2023年甘肃积石山MS6.2地震中川乡泥流成因及破坏性分析

摘要：2023年12月18日23时59分，甘肃临夏州积石山县发生6.2级地震，并诱发了大量地质灾害，其中，中川乡砂土液化泥流灾害造成了重大的经济损失与人员伤亡，亟需对其特征、成因、破坏性进行分析厘定。根据已有文献资料，利用获取的高精度、高分辨率数字成果，借助影像解译、地面调查，对震后泥流灾害进行综合分析。结果表明：（1）易滑且饱水黄土在地震的震动载荷作用下，土体内孔隙水压力迅速升高导致砂土液化，最终土层失稳破坏，导致台地边缘垮塌与地震滑坡。土水混合物在重力作用下，顺着高差沿沟谷、冲沟前进形成液化型滑坡-泥流灾害。（2）此次灾害现象并非泥流单一作用，而是砂土液化导致的泥流和砂涌同时存在，二者同时发生的概率很低，破坏性极大。（3）此次地震为典型的“小震、中震大灾”情况，相比其他相似成因液化滑坡灾害，其规模更大;相比其他相近震级地震，其造成的破坏及伤亡更大。此次地震诱发的地质灾害具有一定的特殊性与异常性。

关键词：积石山MS6.2地震; 液化泥流成因; 破坏性分析; 砂涌

中图分类号： P315.9文献标志码：A文章编号： 1000-0844（2024）04-768-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240110001

Causes and destructive analysis of the liquefied mudflow in

Zhongchuan Town triggered by the 2023 Jishishan，

Gansu MS6.2 earthquakeBAI Zhuoli， JI Lingyun， ZHU Liangyu， CHENG Hongbin，XU Jing，

BIAN Zongpan， WANG Jinshuo， LI Yan， TANG Hongtao

（The Second Monitoring and Application Center， CEA， Xi'an 710054， Shaanxi， China）Abstract：

At 23：59 on December 18， 2023， an MS6.2 earthquake struck Jishishan County， Linxia Prefecture， Gansu Province， triggering several geological disasters. One of the most severe was a sand-soil liquefied mudflow disaster in Zhongchuan Town， which caused significant economic losses and casualties. It is crucial to analyze its characteristics， causes， and destructiveness. Using existing references and high-precision， high-resolution digital data， we conducted a comprehensive post-earthquake mudflow analysis through image interpretation and ground investigation. The results showed the following： （1） The saturated and slippery loess experienced a rapid increase in pore water pressure owing to seismic load， leading to sand-soil liquefaction. This destabilized and destroyed the soil layer， causing the collapse of the plateau's edge and triggering seismic landslides. The soil-water mixture then flowed down the slopes and valleys under the influence of gravity， forming a liquefaction-type landslide-mudflow disaster. （2） The disaster was not a single mudflow event but a simultaneous occurrence of mudflow and sand gushing caused by sand liquefaction. This dual action is extremely rare and highly destructive. （3） Despite its moderate magnitude， this earthquake exemplifies the “small and medium quake， large disaster” scenario. It caused greater destruction and casualties compared to similar-scale earthquakes， highlighting its particularity and abnormality.

Keywords：Jishishan MS6.2 earthquake; cause of liquefied mudflow; destructive analysis; sand gushing

0引言

据中国地震台网中心发布，2023年12月18日23时59分，甘肃省临夏州积石山县发生6.2级地震，震源深度10 km，最高烈度达Ⅷ度，震中5 km范围内平均海拔约2 793 m。地震造成大量房屋、交通、水利及电力等基础设施受损，同时诱发大量滑坡、崩塌、砂土液化导致的泥流等地震地质灾害。截至2023年12月31日，该地震造成151人遇难，979人受伤;其中，甘肃117人遇难，青海34人遇难［1-2］。相比近年来数次MS6.0以上地震，此次积石山地震造成的人员伤亡明显要更严重。如2017年九寨沟MS7.0地震造成25人死亡，525人受伤，6人失联;2022年泸定MS6.9地震造成93人死亡，25人失联;以及2013年甘肃岷县—漳县MS6.6地震造成95人死亡，1 366人受伤。此次地震在青海省民和县中川乡金田村和草滩村一带诱发了一起特殊泥流灾害，造成13人遇难［3-6］。类似构造规模的黄土滑坡泥流发生过两次，分别为1920年宁夏海原MS8.5地震在固原市石碑塬引起的底部液化型黄土滑移和2013年甘肃岷县—漳县MS6.6地震在永光村西滑坡引起的液化流滑［7-9］，但均未造成如此重大的人员伤亡。

