2008年汶川大地震同震、震后形變和應(yīng)力及對(duì)松坪溝地質(zhì)災(zāi)害的影響

謝世亮, 孫玉軍

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測(cè)中心, 北京 100094

2017年6月24日, 四川省茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村發(fā)生一起順層高位滑坡災(zāi)害—新磨滑坡, 導(dǎo)致 83人死亡和失蹤(許強(qiáng)等, 2017)。新磨滑坡的體積約450×104m3(許強(qiáng)等, 2017), 為2008年汶川地震后發(fā)生在龍門(mén)山地區(qū)的規(guī)模最大的一次巖質(zhì)滑坡(邵崇建等, 2017), 破壞力極強(qiáng), 造成的傷亡極大。許多學(xué)者對(duì)該滑坡做了大量研究, 認(rèn)為滑坡的形成源于多次強(qiáng)震的作用下導(dǎo)致的山體震裂, 并在后期重力、雨水等外動(dòng)力地質(zhì)作用下導(dǎo)致滑坡發(fā)生(何思明等,2017; 邵崇建等, 2017; 溫銘生等, 2017; 許強(qiáng)等,2017; Zhao et al., 2018)。以往的研究評(píng)估地震對(duì)滑坡的影響僅限于定性分析, 強(qiáng)調(diào)地震同震作用下山體的震裂作用(何思明等, 2017; 邵崇建等, 2017; 溫銘生等, 2017; 許強(qiáng)等, 2017), 而定量分析地震形變特別是震后形變對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響還相對(duì)較少。

圖1 龍門(mén)山地區(qū)構(gòu)造地質(zhì)背景(a)及新磨滑坡發(fā)生點(diǎn)位置(b)Fig.1 Schematic map of geological structure background (a) and Xinmo landslide location (b) in Longmen Shan area

汶川地震后, 前人對(duì)龍門(mén)山地區(qū)的地殼/地幔結(jié)構(gòu)、斷裂構(gòu)造及地表GPS觀(guān)測(cè)積累了大量的研究(王椿鏞等, 2003; 國(guó)家重大科學(xué)工程“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀(guān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目組, 2008; 劉啟元等, 2009; 郭飆等, 2009; 孫玉軍等, 2013; Zhang et al., 2014), 特別是近期對(duì)該區(qū)詳細(xì)的GPS震后形變分析(Diao et al.,2018)為開(kāi)展詳細(xì)的震后形變計(jì)算提供了重要約束。為此, 我們采用德國(guó)地學(xué)中心汪榮江博士開(kāi)發(fā)的PSGRN/PSCMP程序(Wang et al., 2006), 以地表同震和震后GPS觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)為約束, 計(jì)算了汶川地震同震和震后形變和應(yīng)力場(chǎng)。在此基礎(chǔ)上, 進(jìn)一步定量化分析了 2008年汶川大地震同震和震后形變對(duì)松坪溝新磨特大滑坡的區(qū)域影響, 通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)變化計(jì)算得到的庫(kù)侖應(yīng)力分析了松坪溝斷裂的地震活動(dòng)性。該研究結(jié)果有助于更全面認(rèn)識(shí)強(qiáng)震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理。

1 區(qū)域背景

1.1 地形地貌

松坪溝地處川西松潘甘孜地塊與龍門(mén)山斷裂過(guò)渡區(qū)域。沿松坪溝發(fā)育有一活動(dòng)斷裂——松坪溝斷裂, 并發(fā)育有一河流——松坪河。松坪溝斷裂處于龍門(mén)山斷裂帶西側(cè), 呈北西—南東走向, 長(zhǎng)約30 km。沿著松坪河發(fā)育有一系列歷史滑坡所導(dǎo)致的堰塞湖。古滑坡遺跡主要分布在松坪河北岸, 主要為巖質(zhì)滑坡, 而 2017年的新磨大滑坡發(fā)生在松坪河下游東南端的富貴山, 靠近松坪溝斷裂與岷江斷裂帶的交匯處。松坪溝地貌屬構(gòu)造侵蝕高山地貌(許向?qū)幒屯跆m生, 2002), 表現(xiàn)為典型的“V”形峽谷地貌。沿松坪溝發(fā)育的松坪河為岷江的一級(jí)支流,延伸長(zhǎng)度近 40 km。地面高程從松坪河上游近3900 m下降至下游與岷江交匯口近2200 m, 坡降劇烈。松坪河中下游兩岸多為巖質(zhì)斜坡, 地勢(shì)陡峭,北岸主要為順層斜坡, 南岸主要為切層斜坡, 其中北岸坡腳普遍存在巖質(zhì)碎屑堆積。

