尚彥軍，劉嘉麒，夏燕青，劉大安，雷天柱，張路青

1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心， 蘭州 730000

從水井巖大型滑坡表面高溫降解噴出物特征到汶川地震天然氣體溢出爆炸模型

尚彥軍1，劉嘉麒1，夏燕青2，劉大安1，雷天柱2，張路青1

1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所工程地質(zhì)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 2.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心， 蘭州 730000

汶川大地震中XI級(jí)烈度區(qū)內(nèi)水井巖滑坡現(xiàn)場(chǎng)等地爆炸聲、特大型滑坡現(xiàn)場(chǎng)巨大環(huán)形坑和遠(yuǎn)距離拋射碎石等記錄和現(xiàn)象，需給出科學(xué)解釋。在地震發(fā)生后多次現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和走訪、樣品采集和多項(xiàng)分析測(cè)試及其結(jié)果比較等基礎(chǔ)上，對(duì)主中央斷裂F2控制的下盤(pán)陳家壩水井巖大型滑坡體上環(huán)形坑周邊不同距離范圍內(nèi)散落燒焦殘留的硅酸鹽和碳酸巖等采樣后，開(kāi)展了物質(zhì)成分和微觀結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：與原生溶蝕灰?guī)r、薄層煤巖結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)成分不同，這些拋散在滑體表面的樣品中富含經(jīng)強(qiáng)烈高溫作用的塊石，一些成分以錳碳酸鹽巖等為主的暗棕色樣品中稠環(huán)芳烴是其經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈熱作用過(guò)程而使有機(jī)質(zhì)發(fā)生環(huán)化芳構(gòu)化反應(yīng)的結(jié)果，即樣品經(jīng)過(guò)了強(qiáng)烈熱降解作用，顯示其形成時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈熱作用過(guò)程和高溫裂解現(xiàn)象。結(jié)合本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征和煤層氣分布情況、地震后實(shí)施的汶川地震帶深鉆在穿越主中央斷裂帶F2深度處監(jiān)測(cè)到余震過(guò)程中甲烷含量異常增高、東河口地震遺址公園發(fā)現(xiàn)溫泉及天然氣溢出等資料和研究結(jié)果，討論了地震誘發(fā)的富含甲烷的天然氣爆炸，其加劇或伴生著地震次生地質(zhì)災(zāi)害。由此推測(cè)：與碳質(zhì)巖或煤系共存的喀斯特溶洞中封閉煤層氣在地震過(guò)程中突溢和爆炸燃燒，疊加或放大了地震作用，結(jié)果在滑坡堆積體表面殘留了多處環(huán)形爆炸坑，引發(fā)了一些巖塊大規(guī)模長(zhǎng)距離水平拋撒等。研究結(jié)果對(duì)監(jiān)測(cè)和認(rèn)識(shí)發(fā)震斷層帶在地震過(guò)程中天然氣爆炸誘發(fā)和加劇滑坡災(zāi)害有重要意義。

汶川地震;環(huán)形坑;碳酸鹽錳質(zhì)巖;煤層氣;高溫降解

0 引言

位于5.12汶川地震中央主斷裂F2東的北川陳家壩水井巖滑坡以1 271 m多的遠(yuǎn)距離拋射而常被研究者作為大型滑坡發(fā)生遠(yuǎn)程拋射的典型案例，多從高陡邊坡地形對(duì)地震波速放大效應(yīng)加以討論[1-2]。國(guó)際上對(duì)大型滑坡遠(yuǎn)距離運(yùn)移或拋撒機(jī)理，多強(qiáng)調(diào)摩擦熱作用而呈現(xiàn)石灰窯池煅燒效果[3]，以及強(qiáng)調(diào)摩擦底界湍流作用自動(dòng)潤(rùn)滑來(lái)解釋[4]。汶川地震斷裂帶上深達(dá)1.2 km科學(xué)鉆探1號(hào)孔(WFSD-1)在585～600 m深度穿越F2主滑動(dòng)面時(shí)監(jiān)測(cè)到余震中的大量流體異常，其中甲烷氣(CH4)含量以突變?cè)龈叨?dú)具特色[5]，使得有必要對(duì)地震中天然氣濃度變化給予特別關(guān)注。天然地震過(guò)程中發(fā)震斷裂一定范圍內(nèi)空氣中出現(xiàn)閃電和亮光等現(xiàn)象已有數(shù)值模擬研究得到的電磁場(chǎng)突變結(jié)果[6]，但物理模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作仍欠缺。地光不是地震派生結(jié)果而是臨震共同發(fā)展的統(tǒng)一過(guò)程[7],包括靜電在內(nèi)的種種地震派生出來(lái)的異?，F(xiàn)象都是地球內(nèi)部氣體上涌造成的[8]。地球放氣-衛(wèi)星遙測(cè)熱紅外異常-地震活動(dòng)存在相關(guān)性并多次預(yù)報(bào)成功[9]。衛(wèi)星測(cè)量證實(shí)地震前大面積高空顯著增溫(增高5～7 ℃)。水井中H2、CO2、CH4、Rn、He、Ar 等含量突然升高，已被各地臺(tái)站或野外實(shí)測(cè)結(jié)果所證明[10-12]。青川縣東河口地震遺址公園發(fā)現(xiàn)地表蒸汽溫度達(dá)45 ℃的溫泉(最早出現(xiàn)在2008年10月)及多處甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)66%的天然氣溢出說(shuō)明：汶川地震導(dǎo)致地質(zhì)構(gòu)造破裂，為地下熱水和天然氣提供了上升通道[13]。和地震同發(fā)的熱、電、光、氣等流體可從地球深部一直穿過(guò)地殼上沖到數(shù)十千米高空，這一活動(dòng)軌跡易使研究者把淺部和深部現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái)[14]。地震中火災(zāi)和爆炸常發(fā)生在天然氣管道和器罐集中的城鎮(zhèn)，對(duì)地震中天然爆炸和自燃罕見(jiàn)報(bào)道。不乏汶川地震爆炸聲、特大型地質(zhì)體破裂區(qū)爆炸和地下物質(zhì)噴出拋射等現(xiàn)象的爭(zhēng)鳴分歧，單靠傳統(tǒng)的斷層逆沖走滑活動(dòng)性難以解釋。活動(dòng)斷層、地震作用和大型滑坡分別作為地震滑坡的控制主體、誘因和表現(xiàn)結(jié)果之一，其關(guān)聯(lián)性和相互作用機(jī)理如何？對(duì)其研究或可推動(dòng)這些現(xiàn)有地震動(dòng)力地質(zhì)作用認(rèn)識(shí)難以解釋的異?，F(xiàn)象。

在北川陳家壩水井巖大型滑坡現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查中，在滑坡后壁下一定范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)了環(huán)形坑和零星散落表面、疑似高溫燃燒過(guò)的暗棕色噴出物。在青川縣東河口和安縣肖家橋也分別發(fā)現(xiàn)了環(huán)形坑、夾薄層碳質(zhì)頁(yè)巖碎裂化的石灰?guī)r等。作者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和樣品測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，揭示地震過(guò)程中發(fā)生了甲烷爆炸和自燃，引發(fā)和放大了地震次生地質(zhì)災(zāi)害。筆者提出地震活動(dòng)導(dǎo)致局部石灰?guī)r溶洞中密閉煤成氣體(瓦斯)爆炸，可望為更好地認(rèn)識(shí)汶川地震活動(dòng)中大型滑坡災(zāi)害異?，F(xiàn)象提供些許參考。

