不同巖性區(qū)泥石流堆積物顆粒組成特征——以新疆塔什庫爾干河中上游為例

王猛，王寧，王軍，余天彬，江煜，黃細(xì)超

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不同巖性區(qū)泥石流堆積物顆粒組成特征——以新疆塔什庫爾干河中上游為例

王猛1，王寧2，王軍1，余天彬1，江煜1，黃細(xì)超1

（1.四川省地質(zhì)調(diào)查院，成都 610081；2. 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)國家重點實驗室，成都 610059）

泥石流是南疆重要地質(zhì)災(zāi)害之一?；诟叻中l(wèi)星影像對新疆塔什庫爾干河中上游泥石流溝進(jìn)行遙感解譯分析，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查驗證，取樣分析不同巖性區(qū)泥石流堆積物顆粒組成特征。結(jié)果表明：①研究區(qū)泥石流堆積扇明顯，呈多期性，半堅硬-軟巖區(qū)泥石流比堅硬巖區(qū)堆積扇面積、擴(kuò)散角大，堆積體粒徑、堆積坡度較?。虎陔S著泥石流堆積物巖性強(qiáng)度變?nèi)?，粗粒含量相對減少，泥石流堆積體整體級配較差，泥石流重度大；③堅硬巖石區(qū)（花崗巖、閃長巖），泥石流堆積物砂粒、粉粒、粘粒含量較低，堆積體不均勻系數(shù)大，泥石流沖擊力大；半堅硬巖-軟巖區(qū)（砂巖、泥巖、礫巖、片麻巖），泥石流堆積物砂粒、粉粒、粘粒含量較高。

泥石流；巖性；堆積物；新疆塔什庫爾干

泥石流堆積物的粒度組成是泥石流的重要結(jié)構(gòu)特征之一，包含大量泥石流組成運動和堆積特征的信息[1]，反映泥石流搬運介質(zhì)和搬運能力；同時反映泥石流形成機(jī)理與動力學(xué)、運動學(xué)特征[2-3]。目前，對于泥石流堆積物粒度分析，主要的分析的方法有統(tǒng)計法和圖解法[4]。

盛儉等通過粒度參數(shù)分析和結(jié)構(gòu)維數(shù)計算了解泥石流堆積物分選性、粒度分布等[5]；李柏通過實驗對王虎溝泥石流堆積物的粒度進(jìn)行分析，采用粒度參數(shù)分析王虎溝堆積物特征，進(jìn)而分析泥石流堆積物的影響提出評價[6]。不同巖性的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造不同，使得巖性的抗風(fēng)化能力差異，從而影響泥石流堆積物的顆粒組成特征[7-8]。根據(jù)泥石流沉積物中不同粒徑范圍內(nèi)顆粒含量計算泥石流容重，從而得出泥石流容重與粒徑范圍內(nèi)顆粒含量的關(guān)系[9-10]。楊進(jìn)兵等通過滲透試驗確定泥石流堆積物細(xì)顆粒含量與滲透關(guān)系，為研究泥石流攔砂壩基底揚壓力提供基礎(chǔ)[11-12]。李泳等通過對泥石流堆積土體進(jìn)行粒度分析，提出標(biāo)度分布方程，通過對泥石流顆粒標(biāo)度分布參數(shù)測定，為可能發(fā)生的泥石流情況評估[13]。

充分發(fā)揮遙感技術(shù)優(yōu)勢，解譯分析新疆南疆高寒艱險地區(qū)塔什庫爾干河中上游泥石流發(fā)育特征。結(jié)合調(diào)查取樣和顆粒分析實驗分析泥石流堆積特征，從而分析顆粒組成特征與滲透性能、容重等關(guān)系，為研究區(qū)泥石流調(diào)查評價和防治提供重要的技術(shù)支撐。

