藏东红层地区断裂对泥石流物源的控制作用—以西藏贡觉县哇曲中游流域为例

高波，张佳佳,3，陈龙,4，田尤，刘建康

（1.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川 成都 611734；2.自然资源部地质灾害风险防控工程技术创新中心，四川 成都 611734；3.成都理工大学地球科学学院，四川 成都 610059；4.成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059；5.西华大学应急管理学院/四川省应急管理学院，四川 成都 610039）

0 引言

泥石流是高山峡谷区常见的一种地质灾害，通常认为其形成须具备3 大条件，即物源条件、水源条件和地形条件，其中物源条件直接影响泥石流暴发规模、频率、容重等[1]，甚至控制泥石流的形成[2]。因此，物源形成条件是泥石流调查与评价的重要内容，此方面已有相关研究[3-10]，研究成果发现断裂构造是影响泥石流物源形成的重要因素。

目前对断裂控制泥石流物源作用的研究中主要有两类方向。第一类方向为利用统计学原理研究物源发育分布特征与断裂构造的关系[11-16]：如黄润秋等[4]提出了汶川地震发震断裂两侧崩滑的距离效应和上下盘效应：顾文韬等[17]指出安县高川乡泥石流物源分布具有明显的断裂上下盘效应、距离效应、锁固段效应和方向效应；有学者从崩滑物源方向和断裂走向的空间关系出发研究控制机理[18-19]，认为断层沿泥石流纵向延伸比横穿泥石流沟在沟道两侧引发的崩滑物源更容易参与泥石流活动。第二类方向为从构造损伤岩体角度分析控制作用[20-24]：如曹建文等[25]认为新构造运动形成的破碎带是贡觉县泥石流灾害发生的宏观地质背景；ZHANG等[26]指出活动断裂垂直穿越部分泥石流沟的形成区和流通区时，造成沟道两岸岩土体破碎强烈，易发生崩塌滑坡，为泥石流提供丰富物源；李孝攀等[27]对川藏铁路昌都段泥石流危险性进行评价时，将“断层破碎带”视为一种灾害类型；孙梦宇[28]认为安宁河断裂带影响范围内岩土体松散破碎，导致物源量大大增加，促进了泥石流灾害的发生。

藏东昌都红层地区地质构造复杂，泥石流为该区典型灾害之一，哇曲中游泥石流发育密度高，且左右岸呈现差异分布，为典型的泥石流高发育区。前人关于该区域泥石流物源条件的研究相对较少，缺乏从地质构造角度的深入分析。本文选取贡觉县哇曲中游泥石流为研究对象，对其发育特征进行了分析，重点从断裂构造作用与岩体结构、地层岩性、微地貌和地下水条件角度探讨了断裂构造控制物源条件的作用，为藏东红层地区泥石流精细化调查与长期风险演化趋势评价提供了理论支持，同时对该区交通要道的保护具有实际指导意义。

1 研究区概况

哇曲流域位于西藏昌都市贡觉县中部，西接贡觉盆地，属金沙江右岸二级支流。大地构造单元属于羌塘地块，位于青藏高原羌塘地块EW 与SN 向构造转折处，流域内构造发育，主要构造轴线呈NW—NNW 向（图1），金沙江缝合带西界断裂从研究区内穿过，成为对研究区影响最大的断层。地貌方面，研究区为高山峡谷地貌，最低点海拔3 925 m，最高点海拔4 590 m，相对高差320～760 m，流域地形平均坡度24°，局部大于40°。流域出露基岩主要为上三叠统灰岩、砂岩和粉砂岩，局部出露岩浆岩，受构造影响，岩体较破碎，风化程度不一。第四系堆积体主要分布在河谷和缓坡地带，出露范围较小，厚度不均。流域属大陆性高原季风气候，平均气温6.5 ℃，年平均降雨量480 mm，多集中在6—8 月。