1.2 地層及巖性

松坪溝北西段主要為第四系覆蓋層, 南東段變質(zhì)基巖發(fā)育, 廣泛出露地表, 主要為新都橋組(T3x)的千枚巖, 雜谷腦組(T2z)的變質(zhì)石英砂巖(唐榮昌等,1983), 坡體中軟弱巖夾層發(fā)育, 這些軟弱夾層中富含黏土礦物。其中新磨滑坡崩塌區(qū)的基巖為中三疊統(tǒng)雜谷腦組(T2z)的變質(zhì)砂巖夾板巖(邵崇建等,2017)。松坪河北岸的順層斜坡普遍存在千枚巖等軟弱巖夾層, 并在露頭表現(xiàn)出凹凸不均的差異性風(fēng)化。

1.3 氣候條件

松坪溝處于高原干旱氣候帶和岷江干熱河谷帶, 屬于高原季風(fēng)氣候區(qū)。年降水量平均為570 mm,降水量較少, 但是降水量相對(duì)集中(邵崇建等,2017)。其中新磨滑坡發(fā)生前2個(gè)月累計(jì)降水200多毫米(許強(qiáng)等, 2017)。

1.4 歷史地震及滑坡

松坪溝歷史上強(qiáng)震頻發(fā), 近百年來(lái)松坪溝附近發(fā)生有6次5.5級(jí)以上大地震, 分別為1933年疊溪MS7.5級(jí)地震、1934年疊溪MS5.5級(jí)地震、1938年松潘南部的MS6.0級(jí)地震、1952年疊溪附近的MS5.5級(jí)地震、1976年的MS7.2級(jí)松潘—平武地震和2008年的MS8.0級(jí)汶川地震。其中1933年疊溪地震, 1976年松潘平武地震, 2008年汶川地震對(duì)松平溝地區(qū)均產(chǎn)生了Ⅵ級(jí)以上的烈度影響(邵崇建等,2017)。1933年疊溪地震在松坪溝區(qū)域地震烈度為Ⅹ度(唐榮昌等, 1983; 柴賀軍等, 1995; 許向?qū)幒屯跆m生, 2005; 邵崇建等, 2017), 2008年汶川地震為Ⅶ度(張勇等, 2008; 邵崇建等, 2017)。歷史強(qiáng)震導(dǎo)致震區(qū)山坡的巖體破碎。在松坪河沿岸基巖破碎, 節(jié)理發(fā)育, 在下游的雜谷腦組的地層為甚。在新磨滑坡的滑移面上可見(jiàn)兩條明顯的節(jié)理, 延伸在其西側(cè)。

1933年疊溪地震導(dǎo)致松坪溝形成了一系列滑坡, 堵塞松坪河, 這些滑坡集中于松坪河的北岸,形成了一系列堰塞湖(海子), 如公棚海子和白蠟海子(柴賀軍等, 1995)。歷史強(qiáng)震使得松坪溝南北兩側(cè)山體巖體震裂, 這些震裂為山體發(fā)生滑坡創(chuàng)造了初始條件, 隨著歷次強(qiáng)震作用, 以及雨水、凍脹等外動(dòng)力地質(zhì)作用, 造成松坪溝震裂巖體損傷進(jìn)一步積累(何思明等, 2017; 邵崇建等, 2017; 溫銘生等,2017; 許強(qiáng)等, 2017)。

2 汶川地震的震后形變及應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算

2.1 研究方法

本文采用德國(guó)地學(xué)中心(GFZ)汪榮江博士開(kāi)發(fā)的PSGRN/PSCMP程序(Wang et al., 2006)。該程序可基于分層與重力作用下的粘彈性模型計(jì)算出斷層錯(cuò)動(dòng)引起的同震和震后形變及應(yīng)力變化, 為分析大地震引起的震后區(qū)域應(yīng)力-應(yīng)變變化提供了有力工具。我們首先利用龍門(mén)山地區(qū)的波速、密度及粘滯性成果資料, 建立了半無(wú)限空間垂向均勻分層的粘彈性模型, 該模型假設(shè)上地殼為彈性介質(zhì), 下地殼和地幔為粘彈性介質(zhì)。然后結(jié)合前人反演出的汶川地震同震破裂模型, 以GPS觀(guān)測(cè)資料作為約束, 計(jì)算出龍門(mén)山地區(qū)地表的3個(gè)位移分量(Ux,Uy,Uz)(即東向, 北向和垂向位移)及 6個(gè)應(yīng)力分量(σx,σy,σz,τxy,τxz,τyz), 并進(jìn)一步計(jì)算分析了松坪溝區(qū)域的地表形變及松坪溝斷裂的庫(kù)侖應(yīng)力變化。最后綜合計(jì)算結(jié)果探討了區(qū)域地表變形與松坪溝新磨大滑坡孕育、發(fā)生的成因聯(lián)系, 庫(kù)侖應(yīng)力變化對(duì)松坪溝斷裂活動(dòng)性的影響。

