九寨溝諾日朗瀑布鈣華震損機制分析

魏良帥, 梁 波, 劉民生, 吳 森, 肖維陽, 劉 勇

(1. 中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所, 四川 成都 611734; 2. 四川省地質(zhì)工程勘察院集團有限公司,四川 成都 610072; 3. 九寨溝風(fēng)景名勝區(qū)管理局, 四川 阿壩 623402)

0 引言

2017 年8 月8 日,四川省阿壩藏羌族自治州九寨溝縣發(fā)生7.0 級地震,共造成25 人死亡,525 人受傷,6 人失聯(lián)。 此次地震震中位于九寨溝景區(qū)丹祖溝北側(cè)支溝北端,最大地震烈度Ⅸ度(圖1),其中:Ⅸ度覆蓋景區(qū) 92.8km2, Ⅷ度覆蓋景區(qū)349.6m2,Ⅶ度覆蓋景區(qū)277.6km2。 受地震影響,九寨溝景區(qū)部分景觀體震損,其中著名的諾日朗瀑布鈣華體局部出現(xiàn)地震裂縫,并發(fā)生小規(guī)模坍塌(魏良帥等,2017①)。

圖1 8·8 地震九寨溝景區(qū)地震烈度圖Fig.1 The map of earthquake intensity of Jiuzhaigou Earthquake 8·8

震后景觀震損是指地震波造成地面震動或誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害對景觀體的破壞、損毀等現(xiàn)象。 前人對震后效應(yīng)開展了大量的研究,然而研究內(nèi)容涉及震后景觀震損較少,研究方向也不盡相同。 大部分學(xué)者從事震后景觀損毀程度、影響因素和發(fā)展趨勢等方面的研究,為景觀保護提供決策支持(劉兆文等,2019;Wang et al,2018;Chen et al,2018),部分學(xué)者則從地震遺跡旅游資源開發(fā)的角度和視角進行研究,通過分析地震旅游資源特征,提出震后旅游開發(fā)總體思路(余波等,2011;郭建強等,2009;邱月,2009),盧云亭等(1989)從地震的資源效應(yīng)角度對震跡、震跡旅游資源的特點和類型進行了系統(tǒng)的劃分。 九寨溝景區(qū)擁有世界自然遺產(chǎn)、國家級自然保護區(qū)、國家地質(zhì)公園等諸多頭銜,“層湖疊瀑”是其特有的景觀系統(tǒng),地震和次生災(zāi)害對景區(qū)造成了較大的破壞,震后生態(tài)環(huán)境變化和自然災(zāi)害對景觀資源的影響研究工作較為深入(曹俊等,2021;羅路廣等2020;王絢等,2020;夏冰等,2020;梁靖等,2019;莫?？频?2019; Li et al,2019;張春敏等,2008),李磊等(2019)通過模擬景觀格局在地震作用后的變化情況,為震后重建以及景觀規(guī)劃提供參考,劉民生等學(xué)者從宏觀角度闡述了地震對九寨溝景區(qū)層湖疊瀑景觀的影響(曹俊等,2021;蔣先逞豪等,2021;宋偉等,2020;Hu et al. ,2019;劉民生等,2017),上述研究成果多為地質(zhì)環(huán)境條件變化和景區(qū)景觀穩(wěn)定性宏觀評價,對單體景觀破壞成因分析及穩(wěn)定性評價內(nèi)容甚少,僅范明明等(2020)從火花海單體景觀修復(fù)材料研發(fā)方面做了大量工作,本次研究以諾日朗瀑布景觀體為研究對象,通過現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)值模擬和監(jiān)測資料綜合分析等手段,分析鈣華震損過程,為景觀保護和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境背景及景觀成因