圖1 研究區(qū)地勢圖

1 研究區(qū)泥石流發(fā)育特征

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于新疆南疆喀什地區(qū)塔什庫爾干塔吉克自治縣塔什庫爾干河中上游，屬帕米爾高原西麓，總體地勢西高東低，山脈走勢呈北北西—北西向的弧狀彎曲。該區(qū)海拔高度在3 000～4 500m，相對高差達(dá)1 500 m，兩側(cè)山勢雄偉，地形切割強(qiáng)烈（圖1）。

研究區(qū)的氣候特征屬典型的大陸性寒溫帶干旱季風(fēng)氣候，干燥寒冷，晝夜溫差大（溫差大于15℃）、干燥少雨，年均氣溫3.3℃，光照較充足，年平均降雨量約68mm；該區(qū)巖石風(fēng)化嚴(yán)重，由于植被較少，山體裸露，其蒸發(fā)量大于1 500mm。

研究區(qū)地層主要為古元古界喀喇昆侖地層，下古生界西昆侖地層、第四系地層出露（圖2）。該區(qū)巖性可分為堅硬巖石區(qū)（花崗巖、閃長巖）和半堅硬巖-軟巖區(qū)（砂巖、泥巖、礫巖、片麻巖）。其中風(fēng)化破碎的巖體和大量第四系松散堆積體為泥石流活動提供了豐富的物源。

圖2 研究區(qū)巖性分布

1.2 研究區(qū)泥石流遙感分析

研究區(qū)地廣人稀，環(huán)境條件惡劣，地面調(diào)查難度大。采用高分遙感衛(wèi)星影像解譯能夠高效、直觀的反映區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害，提高工作效率，同時區(qū)內(nèi)植被覆蓋低，能夠更好發(fā)揮遙感技術(shù)優(yōu)勢。采用2017年的高分二號（分辨率1m）對研究區(qū)的泥石流進(jìn)行解譯分析，區(qū)內(nèi)泥石流特征明顯，堆積扇完整，以半堅硬巖-軟巖區(qū)巖為主的寬谷區(qū)，泥石流堆積扇較平緩、擴(kuò)散角大、紋理細(xì)膩（圖3a）；以堅硬巖為主的峽谷區(qū)泥石流堆積扇坡度較大、擠壓河道、紋理粗糙（圖3b）。

圖3 泥石流堆積扇影像特征

圖4 泥石流分布特征和取樣點分布圖

本次共解譯泥石流132處（表1），其中大型、中型和小型分別為46處、41處和45處。

巖性條件和地形條件對泥石流的堆積特征具有重要的影響，區(qū)內(nèi)主要為半堅硬-軟巖和堅硬巖巖組兩大類，分布的泥石流分別為86處和46處（圖4）。

表1 不同巖性區(qū)泥石流數(shù)量與規(guī)模關(guān)系

研究區(qū)氣候干燥寒冷，晝夜溫差大，巖體風(fēng)化嚴(yán)重，斜坡風(fēng)化深度大于2m。雖然降雨量少，但泥石流活動強(qiáng)烈，地表侵蝕強(qiáng)烈。解譯發(fā)現(xiàn)有88%的泥石流流域面積小于5km2，區(qū)內(nèi)物源豐富，在降雨充足的情況下，極易發(fā)生泥石流（圖5）。

在西南山區(qū)大多泥石流溝的縱比降均大于150‰，而在本次研究區(qū)泥石流溝縱比降分布范圍較寬，主要分布在95‰～650‰間，發(fā)生泥石流的最小縱比降要比西南山區(qū)小。其中寬谷區(qū)泥石流主溝比降較小，集中在100‰～400‰間；峽谷區(qū)較大，集中在400‰～600‰間（圖6）。

圖5 泥石流流域面積統(tǒng)計圖

圖6 泥石流縱比降統(tǒng)計圖

2 現(xiàn)場采樣及實驗分析

通過遙感解譯發(fā)現(xiàn)，不同巖性區(qū)泥石流堆積扇特征差異明顯，巖性條件和地形條件相互影響了區(qū)內(nèi)侵蝕作用，也控制了泥石流的運動堆積特征。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查，對不同巖性泥石流堆積物進(jìn)行了取樣分析。

