金沙江上游雪隆囊古滑坡堰塞湖潰壩堆積物粒度特征

陳松， 陳劍， 劉超， 馬俊學(xué)

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，100083，北京)

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金沙江上游雪隆囊古滑坡堰塞湖潰壩堆積物粒度特征

陳松， 陳劍?， 劉超， 馬俊學(xué)

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，100083，北京)

摘要：金沙江上游地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，地質(zhì)環(huán)境演化相對(duì)復(fù)雜。為研究堰塞湖潰壩后堆積物的來(lái)源與壩體物質(zhì)、沉積環(huán)境的關(guān)系，以金沙江上游雪隆囊古滑坡堰塞湖潰壩堆積物為主要研究對(duì)象，通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查取樣和室內(nèi)粒度篩分試驗(yàn)，對(duì)雪隆囊滑坡堰塞湖潰壩堆積物的粒度進(jìn)行測(cè)試，并分別對(duì)滑坡堰塞湖潰壩堆積物的上、中、下游3段的粒度特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：從潰壩堆積體的上游到下游，粒度分布曲線分別為單峰、多峰、雙峰；上游粒度組成主要以礫石為主，中游和下游主要以細(xì)砂和極細(xì)砂為主，粒度從上游到下游依次有明顯的細(xì)化趨勢(shì)，平均粒度由粗變細(xì)，分選性整體上較差和差。以上這些特點(diǎn)綜合反映出潰壩堆積體的上游段到下游段的水動(dòng)力條件在逐漸減弱，其中堆積體上游段礫石部分來(lái)自壩體物質(zhì)，而中、下游段細(xì)粒部分既可能來(lái)自壩體，又可能來(lái)自堰塞湖潰壩前的上游湖相沉積層。

關(guān)鍵詞：雪隆囊； 古滑坡； 堆積物； 粒度特征； 金沙江

沉積物粒度分布特征分析已經(jīng)廣泛應(yīng)用于沉積環(huán)境領(lǐng)域，對(duì)地質(zhì)環(huán)境演化的研究影響很大[1-3]?，F(xiàn)今，粒度特征分析已在深海、黃土、古土壤、湖泊、冰川、泥石流等沉積物研究中廣泛應(yīng)用[4-9]，也有將粒度分析與分形理論同工程性質(zhì)相結(jié)合的研究[10-12]，然而，關(guān)于堰塞湖潰壩的研究，國(guó)外最早主要是針對(duì)冰川及冰磧堰塞湖潰壩堆積體的研究[13-16]；國(guó)內(nèi)由地震誘發(fā)的滑坡堰塞湖也屢見(jiàn)不鮮[17-18]，崔之久等[19]對(duì)各種類(lèi)型的堰塞湖及潰壩后的堆積體做了初步論述。有的學(xué)者只對(duì)產(chǎn)生堰塞湖上游的湖相沉積物進(jìn)行粒度研究[20-21]；有的學(xué)者[22-26]主要是對(duì)滑坡產(chǎn)生的堰塞壩潰壩過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬或穩(wěn)定性計(jì)算。而這些學(xué)者基本上研究的是冰川、冰磧潰壩后的堆積物特點(diǎn)或堰塞湖上游湖相沉積物的特征，有的把重點(diǎn)放在研究堆積體現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、堆積體本身力學(xué)性質(zhì)的研究，缺乏對(duì)堆積體成因過(guò)程的系統(tǒng)把握。目前，關(guān)于滑坡堰塞湖潰壩堆積方面的研究甚少，基本未涉及潰壩堆積體的粒度特征與沉積環(huán)境、堰塞壩物質(zhì)組成關(guān)系方面的研究。關(guān)于金沙江上游古滑坡堰塞湖潰壩堆積沉積物的粒度分析這方面的研究工作缺乏，目前只有陳劍等[27]對(duì)該區(qū)堰塞湖潰壩堆積體的發(fā)現(xiàn)做了初步論述；因此，為對(duì)金沙江上游水土地質(zhì)災(zāi)害的環(huán)境進(jìn)行治理與預(yù)測(cè)，筆者在野外考察的基礎(chǔ)上，對(duì)雪隆囊古滑坡堰塞壩潰決后沿程堆積物粒度進(jìn)行采樣分析，揭示該堆積物的粒度特征及變化規(guī)律，對(duì)研究堰塞湖潰壩后堆積物的來(lái)源與壩體物質(zhì)組成及沉積環(huán)境的關(guān)系具有重要意義，可為今后金沙江上游流域水土保持的治理提供參考。

