龍門山斷裂北川斷裂帶滑坡與構(gòu)造活動關(guān)系研究

李金洋 楊順 佘濤 陳歡

摘要：北川斷裂帶位于龍門山中央斷裂帶中部，新、老滑坡較為發(fā)育，構(gòu)造活動是影響區(qū)內(nèi)滑坡發(fā)生的主導(dǎo)因素。采用文獻(xiàn)記載、現(xiàn)場調(diào)研等方法，分析了構(gòu)造對滑坡災(zāi)害的影響，結(jié)果表明：① 構(gòu)造橫向擠壓、不均勻抬升對地表巖體的完整性進(jìn)行改造，使得不同構(gòu)造部位、斜坡部位巖體存在結(jié)構(gòu)差異，進(jìn)而控制滑坡在空間上的發(fā)育規(guī)律，同時，細(xì)部構(gòu)造結(jié)構(gòu)面在空間上的產(chǎn)出關(guān)系構(gòu)成了滑坡發(fā)生的初始邊界條件;② 作為構(gòu)造活動的劇烈外部表現(xiàn)，地震動荷載直接誘發(fā)滑坡的同時造成斜坡巖體的松動;③ “5·12”震后，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向發(fā)生近90°的偏轉(zhuǎn)，進(jìn)一步加劇了松動巖體的變形與破壞，震后應(yīng)力偏轉(zhuǎn)是影響區(qū)域斜坡穩(wěn)定的最主要內(nèi)動力因素。

關(guān)鍵詞：滑坡; 構(gòu)造應(yīng)力; 地震; 北川斷裂帶; 龍門山斷裂

中圖法分類號：P642.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2019.02.024

滑坡是內(nèi)外動力地質(zhì)作用的結(jié)果[1]，構(gòu)造活動作為影響滑坡發(fā)生的主要的因素之一。一方面，新構(gòu)造活動誘發(fā)地震，地震強(qiáng)大的垂直和水平荷載直接引起山體滑坡，稱為同震滑坡[2-3]，這是構(gòu)造活動引起的一種突發(fā)的、劇烈的地質(zhì)行為;另一方面構(gòu)造形成的斷裂、派生節(jié)理等結(jié)構(gòu)面從本質(zhì)上改造巖土體完整性[4]，后期在重力卸荷、降雨、地震等因素的影響下，結(jié)構(gòu)面繼續(xù)發(fā)生變形，積累到一定程度發(fā)生滑坡。

龍門山區(qū)地質(zhì)背景復(fù)雜，加之”5·12”地震影響，滑坡災(zāi)害極其發(fā)育。目前對龍門山區(qū)構(gòu)造影響滑坡的研究主要圍繞同震滑坡這一類型，包括地震誘發(fā)滑坡的發(fā)育特征[5-6]、形成機(jī)制[7-10]、運動規(guī)律[11-12]，鮮有從構(gòu)造對斜坡體本身結(jié)構(gòu)改造的研究。羅文行[13]對震區(qū)地表破裂帶的詳細(xì)研究結(jié)果表明，震區(qū)地表破裂不僅包括同震破裂，還包括震后重力影響下的斜坡破壞;張永雙、郭長寶[14-15]對青藏高原東源活動斷裂與地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)進(jìn)行研究后指出，活動斷裂的地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)不僅體現(xiàn)在斷裂劇烈活動產(chǎn)生的地震地質(zhì)災(zāi)害，活動斷裂在長期演化過程中對地形地貌、巖體結(jié)構(gòu)、斜坡結(jié)構(gòu)以及局部地應(yīng)力條件的影響等，都是活動斷裂地質(zhì)災(zāi)害效應(yīng)的研究范疇。因此，本文以龍門山中段北川斷裂帶為例，從構(gòu)造對巖土體改造及新構(gòu)造活動方面，綜合分析了構(gòu)造對滑坡的影響，研究成果可為區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害早期識別、監(jiān)測預(yù)警提供參考。

1構(gòu)造概況及滑坡信息

北川斷裂帶位于龍門山中段，斷裂為西部高山區(qū)與東部丘陵區(qū)分界線，呈北西向展布，有龍門山中央斷裂之稱。斷層傾向305°～320°，傾角55°～60°，斷裂構(gòu)造巖寬度10～30 m。斷裂帶由中心到邊部可分為劈理帶、構(gòu)造透鏡體帶和節(jié)理密集帶，有明顯的碳化。斷裂帶附近巖體較為破碎，常見軸面與斷面近于平行的歪斜及倒轉(zhuǎn)褶皺，表現(xiàn)為脆性向韌性過渡的逆沖斷裂。節(jié)理展布方向較亂，顯示其形成的多期性，產(chǎn)出頻率較高，SE向及NWW向的長大節(jié)理面均與層面構(gòu)成一組共軛節(jié)理，顯示為NW～SE向擠壓的結(jié)果，節(jié)理發(fā)育程度、組合關(guān)系等特征影響斜坡穩(wěn)定性。北川斷裂是“5·12”地震的主干發(fā)震斷裂，地震造成了地表1.6～6.0 m的垂直位錯、0.2～6.5 m的水平位錯，是地表破裂最為嚴(yán)重的地段[16]，同時誘發(fā)了大量山體滑坡。

