李為樂，黃潤秋，裴向軍，張曉超,張遠(yuǎn)明

(1.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)國家重點(diǎn)實驗室, 四川 成都 610059;2.四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610081)

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基于GoogleEarth的1920年海原8.5級大地震地質(zhì)災(zāi)害研究*

李為樂1，黃潤秋1，裴向軍1，張曉超1,張遠(yuǎn)明2

(1.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)國家重點(diǎn)實驗室, 四川 成都 610059;2.四川省華地建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610081)

摘要:詳細(xì)精確的滑坡編目是地震滑坡災(zāi)害評價的前提和基礎(chǔ)。利用Google Earth 提供的多源高精度衛(wèi)星影像對1920年海原8.5級地震觸發(fā)的黃土滑坡進(jìn)行了詳細(xì)解譯，共解譯得到1 000處滑坡，并利用多邊形圈出了滑源區(qū)和堆積區(qū)。海原地震滑坡主要集中分布于西吉縣西南部和海原縣東南部。統(tǒng)計分析表明，地震觸發(fā)的滑坡災(zāi)害主要受高程、坡高、坡度、坡向等地形地貌參數(shù)的控制，大量低角度高速遠(yuǎn)程滑坡主要是由于黃土液化的作用。

關(guān)鍵詞:海原地震；黃土滑坡；分布規(guī)律；Google Earth；黃土液化

詳細(xì)準(zhǔn)確的滑坡編目是地震滑坡災(zāi)害評價的前提和基礎(chǔ)，一個理想的地震滑坡編目圖應(yīng)該覆蓋整個地震區(qū)域，并且滑坡應(yīng)該用多邊形的形式準(zhǔn)確圈定出滑坡的位置和形狀[1]。對地震滑坡較詳細(xì)的編目始于1960年代，主要是利用航拍解譯和野外實地調(diào)查的方法，效率低下，并且很難覆蓋整個地震影響范圍[2-5]。近年來隨著遙感和GIS技術(shù)的飛速發(fā)展，高精度衛(wèi)星遙感影像不斷被應(yīng)用到地震滑坡的精細(xì)解譯中，許多詳細(xì)、準(zhǔn)確的地震滑坡編目圖被制作出來[6-11]。但高精度衛(wèi)星遙感影像較長的獲取周期和較小的單景覆蓋面積，導(dǎo)致短時間覆蓋整個地震影響區(qū)非常困難。GoogleEarth作為一種免費(fèi)的遙感、GIS三維平臺，為地震滑坡，尤其是歷史地震滑坡的研究提供了新工具。2008年5月20日GoogleEarth及時在線提供了拍攝于汶川地震后第3d(5月15日)的汶川地震重災(zāi)區(qū)北川附近的FORMOSAT-2衛(wèi)星影像，為抗震救災(zāi)和唐家山堰塞湖的發(fā)現(xiàn)提供了幫助。Sato等[12]利用這些免費(fèi)影像對北川周邊的地震滑坡進(jìn)行了解譯，解譯了257處大型滑坡。

