历史强震对渭河中游群发大型滑坡的诱发效应反演

王　涛, 吴树仁, 石菊松, 辛　鹏, 梁昌玉

中国地质科学院地质力学研究所, 国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081

历史强震对渭河中游群发大型滑坡的诱发效应反演

王涛, 吴树仁, 石菊松, 辛鹏, 梁昌玉

中国地质科学院地质力学研究所, 国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081

以渭河中游地区为例, 探索提出了开展历史地震对区域群发滑坡诱发效应反演研究的思路和方法。首先, 基于汶川地震在渭河中游地区形成的高烈度异常和震害启示, 通过区域活动构造和斜坡带断裂控滑分析, 指出历史强震对区内群发大型滑坡的诱发效应不容忽视。然后, 利用强震诱发滑坡的最远致灾震中距分析法, 筛选出研究区周边300 km范围内需要重点考察其诱发效应的4次关键历史强震: 公元前780年岐山MS7.0级地震、1654年天水南MS8.0级地震、1556年华县MS8.25级地震及1920年海原MS8.5级地震。随后, 以岐山地震为例, 具体阐述了基于Newmark位移模型的地震诱发滑坡位移及危险性反演评估方法;同时反演了其他3次历史强震诱发区内滑坡位移及危险性。最后, 定量比较了反演历史强震诱发滑坡的位移与实际大型滑坡分布的空间匹配程度, 结果显示天水南MS8.0级地震对渭河中游现存群发大型滑坡的诱发效应最强。

历史地震; 滑坡; Newmark位移模型; 反演; 渭河中游; 黄土

地震黄土滑坡是我国黄土高原区的主要地震灾害, 通常具有规模巨大、高速远程及致灾严重等特点, 这在多次历史强震中均有突出体现, 例如1718年通渭地震中的永宁镇滑坡、1654年天水南地震中的罗家堡滑坡和1920年海原地震中的党家岔滑坡等等(袁丽侠, 2005; 陈永明等, 2006)。迄今国内外在地震黄土滑坡的分布和发育特征(孙崇绍等, 1997; 徐张建等, 2007; Derbyshire et al., 2000)、滑坡启动和运动学机制(胡广韬等, 1995; Sassa et al., 2005; 王家鼎等, 2001; 毛彦龙等, 2001; 王兰民等, 2003), 以及区域滑坡成灾规律和危险性评估等领域取得了丰富进展(孙崇绍等, 1997; 丁彦慧等, 2000; 唐川等, 2001; 孙进忠等, 2004); 遗憾的是,针对历史地震滑坡的相关研究进展很少。渭河中游地区位于南北地震带东侧的汾渭地震带与六盘山地震带交汇处(顾功叙, 1983; 宋立胜等, 1989), 同时地处典型的黄土梁塬区, 区内塬边和丘陵区发育众多大型古老黄土滑坡, 是我国黄土滑坡集中高发区之一。多年来, 针对这些群发大型滑坡的研究主要集中在滑坡结构型式、形成条件、演化过程及稳定性等方面(胡海涛等, 1965; 胡广韬, 1986; 刘传正等, 1998), 对其诱发因素并未展开专门研究, 尤其历史强震的诱发效应更未涉及。实际上, 历史地震的诱发效应对解释强震山区的滑坡群发机制至关重要,同时也是开展潜在地震诱发滑坡危险性研究的基础。

图1　渭河中游地理位置(A)及历史震中、大型滑坡分布图(B)Fig. 1　Location, historical epicenters(A) and distribution of large-scale landslides around the middle reaches of the Weihe River(B)QBF-秦岭北缘断裂带; BXF-宝鸡—咸阳断裂带; WBF-渭河盆地北缘断裂带; LBF-陇县—宝鸡断裂带QBF-North Qinling rim fault zone; BXF-Baoji–Xianyang fault zone; WBF-North Weihe basin rim fault zone; LBF-Longxian–Baoji fault zone

