泥石流為例，利用野外實測資料、航片和數(shù)字高程資料，開展了紅椿溝流域汶川地震驅(qū)動的構(gòu)造抬升與滑坡、泥石流的表面侵蝕過程及其對龍門山地貌生長約束方面的定量研究，獲得以下初步認識：（1）紅椿溝位于汶川地震震中區(qū)的高山峽谷，發(fā)震斷裂——北川斷裂從該溝切過。（2）汶川地震觸發(fā)的同震滑坡體積達3.800 1×106m3，是震前滑坡量的3倍。（3）2010—08—13和2010—08—18強降雨形成的震后泥石流體積為0.705×106m3，表明震后強降雨使同震滑坡量的20%轉(zhuǎn)化為泥石流。（4）紅椿溝泥石流將0.485×106m3固體物質(zhì)輸入岷江河道（主河），導致河道變窄、河床升高、河床比降增大。（5）沖入河道量與同震滑坡量之間的轉(zhuǎn)化率約為13%，沖入河道量與泥石流量之間的轉(zhuǎn)化率為70%。（6）在紅椿溝流域同震的滑坡體積（3.800 1×106m3）小于同震的構(gòu)造抬升體積（6.67×106m3），僅有約57%的構(gòu)造抬升量轉(zhuǎn)化為滑坡量，表明以逆沖—走滑作用為特征的汶川地震所導致的構(gòu)造抬升量大于滑坡量，將使龍門山地貌產(chǎn)生新的抬升和生長。

汶川地震；構(gòu)造抬升；同震滑坡；震后泥石流；沉積通量；山脈生長；紅椿溝；岷江；龍門山；青藏高原東緣

龍門山是青藏高原和四川盆地之間的一個線性的、非對稱的邊緣山脈，北起廣元，南至天全，長約500km，寬約30km，呈北東—南西向展布。龍門山與山前地區(qū)的高差＞4km，顯示龍門山是青藏高原邊緣山脈中的陡度變化最大的地區(qū)之一[1—3]。龍門山斷裂帶從西向東發(fā)育汶川—茂汶斷裂帶（后山斷裂）、映秀—北川斷裂帶（中央斷裂帶）和彭縣—灌縣斷裂帶（前山斷裂），活動性強，具有明顯的地震風險性[2，4]。龍門山及鄰區(qū)的均衡重力異常顯示龍門山地區(qū)的地殼尚未達到均衡，下地殼頂面抬升了11km[5]，處于強烈的剝蝕階段，剝蝕厚度達6～10km[5，6]。它現(xiàn)今的構(gòu)造地貌形態(tài)就是地震構(gòu)造作用驅(qū)動的隆升過程與表面過程驅(qū)動的剝蝕過程之間持續(xù)不斷競爭的結(jié)果。該地區(qū)的長周期巖石隆升率達6～7mm/a[3，5，7]，導致在青藏高原東緣建構(gòu)了最高達5km的陡峻地形。

眾所周知，自從板塊構(gòu)造理論提出后，板塊間的碰撞和構(gòu)造縮短一直是山脈形成的主要機制，構(gòu)造驅(qū)動的山脈成因說影響了近30年來人們對山脈的研究。但是近年來卻提出了一些新的山脈形成機制。針對青藏高原東緣龍門山的成山機制，目前在國際上業(yè)已提出了3種：（1）與構(gòu)造縮短相關(guān)的構(gòu)造成山模式[8]；（2）與剝蝕相關(guān)的均衡成山模式[1，5，9，10]；（3）下地殼流成山模式[11—13]。李勇等（2006）以青藏高原東緣數(shù)字高程地形剖面和裂變徑跡測量數(shù)據(jù)作為切入點，定量計算了青藏高原東緣龍門山山脈的剝蝕厚度，結(jié)果表明龍門山以構(gòu)造縮短隆升和剝蝕卸載隆升相疊合為特征，是第1和第2種機制的結(jié)合[5]。

2008年5月12日在龍門山中北段發(fā)生了汶川（Ms 8.0）地震（圖1），2013年4月20日又在龍門山南段發(fā)生蘆山（Ms 7.0）地震。汶川8.0級地震的構(gòu)造抬升在瞬間就改變了地形坡度，形成了巨量的滑坡和泥石流，并導致地貌和河流體系產(chǎn)生相應(yīng)的變化和調(diào)整[14]。因此，強震事件在龍門山地貌演化和地表過程中的作用成為當前關(guān)注的科學問題之一。人們通常認為，逆沖型地震是一種造山運動，將導致山脈新的抬升，使山脈持續(xù)生長。但是強震又導致了巨量的滑坡剝蝕作用可以使山脈降低。Parker等（2011）認為汶川地震所導致的滑坡量遠大于同震構(gòu)造抬升量，使龍門山產(chǎn)生了物質(zhì)虧損，并導致龍門山地形降低了，引起了巨大的反響和爭論，表明目前對汶川地震構(gòu)造抬升與滑坡剝蝕作用在龍門山地貌演化過程中所起作用仍存在明顯的分歧[15]。值得注意的是，2010年8月的震后暴雨導致同震滑坡重新活動，并誘發(fā)了大面積滑坡和泥石流的產(chǎn)生，顯示了震后大型滑坡、泥石流的空間分布特征和規(guī)模是一個動態(tài)變化的過程，并受強降雨的控制；而位于汶川地震震中的2010年8月紅椿溝堵江滑坡、泥石流（圖1）記錄了汶川地震構(gòu)造作用與滑坡、泥石流和河流地貌變化之間定量化的數(shù)據(jù)和信息。本文以紅椿溝（圖1，圖2）為實例，以實地測量和遙感技術(shù)為基礎(chǔ)，對紅椿溝地震滑坡、泥石流的活動情況進行實時跟蹤，確定地震滑坡、震后泥石流的分布特征和沉積體量的變化情況。在此基礎(chǔ)上，利用測量的汶川地震的構(gòu)造抬升量與滑坡量、泥石流量之間的定量關(guān)系，定量評價滑坡、泥石流過程所代表的侵蝕量與地震驅(qū)動的構(gòu)造抬升量之間對比關(guān)系，探索汶川地震驅(qū)動的構(gòu)造抬升與滑坡、泥石流的表面侵蝕過程及其對龍門山地貌生長的約束。第一，在對精度為5m的SPOT、精度為10m的EO—1圖像、航片和數(shù)字高程圖等圖像資料進行解譯的基礎(chǔ)上，對紅椿溝滑坡、泥石流進行填圖工作，精確刻畫滑坡、泥石流沉積物空間分布特征和規(guī)模的變化，定量計算紅椿溝滑坡量、泥石流量、沉積通量及它們之間的轉(zhuǎn)化率；第二，定量計算紅椿溝由汶川地震逆沖—走滑作用所導致的構(gòu)造抬升量；第三，定量計算紅椿溝滑坡、泥石流過程所代表的侵蝕量與地震驅(qū)動的構(gòu)造抬升量之間的對比關(guān)系，為定量評價汶川地震的構(gòu)造抬升量與滑坡、泥石流量對龍門山地貌生長的影響提供范例和定量約束條件。

