汶川地震驅動的剝蝕作用及對龍門山地貌演化的影響

高 青, 李奮生, 邵崇建

(成都理工大學 地球科學學院,成都 610059)

2008年5月12日14時28分，四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)發(fā)生了青藏高原東緣有歷史記載以來最大的地震(簡稱“汶川地震”)，震級為8.0級，震源深度約為14 km，最大地震烈度超過Ⅺ度，極震區(qū)呈北東向的狹長條帶狀，形成了長達300 km的余震帶和240 km的地表破裂帶[1-3]。汶川地震觸發(fā)了大量的同震滑坡，其數(shù)量是人類歷史記載最多的；汶川地震后強降雨驅動的震后泥石流數(shù)量也是人類歷史記載最多的。

汶川地震后，眾多專家學者對地震所引發(fā)的同震及震后滑坡、泥石流等的成因機制、動力學特征及分布規(guī)律進行了研究[4-13]。與此同時，地貌學家對地震導致的剝蝕作用開展了大量的調查和研究工作。前人估算了汶川地震同震滑坡產生的松散堆積物的體積(5～15 km3)[14]，而同震巖石隆升增加的山脈體積僅為(2.6±1.2) km3[15]，由此認為在同震滑坡產生的松散堆積物被快速搬運出龍門山的情況下，汶川地震實際上導致了龍門山體積的“虧損”，即汶川地震并不會造成龍門山地貌的升高，反而會導致地貌的降低[14]。這一認識在地學界引起了廣泛的討論，并開展了大量后續(xù)的調查和研究工作，獲得了許多關于地貌演化方面的有意義的認識[16-25]。

本文將在分析汶川地震同震滑坡空間分布特征的基礎上，結合對構造、地貌、降水等方面資料，分析汶川地震剝蝕作用對龍門山地區(qū)地貌演化的影響。

1 區(qū)域地質概況

龍門山沖斷帶北起廣元南至天全，長約500 km，寬約30 km，處于揚子地臺和松潘-甘孜褶皺帶的分界線上，既是青藏高原的東界，又是四川盆地的西緣，屬于松潘-甘孜造山帶的前緣沖斷帶[26-27]。龍門山自西向東發(fā)育有茂-汶斷裂(后山斷裂)、北川-映秀斷裂(中央斷裂)和彭灌斷裂(前山斷裂)，通常將北川-映秀斷裂以西的部分稱為龍門山后山帶，以東的部分稱為龍門山前山帶[28]。另外，根據地質、地貌的差異性，通常以都江堰和北川將龍門山劃分為3段，都江堰以南為南段，都江堰與北川之間為中段，北川以北為北段[29-30]，本文的研究區(qū)為龍門山中段和北段(圖1)。

2 汶川地震剝蝕作用空間分布特征

汶川地震剝蝕作用的空間分布主要體現(xiàn)在汶川地震同震滑坡的空間分布特征上。本次根據野外調查和遙感衛(wèi)星解譯，對汶川地震同震滑坡的數(shù)量、位置和密度等進行了統(tǒng)計，進而對汶川地震剝蝕作用的空間分布特征進行描述。

2008年汶川地震發(fā)生后，本課題組利用震后的高分辨率衛(wèi)星影像，對龍門山地區(qū)同震滑坡堆積物進行了實地觀測、填圖，獲得了同震滑坡的分布范圍，并對部分同震滑坡的面積、體積等進行了測量，編制了同震滑坡密度平面分布情況(圖2-A)。地震之后，地質災害專家在對地震災區(qū)同震滑坡體數(shù)量進行統(tǒng)計和遙感數(shù)據處理的基礎上，對汶川地震引發(fā)的崩塌、滑坡數(shù)量進行的估算表明，汶川地震在10×104km2的范圍內，觸發(fā)了約3.5萬處崩塌、滑坡等地質災害，并獲得了崩塌、滑坡的密度分布圖[4]，也揭示在北川-映秀斷裂的上盤附近發(fā)生的地質災害的密度最大。北川-映秀斷裂的上盤附近發(fā)生的崩塌、滑坡等地質災害明顯多于靠近四川盆地的斷裂下盤一側，由北川-映秀斷裂向南東崩塌、滑坡數(shù)量逐漸減少(圖2-A)，在距離30～40 km的地方基本無地質災害，而向北西方向地質災害的分布范圍可超過100 km[14]。