汶川MS8.0地震对渭河中游的地震影响进一步带给我们重要启示: 尽管研究区距离汶川地震震中500 km有余, 且在大地构造上被秦岭褶皱系隔开,却在区内形成Ⅶ度的高烈度异常区, 且诱发了一系列滑坡、崩塌及砂土液化等次生地质灾害(韩金良等, 2009), 而其外围地区烈度仅为Ⅵ度(王海云, 2011)(图1)。应当注意到: 与汶川地震相比, 在渭河中游周边500 km范围内, 史载至少发生过4次8.0～8.5级强震, 且震中均位于渭河盆地或者相邻的构造分区内(图1); 因此, 从震级、震中距离及构造部位的角度分析, 可以推断这些历史强震对区内地震动影响及对古老滑坡的诱发作用不容忽视。鉴于此, 本文试图利用定性分析与定量计算相结合的方法, 初步回答以下3个问题: (1)渭河中游的群发大型滑坡是否与周边历史地震有关系？(2)可能与哪些关键的历史强震关系密切？(3)如何定量评估和比较关键历史强震对区域滑坡的诱发效应？

1　区域活动构造背景

渭河中游地区位于大地构造的复合交汇部位,中部以渭河新生代断陷盆地为主, 北接鄂尔多斯地台南缘、南邻秦岭褶皱系北麓。区内由南向北主要发育4条活动断裂带, 即秦岭北缘断裂带、宝鸡—咸阳断裂带、渭河盆地北缘断裂带及陇县—宝鸡断裂带(图1)。在此区域活动构造背景下, 渭河盆地在近3000年以来, 集中发育了陕西省内绝大部分地震和所有强震(宋立胜等, 1989)。同时, 在渭河中游的斜坡地带, 活动断裂对坡体结构的控制作用十分关键。在汶川地震期间, 在千河右岸的贾村黄土塬面沿陇县—宝鸡断裂带中的千河隐伏断裂形成长约500 m的平直地裂缝。而在渭河北岸的塬边斜坡带,宝鸡—咸阳断裂带在地表的次级断裂切穿了浅表层黄土和古土壤, 控制了大型黄土滑坡的形态结构特征(辛鹏等, 2013)。在地震作用下, 断裂切割的塬边碎裂黄土体极易发生变形破坏, 形成大型滑坡。可见, 无论从区域活动构造控震角度, 还是从局地斜坡带活动断裂控滑角度分析, 渭河中游周边的历史强震对区内群发大型黄土滑坡的诱发作用均不容忽视。

2　滑坡编录与关键历史强震筛选

本文通过对研究区开展1:5万比例尺的滑坡详细调查工作, 共查明大型滑坡273处(石菊松等, 2013), 主要分布在黄土塬边斜坡带, 以及西南部基岩山麓的黄土丘陵区(图1)。需要说明的是, 这些滑坡是利用现有遥感解译及野外调查手段综合揭示的滑坡, 或者可以理解为在多期活动之后, 经过地貌改造至今, 其基本形态结构特征尚可辨识的滑坡。由于区内滑体以黄土为主, 滑后解体粉碎严重, 抗风化侵蚀能力差, 滑体形态能够保存至今的滑坡年代通常不会太过久远。因此, 年代更老的史前地震诱发的滑坡并非本文关注的重点。

鉴于我国西部大型地震滑坡主要发生在7级以上地震的极震区(孙崇绍等, 1997), 为了搜索渭河中游外围对区内滑坡诱发作用较为关键的历史地震,以下主要利用7级以上地震诱发滑坡最远致灾震中距(单次地震诱发滑坡分布区的外包线到震中的最远距离)分析方法, 从区域周边500 km范围内筛选出可能与区内群发滑坡有成生联系的关键历史强震。具体筛选分析过程如下:

王兰民等统计了西北黄土区5.5～8.5级地震诱发滑坡数据, 拟合了不同震级诱发滑坡集中区和滑坡散布区的最远致灾震中距De公式(王兰民等, 1999)(式1); 其中, 滑坡集中区是指地震滑坡成群连片分布, 滑坡数量占地震滑坡总数的80％～90％;滑坡散布区是指地震滑坡零星分布, 滑坡数量约占滑坡总数的10％～20％。孙进忠等统计了我国西部地震滑坡数据, 拟合了MS≥4级地震诱发滑坡的最远致灾震中距Rm公式(式2)(孙进忠等, 2004); 丁彦慧等利用相同的数据, 拟合了MS≥7.0级地震诱发滑坡的最远致灾震中距公式(式3)(丁彦慧等, 2000):

比较上述3种最远致灾震中距的计算公式和结果(表1), 可知对于黄土区地震滑坡的致灾震中距分析, 孙进忠、丁彦慧等的统计范围涉及广大中国西部, 所得相同震级的最远致灾震中距偏大; 王兰民等的方法相对更为适用, 其避免了因为考虑其他类型地震滑坡而使最远致灾震中距放大、评估精度降低的问题。这里主要参考王兰民等的方法, 利用历史震级和震中距指标, 从区域周边500 km范围内22处7.0级及以上历史地震中, 逐步筛选出4次关键历史强震, 并搜集了相应的地震参数(顾功叙, 1983; 吴富春等, 1989; 向光中, 2001; 赵云, 2008) (图1和表2)。

表1　不同震级诱发区域滑坡分布的最远致灾震中距Table 1　Farthest epicentral distance of seismic landslides distribution induced by earthquakes with different magnitudes

表2　渭河中游地区周边关键历史强震基本信息表Table 2　Basic information of key historical strong earthquakes around the middle reaches of the Weihe River

3　历史地震诱发滑坡位移及危险性的反演评估

本文采用目前国际上广泛应用的基于Newmark位移模型的地震滑坡位移及危险性评估方法(Jibson et al., 2000; Refice et al., 2002; Dreyfus et al., 2013; 王涛等, 2013), 定量反演上述4次历史地震对区内滑坡的诱发效应, 计算流程分为4步:①利用岩土体强度和斜坡形态参数, 计算区域斜坡静态安全系数Fs; ②利用Fs和坡度, 计算坡体临界加速度ac; ③利用矩震级Mw和震源距R, 计算在地震动Arias强度Ia分布; ④利用ac和Ia, 计算地震诱发区域斜坡体发生的永久滑动位移量, 并据此进行地震滑坡危险性分级。鉴于需要分别反演计算4次历史强震诱发的滑坡位移, 中间过程无需逐一赘述,这里仅以公元前780年岐山地震为例, 具体阐述反演评估的技术流程及结果。

图2　渭河中游地区地层岩性分布图Fig. 2　Lithologic distribution around the middle reaches of the Weihe River

3.1斜坡静态安全系数Fs

对1:25万区域地质图进行了数字化(图2), 以宝鸡黄土等典型岩土体物理力学测试为基础, 结合相关技术手册及经验标准, 补充完善了区内岩土体物理力学指标(水利水电科学研究院等, 1991; 中华人民共和国水利部, 1995; 谭成轩等, 2011; 石菊松等, 2013)。根据基于滑块极限平衡理论的斜坡安全系数Fs公式(式4)(Miles et al., 1999), 利用岩土体物理力学和坡体形态参数图层, 通过GIS栅格运算得到区域斜坡体的安全系数Fs分布结果。

其中: Fs为静态安全系数, c’为有效内聚力(MPa), γ为岩土体重度(N/m3), t为潜在滑体厚度(m), α为潜在滑面倾角(°), φ’为有效内摩擦角(°), m为潜在滑体中饱和部分占总滑体厚度的比例, γw为地下水的重度(N/m3)。

3.2斜坡临界加速度ac

临界加速度ac(Critical Acceleration)是指在地震动荷载作用下, 滑块的下滑力等于抗滑力时(极限平衡状态)对应的地震动加速度; 可以通过比较静力和地震动力条件下滑块的受力状态, 建立地震作用下的滑块极限平衡状态方程, 利用安全系数Fs推导得到(式5)(Wilson et al., 1983)。