1 紅椿溝流域地貌特征

紅椿溝（溝口坐標：北緯N31°04′01.1″，東經(jīng)E103°29′32.7″）位于汶川地震震中的岷江上游。岷江發(fā)源于岷山，穿過龍門山而流入四川盆地。從河源至山口（都江堰市）之間的河段被稱為上游段，河道長340km，主干河道的流向為由北向南，在汶川南側(cè)轉(zhuǎn)向東南，并橫切龍門山流入成都平原，落差達3 009m，河道平均比降為8‰，河谷與山脊之間相對高差達3km以上。將岷江上游分為岷江源頭段、松潘—汶川段、汶川—都江堰段和都江堰—成都段（李勇等，2006），其中紅椿溝位于汶川—都江堰段。該河段的河谷走向與映秀—北川斷裂、彭縣—灌縣斷裂的走向斜交或直交，河谷類型顯示為不對稱峽谷，切割深度為0.25～1.4 km，水流湍急，河面寬度一般在91m左右，發(fā)育5級階地，河床平均坡降為9.7‰，最大流速為6.9m/s。

紅椿溝流域的平面形態(tài)顯示為矩形（圖2），流域面積約為5.60×106m2，溝道右岸面積約為2.90×106m2，溝道左岸面積約為2.70×106m2，溝谷上游窄、下游較寬。在剖面上顯示為深切割的“V”型河谷，岸坡的坡度一般在40°～50°之間。主溝的長度為3.62km，溝谷口的底寬為300m。河床縱剖面呈直線，河床的平均縱坡降為31.25‰（圖3），溝谷陡峻。在溝域內(nèi)最高點的海拔高度為2 168.4m，而溝口與岷江交匯處的海拔高度為880m，相對高差為1 288.4m。紅椿溝的徑流主要來自降水和泉水補給，流量受降水量影響較大，下游流量為0.3～0.5m3/s，豐水期流量可達2.0～5.0m3/s，降雨的徑流系數(shù)一般在0.2～0.3，溝口的最大流速為2.6m/s，最大的洪峰流量達61.67m3/s。以上資料表明，紅椿溝具有以下特征：（1）位于汶川地震震中的映秀—北川斷裂帶上，地表發(fā)生破裂，表層土體結(jié)構(gòu)松散，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，多被切割成塊狀，巖層破碎；（2）具有岸坡陡峻、溝床比降大的特征；（3）溝口寬度為80～110m，與岷江寬度（91m）之比約為1∶1。

2 同震滑坡量

汶川地震在紅椿溝的溝谷兩岸誘發(fā)了大量的崩塌、滑坡及支溝泥石流等（圖2、圖4、圖5、圖6），坡面結(jié)構(gòu)變得松散，坡面滑塌現(xiàn)象發(fā)育，植被破壞嚴重，水土流失加劇，泥石流松散固體沉積物量大幅度增加，主要有崩滑型物源、溝道堆積型物源，其次為坡面型物源，并沿紅椿溝溝道及支溝溝道的兩側(cè)分布。

經(jīng)實地調(diào)查，汶川地震后新增的崩塌、滑坡點共40處（圖6），包括：（1）崩滑堆積物源點31個，其中崩塌28個（小型崩塌9個，中型崩塌19個），滑坡3處（小型滑坡1個，中型滑坡2個）。最大的滑坡體位于主溝中上游右側(cè)岸坡，寬約180m，順坡長約300m，土層厚度10～20m，總體積約36×104m3。滑坡所形成的大量松散物質(zhì)進入溝道，將原有溝道填高了約20m。經(jīng)統(tǒng)計，溝域內(nèi)崩塌、滑坡的沉積物總體積為1.345 4×106m3，可能參與泥石流活動的動儲量為0.355 7×106m3。（2）溝道堆積物有7處（其中1處為原溝道堆積物源，1處為新形成滑坡、崩塌的溝道沉積物，5處為來自支溝泥石流沉積物），主要為地震引起的支溝兩側(cè)的崩塌體進入主溝道而形成的泥石流沉積物。經(jīng)統(tǒng)計，溝道沉積物體積約為2.420 7×106m3，可能參與泥石流活動的動儲量為0.115 6×106m3。（3）坡面侵蝕的固體沉積物體積為3.4×104m3，該部分堆積物離溝道較遠，不能進入溝道參與泥石流活動。（4）震后溝內(nèi)共計有松散固體物源3.800 1×106m3，可能參與泥石流活動的動儲量為0.471 3×106m3。

3 震后強降雨驅(qū)動的泥石流量

2010—08—13強降雨驅(qū)動的紅椿溝泥石流的沉積體量巨大，泥石流與主河的流量比、泥石流入?yún)R總量、泥石流漿體屈服應(yīng)力等較大，加之紅椿溝泥石流與岷江的入?yún)R角為直角，造成了紅椿溝泥石流堵江現(xiàn)象的發(fā)生。