1研究區(qū)概況

位于西藏芒康縣金沙江上游，E 98°05′～98°55′N(xiāo) 29°20′～29°36′。金沙江上游雪隆囊至王大龍河段，區(qū)內(nèi)河水位與最高點(diǎn)相對(duì)高差約為3 800 m，溝谷河流海拔2 300 m左右，峽谷寬100～200 m，沿江溝谷地形坡度25°～60°，有的地段坡度>70°。金沙江斷裂帶的主斷裂雄松—蘇哇龍活動(dòng)斷裂在其東部附近穿過(guò)(圖1)。沿江河谷裸露巖石的巖性主要為二疊系片巖、火山巖和大理巖等。該區(qū)巖層節(jié)理較發(fā)育受金沙江活動(dòng)斷裂帶的影響，崩塌現(xiàn)象頻發(fā)[27]。

圖2　雪隆囊古滑坡堰塞湖潰壩堆積體的分布范圍Fig.2　Distribution of the dam-break deposits of dammed lake caused by Xuelongnang ancient landslide

經(jīng)過(guò)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，滑坡壩堰塞湖潰壩后將堰塞壩及堰塞湖內(nèi)沉積物沖向下游，最終導(dǎo)致被沖下的物質(zhì)堆積在金沙江河道兩側(cè)(圖2)，根據(jù)堆積物的位置不同，將這段河段分為潰壩堆積體的上、中、下3段，并將堆積體進(jìn)行編號(hào)(圖2中I～VI號(hào))以便分析。經(jīng)陳劍等[27]對(duì)金沙江上游雪隆囊古滑坡堰塞湖潰壩堆積體的研究初步判斷，滑坡堰塞體是由礫石，砂和少量黏土組成的混雜堆積物。

2研究方法

2.1樣品采集與粒度的測(cè)量

在野外調(diào)查基礎(chǔ)上，對(duì)雪隆囊地區(qū)潰壩堆積體的上游段、中游段、下游段等分布區(qū)域進(jìn)行采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)的取樣量為25 cm×25 cm×20 cm。共計(jì)采集樣品21個(gè)并編號(hào)，將樣品在實(shí)驗(yàn)室用一套標(biāo)準(zhǔn)的振篩機(jī)(4～0.065 mm)進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn)。采樣點(diǎn)位置如圖2所示。采樣的編號(hào)、顆粒級(jí)配以及堆積物的室內(nèi)顆粒分析成果見(jiàn)表1、表2和表3。由于數(shù)據(jù)量較大只給出部分原始數(shù)據(jù)。

2.2粒度特征及形狀分析

采用克魯賓(Krumbein)粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)劃分粒度公式[28]

表1　堆積物上游段顆粒

注：φ為粒度的對(duì)數(shù)值；w為各粒度所占比例；SY1-1～SY1-7為上游各采樣點(diǎn)的編號(hào)。下同。Note:φ: the logarithm of granularity;w: the percentage of each particle size; SY1-1～SY1-7: the No. of sample points in the upstream section. The same as below.

表2　堆積物中游段顆粒

注：ZY2-1～ZY2-7表示中游各采樣點(diǎn)的編號(hào)。Note: ZY2-1～ZY2-7: the No. of sample points in the middle section.

(1)

式中：φ為粒度的對(duì)數(shù)值；d為顆粒的直徑，mm。

3結(jié)果與討論

3.1堰塞湖潰壩堆積物的粒度組成

整個(gè)研究區(qū)域的粒度主要由礫石、砂粒、粉粒和極少量的黏粒組成。從表4中得出，上游段潰壩堆積體堆積物粒度組成以φ值為-2～-1為主，由礫石構(gòu)成，其他比例不足7%；中游段粒度組成以φ值為2～3和3.4～4為主，主要由細(xì)砂和極細(xì)砂構(gòu)成，其他的不足8%；下游段粒度組成以φ值為2.4和3.5為主，主要由細(xì)砂和極細(xì)砂構(gòu)成，但比中游段有所增長(zhǎng)，平均比例分別高達(dá)37%和22%，其他的不足3%。

表3　堆積物下游段顆粒

注：XY3-1～XY3-7表示下游各采樣點(diǎn)的編號(hào)。Note: XY3-1～XY3-7: the No. of sample points in the downstream section.