鑒于上述構(gòu)造特征，區(qū)內(nèi)新、老滑坡發(fā)育分布情況、發(fā)育特征見圖1和表1。調(diào)查的17處滑坡中有13處為“5·12”地震同震誘發(fā)，震前滑坡2處，震后滑坡2處，可見，地震為區(qū)內(nèi)滑坡最主要的誘發(fā)因素，但仍然受構(gòu)造等其它因素的控制。

2巖體的構(gòu)造改造差異對滑坡的影響

2.1不同構(gòu)造部位巖體橫向差異對滑坡的影響

區(qū)域構(gòu)造擠壓過程中，會造成地表巖體發(fā)生不同程度的變形或破裂，斷裂及褶皺也是巖體深部破裂的產(chǎn)物。一般來講，距離斷裂越近，巖體結(jié)構(gòu)面相對發(fā)育、破碎程度越高，隨著距離的增大，巖體完整性較好。由于橫向張拉作用，褶皺核部區(qū)域往往是張拉結(jié)構(gòu)面的密集發(fā)育帶，因此，斷裂帶和褶皺構(gòu)造形跡附近巖體破碎程度較高，斜坡穩(wěn)定性較差。根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)特征將區(qū)內(nèi)巖體大致劃分為似散體結(jié)構(gòu)、碎裂結(jié)構(gòu)及板裂—層狀結(jié)構(gòu)3類，圖2為垂直北川斷裂帶走向方向的巖體結(jié)構(gòu)特征。據(jù)統(tǒng)計，區(qū)內(nèi)滑坡在橫向上具有一定的規(guī)律，主要表現(xiàn)為：① 在距離斷裂帶較近的碎裂結(jié)構(gòu)、似散體結(jié)構(gòu)巖體中集中發(fā)育;② 在大型褶皺核部周圍有所發(fā)育。

圖2構(gòu)造作用下巖體分區(qū)示意（A-A剖面）Fig.2Schematic diagram of rock mass subdivision undertectonism（A-A′ profile）

2.2構(gòu)造不均勻抬升引起的巖體垂向差異對滑坡的影響

構(gòu)造抬升與河谷地貌演化是一個相輔相成的過程，構(gòu)造抬升劇烈程度不同造成了斜坡微地貌差異。構(gòu)造抬升緩慢時期，河流下切及地表剝蝕速度相對較慢，地貌上多形成寬谷（圖3（a）），斜坡地形坡度相對較平緩。構(gòu)造抬升劇烈階段加劇了地表剝蝕與河流下切的速度，多形成峽谷地貌，斜坡坡度較陡（圖3（b））。研究區(qū)河流岸坡多具有陡—緩—陡的剖面形態(tài)，以高程1 000～1 200 m為界，上部斜坡坡度在15°～35°之間，下部坡度一般大于45°，此為構(gòu)造劇烈—緩慢—劇烈抬升過程的結(jié)果。

寬谷地貌時期，巖體以垂向卸荷為主[4]，在近垂直河谷方向（NNW向）的構(gòu)造應(yīng)力場共同作用下，主要派生近水平方向的張拉結(jié)構(gòu)面，于谷底附近形成相對密集的結(jié)構(gòu)面密集帶。進(jìn)入峽谷地貌階段，原先位于谷底的裂隙密集帶以相對快的速度隆升、暴露至地表，并接受更加劇烈的卸荷改造，峽谷期以垂直河流方向的側(cè)向卸荷為主[4]，引起巖體沿水平結(jié)構(gòu)面的剪切滑移以及派生新的陡傾結(jié)構(gòu)面并發(fā)生離面張拉變形。因此，在這一時期的結(jié)構(gòu)面發(fā)育密度、延伸長度、張開度相應(yīng)增大，導(dǎo)致巖體更加破碎松弛，為滑坡的發(fā)生提供了有利結(jié)構(gòu)條件。同時，裂隙密集帶下方形成的陡立臨空面地形，為滑坡提供了剪出口。據(jù)統(tǒng)計，北川斷裂帶滑坡主要分布于1 000～1 200 m高程范圍（表1），該高程帶恰好處于河谷斜坡地形由緩變陡的部位。