水工環(huán)地質(zhì)勘察是一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)性很強(qiáng)的工作，在社會(huì)資源不斷減少的情況下，水工環(huán)地質(zhì)勘察工作顯得越來(lái)越重要。國(guó)家在對(duì)資源環(huán)境進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，需要參考相關(guān)的勘察資料，而勘察隊(duì)伍的專(zhuān)業(yè)水平?jīng)Q定勘察結(jié)果的質(zhì)量。但我國(guó)的水工環(huán)地質(zhì)勘察隊(duì)伍的專(zhuān)業(yè)性還有待提升，這會(huì)影響到國(guó)家資源環(huán)境規(guī)劃的合理性。例如，地質(zhì)勘察專(zhuān)業(yè)本身不屬于熱門(mén)專(zhuān)業(yè)，地質(zhì)勘察工作環(huán)境通常較差，工作人員有時(shí)需要長(zhǎng)時(shí)間在外出差，工作內(nèi)容比較枯燥，導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)的人員流動(dòng)性很強(qiáng)，工作人員的專(zhuān)業(yè)素質(zhì)不高。而一些比較年輕的技術(shù)人員缺乏工作經(jīng)驗(yàn)，在工作過(guò)程中又很少進(jìn)行自我提升，這些都會(huì)影響到水工環(huán)地質(zhì)勘察工作的順利開(kāi)展。

2.2 介質(zhì)模型與破裂模型

本文計(jì)算所采用的半無(wú)限空間垂向均勻分層粘彈性模型將中上地殼(45 km以淺)假設(shè)為彈性介質(zhì), 下地殼和巖石圈地幔假設(shè)為Maxwell體粘彈性介質(zhì)(45 km以深), 因模型的局限, 未考慮龍門(mén)山斷裂帶兩側(cè)松潘甘孜地塊與四川盆地的地形和地殼結(jié)構(gòu)差異。

本文建立的半無(wú)限空間垂向均勻分層粘彈性速度模型參考了包括人工地震, 天然地震和地震層析等資料的龍門(mén)山地區(qū)深部地震探測(cè)成果。其中地殼和地幔P波速度主要參考基于人工地震探測(cè)的P波速度結(jié)構(gòu)剖面(王椿鏞等, 2003), 以及利用地震臺(tái)站紀(jì)錄的遠(yuǎn)震P波走時(shí)數(shù)據(jù)和非線(xiàn)性層析成像所得的龍門(mén)山地區(qū)400 km以淺的速度結(jié)構(gòu)剖面(郭飚等,2009)。S波速度則主要參考利用寬頻帶地震臺(tái)站紀(jì)錄的數(shù)據(jù)所反演出的川西地區(qū)201 km以淺的S波速度剖面(劉啟元等, 2009)。密度結(jié)構(gòu)參考通過(guò)重力觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)所得到的龍門(mén)山地區(qū)的密度結(jié)構(gòu)(Zhang et al., 2014)。粘滯性系數(shù)參考了基于中國(guó)大陸及鄰區(qū)巖石圈流變結(jié)構(gòu)研究的獲得的相關(guān)參數(shù)(孫玉軍等,2013)。綜合以上地球物理研究資料, 所給出的模型具體參數(shù)可見(jiàn)表1。

表1 半無(wú)限空間垂向均勻分層粘彈性模型參數(shù)Table 1 Viscoelastic model parameters of vertical uniform stratification in semi-infinite space

本文采用的地震破裂模型參考了美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)所發(fā)布的 2008年汶川地震破裂模型(https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/usp000g650/finite-fault)。該模型給出的發(fā)震斷層參數(shù)為: 斷層走向229°, 斷層傾角33°, 斷層平均滑動(dòng)角120°, 斷層長(zhǎng)度315 km, 斷層寬度40 km。

2.3 約束條件

本文檢驗(yàn)和調(diào)整計(jì)算模型參數(shù)的依據(jù)主要是基于龍門(mén)山地區(qū)所布設(shè)的 GPS站點(diǎn)觀(guān)測(cè)到的汶川地震的同震位移結(jié)果(水平位移和垂向位移)(Wang et al., 2011), 以及汶川地震震后龍門(mén)山地區(qū)部分GPS站點(diǎn)觀(guān)測(cè)到的 7年累積水平位移(Diao et al.,2018)。