1 研究區(qū)背景條件

2008年5月12日四川盆地北西緣發(fā)生的里氏8.0級(jí)(初始報(bào)告為7.8級(jí))地震，斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)間是22.2 s，最大烈度XI度。震中位置在四川汶川縣映秀鎮(zhèn)(蓮花心溝103.4°E，31.0°N),震源深度10～20 km,發(fā)生余震近萬(wàn)次。汶川地震不僅在震中區(qū)附近造成災(zāi)難性破壞，直接嚴(yán)重受災(zāi)地區(qū)達(dá)10 萬(wàn)km2，且在四川省和鄰近省市大范圍造成破壞，其影響更是波及到全國(guó)絕大部分地區(qū)乃至境外，是新中國(guó)建立以來(lái)我國(guó)大陸發(fā)生的破壞性最為嚴(yán)重的地震。地震觸發(fā)的崩塌滑坡地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)3.5萬(wàn)處，規(guī)模大于1 000 萬(wàn)m3巨型滑坡達(dá)30余處，堰塞湖39處[15]。

1.1 地理地質(zhì)特征

北東走向龍門(mén)山綿延數(shù)百千米，海拔0.7～5.0 km,相對(duì)高差一般為1～3 km，最大為4 km，屬侵蝕山地，深切割中-高山區(qū)。區(qū)內(nèi)發(fā)育長(zhǎng)江水系中的岷江、涪江。河流流向從北向南，從西向東，河道以平直段和多處急轉(zhuǎn)彎段為特征。

本區(qū)屬揚(yáng)子地層區(qū)的龍門(mén)山及四川盆地分區(qū)。晚古生代至中生代三疊紀(jì)末下降沉積了一套海相碳酸鹽巖-泥頁(yè)巖建造，侏羅紀(jì)初期因地殼不斷上升由海相變?yōu)殛懴喑练e。侏羅紀(jì)至第三紀(jì)沉積了一套陸相紅色泥頁(yè)巖、碎屑巖建造。

構(gòu)造地貌上為燕山運(yùn)動(dòng)隆起、喜山運(yùn)動(dòng)大幅上升山地。山脈走向與構(gòu)造線(xiàn)方向大體一致，其地貌演化明顯受構(gòu)造作用控制?？v貫本區(qū)的龍門(mén)山主邊界斷裂東南側(cè)為龍門(mén)山前凹陷帶(川西前陸盆地)[16]。龍門(mén)造山帶-川西前陸盆地系統(tǒng)深部從東向西多級(jí)俯沖淺滑，淺部由西向東多層次推覆。當(dāng)北川-映秀斷裂上盤(pán)推覆體推到一定高度時(shí)失去平衡，在重力作用下形成滑覆體(飛來(lái)峰)[17]。

1.2 豐富的富含甲烷的天然氣

川西和龍門(mén)山地區(qū)存在大量中小型煤田，礦化點(diǎn)多，天然氣富集。據(jù)資料[18-20]統(tǒng)計(jì)，在川西和龍門(mén)山地區(qū)煤礦產(chǎn)地41處以上，包括中型礦床(4.5～1.5 Mt)2處，小型礦床(500～1 500 萬(wàn)t)6處。余者為礦點(diǎn)，泥碳為礦化點(diǎn)(圖1)。龍門(mén)山含煤區(qū)面積143.54 km2，煤層氣資源量8.9 億m3，資源豐度0.025 m3/km2[25]。煤層厚度一般為0.3～3 m、長(zhǎng)度幾十～700 m、煤層數(shù)可達(dá)30多層，主要產(chǎn)于上三疊統(tǒng)須家河組、上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M，下二疊統(tǒng)梁山組。須家河組煤系地層是川西煤成氣田主要?dú)庠磶r，是煤成氣主要富集區(qū)。

多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和適時(shí)的古構(gòu)造，使區(qū)內(nèi)晚印支期以來(lái)經(jīng)歷8次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。天然氣運(yùn)聚經(jīng)歷多期反復(fù)，形成以古隆起為主導(dǎo)、以水溶相運(yùn)移為主體的，在適時(shí)古隆起早期聚集與喜山期超晚期多期持續(xù)成藏的復(fù)合成藏模式。川西坳陷從淺層的白堊系(200 m)至深層的上三疊統(tǒng)須家河組(5 km)，在空間上構(gòu)成串珠立體成群的天然氣富集帶[26]。60 Ma年以來(lái)龍門(mén)山造山帶-川西前陸盆地系統(tǒng)的整體抬升和剝蝕作用決定了裂縫系統(tǒng)的發(fā)育和上三疊氣藏的調(diào)整及侏羅系氣藏的形成[27]。

上三疊統(tǒng)和侏羅系是川西大中型氣田的主要產(chǎn)層。川西地區(qū)須家河組T3xj煤系埋深達(dá)4 254 m。在T3xj2從北向南分布有中壩氣田、新場(chǎng)氣田、合興場(chǎng)氣田、大邑氣田、平落壩氣田。在T3xj4分布有豐谷氣田、孝泉?dú)馓锏萚28]。

在龍門(mén)山推覆構(gòu)造封閉和地層封閉的條件下，生氣增壓作用造就了面積大、分布廣的異常高壓區(qū)。須家河組異常壓力演化史可分早侏羅世-古近紀(jì)沉積型超壓、新近紀(jì)-現(xiàn)今構(gòu)造型超壓(壓力系數(shù)>1.7)兩階段。喜山中晚期龍門(mén)山造山作用形成應(yīng)力場(chǎng)疊加，促成了高幅度構(gòu)造型超壓。晚侏羅世后剩余壓力差10～20 MPa，為天然氣側(cè)向運(yùn)移提供了較為充足的動(dòng)力[29]。中侏羅世末、早白堊世末，生氣作用產(chǎn)生的增壓機(jī)制結(jié)果是局部地層壓力分別達(dá)42～45、72～79 MPa。由于喜山期龍門(mén)山地區(qū)多幕次自西向東的推覆擠壓，孔隙縮小和流體超高壓效應(yīng)明顯。川西坳陷超壓中心與上三疊統(tǒng)生氣中心不一致，而與喜山期構(gòu)造展布方向一致：須家河組生烴中心在彭灌地區(qū)，而現(xiàn)今超壓中心在綿陽(yáng)、梓潼地區(qū)。在川西中部高壓力區(qū)內(nèi)分布大-中型儲(chǔ)量豐富的須家河組原生氣藏，以及侏羅系遠(yuǎn)源氣藏，為天然氣儲(chǔ)量最富集地區(qū)，所發(fā)現(xiàn)的氣藏集中在NEE向的綿竹-鹽亭大型燕山期隆起帶上，其西端獲得地質(zhì)儲(chǔ)量上千億m3的新場(chǎng)氣田[30]。

煤礦資料據(jù)文獻(xiàn)[18-20]；油氣藏分布據(jù)文獻(xiàn)[21]；氣田和含氣構(gòu)造分布據(jù)文獻(xiàn)[22]; 地表破裂帶和發(fā)震構(gòu)造據(jù)文獻(xiàn)[23];地震烈度等值線(xiàn)據(jù)文獻(xiàn)[24]。DHK.東河口； SJY.水井巖；XJD.謝家店子; XJQ.肖家橋； LHG.蓮花心溝震中。圖1 龍門(mén)山及川西地區(qū)煤田、油藏和氣田平面分布圖Fig.1 Distribution of coal, oil and gas mines at west Sichuan Province and the Longmen Mountain

早在三國(guó)時(shí)期(221～223AD)，臨鄧縣就發(fā)現(xiàn)火井(天然氣)。本區(qū)采煤歷史達(dá)200余年，廢舊礦坑數(shù)處。川西第一大型氣田新場(chǎng)氣田(綿陽(yáng)-成都一線(xiàn)以西)(儲(chǔ)量大于500×108m3)主要產(chǎn)層為侏羅系和上三疊統(tǒng)[26]。