1920年12月16日海原8.5級大地震是我國有史以來震級最大、死亡人數(shù)最多的地震之一，強(qiáng)震持續(xù)了大約10min，超過23萬人在地震中喪生，其中約10萬人的死亡是由于地震觸發(fā)的黃土滑坡直接導(dǎo)致的[13-14]。翁文灝、謝家榮等在震后第二年對海原地震的災(zāi)情進(jìn)行了考察，并對地震滑坡和堰塞湖進(jìn)行了簡單描述[15]。Close等[16]對海原地震滑坡拍攝大量照片并進(jìn)行了相應(yīng)的描述。但對海原地震滑坡開始較為深入的研究是在地震發(fā)生60多年后。白銘學(xué)等[17]對1920年海原大地震引發(fā)的固原縣石碑源黃土層的低角度滑移進(jìn)行了研究，認(rèn)為是黃土液化導(dǎo)致滑坡發(fā)生。Zhang等[13]對海原地震滑坡進(jìn)行了調(diào)查研究，指出海原地震滑坡存在三個集中分布區(qū)，總面積約4 000km2，并總結(jié)出海原地震滑坡具有含水量低、坡度緩、滑動速度快等特點(diǎn)。張振中[18]通過對海原地震滑坡的研究，依據(jù)地貌形態(tài)和地質(zhì)條件將地震誘發(fā)的黃土滑坡分為震陷崩塌滑坡、黃土液化型滑坡和剪切變形滑坡。而陳永明等[19]則將黃土地震滑坡分為黃土內(nèi)部滑坡、黃土-基巖層面滑坡和黃土-基巖混合滑坡。王家鼎等[20]認(rèn)為地震誘發(fā)高速黃土滑坡的機(jī)理是黃土體解體、斜拋和粉塵化效應(yīng)。王蘭民等[21]用土動力學(xué)方法探討了黃土層的液化機(jī)理。2003年寧夏地礦廳地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站對海原地震黃土滑坡集中分布的西吉縣開展了滑坡調(diào)查，并對對滑坡災(zāi)害危險程度作了評價[15]。袁麗霞[15，22]對西吉縣境內(nèi)的滑坡進(jìn)行了詳細(xì)研究，認(rèn)為在西吉縣境內(nèi)分布的大量滑坡是受該區(qū)域特殊的地形地貌、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力關(guān)系、土質(zhì)特征、震前宏觀水異常等特征控制。Zhang等[23]通過大量環(huán)剪試驗(ringsheartests)認(rèn)為地震過程中黃土的抗剪強(qiáng)度劇烈降低是由于孔隙水壓力陡增的緣故。

盡管近年來對海原地震觸發(fā)的黃土滑坡開展了大量的研究，但主要還是針對個別典型滑坡或典型區(qū)域(如西吉縣)滑坡的研究，對整個地震區(qū)范圍內(nèi)滑坡的綜合研究較少。本文利用GoogleEarth提供的高精度遙感數(shù)據(jù)，對整個海原地震Ⅸ度區(qū)的滑坡進(jìn)行了詳細(xì)解譯，建立滑坡數(shù)據(jù)庫，并對其分布規(guī)律與地震、地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析。

1研究區(qū)地形地質(zhì)條件

據(jù)前人調(diào)查研究[13-14]，海原地震滑坡主要有三個集中分布區(qū)，即Ⅺ、Ⅻ烈度區(qū)位于海原縣東南區(qū)域，Ⅸ、Ⅹ烈度區(qū)位于西吉縣西南區(qū)域和Ⅷ烈度區(qū)位于通渭縣附近(圖1)。但在通渭縣附近，1718年發(fā)生了7.5級強(qiáng)震，所以很難確定通渭縣附近集中區(qū)的滑坡是由海原地震觸發(fā)還是1718年的地震觸發(fā)。所以本研究將海原地震Ⅸ度烈度區(qū)作為研究區(qū)，研究區(qū)面積23.5×103km2(圖1)。

圖1　研究區(qū)位置圖 (改自文獻(xiàn)[24])

研究區(qū)中部為六盤山山脈，出露上新統(tǒng)基巖，海拔高程2 000～3 000m。山脈周圍屬于黃土丘陵地貌，海拔高程1 200～2 000m。研究區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫5～7 ℃，該區(qū)較干旱，年平均降雨量200～500mm，總的趨勢是從東南向西北遞減。研究區(qū)屬中國著名的強(qiáng)震發(fā)生區(qū)——六盤山地震區(qū)，據(jù)統(tǒng)計，截至1976年，該區(qū)共記載到6級以上的破壞性地震51次，其中7級以上的強(qiáng)震22次，8級及大于8級的特大地震6次[15]。

1920年海原地震地表破裂帶全長237km。以南華山東端為界，地表破裂帶可分為兩段，西段總體走向NWW,東段走 向為NW向，兩段總體走向之間的夾角為30°左右。發(fā)震斷裂為左旋平移斷裂，該地震中其最大水平位移約10m，最大垂直位移為7.6m[15]。