諾日朗瀑布位于九寨溝三條主溝交匯處的日則溝溝口,是九寨溝四大鈣華瀑布景觀之一,以雄偉壯觀聞名于世(圖2),從地質(zhì)演化過程分析,日則溝和則查洼溝冰川退縮,在兩溝交匯處形成“盤谷”,則查洼溝冰融水對日則溝冰川終磧壟侵蝕下切形成陡坎,創(chuàng)造了疊瀑形成地貌條件,日則溝溝水流經(jīng)此處形成疊瀑,在水流系統(tǒng)中,瀑布段鈣華沉積演化,最終以壯麗的姿態(tài)呈現(xiàn)于世人面前(鄧貴平,2011)。

圖2 震前諾日朗瀑布景觀Fig.2 Nuorilang waterfall landscape before the earthquake

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

諾日朗瀑布高程 2365m,瀑高 24.5m,瀑寬310m,垂直于日則溝呈NW—SE 向弧形展布,由大小20 個鈣華湖泊組成的諾日朗群海緊鄰其后,各鈣華湖泊(海子)形態(tài)相近, 多呈近橢圓形、橢圓形橫向展布,但其大小、形狀、深度等又不盡相同,最大的海子長185m,寬45m,最小的海子長僅 20m,寬15m,海子水深多在7 ~20m,最深可達23m(甘建軍和鄭黎明,2007;甘建軍,2007)。 諾日朗瀑布壩體地層結(jié)構(gòu)由上至下分別為無水的強風(fēng)化鈣華、含水的強風(fēng)化鈣華和冰磧碎塊石土,下伏基巖為石炭系岷河組二段(Cm2)灰、深灰色薄-厚層生物碎屑灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r偶夾燧石灰?guī)r。 無水的強風(fēng)化鈣華厚約2m,含水的強風(fēng)化鈣華厚度可達16m,厚度約20 m 的冰磧碎塊石土構(gòu)成了鈣華沉積的骨架。 諾日朗群海補給和排泄的動態(tài)關(guān)系相對穩(wěn)定,但由于鈣華溶蝕漏斗發(fā)育,有部分湖水沿漏斗底部鈣華裂隙下滲形成潛流從地下進入樹正溝,在諾日朗瀑布底部西側(cè)及東南側(cè)以泉的形式出露,或在下游地勢低洼處涌現(xiàn)。

1.2 鈣華景觀成因

諾日朗瀑布鈣華景觀形成于全新世,其景觀體的形成、發(fā)展是地殼差異性抬升和冰川、巖溶、重力和水流四種地質(zhì)共同作用的結(jié)果。 中晚更新世,冰川退縮,在河谷中形成較完整的冰磧堤,構(gòu)建了諾日朗瀑布的冰磧平臺,而在冰磧堤的后側(cè),則形成一系列冰磧洼地,冰川退縮過程中的冰雪消融及地表水日積月累,形成了鏡海景觀;晚更新世末,氣候轉(zhuǎn)暖,景區(qū)內(nèi)斜坡重力流水作用發(fā)育;進入全新世,氣候進一步變暖,巖溶作用占主導(dǎo)地位,水流系統(tǒng)中賦存了豐富的鈣離子,流經(jīng)瀑布平臺處,因微地貌差異受阻,水層變薄,局部達過飽和而沉積形成鈣華體形成景觀;全新世以來的巖性風(fēng)化作用、流水作用等地表風(fēng)化作用進一步塑造已有的雛形景觀,使其更形象、更完美。

2 景觀鈣華震損過程及演化

2.1 鈣華震損情況

8·8 地震造成九寨溝諾日朗瀑布東段鈣華體出現(xiàn)地震裂縫,局部發(fā)生小規(guī)模坍塌(圖3),坍塌高度12 ~15m,坍塌體長約20m、寬2 ~4m,厚3 ~5m,坍塌體體積約200m3。

圖3 8·8 地震震后鈣華體震損現(xiàn)狀圖Fig.3 Damage status of travertine after Earthquake 8·8

坍塌段后緣現(xiàn)仍發(fā)育兩條地震裂縫,其中:L1裂縫呈S59°E 向延展,與坍塌面斜交,裂縫長約6.20 m,寬0.35 ~0.50 m,最大可見深度4.20 m;L2裂縫呈S8°E 延展,與坍塌面近平行,自東向西逐漸尖滅,裂縫長約16.40 m,寬0.30 ~0.60 m,最大可見深度2.50 m,控制了長16.40 m,寬3.50 ~6.20 m的欠穩(wěn)定鈣華體,其分布范圍見圖4。

