云南鲁甸地震次生山地灾害分布规律与特征

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摘要：2014年8月3日16时30分，云南省昭通市鲁甸县发生Ms6.5级地震，地震诱发大量崩塌、滑坡、不稳定斜坡等次生山地灾害。结合现场调查，通过遥感图像共解译次生山地灾害点235处，灾害面积约8.59 km2。基于GIS空间分析方法，利用次生山地灾害面积百分比及中心点密度2个参数，研究次生山地灾害分布规律与地震的关系；同时选取高程、坡度、坡向、岩性、距河流距离等因子统计分析了地形、岩层及河流对次生山地灾害空间分布的影响。研究区次生山地灾害面积百分比约为079%，中心点密度约为02 个·km-2。结果表明：次生山地灾害点的排列受NE向昭通—鲁甸主断裂控制，6383%的次生山地灾害发生在发震断裂带2～8 km范围内，距震中越远，次生山地灾害发育率越低；次生山地灾害集中分布在1 000～1 200 m高程之间和35°～45°坡度范围内，而20°～30°坡度范围内次生山地灾害中心点密度和面积百分比最大；碳酸盐岩等硬岩地层上次生山地灾害最为发育，而软岩地层中多引发高陡坡次生山地灾害；次生山地灾害整体上沿牛栏江呈线状分布，随着距河流距离的增加，其发生概率逐渐减小。

关键词：鲁甸地震；次生山地灾害；空间分布；GIS；中心点密度；面积百分比；云南

中图分类号：P694文献标志码：A

0引言

2014年8月3日16时30分，云南省昭通市鲁甸县（27.1°N，103.3°S）发生Ms6.5级地震。极震区烈度为Ⅸ度，震源深度为12 km。截至2014年8月15日，鲁甸地震共造成云南省、四川省、贵州省10个县（区）受灾，因灾死亡617人，失踪114人，受灾人口108.84万人， 2.58万户8.09万间房屋倒塌，致使交通、电力、通讯、水利等基础设施受损严重[13]。鲁甸地震震级高，震源浅，释放能量大，破坏力强。灾区地质条件复杂，地势陡峭。本次地震诱发了大量滑坡、崩塌、堰塞湖等次生山地灾害，对灾区房屋与道路交通等基础设施以及生命财产构成极大威胁[45]。地震次生山地灾害（简称“次生灾害”）因其巨大的致灾力而广泛引起关注。地震学家、地质工程学家已在动力学机理方面开展了大量研究[611]，但由于地震运动和地表响应等的复杂性，现有研究更多的是利用统计方法，分析研究地震次生灾害与环境因子的关系。研究次生灾害的分布规律有助于预测未来在类似条件下引发次生灾害的风险程度[1214]。

在现场调查及收集相关资料基础上，本文定量分析了次生灾害与地震条件及外界环境因子之间的关系，归纳总结了此次地震诱发的次生灾害分布及主要特征，目的在于认识云南鲁甸地震触发的次生灾害分布规律与特征，找到易发因子区间，为次生灾害防灾减灾服务。

1研究区概况

鲁甸县位于云南省东北部的牛栏江北岸、云贵高原向四川盆地过渡的倾斜地带，呈典型的高原山地构造地貌（图1）。区内地势东西两侧高，中间低平，山高坡陡，平均海拔1 685 m，相对高差3 773 m[15]。地貌错综复杂，有深切中山、中切中山、岩溶高原、混合丘原、高原湖积盆地、断陷河谷坝等[16]。

图1云南鲁甸地震次生灾害点分布

Fig.1Distribution of Secondary Disaster Points Triggered by Ludian Earthquake in Yunnan

本区地层出露较齐全，除下志留统、侏罗系、白垩系及早第三系缺失外，其余自震旦系上统至第四系均有分布。研究区内主要分布有松散岩、碳酸盐岩、碳酸盐岩夹碎屑岩、碎屑岩夹碳酸盐岩、碎屑岩、喷出岩等6种岩类[17]。

