汶川地震后文家溝地表侵蝕及地貌演化約束研究

鄭立龍， 李 勇， 趙國華， 任 聰， 顏照坤，閆 亮， 李敬波， 楊聿強(qiáng)

(1.成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059;2. 中國石油集團(tuán)西南油氣田分公司勘探事業(yè)部，四川 成都 610041 )

龍門山地處青藏高原東緣，北起廣元，南至天全，全長(zhǎng)約500 km，寬30 km，呈北東—南西向展布(李勇等，1994)。該區(qū)最高海拔超過4 900 m，與山前成都平原地區(qū)的最大高差大于4 000 m，足見龍門山是青藏高原邊緣山脈中陡度變化最大的地區(qū)之一(李勇等，2006;Densmore et al.，2007;Godard et al.，2009)。龍門山構(gòu)造斷裂帶從西向東依次發(fā)育了3 條大的斷裂帶，分別為汶川-茂汶斷裂帶(后山斷裂帶)、映秀-北川斷裂帶(中央斷裂帶)和彭縣-灌縣斷裂帶(前山斷裂帶)，活動(dòng)性強(qiáng)，具有明顯的地震風(fēng)險(xiǎn)性(李勇等，1994;Densmore et al.，2007)。龍門山及鄰區(qū)的均衡重力異常亦顯示龍門山地區(qū)的地殼尚未達(dá)到均衡狀態(tài)，下地殼頂面抬升了11 km(李勇等，2006)，顯示了龍門山處于強(qiáng)烈的剝蝕階段，剝蝕厚度達(dá)6 ～10 km(李勇等，1994;Densmore et al.，2007)。故龍門山現(xiàn)在的地貌形態(tài)就是地震作用驅(qū)動(dòng)隆升過程與地表外力作用驅(qū)動(dòng)剝蝕過程相互作用的結(jié)果。

繼2008年5月12日發(fā)生在龍門山中北段的汶川Ms 8.0 級(jí)特大地震之后，2013年4月20日，龍門山南段再次發(fā)生蘆山Ms 7.0 級(jí)強(qiáng)震。龍門山地震帶位于我國南北地震帶中南段，地震活動(dòng)較為頻繁(聞學(xué)澤等，2009)。汶川地震在35 000 km2的區(qū)域內(nèi)引發(fā)了超過60 000個(gè)滑坡(Huang et al.，2013)，并且震后泥石流數(shù)量不斷上升，引起該地區(qū)大規(guī)模的地表侵蝕。汶川地震驅(qū)動(dòng)的崩塌、滑坡和泥石流，大大改變了龍門山地區(qū)的地形地貌，然而，地震活動(dòng)對(duì)于龍門山的形成機(jī)制，國際還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)(李勇等，2006;Hubbard et al.，2009;付碧宏等，2008;Densmore et al.，2005;Royden et al.，1997;Clark et al.，2005;Burchfiel，2008)，這引起了國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于龍門山在此次地震中地貌演化的極大興趣與激烈爭(zhēng)論。

本文以綿遠(yuǎn)河流域文家溝為例，結(jié)合野外資料，基于DEM(數(shù)字高程模型)，利用GIS 軟件提取了綿遠(yuǎn)河流域的坡度、地形起伏度，并對(duì)綿遠(yuǎn)河流域構(gòu)造地貌進(jìn)行了定量化研究;定量計(jì)算了該地區(qū)同震抬升量、滑坡量和泥石流量;對(duì)比了滑坡和泥石流的地表侵蝕幅度和地震驅(qū)動(dòng)的構(gòu)造隆升幅度之間的定量關(guān)系，探索汶川地震驅(qū)動(dòng)的地表侵蝕效應(yīng)對(duì)綿遠(yuǎn)河流域地貌生長(zhǎng)的約束。

圖1 汶川地震后龍門山地區(qū)2010年8月泥石流和洪水與強(qiáng)降雨分布圖(據(jù)Li et al.，2011 修改)Fig.1 The debris flow，floods and rainfall on 12th to 14th ，August，2010 after the Wenchuan earthquake(Modification according to Li et al.，2011)