表4　堆積物各段的粒度比例

從以上各段粒度組成來(lái)看，潰壩堆積體的上游段主要是以粗大礫石堆積為主，水動(dòng)力條件很強(qiáng)，導(dǎo)致粗大的礫石快速堆積下來(lái)而非礫石組分的粒度被迅速?zèng)_走。結(jié)合野外實(shí)地考察，上游段堆積物粒度較大，松散破碎，磨圓度較差，說(shuō)明在潰決時(shí)沒(méi)有經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的搬運(yùn)就快速沉積下來(lái)。離潰壩口較遠(yuǎn)的堆積體中游段和下游段出現(xiàn)細(xì)粒部分，說(shuō)明這些物質(zhì)在潰決時(shí)強(qiáng)水動(dòng)力條件下，沒(méi)來(lái)得及沉積就被沖下來(lái)，隨后隨著搬運(yùn)距離延長(zhǎng)，水動(dòng)力條件逐漸變?nèi)?，?dǎo)致部分才開(kāi)始沉積，而這些細(xì)粒部分的沉積物質(zhì)有可能來(lái)自不同的物源，一部分可能來(lái)源于壩體本身，有的可能來(lái)源于未潰決前上游的湖相沉積層，而這些松散、雜亂等大的粒度應(yīng)該來(lái)自壩體本身的物質(zhì)。

3.2粒度分布曲線

上游段粒度組成分布曲線圖呈現(xiàn)明顯的單峰型(圖3)，曲線為正偏的非對(duì)稱(chēng)分布，堆積物的眾值粒度出現(xiàn)在φ值為-1.2附近，斜率很大，說(shuō)明粒度比較集中。φ值為-2附近的粒度比例最高，達(dá)65%，其他比例均<8%，說(shuō)明此段主要以礫石為主。

圖3表明當(dāng)時(shí)潰決時(shí)水動(dòng)力條件極強(qiáng)，導(dǎo)致粗大的礫石快速堆積下來(lái)而非礫石組分的粒度被迅速?zèng)_走，沉積分選出來(lái)的物質(zhì)比較單一，說(shuō)明當(dāng)時(shí)受單一穩(wěn)定的水動(dòng)力條件影響；將這些沉積細(xì)粒物質(zhì)與壩體物質(zhì)比較，得出這些礫石主要來(lái)源于壩體。

中游段粒度組成分布曲線圖呈現(xiàn)明顯的多峰型(圖4)，堆積物的眾值粒度主要出現(xiàn)在φ值為2.5附近，φ值為3.5附近的次之，而砂粒部分比例高達(dá)32%，主要由細(xì)砂和極細(xì)砂為主，其他粒度比例均<10%，說(shuō)明此段主要以細(xì)砂和極細(xì)砂為主，同時(shí)伴有少量的礫石及粗砂。

圖4表明當(dāng)時(shí)從堆積物上游段未沉積完的部分礫石還在沉積，細(xì)粒也開(kāi)始有所沉積，細(xì)粒部分只是較潰壩堆積體上游段有所增加，但比下游段沉積較少?？偟膩?lái)說(shuō)，中游段較上游段的水動(dòng)力強(qiáng)度弱了，其中沉積的細(xì)粒并非全部來(lái)自壩體本身，有些可能來(lái)自堰塞湖潰壩前的上游湖相沉積。

下游段粒度組成分布曲線圖呈現(xiàn)明顯的雙峰型(圖5)，堆積物的眾值粒度主要出現(xiàn)在φ值為2.5附近，以φ值為2.5附近的粒度比例最高，高達(dá)37%，φ值為3.6附近的次之，主要由細(xì)砂和極細(xì)砂為主，其他區(qū)間的粒度礫石比例不足5%，說(shuō)明此段主要以細(xì)砂和極細(xì)砂為主。雖然此段與中游段物質(zhì)組成上相似，但細(xì)砂與極細(xì)砂的比例比中游段分別提高6%，同時(shí)少量的礫石及粗砂的比例比中游段減少6%。

以上對(duì)圖5的粒度分布曲線分析可知，頻率曲線屬于雙峰型且沉積物主要是細(xì)粒，并且細(xì)粒部分的含量較堆積體中游段部分增加很多?？偟膩?lái)說(shuō)潰壩堆積體下游段的水動(dòng)力強(qiáng)度較上游段和中游段更弱；但從這些沉積細(xì)粒物質(zhì)與壩體物質(zhì)關(guān)系角度來(lái)看，并非全部來(lái)自壩體本身，有可能這些細(xì)粒物質(zhì)來(lái)自于堰塞湖潰壩前的上游湖相沉積。

圖3　上游粒度頻率曲線Fig.3　Frequency curves of grain sizes in the upstream section

圖4　中游段粒度頻率曲線Fig.4　Frequency curves of grain sizes in the middle section

圖5　下游粒度頻率曲線Fig.5　Frequency curves of grain sizes in the downstream section

4結(jié)論與討論

1)從金沙江上游雪隆囊潰壩堆積物粒度組成及其各段的頻率分布曲線可以得出：上游段頻率曲線為單峰，以礫石為主，潰決時(shí)水動(dòng)力條件極強(qiáng)，且受單一穩(wěn)定的水動(dòng)力條件的影響，其中這些礫石主要來(lái)自壩體；中游段頻率曲線為多峰型，主要以細(xì)砂和極細(xì)砂為主，水動(dòng)力強(qiáng)度較上游有所減弱；下游段頻率曲線為雙峰型，主要以細(xì)砂和極細(xì)砂為主，相比中游比例增多，水動(dòng)力強(qiáng)度比中游更弱了。其中中游段與下游段沉積的細(xì)粒部分并非全部來(lái)自壩體本身，有些可能來(lái)自于堰塞湖潰壩前的上游湖相沉積。