3.1 泥石流量與沉積物構(gòu)成

紅椿溝特大泥石流災害顯示，震區(qū)暴發(fā)泥石流的物源主要有如下3個方面：崩滑堆積物、溝道堆積物、坡面震裂松動層。在2010—08—13暴雨泥石流中，新啟動的泥石流體積為0.705×106m3（表1），物源點共計37處，其中：①崩滑類物源26處，啟動量共0.412×106m3；②溝道堆積物物源11處，啟動量0.293×106m3[17]。紅椿溝泥石流堆積體主要成分為碎塊石夾砂塊碎石土，其中塊碎石的體積分數(shù)約占60%，粒徑多在20～50 cm；其次為漂石（約15%）、漂礫（約10%）、角礫（約10%）和砂（約5%）。紅椿溝內(nèi)出露的巖石及松散固體物質(zhì)成分主要為花崗閃長巖、石英閃長巖等，屬于節(jié)理極度發(fā)育的硬巖，在風化作用下多風化成粉砂狀和碎塊狀。汶川地震的崩塌堆積物的直徑一般也在1.0m以下；溝道內(nèi)的堆積物多為塊碎石，粒徑一般在0.5～1.2m。

3.2 紅椿溝泥石流溝與岷江（主河）之間的交角

紅椿溝是一條斷層溝，映秀—北川斷裂順該溝穿過，溝的走向與斷層的走向一致，均為為NE45°左右。而岷江主河道的走向為SE135°，因此，紅椿溝與岷江（主河）之間的交匯角接近90°。由于紅椿溝泥石流溝與主河正交，泥石流出溝口后順河向的流速分量為零，紅椿溝泥石流與主河相互頂托，消耗了大量能量，從而導致泥石流中固體物質(zhì)的動量驟減，使泥石流體產(chǎn)生了巨量的沉積物堆積，阻塞岷江。

3.3 溝口泥石流的幾何形態(tài)

堆積在紅椿溝溝口的泥石流形成了體積約為0.705×105m3的洪積扇（圖5，圖6），扇長約為900m，扇面輻角約為20°，扇體面積約為0.06 km2，堆積厚度為10～20m。該堆積扇在平面上呈扇狀，前部寬大，向后逐漸變窄，尾部狹長；在縱斷面上，頭部高陡，厚度較大，向后逐漸變低變薄，呈楔形；在橫斷面上，頭部呈弧形隆起，中部變成平面，而尾部呈下凹弧面。

3.4 紅椿溝泥石流一次沖入岷江的沉積物量和幾何形態(tài)

紅椿溝泥石流一次沖入岷江的沉積物量為0.705×106m3，其中0.405×106m3（表2）的泥石流龍頭快速沖入岷江，形成扇狀堆積體，長約600 m，寬約320m，平均厚度約20m。因岷江河谷十分狹窄（寬度僅80～100m），堵塞岷江，并形成了堵塞型的泥石流堰塞體，將主河道的3/4堵塞。其中在河道中的堰塞體的寬度約為100m，長度為350～400m，厚度為2～25m，并在水面形成7～15m高的壩體（圖7）。

3.5 紅椿溝內(nèi)殘存的沉積物量

2010年8月13日的泥石流沉積物主要是由距溝口較近的松散堆積物形成。據(jù)實地調(diào)查，在距紅椿溝溝口約1km處的溝道內(nèi)集中分布了汶川地震形成的3個崩塌和滑坡體的松散堆積物，體積約為106m3，由大量泥土夾少量碎塊石組成，結(jié)構(gòu)松散，堆積厚度約20m。約0.705×106m3的泥石流體，在經(jīng)約1km溝道的加速流動后沖到溝口，其中的0.405×106m3一次性沖入岷江，另外的0.30×106m3滯留在紅椿溝溝口。此外，在溝內(nèi)上游尚殘存有2.87×106m3松散固體物源量。2010年8月18日的另一次強降雨則使停積于紅椿溝溝口段的部分堆積物再次啟動0.08 ×106m3，并沖入岷江，使已疏通的河道再次被堵塞，造成2010年映秀鎮(zhèn)的2次洪澇災害。

3.6 紅椿溝泥石流的流量、流速與河床演變

紅椿溝泥石流（圖8）以大容重、高流速、大流量和強摧毀力為特征，屬于復雜的非牛頓流體。該泥石流是由水與泥沙、石塊和大漂石組成的非均質(zhì)的混合體，屬于黏性泥石流，其中固體物質(zhì)的體積分數(shù)為40%～80%。流體重度為1.71t/m3，固體物質(zhì)重度為2.65t/m3。紅椿溝泥石流與岷江（主河）之間的流量比為1.54，溝口泥石流峰值流量為696.45m3/s，而岷江的流量為452 m3/s，表明紅椿溝泥石流的流量是岷江（主河）流量的1.5倍。紅椿溝泥石流溝與岷江（主河）之間的流速比為0.71，其中紅椿溝泥石流的流速為4.92m/s，岷江的流速為6.9m/s。