地震发生后，国内多个研究团队即时开展相关研究。中国地震局地震预测研究所使用区域台网资料，采用CAP方法反演了2023年12月18日甘肃临夏州积石山地震的震源机制解［10］;中国地质调查局铁永波团队对积石山地震与泸定地震的地质灾害发育规律做了对比研究，为不同断层类型和不同地貌区同震地质灾害重点防范区范围划定、趋势预测提供科学参考［11］;长安大学黄观文团队利用GNSS、RTK、GNSS加速度计自适应融合技术以及小波变换等方法综合分析了主震和余震对边坡体的破坏性影响［12］。以上对此次地震震中及远场同震灾害链、滑坡易滑区开展了相关研究，但对其次生灾害最为严重的砂土液化泥流区域研究较少。本文拟利用高精度、高分辨率数字正射影像模型（Digital Orthophoto Model，DOM）和数字表面模型（Digital Surface Model，DSM），通过影像解译、地面调查，结合区域发震背景等资料对泥流-砂涌区域的成因与其破坏性进行分析。

1发震断裂地质构造背景

甘肃省积石山MS6.2地震震中位于拉脊山—积石山构造带附近，该构造带西接日月山断裂带，东接西秦岭断裂带。此次地震的发震断裂可能为拉脊山北缘断裂东段，为一条走向NNW、倾向SWW的挤压逆冲型断层，断层两侧地貌高差显著［13-14］。拉脊山北缘断裂带全长230 km，由数段弧状不连续的断裂带组成。断裂两盘主要由断裂西侧积石山和断裂东侧低缓丘陵内嵌盆地组成，东侧即循化大河家和官亭两个河谷盆地。河谷宽百米至数千米不等，丘陵起伏，黄土深厚，黄河发育有多级阶地。此次积石山地震在黄河左岸的官厅盆地中川乡金田村引发一起因砂土液化自北向南、沿沟谷向下流动的泥流次生灾害［15-18］。

积石山地震震中位于积石山县西部8 km外的柳沟乡，震源机制反演结果［19］如图1所示。本次地震为逆冲型地震，带有少量右旋走滑分量，破裂面呈现NNW-SSE走向。震区地层岩性复杂，更新世和全新世沉积了大量洪冲积扇、河流相的砾石土、砂、黏土，以及风成马兰黄土层［20］。研究资料显示积石山地震震中周边200 km范围内，1949年以来发生6.0～6.9级地震2次、5.0～5.9级地震14次，其中，震级最大为2013年7月22日甘肃岷县—漳县MS6.6地震，该地震震源深度20 km，距本次震中的距离约185 km［21］。

2数据采集与处理

研究区取自应急科考数据，采集任务区域为中川乡泥流-砂涌灾害区。中川乡整体地势相对平坦，为小型黄土台塬，主要由砾石层、漫滩沉积、黄土及上覆粉砂层组成［22］。泥流区域北部物源区可见饱含水耕植土、红黑色互层黏土、马兰黄土上覆于漫滩沉积及上更新统砾石层之上，如图2所示。土壤胶结疏松，孔隙度大，水敏性强，水土侵蚀严重。台塬保留较多沟壑、冲沟，台地边缘均存在临空面，其边缘处均利于同震地质灾害发育。

通过对研究区开展高精度航摄数据的采集工作，最终获取了典型的泥流-砂涌灾害区高精度数字成果DOM、DSM以及三维实景模型。基于上述高

分辨率航测成果与现场踏勘照片，确定了泥浆涌出口地表位置并初步分析了此次泥流-砂涌灾害的发生机理，同时从DSM结果中量测地表塌方边界点处的垂直位移量，量化泥石流覆盖面积、损毁房屋及其他基础设施，综合分析泥流成因及此次灾害破坏性，为震后救灾工作提供详细且精确的数据支撑。

2.1航测方案与数据采集

考虑到灾区环境恶劣性，本文借助QPAD分米级平板定位仪（差分精度2 cm+1 ppm）、DJI Phantom 4 PRO无人机。依据灾区现实地貌状况，布设了5个像控点，制定了相应的飞行计划，如图3所示：航向重叠度75%、旁向重叠度为70%。每个架次起飞点选择原则为：尽量靠近测区、尽量靠近起始拍照点、环境尽量开阔避免遮挡干扰;飞行高度不高于150 m，以确保航测结果的影像分辨率达到2.6 cm。在采集正射数据的基础上，对核心区域补充了倾斜摄影测量，细化了沟槽及房屋细节纹理。