2)總體而言，水動(dòng)力條件由上到下在逐漸減弱。就堆積體與堰塞湖壩體的物質(zhì)關(guān)系來(lái)說(shuō)，礫石部分來(lái)自壩體物質(zhì)，而細(xì)粒部分可能部分來(lái)自壩體，部分來(lái)自堰塞湖潰壩前上游的湖相沉積層。

3)金沙江上游潰壩堆積物的粒度分布曲線與前人所研究的風(fēng)成砂丘—海(湖)灘砂—河道砂—冰川和沖積扇等特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，更趨向于河道堆積物的粒度分布曲線。

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(責(zé)任編輯：程云郭雪芳)

Granularity characteristics of deposits from the break of the dammed lake caused by Xuelongnang ancient landslide in the upper Jinsha River

Chen Song， Chen Jian， Liu Chao， Ma Junxue

(School of Engineering and Technology, China University of Geosciences, 100083, Beijing, China)

Abstract:[Background] The upper reaches of Jinsha River is a geological disaster prone area, and the geological environment evolution is relatively complex. [Methods] To study the relationship among the source of deposits after the break of dammed lake, the materials in the dam-body and sedimentary environment, taking the dam-break deposits from the dammed lake caused by Xuelongnang ancient landslide in the upper Jinsha River as the main research object, through field survey sampling and indoor sieving test of particle size, the particle sizes were tested, the granularity characteristics in the upstream, middle, and downstream section of the deposits were studied, and the composition of grain size and the size distribution curve of the deposits were analyzed in detail. [Results] The results showed that the distribution curves of grain sizes in the dam-break deposits for the upstream, middle and the downstream sections were unimodal, multimodal and doublet respectively. The composition of the grain size in the upstream section mainly was gravel, the hydrodynamic intensity was very strong, and it was affected by the single stable hydrodynamic condition. In the middle section, the main ones were fine sand and extremely fine sand, hydrodynamic intensity weakened mainly in the lower reaches. Compared with middle section, also main sizes in downstream were also fine and extremely fine, and the proportion of them increased; moreover, hydrodynamic intensity was even weaker in general. Regarding the relationship between deposits and materials of dam-body, the gravels were from the material of dam-body, and the fine particles might be partly from the dam-body, and partly from the lacustrine sediment in the upper reaches before the break of dammed lake. The particle size presented the trend of obvious becoming thinner from the upstream to the downstream, and the average particle size changed from coarse to fine. The sorting feature of dam-break deposits was poorer and poor. These characteristics reflected the gradual weakening of hydrodynamic intensity from upstream to downstream of dam-break deposits. Contrast to the characteristics of the wind sand dune-sea (lake) beach sand - river sand-glacial and alluvial fan, etc. studied previously, the size distribution of dam-break deposits in the upstream of Jinsha River had high similarity with the grain size distribution curve of the river deposits. [Conclusions] Therefore, to reveal the granularity characteristics and change pattern of the deposits, studying the relationships among the sources of deposits from break of dammed lake, the material composition of dam-body and sedimentary environment is of great significance, which may provide reference value for the management of soil and water conservation in the upper reaches of Jinsha River in the future.

Keywords:Xuelongang; ancient landslide; deposits; granularity characteristics; Jinsha River

收稿日期：2015-09-13修回日期： 2016-01-11

第一作者簡(jiǎn)介：陳松(1989—)，男，碩士研究生。主要研究方向：工程地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害防治。E-mail：chennsongg@163.com ?通信 陳劍(1975—)，男，副教授。主要研究方向：災(zāi)害地貌學(xué)、工程地質(zhì)和地質(zhì)災(zāi)害防治。E-mail：jianchen@cugb.edu.cn

中圖分類(lèi)號(hào)：P642.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-3007(2016)01-0028-08

DOI:10.16843/j.sswc.2016.01.004

項(xiàng)目名稱(chēng)： 國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“青藏高原第四紀(jì)冰磧旋回與構(gòu)造隆升藕合機(jī)制及過(guò)程研究”(41230743)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“堰塞壩、湖及潰壩堆積地貌過(guò)程與沉積特征的綜合研究”(41571012)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目“中國(guó)西南地區(qū)古滑坡壩的形成與演化過(guò)程”(2652015060)