该地区在构造上位于川滇北向构造——小江断裂带之东缘与其东侧的NE向构造结合部位，NE向构造（包括NNE向构造）几乎遍布全境，与NS向构造共同组成区内的主干构造。区内地质构造和地震活动强烈，此次鲁甸地震的发震机制为以NW向包谷垴—小河断裂的左旋走滑型为主，兼有少量高倾角正断倾滑，使地层错动。该地震产生了走向342°、长约22 km的地表破裂带，整个破裂面积为2276 km2，平均滑动量为016 m，地震破裂主要从NW向SE扩展[1819]。

2次生灾害分布特征分析

以灾后无人机航拍影像及高分辨率卫星遥感解译为主，结合现场实际调查结果，本次研究建立了云南鲁甸地震次生灾害数据库，共计235个次生灾害，总面积约为859 km2，主要分布在包谷垴乡、纸厂乡、老店镇、新店镇、火德红乡及龙头山镇等6个乡镇，辖区面积约为1 082 km2（图1）。6个乡镇次生灾害面积百分比为079%；次生灾害中心点密度为02 个·km-2。

在ArcGIS平台上，以1∶10 000等高线矢量图作为基础地理地图，制作数字高程模型（DEM），空间分辨率为5 m×5 m，投影坐标为WGS_1984_UTM_Zone_48N。基于解译结果和数字高程模型衍生数据，利用次生灾害面积百分比与中心点密度2个参数，统计灾害点距发震断裂带距离、等烈度缓冲区及距震中距离的分布情况，分析次生灾害的空间分布规律；同时，分别考虑地形条件、地层岩性、河流等环境因子，分析在地震外力作用下次生灾害的易发高程、坡度、坡向、岩层及与河流的空间位置关系。

地震诱发的次生灾害主要包括崩塌、滑坡、碎屑流等，它们的共同特征为地表物质的空间位移，且对所触及区域的建筑物、植被等具有毁灭性破坏。同时，震后遥感影像的数据量有限，且有多处厚云层干扰，因此，根据其相似的影像特征及破坏结果未对其做进一步区分，而是进行统一分析[20]。

2.1次生灾害分布与地震的关系

2.1.1受主断裂带控制明显

基于方向分析（标准差椭圆）方法，对次生灾害空间分布进行分析。结果表明，灾害点主要分布在约151 km2的近似椭圆形区域，旋转角度为11845°，其长轴近NW向（约17 km），短轴近NE向（约12 km）。次生灾害点的空间排列大致沿NE向昭通—鲁甸主断裂平行分布（图2），而与发震断裂（包谷垴—小河分支断裂）大致垂直。虽然昭通—鲁甸主断裂不是发震断裂，但是它控制了局部的地形和河流走向，从而影响了次生灾害的空间分布，这与汶川地震次生灾害沿发震断裂分布有显著的不同。

灾害的分布也受局部的地质构造影响。在龙头山镇NW向跨有SN向背斜褶皱；在地震作用下，该背斜褶皱附近引发大量次生灾害。龙头山镇、包谷垴乡、火德红镇等重灾区次生灾害集中或成片分布，而在距离断裂带较远的纸厂乡、老店镇、新店镇等地则呈零散点状分布（图3）。

图2次生灾害空间方向分布

Fig.2Spatial Orientation Distribution of Secondary Disasters

图3次生灾害点与发震断裂带分布的关系

Fig.3Distribution Relationship Between Secondary Disaster Points and Earthquake Fault Zone

图4次生灾害与发震断裂带的关系

Fig.4Relationship Between Secondary Disasters and Earthquake Fault Zone

以2 km为间距划分发震断层缓冲带，分别统计每个缓冲带内的次生灾害覆盖面积、灾害点数量、次生灾害中心点密度和面积百分比（图4）。由图4可以看出：地震所引起的次生灾害在垂直发震断裂带的方向上跨度大致为16 km，主要分布在2～8 km范围内，在第3缓冲带（即4～6 km内）次生灾害点数量最多，达62个[图4（a）]；次生灾害中心点密度和面积百分比的峰值也在第2缓冲带和第3缓冲带，表现出更大的地震次生灾害易发性[图4（b）]。总体来看，离发震断裂带越远，灾害点数量及受灾面积越少。