1 研究區(qū)域概況

文家溝位于四川省綿竹市西北部山區(qū)的清平場(chǎng)鎮(zhèn)北，是長(zhǎng)江流域沱江水系上游綿遠(yuǎn)河左岸的一條支溝，處映秀—北川斷裂帶與彭灌斷裂帶之間。綿遠(yuǎn)河發(fā)源于綿竹市九頂山南麓，向東南流經(jīng)綿竹漢旺鎮(zhèn)進(jìn)入成都平原，全長(zhǎng)133.6 km。據(jù)漢旺水文站觀測(cè)常年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，出河口年平均徑流量為15.2 m3/s。該流域北西高，南東低，最高海拔為4 356 m，最低海拔為651 m(圖2)。

基于GIS 平臺(tái)，提取了綿遠(yuǎn)河流域的坡度及其最優(yōu)地形起伏度(圖3)。從圖3 可以看出，映秀-北川斷裂以北地區(qū)，地形較陡，坡度多在30°以上，地形起伏度明顯較大;映秀-北川斷裂以南地區(qū)，地形較緩，地形起伏度明顯較小。映秀-北川斷裂較強(qiáng)的活動(dòng)性與地表侵蝕聯(lián)合作用塑造了該地區(qū)陡峻的地形地貌特征。

圖2 綿遠(yuǎn)河流域DEM 影像圖Fig.2 The DEM picture of the Mianyan river basin

文家溝在地貌上屬構(gòu)造侵蝕低—中山地貌、斜坡沖溝地形。溝域總體呈東—西向伸展(圖2、圖4)，平面形態(tài)呈口袋狀，腹大口小，流域面積約為7.81 km2。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(圖3a)。主溝的長(zhǎng)度約為4.5 km，溝谷口的底寬為300 m。溝谷縱坡較大，上陡下緩，溝谷的平均縱坡降為35.8‰。在溝域內(nèi)的最高點(diǎn)位于東部分水嶺九頂山的頂子崖，海拔2 402 m，流域內(nèi)最低點(diǎn)位于溝口處，海拔883 m，相對(duì)高差為1 519 m，溝床平均縱坡降467.4‰。文家溝有2 條支溝(圖4)，其中1 號(hào)支溝流域面積1.57 km2，溝道長(zhǎng)2.23 km，相對(duì)高差1 017 m，溝床平均縱坡降456.1‰，2 號(hào)支溝流域面積0.64 km2，溝道長(zhǎng)1.21 km，相對(duì)高差587 m，溝床平均縱坡降485.1‰。

2 文家溝同震滑坡及其沉積量

在汶川地震驅(qū)動(dòng)作用下，文家溝內(nèi)產(chǎn)生了規(guī)模大小不一的滑坡，因支溝滑坡規(guī)模小，故在本文中以文家溝主溝源頭處的滑坡體為主要計(jì)算對(duì)象(許強(qiáng)，2010)?；麦w位于文家溝近源頭東側(cè)山頂，長(zhǎng)約960 m，前緣寬度500 m，后緣寬度1 080 m，分布高程1 885 ～2 340 m，面積約為69 ×104 m2，初始滑坡體體積約2 750 ×104m3，一部分停留在韓家大坪處形成主堆積區(qū)，另一部分滑坡體在運(yùn)動(dòng)的過程中，與山體發(fā)生猛烈碰撞隨即轉(zhuǎn)化成碎屑，最終停留在1300 平臺(tái)以下的溝谷內(nèi)。在運(yùn)動(dòng)的過程中，沿途攜卷鏟刮表層松散物質(zhì)使得滑坡堆積方量放大至5 000 ×104m3(許強(qiáng)，2010;許強(qiáng)等，2009)。其中，韓家大坪堆積體約2 000 ×104m3，1300 平臺(tái)及其以下的溝道中堆積體約3 000 ×104m3。巨型滑坡使得山體表層變得松散，植被破壞嚴(yán)重，水土流失嚴(yán)重，這為泥石流的發(fā)生提供了豐富的物質(zhì)供給。