圖4 諾日朗瀑布地質(zhì)條件及震損分布圖Fig.4 Geological conditions and earthquake damage distribution of Nuorilang waterfall

2.2 景觀鈣華震損過程

受8·8 地震影響,九寨溝景區(qū)火花海壩體局部發(fā)生潰決,諾日朗瀑布局部鈣華體發(fā)生小規(guī)模坍塌,但兩者破壞模式和破損過程有較大差異,火花海的破損過程極快,從地震潰壩到湖水排泄結(jié)束僅3 個小時,而諾日朗瀑布震損區(qū)(圖4)從產(chǎn)生地震裂縫到局部坍塌卻歷時2 天有余,經(jīng)歷了地震誘發(fā)地震裂縫—鈣華體表層局部掉塊—鈣華體局部坍塌—湖水下泄水位降低—鈣華體趨于穩(wěn)定的過程(圖5)。

圖5 諾日朗瀑布震損過程圖Fig.5 Earthquake damage process of Nuorilang waterfall

諾日朗瀑布景觀震損破損點位于諾日朗瀑布東段鈣華體中,根據(jù)其現(xiàn)場震損狀況,可將其變形過程分為四個階段(圖6)。

圖6 諾日朗瀑布鈣華震損過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of the travertine earthquake damage process of Nuorilang waterfall

(1)自然條件下的鈣華旋回沉積階段。 鈣華的沉積是一個漫長的演化過程,受高礦化度水流作用影響沉積形成鈣華景觀,在長期流水的養(yǎng)護作用下,鈣華體穩(wěn)定性較好,伴隨著水流系統(tǒng)和水質(zhì)的變化,鈣華結(jié)構(gòu)進一步演化發(fā)展,鈣華體逐漸被溶蝕形成鈣華巖溶通道,鈣華體表面出現(xiàn)鈣華漏斗和鈣華塌陷坑等現(xiàn)象;水流系統(tǒng)的變化也造成部分鈣華失水而逐漸退化,出現(xiàn)變黑、砂化等現(xiàn)象,局部鈣華體表面出現(xiàn)裂隙,進而影響鈣華體的整體穩(wěn)定性,在自身重力或其他外動力的作用下,出現(xiàn)局部掉塊或坍塌的現(xiàn)象。

(2)地震力作用鈣華震損變形階段。 受8·8地震力的外動力作用影響,鈣華體表面溶蝕裂隙逐漸貫通出現(xiàn)表層掉塊現(xiàn)象,鈣華體內(nèi)部的鈣華漏斗和鈣華塌陷坑也在地震力的作用下,連接貫通形成地震裂縫,鈣華漏斗的深度直接影響地震裂縫的發(fā)育深度,鈣華漏斗和鈣華塌陷坑的分布特征決定了地震裂縫的發(fā)育方向。

(3)水壓力和自身重力作用下的鈣華體局部拉張破壞階段。 地震裂縫形成后,諾日朗群海湖水或地表徑流流水沿裂縫或鈣華巖溶通道匯集于地震裂縫,水位抬升,水壓力急劇增加,加之受湖水浸泡作用影響,鈣華體中的溶孔、溶隙吸水飽和,鈣華體自身重力增加,在水壓力和鈣華體自身重力共同作用下,裂縫規(guī)模進一步擴大從而發(fā)生瀑布前緣鈣華體局部坍塌。

(4)趨于相對穩(wěn)定的平衡發(fā)展階段。 諾日朗瀑布鈣華體局部發(fā)生坍塌后,裂縫完全貫通,形成暢通的徑流、排泄通道,地震裂縫中匯集的湖水沿裂縫急速排泄,海子水位和地下水位均下降,水壓力降低,水流系統(tǒng)對鈣華體以沖刷沉積為主,又進入鈣華旋回沉積階段。