图1 西藏昌都市构造背景和区域位置简图（据文献[29]修改）Fig.1 Schematic of the study area’s tectonic background and regional location (adapted from Ref.[29])

2 泥石流发育特征

根据现场调查，哇曲中游共发育泥石流19 条，均为降雨型泥石流，空间上主要分布在加赤托—库木段（图2），呈带状分布，发育密度0.84 条/km，贡觉县内泥石流发育密度为0.009 处/km2，发育密度远大于全县平均水平。其中，哇曲左岸分布泥石流12 条，占比63.2%，右岸发育泥石流7 条，占比36.8%，泥石流集中发育在哇曲左岸（表1），差异分布特征明显。

表1 哇曲中游泥石流特征参数Table 1 Characteristic parameters of debris flows in the middle reaches of Waqu River

图2 哇曲中游泥石流分布图Fig.2 Distribution map of debris flows in the middle reaches of Waqu River

2.1 泥石流地形特征

研究区泥石流流域面积主要集中在0.5～3 km2，主沟长度多小于2 km，呈现小流域特点。流域高差分布在500～800 m，主沟纵比降集中在150‰～300‰，平均沟岸坡度25°左右，局部大于50°，地形较为陡峻。对比左右岸泥石流地形特征发现（图3），左岸泥石流在流域面积、流域高差、主沟长度和主沟纵比降上略大于（高于）右岸泥石流，山坡坡度右岸略高，近乎一致。总体上，两岸泥石流地形条件基本一致。

图3 研究区泥石流地形特征Fig.3 Topographic characteristics of debris flow in the study area

2.2 泥石流堆积特征

经遥感解译、无人机航拍和现场调查，圈定了19条泥石流的堆积区，研究区内泥石流堆积物均分布于现代河谷内，边界清晰，堆积物可辨。哇曲左右两岸泥石流堆积物在堆积物粒径、堆积厚度和范围、堆积物原岩岩性等特征上均有不同，见图4（a）。

图4 左右岸泥石流堆积物差异特征Fig.4 Differential characteristics of debris flow deposits on the left and right banks

在堆积物物质组成和粒径方面，左岸泥石流堆积物为块碎石土或碎块石土，右岸为碎石土或砾石土，分选性好，磨圆差，左岸堆积物最大粒径和平均粒径均明显大于右岸泥石流堆积物（图5）。根据现场调查，左岸堆积物中块石碎石原岩岩性多为灰岩，来源于沟域中上游的T3b地层，粒径较大，少量砂岩来源于沟域中的T3j地层，见图4（b）。右岸堆积物由砂岩和粉砂岩组成，粒径小，分选性好，见图4（c）。灰岩的参与直接影响了两岸堆积物粒径和物质组成。

图5 研究区泥石流最大堆积粒径图Fig.5 Maximum deposit particle size of debris flow in the study area

在堆积厚度和堆积体积方面，左岸泥石流堆积厚度在1～2.5 m，平均堆积体积为24 450 m3，而右岸泥石流堆积厚度多约1 m，部分泥石流小于0.5 m，平均堆积体积为11 350 m3。

左岸堆积厚度和堆积体积较右岸大（图6），这和泥石流物源类型有直接关系。右岸泥石流物源几乎全部来源于岩体风化碎屑，颗粒较细，更易启动。左岸泥石流物源除风化碎屑外还有断层破碎带内的岩体崩落，粒径较大，物源储量更大，泥石流规模更大。现场调查发现，左岸部分泥石流呈现多期堆积特征，单次堆积厚度更大。堆积范围影响了堆积长度，右岸泥石流堆积区长度更长。两岸泥石流沟道与主河近乎正交，堆积扇冲入主河内均对河道造成不同程度地挤压，交汇处主河发生弯曲偏移。

