潜在地震滑坡危险区区划方法

陈晓利，冉洪流，王明明

中国地震局地质研究所，活动构造与火山实验室，北京 100029

潜在地震滑坡危险区区划方法

陈晓利，冉洪流，王明明

中国地震局地质研究所，活动构造与火山实验室，北京 100029

不同地区地震活动的强度和频率是不同的．基于地震危险性分析的地震滑坡危险研究在综合了地震烈度、位置、复发时间等因素的基础上，考虑了地震动峰值加速度时空分布的特点，可以有效地应用于潜在地震滑坡危险区区划．以汶川地震灾区为研究对象，根据研究区的地质构造、地震活动特点等划分出灾区的潜在震源区，对该区进行地震危险性分析，并在此基础上采用综合指标法做出基于地震危险性分析的地震滑坡危险性区划．所得地震滑坡危险性区划按照滑坡危险程度分为高危险、较高危险、较低危险和低危险四级，表示未来一段时间内研究区在遭受一定超越概率水平的地震动作用下，不同地区地震滑坡发生的可能程度．本文给出的地震滑坡危险性区划结果中，汶川地震滑坡崩塌较发育的汶川、北川、茂县等部分区域均处于高危险或较高危险区域；在对具有较高DEM精度的北川擂鼓镇地区所作的地震滑坡危险性区划中，汶川地震中实际发生的地震滑坡灾害与地震滑坡危险区划结果表现出较好的一致性．对区域范围而言，基于地震危险性分析的地震滑坡区划，可为初期阶段的土地规划使用及重大工程选址提供参考．

汶川地震，地震滑坡，潜在震源区，地震危险性分析，滑坡危险性区划

1 引 言

地震滑坡是山体在强烈震动中失稳产生的滑移．它是一种危害巨大的地震次生灾害，能够切断交通，毁坏设施，阻塞河道形成堰塞湖．地震滑坡不仅能造成巨大的社会经济损失，对人民生命财产的安全也构成了严重的威胁．2008年5月12日的汶川大地震是新中国成立以来我国大陆发生的破坏性最为严重的地震，不仅造成大量的人员伤亡，而且严重破坏灾区的生产和生活设施，使灾后重建工作面临巨大困难．汶川地震灾害现场调查表明滑坡崩塌等是地震灾区最常见的现象，也是造成损失最为严重的地质灾害．初步估计，地震地质灾害直接造成的死亡人数可达2万人［1－3］，一些大型的崩塌、滑坡体即可造成成百上千人的伤亡，如北川县王家岩滑坡就直接导致了1600人的死亡．

地震诱发滑坡量大、面广，与降雨诱发滑坡有着很大的不同．除去触发因素、空间发育规律等的区别，地震诱发滑坡崩塌在个体规模、分布范围、分布密度上比降雨诱发滑坡要大很多，一次强烈地震可能引发成百上千个滑坡，波及几百几千平方公里．对待规模大、分布范围广的地震滑坡灾害问题，在土地利用的规划阶段就进行地震滑坡危险性预测和区划是行之有效的解决办法［4－6］．在对一个地区作出中长期地震预报之后，如果也能相应地对该地区的斜坡稳定性进行评价，从而预测地震时滑坡最可能发生的地段，这对于减轻震区人员伤亡和财产损失将具有重要的意义．

地震滑坡危险区域预测或危险等级划分工作是以地震滑坡分布规律及影响因素研究为基础的．早期对地震滑坡空间分布规律的研究是通过对众多震例的统计分析，总结出滑坡分布范围与震级、震中、断层距以及岩性、地形坡度等的关系［7－11］，这些成果奠定了滑坡区划研究的基础．Newmark 1965年提出了有限滑动位移法，对边坡在地震作用下的稳定性进行了定量研究［12］．该方法自诞生后，经过不断的改进与完善，成为很多算法的基础，并在小区域范围的地震滑坡危险性预测中得到应用．如以Newmark法为基础，Jibson等分别编制了美国加利福尼亚1994年Northridge地震震中附近Oat Mountain地区的地震滑坡危险区划图和阿拉斯加Anchorage地区的地震滑坡危险区划图［13－14］；Scott等在GIS技术支持下，也采用Newmark模型编制了美国加州伯克利的地震滑坡危险区划图，这些工作均取得较好的效果［15］．