2.1.2集中分布于Ⅷ度烈度区

鲁甸地震最高烈度为Ⅸ度，等震线长轴总体呈NNW向（图1），Ⅵ度以上烈度区总面积为10 350 km2[18]，分别分布在龙头山镇、包谷垴乡及火德红镇境内。对各烈度范围内的次生灾害点数量、次生灾害面积、次生灾害中心点密度和面积百分比进行空间统计分析（表1）。由表1可以看出：地震次生灾害主要分布于Ⅷ度烈度范围内，

次生灾害点数量最多，占总次生灾害点数量的579%；而Ⅸ度烈度区虽然次生灾害点数量仅为Ⅷ度烈度区的1/2，次生灾害面积却高达474 km2，灾害点分布最为密集，次生灾害中心点密度及面积百分比均远大于Ⅷ、Ⅶ度烈度区；Ⅶ度烈度区次生灾害面积为048 km2，次生灾害中心点密度仅为007 个·km-2。这说明烈度越小，次生灾害的发生概率及发生强度越小。

表1次生灾害点分布与地震烈度的关系

Tab.1Relationship Between Distribution of Secondary Disaster Points and Seismic Intensity

烈度等级次生灾害面积/km2次生灾害点数量次生灾害面积百分比/%次生灾害中心点密度/（个·km-2）

Ⅸ4.746473.065.41

Ⅷ3.3413654.801.34

Ⅶ0.48355.170.07

2.1.3震中距分析

以2 km划分次生灾害相对于震中的缓冲区，获取次生灾害点数量、次生灾害面积等分布情况（图5）。从图5可以看出，鲁甸地震次生灾害距震中最大距离为22 km。距震中10 km范围内，次生灾害面积高达833 km2，超过总面积的95%。在第3缓冲带（即4～6 km范围内），次生灾害点数量及灾害面积均达到峰值[图6（a）]。从图6（b）可以看出：次生灾害中心点密度、面积百分比在距震中2～4 km区域内分别为122 个·km-2和485%，均为其最大值，说明距震中2～4 km区域为地震引发次生灾害的高易发区；而在距震中8～10 km区域内，尽管次生灾害点数量少，次生灾害中心点密度较小，面积百分比却出现一个小波峰，为277%，表明距震中8～10 km区域内发生少量较大型次生灾害。随着震中距越远，次生灾害中心点密度和面积百分比整体上呈现逐渐减小的趋势。

2.2次生灾害分布与环境因子的关系

2.2.1地形

斜坡坡度、坡形等地表几何形态对斜坡内部应力大小和分布以及斜坡的稳定性起决定性作用。斜坡越高陡，稳定性越差，在地震波的作用下，发生变形破坏的可能性更大。本文选用高程、坡度、坡向作为地形因子，分析与地震次生灾害的分布关系。

图5次生灾害的震中距分析

Fig.5Epicentral Distance Analysis of Secondary Disasters

图6次生灾害与震中距的关系

Fig.6Relationships Between Secondary Disasters and Epicentral Distance

变量A代表次生灾害点数量（单位：个）、次生灾害面积（单位：km2）及中心点密度（单位：个·km-2）；变量B代表次生灾害点

数量（单位：个）及次生灾害面积（单位：km2）；变量C代表次生灾害中心点密度（单位：个·km-2）及面积百分比（单位：%）

图7次生灾害与环境因子的关系

Fig.7Relationships Between Secondary Disasters and Environmental Factors

（1）高程。研究区域海拔高程范围为880～3 400 m，以200 m为间距划分数字高程模型，对次生灾害的分布情况进行分级统计[图7（a）]。由图7（a）可以看出：864%的次生灾害分布在880～1 600 m之间，而该高程范围的区域面积仅占研究区面积的149%；以880～1 000 m之间的次生灾害中心点密度最高，达55 个·km-2，而面积百分比仅为85%，表明该高程范围的灾害数量相对较为密集，且多为小型次生灾害；次生灾害面积百分比峰值处于高程1 000～1 200 m之间，中心点密度为3.3 个·km-2，说明该区域内次生灾害发育最为剧烈，灾害面积也较大。结合遥感影像可知，鲁甸地震诱发的次生灾害主要分布于峡谷区。地势越高，次生灾害中心点密度及面积百分比逐渐下降。