图6 研究区泥石流累计堆积体积Fig.6 Cumulative deposit volume of debris flows in the study area

2.3 泥石流物源特征

通过遥感解译和现场调查复核发现，哇曲中游右岸泥石流以风化碎屑物源为主，呈全流域分布，平均厚度小。左岸泥石流以断层破碎带内的崩滑物源、风化物源和其余流域内的风化碎屑物源为主，平均厚度大，集中分布在流域中上部。为计算流域内物源储量（静储量），对断层破碎带内的物源采用剖面简化计算模型[30-31]，即以典型剖面上堆积物分布面积和沟谷内断层破碎带出露长度的乘积计算物源量，见图7、式1。风化碎屑物源采用现场调查的碎屑平均厚度和碎屑分布面积乘积计算，具体结果见表2。

表2 泥石流物源储量Table 2 Debris flow source material reserves

图7 物源量计算示意图Fig.7 Schematic representation of source material calculation

式中：Q——物源量/m3；

S1——碎屑物源分布面积/m2；

H——碎屑物源平均厚度/m；

S2——计算剖面上物源面积/m2；

L——沟谷内断层出露长度/m。

由物源统计表可得，左岸泥石流物源平均总储量为13.0×104m3，右岸为6.5×104m3。平均单位面积物源储量方面，左岸泥石流为8.1×104m3/km2，右岸为5.5×104m3/km2，平均总储量和平均单位面积物源储量左岸泥石流明显大于右岸泥石流（图8）。其中，左岸泥石流断层破碎带提供的物源占比为52%～83%，成为左岸泥石流形成的主要物源，也是影响左右岸泥石流物源差异分布的重要原因。

图8 泥石流物源特征Fig.8 Characteristics of debris flow source material

3 断裂构造对物源条件控制作用

影响泥石流形成的三大条件中，降雨在研究区小流域范围内分布特征无明显变化，对泥石流差异分布影响程度微弱。根据2.2 节中分析，研究区左右岸泥石流在主沟纵比降和山坡坡度最重要的地形因子上基本一致，地形条件相似。因此，影响泥石流差异分布的为物源条件。结合现场调查和流域地质背景，研究区断裂发育，影响泥石流物源条件的最重要因素为断裂构造。

经现场调查发现，流域内主要发育阿纳卓巴向斜，左岸发育的三条断层（JF1、JF2、JF3）为金沙江缝合带西界断裂及其分支断层（图9）。

图9 研究区地质背景剖面图（剖面位置见图2 中的A-A’）Fig.9 Geological background profile of the study area (Profile Location indicated by A-A’ in Figure 2)

JF1断裂为逆冲断裂，走向NNW 向，断裂面倾向NEE，倾角位于45°～60°，该断裂的南端被NW 向次级断裂所切割。研究区内断裂北段北东盘（上盘）主要以三叠系下统地层为主，少量古近系地层，南西盘（下盘）由古近系地层组成；断裂南段两侧均为三叠系地层。沿该断裂见陡崖的发育。卡多拉多断裂破碎带宽50～200 m，以脆性地层破裂为主。断裂上下两盘的地层产状错杂。研究表明JF1断裂第四系以来可能不再具有活动性，部分段落具有Qh 活动性[32]。JF2断层为逆冲断层，走向和JF1断层基本一致为NNW 向，上盘（北东盘）为波里拉组（T3b），下盘为甲丕拉组（T3j），沿该断层见坡中谷地形发育，有渗水点线状分布，破碎带宽度约180 m，全新世以来无明显活动迹象。JF3断层现场迹象不明显，未见断层破碎带，对研究区影响小。阿纳卓巴向斜轴向NNW 向，略弯曲，南东端昂起。枢纽起伏弯曲，轴面近直立。核部地层为夺盖拉组（T3d），两翼由甲丕拉组（T3j）、波里拉组（T3b）、阿堵拉组（T3a）组成。两翼次级背斜向斜发育，西翼被JF2、JF3断层所切，东翼较完整。现场调查获取的3 条断层的基本参数见表3。