基于同震滑坡密度數(shù)據，我們繪制了汶川地震滑坡區(qū)NW-SE方向滑坡密度剖面圖(圖3-A)。剖面圖顯示汶川地震同震滑坡主要分布于茂汶斷裂和彭灌斷裂之間，尤其在主干發(fā)震斷裂——北川斷裂附近同震滑坡密度最大。前人對滑坡面積的統(tǒng)計[31]也獲得了類似的認識。同震滑坡的這一分布特征顯示了汶川地震對剝蝕作用的控制作用，即構造(發(fā)震斷裂)是控制剝蝕作用的主要因素。

3 地貌與降水特征

基于DEM數(shù)據，作者繪制了汶川地震同震滑坡區(qū)的地貌平面圖(圖2-A)、地形剖面圖(圖3-B)和地形起伏度剖面圖(圖3-C)。通過對研究區(qū)的地貌和降水特征進行精確刻畫，進而為討論汶川地震剝蝕作用對龍門山地貌的影響奠定基礎。

研究區(qū)地貌平面圖顯示，汶川地震同震滑坡密度最大的區(qū)域(龍門山中段和北段)的地貌總體表現(xiàn)為南東高、北西低。龍門山中段最高海拔高度接近5 km，滑坡密集區(qū)的海拔高度一般在3.5 km以上；而龍門山北段海拔高度相對較低，滑坡密集區(qū)的海拔高度一般低于2 km(圖2-A)。研究區(qū)NW-SE方向的地形剖面顯示，整體上自四川盆地向北西平均海拔高度逐漸增大，在彭灌斷裂與北段斷裂之間的前山帶平均海拔高度低于2 km；在北川斷裂與茂汶斷裂之間的后山帶平均海拔高度約為3 km；在茂汶斷裂以西約10～30 km的區(qū)域海拔高度達到最大值，一般均高于5 km。另外，研究區(qū)NW-SE方向的地形起伏度剖面顯示，自四川盆地向北西到茂汶斷裂平均起伏度具有逐漸增大的趨勢，茂汶斷裂以西的平均地形起伏度與龍門山后山帶基本一致。

圖1 龍門山地貌特征圖[12]Fig.1 The map showing geomorphology of Longmenshan Mountains

圖2 龍門山地區(qū)滑坡密度、數(shù)字高程與年降水量平面圖Fig.2 The planimetric map showing landslide density, digital elevation and annual precipitation in the Longmenshan area位置見圖1。F1.茂汶斷裂；F2.北川斷裂；F3.彭灌斷裂。(A)滑坡空間分布圖； (B)數(shù)字高程模型圖； (C)降水空間分布圖

圖3 龍門山地區(qū)NW-SE方向同震滑坡密度、海拔高度、起伏度與年降水量剖面圖Fig.3 The profile showing the landslide density, digital elevation and annual precipitation in the Longmenshan area

研究區(qū)的年降水量分布圖顯示，龍門山中段(都江堰至北川區(qū)域)的南東側是該地區(qū)降水量最大的區(qū)域，年降水量可超過2 000 mm。而在龍門山中段的北西側，年降水量急劇減小，降至600 mm，反映了受龍門山中段較高地形的影響，水汽無法到達其西側地區(qū)。從研究區(qū)NW-SE方向年降水量剖面圖也可以看出，降水量最大的區(qū)域位于龍門山前山帶及前緣地區(qū)，向西則逐漸減小。