2滑坡解譯

2.1遙感數(shù)據(jù)源和解譯方法

GoogleEarth影像在研究區(qū)的覆蓋情況較好，大部分區(qū)域有Quickbird(0.6m)、Worldview-2(0.5m)和Geoeye-1(0.5m)等高精度影像，只有少部分區(qū)域為Spot-5(5m)影像(圖2)?；陆庾g直接在GoogleEarth軟件三維視圖下進(jìn)行，采用添加多邊形的方式直接進(jìn)行滑坡的解譯。由于研究區(qū)面積較大，為了避免遺漏和重復(fù)解譯，全區(qū)被劃分為34小塊，逐一對每小塊進(jìn)行解譯，如圖2所示。

圖2　研究區(qū)Google Earth影像及地震烈度

為了后期滑坡分布規(guī)律統(tǒng)計的準(zhǔn)確性，將滑坡滑源區(qū)和堆積區(qū)分別用不同的多邊形表示，并賦予相同的滑坡編號。所有解譯的滑坡多邊形都放在同一個文件夾下，解譯完成后將該文件夾存為KLM格式文件，再由GlobalMapper軟件轉(zhuǎn)換為Shapefile文件。

2.2解譯標(biāo)志

區(qū)別于其他植被覆蓋較茂密的區(qū)域，黃土高原地區(qū)植被稀少，地表光禿，通過以下影像特征可以較容易識別出滑坡。

(1) 圈椅狀滑坡后壁

滑坡后壁是滑坡解譯最直接的解譯標(biāo)志。海原地震滑坡發(fā)生已有90多年，雖然經(jīng)歷了長期的水土侵蝕和人工改造，但由于海原地震觸發(fā)的滑坡后壁都很高陡，其圈椅狀特征仍然非常明顯，在影像上呈弧狀深色調(diào)，尤其在GoogleEarth三維視圖下，較容易識別出滑坡(圖3)。圈椅狀滑坡后壁是本次遙感解譯中最主要的解譯標(biāo)志。

(a)圈椅狀滑坡后壁影像特征 (b)圈椅狀滑坡后壁野外照片圖3　典型圈椅狀滑坡后壁解譯標(biāo)志

(2) 影像紋理

黃土斜坡在遙感影像上一般呈現(xiàn)與等高線平行的連續(xù)條狀紋理，滑坡位置條狀紋理會突然錯位或者中止(圖4)，是識別黃土滑坡的重要標(biāo)志。

(a)滑坡紋理解譯標(biāo)志影像特征 (b)滑坡紋理解譯標(biāo)志野外照片圖4　典型滑坡

(3) 堰塞湖

大量規(guī)模較大的海原地震滑坡堵斷河流形成堰塞湖，共有43處保留至今，主要集中分布在西吉縣境內(nèi)。在影像上堰塞湖呈深色調(diào)，容易識別，可以作為地震滑坡的輔助解譯標(biāo)志(圖5)。

圖5　黨家岔附近遙感解譯三維視圖

2.3解譯結(jié)果

利用上述解譯標(biāo)志，我們前期在研究區(qū)共解譯滑坡805處。2012年7-8月對其中473處滑坡進(jìn)行了野外驗證，這473處全部被證明為滑坡。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，我們進(jìn)行了第二次補(bǔ)充解譯，最終確定滑坡為1 000處，如圖6所示?；驴偯娣e102.6 ×106m2，其中滑源區(qū)總面積45.2×106m2，堆積區(qū)總面積57.4 ×106m2。最小滑坡面積755m2，最大滑坡面積2.3×106m2，平均面積102.5×103m2(圖7)。

圖6　研究區(qū)滑坡分布圖

圖7　滑坡面積分布頻率圖

從圖6可以看出，地震滑坡主要集中分布于兩個區(qū)，海原縣東南部和西吉縣西南部，其中后者分布滑坡最多，約有600處滑坡分布在該區(qū)域。此外，絕大多數(shù)滑坡都分布在發(fā)震斷裂的西南側(cè)，僅有14處滑坡分布在東北側(cè)。

