汶川地震后文家沟地表侵蚀及地貌演化约束研究

郑立龙， 李 勇， 赵国华， 任 聪， 颜照坤，闫 亮， 李敬波， 杨聿强

(1.成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059;2. 中国石油集团西南油气田分公司勘探事业部，四川 成都 610041 )

龙门山地处青藏高原东缘，北起广元，南至天全，全长约500 km，宽30 km，呈北东—南西向展布(李勇等，1994)。该区最高海拔超过4 900 m，与山前成都平原地区的最大高差大于4 000 m，足见龙门山是青藏高原边缘山脉中陡度变化最大的地区之一(李勇等，2006;Densmore et al.，2007;Godard et al.，2009)。龙门山构造断裂带从西向东依次发育了3 条大的断裂带，分别为汶川-茂汶断裂带(后山断裂带)、映秀-北川断裂带(中央断裂带)和彭县-灌县断裂带(前山断裂带)，活动性强，具有明显的地震风险性(李勇等，1994;Densmore et al.，2007)。龙门山及邻区的均衡重力异常亦显示龙门山地区的地壳尚未达到均衡状态，下地壳顶面抬升了11 km(李勇等，2006)，显示了龙门山处于强烈的剥蚀阶段，剥蚀厚度达6 ～10 km(李勇等，1994;Densmore et al.，2007)。故龙门山现在的地貌形态就是地震作用驱动隆升过程与地表外力作用驱动剥蚀过程相互作用的结果。

继2008年5月12日发生在龙门山中北段的汶川Ms 8.0 级特大地震之后，2013年4月20日，龙门山南段再次发生芦山Ms 7.0 级强震。龙门山地震带位于我国南北地震带中南段，地震活动较为频繁(闻学泽等，2009)。汶川地震在35 000 km2的区域内引发了超过60 000个滑坡(Huang et al.，2013)，并且震后泥石流数量不断上升，引起该地区大规模的地表侵蚀。汶川地震驱动的崩塌、滑坡和泥石流，大大改变了龙门山地区的地形地貌，然而，地震活动对于龙门山的形成机制，国际还没有统一的认识(李勇等，2006;Hubbard et al.，2009;付碧宏等，2008;Densmore et al.，2005;Royden et al.，1997;Clark et al.，2005;Burchfiel，2008)，这引起了国内外学者关于龙门山在此次地震中地貌演化的极大兴趣与激烈争论。

本文以绵远河流域文家沟为例，结合野外资料，基于DEM(数字高程模型)，利用GIS 软件提取了绵远河流域的坡度、地形起伏度，并对绵远河流域构造地貌进行了定量化研究;定量计算了该地区同震抬升量、滑坡量和泥石流量;对比了滑坡和泥石流的地表侵蚀幅度和地震驱动的构造隆升幅度之间的定量关系，探索汶川地震驱动的地表侵蚀效应对绵远河流域地貌生长的约束。

图1 汶川地震后龙门山地区2010年8月泥石流和洪水与强降雨分布图(据Li et al.，2011 修改)Fig.1 The debris flow，floods and rainfall on 12th to 14th ，August，2010 after the Wenchuan earthquake(Modification according to Li et al.，2011)

1 研究区域概况

文家沟位于四川省绵竹市西北部山区的清平场镇北，是长江流域沱江水系上游绵远河左岸的一条支沟，处映秀—北川断裂带与彭灌断裂带之间。绵远河发源于绵竹市九顶山南麓，向东南流经绵竹汉旺镇进入成都平原，全长133.6 km。据汉旺水文站观测常年的统计数据，出河口年平均径流量为15.2 m3/s。该流域北西高，南东低，最高海拔为4 356 m，最低海拔为651 m(图2)。

