川滇地区典型强震诱发滑坡分布对比研究

2022-12-19蒋涛崔圣华

科学技术与工程 2022年31期

蒋涛，崔圣华

(成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

2008年汶川地震以来，川滇地区相继发生了2013 年芦山Ms7.0级地震、2014 年鲁甸Ms6.5级地震和2017年九寨沟Ms7.0级地震等典型强震。在地震造成的次生地质灾害中，地震滑坡具有规模大、数量多和损害严重的特点，对人类以及大自然态环境造成严重破坏，对人类的生命及财产安全造成严重困扰。

影响地震滑坡数量和分布的因素较多，中外学者们对编录地震滑坡和分析地震滑坡分布规律开展了广泛的调查研究[1-7]。黄润秋等[8]通过遥感卫星目视解译等方法对汶川地震滑坡进行编录并且对滑坡分布规律进行了分析。在此基础上，Xu等[9]进行了进一步的解译和分析。Xu等[10-11]在高精度的遥感解译基础上，结合实地调查对芦山地震滑坡的分布规律进行详细了分析。吴玮莹[12]在前人的基础上，通过遥感解译建立了鲁甸地震滑坡编目，分析了鲁甸地震的分布特征。许冲等[13]对九寨沟地震滑坡进行了编录并进行了初步分析。

但是学者们大多数只是对单个地震诱发滑坡分布规律进行分析[14-16]，申通等[15]分析了汶川地震震中区崩塌发育规律。王毅等[16]从地形地貌、岩性和发震断裂方面分析了九寨沟崩塌的分布特征。史丙新等[17]对比分析了多个地震滑坡的分布规律。郭沉稳等[18]基于汶川地震、芦山地震、尼泊尔地震，利用 GIS 技术对其分布与断层距、岩性、坡位和坡形之间的关系进行了统计分析，还没有学者针对近年来的汶川、芦山、鲁甸、九寨沟4 次地震诱发滑坡的分布规律进行系统的对比分析，普适程度较弱，鉴于此，作者在前人研究的基础上，对4 次地震滑坡灾害机制、数量和分布等做了详细的工作，积累了大量的数据资料。从地震、地形以及地质3个大类提取了地面峰值加速度(ground peak acceleration，PGA)、烈度、距断层距离、高程、坡度、坡向、地层岩性7个因子分析了4次地震滑坡分布规律(图1)，以期找到具有普适性的滑坡分布规律，为滑坡的机理研究以及地震滑坡的灾害预测提供参考。

图1 4次地震位置分布图(据文献[19]修改)Fig.1 Locations of the four earthquakes events (modifiecl according to Ref.[19])

1 数据获得和分析方法

汶川Ms8.0级地震、芦山Ms7.0级地震、鲁甸Ms6.5级地震和九寨沟Ms7.0级地震滑坡数据主要来源于清华同方光盘股份有限公司、光盘国家工程研究中心和中国学术期刊(光盘版)电子杂志社共同研制出版的《中国期刊网全文数据库(CJFB)》，该数据库包含6 100种全文期刊，是世界上最大的连续动态更新的中国期刊全文数据库的中文期刊全文数据库。除此之外，还包括作者基于机载雷达解译所得的滑坡点(图2)。数据来源及相关得到的滑坡数量见表1[1,7,10-11]。

图2 九寨沟地震基于机载雷达的同震滑坡解译结果Fig.2 Interpretation results of Jiuzhaigou airborne radar co-seismic landslide

表1 四次强震引用数据来源Table 1 Four strong earthquakes cite data sources

通过对汶川Ms8.0级地震、芦山Ms7.0级地震、鲁甸Ms6.5级地震和九寨沟Ms7.0级地震诱发的地震滑坡的分布规律进行统计分析，并且对成因进行初步讨论，得到了相关的结论。

2 滑坡分布规律

地震诱发的滑坡灾害的发育和分布特征不仅受到地震本身内动力的影响，还受到地质条件和地质构造的影响，包括地层岩性、坡向、坡度、高程、断层破裂带等。主要选取地震、地质和地形3类因素中的7个因子：距断层距离、地面峰值加速度(PGA)、高程、坡度、坡向、地层岩性进行对比分析和研究(表2)。