其中, g为重力加速度(m/s2), α为滑面倾角(°),近似按斜坡的坡角取值。区域斜坡体临界加速度ac表征了在假设地震荷载作用下, 斜坡由于固有属性而发生坡体失稳的潜势, 可以作为区域地震滑坡易发性评估的依据。为了更为直观的表达滑坡不同易发程度的分布特征, 利用自然断点法(Natural breaks)将评估计算结果分为“高、中、低”3个易发性等级(图3A)。

3.3地震动Arias强度Ia

鉴于地震动的地形放大效应导致地震滑坡异常密集的现象在国内外地震中很普遍(Hartzell et al., 1994; Murphy, 2006; Peng et al., 2008; 黄润秋等, 2009), 本节在地震动Arias强度模拟的基础上, 利用经验式计算了地震动放大效应, 得到更能够反映实际情况的综合地震动Arias强度分布结果。

图3　公元前780年岐山地震对渭河中游滑坡诱发效应的反演评估图Fig. 3　Inversion assessing maps of the inducing effect of Qishan earthquake 780 BC on landslides around the middle reaches of the Weihe RiverA-区域斜坡临界加速度ac分布图; B-公元前780年岐山地震的地震动Arias强度分布图; C-岐山地震诱发区域坡体位移及危险性评估图A-regional slope critical acceleration acdistribution map; B-ground motion arias intensity distribution map of Qishan earthquake in 780 BC; C-regional slope displacement and hazard distribution induced by Qishan earthquake in 780 BC

图4　实际滑坡密度与反演历史地震滑坡位移关系曲线Fig. 4　Correlation curves of real landslide density and inversed historical seismic landslide displacement

图5　反演历史强震诱发滑坡效应的成功率曲线图Fig. 5　Success rate curves of landslide effects around the middle reaches of the Weihe River induced by historical strong earthquakes

3.3.1地震动的地形放大效应

《建筑抗震设计规范 GB 50011-2001》第4.1.8条文提供了针对局部突出地形的地震动参数放大效应的经验公式(中华人民共和国建设部, 2002):

其中: λ为局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数; α为局部突出地形地震动参数增大幅度; ξ为附加调整系数, 与斜坡离突出台地边缘的距离L与相对高差H有关。式中参数参考《规范》取值。本节利用DEM计算了坡高和坡度分布, 再根据式(6)计算了渭河中游黄土塬边或丘陵地区等突出地形的地震动放大系数结果。

3.3.2综合地震动Arias强度

Arias强度是衡量地震动强度的物理量, 通过强震记录中地震动加速度的平方在强震持时内对时间积分再乘以常数确定, 用Ia表示(m/s)(Arias, 1970)。相比地震动峰值加速度PGA仅指示了短时高频的脉冲幅值而言, Arias强度具有反映了地震动振幅、频率及持时等综合信息的优势, 这里采用Arias强度分析区域地震滑坡与地震动的关系。历史地震动Arias强度可以利用矩震级Mw和场地震源距R, 通过经验公式计算获得(式7)(Wilson et al., 1985):

其中, 历史地震的矩震级Mw利用面波震级MS,通过经验公式换算得到(金春山等, 1996):

根据公式(7)和(8)可得到渭河中游在岐山地震期间的Arias强度Ia分布, 在叠加地震动的地形放大系数之后, 即可得到岐山地震在渭河中游产生的综合地震动Arias强度分布(图3B)。

3.4地震作用下的滑坡位移DN

区域地震滑坡的Newmark位移可以表示为临界加速度ac和地震动Arias强度Ia的函数关系式(Jibson et al., 2000)(式9), 利用该式可对区域地震滑坡进行滑动位移量计算和危险性评估。