紅椿溝泥石流具有高強度的輸沙能力和強烈的沖淤作用，在很短時間內(nèi)將大量大小混雜的固體物質(zhì)輸入岷江河道（主河），影響了主河道的河床演變。支流泥石流的非牛頓流體與主河的牛頓流體之間的相互交匯，在短時間內(nèi)改變主河水沙組成及局部邊界條件，對主河水沙特性、運動特性及演變規(guī)律等都有重要的影響，主要表現(xiàn)在以下3個方面：（1）該交匯區(qū)屬于強紊動區(qū)域，水流運動規(guī)律復雜。由于水流的摻混、漩渦、邊壁阻力、泥沙內(nèi)部碰撞離散作用以及兩種流體間的剪切作用等，引起了交匯區(qū)能量的損失，導致主河交匯口附近水位壅高以及交匯區(qū)泥沙淤積。（2）河道變窄。紅椿溝泥石流直接進入岷江河道中，以單側(cè)擠占河道的方式擠占和壓縮河道，阻斷河流，河曲加劇，迫使主河水流靠近對岸形成洪水，沖入映秀新區(qū)。（3）河床升高。紅椿溝泥石流堵塞河道，致使岷江改道300m左右，導致淤堵，引起上游的河床抬升，河床累計淤高約為8～10m；此外，高強度的泥沙也向下游輸移，使河道中的泥沙含量大幅增加，引起了下游河床的抬升，河床累計淤高約3.5m。（4）河床比降增大。在剖面上，泥石流在主河河谷形成卡口，主河被堵斷，引起主河雍塞，使河流特性發(fā)生改變。在卡口以上的上游，水流減緩，形成壅水，淤積作用增強；在卡口以下的下游，水流變急，形成跌水或急流，沖刷作用加?。菏购恿骺v剖面發(fā)生變化，形成了急流—深潭型梯級河床剖面，河道縱剖面的比降明顯增加。

4 紅椿溝地震滑坡、泥石流的形成機制

4.1 紅椿溝滑坡、泥石流的空間分布受汶川地震斷裂的控制

紅椿溝位于映秀鎮(zhèn)東北側(cè)的岷江左岸，處于汶川地震的震中區(qū)。汶川地震的發(fā)震斷裂——映秀—北川斷裂順該溝穿過，傾向300°～315°，傾角35°～60°。其右岸為斷層的上盤，巖性為前震旦系“彭灌雜巖”，溝谷和左岸斷層的下盤為震旦系和三疊系白云巖、石灰?guī)r、砂巖等，巖石破碎，裂縫異常發(fā)育，巖土體松動。映秀—北川斷裂地表破裂從映秀鎮(zhèn)北西角穿過，并在穿過岷江Ⅳ級階地面及岷江后，向北東方向延伸至紅椿溝，將國道G213線垂直位錯了2.3±0.1m，并右行位錯了0.8±0.2m[18，19]。對該地區(qū)活動構(gòu)造[2，4]和汶川地震地表破裂[18—20]的研究結(jié)果表明，映秀地區(qū)的地表破裂發(fā)生在有歷史地震破裂和活動斷裂出露的地段，70ka B.P.以來曾在同一地點形成約40 m的斷層陡坎，表明在第四紀以來曾發(fā)生過大震和地表破裂的地方，仍是現(xiàn)在和將來還會發(fā)生大地震的地方，屬于特征地震。以上結(jié)果表明，汶川地震驅(qū)動的隆升作用導致龍門山坡度的增加，促使滑坡量增加；紅椿溝滑坡、泥石流的空間分布受汶川地震斷裂的控制，沿發(fā)震斷裂呈帶狀分布，滑坡帶的寬窄受到汶川地震破裂帶寬度的控制，顯示龍門山在北東向的地形分異界線對滑坡量和密度的變化具有明顯的控制作用，而滑坡量和密度隨構(gòu)造抬升幅度呈相應(yīng)的變化。

4.2 紅椿溝泥石流沉積物的物質(zhì)來源受汶川地震觸發(fā)的崩塌、滑坡的控制

泥石流暴發(fā)需要3個基本條件，即降雨條件、地形條件和松散固體物質(zhì)條件，并可用溝谷縱比降、山坡坡度、溝谷沉積物厚度、山坡堆積物厚度、流域相對高差、單位面積內(nèi)的節(jié)理數(shù)、最大粒徑、溝寬等為主要因子來進一步刻畫。紅椿溝泥石流發(fā)生在汶川地震的震中區(qū)，處于X度以上的地震烈度區(qū)。汶川地震震裂山體，對紅椿溝溝谷斜坡巖土體的破壞嚴重，崩塌、滑坡形成的大量松散物質(zhì)堆積于溝道中，為泥石流的形成提供了豐富的物源。

4.3 震后泥石流的突發(fā)性受強降雨控制

4.3.1 龍門山“地形雨”是導致該區(qū)強降雨的基本條件

龍門山位于青藏高原東緣，龍門山構(gòu)造帶是構(gòu)造縮短和物質(zhì)聚集的狹窄區(qū)域，由于地形的影響，降雨量較大，因而剝蝕率很高，這使得這里的地殼物質(zhì)被快速地剝蝕和搬運，因而，龍門山是青藏高原東緣長江上游大陸碎屑物質(zhì)最大的物源區(qū)之一。該區(qū)降雨主要受東亞季風控制，在7～9月份東亞季風氣流由南東向北西移動，并穿過龍門山脈，在龍門山脈東側(cè)形成迎風坡，受地形的影響而增強了降雨量，產(chǎn)生“雨影區(qū)”效應(yīng)和“地形雨”，降雨量劇增，形成北東向展布的強降雨帶，年平均降雨量達到1 600～2 000mm/a。強降雨必然誘發(fā)大量的滑坡，導致龍門山快速的質(zhì)量虧損。在龍門山脈西側(cè)的背風側(cè)，降水大幅度減少，形成較干旱的草原和荒漠，侵蝕作用明顯減少，其結(jié)果是有利于龍門山西側(cè)（背后）青藏高原的形成（圖9）。

4.3.2 2010年8月汶川地震后的強降雨期

降雨條件包含了降雨強度和雨量兩個方面，而降雨量又包括前期雨量和當次降雨量，降雨強度則包括總降雨強度和瞬時降雨強度。在2008～2009年期間岷江流域沒有發(fā)生特大洪水、泥石流等災害，其原因在于該時期的降水量較小。與地震前比較，沒有發(fā)生大的變化，降水主要集中在每年的雨季（6～9月份）。其中2008年8月的降水量為245mm，略小于該區(qū)域的月均降水量（268.83mm）；9月份的降水量為256.2mm，略高于同期的月降水量。但是在2010年8月12～19日，龍門山地區(qū)普降大雨到暴雨，局部地區(qū)有大暴雨（表3）。2010年8月13日16時30分左右，映秀鎮(zhèn)開始降雨，13日20：00開始降暴雨，14日01：20分即暴發(fā)了特大泥石流災害。至8月14日凌晨雨強加大，2h降雨量達163mm。14日凌晨3：00時左右，紅椿溝上游及其甘溪鋪、大水溝、新店子等支溝同時暴發(fā)泥石流，5：00時左右結(jié)束。該次降雨量大幅度超過了歷史平均日降水量。