4 討 論

通過將同震滑坡密度分布圖與地貌平面圖對比，發(fā)現(xiàn)同震滑坡與地形海拔高度并沒有很好的對應關系，并非地形越高同震滑坡的密度越大。特別是龍門山北段(北川以北地區(qū))，地形海拔高度普遍低于2 km，但是在北川斷裂上盤仍發(fā)育大量的同震滑坡，產生巨量的剝蝕作用。通過將NW-SE方向同震滑坡密度剖面(圖3-A)與同區(qū)域地形剖面(圖3-B)對比，也表明海拔高度并非同震滑坡的主要控制因素。但是龍門山后山帶較大的地形起伏度與該區(qū)域高密度的同震滑坡具有很好的對應關系，表明地形起伏度是控制同震滑坡分布的重要因素。

實質上，所謂汶川地震的剝蝕作用，只有當汶川地震同震滑坡堆積物被搬運出龍門山，才能稱之為“剝蝕作用”。由于該地區(qū)滑坡堆積物的搬運主要依靠降水將其搬運至河流，然后通過河流搬運出龍門山。因此，需要對該地區(qū)的降水量進行精確刻畫和分析。從降水量分布圖(圖2-C、圖3-D)可以看出，降水量最大的區(qū)域位于龍門山前山帶及前緣地區(qū)，而在滑坡量最多的龍門山后山帶，其降水量則相對較小?？紤]到降水的空間分布，汶川地震同震滑坡被完全剝蝕并搬出龍門山的時間可能遠大于以前估算的時間，如10～30 a[21]，可能與前人對岷江流域同震滑坡岷江卸載出龍門山的時間3 100 a[32]較為接近。另外，對龍門山地區(qū)汶川地震、蘆山地震同震滑坡相關剝蝕作用的研究表明，龍門山地區(qū)同震滑坡所導致的剝蝕速率與低溫熱年代學所獲得的長周期(千年至百萬年)剝蝕速率較相似(0.5～1 mm/a)[25]。因此，在汶川地震發(fā)之后至少幾十年內，由于大部分同震滑坡堆積物仍保留在山脈中，龍門山的宏觀地貌為受構造作用(汶川地震上沖作用)影響仍表現(xiàn)為地貌隆升。

另外，對于龍門山長周期的地貌演化，汶川地震驅動的剝蝕作用對地貌的影響需要考慮2個方面：一方面汶川地震同震滑坡物質被河流剝蝕卸載出龍門山，會造成龍門山地貌高程的降低；另一方面，同震滑坡物質被剝蝕卸載出龍門山的同時，會導致地殼均衡反彈，造成龍門山地貌的隆升。

對于龍門山地貌的演化，需要考慮2方面因素的影響，分別為地殼隆升幅度和該階段的剝蝕厚度，即“地表隆升幅度=地殼隆升幅度-剝蝕厚度”[33]，當?shù)貧ぢ∩却笥趧兾g厚度時，地貌表現(xiàn)為隆升；反之地貌表現(xiàn)為降低。對于龍門山地區(qū)的地殼隆升至少需要考慮3方面因素：事件性構造運動導致的地殼隆升(如汶川地震同震隆升)；剝蝕作用導致的地殼均衡反彈；受區(qū)域應力場的影響，在兩次強震之間逆斷層的蠕滑將導致的龍門山基巖緩慢抬升。3方面的因素都會造成龍門山地貌的隆升，而根據上文對降水的分析，龍門山地區(qū)的強烈剝蝕作用主要集中在龍門山前山帶。因此，本文認為汶川地震驅動的剝蝕作用不會造成龍門山的主體(龍門山后山帶)地貌高程的降低。

5 結 論

a.構造是控制剝蝕作用的主要因素，汶川地震發(fā)震斷裂的空間分布是控制汶川地震剝蝕作用空間分布的最主要因素。另外，龍門山地區(qū)的地形起伏度也是控制汶川地震剝蝕作用的因素之一。

b.由于大部分同震滑坡堆積物在短期時間內仍保留在山脈中，龍門山的宏觀地貌表現(xiàn)為受構造作用(汶川地震上沖作用)影響的隆升。

c.在綜合考慮龍門山地區(qū)地殼同震隆升、地殼均衡反彈、逆斷層緩慢蠕滑以及剝蝕作用空間分布等因素的基礎上，本文推斷汶川地震驅動的剝蝕作用不會造成龍門山的主體(龍門山后山帶)地貌高程的降低。

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