2.3 景觀鈣華震損機理分析

對本次諾日朗瀑布景觀破損變形破壞過程采用二維離散元軟件Universal Distinct Element Code(UDEC)進行數(shù)值模擬。 UDEC 作為一款功能強大的離散元軟件,在解決巖土體大變形、大位移上有著較大的優(yōu)勢,能比較真實的反映巖土體的真實變形特點。

2.3.1 模型建立

以諾日朗群海—諾日朗瀑布景觀段作為研究對象,基于現(xiàn)場觀察的剖面結(jié)構(gòu),對原始地形進行恢復(fù),并以實際坡體1∶1 的比例構(gòu)建二維離散元模型,由于Qhch鈣化及Qp

gl冰磧物含泥碎塊石巖沒有固定產(chǎn)狀及結(jié)構(gòu)面,所以模型直接將其簡化為正方形小塊體,模型建立過程中對景觀坡面形態(tài)和坡體結(jié)構(gòu)進行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化,主要模擬諾日朗瀑布景觀在地震作用下破損的變形破壞過程(圖7)。

圖7 諾日朗瀑布鈣華震損過程離散元計算模型Fig. 7 Discrete element computation model of travertine earthquake damage process of Nuorilang waterfall

對于本構(gòu)模型的選取,由于塊體單元自身的變形很小,相較于其運動位移可以忽略不計,因此模擬過程中采用理想的剛體本構(gòu)模型,各結(jié)構(gòu)面之間采用面與面接觸的 Couloumb 滑動模型(龔章龍等,2016)。 為了有效減小邊界對地震波的反射,提高模擬的準確性,在模型的底部施以粘滯邊界,在四周設(shè)置自由邊界(丁麗萍等,2014)。 黏滯邊界通過在邊界的法向及切向上設(shè)置獨立的黏壺(阻尼) 吸收來自模型內(nèi)部的入射波。 本次模擬使用的力學(xué)參數(shù)借鑒工程地質(zhì)手冊經(jīng)驗數(shù)據(jù)(表1)。

表1 巖體力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of slope rock mass

2.3.2 鈣華震損機制分析

根據(jù)模擬計算結(jié)果,諾日朗瀑布鈣華震損變形過程表現(xiàn)出振動蠕變、持續(xù)拉張、傾倒折斷和潰屈破壞4 個階段(圖8)。

圖8 諾日朗瀑布景觀震損過程演化分析圖(X 方向位移云圖)Fig.8 Evolution analysis of earthquake damage process of Nuorilang waterfall landscape (displacement nephogram in X direction)

(1)振動蠕變階段:在地震波作用下,巖土體表現(xiàn)出反復(fù)張拉作用,尤其位于突出坡折部位的瀑布前緣,受地震放大效應(yīng)影響,地震波能量較高,反復(fù)拉張作用強烈,使前緣臨空條件較好的淺表層鈣華體首先出現(xiàn)小規(guī)模變形,并逐漸出現(xiàn)拉張裂縫,切割成鈣華塊體。

(2)持續(xù)拉張階段:在地震力和自重的持續(xù)作用下,瀑布中前緣淺表層鈣華體變形加劇,淺表層強風(fēng)化鈣華體發(fā)生局部解體,坡頂拉裂縫進一步擴張,并向坡體深部延伸,為后緣淺表層強風(fēng)化鈣華體的破損創(chuàng)造良好的臨空條件。 坡體中前緣淺表層塊體進一步向臨空面方向發(fā)生位移,尤其是拉裂縫下方,鈣華體震損形成的“楔形體”,部分出現(xiàn)架空現(xiàn)象。 雖然拉張變形局限于邊坡表層一定范圍內(nèi),隨著拉裂縫的進一步發(fā)展,鈣華塊體受力狀態(tài)由受壓逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾?產(chǎn)生塑性變形,坡體上部鈣華塊體向臨空面傾倒,鈣華體表面震損變形已經(jīng)形成。

