汶川、蘆山和九寨溝地震滑坡各影響因子貢獻(xiàn)對比分析

史丙新，管 勇，亢川川

(1.四川省地震局，四川 成都 610054；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)國家專業(yè)實驗室, 四川 成都 610059)

地震誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害是一種有著嚴(yán)重危害的次生災(zāi)害,形成機(jī)制復(fù)雜,涉及因素眾多。在地震地質(zhì)災(zāi)害研究領(lǐng)域，美國、日本和意大利居于領(lǐng)先地位。我國地震學(xué)家、地質(zhì)學(xué)家在上世紀(jì)70年代就認(rèn)識到地震地質(zhì)災(zāi)害研究的重要性和必要性。汶川地震發(fā)生后，許多學(xué)者圍繞汶川地震滑坡做了大量的研究工作。黃潤秋等(2009)結(jié)合野外調(diào)查和遙感解譯獲取的 1 1000處地質(zhì)災(zāi)害點對汶川地震地質(zhì)災(zāi)害的空間分布規(guī)律進(jìn)行了統(tǒng)計分析，得出了汶川地震地質(zhì)災(zāi)害具有沿地震發(fā)震斷裂條帶狀和沿水系線狀分布以及斷層上盤效應(yīng)顯著等認(rèn)識。許強(2009)以汶川地震重災(zāi)區(qū)112處大型滑坡為基礎(chǔ)，對汶川地震誘發(fā)的大型滑坡的分布規(guī)律、動力特征、運動特征、成因模式等4個方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，得出大型地震滑坡空間規(guī)律具體可歸結(jié)為以下幾種效應(yīng)：距離效應(yīng)、鎖固段效應(yīng)和上下盤效應(yīng)。吳樹仁等(2008)則重點對汶川地震滑坡的活動強度進(jìn)行了分析評價。對國內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，地震參數(shù)與滑坡數(shù)量及范圍間關(guān)系的研究已經(jīng)獲得了大量成果，并有很多共識。很多學(xué)者運用公式對其進(jìn)行曲線變化的表達(dá)，印證了無論是滑坡范圍，還是最大滑坡面積或規(guī)模，都與地震的震級、烈度和震中距等主要參數(shù)存在密切關(guān)系。但是對多個地震的地震滑坡統(tǒng)計關(guān)系研究較少，而且不同的學(xué)者研究結(jié)果差異較大，主要原因是統(tǒng)計樣本所在區(qū)域不同，而不同地區(qū)的地質(zhì)條件、滑坡類型及地震震級與地震類型等也不盡相同。本研究主要采用四川省的幾個大地震滑坡數(shù)據(jù)，其中地震滑坡分布區(qū)域集中在阿壩和雅安等地，區(qū)域地震地質(zhì)條件和滑坡類型等具有一定的相似性。因此，本文研究結(jié)果在本地區(qū)應(yīng)具有較好的適用性。

1 地震滑坡數(shù)據(jù)庫的建立

1.1 汶川地震滑坡數(shù)據(jù)庫

2008年5月12 日14時28分，四川省汶川縣發(fā)生了MS8.0級大地震，有感范圍達(dá)數(shù)千千米。汶川地震發(fā)生在龍門山斷裂帶上，該斷裂帶是被鮮水河斷裂及東昆侖斷裂所夾持的巴顏喀拉地塊向東推移形成的新生代逆沖—推覆斷裂帶。自西向東由后山斷裂帶、中央斷裂帶、前山斷裂帶3條北東—北北東走向的逆沖—推覆構(gòu)造組成。汶川地震數(shù)據(jù)庫采用許沖等(2013)的研究成果，在 GIS 平臺支持下，以航空像片與多源衛(wèi)星影像為基礎(chǔ)，結(jié)合一定的野外工作，制定地震滑坡解譯標(biāo)準(zhǔn)，逐一圈定出每個滑坡的邊界，獲得每個滑坡的坐標(biāo)位置、平面形狀與面積。建立汶川地震誘發(fā)滑坡數(shù)據(jù)庫。在約 48 678 km2的汶川地震滑坡影響區(qū)域內(nèi)，圈定約 48 007處滑坡，總面積約 711.8 km2。滑坡覆蓋面積最大的為安縣大光包滑坡，覆蓋面積約 7.22 km2，平均面積為 14 826 m2。解譯得到滑坡面積最小的為60 m2。