从定性到定量的研究方法，逐步提高了地震滑坡危险性预测的精确度和准确性．在各种地震滑坡研究方法中，必须提及的影响因素是地震动的影响．较早时期的工作对于地震影响采用地震烈度来描述［7，8，10－11］，随着研究方法和观测技术手段的进步，近年来的工作开始采用地震动加速度研究地震中边坡的稳定性．Jibson等在Oat Mountain的地震危险性区划中使用的地震动加速度是从189条Northridge地震主震的强震记录获得的，而他在阿拉斯加Anchorage地区的地震危险性研究中地震动加速度的选取，则采用的是50年超越概率2%水平的地震动加速度，取值为0．69 g［14］．

从土地规划的角度来看，地震滑坡危险性区划应该满足不同区域范围的需求．对于超过上千平方公里的研究区域，地震动加速度值在此范围内不是一个恒定值，而是变化的．同时，地震滑坡与地震活动密切相关，不同地区的地震活动的强度和频率不同．就目前地震的研究水平来说，地震发生的时间、地点和强度（震级）仍是当作随机事件处理的．因此，对于某次特定地震诱发滑坡的研究不能满足地震发生时空不确定的特性，而基于地震危险性分析的地震滑坡危险研究则综合了地震强度、位置、复发时间等因素，考虑了地震动加速度时空分布的特点．

本文选择汶川地震灾区作为研究对象，根据研究区的地质构造、地震活动特点等划分出该区的潜在震源，在该区地震危险性分析基础上对地震滑坡危险性区划方法进行了探讨．所得地震滑坡危险性区划结果表示未来一段时间内研究区在遭受一定超越概率水平的地震动作用下，不同地区滑坡发生的危险性，可为土地规划使用初期阶段及重大工程选址提供参考．

2 研究区地震危险性分析

不同地区的地震活动强度和频率不同，由于地震滑坡触发因素的特点，研究区的地震危险性研究直接关系到地震滑坡的危险性区划．本文对研究区的地震危险性分析采用的是以潜在震源划分为基础的不同超越概率水平的地震动加速度计算［16］．

以《中国地震动参数区划图（2001）》中的潜在震源区划分的综合方案为基础［17］，参考2008年汶川地震之后新的灾区地震区划（1号修改单）［18］，研究区的潜在震源区分布如图1所示．

本文研究区大部分处于龙门山地震带［17－18］，该区历史上发生过多次强烈地震，如触发过大量滑坡并引起重大伤亡的1933年叠溪7．5级地震．对本区地震活动有重大影响的2个8．0级地震潜在震源区分别是较场潜在震源区和汶川潜在震源区．

2．1 研究区主要地震危险性分析参数

目前在我国地震危险性分析通常采用中国地震烈度区划图（1990）所使用的方法，即考虑地震活动时空非均匀性的概率分析方法［19］．

本文研究区所处龙门山地震带的地震活动性参数如表1示，主要潜在震源区空间分布函数如表2，衰减关系采用川藏地区的衰减关系［12］．

2．2 不同超越概率水平下地震危险性计算

通过选择合理的地震动峰值加速度衰减关系，进行地震危险性分析计算，得到研究区基岩加速度峰值．按照《中国地震动参数区划图》（2001）的技术方法和研究结果转换为平均场地加速度峰值并进行分区［17］．

图1 研究区潜在震源区分布Fig．1 Potential seismic source zones in the study area

表1 龙门山地震带地震活动性参数Table 1 Seismic parameters of Longmenshan seismic zone

本文研究分别计算了50年超越概率10%，5%和2%的地震动峰值加速度，限于篇幅，以50年超越概率5%的地震动峰值加速度为例进行地震滑坡危险性区划方法探讨．图2为50年超越概率水平5%的地震动峰值加速度分区，这一超越概率水平下地震重复周期（return period）约为1000a．从图中可以看出，在这一超越概率水平下，研究区中龙门山断裂带及以西区域的地震动峰值加速度都大于200gal，对应于地震烈度8度区及以上地区．