需要說明的是，由于海原地震距離現(xiàn)在已經(jīng)有90年，大量地震觸發(fā)的中小型滑坡由于后期自然和人為改造已經(jīng)無法通過遙感解譯辨別出來，因此海原地震觸發(fā)的滑坡應(yīng)該要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于1 000處，本研究解譯的 1000處滑坡是規(guī)模較大或后期改造較小，滑坡形態(tài)保持較好的滑坡。

2.4黨家岔滑坡和地震堰塞湖

位于西吉縣城大約30km的黨家岔滑坡 (35°50′3″N, 105°27′38″E)是海原地震觸發(fā)的大規(guī)模、低角度、高速、遠(yuǎn)程災(zāi)難性滑坡的最典型代表。該滑坡為黃土滑坡，滑體由同一山脊的兩部分組成，如圖8所示。滑坡先沿著溝谷快速運(yùn)移了約2km，直至溝口主河，再順主河向下游運(yùn)動了約1.1km。滑坡壩堵塞主河，形成了一個長約5km，寬約400m的堰塞湖，是海原地震觸發(fā)堰塞湖中保留至今規(guī)模最大的，滑坡體積約1 500萬m3。該滑坡滑源區(qū)原始坡度約20°，前后高差僅約170m，卻總共運(yùn)動了約3 100m，其視摩擦角僅0.05，表現(xiàn)出了非常大的運(yùn)動性。ZhangDX等[23]通過現(xiàn)場調(diào)查和大量環(huán)剪試驗認(rèn)為主要是由于地震過程中黃土液化和孔隙水壓力導(dǎo)致該滑坡具有大的運(yùn)動性。

(a)Google Earth影像 (b)野外照片圖8　黨家岔滑坡和堰塞湖

3地震滑坡分布規(guī)律

地震滑坡的分布主要受到地震參數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造背景和地形地貌等因素的影響和控制。本文擬從震中距離、地震烈度、發(fā)震斷層距離、高程、坡高、坡度和坡向等參數(shù)來分析海原地震滑坡的分布規(guī)律。統(tǒng)計分析利用ARCGIS9.3的Spatialanalysis功能完成，分別將滑坡滑源區(qū)多邊形與對應(yīng)參數(shù)進(jìn)行疊加，統(tǒng)計滑源區(qū)面積在各參數(shù)內(nèi)的百分比。

3.1震中距離與地震滑坡分布

不同的研究人員確定的海原地震的震中位置差別較大，本文以蘭州地震研究所確定的海原縣干鹽池(36°39″N，105°17″E)為震中位置(見圖6)。利用ARCGIS9.3軟件，以5km為間隔統(tǒng)計地震滑坡的分布情況，結(jié)果如圖9所示。地震滑坡距離震中最大距離約140km。與大部分地震滑坡不一樣，海原地震滑坡并不是距離震中越近滑坡就越多，大部分(67%)的滑坡分布于距離震中80～100km范圍，這說明海原地震滑坡主要不受震中距離控制。

圖9　震中距離與地震滑坡分布關(guān)系圖

3.2地震烈度與地震滑坡分布

海原地震震中位置地震烈度達(dá)到Ⅻ度，本研究解譯滑坡分布范圍為Ⅸ～Ⅻ度范圍。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，滑坡分布密度隨地震烈度遞減，47.4%的滑坡位于Ⅸ度區(qū)，35.0%的滑坡位于Ⅹ度區(qū)，10.3%的滑坡位于Ⅺ度區(qū)，而Ⅻ度區(qū)內(nèi)滑坡最少，占總滑坡的7.3%(圖10)?？梢姠ⅱ葏^(qū)內(nèi)的滑坡要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于Ⅺ和Ⅻ度區(qū)，而且Ⅺ和Ⅻ度區(qū)內(nèi)滑坡總體上較小，這可能主要由于Ⅺ和Ⅻ度區(qū)主要為六盤山脈(見圖6)，黃土厚度較小或為基巖出露[13]。