汶川地震前煤礦和隧道施工中發(fā)生過(guò)瓦斯爆炸。地質(zhì)構(gòu)造因素是瓦斯突出的必要條件。一般情況下，壓性或壓扭性斷層為封閉性構(gòu)造，瓦斯含量較高、瓦斯壓力大，瓦斯突出危險(xiǎn)性也大。瓦斯含量和散放與煤體破壞程度成正比，構(gòu)造煤層理紊亂，煤質(zhì)松軟，屬突出煤[31]。四川芙蓉煤礦47次突出都發(fā)生在斷層和褶皺帶附近[32]。213國(guó)道汶川縣映秀鎮(zhèn)至都江堰市馬鞍石隧道段內(nèi)的友誼隧道，全長(zhǎng)950 m，最大埋深209 m，通過(guò)須家河組上段砂頁(yè)巖，有煤層分布。洞身有長(zhǎng)832 m、厚達(dá)4 m以上煤層區(qū)，其間有3個(gè)煤窯采空區(qū)，煤層介于II和III類(lèi)煤之間。據(jù)測(cè)定，30 min內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量最大為0.857 m3/min，煤中最大瓦斯量為4.4 m3/t，屬高瓦斯區(qū)。前期對(duì)瓦斯未重點(diǎn)防范，致使洞內(nèi)發(fā)生瓦斯燃燒和爆炸事件。之后按高瓦斯隧道重新組織了施工[33]。

1.3 石灰?guī)r中大小規(guī)模不等的溶洞

本區(qū)灰?guī)r層位多，分布廣，如∈、O和T都有石灰?guī)r發(fā)育[34]。在淺表由于地殼強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造斷裂多，地下水活動(dòng)強(qiáng)烈，在不同深度和高程上形成了大小規(guī)模不等的溶洞。在曉壩鄉(xiāng)去往肖家橋滑坡公路上有一處順天然溶洞開(kāi)挖而成的隧道。在肖家橋、水井巖河谷兩岸可見(jiàn)一定規(guī)模溶洞群。東河口灰?guī)r中節(jié)理裂隙發(fā)育，多鈣質(zhì)沉淀結(jié)晶物，說(shuō)明溶蝕作用普遍。

2 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查

在沿中央斷裂F2大型滑坡體表面發(fā)現(xiàn)了一些類(lèi)似現(xiàn)象：環(huán)形大坑、散落滑坡體表面的疏松多孔暗棕色巖塊、巖石灼燒和樹(shù)枝燒焦等，說(shuō)明大地震次生地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與爆炸作用關(guān)系密切。

2.1 水井巖滑坡現(xiàn)場(chǎng)環(huán)形坑及噴出物分布

陳家壩水井巖大型滑坡位于青林口倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜東翼，北東向的中央(映秀-北川)斷裂從本區(qū)穿過(guò)，為傾向NW、傾角60°的逆斷層。斷層西側(cè)寒武系下統(tǒng)邱家河組(∈1q)碳質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)巖、白云巖、灰?guī)r，含錳礦。東側(cè)志留系羅惹坪群-紗帽群(S2-3)中部灰綠色頁(yè)巖夾薄-厚層石灰?guī)r。該斷層基本控制了滑坡后緣的陡崖。1∶20萬(wàn)礦產(chǎn)圖顯示本區(qū)發(fā)育小型重晶石礦(10～1 萬(wàn)t)，存在黃鐵礦、錳礦礦化點(diǎn)。

水井巖滑坡主滑方向125°，東西長(zhǎng)600 m，南北寬500 m，厚10～50 m。都貫河谷走向約210°，河谷和山頂高程分別為720 m和900 m(1956年黃海高程)，相對(duì)高差180 m，河谷距山頂平距約1 km。2008年6月20日下午被堵了20天的水井巖堰塞湖被挖土機(jī)挖開(kāi)，溢洪道西側(cè)崖高出水面7 m。

在水井巖陡崖前有3個(gè)環(huán)形大坑分布。在都貫河西岸見(jiàn)有因河水沖刷而部分殘留的另一大坑。這4個(gè)坑體分布在滑坡體下方和堰塞體上，近圓環(huán)形，深3～5 m不等(圖2，圖3)。其中在覆滿(mǎn)黑色碳質(zhì)粉末和巖塊的斷層陡崖下，有面積約100 m2、被后期水流淤塞的環(huán)形坑1(圖4)。

圖2 陳家壩鄉(xiāng)水井巖滑坡和堰塞體表面不同位置的4個(gè)爆炸坑(拍攝日期2008-06-20，鏡頭向S)Fig. 2 Shuijingyan landslide at Chenjiaba and 4 explosive pits at the surface

圖3 陳家壩水井巖滑坡陡崖下環(huán)形坑和疏通后堰塞壩遠(yuǎn)觀(拍攝日期2008-06-20，鏡頭向W)Fig.3 Circular pits at the foot of the cliff of Shuijingyan landslide and cut landslide dam

水井巖滑坡體發(fā)生在李家灣金洪6組的彩虹地。過(guò)都貫河向西到半山腰平臺(tái)見(jiàn)灰色板巖，棕色、棕黑色碳質(zhì)團(tuán)塊與鐘乳石發(fā)育的灰?guī)r、板巖混雜。其中呈蜂窩狀有氣孔的黑色、暗棕色污手碳質(zhì)物從西至東由密至稀分布在滑體表面。在滑坡體北西向后緣下大坑周邊見(jiàn)黑色碳質(zhì)巖和溶蝕孔發(fā)育的石灰?guī)r上面散落著黑色、暗棕色疏松的近橢球形巖石。李家灣南西向陡崖下見(jiàn)原深坑被后期流水淤積而留的平臺(tái)?？?的南西緣堆積體高出坑底約3 m，見(jiàn)成95°走向條帶狀黑色碳質(zhì)巖塊。頂部碳質(zhì)巖與板巖、大塊溶蝕灰?guī)r共生(灰?guī)r之上，整體塊狀，溶孔發(fā)育，呈棕黑色，污手)。

在滑坡體表面散落著多孔狀灰褐色、暗棕色拋撒物團(tuán)塊(圖5)。它們混雜于黑色碳質(zhì)巖、溶蝕灰?guī)r間(圖6)。暗棕色多孔橢球形團(tuán)塊直徑10～30 cm，容重2.0 g/cm3，較一般巖石輕，垂直底面簇狀圓管形氣孔直徑2 mm(樣號(hào)SJY01)。離開(kāi)坑1近200 m范圍內(nèi)見(jiàn)褐紅色爆炸物(SJY08)。圖6b中可見(jiàn)滑坡堆積物表面的古柏木。爆炸拋出和沖擊物越過(guò)瀉洪道，在東岸新耕作的田地里散落著0.5 m3灰?guī)r塊(圖7)。直到1 km外李家灣村(位置見(jiàn)圖2)民屋頂偶爾可見(jiàn)比拳頭略小的灰色灰?guī)r塊體。水井巖北側(cè)高坡上3年前建的2層樓南面水泥路現(xiàn)走向10°～15°的拱起，裂紋走向100°。

據(jù)當(dāng)?shù)刂苄沾迕窠榻B，5.12地震時(shí)聽(tīng)到聲音如汽車(chē)響，從地下傳來(lái)三聲爆炸聲，地面似波浪一樣運(yùn)動(dòng)，他緊扒著樹(shù)干跟著上下晃動(dòng)?？諝庵谐涑庵ㄋ幬叮袔酌腌姄u晃時(shí)響聲很大。該處河床中有重晶石(BaSO4)。在河床邊灘上偶爾見(jiàn)到噴出后墜落呈塔丘狀的灰色碳質(zhì)板巖，風(fēng)化成中心凹陷直徑1.2 m、高0.7 m的圓錐狀藍(lán)灰色土(位置SJY06)。

2.2 東河口滑坡區(qū)4個(gè)圓形坑

青川縣關(guān)莊鎮(zhèn)東河口位于清水河與紅石河交匯處，龍門(mén)山之中央斷裂F2末端，地層為寒武系下統(tǒng)邱家河組(∈1q),巖性為碳硅質(zhì)板巖夾硅質(zhì)巖、結(jié)晶灰?guī)r及劣質(zhì)鐵錳礦層。該處為形成于中低溫?zé)嵋簵l件下的重晶石異常區(qū)。