3 地震滑坡危险性区划

对潜在地震滑坡地段的识别是以地震滑坡影响因素和滑坡预测模型研究为基础的．区域地震滑坡预测模型一般是在相关环境特征基础上，根据地震滑坡发生的组合条件，判断某一地区可能发生滑坡的区段．该方法存在一个假设，即导致过去发生滑坡的因素组合，将来同样可能诱发滑坡．

表2 研究区主要潜在震源区空间分布函数Table 2 Spatial distribution function of main potential seismic source zones in the study area

图2 地震动峰值加速度分区（50年超越概率5%水平）Fig．2 Peak ground acceleration zoning map（under 5%probability of exceedance in 50years）

按照研究对象大小、范围的不同，地震滑坡可分级进行．澳大利亚2007年的《滑坡敏感性、危险性、风险区划指导》（Guideline for landslide susceptibility，hazard and risk zoning）中对滑坡区划分3个层次讨论：区域（Regional zoning），局部（Local zoning），场点（Site specific zoning）．不同层次的滑坡危险性预测所要求的影响因素、数据资料和计算方法有所区别，同时给出的结果也有所侧重［20］．

在影响因素的选择上，既要充分反映各因素对地震滑坡的影响程度，确保其适用性，又要考虑所选因子是否易于获取，确保其可行性．对于不同的研究对象，地形坡度、地震动强度、岩性特点、距震中或发震断层距离等在目前常用的一些地震滑坡研究方法中都要涉及到，是重要的影响因素［7－11，21－26］．坡体具有临空面是物质移动的必要条件，坡度反映了地表高程的变化率，坡度大小与坡体受重力作用大小直接相关，因而对坡体的稳定性影响较大；地震动是地震滑坡的触发因素，在Newmark模型中地震动加速度与安全系数FS密切相关，直接影响坡体的稳定性，地震动加速度值越大的地区，发生滑坡崩塌的可能性就越大［2－3，22－23，26－27］；岩石类型反映了岩石的坚硬程度，不同类型岩石的抗剪和抗张能力不同，如页岩、泥岩、千枚岩等软岩及其风化产物抗剪性能差，属于易滑地层，而花岗岩等硬岩类岩石，主要呈块体结构，不宜发生滑坡崩塌．选取与震中或发震断层距离作为影响因素，一方面是因为该因素反映了距震源远近所遭受地震动影响大小的不同，另一方面，也可反映岩石的完整程度，距断裂越近，岩石遭受的变形和破坏就越大，在我国，大多数的大型滑坡都毗邻于主要断裂带，尤其是地震活动强烈带，并且，在众多的震例中，距离断裂越近，滑坡密度就越高［2－3，22－23，26－27］．水系常与构造伴生，河流的下切侵蚀反映了地质动力作用，影响了河谷地区河流两岸地形变化，相关研究表明，离水系越近，滑坡密度越大，并且河流两岸往往有大型的地震滑坡发生［27］．

对于地震滑坡危险性预测研究，神经网络、判别分析、层次分析、模糊数学等方法都被广泛使用并取得过有效的成果［22－30］．但是，对于较大范围的区域而言，这些方法在数据的选择和区域大小选择上有一定局限，而综合指标法在数据和区域范围选取的条件更为宽泛，适合与地震危险性分析方法结合使用［30－32］．

3．1 综合指标法

在震后的调查中，常常发现这样的现象：有的地方滑坡分布密集，而有的地方则很稀疏；紧邻滑坡、崩塌的地方依然有稳定的边坡存在．地震滑坡分布差异的存在与其所处位置、环境、组成物质等有密切关系，它的发生是多种因素共同作用的结果，不同因素在地震滑坡中所起的作用是不同的．综合指标法就是把各项影响因子在地震滑坡形成中的作用按照一定的标准赋值，该数值表示影响因子在地震滑坡事件中贡献的大小．数值大，则说明影响大，反之则影响小；然后运用某种模型进行计算，以判断地震滑坡发生的危险程度．