1.2 蘆山地震滑坡數(shù)據(jù)庫

2013年4月20日8 時，四川省雅安市蘆山縣發(fā)生了MS7.0 強烈地震( 簡稱蘆山地震) ，震中位置為30.3°N，103.0°E，震源深度13 km。許沖等(2013)依據(jù)震后中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所、四川省測繪局、中國科學(xué)院成都光電所提供的可利用的高分辨率航片( 除去重疊區(qū)域后的總覆蓋面積約 2 885 km2)，結(jié)合地震后野外實地考察建立的地震滑坡目視解譯標(biāo)準(zhǔn)，開展了蘆山地震觸發(fā)滑坡目視解譯工作，結(jié)果得到了 15 542 處滑坡。其中多數(shù)為小型的巖質(zhì)崩塌、土質(zhì)崩塌、巖質(zhì)滑動等類型。

1.3 九寨溝地震滑坡數(shù)據(jù)庫

2017年8月8日，北京時間21點19分，四川九寨溝發(fā)生了MS7.0 地震，震中位于四川省阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣漳扎鎮(zhèn)比芒村( 33.2°N，103.82°E) ，震源深度20 km。由于地震區(qū)陡峻的地形，強烈的構(gòu)造活動導(dǎo)致的脆弱的地質(zhì)條件，使得該地區(qū)一直都是滑坡與崩塌高易發(fā)地區(qū)。由于本次地震導(dǎo)致的強烈地震動與顯著的地殼形變，導(dǎo)致了大量同震滑坡發(fā)生。許沖等(2018)基于天、空、地數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法來開展九寨溝地震滑坡調(diào)查，即高分辨率衛(wèi)星影像、航空相片、野外實地考察方法相結(jié)合?；贕eoeye-1震后0.5m分辨率影像開展了極震區(qū)同震滑坡解譯，得到本次地震觸發(fā)滑坡超過 4 800處，總面積約9.6 km2，這些滑坡在空間上與推測發(fā)震斷層位置、余震分布具有良好的對應(yīng)關(guān)系。

2 各影響因子貢獻(xiàn)率分析

表1 地震滑坡率影響因素區(qū)間劃分

貢獻(xiàn)率分析法是一種處理信息數(shù)據(jù)的方法，具有樣本分類與系統(tǒng)因素分析的功能，采用該方法可以直觀評價地層傾角、高程和傾向?qū)Φ卣鸹掳l(fā)育作用的影響大小，反映與地震滑坡的內(nèi)在聯(lián)系。根據(jù)不同高度(h)、傾角(β)、傾向(α)、PAG(g)和烈度(I)，計算5個因子對滑坡數(shù)量的貢獻(xiàn)率。定義下式：

Qi=ni/Ni

(1)

其中，Qi為各影響因子區(qū)間貢獻(xiàn)率；ni為各區(qū)間的滑坡發(fā)育數(shù)量；Ni為該影響因子各個區(qū)間統(tǒng)計指標(biāo)的總和。由式(1)計算得出不同因子(高度(h)、傾角(β)、傾向(α)、PAG(g)和烈度(I))的滑坡數(shù)量貢獻(xiàn)率Qi的大小。表1為地震滑坡影響因素區(qū)間劃分。

2.1 烈度與滑坡數(shù)量和面積的關(guān)系

地震烈度是描述一個地區(qū)地面遭受一次地震影響的強烈程度?；谏鲜鋈齻€地震的地震滑坡數(shù)據(jù)庫和地震烈度，可以得到三個地震滑坡數(shù)量和面積貢獻(xiàn)率的統(tǒng)計結(jié)果(見圖1)。

圖1 三個地震不同烈度下的數(shù)量和面積貢獻(xiàn)率

從圖1可以看出：(1)汶川地震中，隨著烈度的增加，滑坡個數(shù)占比和面積占比也隨之增加，表現(xiàn)出較好的正相關(guān)性；(2)蘆山地震中，地震滑坡在Ⅶ度區(qū)出現(xiàn)最多，在Ⅶ度至Ⅸ度區(qū)內(nèi)，地震滑坡個數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢；(3)九寨溝地震在Ⅶ度至Ⅸ度區(qū)內(nèi)出現(xiàn)集中滑坡現(xiàn)象，其他區(qū)極少出現(xiàn)滑坡,體現(xiàn)地震滑坡具有一定的復(fù)雜性。