在東河口出現(xiàn)了大規(guī)模的地質(zhì)體破壞，堵塞了主流和支流，形成了2個(gè)堰塞壩。東河口滑坡屬高初速拋射型滑坡，滑體寬度200～600 m，長(zhǎng)度2.5 km，體積約3 000 萬(wàn)m3，覆蓋范圍1.09 km2[15]。

紅光鄉(xiāng)清水河和紅石河處堰塞湖處，河谷走向10°的紅石河向南約1 km，見(jiàn)到一走向約115°滑坡體。上游右岸薄層板巖產(chǎn)狀320°∠20°，構(gòu)成順向坡。紅石河壩東側(cè)簡(jiǎn)易路上，東岸坡頂為滑坡體前緣，受強(qiáng)烈沖擊力作用樹(shù)木向東側(cè)傾倒。在紅石河堰塞湖北進(jìn)入走向85°的文家溝中即東河口滑坡主體部分。該溝左側(cè)岸坡近頂部，坡面上厚幾米～幾十米的碳質(zhì)板巖堆積；溝左岸溝頭陡崖東灰黃色板巖產(chǎn)狀300°∠20°；上游右岸支溝為碳質(zhì)巖?；轮骰较?5°，滑體下游多碳質(zhì)和硅質(zhì)板巖，上游多整體狀碳質(zhì)巖、灰?guī)r。

火焰狀方解石脈發(fā)育于巨厚層灰?guī)r中，塊狀碳質(zhì)巖多，泥質(zhì)板巖少見(jiàn)。巨大塊石中見(jiàn)到呈巨礫狀的灰黑色灰?guī)r，表面發(fā)育板片狀斷層泥。向西為巨大灰?guī)r、碳質(zhì)巖。從滑坡體上水塘向北100 m多泥質(zhì)板巖，灰?guī)r表面褐鐵礦化，疑似斷層巖。

該處滑坡堆積體表面散布著呈70°走向串珠狀分布的4個(gè)近圓形大坑。坑體直徑約50 m，坑緣斜長(zhǎng)18 m，傾角35°～40°，深約10 m?？芋w四周物質(zhì)破碎松散，坑底已積水或有水流后沉積的薄黏土層(圖7)。

5．12地震時(shí)發(fā)生3次歷程一致、連貫的巨大爆炸，持續(xù)2 min，噴發(fā)高度大，爆炸聲音沉悶如放大炮，爆炸物粉塵讓人呼吸困難，噴爆物高出原地面約50 m。從西向東應(yīng)有3個(gè)煙黑色大坑，一個(gè)大坑標(biāo)志著一炮位置。噴出來(lái)干凈黑色石頭，有熱浪向面而來(lái)，氣浪沖得很厲害，2 min爆炸后發(fā)生了滑坡?；铝坎欢?，但放炮炸上來(lái)東西很多。概括現(xiàn)場(chǎng)目擊者觀察到的地震災(zāi)害發(fā)生過(guò)程是：1)搖晃至房屋倒塌; 2)爆炸、有硫磺味，持續(xù)2分鐘; 3)發(fā)生滑坡。

2.3 肖家橋燒焦的樹(shù)木和碎裂的石灰?guī)r

圖4 滑坡陡崖下被部分淤積的環(huán)形坑1近景(拍攝日期2008-06-20，鏡頭向SW)Fig. 4 The appearance of the circular pit 1 at the foot of the cliff

a. 坑1東側(cè)約50 m; b.坑1東側(cè)約150 m。圖5 滑坡體表面散落的孤立分布的近圓形暗棕色團(tuán)塊Fig. 5 Nearly round dark brown fragments randomly distributed at the landslide surface

a.坑1東SJY01;b.河?xùn)|岸巨木干和灼燒的巖石SJY02;c.坑1邊陡崖上的有碳粉末的碳質(zhì)巖SJY07; d.坑1邊陡崖上的褐色松散塊體SJY08; e.坑1西側(cè)滑坡后壁陡崖原狀融蝕灰?guī)rSJY15和薄煤線(xiàn)SJY14。拍攝日期：a-d:2008-06-20; e: 2012-10-14。圖6 水井巖滑坡堆積物現(xiàn)場(chǎng)采樣位置和樣品宏觀形態(tài)Fig. 6 Sampling locations and appearance of the samples

安縣肖家橋滑坡位于安昌河支流茶坪河流域內(nèi)、曉壩鎮(zhèn)上游約6.5 km的馬頸項(xiàng)(E104°16′40″，N31°38′50″)。東部為總長(zhǎng)溝群(C1zn)薄-厚層白云質(zhì)灰?guī)r夾薄層黑色頁(yè)巖，西部為二疊系下統(tǒng)(P1)石灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾頁(yè)巖，層狀碎裂結(jié)構(gòu)，層理產(chǎn)狀320°∠50°，傾向左岸偏上游。中層、中厚層灰?guī)r夾暗灰色薄層剪切破碎碳質(zhì)頁(yè)巖。該處夾于NE走向的黃蓮橋沖斷層和巖梯子沖斷層間，附近發(fā)育次級(jí)左行壓扭性斷層，河流拐彎處拱起形成馬頸項(xiàng)，對(duì)面為狹長(zhǎng)無(wú)水山谷。相對(duì)高差200 m(海拔高程710～900 m)的順層邊坡體發(fā)生高速短程滑坡，堵塞河道形成了壩長(zhǎng)272 m、寬198 m、高度67 m，體積200多萬(wàn)m3的堰塞壩。2008年6月2日堰塞湖蓄水量750 余萬(wàn)m3。6月20日上午現(xiàn)場(chǎng)挖土機(jī)正在施工，河谷方向270°的河道已疏通。河流S拐彎對(duì)面窄峽谷走向10°。

滑坡從S向N滑動(dòng)，主滑方向345°?；麦w垂直落距(滑坡體后緣到堰塞體頂部高程差)達(dá)200 m，滑坡后緣到堆積物前緣水平距離約600 m。堰塞體高出河床57～67 m，順河向長(zhǎng)約390 m，垂直河向長(zhǎng)約260 m，體積約為2.42×106m3。后緣順層光滑面產(chǎn)狀315°∠50°。堰塞湖泄洪面高出河床約30 m。

松散堆積體上有2種物質(zhì)：均勻破碎的灰?guī)r塊體，直徑一般為5 cm；巨大的灰?guī)r塊體，直徑大于2 m，形狀不規(guī)則，夾雜于均勻灰?guī)r塊體中，形似基巖?；w遠(yuǎn)端和后端都有黑色粉末狀碳質(zhì)巖，分布上遠(yuǎn)端有一定厚度(高出河床約30 m)(圖8)。

3 爆炸物結(jié)構(gòu)和成分特點(diǎn)

2008年6月20日，筆者在陳家壩水井巖滑坡體上采集了4塊樣品(SYJ01、02、07和08)，2012年10月14日在滑坡后緣陡崖上采集了2塊未受破壞的原態(tài)樣品(SJY14和15)。

圖7 青川縣東河口巨大的松散堆積和爆炸坑分布(拍攝日期2008-06-22，鏡頭向SW)Fig. 7 Huge amounts of loose materials and circular pits over the Donghekou landslide

a.滑坡光滑的后緣為陡傾中厚層灰?guī)r夾薄層碳質(zhì)頁(yè)巖; b.滑坡體上部分燒過(guò)的樹(shù)枝；c.堰塞壩中灰?guī)r巨石(左下)和滑坡前緣灰黑色碳質(zhì)粉末(中右)。拍攝日期2008-06-21。圖8 安縣肖家橋大型滑坡體Fig. 8 The large scale Xiaojiaqiao landslide

圖9 6個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品(SJY)采集后原始形態(tài)特征Fig. 9 Appearance of the samples from Shuijingyan landslide