（2）坡度。通常情况下，尽管没有地震等诱发条件，斜坡越陡，引发次生灾害的可能性也越大。在ArcGIS平台中，由数字高程模型生成坡度图，区域内平均坡度为25°。根据次生灾害发育情况，以10°为间隔对其进行分级，分别统计分析每个坡度范围的次生灾害数量、面积、中心点密度及面积百分比[图7（b）]。结果表明：9149%的地震次生灾害集中在坡度15°～55°范围内；在35°～45°坡度区域内，次生灾害点数量最多；在45°～55°坡度区域内，次生灾害中心点密度及面积百分比均为最大值，表明该区域为次生灾害主要发生带。分析其原因可能是，从缓变陡的转折部位对地震波具有明显的放大效应，使次生灾害发生的可能性增大[21]。

变量D代表次生灾害面积（单位：km2）及中心点密度（单位：个·km-2）

图8次生灾害与坡向的关系

Fig.8Relationships Between Secondary Disasters and Aspacts

（3）坡向。本文采用八方向进行坡向分析。0°为正北向，337.5°～22.5°为北，22.5°～67.5°为东北，以45°顺时针递增，直到西北向为止[22]（图8）。次生灾害主要分布在西、南、东南坡向上，在西坡向的次生灾害中心点密度最大，为049 个·km-2。在南坡向上，次生灾害中心点密度虽仅为023 个·km-2，但面积百分比最大，为203%，表明大面积的次生灾害主要分布于南坡向上。分析其原因主要是，鲁甸地震为一次高倾角左旋走滑型地震，地震最大主应力为NWW向，西坡向更易发生破坏。鲁甸地震位于小河断裂和包谷垴断裂的联接处，为NW向，地震波强度主要是沿着发震断裂带方向呈衰减趋势[2，23]，在西、西南、南坡向为迎着地震波传播方向，东、北东、北坡向均为背着地震波传播方向。由此可见，鲁甸地震诱发的次生灾害主要发生在迎着地震波传播方向上。

2.2.2地层岩性

（1）岩性分析。研究区岩性可概括为喷出岩、碎屑岩、碎屑岩夹碳酸盐岩、碳酸盐岩、松散岩和碳酸盐岩夹碎屑岩等6类。对次生灾害在各地层中的分布进行空间统计分析（图9、表2）。次生灾害在除松散岩外的5类岩层中均有发育，在碳酸盐岩等硬岩

表2次生灾害与岩性的关系

Tab.2Relationship Between Secondary Disasters and Lithology

岩性次生灾害面积/km2次生灾害中心点密度/（个·km-2）次生灾害面积百分比/%

喷出岩0.990.060.32

碎屑岩0.910.150.29

碎屑岩夹碳酸盐岩2.200.050.71

碳酸盐岩3.940.421.27

碳酸盐岩夹碎屑岩0.520.080.17

地层最为发育，次生灾害中心点密度及面积百分比均为最大值，分别为0.42 个·km-2和127%，表明该地层中的次生灾害数量大，灾害面积广。碎屑岩等软岩的次生灾害发育程度次之，次生灾害中心点密度为015 个·km-2，面积百分比仅为029%，说明软岩地层上虽次生灾害数量较多，但多为小面积灾害体。

图9次生灾害与岩层分布的关系

Fig.9Relationships Between Secondary Disasters and Strata Distribution

（2）坡度与岩性综合分析。为了深入研究不同地层中坡度对次生灾害的影响，本文以10°坡度分带，分别计算了碳酸盐岩等硬岩地层和碎屑岩等软岩地层的次生灾害中心点密度和面积百分比（图9）。由图9可以看出：碳酸盐岩地层的次生灾害中心点密度、面积百分比峰值均集中在35°～45°坡度范围内，说明硬岩地层的次生灾害均发生在坡度较平缓地带；对于碎屑岩，次生灾害中心点密度及面积百分比峰值位于45°～55°坡度区域内，表明在软岩地层中多发生陡坡次生灾害。