表2 地震滑坡影响因子选取Table 2 Selection of influencing factors of earthquake landslide

2.1 PGA

根据国家强震动台网中心公布的地震PGA数据(表3)，结合PGA与震中距离的衰减关系，可知汶川地震震中的峰值PGA远远大于1 m/(cm·s-2)，鲁甸、芦山、九寨沟地震的PGA则约为1 m/(cm·s-2)。

表3 4次强震的最大峰值PGA Table 3 The maximum PGA of strong motion record in four earthquakes

文献[17]证明，地震滑坡的分布情况与PGA的大小具有明显的正相关性。对比汶川、芦山、鲁甸和九寨沟地震4次地震滑坡分布情况与PGA的关系[图3(a)]，当PGA一样时，地震滑坡数量与地震震级呈现明显的正相关性，九寨沟地震与芦山地震震级相同都是7.0级，当两次地震震级相同时，在PGA为0.12g(g为重力加速度)和0.36g的条件下九寨沟地震的滑坡数量略高于芦山地震的滑坡数量。通过进一步分析地震滑坡分布密度与PGA的关系[图3(b)]，汶川、芦山地震2次地震滑坡的分布密度随PGA变大而增加；但是鲁甸和九寨沟地震的滑坡数量反而呈现出先增加后减少的关系，推测这可能是由于这两次地震滑坡的规模相对较小。总之，随PGA的增加，芦山地震滑坡数量不断增加，汶川、鲁甸和九寨沟地震的滑坡数量先增加，但是在PGA到了一个值后(汶川地震约0.8g，鲁甸地震约0.2g，九寨沟地震约0.24g)，滑坡数量开始下降而后又有缓慢增加。

图3 滑坡分布与PGA的关系Fig.3 Relationship between distribution of earthquake landslides and PGA

图4(a)为汶川、芦山、鲁甸地震3次地震分别在PGA为0.12g、0.24g、0.36g时滑坡数量随震级变化的关系，可知随着PGA的增加，三次地震滑坡数量都在增加。图4(b)为由于九寨沟地震与芦山地震震级相同都是7.0 级，当两次地震在震级相同时，并在相同PGA条件下，两次地震的滑坡数量也是随着PGA的增大滑坡数量也增多，并且在整体上九寨沟地震滑坡数量略高于芦山地震滑坡数量。

图4 地震滑坡分别在震级、PGA相等时数量分布Fig.4 The quantity distribution of seismic landslides when the magnitude and PGA are equal

2.2 断层距

相关的研究发现地震滑坡的分布情况主要是呈线性沿着发震断层的破裂带分布。从整体上看4次地震滑坡分布与距离发震断层的距离具有较为明显的衰减关系(图5)。

图5 滑坡分布与断层距离关系Fig.5 Relationship between distribution of earthquake landslides and fault distance

从图5(a)可以看出芦山地震滑坡的趋势与汶川地震是相似的，都是整体上呈现出地震滑坡数量随着到断层距离的增加而逐渐减少。鲁甸与九寨沟地震滑坡与前后两次地震滑坡趋势不相同，且相对于前面两次地震滑坡来说，这两次地震在总体上距断层距离仅有约15 km，在距离上就小得多。但这两次地震滑坡的整体变化趋势特征也是与前两次地震滑坡相类似的，都是在距离断层5～20 km的范围内分布的滑坡数量相对较多。还可以得出随着每次地震震级的增加，断层所能影响到的滑坡分布最大范围也随之增加。汶川地震震级为8.0级，其影响滑坡分布的最大距离约50 km，芦山地震震级为7.0级，其影响滑坡分布的最大距离约35 km，鲁甸地震震级为6.5级，其影响滑坡分布的最大距离约15 km，九寨沟地震震级为7.0 级，其影响滑坡分布的最大距离与鲁甸地震相类似，约14 km，出现这样的情况初步分析是由于地震的滑坡分布还受到地质条件(断层构造、地形地貌)的影响。汶川与芦山地震的滑坡数量都是随着距断层距离的增加而逐渐减少。汶川地震的震中在逆冲为主兼具走滑的映秀—北川断裂带上上，而芦山地震一般认为发震断层双石—大川断裂，鲁甸、九寨沟地震震中距离发震断层具有一定的距离，断层主要为走滑性质。这种震源距发震断层远近以及发震断层性质的差异，导致并不密集的芦山、鲁甸与九寨沟地震滑坡分布。这或许是滑坡数量分布与断层距离衰减关系不明显的原因。

