謝世亮, 孫玉軍

中國地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測中心, 北京 100094

2017年6月24日, 四川省茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村發(fā)生一起順層高位滑坡災(zāi)害—新磨滑坡, 導(dǎo)致 83人死亡和失蹤(許強等, 2017)。新磨滑坡的體積約450×104m3(許強等, 2017), 為2008年汶川地震后發(fā)生在龍門山地區(qū)的規(guī)模最大的一次巖質(zhì)滑坡(邵崇建等, 2017), 破壞力極強, 造成的傷亡極大。許多學(xué)者對該滑坡做了大量研究, 認(rèn)為滑坡的形成源于多次強震的作用下導(dǎo)致的山體震裂, 并在后期重力、雨水等外動力地質(zhì)作用下導(dǎo)致滑坡發(fā)生(何思明等,2017; 邵崇建等, 2017; 溫銘生等, 2017; 許強等,2017; Zhao et al., 2018)。以往的研究評估地震對滑坡的影響僅限于定性分析, 強調(diào)地震同震作用下山體的震裂作用(何思明等, 2017; 邵崇建等, 2017; 溫銘生等, 2017; 許強等, 2017), 而定量分析地震形變特別是震后形變對地質(zhì)災(zāi)害的影響還相對較少。

圖1 龍門山地區(qū)構(gòu)造地質(zhì)背景(a)及新磨滑坡發(fā)生點位置(b)Fig.1 Schematic map of geological structure background (a) and Xinmo landslide location (b) in Longmen Shan area

汶川地震后, 前人對龍門山地區(qū)的地殼/地幔結(jié)構(gòu)、斷裂構(gòu)造及地表GPS觀測積累了大量的研究(王椿鏞等, 2003; 國家重大科學(xué)工程“中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)”項目組, 2008; 劉啟元等, 2009; 郭飆等, 2009; 孫玉軍等, 2013; Zhang et al., 2014), 特別是近期對該區(qū)詳細(xì)的GPS震后形變分析(Diao et al.,2018)為開展詳細(xì)的震后形變計算提供了重要約束。為此, 我們采用德國地學(xué)中心汪榮江博士開發(fā)的PSGRN/PSCMP程序(Wang et al., 2006), 以地表同震和震后GPS觀測數(shù)據(jù)為約束, 計算了汶川地震同震和震后形變和應(yīng)力場。在此基礎(chǔ)上, 進一步定量化分析了 2008年汶川大地震同震和震后形變對松坪溝新磨特大滑坡的區(qū)域影響, 通過應(yīng)力場變化計算得到的庫侖應(yīng)力分析了松坪溝斷裂的地震活動性。該研究結(jié)果有助于更全面認(rèn)識強震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生機理。

1 區(qū)域背景

1.1 地形地貌

松坪溝地處川西松潘甘孜地塊與龍門山斷裂過渡區(qū)域。沿松坪溝發(fā)育有一活動斷裂——松坪溝斷裂, 并發(fā)育有一河流——松坪河。松坪溝斷裂處于龍門山斷裂帶西側(cè), 呈北西—南東走向, 長約30 km。沿著松坪河發(fā)育有一系列歷史滑坡所導(dǎo)致的堰塞湖。古滑坡遺跡主要分布在松坪河北岸, 主要為巖質(zhì)滑坡, 而 2017年的新磨大滑坡發(fā)生在松坪河下游東南端的富貴山, 靠近松坪溝斷裂與岷江斷裂帶的交匯處。松坪溝地貌屬構(gòu)造侵蝕高山地貌(許向?qū)幒屯跆m生, 2002), 表現(xiàn)為典型的“V”形峽谷地貌。沿松坪溝發(fā)育的松坪河為岷江的一級支流,延伸長度近 40 km。地面高程從松坪河上游近3900 m下降至下游與岷江交匯口近2200 m, 坡降劇烈。松坪河中下游兩岸多為巖質(zhì)斜坡, 地勢陡峭,北岸主要為順層斜坡, 南岸主要為切層斜坡, 其中北岸坡腳普遍存在巖質(zhì)碎屑堆積。

1.2 地層及巖性

松坪溝北西段主要為第四系覆蓋層, 南東段變質(zhì)基巖發(fā)育, 廣泛出露地表, 主要為新都橋組(T3x)的千枚巖, 雜谷腦組(T2z)的變質(zhì)石英砂巖(唐榮昌等,1983), 坡體中軟弱巖夾層發(fā)育, 這些軟弱夾層中富含黏土礦物。其中新磨滑坡崩塌區(qū)的基巖為中三疊統(tǒng)雜谷腦組(T2z)的變質(zhì)砂巖夾板巖(邵崇建等,2017)。松坪河北岸的順層斜坡普遍存在千枚巖等軟弱巖夾層, 并在露頭表現(xiàn)出凹凸不均的差異性風(fēng)化。

1.3 氣候條件

松坪溝處于高原干旱氣候帶和岷江干熱河谷帶, 屬于高原季風(fēng)氣候區(qū)。年降水量平均為570 mm,降水量較少, 但是降水量相對集中(邵崇建等,2017)。其中新磨滑坡發(fā)生前2個月累計降水200多毫米(許強等, 2017)。