汶川地震后震區(qū)泥石流啟動的臨界降雨量顯著降低，比震前降低了約1/3～1/2。臨界雨強僅為35～40mm/h，最低僅為15mm/h。因此，泥石流的暴發(fā)頻率可能提高，成為中頻甚至高頻泥石流，震后5～20年其發(fā)生頻率可能達到1～3年一次；以后，隨著植被的恢復和部分物源趨于穩(wěn)定，其發(fā)生頻率可能逐漸降低。

4.3.3 強降雨帶與地震斷裂帶基本重合在龍門山東側(cè)的向風坡為北東向展布的強降雨帶，此區(qū)域也是北東向展布的汶川地震斷裂帶，顯示了強降雨帶與龍門山汶川地震破裂帶在空間位置上基本重合（圖1、圖7），導致目前“震區(qū)滑坡、泥石流沿龍門山斷裂帶分布”。因此，汶川地震是引發(fā)山洪泥石流災害的主要因素，區(qū)域性強降雨是滑坡、泥石流災害的誘發(fā)因素，體現(xiàn)了汶川地震構(gòu)造作用過程﹑地表剝蝕過程和降雨過程之間的正反饋關(guān)系。

綜上所述，紅椿溝泥石流的區(qū)域分布和發(fā)育程度，受控于映秀—北川斷裂和斷層溝谷地貌組合；該泥石流的爆發(fā)強度則受控于強降雨的激發(fā)因素；該泥石流的性質(zhì)和規(guī)模，則受控于汶川地震導致的松散固體物質(zhì)的儲量和補給方式。

5 紅椿溝滑坡、泥石流的侵蝕速率及其對岷江沉積通量的影響

本文以紅椿溝滑坡、泥石流為例，定量估算汶川地震滑坡、泥石流的侵蝕速率，并試圖與地震前滑坡的侵蝕速率和不同時間尺度（1ka和1Ma）的地表侵蝕速率進行比較，探討地震滑坡的侵蝕作用在龍門山長期的地貌演化過程中所起的作用。

5.1 汶川地震前紅椿溝的滑坡剝蝕厚度與剝蝕速率

據(jù)實地調(diào)查，在汶川地震前紅椿溝為一條老泥石流溝，溝內(nèi)松散沉積物主要為溝道堆積物，流域內(nèi)沉積物總體積約為0.90×106m3。據(jù)歷史記錄，以前曾發(fā)生過2次泥石流，一次在20世紀30年代初期，另一次在1962年，洪水夾帶大量泥沙、石塊沖出溝口，沖出量約為20×103m3，但未堵塞岷江。據(jù)此，我們將震前已有滑坡的沉積總量（0.90×103m3）與流域面積（5.60×106m2）進行對比，獲得的能夠代表該溝在震前滑坡的剝蝕厚度僅為0.16m。

鑒于汶川地震地表破裂的位置與映秀—北川斷裂帶的斷層陡坎位置一致，我們認為汶川地震具有原地復發(fā)的特點[2，21—23]，屬于特征地震。自40ka B.P.以來，龍門山地區(qū)至少存在30余次強震的古地震記錄，最晚一次強震發(fā)生在（930±40）a B.P.左右[2]，表明龍門山地區(qū)的強震“重現(xiàn)時距”約為1ka[21—23]。如果按1ka復發(fā)周期計算，則紅椿溝的震前滑坡剝蝕速率為0.16mm/a。其與岷江流域震前千年尺度的侵蝕速率（0.2～0.3mm/a，據(jù)宇宙成因核素法[24]）較為接近，而明顯小于百萬年尺度的龍門山平均剝蝕速率（0.5～0.7mm/a，據(jù)低溫熱年代學方法[3，7]），表明在汶川地震前，紅椿溝滑坡侵蝕速率與千年尺度的侵蝕速率較為接近，而明顯小于百萬年尺度的侵蝕速率。

5.2 汶川地震驅(qū)動的新增滑坡量與同震滑坡的侵蝕速率

同震滑坡的侵蝕速率是量化地震滑坡在地貌演化過程中的作用的一個重要指標。也就是說，在地震復發(fā)周期內(nèi)，地震滑坡的侵蝕速率相當于地表高程的平均降低速率。汶川地震所導致的同震滑坡體積（3.800 1×106m3）與震前已有滑坡體積（0.90×106m3）相比，新增的滑坡體積為2.900 1×106m3，增長率為322%，表明汶川地震驅(qū)動的隆升作用導致龍門山坡度的增加，促使滑坡量的增加，同震滑坡量是震前滑坡量的3倍。按該流域面積（5.60×106m2）計算，震后該溝滑坡的平均剝蝕厚度為0.68m。

如果按1ka復發(fā)周期[21—23]計算，則紅椿溝的同震滑坡剝蝕速率為0.68mm/a。其明顯大于岷江流域震前千年尺度的侵蝕速率（0.2～0.3 mm/a，據(jù)宇宙成因核素法[24]），而與百萬年尺度的龍門山平均剝蝕速率（0.5～0.7mm/a，據(jù)低溫熱年代學方法[3，7]）較為接近。表明地震成因的滑坡或崩塌是這些區(qū)域長期地表侵蝕過程的主要的外部營力；而且地震滑坡侵蝕速率大于震前的滑坡侵蝕速率，地震滑坡的侵蝕作用可能在龍門山的長期地貌演化過程中起著重要作用。