2.3細(xì)部構(gòu)造控制滑坡邊界條件

據(jù)統(tǒng)計，區(qū)內(nèi)滑坡宏觀發(fā)育具有一定的規(guī)律，滑動方向大致為SE向，與斷裂帶走向垂直（表1）。因滑坡多數(shù)為地震同震滑坡，所以已有的研究認(rèn)為，滑坡滑動、運動方向與地震波傳播方向及發(fā)震斷裂錯動的形式和方向等具有一定的相關(guān)性[6]。實際上，地震作用僅作為滑坡的誘發(fā)因素，其本質(zhì)上受到斜坡固有結(jié)構(gòu)特征的控制，即斜坡構(gòu)造、卸荷結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況、細(xì)部結(jié)構(gòu)面在空間上的組合關(guān)系構(gòu)成了滑坡發(fā)生的初始基礎(chǔ)邊界條件。龍門山斷裂帶中段歷史構(gòu)造擠壓方向為NNW向[17]，區(qū)域構(gòu)造擠壓使得區(qū)內(nèi)張拉結(jié)構(gòu)面與剪切結(jié)構(gòu)面基本呈NE走向，與斜坡坡向基本垂直。NE走向的結(jié)構(gòu)面主要有：斷層面、褶皺橫向張拉形成的核部張性結(jié)構(gòu)面密集帶、局部連續(xù)分布的碳化軟弱帶。此外，構(gòu)造相伴生的巖體破碎帶中不規(guī)則產(chǎn)出的結(jié)構(gòu)面也較為發(fā)育。巖質(zhì)滑坡往往受結(jié)構(gòu)面控制，本區(qū)斷層面傾向NW、傾角55°左右，張性結(jié)構(gòu)面與巖層面近相垂直，碳化帶主要沿平行層面方向產(chǎn)出，在內(nèi)外地質(zhì)營力，特別是地震作用下，巖體以已有結(jié)構(gòu)面為基礎(chǔ)發(fā)生進(jìn)一步的變形，以致發(fā)生滑坡。具體表現(xiàn)為：陡傾的斷層面、張性結(jié)構(gòu)面密集帶結(jié)構(gòu)面發(fā)育成為滑坡的后緣邊界，緩傾坡外的碳化軟弱帶或巖層面則演變成為滑坡的底滑面，見圖4（a）和（b）?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，已發(fā)生大型、特大型滑坡大多有以上的原始邊界特征。此外，高度破碎的巖體與較完整基巖界面也是中、小型滑坡發(fā)生的主控結(jié)構(gòu)面，見圖4（c）。

3地震的直接或間接作用

3.1地震動荷載加劇巖土體破壞

如前所述，構(gòu)造活動較大程度上破壞了地表巖體的完整性，這些被改造的巖體在自然重力、降雨及地震等內(nèi)外動力因素作用下演變成滑坡，其中，地震作為構(gòu)造活動的劇烈外部表現(xiàn)，無疑是滑坡最主要的觸發(fā)因素。據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計，“5·12”地震同震滑坡多達(dá)30 000多處[18]，地震直接誘發(fā)滑坡的特征具有：高程放大效應(yīng)、距離效應(yīng)、鎖固段效應(yīng)、上下盤效應(yīng)、方向效應(yīng)及地形效應(yīng)等[5-6]，北川斷裂帶地震誘發(fā)滑坡有相似規(guī)律。另一方面，地震引起了大量山體松動，這些“震而未滑”的山體在后期逐漸演變成為滑坡，稱為地震后效應(yīng)[19]，因此，“5·12”地震之后的近幾年，震區(qū)屢有滑坡發(fā)生，主要是由于地震對斜坡巖體造成的“內(nèi)傷”進(jìn)一步發(fā)展惡化的結(jié)果。

3.2震后應(yīng)力場變化對斜坡穩(wěn)定性長期影響

地震是地應(yīng)力積累到一定程度，地殼巖層突然破裂、錯動的一種自然現(xiàn)象[20]。一次大地震的同震位錯會引起附近區(qū)域的應(yīng)力場變化，對于整個區(qū)域而言，應(yīng)力量級、方向的變化將影響鄰近區(qū)域的應(yīng)力累積進(jìn)程，從而使地表巖體發(fā)生新的變形和破壞。安其美等[14]對“5·12”震前、震后的地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)龍門山中央斷裂帶北段—中段最大主應(yīng)力方向發(fā)生較為明顯的偏轉(zhuǎn)，由原先的垂直斷裂帶（NW）方向轉(zhuǎn)變?yōu)榕c斷裂帶基本平行（NE）方向。北川斷裂帶位于龍門山中段，研究區(qū)斜坡走向呈NE向，由圖5可知，2008年汶川地震以后，構(gòu)造主應(yīng)力方向由震前的垂直于斜坡走向轉(zhuǎn)變?yōu)榕c斜坡走向相平行。