由于研究目的不同，不同使用者采用综合指标法时选用不同的表现形式．本文对地震滑坡危险性区划的研究主要是对研究区内不同位置地震滑坡发生可能性的相对高低进行判定，不具体对地震滑坡发生与否进行确定性的判别．因此，本文使用的模型如下：

H（xi）为描述地震滑坡发生危险程度的函数，xi为地震滑坡的影响因素，诸如地震动加速度、坡度等，n为影响因素的个数．

许多学者在汶川地震后对地震诱发滑坡的分布规律进行研究，得到汶川地震诱发滑坡分布与构造、岩性、地形等因素大体一致的认识：滑坡崩塌等地质灾害明显受到断裂带的控制，空间上沿断裂带分布［1－3，33］；随着与断裂距离的增大，滑坡的数量与分布密度在减少，80%的滑坡发生在距离断层30km的区域内［33］；岩性种类对灾害的展布有一定的控制作用．尽管发生在软岩中的滑坡数量最多，但是有相当数量的滑坡（约占总数的55%）发生在硬岩和次硬岩中［3，33］．地形、地震动与滑坡的分布有密切的关系，滑坡多发生于坡度25°～40°的地段［3，33－34］，多于70%的滑坡发生在地震动峰值加速度PGA超过354．0gal的地区．

考虑到不同影响因素在地震滑坡中所起作用的不同，用权重ki进行区分．ki根据层次分析法获取［28，35－36］．

层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）是一种多目标评价决策方法，它将一个复杂问题中的各种因素划分为相互联系的有序层次，再通过两两因素的对比，定量表示每一层次的相对重要性，最后确定诸因素排序结果．在本文的分析中，对于选中的地震动加速度（v1）、坡度（v2）、岩性（v3）、断裂（v4）、水系（v5）等5个因素，根据目前对地震滑坡影响因素的认识，并结合本研究区的特点，经过多次试算，采用如下判别矩阵：

aij＝vi／vj，表示2个因素的相对重要性大小的比值．对该矩阵求最大特征根，并经过满意一致性检验，最终获得各因素的权重：

K＝｛0．4252，0．2697，0．1688，0．0682，0．0682｝［28］．

这种权重的赋值中地震动加速度、地形坡度、岩性条件所占权重较大，被认为是对地震滑坡影响较大的因素．这种排序结果是比较符合实际情况的，在实际中也得到有效地运用［28］．现阶段对地震滑坡的发生机制及影响因素的认识仍有一定的局限性，随着认识的不断深入，在因素的选取和权重的计算上都可以进一步修正，使滑坡分析模型能够更为准确地反映客观事实．

3．2 研究区地震滑坡危险性区划

以汶川地震灾区地震滑坡分布规律研究为基础，掌握地震滑坡发育与影响因素的相互关系［1－3，33－34］，按照影响因素不同数据段或类型对地震滑坡影响作用的大小进行分级并赋值（表3）．因素的级数越高，表明影响作用越大，赋值也就越高．其中，地震动峰值加速度的分级参考地震烈度与地震动峰值加速度的对应关系［17］．

与影响因素分级保持一致，最终的地震滑坡危险性区划结果相应地分为四级：高危险、较高危险、较低危险和低危险．划分结果表示研究区在遭受某一超越概率水平的地震动作用下，滑坡发生可能性的相对高低，目前本文的研究结果还未具备绝对滑坡与否的意义．

表3 地震滑坡影响因子分级Table 3 Classification of main influencing factors related to seismic induced landslide

按照表3的标准，绘制研究区各影响因素的分区图．在GIS平台上，以0．01°间隔划分研究区域，对每一个网格提取影响因素信息并按照公式（1）进行计算，获得每一个网格的危险程度结果．整个研究区最终的评价结果如图3．