圖3 綿遠(yuǎn)河流域地形坡度(a)和地形起伏度(b)Fig.3 The slope (a)and amplitude of landforms (b)of Mianyuan river basin

圖4 文家溝滑坡平面示意圖Fig.4 The sketch map of Wenjia gully landslide

3 震后強(qiáng)降雨驅(qū)動(dòng)的文家溝泥石流及其沉積體量

文家溝所在的綿遠(yuǎn)河流域在氣候帶上處于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候分明，降水充沛，雨季主要集中在夏秋季節(jié);植被茂盛，覆蓋率高。“5.12”汶川地震之前，文家溝近百年內(nèi)未有發(fā)生泥石流的記錄;然而地震之后，文家溝先后發(fā)生了5 次大規(guī)模的泥石流(許強(qiáng)，2010;許強(qiáng)等，2009):2008年9月24日泥石流量50 ×104m3，2010年7月31日泥石流量(10 ～20)×104m3，2010年8月13日泥石流量450 ×104m3，2010年8月19日泥石流量30 ×104m3，2010年9月18日泥石流量17 ×104m3。其中，以2010年8月13日發(fā)生的泥石流規(guī)模最大。

3.1 泥石流的沉積物總量與沉積物構(gòu)成

通過統(tǒng)計(jì)這5 次泥石流災(zāi)害資料，得出泥石流沖出量約為557 ×104m3。經(jīng)實(shí)地調(diào)查，文家溝泥石流主要堆積物源至1300 平臺(tái)以下。其泥石流堆積體主要成份為碎塊石、角礫和砂，黏粒含量較少，其中粒徑大于2 mm 的礫碎塊石松散堆積物占88.1%，粒徑0.074 ～2 mm 的砂礫占10.7%，粒徑小于0.074 mm 的粉粘粒占1.2%(許強(qiáng)等，2009)。

3.2 泥石流溝與綿遠(yuǎn)河之間的交角

文家溝走向?yàn)榻鼥|—西向，而綿遠(yuǎn)河主河道的走向?yàn)榻稀毕颍虼?，文家溝與綿遠(yuǎn)河之間的交匯角接近90°。由于文家溝泥石流溝與綿遠(yuǎn)河直交，泥石流出溝口后順河向的流速分量為零，文家溝泥石流與綿遠(yuǎn)河相互頂托，消耗了大量能量，從而導(dǎo)致泥石流中固體物質(zhì)的動(dòng)量減低，使泥石流體產(chǎn)生了巨量的沉積物堆積，阻塞綿遠(yuǎn)河，從而形成了2010年8月13日的堵江。

4 汶川地震驅(qū)動(dòng)的構(gòu)造隆升量與滑坡量之間的數(shù)量關(guān)系及對(duì)地貌的影響

研究地震產(chǎn)生的同震滑坡量與地震產(chǎn)生的構(gòu)造隆升量之間的關(guān)系對(duì)地貌演化有著重要的意義。在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的造山帶及其周圍，周期性的強(qiáng)震所導(dǎo)致的同震垂直位移的累積不僅使得山脈持續(xù)隆升，同時(shí)也導(dǎo)致大量地表物質(zhì)的遷移，改變了地形地貌(Hovius et al.，2000;Parker et al.，2011)。當(dāng)同震構(gòu)造抬升量大于同震滑坡剝蝕量，其結(jié)果是山脈平均高程增加，反之，山脈平均高程降低(Parke et al.，2011)。

4.1 同震抬升量

在汶川地震發(fā)生數(shù)日后，國內(nèi)眾多科研單位先后進(jìn)入災(zāi)區(qū)進(jìn)行野外踏勘，收集了大量實(shí)測(cè)資料。文家溝流域附近的映秀-北川斷層從西北處約3.6 km 處穿過，測(cè)得在清平鄉(xiāng)的垂直位錯(cuò)為2.5 m(何仲太等，2012)。文家溝流域隆升量為流域面積乘以垂直隆升距離，如果將構(gòu)造抬升量均按2.5 m計(jì)算，得該區(qū)域的同震抬升量1 952.5 ×104m3。