表3 流域内断层特征参数Table 3 Characteristic parameters of faults within the watershed

断裂构造控制研究区内泥石流物源发育主要体现在改变岩体结构、控制地层分布、改变微地貌和地下水条件四个方面。

3.1 改变岩体结构

研究区内岩体发育多组结构面，根据35 处岩体结构面产状的统计结果，两组优势结构面在空间上的产出状态和区域主应力有较好的对应关系，见图10（c），说明受区域挤压应力作用，研究区内岩体出现变形破坏，形成多组结构面。J1、J2和岩层层面的组合切割下，形成了层状碎裂状的基本岩体结构，见图10（a）。

图10 研究区岩体结构特征Fig.10 Characteristics of rock mass structure in the study area

哇曲左岸处于哇曲向斜SW 翼中，次级褶皱发育，处于褶皱转折端的岩体内发育一系列的纵张节理、压性节理和横向节理，短而密集，岩体破碎，这成为泥石流发育的前提条件。岩体沿破裂面逆冲形成叠瓦状的JF1和JF2断层（图9），局部出现牵引褶皱，断层面陡立，倾向NE。JF2断层刚好穿过向斜的转折端位置，破碎带内岩体软弱结构面异常发育，岩体多呈碎裂—散体结构，完整性极差，见图10（b）。哇曲右岸无断层穿过，斜坡岩体完整性较左岸好。

通过计算左右岸泥石流范围内切割密度（单位面积内包含的侵蚀网长度），左岸切割密度大于右岸（左岸8.33 km/km2，右岸5.02 km/km2），这和左岸岩体结构和岩体质量有直接关系。构造改变了泥石流形成区的岩体结构，降低岩体强度，为降雨入渗提供了天然通道，同时加速了岩体风化速率和地表剥蚀速率，右岸泥石流沟内碎屑物质积累速率小于左岸，这成为左岸泥石流规模比右岸泥石流更大的重要原因。

构造影响范围内的破碎岩体成为泥石流源源不断的物源，物源储量和构造性质、规模等有直接关系，尤其以断层作用为主。一般认为大型断层破碎带更宽，影响范围更广[33-34]，更易形成大型物源或灾害。研究区内JF1、JF2断层属小型断层，该区泥石流规模为中、小型和此特征相对应。

3.2 控制地层分布

褶皱作用使得流域内地层连续变形，形成了一系列不同倾角不同倾向的地层，走向与褶皱轴迹平行，呈NW—NNW 向条带状分布，这成为流域内地层分布的基本框架。左岸断层逆冲作用导致上三叠统甲丕拉组T3j和波里拉组T3b地层以高角度推覆在阿堵拉组T3a和夺盖拉组T3d地层之上，该构造作用直接决定了研究区的地层分布情况，即左岸地层以T3j、T3b为主，右岸以T3a、T3d为主。

哇曲左岸泥石流形成区地层岩性主要为T3b和T3j的灰岩砂岩，哇曲右岸则为T3a和T3d的砂岩粉砂岩（图2）。左岸灰岩的岩石坚固系数大于砂岩[35]（灰岩10.0，砂岩5.0～6.0），两者形成了上硬下软的岩体结构，在相同自然营力条件下，砂岩抗风化能力较弱，风化程度较灰岩高，加之岩体破碎，在灰岩之下往往形成岩体凹腔，使得上覆灰岩凸出地表，似孤立岩体，见图11（a）。根据现场调查，褶皱作用形成了陡倾岩层，岩层倾角多在40°～65°，局部达60°～82°，大倾角岩体在自重作用下易于崩滑，堆积于坡脚或进入沟道，见图11（b），沟内储存较大量物源。哇曲右岸主要出露T3a和T3d地层的砂岩和粉砂岩，岩体风化程度较为统一，风化物质均为细颗粒，无崩滑类斜坡物源参与下难以汇集大量物源，这使得右岸泥石流在物源储量上普遍小于左岸泥石流。