因此，我們可以認為，在汶川地震中，強烈的地面運動引發(fā)了大面積的邊坡破壞，汶川地震驅(qū)動的隆升作用導致龍門山坡度的增加，促使滑坡量的增加，同震的滑坡量遠遠大于震前的滑坡量，同震滑坡侵蝕速率也遠遠大于震前滑坡侵蝕速率，平均的同震滑坡侵蝕速率是震前邊坡侵蝕速率的3倍以上。其原因在于，強烈的地震運動激活了更深層的巖體，使之變得不穩(wěn)定，隆升的基巖通過滑坡向谷底轉(zhuǎn)移物質(zhì)的速率受山谷比降和受破壞的基巖的總體強度控制，震后的強降雨又加速了滑坡和泥石流的發(fā)育。

5.3 震后泥石流量與同震滑坡量之間的轉(zhuǎn)化率與泥石流的侵蝕速率

5.3.1 震前沖入河道的沉積物量與滑坡量之間的轉(zhuǎn)化率

在紅椿溝，震前沖入河道的沉積物量與滑坡量之間的轉(zhuǎn)化率很小。據(jù)歷史記載，震前僅在1962年的泥石流有沉積物沖入岷江，沖出量約為20×103m3，僅占紅椿溝滑坡量（0.90×106m3）的2.22%。表明在汶川地震前滑坡轉(zhuǎn)化為河道沉積物的速率是相當慢的。

5.3.2 震后泥石流量與同震滑坡量間的轉(zhuǎn)化率

紅椿溝同震滑坡的沉積物體積（3.584 4× 106m3）與震后2010—08—13和2010—08—18形成泥石流的沉積物體積（0.705×106m3）相比，轉(zhuǎn)化率為19.67%，約為20%，表明震后一次強降雨使汶川地震滑坡量的1/5轉(zhuǎn)化為泥石流，顯示地震滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的速率是相當快的?？梢垣@得如下2個結(jié)論：（1）在汶川地震后，滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的速率約為汶川地震前的10倍以上；（2）據(jù)目前的觀測，激發(fā)泥石流的臨界雨強值已經(jīng)大幅度降低，因此震后超過臨界雨強的暴雨所引發(fā)泥石流的暴發(fā)頻率較高，震后超過臨界雨強的暴雨的發(fā)生頻率可能為1～3a，據(jù)此推測，同震滑坡將在未來5～15年間可能大部分轉(zhuǎn)化為泥石流。

5.4 沖入河道的沉積物量與泥石流沉積物量、同震滑坡沉積物量之間的轉(zhuǎn)化率

地震滑坡和泥石流的坡面過程與河流作用的結(jié)合是塑造龍門山活動造山帶河流地貌的主要地表營力。其中，坡面過程主要以滑坡、泥石流等重力侵蝕方式進行，而河流在地表過程中不僅對地貌景觀下切侵蝕，同時還是坡面剝蝕物質(zhì)被搬運出龍門山造山帶的載體。河流下切使得河谷邊坡超過坡面失穩(wěn)臨界坡度，從而發(fā)生大規(guī)模的崩塌滑坡，導致河流沉積通量的增加。因此，可以利用紅椿溝流域汶川地震所導致的滑坡量與沖出量之比來表征滑坡量與河流搬出量，揭示滑坡量與河流剝蝕量之間的比率。

將沖入河道的沉積物體積（0.491×106m3）與同震滑坡的沉積物體積（3.800 1×106m3）相比，可以獲得沖入河道沉積物量與同震滑坡沉積物量的轉(zhuǎn)化率約為13%。沖入河道沉積物體積與泥石流沉積物體積（0.705×106m3）之間的轉(zhuǎn)化率為69.64%，表明震后一次強降雨使泥石流的沉積總量的2/3轉(zhuǎn)化為河道沉積物，并可以獲得如下2個結(jié)論：（1）在汶川地震后，滑坡、泥石流轉(zhuǎn)化為河道沉積物的速率是汶川地震前的35倍；（2）震后超過臨界雨強的暴雨的發(fā)生頻率可能為1～3a，若按紅椿溝滑坡量的搬運速率為0.491× 106m3/a進行推算，那么，同震滑坡在未來7～21年間可能大部分轉(zhuǎn)化為泥石流。因此，我們推測在未來10～30年間同震滑坡和泥石流沉積物將大部分轉(zhuǎn)化為河道沉積物。

5.5 沖入河道沉積物量對岷江沉積通量的影響

紅椿溝泥石流具有高強度的輸沙能力和強烈的沖淤作用，能在很短時間內(nèi)將大量大小混雜的固體物質(zhì)輸入岷江河道（主河），使岷江中的泥沙含量大幅增加，導致河流輸沙量和搬運能力的增加。2010年紅椿溝泥石流2次沖入岷江的沉積物體積為0.481×106m3，可折合為0.37×106t。將其與岷江流域的多年平均輸沙量（7.64×106t）進行對比，表明2010年8月發(fā)生的紅椿溝泥石流的產(chǎn)沙量對岷江流域新增輸沙量的貢獻率達到5%。考慮到2010年8月特大暴雨所引發(fā)的泥石流達數(shù)十處之多，其中最大的是龍池泥石流，一次沖入岷江中的沉積物達4.00×106m3；因此，我們估計在2010年8月因泥石流沖入岷江流域的物質(zhì)總體積為5.00×106m3左右，可折合為3.846 2×106t，對岷江流域新增輸沙量的貢獻率達到50%。Dadson等認為地震滑坡將導致河流沉積通量的增加[24]。本項研究結(jié)果表明，汶川地震滑坡和泥石流確實導致河流沉積通量的增加，增幅為50%。

因此，在構(gòu)造活動強烈的龍門山造山帶，汶川地震的同震滑坡和震后泥石流使大量地表松散物進入河流系統(tǒng)，水系對地表物質(zhì)的剝蝕、搬運、沉積過程因此而被加快，使得該地區(qū)的剝蝕作用加強，河流輸沙量加大，增加河流沉積通量，加快地表侵蝕強度和范圍，控制龍門山地表物質(zhì)的遷移，以此來影響活動造山帶的地表侵蝕和地貌演化。