2.2数据处理

将原始高分辨率航摄影像作为基础数据，基于Pix4D mapper、ArcGIS等专业数据处理软件，经高精度位置与姿态测量系统（Position and Orientation System，POS）数据导入、像控点刺点、空中三角加密（简称空三加密）测量等环节，制作测区数字成果，过程步骤如图4所示。在数据处理前，对原始影像数据进行筛查，其次为解析空中三角测量。通过利用地面布测的少量控制点数据进行内业航片刺点，利用少量地表控制点通过空三加密，实现求解外方位元素［23］。在解析空中三角测量完成后，对其成果进行检查，包括影像点云数据是否含有分层、空洞、飞点、畸变等几何异常现象。对空三点云数据作进一步加工处理，即可完成对测区DOM、DSM的生产。数据成果如图5所示。

3地震地质灾害分析

3.1泥流成因分析

此次地震在中川乡金田村和草滩村引发了大规模地质灾害——地震泥流［24］。依据上述高分辨率数字成果（覆盖中川乡金田村、草滩村，距离震中约15 km），对测区进行了精细化遥感解译。

区域北高南低，泥流自北向南（物源区至金田村）沿高差约100 m的坡面向下流动。经震前，震后影像以及倾斜摄影三维模型比对，北部物源区土层垮塌失稳所形成的新鲜出露面与旁边未垮塌土层在颜色、植被覆盖等方面存在明显差异。原村道（黄色直线标注）修建于较高台地一侧，垮塌发生后村道及其路基被整体向东搬移并掩埋（橙色虚线）;绿色虚线指示其较高台形成的阴影;红色箭头指示其垮塌边界处。物源区东边界基本可确定为公路所在的高台地上，图6（c）为物源区东北处分界，图6（d）为物源区东南处分界。物源区西部、北部、南部边界特征明显，能被较好地确认。经量测，泥流物源区面积约0.12 km2，除物源区外流通堆积区面积约0.39 km2，仅物源区垮塌土方量约41.58×104 m3（图7）。泥流运移距离约3.0 km，坡度比0.033，表现出较高的流动性。此外，在泥流北部物源区选取了两处垮塌点进行微地貌定量分析（图8），得出垮塌点P1位置处垮塌垂直位移约6.6 m，物源区西侧耕地P2位置处垮塌高差约5.8 m，两点南北向距离约180 m。

依据高精度数字成果及地面调查，此次受灾区域地处多级黄土台塬构成的斜坡，整体北高南低，高差达100 m，物源区南北缘高差达30 m，泥流区域中部、南部开挖处多见稀软土体。金田村、草滩村地处黄河故道，7—9月降雨适中，加之高强度（每年3～4次）灌溉和耕种等原因，冬灌后地下沙土含水量较高。通过ERT揭示滑源区的地下水埋深在15～20 m之间（马兰黄土层），斜坡下方田间地下水埋深在5～10 m［25］。分析此次地震诱发泥流的滑动距离、滑动规模、泥流形态以及上述含水土层位置，确定此次地震诱发黄土滑坡为液化型滑坡。液化型滑坡是指黄土斜坡不同部位的饱和黄土在强地震动作用下，孔隙水压力显著上升，有效应力降低导致液化发生，液化土层形成滑动面（带），导致上覆非饱和土体滑移或自身形成泥流，即液化滑坡泥流。

除顺沟槽移动的液化泥流之外，此次灾害现场还存在砂涌口。液化形成的泥流与常规地震中因液化而喷水冒砂现象为不同概念。砂涌是指地下含水量高的砂土在地震发生时遭受强烈震动，挤压后快速液化，沿着通道涌出地面的现象，其砂涌机制如图9（d）所示。砂涌的规模往往比较小，涌出地表的砂土一般也不会远距离流动，易就地堆积，很难将房屋包围掩埋，而液化泥流在规模、破坏性等方面均大于砂涌灾害。在6.2级地震的诱发下，原本相对稳定且易滑的砂土液化后遭受急剧上升的压力，顺着充填裂隙而涌出地面，形成砂涌口［图9（d）］。此处砂涌区域与整体灾害区域地势一致，呈北高南低，但明显与北部物源区泥流冲刷方向相反，涌出后为北向、北东向，而后南向流动，与周围泥浆堆积区在含水度、冲刷下切能力有明显区别，流动痕迹清晰，流动方向明显［图9（a）、图9（b）］。加之村民除了见到从北至南的泥流外，还见到从地下往上“冒泥”现象。故此次地质灾害泥流区域存在砂涌现象。