图11 灰岩崩落Fig.11 Schematic view of limestone collapse

有灰岩参与的左岸泥石流在堆积体积、堆积物平均粒径、堆积厚度都明显大于（多于）其他岩性参与的右岸泥石流。灰岩是泥石流的重要物源，也是影响泥石流规模的重要岩体。

3.3 改变微地貌

受区域挤压应力作用，岩层褶皱形成哇曲复向斜，后续发育为哇曲河谷，两岸斜坡较为陡立。左岸两条断层以高角度逆冲推覆改变了斜坡地形，左岸斜坡起伏度更大。断层通过处断层破碎带地貌特征明显，经长年风化剥蚀形成坡中谷地形，见图12（a），斜坡局部近直立，似陡崖。右岸无断层穿过，斜坡较为平整，无明显起伏，见图12（b）。

图12 哇曲左岸断层地貌特征Fig.12 Geomorphic features of fault on the left bank of Waqu river

断层改变了左岸的微地貌，斜坡中部形成沟谷，越靠近断层面，地貌改变越明显。坡中谷地貌为岩体崩落提供了势能条件，顺斜坡向上下两侧断层通过处的坡中谷已成为流域内部分泥石流沟的重要支沟，沟内堆积大量物源有利于泥石流的形成。

3.4 改变地下水条件

哇曲左岸的断层破碎带形成了地下水的重要赋存和流动通道，此部位的地下水属于基岩裂隙水，在左岸斜坡中顺主河呈带状分布，宽度变化不均。破碎带岩体中裂隙密集发育，形成了一个较大的储水空间，裂隙又相互交错限制，空间延伸长度不一，因此破碎带内富水呈现不均匀性。

断层破碎带内岩体破碎，降雨和地表径流容易入渗，地下水受地表水补给程度高，经长期溶蚀和机械冲刷作用，左岸断层破碎带内的灰岩砂岩等出现强度衰减，稳定性降低。在现场调查中发现多处渗水点（图13），表明该处地下水位较高，较为富水，岩体长期处于浸泡软化状态。哇曲左岸断层一定程度上改变了断层通过处的地下水条件，改变了地下水位和富水性，改变了水循环系统，加速了渗流，降低了岩体强度，易于崩滑形成新的物源。

图13 岩体渗水特征（镜向150°）Fig.13 Seepage characteristics of rock mass（Mirror Direction 150°）

4 结论

文中选取贡觉县哇曲中游19 条泥石流进行地面调查和遥感解译，对其发育特征和物源控制因素分析发现：

（1）哇曲中游集中发育19 条小—中型降雨型泥石流，发育密度0.84 条/km，远高于贡觉县其他地区。其中左岸泥石流发育密度为1.10 条/km，右岸0.63 条/km，同时左岸泥石流在流域面积、主沟长度、堆积体积、堆积物平均粒径和厚度等特征上均高于（大于）右岸，呈明显差异分布。

（2）研究区内右岸泥石流物源以风化碎屑为主，呈全沟域分布，平均静储量为65 096 m3。左岸泥石流物源以崩滑物源和风化碎屑为主，平均静储量为130 269 m3，左岸泥石流物源储量明显大于右岸，其中断层破碎带内物源量占比52%～83%，集中分布在流域中上游，成为左岸泥石流的主要物源。

（3）断裂控制了左岸的地层分布，同时形成层状—破碎—散体状岩体，断层破碎带形成的坡中谷地貌使得灰岩易于崩落，砂岩易于风化，加之地下水条件的改变，降低岩体强度，形成大量物源。断裂构造以改变岩体结构、控制地层分布、改变微地貌和改变地下水条件四种方式控制了物源条件，成为左右岸泥石流物源积累速率和物源量差异的根本原因。

（4）贡觉县内断裂褶皱发育，岩体破碎，金沙江西界断裂从县内穿过，相似地质环境区分布范围较广，应注意此类泥石流的暴发。