6 紅椿溝流域汶川地震驅(qū)動的構(gòu)造抬升量與滑坡量之比及其對龍門山地貌生長的影響

在構(gòu)造活動強烈的造山帶，周期性強震所導致的同震垂直位移的累積是山脈持續(xù)隆升的一個重要的驅(qū)動因素；同時地震也導致了大量地表物質(zhì)的遷移，改變了地形地貌[14，15，26]。當同震的構(gòu)造抬升量大于同震的滑坡剝蝕量，其結(jié)果是導致山脈平均高程的增加；反之，將導致山脈平均高程的降低[15]。Parker等（2011）認為汶川地震的同震滑坡量（5～15km3）大于同震構(gòu)造抬升導致的物質(zhì)增加量（2.6±1.2km3）[27]，進而提出汶川地震導致龍門山的物質(zhì)虧損和高度的降低[15]。然而，這種關(guān)系的確立將取決于地震滑坡物質(zhì)的河流卸載時間與強震復發(fā)周期長短之間的比較[26]。因此，定量化地分析地震滑坡物質(zhì)的河流卸載時間將對理解地震與造山帶地貌演化之間的關(guān)系有著十分重要的意義。顯然，本次所計算的紅椿溝地震滑坡物質(zhì)的河流卸載時間將有助于對龍門山地震、滑坡侵蝕和地貌演化之間關(guān)系的重新認識。

6.1 紅椿溝流域汶川地震驅(qū)動的構(gòu)造抬升量

汶川地震的發(fā)震斷裂（映秀—北川斷裂）從紅椿溝穿過，導致溝口的水泥路面垂直位錯了（2.3 ±0.1）m[28]。如果將主溝以北屬于斷層上盤的構(gòu)造抬升量均按（2.3±0.1）m計算，那么在紅椿溝流域內(nèi)，汶川地震所導致的構(gòu)造抬升量為6.67 ×106m3（構(gòu)造抬升厚度×流域的右岸面積＝2.3 m×2.90×106m2）。

6.2 紅椿溝流域汶川地震導致的構(gòu)造抬升量與滑坡量之比

本文根據(jù)紅椿溝因汶川地震造成的構(gòu)造抬升量、滑坡和泥石流的定量數(shù)據(jù)，對比了汶川地震導致的構(gòu)造抬升量與滑坡量之間的定量關(guān)系，獲得如下初步結(jié)論：（1）紅椿溝流域汶川地震導致的構(gòu)造抬升量（6.67×106m3）與同震滑坡的沉積物量（3.800 1×106m3）的對比結(jié)果表明，其中構(gòu)造抬升量的56.97%已轉(zhuǎn)化為滑坡，轉(zhuǎn)化率約為57%。（2）同震滑坡量小于同震構(gòu)造隆升增加的山脈體積，表明以逆沖—走滑作用為特征的汶川地震導致了巨量的構(gòu)造抬升，造成龍門山山脈的抬升，因此，這種大型的陸內(nèi)沖斷帶地震導致了龍門山地區(qū)的地勢升高。這一結(jié)果與臺灣集集（Mw 7.6）地震導致的結(jié)果相似，即1999年臺灣集集Mw 7.6級地震觸發(fā)滑坡的剝蝕量并沒有超過同震抬升的巖體的增加量[26]。（3）汶川地震滑坡作用所產(chǎn)生的物質(zhì)并不能直接而迅速地搬運出龍門山區(qū)，表明同震滑坡量并未在很短的時間內(nèi)搬運出龍門山。計算結(jié)果表明，紅椿溝中至少仍有86%的滑坡沉積物滯留，表明在未來10～30a同震滑坡和泥石流沉積物才能全部轉(zhuǎn)化為河道沉積物；也就是說，至少需要10～30a同震滑坡量才可能全部被河流搬運出龍門山。因此，目前滑坡、泥石流尚不可能造成龍門山的物質(zhì)虧損。（4）鑒于同震構(gòu)造抬升量和滑坡剝蝕量在同一個數(shù)量級，后者是前者的一半，表明在地震活動強烈的龍門山，周期性的同震構(gòu)造抬升和滑坡剝蝕的累積在相似尺度上對地貌景觀的塑造具有深刻的影響。

6.3 周期性地震構(gòu)造抬升與河流剝蝕作用對龍門山地貌生長的影響

汶川地震構(gòu)造作用使巖石發(fā)生抬升和位移，而震后的地表剝蝕過程則使地表的物質(zhì)重新分配，因此，地表的形貌反映了同震構(gòu)造抬升過程與震后地表剝蝕過程之間的相互作用；所以，同震構(gòu)造的物質(zhì)輸入與震后剝蝕作用的物質(zhì)輸出之間的交替性變化，導致了地形分布和地形幅度的交替變化，而且表面過程的剝蝕速率和剝蝕方式也會緊接著發(fā)生變化，并導致區(qū)域性質(zhì)量平衡的變化。自40ka B.P.以來，龍門山地區(qū)至少發(fā)生過30余次強震，最晚一次強震發(fā)生在（930±40）a B.P.左右，表明龍門山地區(qū)的強震“重現(xiàn)時距”約為1 ka[2，22，23]，顯示地震活躍期與構(gòu)造穩(wěn)定期大約以1 ka為周期。在強震期，地表物質(zhì)的剝蝕、搬運、沉積過程是迅速的、突變的；在震后的穩(wěn)定期，水系對地表物質(zhì)的剝蝕、搬運、沉積過程是緩慢的、漸進的。因此，在龍門山地區(qū)，水系對地表物質(zhì)的剝蝕、搬運、沉積過程也將隨地震的周期性活動而呈現(xiàn)出幕式發(fā)展的規(guī)律。汶川地震的啟示是，地震構(gòu)造過程常常在很短的時間導致整個山脈景觀發(fā)生變化；相反，河流系統(tǒng)對被地震打破的平衡狀態(tài)的調(diào)整往往需要幾十年到幾百年。對于整個山脈的剝蝕作用而言，時間尺度為幾十年到幾百年旋回的氣候變化，可導致沖刷—切割地貌形成。特別是這種龍門山地區(qū)所特有的地形性的強降水使侵蝕作用增強，所產(chǎn)生巨量的滑坡和泥石流又減緩了龍門山脈的生長速度。