50a超越概率5%水平下地震复发周期（return period）约为1000a，这种情况下，研究区中龙门山断裂带及其以西区域的地震动峰值加速度都大于200gal（参见图2），对应于地震烈度VIII度区及以上．图3所示地震滑坡危险性区划结果中较高危险和高危险区域均位于地震动峰值加速度大于200Gal的地区，与目前关于地震滑坡与地震动峰值加速度关系的认识相符合［1－3，33，38］．前人研究成果表明诱发滑坡的最小地震震级为4．0级，地震滑坡发生地区的地震烈度一般在VI度以上［7，11］．5．12汶川地震中的滑坡崩塌地质灾害主要分布在龙门山断裂带及其以西地区，该区域整体上呈现高山与深谷相间的地貌特征，加之脆弱的地质环境使该区成为地质灾害的高易发区．对汶川地震触发滑坡崩塌地质灾害分布规律的研究表明，随着地震烈度的增高，滑坡崩塌的分布密度也在增加，并且破坏力巨大的大型滑坡有93%以上距发震断层距离小于10km［2］，空间分布上位于地震烈度IX及以上地区．王秀英等对汶川地震滑坡与地震动峰值加速度分布关系所做的统计分析认为，0．2g地震动峰值加速度是一个重要的界限，大于此值，地震诱发滑坡崩塌的可能性就非常大［38］．

图3 地震滑坡危险性区划（50年超越概率水平5%）Fig．3 Seismic induced landslide hazard map（under 5%probability of exceedance in 50years）

图4 研究区地震滑坡危险程度分布比较（a）（纵坐标表示统计数量）及与实际滑坡对比（b）（图中白色圆圈表示实际发生的滑坡［37］）Fig．4 Distribution of landslides in the study area（a）Occupation rate of different hazard degree zones；（b）Comparing between prediction result and the actual events（white dots represent the landslides in 5．12Wenchuan earthquake［37］）．

图5 北川擂鼓镇地震滑坡危险性区划（50年超越概率水平5%）Fig．5 Seismic induced landslide hazard map of Leiguzhen，Beichuan Count（under 5%probability of exceedance in 50years）

本文预测结果中，高度危险和较高危险区占研究区总面积的11．3%（图4a），汶川地震中约有实际数量60%的滑坡崩塌落入该区域，其中，滑坡崩塌较发育的汶川、北川、茂县等部分区域处于高度或较高危险区域（图4）．

同时，基于北川擂鼓镇地区精度较高的DEM背景图，采用相同的影响因素划分指标和相同的超越概率（50a超越概率水平5%）地震动峰值加速度，对该区潜在的地震滑坡危险区进行了分级划分，所得结果如图5所示．

图5中颜色越深的区域代表较高的地震滑坡危险性，白色区域为汶川地震中实际发生在擂鼓镇地区的地震滑坡灾害．可以看出实际发生的地震滑坡灾害与地震滑坡危险区划结果有较好的一致性．

值得指出的是，基于区域地震危险性分析的地震滑坡危险性区划是在考虑整个研究区地震构造、地震活动性及潜在震源区划分基础上，采用一定超越概率水平给出的地震滑坡危险性分析，考虑的是研究区域全部构造及可能的地震活动在未来一段时间对地震滑坡产生的影响．因而它所体现的地震滑坡危险性分布特征可能不同于对某次地震诱发滑坡特征的分析，更有助于整体地、综合地考虑研究区未来潜在的地震滑坡危险．

4 结论与讨论

（1）地震滑坡是由地震引发的滑坡，它与地震活动频率、强度等密切相关．基于地震危险性分析的地震滑坡区划，采用一定的超越概率水平给出，使地震的发生具有了强度、位置、复发时间等概念，并与滑坡结合起来，在应用时更为科学和合理．本文给出的区划结果表示的是在遭受某一超越概率水平的地震动作用下，滑坡发生可能性的相对高低，不具备绝对滑坡与否的意义，适合于在土地规划初期使用．在此基础上，可根据区划深度需要和资金投入，进一步选择合适的方法和数据进行更为精细的研究；

（2）对于较大范围的地震危险性区划，采用地震动加速度、坡度、岩性、断裂、水系等指标进行判断，并且区分了不同因素的作用，兼顾科学性和实用性，能够有效反映地震动、地形、岩性等共同作用对地震滑坡的影响；