(3)傾倒折斷階段:瀑布中部鈣華塊體淺表層發(fā)生強烈的“懸臂梁”式傾倒-折斷破裂,并且向下以階梯狀發(fā)展,形成傾向坡外的階梯狀張剪性折斷破裂帶,鈣華塊體在重力彎矩的作用下,沿該破碎帶發(fā)生重力墜覆位移,在瀑布中部巖體淺表層鈣華層塊體發(fā)生傾倒-折斷破裂的同時,瀑布前緣已發(fā)生的坍塌及掉塊而形成了臨空面,為后緣鈣華體的持續(xù)破損提供條件。

(4)潰屈破壞階段:瀑布中部淺表層強風(fēng)化的鈣華巖體傾倒-折斷破裂體沿著坡外方向繼續(xù)位移,形成上寬下窄的階坎狀拉裂縫,鈣華塊體表現(xiàn)出極為強烈的傾倒、拉斷破裂甚至是滾動,松弛、架空現(xiàn)象十分明顯,淺表層的鈣華局部坍塌形成。

3 瀑布鈣華穩(wěn)定性分析

3.1 區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性分析

諾日朗瀑布位于西秦嶺造山帶與松潘-甘孜造山帶的結(jié)合部位(圖9),可劃分為塔藏構(gòu)造帶(Ⅰ)、九寨溝褶皺推覆構(gòu)造巖片(Ⅱ)、南坪褶皺推覆構(gòu)造巖片(Ⅲ)和岷江構(gòu)造帶(Ⅳ)等四個構(gòu)造單元,其中九寨溝褶皺推覆構(gòu)造巖片呈巨大的飛來峰,掩逆在馬爾康向斜之上,形成相對獨立的構(gòu)造體系(張瑞英等,2007),受控于自身內(nèi)部構(gòu)造的影響,1933 年疊溪地震、1976 年松潘-平武地震、2008 年汶川地震和2013 年蘆山地震發(fā)生時,對諾日朗瀑布影響甚微,即使8·8 九寨溝地震震中位于核心景區(qū)內(nèi),也僅造成諾日朗瀑布景觀的小范圍局部破壞。

圖9 諾日朗瀑布大地構(gòu)造略圖Fig.9 Outline of the geological structure of Nuorilang waterfall

3.2 實地監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.2.1 水流系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

綜合分析歷年監(jiān)測研究成果,九寨溝景區(qū)各海子(瀑布)、泉點(群)的水位、水溫和水化學(xué)等指標呈現(xiàn)相對穩(wěn)定的周期性變化,多年地表徑流流量及其變化特征是基本穩(wěn)定的,未發(fā)現(xiàn)突變現(xiàn)象(甘建軍等,2010;李前銀等,2009;劉俊賢等,2006②)。 景區(qū)的構(gòu)造格局控制了整個景區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)的補、徑、排關(guān)系,其中主體構(gòu)造形成于前第四紀,活動性差,較為穩(wěn)定。 通過震前震后主要地表水監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析(圖10),結(jié)合本次調(diào)查,九寨溝核心景區(qū)景觀水流系統(tǒng)總體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 震前震后九寨溝主要監(jiān)測點水位變化曲線Fig.10 Variation of water table before and after Jiuzhaigou earthquake

3.2.2 裂隙監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

受地震影響諾日朗瀑布頂部鈣華體出現(xiàn)地震裂縫后,九寨溝管理局立即建立裂縫監(jiān)測點,監(jiān)測裂縫的變化狀態(tài),監(jiān)測周期僅有2 個月,通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,7#監(jiān)測點因鈣華局部垮塌而消失,其余監(jiān)測點均在震后呈現(xiàn)加寬的趨勢,變幅1.81 ~6.10 cm,變幅均較小,通過人工泄流方式降低諾日朗群海水位后,減輕水流對瀑布鈣華體的沖刷、損毀,已有裂縫寬度均未出現(xiàn)明顯的變化(圖11),監(jiān)測數(shù)據(jù)與鈣華震損過程的第4 個階段高度吻合,水流系統(tǒng)對鈣華體以沖刷沉積為主,又進入鈣華旋回沉積階段,鈣華體處于相對穩(wěn)定的發(fā)展階段。