這些樣品顏色和形態(tài)特征見(jiàn)圖9和表1。其中樣品SJY02表面見(jiàn)硅鐵質(zhì)熔融后的流動(dòng)構(gòu)造。SJY07上局部見(jiàn)到污手而指甲可劃出的碳末塊(如燒焦后的黑木炭)而另添加樣品編號(hào)SJY07-S。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的樣品成分和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)差異開(kāi)展了不同測(cè)試，基本反映了水井巖滑坡現(xiàn)場(chǎng)樣品特征。測(cè)試發(fā)現(xiàn)坑1東約200 m處所取樣品SJY01以方解石、菱錳礦為主，化學(xué)成分多CaCO3和MnCO3。離開(kāi)坑1近80 m的爆炸物SJY08以硅鋁質(zhì)和鐵質(zhì)為主(表2)。

3.1 化學(xué)分析結(jié)果

化學(xué)全分析使用飛利浦PW2404X射線(xiàn)熒光光譜儀。從表2的14項(xiàng)成分結(jié)果可見(jiàn),樣品SJY01主要為碳酸巖(CaO)和氧化錳(MnO)，燒失量和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)都較高，說(shuō)明了碳酸鹽含量較大。SJY08硅鋁質(zhì)含量較高。

對(duì)樣品SJY01進(jìn)行了稀土和微量元素分析(表3)，參照球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化推薦值計(jì)算得到的結(jié)果如表4所示。

稀土元素和微量元素分析利用了電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)。分析方法采用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法(即外標(biāo)法-external calibration)，以In內(nèi)標(biāo)校準(zhǔn)儀器漂移。

以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)(安山巖GSR2，玄武巖GSR3)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，絕大多數(shù)元素的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD≤10。圖10顯示了SJY01樣品稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化模式,可見(jiàn)Ce和Eu明顯負(fù)異常。表4中LREE/HREE、LaN/LuN、LaN/YbN均表明該剖面輕稀土富集、重稀土虧損。LaN/SmN和GdN/YbN反映了輕中稀土和中重稀土的分餾程度。

圖10 滑坡體表面樣品SJY01巖石球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化模式圖Fig. 10 Chondrite-normalised REE patters of SJY01

SmN/YbN小于1代表著小于80 Ma的現(xiàn)代海水[35]。V、U和Ni等微量元素在碳質(zhì)頁(yè)巖等強(qiáng)吸附能力的巖石中強(qiáng)烈富集，常導(dǎo)致高U/Th值。V、U等元素在生物細(xì)菌和還原環(huán)境中易于富集，而Co和Ni等元素在氧化環(huán)境中相對(duì)富集，因此常造成氧化環(huán)境中V/Cr和Ni/Co等值低。V/(V+Ni)表示出弱分層的貧氧環(huán)境。以上指標(biāo)綜合反映出總體上沉積環(huán)境既有氧化環(huán)境，又有還原環(huán)境，說(shuō)明了是不同環(huán)境下碳酸鹽礦物和碳質(zhì)頁(yè)巖塊和粉末混雜的結(jié)果，這是因?yàn)樗治龅臉悠肥腔麦w表面拋撒物，而非相對(duì)純凈的原地層中巖石。

圖11 樣品飽和烴GC/MS總離子流圖Fig. 11 Saturated hydrocarbons GC/MS total ion chromatogram

3.2 有機(jī)質(zhì)分析

有機(jī)質(zhì)分析采用了GC6890N/MSD5973N聯(lián)用儀，GC 汽化室溫度200 ℃， 美國(guó)J&W.HP-5(30 m×0.25 mm×0.25 μm)彈性石英毛細(xì)管柱，45 ℃開(kāi)始以2 ℃/min的升溫速率升至100 ℃，載氣為99.999%高純氦。MSD 離子源為EI源，離子源溫度230 ℃，電子能量70 eV；使用美國(guó)NIST02譜庫(kù)。

3.2.1 柱色層族組成特征

樣品粉碎至120目以下，再用氯仿作為抽提劑經(jīng)索氏抽提72 h得氯仿瀝青“A”。將濃縮晾干后的氯仿瀝青“A”用正己烷沉淀瀝青質(zhì)，將剩余組分經(jīng)硅膠/氧化鋁(4∶1)柱色層分離為飽和烴、芳烴和非烴，洗脫劑分別為正己烷 、苯和甲醇。對(duì)飽和烴與芳烴做GC/MS分析。芳烴圖譜解析顯示：SJY07-S，01，07和08 4個(gè)樣品中均檢測(cè)出了稠環(huán)芳烴菲系列(3個(gè)芳環(huán))、熒蒽與芘(4個(gè)芳環(huán))及屈(4個(gè)芳環(huán))，但SJY14、15兩樣品未檢測(cè)出(表5)。結(jié)果表明,SJY07-S、01、07和08 4個(gè)樣品曾經(jīng)歷劇烈高溫作用發(fā)生了環(huán)化芳構(gòu)化反應(yīng)，但SJY14、15兩樣品未經(jīng)歷強(qiáng)高溫過(guò)程。

瀝青質(zhì)數(shù)據(jù)顯示：SJY14、15兩樣品瀝青質(zhì)相對(duì)含量是SJY07-S、01、07和08 4個(gè)樣品的10倍以上，同樣表明SJY14、15兩樣品未經(jīng)歷強(qiáng)烈高溫降解過(guò)程，而另4個(gè)樣經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈高溫降解。

3.2.2 飽和烴總離子流圖

6個(gè)樣飽和烴GC/MS總離子流圖顯示SJY07-S、01、07和08 4個(gè)樣品nC22以后高碳數(shù)的正構(gòu)烷烴相對(duì)豐度異常低(圖11)。甾烷分布特征表明這些樣品的有機(jī)質(zhì)母源以既有豐富的水生生物輸入、又有豐富的陸源物質(zhì)貢獻(xiàn)的混源母質(zhì)為特征。

如樣品未經(jīng)歷強(qiáng)烈熱作用過(guò)程而僅經(jīng)歷正常地?zé)嶙饔?，則nC22以后高碳數(shù)的正構(gòu)烷烴相對(duì)豐度和nC21以前低碳數(shù)正構(gòu)烷烴的相對(duì)豐度幾乎相等，或者nC22以后高碳數(shù)的正構(gòu)烷烴相對(duì)豐度還要大于nC21以前低碳數(shù)正構(gòu)烷烴的相對(duì)豐度。SJY07-S、01、07和08 4個(gè)樣品nC22以后高碳數(shù)的正構(gòu)烷烴相對(duì)豐度異常低的現(xiàn)象，表明其經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈高溫降解。SJY14、15兩樣品飽和烴GC/MS總離子流圖顯示nC22以后高碳數(shù)的正構(gòu)烷烴相對(duì)豐度明顯大于nC21以前低碳數(shù)正構(gòu)烷烴的相對(duì)豐度，表明它們未經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈高溫降解過(guò)程。

Pr/nC17及Ph/nC18值是地球化學(xué)中用來(lái)判識(shí)有機(jī)質(zhì)降解程度有意義的參數(shù)，該值越大則有機(jī)質(zhì)降解越嚴(yán)重。SJY07-S的Pr/nC17為0.557，Ph/nC18為0.716，SJY07的Pr/nC17為0.530，Ph/nC18為0.668，表明SJY07-S樣品有機(jī)質(zhì)比SJY07樣品有機(jī)質(zhì)降解程度要大一些。

3.2.3 三環(huán)二萜烷與藿烷特征

6個(gè)樣的三環(huán)萜與藿烷 m/z191質(zhì)量色譜圖顯示SJY07-S、01、07和08 4個(gè)樣品均呈∑三環(huán)萜烷?∑藿烷特征(圖12)，通常只有在鹽度異常高的咸水湖相樣品中才出現(xiàn)該特征。研究的個(gè)樣的r-蠟烷/0.5 C31αβ藿烷值均小于0.5，表明樣品的古環(huán)境水質(zhì)為淡-微咸水。樣品均呈∑三環(huán)萜烷?∑藿烷特征，表明它們經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈高溫降解過(guò)程。SJY14、15兩個(gè)樣品三環(huán)萜與藿烷 m/z191質(zhì)量色譜圖呈現(xiàn)正常樣品的∑藿烷>∑三環(huán)萜烷特征，表明未經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈高溫降解過(guò)程。