2.4 庫(kù)侖應(yīng)力計(jì)算

同震和震后引起的庫(kù)侖應(yīng)力變化量可定義為如下公式(Rice, 1992):

其中Δcfs為庫(kù)侖應(yīng)力變化量, Δτ為計(jì)算斷層面上剪應(yīng)力變化量, Δσn(規(guī)定拉伸為正)斷層面上的正應(yīng)力變化量,μ'為斷層的視摩擦系數(shù)。采用計(jì)算出的 6個(gè)應(yīng)力分量計(jì)算出松坪溝斷裂的Δτ與Δσn,μ'取典型值0.4(Knoos et al., 1994; 萬(wàn)永革等,2002)。若庫(kù)侖應(yīng)力為正, 則斷層活動(dòng)的危險(xiǎn)性增加,反之則危險(xiǎn)性減小(石耀霖和曹建玲, 2010; 劉方斌等, 2013)。

本文中將計(jì)算的時(shí)間段設(shè)定為2008年5月12日—2038年5月 12日, 主要是計(jì)算分析從汶川地震同震發(fā)生到震后 30年間的區(qū)域形變及應(yīng)力變化情況。并通過(guò)與GPS同震和震后形變的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性。根據(jù)計(jì)算結(jié)果, 再沿松坪溝斷裂地表選取5個(gè)計(jì)算點(diǎn)位P1—P5(如圖1b), 分別計(jì)算出東向、北向和垂向三個(gè)位移分量的時(shí)空變化特征。最后依據(jù)松坪溝斷裂的幾何參數(shù), 計(jì)算出該區(qū)同震和震后產(chǎn)生的庫(kù)侖應(yīng)力變化及對(duì)松坪溝斷裂的影響, 進(jìn)而分析其斷裂活動(dòng)性。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 地表形變

圖2為模型計(jì)算的龍門(mén)山地區(qū)地表同震位移及震后位移與實(shí)際GPS觀(guān)測(cè)結(jié)果對(duì)比圖。計(jì)算結(jié)果表明, 除在斷裂帶附近與實(shí)際觀(guān)測(cè)存在一定的偏差外,整體上計(jì)算出的位移場(chǎng)方向及大小與 GPS觀(guān)測(cè)結(jié)果較為吻合。無(wú)論同震還是震后 7年的位移場(chǎng), 模型計(jì)算的結(jié)果能夠較好匹配 GPS觀(guān)測(cè)得到的形變結(jié)果。如龍門(mén)山斷裂帶西側(cè)的松潘甘孜地塊在汶川地震同震時(shí)刻水平向運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為逆沖兼具少量走滑, 近斷層區(qū)域垂向表現(xiàn)為抬升運(yùn)動(dòng); 四川盆地靠近龍門(mén)山區(qū)域表現(xiàn)為北西向水平運(yùn)動(dòng), 近斷層區(qū)域表現(xiàn)為下降運(yùn)動(dòng); 震后 7年松潘甘孜地塊持續(xù)南東向擠壓四川盆地。這些結(jié)果與GPS觀(guān)測(cè)的形變特征吻合, 反映了模型參數(shù)設(shè)置的合理性。

圖2 (a)同震地表水平位移; (b)同震地表垂向位移;(c)震后7年地表水平位移(2008—2015)(不包括同震位移)Fig.2 (a) Coseismic horizontal displacement of the ground surface; (b) Coseismic vertical displacement of the ground surface; (c) Horizontal displacement of the ground surface 7 years after the Wenchuan earthquake (2008–2015)(excluding coseismic displacement)

圖3a–c分別為計(jì)算所得的龍門(mén)山地區(qū)2008年汶川地震同震的地表經(jīng)向位移(Ux), 緯向位移(Uy)及垂向位移(Uz)。結(jié)果表明, 以龍門(mén)山斷裂為界, 在斷層上盤(pán)以東向運(yùn)動(dòng)為主, 最大位移量3.3 m; 下盤(pán)以西向運(yùn)動(dòng)為主, 最大位移量達(dá)到0.6 m; 地表位移量隨著遠(yuǎn)離斷層逐漸減小, 斷層上盤(pán)位移幅度整體大于下盤(pán)。緯向位移表現(xiàn)為: 以龍門(mén)山斷裂為界,近斷層區(qū)域, 上盤(pán)主要表現(xiàn)為北向運(yùn)動(dòng), 斷裂中段與斷裂北段有兩個(gè)位移較大區(qū)域, 最大位移分量達(dá)到1.85 m; 下盤(pán)近斷層區(qū)域在斷層南北段存在差異,下盤(pán)近斷層區(qū)域中部表現(xiàn)為北向運(yùn)動(dòng), 下盤(pán)南部及北部則表現(xiàn)為南向運(yùn)動(dòng), 其中南段幅度最大, 南向最大位移量可達(dá)到 0.6 m。近斷層區(qū)域的緯向位移也表現(xiàn)出上盤(pán)大于下盤(pán)的特征。垂向位移在斷層的上下盤(pán)表現(xiàn)出差異性: 以龍門(mén)山斷裂為界, 上盤(pán)近斷層區(qū)域表現(xiàn)為向上運(yùn)動(dòng), 最大幅度可達(dá)2.1 m, 隨著遠(yuǎn)離斷層, 上盤(pán)出現(xiàn)以長(zhǎng)軸向平行于龍門(mén)山斷裂的下降區(qū)域, 幅度最大可達(dá)0.6 m, 下盤(pán)則無(wú)明顯升降運(yùn)動(dòng)。龍門(mén)山斷裂在汶川地震同震階段主要表現(xiàn)為逆沖兼具右旋走滑的特征, 并且在斷裂的南北段體現(xiàn)出差異性。