表2 泥石流基本信息

2.1 樣品采集

選取研究區(qū)不同巖性泥石流溝，研究不同巖性對泥石流堆積物顆粒特征的影響。在典型泥石流堆積扇中部位置取樣，共采集6組泥石流堆積物樣品（圖4、表2）。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，研究區(qū)泥石流沿河流呈帶狀分布，泥石流堆積扇明顯，可分辨多期泥石流活動。泥石流物源豐富，主要以坡面侵蝕物源、溝道堆積體物源和崩塌堆積體物源為主。在堅硬巖石區(qū)，泥石流堆積扇面積、擴(kuò)散角和流域面積整體上均小于半堅硬巖-軟巖區(qū)，而顆粒粒徑和堆積扇坡度均大于半堅硬-軟巖區(qū)；堅硬巖區(qū)地貌多為峽谷地貌，溝道以“V”型為主，溝道比降大，泥石流堆積扇擠壓河道（圖7）；半堅硬巖-軟巖區(qū)泥石流堆積物細(xì)顆粒含量更多，泥石流溝道多呈“U”字型（圖8）。

2.2 實驗分析

表3 泥石流堆積物顆粒分析結(jié)果

按照土工試驗規(guī)程[14]，對采集的泥石流堆積物樣品進(jìn)行顆粒分析實驗。對0.075mm以上顆粒按照土工規(guī)程采用60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm圓孔篩進(jìn)行篩析。小于0.075 mm采用密度計法進(jìn)行顆粒分析（表3）。

3 不同巖性區(qū)泥石流堆積特征分析

通過泥石流堆積物顆粒分析實驗得到泥石流粒度特征曲線，通過曲線不同形態(tài)反映泥石流的顆粒組成。分別建立泥石流堆積物顆粒累計曲線、頻率曲線。

3.1 泥石流堆積物顆粒累計曲線

由顆粒分析實驗得出各粒組含量百分比數(shù)據(jù)，即可由數(shù)據(jù)得到各泥石流樣品的顆粒的累計曲線（圖9）。根據(jù)累計曲線斜率大小可以反映各泥石流堆積物顆粒含量的多少。堅硬巖石區(qū)的泥石流組成以巨粒組為主；半堅硬巖-軟巖區(qū)的泥石流以粗粒組為主。從曲線可以得出不同粒徑范圍的百分含量，對泥石流的容重研究有很大的幫助[9-10]。

圖7 堅硬巖石堆積扇

圖8 半堅硬巖-軟巖堆積扇

圖9 泥石流堆積物顆粒累計曲線

從圖9泥石流堆積物顆粒累計曲線可以得出有效粒徑d10、中間粒徑d30、限制粒徑d60,進(jìn)而由不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)得到曲線的級配特征（表4）。片麻巖地區(qū)顆粒級配最差，花崗巖、閃長巖地區(qū)顆粒級配次之，且各堆積物顆粒以粗粒為主，整體級配均較差。

3.2 泥石流堆積物顆粒組成頻率曲線

頻率曲線可以直觀的反映沉積物級配多寡、頻率大小，泥石流堆積體顆粒組成?？梢钥闯鲱w粒粒組含量大多在-7φ與-2φ附近。

表4 泥石流堆積物顆粒級配特征

從圖10中多峰可以看出泥石流堆積物分選性差[11]。隨著顆粒粒徑由大變小，可以看出顆粒質(zhì)量的變化趨勢為減小-增大-減小的趨勢。各泥石流顆粒質(zhì)量比峰值落在-7φ，巖性越強(qiáng)的顆粒質(zhì)量越早出現(xiàn)峰值。在巖性較強(qiáng)的地區(qū)，應(yīng)加強(qiáng)預(yù)防泥石流沖擊力的影響。