4.2 同震抬升量、同震滑坡量、泥石流量及河道沉積物之間的轉(zhuǎn)化

同震作用產(chǎn)生的滑坡和震后強(qiáng)降雨形成的泥石流共同作用的坡面過程與河流作用的結(jié)合是共同塑造造山帶河流地貌的主要營力。其中，坡面過程是以滑坡、泥石流等重力侵蝕作用進(jìn)行，而河流在地表過程中不僅對(duì)地貌景觀產(chǎn)生下切侵蝕，同時(shí)還是坡面剝蝕物質(zhì)被搬運(yùn)出造山帶的載體。經(jīng)過計(jì)算，文家溝流域的同震抬升量為1 952. 5 ×104m3，同震滑坡量為5 000 ×104m3，可見同震抬升量明顯小于同震滑坡量。地震后，部分滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流，進(jìn)入綿遠(yuǎn)河，累計(jì)約有557 ×104m3，約占同震滑坡量的11%，成為河道沉積物。

4.3 文家溝流域同震滑坡物質(zhì)的卸載時(shí)間

(1)計(jì)算方法。沉積物的搬運(yùn)介質(zhì)主要是流水和大氣，其次為冰川、生物等(曾允孚等，1986)，結(jié)合到研究區(qū)的考察情況，認(rèn)為文家溝內(nèi)沉積物的主要搬運(yùn)方式為河流搬運(yùn)。河流搬運(yùn)的物質(zhì)通常以溶解質(zhì)、懸移質(zhì)和推移質(zhì)這三種形態(tài)存在，其中，以后兩者的形態(tài)為主。而在漫長(zhǎng)的地貌演化過程歷史中，對(duì)河流過程和形態(tài)影響的最大是推移質(zhì)所占的比重，在平均情況下，河流推移質(zhì)約占河流總物質(zhì)的30%(Galy et al.，2001)，極端情況下甚至達(dá)到50% (Yanites et al，2011)，在加之河流推移質(zhì)的移動(dòng)速度相對(duì)懸移質(zhì)來說較慢，故本文運(yùn)用河流推移質(zhì)的搬運(yùn)時(shí)間來估算文家溝流域同震滑坡的卸載時(shí)間。本文采用Yanites 等(2010)的方法來估算河流卸載地震產(chǎn)生的滑坡物質(zhì)所用的時(shí)間(T)。公式如下:

其中ML表示區(qū)域滑坡物質(zhì)的質(zhì)量(m3)，QT表示河流推移質(zhì)的搬運(yùn)能力(m3/yr)。

而區(qū)域滑坡物質(zhì)的質(zhì)量L 等于滑坡物質(zhì)的密度ρL與滑坡體體積VrL的乘積:

河流的搬運(yùn)能力QT的計(jì)算公式(Meyer et al.，1948)為:

式中ρS為推移質(zhì)的密度，ρ 為水的密度，g 為重力加速度，D 為推移質(zhì)的中值粒徑(cm)，τB為河床剪切應(yīng)力，為河床臨界啟動(dòng)剪切應(yīng)力，對(duì)于基巖型河道，河床臨界啟動(dòng)剪切應(yīng)力數(shù)值通常變化范圍為0.03 ～0.08(Buffington et al.，1997)。本文取常數(shù)0.03 作為綿遠(yuǎn)河河床臨界啟動(dòng)剪切應(yīng)力。

而公式(3)中的河流的剪切能力τb(Yanites et al.，2010)可由公式(4)推算出來，如下:

式中，W 為河寬(m)，n 是曼寧系數(shù)，對(duì)于山區(qū)河流通常取值為0.04(Barnes，1968)，QW為河流多年平均流量(m3/s)。