根据式(9), 可以得到公元前780年岐山地震期间渭河中游区域滑坡位移lgDN分布(图3C), 分级结果显示: 地震滑坡高危险区(或位移量较大)主要分布在黄土塬边、黄土丘陵区及南侧秦岭山前陡坡地段; 中等危险区分布在宽缓的黄土台塬及渭河谷地;低危险区主要集中在西南侧的秦岭、陇山基岩区及平坦塬面地段; 不同危险区的整体分布与现有大型滑坡的空间分布特征基本相似。

4　关键历史地震诱发滑坡效应的比较

为了直观地评判岐山地震对现有大型滑坡的诱发效应, 按照位移量对岐山地震诱发滑坡位移的反演结果进行分级(1～25级), 通过空间分析得到滑坡点密度与位移量的关系曲线(图4)。结果显示, 随着反演的位移量由大变小, 滑坡密度整体趋势也随之呈波状降低, 指示二者具有一定正相关性。同理,根据式(4)—(9)分别反演计算了其余3次地震在区内诱发滑坡位移的分布结果, 并与现有滑坡分布进行了相关性分析(图4), 对比4次反演结果的相关性曲线, 可知按照岐山地震→华县地震→海原地震→天水南地震的次序, 曲线形态逐渐由双峰波状过渡至单峰递减形态, 滑坡密度峰值(即实际滑坡分布较密集部分)逐渐向横轴左侧(即反演的滑坡位移量较大部位)靠拢, 表明反演地震诱发的滑坡位移分布特征与现有大型滑坡分布的吻合程度越来越高,可以定性地判断历史强震对区内大型滑坡的诱发效应依次变强。

为进一步定量地描述诱发效应的差异, 利用“成功率曲线”对4次地震诱发滑坡位移的反演结果与实际滑坡的匹配程度进行了检验比较(图5)。成功率曲线通常被用于滑坡危险性评估的有效性(或准确性)检验, 在平面直角坐标系中, 将实际滑坡的累积数量比率作为纵坐标轴, 将不同位移等级的累积面积比率作为横坐标轴, 绘制出实际滑坡分布与反演位移分布的关系曲线。利用线下面积(Area Under Curve, 简称AUC)作为成功率指标, 定量地判断历史地震滑坡位移量(或危险性)反演结果与现有实际滑坡分布的匹配程度; 线下面积越大, 表明匹配成功率越高, 反之则越低。

根据成功率曲线形态特征(图5), 可明显地将反演计算结果分为优劣两组, 其中海原地震和天水南地震曲线AUC介于0.80～0.81之间, 表明该两次地震诱发滑坡的反演结果与实际滑坡分布匹配程度较好; 但是岐山和华县地震曲线AUC仅达到0.60～0.72之间, 表明该两次反演结果与实际滑坡的匹配程度欠佳。这种“匹配程度”反映了特定历史强震对区内已编录滑坡的诱发效应或程度, 匹配程度越高, 则表明诱发效应越强; 因此, 可知4次关键历史强震对渭河中游群发大型滑坡的诱发效应由强至弱依次为: 1654年天水南MS8.0级地震＞1920年海原MS8.5级地震＞1556年华县MS8.25级地震＞公元前780年岐山MS7.0级地震。

5　结论与讨论

渭河中游地区在宏观尺度上, 位于汾渭地震带与六盘山地震带的交汇部位, 具有典型的区域强活动构造及强震活动背景; 而在局地尺度上, 陇县—宝鸡断裂带和宝鸡—咸阳断裂带则在坡体结构方面控制了塬边大型黄土滑坡的结构形态特征, 通过与汶川地震期间的区内震害响应比较, 推断区内大型群发黄土滑坡与历史强震的诱发作用具有必然联系。