假設(shè)巖體處于極限平衡、最大主應(yīng)力σ1、最小主應(yīng)力σ3及構(gòu)造應(yīng)力σq（震前）、σh（震后）方向均為水平，根據(jù)巖體力學(xué)原理，震后構(gòu)造應(yīng)力由NW轉(zhuǎn)為NE，應(yīng)力量級不變的情況下，NW向σ1應(yīng)力水平得到削減，因此斜坡巖體沿應(yīng)力削減方向發(fā)生卸荷回彈，形成與斜坡走向平行的張拉裂縫，NE向σ3應(yīng)力水平得到增強(qiáng)，甚至超過σ1水平，勢必會形成新的剪切裂隙和壓張裂隙。筆者認(rèn)為，應(yīng)力狀態(tài)的改變引起的上述諸多變化為震后滑坡的發(fā)生提供了結(jié)構(gòu)條件和力學(xué)條件。

4典型實例

以研究區(qū)李家灣斜坡為例，李家灣斜坡位于北川縣陳家壩鄉(xiāng)太洪村李家灣村西350 m、都壩河右岸斜坡上。自2008年汶川地震以來共發(fā)生了2次大型滑坡，第1次滑坡為地震同震滑坡，第2次滑坡發(fā)生于2016年9月5日，滑坡先后發(fā)生于斜坡頂部及中部緩坡平臺處，2次滑坡均形成堰塞湖，對下游村莊及陳家壩鎮(zhèn)數(shù)百人的生命財產(chǎn)安全造成不同程度的威脅，見圖6。

4.1滑坡主要發(fā)育特征

李家灣斜坡整體坡度約35°，坡頂最高高程1 295 m，相對高差590 m。斜坡上部1 150～1 295 m高程范圍內(nèi)，坡度約65°;中部高程1 150～1 060 m范圍內(nèi)，坡度15°～20°;中下部高程1 060～810 m范圍內(nèi)，坡度約65°;底部靠近河床處斜坡坡度約15°，整體呈現(xiàn)陡緩交替微地形。斜坡高程950～1 110 m范圍內(nèi)龍門山主斷裂—北川映秀斷裂由此通過，斷裂面傾向NW315°，傾角55°～60°（斷層走向與滑坡方向近垂直），為逆沖兼具右旋走滑性質(zhì)，多表現(xiàn)為脆性特征，現(xiàn)今活動性強(qiáng)。斷裂上盤出露寒武紀(jì)油房組（∈y）變凝灰質(zhì)砂巖、寒武紀(jì)邱家河組（∈q）灰黑色炭質(zhì)板巖、變炭質(zhì)粉砂巖、灰黑色薄-中厚層碳硅質(zhì)巖，夾少量結(jié)晶灰?guī)r透鏡體;斷裂下盤為志留紀(jì)韓家店組（Sh）絹云母千枚狀板巖。受斷裂帶活動影響，斜坡上巖體破碎，巖體呈層狀—碎裂結(jié)構(gòu)，見圖7。

地震同震滑坡位于斜坡頂部陡坡段，滑坡發(fā)生后于斜坡中部平臺及坡腳都壩河堆積，現(xiàn)場于滑坡堆積體1號區(qū)左側(cè)邊界沖溝底部發(fā)現(xiàn)碳化帶連續(xù)分布（圖8），產(chǎn)狀約135°∠20°～30°;碳化帶上部為滑坡堆積體，下部為未發(fā)生擾動的強(qiáng)—中風(fēng)化基巖，因此推測碳化帶為地震同震滑坡的滑帶，滑坡邊界特征與圖4（a）相似。

李家灣第2次滑坡發(fā)生區(qū)斜坡坡向110°，滑坡整體位于高程1 030～1 060 m范圍的斜坡中部緩坡平臺下方，即斜坡微地形緩陡交界附近，剪出口位于平臺下方高程810～830 m范圍內(nèi)，后緣位于平臺上方斷裂帶出露附近。滑坡體上部為“5·12”同震滑坡堆積體，下部物質(zhì)組成為較破碎的志留紀(jì)韓家店組（Sh）絹云母千枚狀板巖。從滑坡殘留體可以發(fā)現(xiàn)：滑坡源區(qū)的巖體相對破碎、松動，且結(jié)構(gòu)面有貫通趨勢（圖9），滑坡滑帶位于下部破碎基巖體中，傾角約60°?；掠上虏炕鶐r率先發(fā)生滑動后，帶動上部堆積體跟隨滑動，滑坡邊界特征與圖4（c）相似。