基于GIS 平台，提取了绵远河流域的坡度及其最优地形起伏度(图3)。从图3 可以看出，映秀-北川断裂以北地区，地形较陡，坡度多在30°以上，地形起伏度明显较大;映秀-北川断裂以南地区，地形较缓，地形起伏度明显较小。映秀-北川断裂较强的活动性与地表侵蚀联合作用塑造了该地区陡峻的地形地貌特征。

图2 绵远河流域DEM 影像图Fig.2 The DEM picture of the Mianyan river basin

文家沟在地貌上属构造侵蚀低—中山地貌、斜坡冲沟地形。沟域总体呈东—西向伸展(图2、图4)，平面形态呈口袋状，腹大口小，流域面积约为7.81 km2。在剖面上显示为深切割的“V”型河谷，岸坡的坡度一般在40° ～50°之间(图3a)。主沟的长度约为4.5 km，沟谷口的底宽为300 m。沟谷纵坡较大，上陡下缓，沟谷的平均纵坡降为35.8‰。在沟域内的最高点位于东部分水岭九顶山的顶子崖，海拔2 402 m，流域内最低点位于沟口处，海拔883 m，相对高差为1 519 m，沟床平均纵坡降467.4‰。文家沟有2 条支沟(图4)，其中1 号支沟流域面积1.57 km2，沟道长2.23 km，相对高差1 017 m，沟床平均纵坡降456.1‰，2 号支沟流域面积0.64 km2，沟道长1.21 km，相对高差587 m，沟床平均纵坡降485.1‰。

2 文家沟同震滑坡及其沉积量

在汶川地震驱动作用下，文家沟内产生了规模大小不一的滑坡，因支沟滑坡规模小，故在本文中以文家沟主沟源头处的滑坡体为主要计算对象(许强，2010)。滑坡体位于文家沟近源头东侧山顶，长约960 m，前缘宽度500 m，后缘宽度1 080 m，分布高程1 885 ～2 340 m，面积约为69 ×104 m2，初始滑坡体体积约2 750 ×104m3，一部分停留在韩家大坪处形成主堆积区，另一部分滑坡体在运动的过程中，与山体发生猛烈碰撞随即转化成碎屑，最终停留在1300 平台以下的沟谷内。在运动的过程中，沿途携卷铲刮表层松散物质使得滑坡堆积方量放大至5 000 ×104m3(许强，2010;许强等，2009)。其中，韩家大坪堆积体约2 000 ×104m3，1300 平台及其以下的沟道中堆积体约3 000 ×104m3。巨型滑坡使得山体表层变得松散，植被破坏严重，水土流失严重，这为泥石流的发生提供了丰富的物质供给。

图3 绵远河流域地形坡度(a)和地形起伏度(b)Fig.3 The slope (a)and amplitude of landforms (b)of Mianyuan river basin

图4 文家沟滑坡平面示意图Fig.4 The sketch map of Wenjia gully landslide

3 震后强降雨驱动的文家沟泥石流及其沉积体量

文家沟所在的绵远河流域在气候带上处于中亚热带季风气候区，气候分明，降水充沛，雨季主要集中在夏秋季节;植被茂盛，覆盖率高。“5.12”汶川地震之前，文家沟近百年内未有发生泥石流的记录;然而地震之后，文家沟先后发生了5 次大规模的泥石流(许强，2010;许强等，2009):2008年9月24日泥石流量50 ×104m3，2010年7月31日泥石流量(10 ～20)×104m3，2010年8月13日泥石流量450 ×104m3，2010年8月19日泥石流量30 ×104m3，2010年9月18日泥石流量17 ×104m3。其中，以2010年8月13日发生的泥石流规模最大。

3.1 泥石流的沉积物总量与沉积物构成

通过统计这5 次泥石流灾害资料，得出泥石流冲出量约为557 ×104m3。经实地调查，文家沟泥石流主要堆积物源至1300 平台以下。其泥石流堆积体主要成份为碎块石、角砾和砂，黏粒含量较少，其中粒径大于2 mm 的砾碎块石松散堆积物占88.1%，粒径0.074 ～2 mm 的砂砾占10.7%，粒径小于0.074 mm 的粉粘粒占1.2%(许强等，2009)。