对4次地震的断层最大影响距离进行归一化处理，并以23%、43%、63%、83%比例分组，得到地震滑坡数量在四组的累计数量分布曲线[图5(b)]。汶川地震滑坡有83%分布在距最大断层影响距离约10 km的23%处。而芦山、鲁甸和九寨沟地震仅31%、27%和29%。在断层距离比为43%时，芦山、鲁甸和九寨沟地震滑坡累计数据仅65%左右，而汶川已达到95%。在断层距离比为63%时，芦山、鲁甸和九寨沟地震滑坡累计数据在85%左右，而汶川却只有55%左右。在断层距离比为83%时，芦山、鲁甸和九寨沟地震滑坡累计数据在90%左右，而汶川仅有75%左右。

2.3 烈度

4次地震在不同烈度区下的滑坡分布不同，如图6(a)可知汶川地震滑坡和鲁甸地震滑坡大部分滑坡都分布在Ⅶ度及以上区域，并且整体是两次地震滑坡数量与烈度大小正相关，烈度越大地震滑坡数量越多。分析芦山与九寨沟地震滑坡可得出两次地震滑坡分布主要在Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ烈度区，随着烈度的增大，滑坡数量呈现出先增加后减少的趋势，芦山地震在VII烈度区上滑坡数量最多，九寨沟地震在VIII烈度区上滑坡数量最多。

2.4 岩性

坡体的稳定性与岩土体自身的结构特征密切相关。当发生地震时，地震就会破坏了岩土体的结构，使得那些容易发生滑动的岩体自身的力学性质改变，如一定程度上减小了发现的压应力，并使得下滑力增大，最终超过临界值而发生滑动。从宏观上看，汶川、芦山、鲁甸和九寨沟地震发生在川滇地区边界的褶皱山系。该地区的岩层受水平方向的作用力明显，原生构造地貌基本未完整，但是岩层弯曲明显，发育褶皱，节理。在地震影响下多临空面更容易发生崩塌滑坡，软弱的地层岩性相比硬质的地层岩性来说更易发生滑坡。主要依据岩石的物理力学性质差异，以岩石的坚硬程度作为划分标准对4 次地震的岩性进行分组(表4)，将研究区分为极软岩、软岩、较硬岩、硬岩4大类。

表4 岩石坚硬程度划分Table 4 Classification of rock hardness

根据滑坡数量与岩性的分布关系[图6(b)]，发现总体上4次地震滑坡累计在软岩区分布较多。在4次地震中，由于第四系的覆盖面积小，因此第四系上分布的滑坡数量较少。汶川地区由于千枚岩等较软岩分布面积广，由于软岩的弱力学强度和低稳定性，因此在汶川的软岩区分布着大部分滑坡。但是再比较汶川的硬岩区，发现在硬岩区汶川地震也分布着与软岩区差不多的滑坡数量，这主要是因为汶川地震里氏震级达8.0，非常强烈的震动效应使得汶川地震区发育着大量滑坡等地震灾害。芦山地震触发的滑坡在软岩(泥页岩、泥质砂岩)中发育着大量滑坡，较硬岩和硬岩逐相对较少。鲁甸与九寨沟地震的滑坡分布相类似，在较硬岩区分布最多，软岩和硬岩相对较少。主要原因可能是因为这两次地震区的硬质岩分布范围相比软岩范围较广。

图6 滑坡分布与烈度、岩性、高程、坡度关系Fig.6 Relationship between distribution of earthquake landslides and topographical parameters

2.5 高程

以200 m为间隔统计了4次强震不同海拔高度滑坡数量分布[图6(c)]。汶川震区在1 000～3 000 m海拔范围内汶川地震滑坡数量较多，这一海拔范围内滑坡数量超过10 000 处，但是在海拔高于3 000 m后汶川地震滑坡数量急剧变少。芦山震区在800～1 600 m区间滑坡分布较多，在海拔高于2 000 m后滑坡数量显著减少。鲁甸震区的地形起伏极大，海拔最低点682 m，最高点3 513 m。鲁甸震区的滑坡数量相对较少，在海拔为1 200～1 600 m滑坡数量相对最多但都小于100处。九寨沟地区的最高海拔4 764 m，最低海拔1 160 m。在平均海拔2 400～2 800 m九寨沟地震滑坡数量分布相对最多，但是整体滑坡数量较少，主要原因可能是因为九寨沟地震灾害集中分布在靠近河流处，属于较低海拔地区，同时也可能因为受人为因素在高海拔地区的解译不完整影响。