圖3 (a)同震地表經(jīng)向位移Ux計(jì)算結(jié)果, 向東為正;(b)同震地表緯向位移Uy計(jì)算結(jié)果, 向北為正;(c)同震地表垂向位移Uz計(jì)算結(jié)果, 向上為正;紅線(xiàn)代表斷裂Fig.3 (a) Calculated results of coseismic surface meridional displacement Ux (eastward displacement is positive.);(b) Calculated results of coseismic surface horizontal displacement Uy (northward displacement is positive.);(c) Calculated results of coseismic surface vertical displacement Uz (upward displacement is positive);The red line indicates the fault

圖4a–c為計(jì)算獲得的汶川地震震后9年的區(qū)域累積形變量(不包括同震位移)。結(jié)果顯示, 斷層上盤(pán)近斷層的斷層地表投影區(qū)域, 經(jīng)向位移表現(xiàn)為向西運(yùn)動(dòng), 位移幅度最大可達(dá)2.5 cm。隨著遠(yuǎn)離斷層, 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄驏|運(yùn)動(dòng), 最大位移可達(dá) 3.5 cm, 斷層下盤(pán)近斷層區(qū)域整體表現(xiàn)為西向運(yùn)動(dòng), 最大可達(dá)3.5 cm。如圖4b上盤(pán)及下盤(pán)近斷層區(qū)域, 緯向位移則表現(xiàn)出南端以南向?yàn)橹? 北端以北向?yàn)橹? 向北最大可達(dá)1.8 cm, 向南最大可達(dá)2 cm。如圖4c垂向位移則表現(xiàn)為斷層上盤(pán)的地面投影區(qū)域以下降運(yùn)動(dòng)為主, 最大幅度可以達(dá)到4.2 cm。下盤(pán)近斷層區(qū)域表現(xiàn)為下降運(yùn)動(dòng), 隨著遠(yuǎn)離斷層, 下盤(pán)表現(xiàn)為向上運(yùn)動(dòng)。斷層上盤(pán)下降區(qū)域大于下盤(pán)區(qū)域, 隨著遠(yuǎn)離斷層, 逐漸過(guò)渡為向上運(yùn)動(dòng)。

圖4 (a)震后9年經(jīng)向位移計(jì)算結(jié)果, 向東為正;(b)震后9年緯向位移計(jì)算結(jié)果, 向北為正;(c)震后9年垂向位移計(jì)算結(jié)果, 向上為正;紅線(xiàn)代表斷裂Fig.4 (a) Calculated results of surface meridional displacement 9 years after the Wenchuan earthquake Ux(eastward displacement is positive); (b) Calculated results of coseismic surface horizontal displacement 9 years after the Wenchuan earthquake Uy (northward displacement is positive); (c) Calculated results of coseismic surface vertical displacement 9 years after the Wenchuan earthquake Uz (upward displacement is positive);The red line indicates the fault