3.2 泥石流沟与绵远河之间的交角

文家沟走向为近东—西向，而绵远河主河道的走向为近南—北向，因此，文家沟与绵远河之间的交汇角接近90°。由于文家沟泥石流沟与绵远河直交，泥石流出沟口后顺河向的流速分量为零，文家沟泥石流与绵远河相互顶托，消耗了大量能量，从而导致泥石流中固体物质的动量减低，使泥石流体产生了巨量的沉积物堆积，阻塞绵远河，从而形成了2010年8月13日的堵江。

4 汶川地震驱动的构造隆升量与滑坡量之间的数量关系及对地貌的影响

研究地震产生的同震滑坡量与地震产生的构造隆升量之间的关系对地貌演化有着重要的意义。在构造活动强烈的造山带及其周围，周期性的强震所导致的同震垂直位移的累积不仅使得山脉持续隆升，同时也导致大量地表物质的迁移，改变了地形地貌(Hovius et al.，2000;Parker et al.，2011)。当同震构造抬升量大于同震滑坡剥蚀量，其结果是山脉平均高程增加，反之，山脉平均高程降低(Parke et al.，2011)。

4.1 同震抬升量

在汶川地震发生数日后，国内众多科研单位先后进入灾区进行野外踏勘，收集了大量实测资料。文家沟流域附近的映秀-北川断层从西北处约3.6 km 处穿过，测得在清平乡的垂直位错为2.5 m(何仲太等，2012)。文家沟流域隆升量为流域面积乘以垂直隆升距离，如果将构造抬升量均按2.5 m计算，得该区域的同震抬升量1 952.5 ×104m3。

4.2 同震抬升量、同震滑坡量、泥石流量及河道沉积物之间的转化

同震作用产生的滑坡和震后强降雨形成的泥石流共同作用的坡面过程与河流作用的结合是共同塑造造山带河流地貌的主要营力。其中，坡面过程是以滑坡、泥石流等重力侵蚀作用进行，而河流在地表过程中不仅对地貌景观产生下切侵蚀，同时还是坡面剥蚀物质被搬运出造山带的载体。经过计算，文家沟流域的同震抬升量为1 952. 5 ×104m3，同震滑坡量为5 000 ×104m3，可见同震抬升量明显小于同震滑坡量。地震后，部分滑坡转化为泥石流，进入绵远河，累计约有557 ×104m3，约占同震滑坡量的11%，成为河道沉积物。

4.3 文家沟流域同震滑坡物质的卸载时间

(1)计算方法。沉积物的搬运介质主要是流水和大气，其次为冰川、生物等(曾允孚等，1986)，结合到研究区的考察情况，认为文家沟内沉积物的主要搬运方式为河流搬运。河流搬运的物质通常以溶解质、悬移质和推移质这三种形态存在，其中，以后两者的形态为主。而在漫长的地貌演化过程历史中，对河流过程和形态影响的最大是推移质所占的比重，在平均情况下，河流推移质约占河流总物质的30%(Galy et al.，2001)，极端情况下甚至达到50% (Yanites et al，2011)，在加之河流推移质的移动速度相对悬移质来说较慢，故本文运用河流推移质的搬运时间来估算文家沟流域同震滑坡的卸载时间。本文采用Yanites 等(2010)的方法来估算河流卸载地震产生的滑坡物质所用的时间(T)。公式如下:

其中ML表示区域滑坡物质的质量(m3)，QT表示河流推移质的搬运能力(m3/yr)。

而区域滑坡物质的质量L 等于滑坡物质的密度ρL与滑坡体体积VrL的乘积:

河流的搬运能力QT的计算公式(Meyer et al.，1948)为:

式中ρS为推移质的密度，ρ 为水的密度，g 为重力加速度，D 为推移质的中值粒径(cm)，τB为河床剪切应力，为河床临界启动剪切应力，对于基岩型河道，河床临界启动剪切应力数值通常变化范围为0.03 ～0.08(Buffington et al.，1997)。本文取常数0.03 作为绵远河河床临界启动剪切应力。

而公式(3)中的河流的剪切能力τb(Yanites et al.，2010)可由公式(4)推算出来，如下:

式中，W 为河宽(m)，n 是曼宁系数，对于山区河流通常取值为0.04(Barnes，1968)，QW为河流多年平均流量(m3/s)。

(2)卸载时间。当上游的河流搬运能力小于下游，地震滑坡物质则由河流下游相对上游的“剩余”的搬运能力来搬运(Lin et al.，2010)。研究区内滑坡物质总量(ML)的30%，约为3 675 ×107kg，根据公式(4)计算得出绵远河的上下游搬运能力差值为2.21 ×108kg/yr。在绵远河能够完全搬运出同震滑坡物质的前提下，意味着地震同震滑坡物质搬运出龙门山至少需要166年。

(3)周期性地震构造抬升与河流剥蚀卸载作用对龙门山地貌生长的影响。地震构造作用使岩石发生抬升和位移，而震后的地表剥蚀过程则使地表的物质重新分配，因此，地表的地形地貌反映了同震构造抬升过程与震后地表剥蚀过程之间的相互作用。汶川地震前，龙门山最晚的一次强震发生在距今(930 ±40)a，且自40 ka 以来，龙门山地区至少存在30 余次强震的古地震记录(Densmore et al.，2007)，这表明龙门山地区的强震复发周期为1000年左右(Li Y et al.，2006;Lin et al.，2010)。而通过计算得到的文家沟流域同震滑坡的卸载时间为166 yr，小于龙门山强震的复发周期。这表明在地震周期内，大量的同震滑坡物质将被河流搬运出龙门山;而在相对较短的时间内，受强降雨的强烈冲刷作用，可导致冲刷-切割地貌形成。这与龙门山现今陡峻的地貌是一致的。

5 讨论与结论

汶川地震引发了龙门山地区大规模的崩塌与滑坡，震后的强降雨再次引发该地区的泥石流灾害，改变了龙门山地区原有的地貌形态。本文以绵远河文家沟流域为例，对该流域的同震隆升量、同震滑坡量、泥石流量以及震后滑坡量卸载时间开展了定量化计算，建立起它们之间的转化关系。为定量化研究地震引发的物质输送过程及其对地貌生长影响提供了一个约束范例。初步获得以下结论:

(1)文家沟地处汶川地震震中区，主断裂带映秀-北川断裂带在文家沟北西侧约3.6 km 的地方切过，为引发文家沟滑坡提供了地质条件。

(2)汶川地震之前，文家沟近百年内未发生过滑坡、崩塌，汶川地震触发的滑坡体堆积物高达5 000 ×104m3，是汶川地震中的第二大滑坡。

(3)从2008年9月至2010年10月间，文家沟先后发生了5 次规模较大的泥石流灾害，累积泥石流量达557 ×104m3，表明约有11%的震后滑坡量转化为泥石流。

(4)汶川地震中绵远河流域文家沟的同震抬升量为1 952.5 ×104m3，而震后滑坡体堆积物为5 000×104m3，说明震后的滑坡量远大于同震抬升量，出现了物质亏损，即山体平均高度被削低。

(5)根据经验公式估算，按研究区内30%可搬运的同震滑坡体的质量，即3 675 ×107kg，在绵远河能够完全搬运出同震滑坡物质的前提下，意味着地震同震滑坡物质搬运出龙门山至少需要166 yr。表明在一个的地震周期内，汶川地震产生的同震滑坡物质是可以搬运出龙门山，这与龙门山现今陡峻的地貌是一致的。

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