2.6 坡度

一般来说，坡度越大则越容易引发滑坡地质灾害。不同的地震事件，地形地貌、地质构造等条件不同，因此地震滑坡发育的优势坡度范围也不同。如图6(d)对4次地震坡度进行对比，统计后发现汶川地震滑坡数量是先逐渐增加到40°左右，并在坡度为40°左右时滑坡数量达到最多大约为40 000个，坡度超过40°后滑坡数量又伴随着减少；芦山地震滑坡数量与坡度的关系整体上虽然也是先增减后减少，并在40°左右的时候达到最大值，但这种变化较为缓慢，坡度处于20°～45°时滑坡数量差不多一样，折线几乎水平，无明显变化。鲁甸地震的滑坡也与前面两次地震的滑坡集中分布坡度范围差不多，整体滑坡分布趋势都是先随坡度的增加而增加，到一定峰值后逐渐减少，汶川和鲁甸地震滑坡的坡度集中分布在30°～50°，芦山地震在20°～45°，九寨沟地震滑坡集中分布在35°～50°范围内。

2.7 坡向

4次地震在坡向上没有表现出明显的规律(图7)，这和一些学者的一些看法大体一致(参考文献[20])。汶川地震与芦山地震的发震断裂走向整体上为NE-SW向，同时在SE向两次地震滑坡分布最多；鲁甸地震断裂为包谷垴—小河断裂走向为NW-SE向，地震滑坡数量在W、NW向较多；九寨沟地震的发震断裂可能是塔藏断裂东部的一条分支，其断裂带的总体走向为NW-SE向,九寨沟地震滑坡在NE、SW向滑坡最多。

图7 滑坡分布与坡向关系Fig.7 The relationship between landslide distribution and slope aspect

3 差异性特征分析

3.1 发震断裂

汶川和芦山地震为逆冲型断裂，存在明显的上盘滑坡破坏比下盘严重的“上下盘效应”[21]。对于具有明显地表破裂长度的逆冲断层，L(L1或L2)和R(R1或R2)分别定义为上盘(A)或下盘(B)上的场地到地表破裂和震源的距离。如果A和B与地表破裂的轨迹距离相同(L1=L2)，则上盘A与震源(R1)之间的距离比下盘B(R2)之间的距离更近[图8(a)][22]，所以，这种直接的位置特征导致上盘的震动比下盘的震动更剧烈，同时上盘强地震的衰减相对于下盘要缓,此外，其中一个有两条逆冲断层F1和F2的陡峭断层面F1，另一个有中等断层面F2[图8(b)][22]。A位于F1上盘，B位于F2上盘。如果两个地点到震源的距离相同(R1=R2)，则A距离地表破裂的距离比B远(L2>L1)。这种位置特征导致了上盘的滑坡数量多于下盘而且中等断层带触发的同震滑坡的带要比陡峭断层带的宽。对于正断层及走滑断层型地震，同样存在“上下盘效应”，但是不如逆冲断层明显，更多还是受到“断裂带效应”影响更为严重。

L1或L2为到地表破裂的距离；R1或R2为到震源的距离图8 逆冲断层的上盘效应[22]Fig.8 Hanging wall effects of thrust fault[22]

地震断层发生走滑运动，地震诱发的滑坡沿发震断层两侧呈线性分布，正好鲁甸、九寨沟地震都是左旋走滑型。九寨沟地震滑坡沿NW-SE向断层呈带状分布，沿沟谷较为发育，具有明显的“断裂带效应”，主要分布发震断层两侧10 km范围内，离断层越远，滑坡数量衰减越明显，鲁甸地震滑坡的空间排列走向与发震断裂包谷垴—小河分支断裂大致垂直，而沿NW向昭通—鲁甸主断裂平行分布。

3.2 震级

地震震级是衡量地震本身大小的尺度，由地震所释放出来的能量大小来决定。释放能量越大，地震震级也越大。震级每相差1.0级，能量相差大约32倍。由表5可知地震震级越大滑坡数量越多。芦山与九寨沟地震震级相同但滑坡数量相差较大，主要原因是九寨沟海拔最高，且研究区植被少，基岩裸露，使得研究过程中解译不完全。