圖10　地震烈度與地震滑坡分布關(guān)系圖

3.3斷層距離與地震滑坡分布

發(fā)震斷層矢量化于1:50萬地質(zhì)圖，并根據(jù)遙感影像特征進(jìn)行了局部修改，如圖6所示。以5km為間隔對地震滑坡與發(fā)震斷裂的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如圖11所示。地震滑坡具有兩個集中分布區(qū)，即0～5km(22.0%)和40～70km(66.8%) 范圍，分布對應(yīng)海原縣和西吉縣集中分布區(qū)，其中40～70km范圍內(nèi)地震滑坡最多。兩集中分布區(qū)之間為六盤山脈，可見地震滑坡還主要受到地層巖性和地形地貌等因素的影響。

圖11　斷層距離與地震滑坡分布關(guān)系圖

3.4高程與地震滑坡分布

高程數(shù)據(jù)來源于ASTERG-DEM，ASTERG-DEM單元格大小為30m，高程標(biāo)準(zhǔn)差為7～14m。整個研究區(qū)高程范圍為1 245～2 992m，而地震滑坡的滑源區(qū)分布范圍為1 407～2 423m，且集中分布于1 800～2 200m高程范圍(90.3%)，見圖12。

圖12　高程與地震滑坡分布關(guān)系圖

3.5斜坡高度與地震滑坡分布

斜坡高度由ASTERG-DEM數(shù)據(jù)利用ArcGIS軟件計算得來，即斜坡坡底至坡頂?shù)母叱滩?。整個研究區(qū)斜坡高度范圍為0～496m，而地震滑坡滑源區(qū)斜坡高度范圍為0～224m，且集中分布于15～100m坡高范圍(74.0%)，見圖13。

圖13　斜坡高度與地震滑坡分布關(guān)系圖

3.6坡度與地震滑坡分布

斜坡坡度也由ASTERG-DEM數(shù)據(jù)利用ArcGIS軟件計算得來。整個研究區(qū)地形坡度都較小，91.6%的范圍斜坡坡度都小于20°，而地震滑坡滑源區(qū)的坡度范圍為0°～41°，且集中分布于5°～20°坡高范圍(87.9%)，見圖14。

圖14　坡度與地震滑坡分布關(guān)系圖

3.7坡向與地震滑坡滑向分布關(guān)系

整個斜坡坡向由ASTERG-DEM數(shù)據(jù)計算得來，整個研究區(qū)斜坡坡向分布比較均勻，而地震滑坡滑向是ArcGIS軟件里逐個量取得來，二者分布關(guān)系見圖15。可見地震滑坡的優(yōu)勢滑向為40°～80°和260°～330°。結(jié)合滑坡的整體分布位置，即大部分滑坡分布于震中東南方向和發(fā)震斷裂的西南方向(圖15)，則地震滑坡的滑向主要是朝向震中和發(fā)震斷裂方向，這正好與汶川地震觸發(fā)滑坡的規(guī)律相反[25-26]。

圖15　滑坡方向玫瑰花圖(灰色為整個研究區(qū)斜坡坡向，黑色為滑坡滑向)

4討論

上述滑坡分布統(tǒng)計分析結(jié)果表明，海原地震滑坡的空間分布主要受高程、坡高、坡度、坡向等地形地貌因素的控制，而與距震中距離、距發(fā)震斷層距離、地震烈度等地震本身因素相關(guān)性較小。海原地震滑坡的空間分布規(guī)律與汶川地震滑坡相差較大，汶川地震滑坡主要受發(fā)震斷層的控制[25,27-29]，可能主要是由于兩地震發(fā)震斷裂性質(zhì)和觸發(fā)滑坡類型不同的緣故。汶川地震發(fā)震斷層為逆沖走滑型，而海原地震發(fā)震斷裂主要為左旋走滑型。汶川地震滑坡主要為巖質(zhì)滑坡，而海原地震觸發(fā)滑坡主要為黃土滑坡。陳永明等[30]認(rèn)為黃土厚度對黃土地震滑坡有重要影響，滑坡厚度越大，黃土滑坡的規(guī)模也就越大，西吉縣境內(nèi)滑坡的集中分布，也可能是由于該處黃土厚度較其它地方厚的緣故。