2.2 滑坡與地形的關(guān)系

選取高程、傾角、傾向作為影響地震滑坡發(fā)生的地形影響因子，統(tǒng)計其與滑坡數(shù)量和面積貢獻(xiàn)率的關(guān)系(見圖2～4)。研究區(qū)內(nèi)數(shù)字高程模型(DEM)來自于STRM3的地形數(shù)據(jù)，分辨率為90 m。

圖2 三個地震不同高程下的數(shù)量和面積貢獻(xiàn)率

從圖2可以看出：(1)地震滑坡比較集中分布在坡位較高處。坡高處有利于產(chǎn)生臨空面，更容易產(chǎn)生滑坡。九寨溝地震中發(fā)現(xiàn)山脊的滑坡是最多的，因為極震區(qū)面積小，地形起伏大，更易產(chǎn)生高陡臨空面。與此同時，存在山脊放大效應(yīng)也加重了山脊的震動程度，在山脊處產(chǎn)生了大量滑坡。(2)九寨溝所處海拔較高，如果用高差來表示，那么包括汶川地震、蘆山地震的地震滑坡數(shù)量峰值就均出現(xiàn)在500～2 000 m高差位置。由圖3可知，斜坡傾向因子對地震滑坡的影響無明顯規(guī)律。從圖4可以看出：傾角在20°左右的斜坡產(chǎn)生的滑坡數(shù)量最多，跟以往的研究結(jié)果基本一致。

圖3 三個地震不同傾向下的數(shù)量和面積貢獻(xiàn)率

圖4 三個地震不同傾角下的數(shù)量和面積貢獻(xiàn)率

2.3 PGA與滑坡的關(guān)系統(tǒng)計

各個地震的PGA采用四川省地震局強震動臺站觀測數(shù)據(jù)，劃分等值線，統(tǒng)計不同PGA范圍內(nèi)的滑坡數(shù)量和面積貢獻(xiàn)率(見圖5)。九寨溝地震去掉漳扎臺站強震記錄后，剩余的PGA相對較小，但是依然產(chǎn)生了較大并且集中的的滑坡數(shù)量，表現(xiàn)了地震滑坡的復(fù)雜性。

圖5 三個地震不同PGA下的數(shù)量和面積貢獻(xiàn)率

從圖5可以看出：(1)與地震烈度一樣，地震滑坡數(shù)量和面積與PGA具有明顯的正相關(guān)。隨著PGA的增加，地震滑坡數(shù)量和面積也相應(yīng)增加。(2)PGA在400～600 gal區(qū)間內(nèi)，汶川和蘆山地震數(shù)量出現(xiàn)極值。由于九寨溝地震的強震臺站記錄較少，地震滑坡數(shù)量集中出現(xiàn)在60～100 gal之間。

2.4 震中距與滑坡的關(guān)系統(tǒng)計

為觀察其衰減特性，統(tǒng)計了三個地震不同震中距下的滑坡數(shù)量和面積貢獻(xiàn)率(見圖6)。

圖6 三個地震不同震中距下的數(shù)量貢獻(xiàn)率

由圖6可知：(1)三次地震的滑坡數(shù)量和面積隨震中距的增加逐漸減少。(2)與汶川和蘆山地震相比較，九寨溝地震滑坡分布更加集中，影響范圍主要在震中距15 km范圍內(nèi)，極值出現(xiàn)在9 km處，而汶川和蘆山地震的滑坡影響范圍更廣，在30～40 km處仍有滑坡出現(xiàn)。(3)數(shù)量貢獻(xiàn)率和面積貢獻(xiàn)率在趨勢上相差不大。

3 各影響因子綜合分析

通過對不同影響因子的滑坡貢獻(xiàn)率分析，得到不同的關(guān)系曲線，采用疊加組合的評價方法可以得到不同因子的綜合貢獻(xiàn)率。

3.1 各個因子區(qū)間貢獻(xiàn)率賦值

不同地震滑坡的各影響因子(傾向、傾角、高程、烈度和PGA)貢獻(xiàn)率賦值見表2～4，表中，汶川地震中各影響因子的貢獻(xiàn)率用Q*a表示(其中*代表傾向、傾角、高程、烈度和PGA5個因子中的任意一個，如：Qha表示汶川地震中的高程影響因子的貢獻(xiàn)率，下同)，蘆山地震的貢獻(xiàn)率用Q*b表示(Qβa表示蘆山地震中的傾角影響因子的貢獻(xiàn)率)。