根據(jù)計(jì)算獲得的汶川地震同震及震后9年的龍門(mén)山地區(qū)形變時(shí)空變化結(jié)果, 我們選取沿松坪溝地表的5個(gè)計(jì)算點(diǎn)(位置見(jiàn)圖1b), 進(jìn)一步計(jì)算出汶川地震同震至震后30年的位移隨時(shí)間變化結(jié)果(如圖5所示)。結(jié)果表明, 汶川地震導(dǎo)致松坪溝地區(qū)發(fā)生了明顯的同震位移。圖5a為松坪溝地表各計(jì)算點(diǎn)的經(jīng)向位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn), 松坪溝地區(qū)在汶川地震同震階段發(fā)生了明顯的位移, 松坪溝的經(jīng)向位移整體表現(xiàn)為向東運(yùn)動(dòng), 最大可達(dá)42.3 cm, 最小可達(dá)26.8 cm, 震后9年各點(diǎn)繼續(xù)增加了約10 cm。同震階段, 沿著松坪溝經(jīng)向位移自西向東逐漸增大。圖 5b表示緯向位移隨時(shí)間的變化曲線(xiàn), 同震階段,松坪溝各點(diǎn)的緯向位移表現(xiàn)為向南運(yùn)動(dòng), 位移量7.4～8.0 cm, 震后9年各點(diǎn)繼續(xù)增加了1～2 cm不等,緯向位移沿松坪溝自西向東逐漸增大。圖5c表示垂向位移隨時(shí)間的變化特征, 汶川地震同震階段 P1—P5的垂向位移表現(xiàn)出差異性: 松坪溝北西段的 P1,P2和P3表現(xiàn)出向上運(yùn)動(dòng); 松坪溝南東段的P4和P5表現(xiàn)為向下運(yùn)動(dòng), P1—P5位移量為–0.1 ～1.7 cm, 震后9年, 松坪溝的垂向位移表現(xiàn)為, 北西段繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng), 南東段繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。

圖5 (a)經(jīng)向位移時(shí)變曲線(xiàn), 向東為正; (b)緯向位移時(shí)變曲線(xiàn), 向北為正; (c)垂向位移時(shí)變曲線(xiàn), 向上為正;(虛線(xiàn)表示新磨滑坡發(fā)生日期)Fig.5 (a) The surface meridional displacement varying with time (Eastward displacement is positive); (b) The surface zonal displacement varying with time (Northward displacement is positive); (c) The surface vertical displacement varying with time,upward displacement is positive; The dotted line indicates the occurrence date of the Xinmo landslide

綜合來(lái)看: 松坪溝地區(qū)在汶川地震同震階段的水平運(yùn)動(dòng)整體表現(xiàn)為東偏南, 垂向運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為松坪溝的北西段為向上運(yùn)動(dòng), 南東段為向下運(yùn)動(dòng), 這一運(yùn)動(dòng)特征在震后30年內(nèi)仍在持續(xù)。因此, 汶川地震的同震位移使得松坪溝地區(qū)的地形梯度增大, 并且在汶川地震震后形變調(diào)整階段進(jìn)一步加劇, 這可能是觸發(fā)該區(qū)高陡邊坡滑坡災(zāi)害的重要區(qū)域形變條件。

3.2 庫(kù)侖應(yīng)力

本文選取松坪溝斷裂地表靠近新磨滑坡的計(jì)算點(diǎn) P5作為計(jì)算庫(kù)侖應(yīng)力的參考點(diǎn), 但目前關(guān)于松坪溝斷裂的性質(zhì)仍存在爭(zhēng)議, 唐榮昌等(1983)認(rèn)為松坪溝斷裂為逆斷層兼具左旋走滑, 是 1933年疊溪地震的發(fā)震斷裂。而Ren et al.(2018)認(rèn)為松坪溝斷裂為正斷層。本文考慮該區(qū)處于壓扭構(gòu)造環(huán)境,并綜合前人研究資料, 考慮松坪溝斷裂各段可能存在運(yùn)動(dòng)性質(zhì)差異, 設(shè)定了松坪溝斷裂因性質(zhì)不同而導(dǎo)致滑移角變化的4種情形: 逆斷層兼具左旋(滑移角為 30°和 60°)、逆斷層(滑移角為 90°)、逆斷層兼具右旋(滑移角為 120°和 150°)和正斷層(滑移角為–90°)。斷層走向和傾角取值一致: 走向 317°, 傾角60°。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 6, 當(dāng)松坪溝斷裂為逆斷層兼具左旋走滑時(shí), 庫(kù)侖應(yīng)力表現(xiàn)為負(fù), 汶川地震使得松坪溝斷裂的斷層活動(dòng)性降低; 當(dāng)斷裂為逆斷層, 庫(kù)侖應(yīng)力幾乎不變, 松坪溝斷裂的活動(dòng)性不受汶川地震影響; 當(dāng)斷裂表現(xiàn)為逆斷層兼具右旋走滑時(shí), 庫(kù)侖應(yīng)力增加, 則汶川地震會(huì)增加松坪溝斷裂的活動(dòng)性, 并且滑移角越大則危險(xiǎn)性越高; 當(dāng)斷層為正斷層時(shí), 汶川地震使得松坪溝斷裂庫(kù)侖應(yīng)力增加, 斷層活動(dòng)的可能性增加。