前述研究表明，海原地震滑坡普遍發(fā)生在坡度較緩的斜坡上且運(yùn)動距離較遠(yuǎn)。許多研究人員都試圖對其機(jī)制進(jìn)行解釋。袁麗霞[22]對西吉縣境內(nèi)的滑坡進(jìn)行了調(diào)查和室內(nèi)試驗研究，認(rèn)為由于非飽和黃土中大量孔隙的存在，地震中地下水位迅速上升，導(dǎo)致孔隙水壓力陡增，在地震作用下，黃土瞬間液化導(dǎo)致低角度高速遠(yuǎn)程滑坡的發(fā)生。在遙感解譯中，我們發(fā)現(xiàn)位于固原縣西北約14km的石碑塬滑坡黃土液化的特征最為明顯(圖16)。該滑坡原始坡度非常緩，只有2°～5°，其滑動距離則達(dá)1 500m。圖16顯示滑坡表面呈排列整齊的波浪狀，液化流動特征非常明顯，是黃土液化的重要證據(jù)。

(a)滑坡全貌圖

(b)局部波浪特征圖16　石碑塬滑坡遙感影像特征 (影像來自Google Earth)

5結(jié)論

利用Googleearth遙感影像對海原地震Ⅸ度以上烈度區(qū)進(jìn)行了滑坡解譯，共識別滑坡1 000處，堰塞湖43處。實踐證明，Googleearth是一種快速有效的歷史地震滑坡編錄工具。

海原地震滑坡主要集中分布在西吉縣西南和海原縣東南部兩個集中分布區(qū)，其中西吉縣集中分布區(qū)滑坡最多。統(tǒng)計分析表明，海原地震滑坡主要受高程、坡高、坡度、坡向等地形地貌參數(shù)的控制，受震中距離、地震烈度和發(fā)震斷層距離等影響較小。大量低角度高速遠(yuǎn)程滑坡的存在主要是由于黃土液化的作用。

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StudyonGeologicalDisastersCausedbyHaiyuanM8.5Earthquakein1920BasedonGoogleEarth

LiWeile1,HuangRunqiu1,PeiXiangjun1，ZhangXiaochao1andZhangYuanming2

(1.State key Laboratory of Geo-hazard Prevention and Geo-environment Protection,

Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;

2.Huadi Corporation of Gedogic Bureau of Sichuan, Chengdu 610081, China)

Abstract:A detailed and precise landslide inventory is an essential part of seismic landslide hazard assessment. Based on multisource high-precision satellite images provided by Google Earth, landslides in loess triggered by Haiyuan M8.5 earthquake in 1920 are interpreted in detail. A total of 1000 landslides are got from the interpretation, and the slip source zone and accumulation zone are circled by use of multiple deformation. The landslides mainly distributed in the southwest of Xiji County and the southeast of Haiyuan County. The statistical analysis results indicate that earthquake triggered landslide hazard is mainly influenced by elevation, slope height, slope, and landform parameters, and a large number of low angle high-speed distant landslides is mainly due to the effect of loess liquefaction.

Key words:Haiyuan earthquake; loess landslide; distribution pattern; Google Earth; liquefaction

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2015.02.006

中圖分類號：P315.9; X4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-811X(2015)02-0026-06

作者簡介：李為樂(1982-)，男，安徽太湖人，博士研究生，副研究員，主要從事地質(zhì)災(zāi)害遙感與GIS應(yīng)用研究.E-mail:whylwl01@163.com

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金(41202210)；國土資源部公益性行業(yè)專項(201211055)；中國地質(zhì)調(diào)查局項目(1212011140005)

收稿日期:* 2014-10-22修回日期: 2014-12-04