(2)卸載時(shí)間。當(dāng)上游的河流搬運(yùn)能力小于下游，地震滑坡物質(zhì)則由河流下游相對(duì)上游的“剩余”的搬運(yùn)能力來搬運(yùn)(Lin et al.，2010)。研究區(qū)內(nèi)滑坡物質(zhì)總量(ML)的30%，約為3 675 ×107kg，根據(jù)公式(4)計(jì)算得出綿遠(yuǎn)河的上下游搬運(yùn)能力差值為2.21 ×108kg/yr。在綿遠(yuǎn)河能夠完全搬運(yùn)出同震滑坡物質(zhì)的前提下，意味著地震同震滑坡物質(zhì)搬運(yùn)出龍門山至少需要166年。

(3)周期性地震構(gòu)造抬升與河流剝蝕卸載作用對(duì)龍門山地貌生長(zhǎng)的影響。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，地表的地形地貌反映了同震構(gòu)造抬升過程與震后地表剝蝕過程之間的相互作用。汶川地震前，龍門山最晚的一次強(qiáng)震發(fā)生在距今(930 ±40)a，且自40 ka 以來，龍門山地區(qū)至少存在30 余次強(qiáng)震的古地震記錄(Densmore et al.，2007)，這表明龍門山地區(qū)的強(qiáng)震復(fù)發(fā)周期為1000年左右(Li Y et al.，2006;Lin et al.，2010)。而通過計(jì)算得到的文家溝流域同震滑坡的卸載時(shí)間為166 yr，小于龍門山強(qiáng)震的復(fù)發(fā)周期。這表明在地震周期內(nèi)，大量的同震滑坡物質(zhì)將被河流搬運(yùn)出龍門山;而在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，受強(qiáng)降雨的強(qiáng)烈沖刷作用，可導(dǎo)致沖刷-切割地貌形成。這與龍門山現(xiàn)今陡峻的地貌是一致的。

5 討論與結(jié)論

汶川地震引發(fā)了龍門山地區(qū)大規(guī)模的崩塌與滑坡，震后的強(qiáng)降雨再次引發(fā)該地區(qū)的泥石流災(zāi)害，改變了龍門山地區(qū)原有的地貌形態(tài)。本文以綿遠(yuǎn)河文家溝流域?yàn)槔?，?duì)該流域的同震隆升量、同震滑坡量、泥石流量以及震后滑坡量卸載時(shí)間開展了定量化計(jì)算，建立起它們之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。為定量化研究地震引發(fā)的物質(zhì)輸送過程及其對(duì)地貌生長(zhǎng)影響提供了一個(gè)約束范例。初步獲得以下結(jié)論:

(1)文家溝地處汶川地震震中區(qū)，主斷裂帶映秀-北川斷裂帶在文家溝北西側(cè)約3.6 km 的地方切過，為引發(fā)文家溝滑坡提供了地質(zhì)條件。

(2)汶川地震之前，文家溝近百年內(nèi)未發(fā)生過滑坡、崩塌，汶川地震觸發(fā)的滑坡體堆積物高達(dá)5 000 ×104m3，是汶川地震中的第二大滑坡。

(3)從2008年9月至2010年10月間，文家溝先后發(fā)生了5 次規(guī)模較大的泥石流災(zāi)害，累積泥石流量達(dá)557 ×104m3，表明約有11%的震后滑坡量轉(zhuǎn)化為泥石流。

(4)汶川地震中綿遠(yuǎn)河流域文家溝的同震抬升量為1 952.5 ×104m3，而震后滑坡體堆積物為5 000×104m3，說明震后的滑坡量遠(yuǎn)大于同震抬升量，出現(xiàn)了物質(zhì)虧損，即山體平均高度被削低。

(5)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算，按研究區(qū)內(nèi)30%可搬運(yùn)的同震滑坡體的質(zhì)量，即3 675 ×107kg，在綿遠(yuǎn)河能夠完全搬運(yùn)出同震滑坡物質(zhì)的前提下，意味著地震同震滑坡物質(zhì)搬運(yùn)出龍門山至少需要166 yr。表明在一個(gè)的地震周期內(nèi)，汶川地震產(chǎn)生的同震滑坡物質(zhì)是可以搬運(yùn)出龍門山，這與龍門山現(xiàn)今陡峻的地貌是一致的。

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