3.2.4 甾族化合物特征

6個(gè)樣甾烷m/z217質(zhì)量色譜圖顯示SJY07-S、01、07和08 4個(gè)樣品均呈∑孕甾烷?∑甾烷特征(圖13)，一般只有在鹽度異常高的咸水湖相樣品中才出現(xiàn)這類(lèi)特征。由于這批樣品藿烷成烴環(huán)境水質(zhì)咸淡程度參數(shù)r-蠟烷/0.5 C31αβ藿烷值均小于0.5，表明樣品成烴古環(huán)境水質(zhì)為淡-微咸水。因此樣品的m/z217質(zhì)量色譜圖中呈∑孕甾烷?∑甾烷特征是樣品經(jīng)歷過(guò)異常高溫作用的結(jié)果。SJY14、15兩樣品呈現(xiàn)正常甾烷系列的∑甾烷>∑孕甾烷特征，表明它們未經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈高溫降解過(guò)程。

圖12 樣品三環(huán)萜與藿烷m/z191質(zhì)量色譜圖Fig.12 Tricyclic terpenes and hopane m/z191 mass chromatograms

樣品號(hào)位置地表北緯東經(jīng)絕對(duì)高程/m爆炸噴出物顏色產(chǎn)出形態(tài)巖性實(shí)驗(yàn)室測(cè)試項(xiàng)目薄片鑒定SEMXRD化學(xué)全分析微量和稀土有機(jī)質(zhì)SJY01滑坡后方坑1東50m平臺(tái)上31°58'30.0″104°36'21.0″860暗棕紅色疏松多蜂巢狀孔錳碳酸鹽巖√√√√√√SJY02河?xùn)|岸平臺(tái)上31°58'19.0″104°36'30.2″789暗紅色帶熔融條帶的塊狀硅鋁質(zhì)巖√SJY07坑1東緣高坡上31°58'32.9″104°36'19.5″838灰黑色碎裂板狀碳質(zhì)巖√SJY08坑1東側(cè)高崗上31°58'31.1″104°36'21.0″835褐色碎裂塊狀礫質(zhì)碎石土√√SJY14滑坡后壁陡崖上位于SJY15點(diǎn)北40m885黑色薄層狀原始煤層√SJY15滑坡后壁陡崖上31°58'35.12″104°36'18.01″887灰色多孔塊狀溶蝕灰?guī)r√

注: √代表測(cè)試項(xiàng)目,其中樣品SJY07的有機(jī)質(zhì)細(xì)分出07-S。樣品SJY01是溶蝕灰?guī)r和錳礦石的混合體。XRD.X-射線(xiàn)衍射; SEM.掃描電鏡。

表2 滑坡體表面樣品化學(xué)全分析結(jié)果

注：LOS為燒失量；Fe2O3指全鐵。

表3 滑坡體表面樣品SJY01稀土元素及其他微量元素分析結(jié)果

表4 滑坡體表面樣品SJY01稀土元素及其他微量元素計(jì)算結(jié)果

表5 樣品柱色層族組成數(shù)據(jù)

樣品常規(guī)甾烷系列呈C27≥C29>C28特征，表明樣品的母源為既有豐富的水生生物輸入又有豐富的陸源物質(zhì)貢獻(xiàn)的混源母質(zhì)。較豐富的αββ-甾烷被檢測(cè)出表明樣品有機(jī)質(zhì)經(jīng)受過(guò)微生物的作用過(guò)程。

3.2.5 芳烴餾分特征

芳烴餾分的GC/MS總離子流圖顯示SJY07-S、01、07和08 4個(gè)樣品中均檢測(cè)出明顯具3個(gè)芳環(huán)的菲(P)、甲基菲(MP)、二甲基菲(DMP)，4個(gè)芳環(huán)的熒蒽(FL)、芘(PY)以及屈(CH)(圖14)。這些稠環(huán)芳烴是樣品經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈熱作用過(guò)程、樣品有機(jī)質(zhì)發(fā)生環(huán)化芳構(gòu)化反應(yīng)的結(jié)果。SJY14、15兩樣品的芳烴餾分中幾乎檢測(cè)不出上述稠環(huán)芳烴，表明SJY07-S、01、07和08 4個(gè)樣品經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈熱作用，而SJY14、15兩個(gè)樣品未經(jīng)歷這種強(qiáng)烈熱作用過(guò)程。

圖13 樣品的甾烷 m/z217質(zhì)量色譜圖Fig.13 Sterane m/z217 mass chromatograms

通過(guò)研究樣品的柱色層族組成數(shù)據(jù)、飽和烴GC/MS總離子流數(shù)據(jù)、三環(huán)二萜烷與藿烷數(shù)據(jù)、甾烷數(shù)據(jù)以及芳烴餾分GC/MS總離子流數(shù)據(jù)等得到一致結(jié)論：SJY07-S、01、07和08 4個(gè)樣品經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的熱作用，SJY14、15兩個(gè)樣品并未經(jīng)歷這種強(qiáng)烈的熱作用過(guò)程；SJY07-S樣品有機(jī)質(zhì)的降解程度比SJY07要大一些，但這兩者的降解程度均比SJY14有機(jī)質(zhì)的降解程度大得多；SJY01樣品有機(jī)質(zhì)的降解程度比SJY15有機(jī)質(zhì)的降解程度大得多。

3.3 XRD測(cè)試

樣品破碎至75 μm，X射線(xiàn)晶體衍射使用儀器Dimax 2400型，96日本理學(xué)，Cu-K 40 kV/40 mA, 1°/1°/0.3 mm，4°/min 3-65″。對(duì)2個(gè)樣品破碎至200目(75 μm)，采用全巖粉晶衍射XRD分析，結(jié)果如表6所示。對(duì)樣品SJY01復(fù)測(cè)結(jié)果：石膏(CaSO4·2H2O)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，柱鉀鐵礬(K.Fe(SO4)2·4H2O)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%，石英 (SiO2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，方解石(CaCO3) 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，其他非定型30%。從結(jié)果看SO4不穩(wěn)定，從地下向地表上升過(guò)程中，Ca容易被Al、K和Fe交換替代。SJY08可能有菱錳礦(rhodochrosite)、石英、蛇紋石等。

綜合兩個(gè)不同單位實(shí)驗(yàn)室對(duì)此同批SJY01樣品所做出的XRD數(shù)據(jù)，結(jié)果如下：

1)主要以碳酸鹽礦物為主，其中方解石(CaCO3)占主體，另有少量菱錳礦(MnCO3)。同時(shí)，大部分Mn以Mn3O4(MnO·MnO2)(manganse oxide)形式存在，似是經(jīng)菱錳礦風(fēng)化而成(結(jié)晶度不好)；2)含石英；3)含少量石膏(CaSO4·2H2O)；4) 含少量云母類(lèi)硅酸鹽礦物。

圖14 樣品芳烴餾分的GC/MS總離子流圖Fig.14 Aromatic fraction of GC/MS total ion chromatogram

3.4 薄片鑒定

在Olympus光學(xué)顯微鏡下樣品SJY01為褐棕色、暗紅色。薄片標(biāo)本黑色，巖石由粒度0.036～0.1 mm粒狀錳礦組成，大部分錳礦呈集合體團(tuán)塊、團(tuán)粒，形狀不規(guī)則，最大團(tuán)塊粒度1.4 mm。錳礦黑色不透明，很薄時(shí)呈褐色、褐紅色半透明。錳礦粒間有碳酸鹽和玉髓充填(圖15)。 錳礦和碳酸鹽礦物