7 討論與結(jié)論

汶川地震后暴雨誘發(fā)了紅椿溝泥石流，大規(guī)模泥石流沖出溝口后迅速堵斷岷江，導致淤埋和洪澇災害。通過對位于汶川地震震中的紅椿溝同震滑坡、震后泥石流與河流卸載過程進行定量研究，建立了紅椿溝同震滑坡和震后泥石流沉積物的傳輸路徑框架體系，為定量研究滑坡沉積物量與構(gòu)造抬升量之間的相互關(guān)系、龍門山地震滑坡在河流系統(tǒng)中的物質(zhì)傳輸過程提供一個典型案例和約束條件，初步獲得以下結(jié)論：（1）紅椿溝位于汶川地震震中區(qū)的高山峽谷地貌區(qū)，發(fā)震斷裂（映秀—北川斷裂）切過該溝，導致地質(zhì)構(gòu)造復雜、巖體結(jié)構(gòu)破碎，為特大型滑坡、泥石流的暴發(fā)提供了基本地形和地質(zhì)條件。（2）汶川地震使溝內(nèi)山體大范圍震裂松動，并觸發(fā)了大量的崩塌、滑坡，同震滑坡的沉積物量為3.800 1×106m3，同震的滑坡量是震前的滑坡量3倍。（3）2010—08—13和2010—08—18局地短時強降雨直接誘發(fā)泥石流的發(fā)生，其降雨量大大超過了泥石流啟動的臨界雨量（35～40mm/h）；新形成泥石流的沉積物量為0.705×106m3，表明震后一次強降雨使汶川地震滑坡量的20%轉(zhuǎn)化為泥石流。（4）紅椿溝泥石流將0.485×106m3固體物質(zhì)輸入岷江河道（主河），導致河道變窄、河床升高、河床比降增大。（5）沖入河道量與同震滑坡量之間的轉(zhuǎn)化率為12.76%；沖入河道量與泥石流量之間的轉(zhuǎn)化率為70%。（6）在紅椿溝流域同震的滑坡量（3.584 4 ×106m3）小于同震的構(gòu)造抬升量（6.67×106m3），僅有約57%構(gòu)造抬升量轉(zhuǎn)化為滑坡量，表明以逆沖—走滑作用為特征的汶川地震驅(qū)動的構(gòu)造抬升量大于滑坡剝蝕量，這會導致龍門山地貌產(chǎn)生新的抬升和生長。

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Uplift and erosion driven by Wenchuan earthquake and their effects on geomorphic growth of Longmen Mountains：A case study of Hongchun gully in Yingxiu，China

LI Yong1，ZHOURong—jun2，ZHAOGuo—hua1，LI Hai—bing2，SUDe—chen3，
DING Hai—rong1，YANZhao—kun1，YANLiang1，YUNKun1，MAChao1
1.State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，China；2.Institute of Earthquake Engineering，Seismological Bureau of Sichuan Province，Chengdu610041，China；3.Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Science，Beijing100037，China

Abstract：How the tectonic uplift，landslides，and debris flow erosion driven by the Wenchuan（Ms 8. 0）earthquake affect the geomorphic growth of Mt.Longmen is the focus of the debate at present. The aim of this study is to make clear how the mass wasting triggered by the Wenchuan earthquake affect the growth of the Mt.Longmen.Field data，aerial photographs，and digital elevation data are used to conduct quantitative analyses of the tectonic uplift driven by the Wenchuan earthquake and of landslide and debris flow erosion processes，along with their effects on the geomorphic growth of Mt. Longmen.The preliminary insights obtained are as follows.（1）The Hongchun gully is located in alpine valleys within the earthquake epicenter area.The seismogenic fault—the Beichuan fault cuts through the gully.（2）The Wenchuan earthquake triggered the coseismic landslides of 3.800 1×106m3，being three times the volume before the earthquake.（3）The volume of the debris flow resulting from heavy rainfalls on August 13and 18，2010after the earthquake was 0.705×106m3，indicating that 20%of the volume of the coseismic landslides after the earthquake was changed into debris flows because of heavy rainfalls.（4）The Hongchun gully debris flow discharged solid materials of 0.485× 106m3into the Minjiang River（the main river），leading the watercourse to be narrowed，the riverbed elevated，and the riverbed gradient increased.（5）The conversion ratio between the sediments input into the watercourse and the coseismic landslide sediments was about 13%.The conversion ratio between the sediments input into the watercourse and the debris flow sediments was 70%.（6）The volume（3.800 1×106m3）of the coseismic landslides in the Hongchun gully was less than that of the coseismic uplift（6.67×106m3）.Only about 57%of the uplift volume was converted into the landslide volume，indicating agreater volume of the tectonic uplift compared to the volume of the landslides resulting from the Wenchuan earthquake characterized by thrust and strike—slip motions. This has caused the new uplift and the geomorphic growth of the Mt.Longmen.

Wenchuan earthquake；landslide；debris flow；erosion；sediment flux；mountain growth；Hongchun gully；Minjiang River；Longmen Mountains；eastern margin；Tibetan Plateau

P534.63

A

10.3969/j.issn.1671—9727.2015.01.02

1671—9727（2015）01—0005—13

2013—12—16。

國家自然科學基金資助項目（40841010，40972083，41172162，41372114，41340005）；國土資源部地質(zhì)調(diào)查工作項目（1212011121268）；油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室自主研究課題（SK—0801）。

李勇（1963—），男，博士，教授，博士生導師，從事沉積盆地與造山帶研究，E—mail：liy＠cdut.edu.cn。