综上所述，本文认为此次灾害并非液化泥流单一作用，而是砂土液化导致的泥流和砂涌同时存在。地震作为诱发因素，垮塌黄土作为物源，液化土层及砂涌（水）作为动力源，共同作用导致了此次极端灾害的发生。

3.2泥流破坏性分析

此次黄土液化引发的泥流与砂涌，属于地震和水耦合作用下的极端次生灾害，二者同时发生的概率很低，但破坏性极大，为典型的“小震、中震大灾”情况［26-27］。通过对比震前、震后遥感影像发现，北部物源区附近高压电塔损毁一座;中部受灾核心区大量房屋被掩埋，泥流直接冲毁民房70余间，泥流区域受损民房共计上百间;泥流冲出沟谷冲毁村道多条，阻断道路共计15余条;南部未见垮塌沟槽，地势平缓后泥流动能得以减小，造成成片淤泥堆积（图10、11），大面积掩埋农田及动力渠一条;村庄的灌溉渠道、水利设施等也受到了不同程度的破坏。砂涌、泥流改变了地形地貌，对生态环境产生长期不良影响，并给当地居民的生命财产安全造成了严重威胁。

4讨论与结论

4.1讨论

2023年12月18甘肃省临夏回族自治州积石山县发生MS6.2（MW5.9）地震，震源深度10 km。地震引发青海海东民和县中川乡发生严重的液化泥流-砂涌极端地质灾害，给当地居民的生命财产安全造成了严重威胁。

综合国内外历史强震所引发的地质灾害资料，此次液化泥流灾害在成因、规模、破坏性方面都是极少见的。发生在基岩山区的地震，灾害类型多以崩塌、滑坡、泥石流为主，地震液化灾害所引发的危害比较小，如2008年汶川MS8.0特大地震，2010年4月14日玉树MS7.1地震，2022年泸定MS6.9地震等。发生在第四系松散沉积物堆积地区的地震，地震液化灾害的危害性相对较大，如1966年的邢台地震、1975年的海城地震及1976年的唐山地震，地震液化灾害均造成了不同程度的人员伤亡与损失。除此之外，2011年2月22日新西兰6.2级地震，1964年6月16日日本新潟县南方近海7.5级地震，以及2018年印度尼西亚7.4级地震，均引发严重的砂土液化现象，包括涌砂、喷水、地层下陷及建筑物沉陷等。与此次积石山地震液化泥流成因类似的两个典型实例分别为1920年海原MS8.5地震在固原市石碑塬引起的液化型黄土滑移和2013年岷县—漳县MS6.6地震在永光村西滑坡引起的液化流滑［7］。其中，前者未直接造成人员伤亡及建筑损毁;后者滑移距离为1 km，滑坡掩埋4户农居。可见此次积石山液化泥流灾害的特殊性与异常性。此次地震灾害链造成的损失远超地震本身的损失，给应急救援工作带来极大的困难，为典型“小震大灾”“中震、大震极灾”。

4.2结论

本文在获取高精度数字成果DOM、DSM的基础上，围绕地震发震构造和地震次生灾害等关键科学问题开展研究，综合分析泥流成因及此次灾害破坏性，并得出以下结论：

（1） 此次泥流次生灾害区域地处多级黄土台塬构成的坡面上，易滑且饱水黄土在地震的震动载荷下土体内孔隙水压力迅速升高导致砂土液化，最终土层失稳破坏，导致台地边缘垮塌与地震滑坡。土水混合物在重力作用下，顺着高差沿沟谷、冲沟前进形成液化型滑坡-泥流灾害。

（2） 此次灾害现象并非液化泥流单一作用，而是砂土液化导致的泥流和砂涌同时存在，二者同时发生的概率很低，但破坏性极大。

（3） 此次地震为典型的“小震、中震大灾”情况，相比其他相似成因液化滑坡灾害，其规模更大;相比其他相近震级地震，造成的破坏及伤亡更大。此次积石山液化泥流灾害具有一定的特殊性与异常性。

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（本文编辑：张向红）