圖6 松坪溝斷裂上的地表庫(kù)侖應(yīng)力時(shí)變曲線(xiàn)(2008—2038年)Fig.6 The Coulomb stress change (Δcfs) on Songpinggou fault caused by the Wenchuan earthquake varying with time (2008–2038)

4 討論

4.1 模型的局限性

本文采用半無(wú)限空間垂向均勻分層粘彈性模型計(jì)算了汶川地震同震及震后 30年龍門(mén)山地區(qū)地表的形變特征, 分析了汶川地震造成的區(qū)域地表形變對(duì)新磨滑坡的影響, 以及汶川地震引起的庫(kù)侖應(yīng)力變化對(duì)松坪溝斷裂的影響。本文采用同震和震后GPS觀(guān)測(cè)結(jié)果來(lái)約束模擬結(jié)果, 計(jì)算結(jié)果和觀(guān)測(cè)結(jié)果整體擬合較好。

2008年汶川地震發(fā)生后, 不同學(xué)者給出了各自的破裂模型, 這些結(jié)果存在一定的幾何形態(tài)差異。根據(jù)這些破裂面傾向與傾角有無(wú)分段差異, 本文分別采用 USGS(2008)的破裂模型(單段)與 Wang et al.(2011)的破裂模型(多段), 在相同介質(zhì)模型情形下, 比對(duì)了計(jì)算結(jié)果, 兩者計(jì)算結(jié)果皆能較好擬合2008年汶川地震同震及震后松潘甘孜地快的地表位移特征, 特別是本研究所關(guān)注的新磨滑坡區(qū)域,兩種破裂模型在該區(qū)域的形變特別并無(wú)太大差異,因此采用了USGS的破裂模型來(lái)做詳細(xì)討論。

本文的介質(zhì)模型為垂向均勻分層粘彈性模型,通過(guò)前人的研究資料, 將松潘甘孜地塊與四川盆地的地殼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一致, 無(wú)法考慮龍門(mén)斷裂兩側(cè)松潘甘孜地塊與四川盆地地形和地殼結(jié)構(gòu)的橫向差異。但本文主要討論強(qiáng)震區(qū)域性的形變及應(yīng)力調(diào)整對(duì)滑坡和活動(dòng)斷裂的影響, 并且松坪溝位于龍門(mén)山斷裂帶西緣的松潘甘孜地塊一側(cè)。因此, 本文重點(diǎn)分析的區(qū)域主要集中在松潘甘孜地塊一側(cè), 在建模過(guò)程中重點(diǎn)考慮了松潘甘孜地塊的地殼結(jié)構(gòu)特征及參數(shù), 同時(shí)在擬合GPS觀(guān)測(cè)結(jié)果時(shí)也重點(diǎn)考慮了松潘甘孜地塊一側(cè)的擬合結(jié)果。這樣的模型造成在四川盆地一側(cè)計(jì)算的地表位移結(jié)果與實(shí)際結(jié)果存在一定誤差, 而松潘甘孜地塊一側(cè)誤差相對(duì)較小, 因此對(duì)分析松潘甘孜地塊一側(cè)的形變影響較小。雖然存在以上局限性, 但本文的計(jì)算分析結(jié)果仍能較好地反應(yīng)汶川地震的同震與震后形變特征及其對(duì)松坪溝滑坡發(fā)育的區(qū)域形變影響。如果需要考慮其他地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害或者更詳細(xì)的震后形變特征, 則需要建立更加合理的數(shù)值模型, 對(duì)地殼不均勻性和地形加以考慮。

4.2 歷史地震對(duì)松坪溝地質(zhì)災(zāi)害的影響

如前所述, 龍門(mén)山地區(qū)歷史強(qiáng)震頻發(fā), 汶川地震是對(duì)該區(qū)形變影響的最近一次強(qiáng)震。歷史上多次地震可能對(duì)該區(qū)的形變均有影響。同時(shí), 高位巖體會(huì)對(duì)同震損傷產(chǎn)生放大作用, 尤其高位的震裂巖體相對(duì)于坡腳的巖體更容易受到同震損傷。強(qiáng)震震后,近斷層區(qū)域地表的形變調(diào)整所導(dǎo)致的地表的不均勻形變, 改變地形梯度和巖體的摩擦應(yīng)力狀態(tài)(Lacroix et al., 2015; Albano et al., 2015)。