3.3 泥石流堆積物組成含量對比

由顆粒分析實驗可知，泥石流堆積物中大于2mm的粗粒含量均大于細(xì)粒含量，顆粒含量見圖11，可以清晰看出各顆粒組含量多少。

堅硬巖石區(qū)粘粒、粉粒和砂粒含量均小于半堅硬巖-軟巖區(qū)。由于不同巖性的抗風(fēng)化能力強(qiáng)弱受其組成的礦物成分，結(jié)構(gòu)和構(gòu)造的影響，從而導(dǎo)致風(fēng)化后顆粒粒徑的差異。閃長巖、花崗巖屬于堅硬巖石，抗風(fēng)化能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)致密，風(fēng)化后顆粒以粗顆粒為主；片麻巖抗風(fēng)化能力較弱，結(jié)構(gòu)破碎疏松，風(fēng)化后形成的細(xì)顆粒較多。

圖10 泥石流堆積物粒度頻率曲線

圖11 泥石流堆積物不同粒徑含量

4 結(jié)論

1）研究區(qū)內(nèi)泥石流暴發(fā)頻率隨著巖性堅硬程度改變。半堅硬巖-軟巖區(qū)泥石流暴發(fā)頻率大于堅硬巖石區(qū)，且泥石流堆積扇更加明顯，堆積扇面積、擴(kuò)散角較大，堆積體粒徑、堆積坡度較小。

2）新疆塔什庫爾干河中上游泥石流堆積物粒度組成大 于2 mm粗粒含量均大于細(xì)粒含量。不同巖性區(qū)泥石流堆積物顆粒組成存在差異，隨著泥石流堆積物巖性強(qiáng)度變?nèi)?，粗粒含量相對減少。泥石流樣品Cc、Cu測試結(jié)果表明：泥石流堆積體整體級配均較差，泥石流重度大的特點。

3）由于不同巖性的抗風(fēng)化能力強(qiáng)弱不同，堅硬巖石區(qū)（花崗巖、閃長巖），堆積物顆粒中砂粒、粉粒、粘粒含量較低；半堅硬巖-軟巖區(qū)（砂巖、泥巖、礫巖、片麻巖），堆積物顆粒中砂粒、粉粒、粘粒含量較高。

4）通過對不同巖性區(qū)泥石流堆積物顆粒組成差異特征研究，為該區(qū)開展泥石流調(diào)查評價和防治提供了重要的技術(shù)支撐。

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On Particle Composition Characteristics of Debris Flow Deposits in Different Lithologic Regions——By the Example of Middle and Upper Reaches of the Taxkorgan River

WANG Meng1WANG Ning2WANG Jun1YU Tian-bin1JIANG Yu1HUANG Xi-chao1

（1-Sichuan Geological Survey, Chengdu 610081;2-State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geo-Environment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059）

Debris flow is one of the most important geohazards in southern Xinjiang. Remote sensing technology has important application value in this alpine and dangerous area. Based on high-resolution satellite images, this paper deals with the debris flow gullies in the middle and upper reaches of the Taxkorgan River in Xinjiang, analyzing characteristics of particle composition of the debris flow deposits in different lithology regions. The analyzing results show：①The debris flow deposit fan in the study area is obvious, showing multi-stage; the area and diffusion angle of the deposit fan in the semi-hard-soft rock area are larger than those in the hard rock area, and the grain size and slope of the deposit body are smaller; ②There are difference in the content of debris flow deposits in the areas of different lithology. The coarse grain content and gradation of debris flow deposits are relatively reduced and the gravity of debris flow is large with weakening of the lithology of debris flow deposits；③In hard rock（granite and diorite）area, debris flow deposits have low content of sand, silt and clay with large accumulation coefficient and the impact force of debris flow is large; Semi hard rock-soft rock（sandstone, mudstone, conglomerate, gneiss）area, debris flow deposits have higher content of sand, silt and clay.

debris flow; lithology; accumulation; particle composition

2018-09-01

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查項目(DD20179609)、“新疆葉城－烏恰地區(qū)綜合地質(zhì)調(diào)查遙感解譯和危險性評價”項目支持與資助

王猛（1980-），男，碩士研究生，主要從事遙感地質(zhì)及地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)研究.

P627

A

1006-0995（2018）04-0680-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.032