表2 不同高程和傾角的滑坡貢獻(xiàn)率賦值

表3 不同傾向和烈度的滑坡貢獻(xiàn)率賦值

表4 不同PGA的滑坡貢獻(xiàn)率賦值

表5 不同高程的滑坡綜合貢獻(xiàn)

3.2 綜合貢獻(xiàn)率

采用求平均值的方法對表3中不同地震Qha(汶川地震)、Qhb(蘆山地震)的同一區(qū)間地層高程貢獻(xiàn)值進(jìn)行疊加統(tǒng)計，得到綜合貢獻(xiàn)指數(shù)：

Q(hi)=[hi(a)+hi(b)]/2

(2)

其中，Q(hi)為地層高程區(qū)間的綜合貢獻(xiàn)指數(shù)；hi(a)，hi(b)分別為汶川地震的高程區(qū)間hi按照滑坡數(shù)量貢獻(xiàn)率所得賦值。由以上計算得到的各因子區(qū)間對滑坡的綜合貢獻(xiàn)率結(jié)果，它表征了不同地震不同因子區(qū)間在地震滑坡發(fā)育中的作用,為更直觀的表現(xiàn)其作用大小，再用每個指數(shù)區(qū)間占其綜合貢獻(xiàn)指數(shù)之和的百分比來表征其貢獻(xiàn)率，稱之為綜合貢獻(xiàn)率。

(3)

由式(2)計算地層高程區(qū)間的綜合貢獻(xiàn)指數(shù)，用式(3)計算地層高程區(qū)間的綜合貢獻(xiàn)率，見表5。

同理，可以得到其它不同因子(傾向、傾角、烈度和PGA)在不同地震下的綜合貢獻(xiàn)率(見表6～7)。

表6 不同傾角和傾向的滑坡綜合貢獻(xiàn)指數(shù)

表7 不同PGA和烈度的滑坡綜合貢獻(xiàn)指數(shù)

3.3 綜合貢獻(xiàn)率分級

各個區(qū)間影響因子貢獻(xiàn)率指標(biāo)可以反映出各因子對滑坡貢獻(xiàn)的作用效果，貢獻(xiàn)率的分布規(guī)律。為分析不同因子區(qū)間對滑坡發(fā)生的貢獻(xiàn)程度，采用等距法將其劃分為高、中、低3個等級來表示，求出的等距D為：

D=[Q0(hi)max-Q0(hi)min]/3

(4)

根據(jù)式(4)可以就不同區(qū)間因子對滑坡發(fā)生的綜合貢獻(xiàn)率，對不同因子的貢獻(xiàn)率劃分為高、中、低3個等級，更直觀的表示其貢獻(xiàn)。不同的參數(shù)其貢獻(xiàn)等級分別見表8～11。

表8 不同高程的滑坡綜合貢獻(xiàn)等級

表9 不同傾角的滑坡綜合貢獻(xiàn)等級

表10 不同烈度的滑坡綜合貢獻(xiàn)等級

表11 不同PGA的滑坡綜合貢獻(xiàn)等級

4 結(jié)論與討論

(1)根據(jù)收集整理的汶川地震、蘆山地震以及九寨溝地震的地震滑坡數(shù)據(jù)庫資料，計算出汶川、蘆山和九寨溝三次大震中發(fā)生滑坡的各斜坡傾角、高程(差)、傾向以及地震烈度、PGA和震中距6項因子對地震滑坡的貢獻(xiàn)率和它們的綜合貢獻(xiàn)率。結(jié)果顯示：在斜坡高程影響因子中，高差在 1 000～2 500 m范圍內(nèi)屬于地震滑坡數(shù)量最多的；在斜坡傾角影響因子中，坡角在20°左右是地震滑坡數(shù)量最多的；斜坡傾向?qū)Φ卣鸹碌目傮w影響較?。籔GA和地震烈度與地震滑坡的數(shù)量占比具有明顯的正相關(guān)性；震中距具有明顯的衰減特性。(2)對不同地震的滑坡影響因子進(jìn)行歸一化處理，并采用同一量化因子，可以綜合考慮同一因子對多個地震的影響。