分布不均勻。體積分?jǐn)?shù)：錳礦70%～75%，碳酸鹽20%～25%， 玉髓3%。薄片鑒定結(jié)果為錳礦化碳酸鹽巖。

表6 樣品全巖XRD測(cè)試結(jié)果

a.灰?guī)r溶蝕孔正交偏光；b.灰色方解石和黑色錳氧化物單偏光；c.方解石單偏光。圖15 樣品SJY01薄片光學(xué)顯微鏡下結(jié)構(gòu)特征(50倍放大)Fig.15 Microstructure features of the SJY01 sample

3.5 掃描電鏡SEM

利用KYKY-2800對(duì)2個(gè)樣品SJY01和SJY02分別進(jìn)行了SEM分析和局部點(diǎn)的能譜測(cè)定。SJY01的結(jié)果如圖16a,b,c所示。在較大的蜂窩狀孔中，對(duì)孔壁上的物質(zhì)1 μm 范圍微點(diǎn)(十字處)(圖16a)能譜測(cè)定結(jié)果為：w(Si)為12.28%，w(Ca)為16.94%，w(Mn)為70.78%。對(duì)高分辨率下橢球物質(zhì)(圖16b)成分測(cè)定結(jié)果：Mn為主，其次為Ca，Si很少。疊層板狀礦物(圖16c)成分以Mn為主，其次為Ca，Si很少。

樣品SJY02結(jié)果如圖16d,e所示。礦物呈長(zhǎng)板針狀(圖16d)，能譜測(cè)試結(jié)果：w(Ca)為37.46%,w(Si)為 26.01%、w(Mn)為18.83%和w(C)為17.71%。樣品中有發(fā)育較好的石英晶簇(圖16e)。

a. SJY01蜂窩狀孔；b. SJY01橢球體狀物；c. SJY01疊層板狀物；d. SJY02板狀晶體；e. SJY02石英晶簇。圖16 2個(gè)灼燒過(guò)樣品的SEM圖像Fig.16 SEM images of the two burned samples

綜合衍射和化學(xué)分析結(jié)果，坑1東邊的爆炸物SJY01主要物相是方解石和錳氧化物，后者是非晶質(zhì)，所以無(wú)衍射峰。肉眼觀察標(biāo)本黑帶褐棕色。錳氧化物具有較強(qiáng)的吸附能力，可吸附重稀土離子，這或許是重稀土偏高的重要原因。

4 爆炸過(guò)程和模型討論

上述水井巖、東河口、肖家河，以及震源所在的蓮花心溝等4處大型滑坡發(fā)生地連線(xiàn)走向NE45°，位于F2斷裂帶上、地震烈度X-XI區(qū)。目擊者過(guò)程描述也一致說(shuō)明了地震中發(fā)生了氣體爆炸。這些氣體中含有烴類(lèi)氣體、含硫；這種爆炸猶如煤礦坑道中的“瓦斯突出”或“CO突出”，其爆炸力、沖擊力十分驚人，也唯有高壓氣體才有如此的沖擊力。地震過(guò)程中的噴火、閃光、火球及爆炸現(xiàn)象表明地震噴發(fā)氣體往往易燃，可能來(lái)自地下一定深度甲烷等氣體。地震中沿活動(dòng)斷裂F2直接測(cè)量逸出的氣體尤其是甲烷CH4氣體有一定困難，但后期科學(xué)鉆探1號(hào)鉆在鉆過(guò)F2斷層帶深度上觀測(cè)到了余震中的流體異常變化，其中CH4突然增高特色明顯[5]。天然氣爆炸的3個(gè)必備條件：高的溫度、一定的甲烷濃度和氧氣含量在地震主斷裂快速逆沖走滑過(guò)程中基本都具備了，只是量和程度難以確定。瓦斯爆炸界限為5%～16%(體積分?jǐn)?shù))，9.5%時(shí)爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反應(yīng)),受溫度、壓力及煤塵、其他可燃性氣體、惰性氣體混入等影響，一般瓦斯引火溫度為650～750 ℃，受到瓦斯?jié)舛取⒒鹪葱再|(zhì)及混合氣體壓力等因素影響而變化。當(dāng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)為7%～8%時(shí)，最易引燃。當(dāng)混合氣體壓力增高時(shí)，引燃溫度即降低。在引火溫度相同時(shí)，火源面積越大、點(diǎn)火時(shí)間越長(zhǎng)，越易引燃瓦斯。當(dāng)氧氣濃度減至12%以下時(shí)，瓦斯氣體即失去爆炸性。大多數(shù)氣體混合物系統(tǒng)的引燃溫度范圍627～927 ℃[36]。在強(qiáng)烈地震作用過(guò)程中CH4發(fā)生爆炸和完全燃燒時(shí)，生成為CO2和H2O而消失，所以一般地震活動(dòng)中地面監(jiān)測(cè)到的多為CO2氣體。

據(jù)該區(qū)地質(zhì)條件，筆者提出如下地下天然氣體溢出爆炸條件：可燃物質(zhì)是以甲烷成分為主的天然氣，儲(chǔ)存條件是石灰?guī)r中的溶洞，引燃條件是快速劇烈的地震動(dòng)力作用。現(xiàn)場(chǎng)直接證據(jù)是含錳、碳的爆炸物(類(lèi)似瓦斯爆炸后殘留巖石洞壁的焦疤)、燒焦的巖石和樹(shù)木。一般來(lái)說(shuō)，Ca和Si氧化物的熔融溫度分別是600～700 ℃、300～500 ℃。估計(jì)燃燒溫度不低于500 ℃，爆炸物質(zhì)來(lái)源深度不小于200 m。

在航遙圖像分析解譯、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和目擊者走訪基礎(chǔ)上，據(jù)溶蝕現(xiàn)象發(fā)育的灰?guī)r、黑色破碎的碳質(zhì)巖伴生和大坑出現(xiàn)的部位及分析，筆者認(rèn)為，地震時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的爆炸現(xiàn)象不是高速滑坡及其沖擊作用所造成的假象，而是實(shí)際發(fā)生過(guò)的現(xiàn)象。在都貫河左岸地表平臺(tái)上還見(jiàn)到巨大的古柏樹(shù)干，端部被燒焦，長(zhǎng)度8.0 m，直徑1.1 m(圖6b)?，F(xiàn)在當(dāng)?shù)厣缴弦缘桶珮?shù)木和灌木叢為主，周?chē)缴弦惨?jiàn)不到此等大樹(shù)，據(jù)文獻(xiàn)[37]，此樹(shù)干樣品C14年齡為(5 217±25) a B.P.，應(yīng)是爆炸時(shí)噴出物的又一力據(jù)。汶川地震后媒體曾見(jiàn)報(bào)道東河口滑坡現(xiàn)場(chǎng)河道中(圖7坑3和坑4之間)發(fā)現(xiàn)點(diǎn)火可燃的天然氣逸出[13]。

在地震災(zāi)區(qū)的近地表巖土體(如石灰?guī)r)中，零星孤立地儲(chǔ)存有許多小型密封的天然氣體或煤成瓦斯氣體，大地震強(qiáng)力震動(dòng)使部分易燃易爆氣體發(fā)生瞬間強(qiáng)烈爆炸，造成了比單純大地震破壞更加嚴(yán)重的山體破壞和巨型遠(yuǎn)距離拋散型滑坡與堰塞壩。由此可將地震引起地下天然氣體逸出爆炸而觸發(fā)山體滑坡與崩塌的次生地質(zhì)災(zāi)害過(guò)程，建立以下模型。