（3）潜在地震滑坡危险性区划结果的精度或者准确率是检验研究方法成功与否的标准．由于地震滑坡危险性区划工作涉及方面较多，并且研究所面向对象（即研究区域）的大小各不相同，研究目的和服务对象也不尽相同，因此在不同研究尺度下应该考虑适宜的研究方法．本文的研究中，对地震滑坡危险划分结果影响较大的因素主要来自以下几个方面：（1）地震滑坡分析模型的选取；（2）计算使用数据的精度，例如，对比本文图3、图5的结果，由于所选用的网格尺度不同，划分结果所体现的细致程度也不同．此外，地震危险性分析中所获得的地震动峰值加速度，在本文的研究尺度上，采用的是平均场地条件的地震动峰值加速度，没有考虑局部或者特殊地形等对地震动峰值的影响．随着对地震滑坡研究问题的深入及相关技术水平的提高，后续的基于地震危险性分析思想的地震滑坡区划将会使研究的结果更具有实际应用价值．

致 谢感谢审稿人的意见和建议使本文得以完善．

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Hazards zonation for potential earthquake－induced landslide area

CHEN Xiao－Li，RAN Hong－Liu，WANG Ming－Ming

Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano，Institute of Geology，CEA，Beijing100029，China

Earthquake－induced landslide is different from landslide triggered by rainstorms．Compared with landslides caused by rain，landslides induced by earthquake have more wide and dense space distribution and bigger scale，and can cause tremendous loss both to properties and lives．Earthquake－induced landslides usually cannot be prevented by current mitigation measures，thus，it becomes more and more important to develop a useful skill of assessing the hazard of landslides triggered by earthquake for land planning．This paper presents a method for zonation of potential earthquake－induced landslide area based on seismic hazard analysis．The approach takes account of uncertainty about earthquake location，intensity and recurrence，as well as space distribution of seismic peak ground acceleration．The study selects the damaged region in 2008．5．12Wenchuan Earthquake as target area，and divided potential seismic source zone on the studying of geology，tectonics and seismic activity in this region．On the basis of potential seismic source zone division，this paper calculates the seismic peak ground acceleration according to different probability of exceedance of 10%，5%and 2%in 50ausing seismic hazard analysis method proposed by Cornell in 1968，and then assesses earthquake－induced landslide hazard ofstudy region with comprehensive indexes model．In this model，the hazard is classified into 4 grades as high，secondary high，secondary low and low，and five indexes are used including seismic peak ground acceleration，slope angle，rock type，and distance to faults and rivers．The result of hazards zonation for potential earthquake－induced landslide in the study area shows that landslide areas in Wenchuan earthquake such as Wenchuan county，Beichuan county，Maoxian county et al，are located at areas of high or secondary high grades．In Leiguzhen area of Beichuan county，where high resolution DEM data is available，the zonation result shows good correlation with reality．The assessed result can be used as reference for primary land planning and site choosing for great projects．

Wenchuan earthquake，Earthquake－induced landslide，Potential seismic source zone，Seismic hazard analysis，Earthquake－induced landslide zoning

P315收修定稿2011－10－09，2012－01－06收修定稿

10．6038／j．issn．0001－5733．2012．04．022

中国地震局地质研究所基本科研业务专项（IGCEA1006）及工信部国家重点项目（2010ZX03006－007）资助．

陈晓利，女，1969年生，副研究员，主要从事工程地震及地震地质灾害研究．E－mail：04chxl＠sina．com

陈晓利，冉洪流，王明明．潜在地震滑坡危险区区划方法．地球物理学报，2012，55（4）：1269－1277，

10．6038／j．issn．0001－5733．2012．04．022．

Chen X L，Ran H L，Wang M M．Hazards zonation for potential earthquake－induced landslide area．Chinese J．Geophys．（in Chinese），2012，55（4）：1269－1277，doi：10．6038／j．issn．0001－5733．2012．04．022．

（本文编辑 胡素芳）