4.2滑坡成因分析

根據(jù)滑坡發(fā)育特征分析滑坡成因：第1次滑坡為“5·12”地震同震滑坡，受高程放大效應(yīng)[5]影響，滑坡發(fā)生在斜坡頂部;受地震地形效應(yīng)[5]以及頂部滑坡向下運動的鏟刮作用影響，坡體中部緩坡平臺部位巖體產(chǎn)生明顯松動，但未發(fā)生整體滑動。由于震后構(gòu)造應(yīng)力方向發(fā)生近乎90°的大偏轉(zhuǎn)，斜坡中部緩坡處松動巖體在后期水平向的卸荷回彈及垂向重力卸荷作用下加劇變形，于2016年9月5日發(fā)生滑坡堵江（圖10）。李家灣滑坡實例很好地驗證了斜坡的構(gòu)造改造特征對滑坡的影響及地震對斜坡的直接和間接作用。

（1） 滑坡區(qū)斜坡巖體結(jié)構(gòu)及特殊構(gòu)造結(jié)構(gòu)面（斷層、碳化帶）的發(fā)育特征與斜坡巖土體的穩(wěn)定性之間有密切關(guān)系。

（2） 地震動荷載直接誘發(fā)滑坡的同時造成斜坡巖體的松動。

（3） 震后應(yīng)力大角度的偏轉(zhuǎn)，進(jìn)一步加劇了松動巖體的變形，進(jìn)而演變成滑坡。

5結(jié) 論

（1） 構(gòu)造擠壓作用對巖體完整性進(jìn)行改造，區(qū)域橫向和垂向上的巖體結(jié)構(gòu)的改造差異對滑坡的發(fā)生具有明顯的影響，橫向上主要受控于斷裂、褶皺及其派生裂隙的發(fā)育程度，滑坡主要發(fā)育在巖體破碎程度較高部位;垂向上受構(gòu)造不均勻抬升的影響，滑坡主要發(fā)育于構(gòu)造結(jié)構(gòu)面密集發(fā)育的陡、緩變坡處。

（2） 細(xì)部構(gòu)造結(jié)構(gòu)面空間上的產(chǎn)出關(guān)系構(gòu)成了滑坡發(fā)生的初始邊界條件。陡傾的斷層面、張性結(jié)構(gòu)面密集帶發(fā)育成為滑坡的后緣邊界，緩傾坡外的碳化軟弱帶、高度破碎的巖體中的貫通結(jié)構(gòu)面則演變成為滑坡的底滑面。

（3） 作為構(gòu)造活動的劇烈外部表現(xiàn)，地震動荷載直接誘發(fā)滑坡的同時造成斜坡巖體的松動;震后區(qū)域應(yīng)力方向發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)，引起垂直斜坡走向方向的卸荷回彈，進(jìn)一步加劇了松動巖體的變形，是震后滑坡發(fā)生的主要內(nèi)動力因素。

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Relationship between landslides and tectonic activities in Beichuan fault zone of Longmenshan fault

LI Jinyang1，2， YANG Shun1，2，SHE Tao1，2，CHEN Huan1，2

（1.Institute of Exploration Technology， CGS， Chengdu 611734， China;2.Technical Center for Geological Hazard Prevention and Control， CGS， Chengdu 611734， China）

Abstract： The Beichuan fault zone is located in the middle part of the central Longmenshan fault zone， Sichuan， where the new and old landslides develop well and the tectonic activity is the dominant factor affecting landslides in the area. The influence of tectonic activity on landslide disaster is analyzed by means of documentary record， field investigation， etc. The results show that：① The integrality of the surface rock mass was reformed by lateral compression and uneven elevation of the structure， which caused structural differences of the rock masses located at different structural positions or slopes and further controlled the spatial development law of landslide. At the same time， the spatial exposure relations of the detailed structural plane formed the initial boundary conditions for the occurrence of landslide.② As a violent external representation of tectonic activity， seismic dynamic load induced landslide directly and loosed the rock mass at the same time.③ After "5.12" earthquake， the direction of regional tectonic stress was nearly 90 degrees deflection， aggravating the deformation and failure of loosed rock mass. The post-earthquake stress deflection was the main internal dynamic factor affecting regional slope stability

Key words：landslide; tectonic stress; earthquake; Beichuan fault zone; Longmenshan fault