4.1 山腰噴出模型

山腰部位天然氣密閉空間爆炸，將邊坡中部巖體拋出而觸發(fā)上部巖體大規(guī)模崩塌，同時(shí)對(duì)下部邊坡巖體造成損傷，從而在上部崩塌巖體的沖擊下產(chǎn)生較大規(guī)?；?圖17a)。這時(shí)根據(jù)爆炸噴出巖體與覆蓋層被拋射距離情況，其可能全部被新的滑坡巖體物質(zhì)所掩埋。這種模型對(duì)解釋陳家壩水井巖的遠(yuǎn)程高速飛行滑坡較合理，且爆炸坑和噴出拋撒物較易保存下來(lái)。

a.山腰噴出；b.山腳噴出。圖17 汶川地震天然氣噴出爆炸模型示意圖Fig. 17 Explosion model for interpret circular pits and ejecta

4.2 山腳噴出模型

位于坡腳部位的天然氣密閉空間爆炸，直接削弱了坡腳對(duì)邊坡巖體的支撐作用，而觸發(fā)大規(guī)模山體滑坡(圖17b)。這時(shí)爆炸噴出巖體與覆蓋層可能全部被新的滑坡巖體物質(zhì)所掩埋。山腳爆炸噴出物多數(shù)情況下被定向拋向邊坡的對(duì)岸。這可能是汶川地震中最普遍存在的模型，王家山滑坡是典型范例。據(jù)目擊者稱(chēng)，山谷坡腳部位在地震后不久就發(fā)生了一次大爆炸，之后又連續(xù)產(chǎn)生了串珠式的大爆炸，然后就塵土飛揚(yáng)什么都看不見(jiàn)，只聽(tīng)到千軍萬(wàn)馬的聲音。主震過(guò)后才發(fā)現(xiàn)山頭已被削掉近一半，且滑坡體掩埋了所有山谷中房屋。由此判斷這是典型的坡腳爆炸觸發(fā)大型山崩式滑坡的情況，爆炸坑和噴出物易被后期滑坡體所覆蓋而難直露地表。唐家山滑坡可用此模型作部分解釋。

4.3 山腳與山腰同時(shí)噴出模型

不排除存在山腳與山腰天然氣密閉體同時(shí)或先后產(chǎn)生爆炸與拋射巖體的情況，這時(shí)既對(duì)邊坡坡腳的支撐產(chǎn)生破壞，也對(duì)上部巖體造成嚴(yán)重?fù)p傷，從而直接觸發(fā)更大規(guī)模的滑坡與崩塌。

4.4 其他可能模型

存在爆炸噴射本身直接產(chǎn)生了大型滑坡而不觸發(fā)后續(xù)大型滑坡的情況，因爆炸較深層，產(chǎn)生的巖體破壞已很大并深入基巖，使得破壞后的新鮮巖體邊坡基本穩(wěn)定，如水井巖滑坡，這時(shí)爆炸噴出物原樣保存較好，因此能觀察到環(huán)形坑并采集到直接爆炸拋撒物。

另一種特殊情況是，在上述模型產(chǎn)生滑坡之后，山谷部位由于高地應(yīng)力及地震波的作用，還繼續(xù)產(chǎn)生爆炸噴出，從而在滑坡堆積體上留下較明顯的爆炸坑，如圖17a 所示。東河口滑坡很可能是這種情況(圖7)。

當(dāng)然也不排除先有滑坡而后產(chǎn)生爆炸噴出或兩者同時(shí)發(fā)生的情況，但據(jù)筆者現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析及對(duì)眾目擊者訪問(wèn)，前3種模型是主要的，最多的情況是第一種模型即山腰噴發(fā)情況?？傊?，地下天然氣在近地表爆炸噴出引發(fā)大規(guī)模滑坡崩塌模型，可對(duì)這次汶川地震中多數(shù)大型滑坡奇特現(xiàn)象提出新的或許是被忽略的解釋。

5 結(jié)論

汶川地震過(guò)程中發(fā)生了以陳家壩水井巖為代表的3處帶有燃燒的爆炸，它們的連線(xiàn)走向NE45°,位于中央(映秀-北川)斷裂帶F2的下盤(pán)，處于川西含氣盆地邊緣控制帶上。

爆炸發(fā)生的內(nèi)因是碳質(zhì)頁(yè)巖和煤層伴生的前陸盆地天然氣、溶蝕發(fā)育的石灰?guī)r和近地表充足的氧氣，外因是地震主震強(qiáng)烈動(dòng)力作用。

沿中央斷裂極震區(qū)發(fā)現(xiàn)孤立的環(huán)形爆坑、遠(yuǎn)距離拋撒的巖塊和深孔監(jiān)測(cè)到的深部斷層帶甲烷氣含量異常升高，是引發(fā)汶川地震大型次生地質(zhì)災(zāi)害的一個(gè)重要因素，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)危害巨大。在地震發(fā)生前對(duì)活斷層附近天然氣富集區(qū)的分布和活動(dòng)，應(yīng)作為預(yù)防地震次生災(zāi)害的一項(xiàng)重要監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

參加野外考察的還有伍法權(quán)、李曉、岳中琦、秦四清、胡瑞林教授等；現(xiàn)場(chǎng)工作得到了中國(guó)科學(xué)院工程地質(zhì)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室資助；成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃潤(rùn)秋、許強(qiáng)教授等提供了幫助；研究過(guò)程中得到了王思敬院士、李世煇教授等的指點(diǎn)；室內(nèi)分析測(cè)試先后得到了中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所分析測(cè)試實(shí)驗(yàn)室李禾先生、蘭州油氣資源研究中心地球化學(xué)測(cè)試部孟仟祥先生、核工業(yè)北京地質(zhì)研究院、中科院科儀中心等單位和測(cè)試技術(shù)人員的大力支持。在此一并表示謝忱。

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Features of Craters and Test Results of Ejecta Distributed Above Shuijingyan Rock Avalanche in the Wenchuan Earthquake

Shang Yanjun1, Liu Jiaqi1, Xia Yanqing2, Liu Daan1, Lei Tianzhu2, Zhang Luqing1

1.KeyLabofEngineeringGeomechanics,InstituteofGeologyandGeophysics,CAS,Beijing100029,China2.LanzhouCenterforOilandGasResources,InstituteofGeologyandGeophysics,CAS,Lanzhou730000,China

Scientific interpretations are required for some abnormal phenomena at the XI intensity region of the Wenchuan earthquake: explosion bangs, large size circular pits and far distance flying rock avalanches. During field surveys we found circular pits and ejecta distributed above the Shuijingyan rock avalanche at Beichuan County in June 20, 2008, about one month after the main shock. According to field investigation and lab test results, the fired ejecta around craters are mainly carbonate manganese mixed of corrosion limestone and manganese underground surface. The brown porous ejecta are featured by intensive thermophilic degradation because they had high content of polycyclic aromatic hydrocarbons. If the regional geological conditions and coalbed gas distribution are considered, together with some updated findings of abnormal high content of methane monitored at the depth of central active fault F2during aftershocks, it is inferred that the main shock induced gas explosion, the latter triggered and enhanced some huge scale rock avalanches. The methane is stored within corrosion caves in limestone which interbedded with carbonaceous rocks, and closed fissures near the F2. At the lower wall the local explosions left circular pits and fired eject around the pits, triggered and enhanced the following rock avalanches to fly far distances. The result presented is significant for monitoring the natural gas explosions in great shock and understanding its functions to large scale rock avalanches.

Wenchuan earthquake; crater; carbonate manganese; coalbed gas; thermophilic degradation

10.13278/j.cnki.jjuese.201401201.

2013-07-12

國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目(2010CB732001)；中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-05-02)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41372324)

尚彥軍(1967-)，男，研究員，主要從事工程地質(zhì)科研和教學(xué)工作，E-mail:jun94@mail.igcas.ac.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201401201

P642.22

A

尚彥軍，劉嘉麒，夏燕青,等.從水井巖大型滑坡表面高溫降解噴出物特征到汶川地震天然氣體溢出爆炸模型.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2014,44(1):230-248.

Shang Yanjun, Liu Jiaqi, Xia Yanqing,et al.Features of Craters and Test Results of Ejecta Distributed Above Shuijingyan Rock Avalanche in the Wenchuan Earthquake.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(1):230-248.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201401201.