运用强震诱发区域滑坡的最远致灾震中距分析方法, 逐步锁定渭河中游周边300 km范围内需要重点考虑其诱发效应的4次关键历史强震。并利用基于Newmark位移模型的地震滑坡位移及危险性评估方法, 反演了4次历史强震诱发区内滑坡的位移及危险性分布特征。借助成功率曲线对关键历史强震诱发坡体位移的反演结果和实际大型滑坡分布进行了空间匹配程度的比较, 结果显示: 1654年天水南MS8.0级地震对渭河中游现存大型滑坡的诱发效应最强, 次之为1920年海原MS8.5级地震, 再次为1556年华县MS8.25级地震, 公元前780年岐山MS7.0级地震的诱发效应最弱。综上所述, 本文提出的思路和方法为开展历史强震对区域群发滑坡诱发效应的反演研究提供了参考。

需要说明的是, 文中探讨的“诱发效应”并非特指某次地震诱发了区内大型滑坡。事实上, 研究区周边历史强震十分活跃, 必然存在多次诱发区域性滑坡事件; 然而, 除非具有可靠的史料记载, 否则试图通过现有技术准确揭示特定历史地震诱发特定滑坡事件的难度很大。正是由于历史强震对区域群发滑坡的诱发作用不容忽视, 且单体滑坡发育特征又具有随机性, 很难获得预期结果, 于是本文从区域滑坡群体发育特征所指示的宏观统计规律入手,通过经验与定量分析相结合的方法, 初步反演了近场和远场历史强震对区内群发大型滑坡诱发效应的强弱差异。

此外, 文中涉及历史地震的实测数据相对缺乏,在一定程度上限制了震源参数的定位精度; 同时,区域地震动衰减特征和地形放大效应也是主要利用经验公式模拟得到, 对地震动传播的场地效应分析偏于简单。鉴于此, 综合考虑震源模型、地壳介质、地表岩性组合及地形等复杂场地条件的斜坡地震动响应规律及其与地震滑坡的关系研究有待进一步深入。

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Inversion of the Inducing Effects of Historical Strong Earthquakes on Large-scale Landslides around the Middle Reaches of the Weihe River

WANG Tao, WU Shu-ren, SHI Ju-song, XIN Peng, LIANG Chang-yu
Key Laboratory of Neotectonics Movement & Geohazards, Ministry of Land and Mineral Resources, Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081

Exemplified by the middle reaches of the Weihe River, the authors tentatively developed a new method for the study of the inducing effects of historical earthquakes on regional large-scale landslides. First, an analysis of regional active tectonics and fault-controlling slope sliding revealed that the inducing effects of historical strong earthquakes on regional large-scale landslides around the middle reaches of the Weihe River must not be neglected. Secondly, the farthest epicentral distance of seismic landslides distribution was calculated and analyzed. On such a basis, the authors hold that inducing effects of 4 key historical strong earthquakes within 300km around the middle reaches of the Weihe River should be studied with special attention, i.e., Qishan MS7.0 earthquake in 780 BC, Tianshui south MS8.0 earthquake in 1654 AD, Huaxian MS8.25 earthquake in 1556 AD and Haiyuan MS8.5 earthquake in 1920 AD. Then, taking Qishan earthquake as an example, the authors described the inversion method for seismic landslide displacement and hazard assessment based on Newmark displacement model. The other 3 historical earthquakes triggering landslide displacement were inversed, and the inversion results were quantitatively compared with the distribution of existing large-scale landslides to show the spatial matching degree. The result indicates that Tianshui south MS8.0 earthquake served as the strongest one among the earthquakes inducing regional large-scale landslides around the middle reaches of the Weihe River area.

historical earthquake; landslide; Newmark displacement model; inversion; middle reaches of the Weihe River; loess

P315.01; P315.725

A

10.3975/cagsb.2015.03.10

本文由国家自然科学基金项目(编号: 41102165)、国家“十二五”科技支撑计划课题(编号: 2012BAK10B02)和中国地质调查局地质调查项目(编号: 1212011140003; 12120114035501)联合资助。

2014-08-21; 改回日期: 2014-10-19。责任编辑: 魏乐军。

王涛, 男, 1982年生。博士, 副研究员。近年来主要从事地震地质灾害调查研究。通讯地址: 100081, 北京市海淀区民族大学南路11号。E-mail: wangtao_ig@163.com。