表5 震级与滑坡数量关系Table 5 Relationship between magnitude and number of landslides

3.3 地层岩性

地层岩性对地震滑坡的分布有重要影响[6]，如表6是4次地震在划分的四类岩性中滑坡分布最大数量的比较表。第四系上滑坡分布几乎没有，是因为这里只选取了每次地震滑坡数量的最大值，说明在4次地震区域，第四系上的滑坡分布不多，主要可能是由于4次地震区域内第四系的覆盖面积小；汶川地区相比其他三次地震在硬岩区与软岩区的滑坡数量最多，一方面是千枚岩等软岩分布面积广，岩石力学强度低，稳定性差；另一方面是硬质岩在里氏震级达8.0的汶川地震影响下，强烈震动效应导致岩体上发育大量破裂，为地震触发滑坡提供有利条件。

芦山地震触发的滑坡相比其他三次地震滑坡在软岩(泥页岩、泥质砂岩)中发育这大量滑坡，较硬岩和硬岩逐相对较少，主要是由于软岩的力学强度低，稳定性较差。鲁甸与九寨沟地震的滑坡分布相类似，都是在较硬岩区分布最多，主要原因可能是这两次地震区的硬质岩分布范围相比软岩范围较广。一般情况下，硬岩的工程性质好于软岩，因此，通常认为地震作用下硬岩区的滑坡数量会小于软岩区，通过4次地震触发的滑坡数量分布与岩性关系的分析，却发现硬岩区中的滑坡数量分布更多更广。

表6 岩性与每次地震滑坡最大数量关系Table 6 Relationship between lithology and maximum number of landslides per earthquake

3.4 地震烈度

地震烈度直接反映了地震破坏作用的大小。在本研究中汶川地震最大烈度为Ⅺ度，芦山、鲁甸和九寨沟地震最大烈度都是Ⅸ度。地震烈度越高，地面水平PGA越大，当其他条件都相同时，处于失稳状态的坡体的位移量也越大，越易发生滑坡以及崩塌[23]。汶川、芦山和九寨沟地震滑坡的最多数量不是分布在其烈度最高区域，原因是最大烈度区覆盖面积较小，并且最大烈度区滑坡密度过大对遥感解译有影响。但是看表7在较低的烈度区，芦山地震分布着大量滑坡，推测主要原因可能是汶川地震和芦山地震的震中距离相隔仅80 km，芦山地震的部分低烈度区岩体在之前受到汶川地震中已经影响已经损伤，然后在芦山地震叠加影响下超过岩体破坏的阈值，使得芦山地震的部分低烈度区内也有大量的滑坡分布。

表7 烈度与最多滑坡数量关系Table 7 Relationship between intensity and maximum number of landslides

3.5 断层错动方向

与地震波传播方向一致的斜坡更易发生滑坡[12]，许强等[24]对汶川地震滑坡的分析发现滑坡在坡向上的分布情况受到断裂错动作用和地震波传播的影响，并将其归结为“断层错动方向效应”与“背坡面效应”。表8汶川地震、芦山地震同时两次地震滑坡多为南东向；鲁甸地震由于其断层破裂方向为由北西-南东自下而斜上扩展，到达南东部形成地表破裂，因此北西向滑坡数量多，南东向滑坡数量少，但多为大型滑坡；九寨沟地震的发震断裂推测是塔藏断裂东部的其中一条分支，其断裂带的总体走向为北西-南东向，推测主要受岷江和塔藏断裂的影响，当然除受到断层走向的影响外还与九寨沟地震发震构造为左旋走滑行型断裂构造相关，因此九寨沟地震滑坡北东、南西向滑坡分布较广。

表8 断层走向、滑坡最佳坡向关系Table 8 Relationship between fault strike and optimal slope aspect of landslide

地震的破裂是从震源处开始，伴随着横波(S波)的传播[图9(a)]。破裂以大约等于S波速度cs的速度vr扩展。如果vr接近但低于cs，则剪切波前集中在正向，并在反向分离[图9(b)][25]。在Somerville等[26]的研究中，这种现象被称为向前方向效应。已经证明，向前方向效应可导致正向的更大振幅和更高频率[27-29]。同时，它导致地震能量释放在垂直于断层走向的方向上更加显著[30]，这就很好地解释了汶川地震、芦山地震两次强震诱发的滑坡主要为南东向。