震區(qū)地表的不均勻形變調(diào)整則會(huì)改變地形梯度, 從而改變河流的縱比降, 進(jìn)而影響河流的下切速率。因此地震的形變調(diào)整會(huì)影響河流對(duì)坡腳的下切速率, 影響順層坡的穩(wěn)定性: 若河流比降增大,促進(jìn)向源侵蝕, 朝上游方向下切速率加快。便會(huì)促進(jìn)沿岸坡腳巖體的應(yīng)力釋放, 促進(jìn)潛在滑動(dòng)面的形成(黃潤(rùn)秋, 2008), 這有利于夾雜軟弱巖層的順層坡失穩(wěn); 若河流比降減小, 則相反。因此, 同震的不均勻形變會(huì)導(dǎo)致震裂山體破裂面及軟弱巖夾層面產(chǎn)狀發(fā)生變化, 進(jìn)而改變震裂山體的應(yīng)力狀態(tài), 并影響山體的穩(wěn)定性。

關(guān)于新磨滑坡的研究, 前人側(cè)重于分析滑坡的外動(dòng)力地質(zhì)作用, 對(duì)于內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)因素僅限于定性分析, 鮮有考慮地震的同震與震后效應(yīng)這一內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用的影響。本文的計(jì)算結(jié)果揭示, 2008年汶川地震的震后效應(yīng)對(duì)新磨滑坡的形成存在明顯影響。1933年的疊溪地震使得松坪溝產(chǎn)生大量的震裂山體, 為滑坡的發(fā)生創(chuàng)造了初始條件。松坪河北岸的順層坡巖體軟弱巖層及裂縫發(fā)育。歷次強(qiáng)震之后,震區(qū)坡體在重力時(shí)變作用、雨水和凍脹等外動(dòng)力作用下, 坡體中的裂縫進(jìn)一步發(fā)育。汶川地震同震階段的震裂作用也有利于坡體裂縫的發(fā)育, 加劇對(duì)震裂山體的破壞。根據(jù)本文計(jì)算結(jié)果, 汶川地震的震后區(qū)域地表形變調(diào)整改變了松坪溝地區(qū)的地形梯度,并導(dǎo)致松坪溝震裂山體的摩擦應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。汶川地震后的區(qū)域形變調(diào)整加大了松坪河的縱比降,有利于松坪河對(duì)沿岸斜坡坡腳的下切作用, 利于松坪河北岸的順層坡發(fā)生滑坡。因此, 汶川地震的區(qū)域地表形變調(diào)整對(duì)新磨滑坡的發(fā)生存在重要影響,這表明對(duì)于強(qiáng)震區(qū)的滑坡孕育與發(fā)生, 地震的震后形變調(diào)整是分析滑坡成因不可忽略的因素。

5 結(jié)論

通過(guò)以上計(jì)算分析, 本研究得出如下結(jié)論:

(1)汶川地震同震階段, 松坪溝地區(qū)地表發(fā)生了明顯的形變, 水平方向表現(xiàn)為南東向運(yùn)動(dòng), 垂向方向在松坪溝的北西段表現(xiàn)為向上運(yùn)動(dòng), 南東段表現(xiàn)為向下運(yùn)動(dòng)。汶川地震同震階段松坪溝地區(qū)的東向位移分量為 26.8～42.3 cm, 北向位移分量為7.4～8.0 cm, 垂向位移分量為–0.1～1.7 cm。并且震后9年, 松坪溝地表的位移調(diào)整持續(xù), 北向位移分量累計(jì)約 2.5 cm, 東向位移分量約 7.4～8.0 cm, 松坪溝北西段持續(xù)抬升, 南東段持續(xù)下降。

(2)汶川地震造成松坪溝地表的不均勻升降, 導(dǎo)致沿松坪溝的地形梯度增大, 可能會(huì)降低山體發(fā)生滑坡的閾值, 有利于滑坡災(zāi)害的發(fā)生。因此, 新磨滑坡是內(nèi)、外動(dòng)力地質(zhì)作用綜合作用的結(jié)果。地震的震后形變調(diào)整是分析強(qiáng)震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害成因機(jī)理不可忽略的因素。

(3)汶川地震引發(fā)的松坪溝斷裂帶上的庫(kù)侖應(yīng)力變化表明, 若松坪溝斷裂為逆斷層兼具左旋走滑則松坪溝斷裂的活動(dòng)性降低, 若松坪溝斷裂為逆斷層則活動(dòng)性不受汶川地震影響, 若松坪溝為正斷層或者為逆斷層兼具右旋走滑斷層時(shí), 汶川地震會(huì)使得斷層活動(dòng)危險(xiǎn)性增加。因此, 準(zhǔn)確限定松坪溝斷裂的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)是進(jìn)一步評(píng)價(jià)汶川地震對(duì)其未來(lái)活動(dòng)危險(xiǎn)性影響的關(guān)鍵。

致謝:感謝兩位審稿人對(duì)本文提出的寶貴意見(jiàn)。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No.41874114), and Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No.YYWF201720).