2.2.3河流

实际调查表明，绝大部分次生灾害点都是沿牛栏江深切河谷及其支流的两岸分布。图10（a）为牛栏江龙头山—包谷垴段鲁甸地震后高分辨率卫星遥感影像（分辨率2 m），高亮区域即为次生灾害体。

对河流缓冲带内次生灾害的分布进行统计分析[图10（b）]。8042%的次生灾害分布在距河流600 m范围内，其中0～200 m范围内分布最多；次生灾害中心点密度最大为2201 个·km-2，面积百分比也达到峰值，为429%，表明鲁甸地震诱发的次生灾害主要沿河流呈线状分布，离河岸越远，次生灾害面积百分比及中心点密度均呈下降趋势。

变量E代表次生灾害点数量（单位：个）及次生灾害中心点密度（单位：个·km-2）

图10次生灾害与河流的关系

Fig.10Relationships Between Secondary Disasters and River

3结语

（1）云南鲁甸地震在大约1 082 km2范围内引发235处次生灾害，灾害面积约为859 km2。研究区次生灾害面积百分比约为079%，中心点密度约为02 个·km-2，主要分布在约151 km2的近似椭圆形区域，灾害点的空间排列走向大致沿NE向昭通—鲁甸主断裂平行分布，而与发震断裂包谷垴—小河分支断裂大致垂直。这一点与主断裂发震（如汶川地震）引发的次生灾害有显著的不同。

（2）距离发震断裂带越近，次生灾害发育率越高。灾害点集中分布在距离发震断裂带2～8 km范围内。在4～6 km范围内，次生灾害点数量最多（62个），次生灾害中心点密度为088 个·km-2，面积百分比也达峰值（46%）。95%以上的次生灾害分布在距震中10 km范围内，在4～6 km范围内，次生灾害点分布数量及灾害面积均达到峰值。此次次生灾害主要分布在Ⅷ度烈度区内，其中Ⅸ度烈度区次生灾害中心点密度最大（541 个·km-2）， 面积百分比也最大（7306%）。

（3）云南鲁甸地震次生灾害多分布于海拔高程880～1 600 km范围内，集中分布在15°～55°坡度范围，在35°～45°坡度区次生灾害点数量最多；西、南、东南坡向上更易引发灾害，在西向的次生灾害中心点密度最大为0.49 个·km-2，而大面积的次生灾害聚集于南坡向上。在碳酸盐岩等硬岩地层，次生灾害最为发育，次生灾害中心点密度和面积百分比分别为042个·km-2和127%；碎屑岩等软岩地层上虽次生灾害点数量较多，但多为小面积灾害；硬岩地层的次生灾害均发生在35°～45°坡度范围内，软岩地层多集中在45°～55°陡坡范围内。沿着河流水系，次生灾害主要呈线状分布，离河岸越远，次生灾害规模越小。

（4）2001年以来，中国西南地区地震活动显著增强，已进入构造运动明显增强阶段。云南鲁甸地震是继汶川地震、芦山地震后的又一次破坏性地震。这几次地震均引发了严重的次生灾害，造成了重大的生命财产和经济损失。芦山地震引发的次生灾害有703处，灾害总面积仅12 km2，而汶川地震次生灾害总面积为541.24 km2，是鲁甸地震的63倍，是芦山地震的451倍。虽然鲁甸地震比芦山地震震级小，但由于震源更浅，地形起伏大，地质环境恶劣，房屋抗震性能差，从而造成的人员伤亡、财产损失、次生灾害远比芦山地震严重。同时，鲁甸地震破坏力非常大，但震级相对较小，高烈度区域范围显著小于汶川地震，远小于汶川地震的危害程度。

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