圖11 諾日朗瀑布鈣華體上部裂縫寬度變化曲線Fig. 11 Variation of crack width upper the travertine of Nuorilang waterfall

3.3 瀑布鈣華穩(wěn)定性綜合分析

3.3.1 瀑布堆積物穩(wěn)定性分析

諾日朗瀑布景觀底部下墊面主要由冰水堆積物組成,構(gòu)成了景觀體形成演化的地形骨架,其隔擋式微地貌是景觀形成的雛形,溝水漫流其上,溫度和壓力等條件的改變使水中礦物含量飽和,鈣華沉淀逐漸加高,形成如今的鈣華瀑布景觀。 冰水堆積物主要由直徑10 ~30 cm 的塊碎石組成,棕紅色黏土及砂質(zhì)充填,膠結(jié)程度較好,自然條件下處于穩(wěn)定狀態(tài),受后期流水侵蝕作用的改造,可能造成局部形態(tài)的變化,但這種變化周期是漫長的,總體基本穩(wěn)定。

3.3.2 鈣華體穩(wěn)定性分析

九寨溝瀑布鈣華體存在著鈣華堆積、坍塌、再堆積、再坍塌的自然演化現(xiàn)象,主要緣于瀑布頂部鈣華自身堆積的體積和范圍,當(dāng)鈣華體堆積到一定程度,受外動力作用或自身重力作用的影響發(fā)生坍塌,此后,流水作用又在坍塌面上開始了新一輪的鈣華堆積,這是一種穩(wěn)定狀況下的正常演化過程,8·8 地震造成了諾日朗瀑布鈣華體出現(xiàn)局部裂縫、坍塌或掉塊的現(xiàn)象,僅是加速了該自然演化的進程,不會影響諾日朗瀑布整體基本穩(wěn)定,諾日朗瀑布處于相對穩(wěn)定的發(fā)展演化階段。

綜上所述,九寨溝區(qū)域地質(zhì)條件相對穩(wěn)定,震后瀑布形成的地質(zhì)環(huán)境和景區(qū)水流系統(tǒng)處于基本穩(wěn)定狀態(tài),景觀體處于相對穩(wěn)定發(fā)展階段,層湖疊瀑景觀不會因此次地震而消亡。

4 結(jié)論

本文對諾日朗瀑布鈣華體震損區(qū)及周邊地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)調(diào)查,分析了地震作用下景觀鈣華體的破損變形機制,利用二維離散元模擬軟件對其運動變形過程進行了模擬,結(jié)合區(qū)域構(gòu)造、水流系統(tǒng)和監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析,得出主要結(jié)論如下:

(1) 諾日朗瀑布鈣華體前緣處于兩面臨空的突出坡折部位,在地震波地形效應(yīng)放大作用下,出現(xiàn)局部破損,上游水流沿破損裂隙滲入,孔隙水壓力加劇了鈣華體破壞過程。

(2)諾日朗瀑布鈣華體震損的過程分為振動蠕變—持續(xù)拉張—傾倒折斷—潰屈破壞4 個階段,在地震慣性作用力下,由斜坡前緣表層逐漸向內(nèi)部出現(xiàn)形變破損。

(3)九寨溝區(qū)域地質(zhì)條件相對穩(wěn)定,震后瀑布鈣華體裂隙寬度和上游水位未出現(xiàn)明顯變化,景觀體處于相對穩(wěn)定發(fā)展階段。

注釋:

①魏良帥,羅雲(yún)豐,劉民生,等, 2017. 8·8 九寨溝地震諾日朗瀑布景觀部分震損專題調(diào)查報告[R]. 成都:中國地質(zhì)調(diào)查局探礦工藝研究所.

②劉俊賢,劉民生,李廷強,等, 2006. 九寨—黃龍核心景區(qū)景觀形成的地質(zhì)環(huán)境和水循環(huán)系統(tǒng)模式測定、監(jiān)測系統(tǒng)建立及景觀保育技術(shù)應(yīng)用研究報告[R]. 四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局.