1.4 歷史地震及滑坡

松坪溝歷史上強震頻發(fā), 近百年來松坪溝附近發(fā)生有6次5.5級以上大地震, 分別為1933年疊溪MS7.5級地震、1934年疊溪MS5.5級地震、1938年松潘南部的MS6.0級地震、1952年疊溪附近的MS5.5級地震、1976年的MS7.2級松潘—平武地震和2008年的MS8.0級汶川地震。其中1933年疊溪地震, 1976年松潘平武地震, 2008年汶川地震對松平溝地區(qū)均產(chǎn)生了Ⅵ級以上的烈度影響(邵崇建等,2017)。1933年疊溪地震在松坪溝區(qū)域地震烈度為Ⅹ度(唐榮昌等, 1983; 柴賀軍等, 1995; 許向?qū)幒屯跆m生, 2005; 邵崇建等, 2017), 2008年汶川地震為Ⅶ度(張勇等, 2008; 邵崇建等, 2017)。歷史強震導(dǎo)致震區(qū)山坡的巖體破碎。在松坪河沿岸基巖破碎, 節(jié)理發(fā)育, 在下游的雜谷腦組的地層為甚。在新磨滑坡的滑移面上可見兩條明顯的節(jié)理, 延伸在其西側(cè)。

1933年疊溪地震導(dǎo)致松坪溝形成了一系列滑坡, 堵塞松坪河, 這些滑坡集中于松坪河的北岸,形成了一系列堰塞湖(海子), 如公棚海子和白蠟海子(柴賀軍等, 1995)。歷史強震使得松坪溝南北兩側(cè)山體巖體震裂, 這些震裂為山體發(fā)生滑坡創(chuàng)造了初始條件, 隨著歷次強震作用, 以及雨水、凍脹等外動力地質(zhì)作用, 造成松坪溝震裂巖體損傷進一步積累(何思明等, 2017; 邵崇建等, 2017; 溫銘生等,2017; 許強等, 2017)。

2 汶川地震的震后形變及應(yīng)力場計算

2.1 研究方法

本文采用德國地學(xué)中心(GFZ)汪榮江博士開發(fā)的PSGRN/PSCMP程序(Wang et al., 2006)。該程序可基于分層與重力作用下的粘彈性模型計算出斷層錯動引起的同震和震后形變及應(yīng)力變化, 為分析大地震引起的震后區(qū)域應(yīng)力-應(yīng)變變化提供了有力工具。我們首先利用龍門山地區(qū)的波速、密度及粘滯性成果資料, 建立了半無限空間垂向均勻分層的粘彈性模型, 該模型假設(shè)上地殼為彈性介質(zhì), 下地殼和地幔為粘彈性介質(zhì)。然后結(jié)合前人反演出的汶川地震同震破裂模型, 以GPS觀測資料作為約束, 計算出龍門山地區(qū)地表的3個位移分量(Ux,Uy,Uz)(即東向, 北向和垂向位移)及 6個應(yīng)力分量(σx,σy,σz,τxy,τxz,τyz), 并進一步計算分析了松坪溝區(qū)域的地表形變及松坪溝斷裂的庫侖應(yīng)力變化。最后綜合計算結(jié)果探討了區(qū)域地表變形與松坪溝新磨大滑坡孕育、發(fā)生的成因聯(lián)系, 庫侖應(yīng)力變化對松坪溝斷裂活動性的影響。

水工環(huán)地質(zhì)勘察是一項專業(yè)性很強的工作，在社會資源不斷減少的情況下，水工環(huán)地質(zhì)勘察工作顯得越來越重要。國家在對資源環(huán)境進行規(guī)劃時，需要參考相關(guān)的勘察資料，而勘察隊伍的專業(yè)水平?jīng)Q定勘察結(jié)果的質(zhì)量。但我國的水工環(huán)地質(zhì)勘察隊伍的專業(yè)性還有待提升，這會影響到國家資源環(huán)境規(guī)劃的合理性。例如，地質(zhì)勘察專業(yè)本身不屬于熱門專業(yè)，地質(zhì)勘察工作環(huán)境通常較差，工作人員有時需要長時間在外出差，工作內(nèi)容比較枯燥，導(dǎo)致行業(yè)內(nèi)的人員流動性很強，工作人員的專業(yè)素質(zhì)不高。而一些比較年輕的技術(shù)人員缺乏工作經(jīng)驗，在工作過程中又很少進行自我提升，這些都會影響到水工環(huán)地質(zhì)勘察工作的順利開展。

2.2 介質(zhì)模型與破裂模型

本文計算所采用的半無限空間垂向均勻分層粘彈性模型將中上地殼(45 km以淺)假設(shè)為彈性介質(zhì), 下地殼和巖石圈地幔假設(shè)為Maxwell體粘彈性介質(zhì)(45 km以深), 因模型的局限, 未考慮龍門山斷裂帶兩側(cè)松潘甘孜地塊與四川盆地的地形和地殼結(jié)構(gòu)差異。

本文建立的半無限空間垂向均勻分層粘彈性速度模型參考了包括人工地震, 天然地震和地震層析等資料的龍門山地區(qū)深部地震探測成果。其中地殼和地幔P波速度主要參考基于人工地震探測的P波速度結(jié)構(gòu)剖面(王椿鏞等, 2003), 以及利用地震臺站紀(jì)錄的遠(yuǎn)震P波走時數(shù)據(jù)和非線性層析成像所得的龍門山地區(qū)400 km以淺的速度結(jié)構(gòu)剖面(郭飚等,2009)。S波速度則主要參考利用寬頻帶地震臺站紀(jì)錄的數(shù)據(jù)所反演出的川西地區(qū)201 km以淺的S波速度剖面(劉啟元等, 2009)。密度結(jié)構(gòu)參考通過重力觀測數(shù)據(jù)所得到的龍門山地區(qū)的密度結(jié)構(gòu)(Zhang et al., 2014)。粘滯性系數(shù)參考了基于中國大陸及鄰區(qū)巖石圈流變結(jié)構(gòu)研究的獲得的相關(guān)參數(shù)(孫玉軍等,2013)。綜合以上地球物理研究資料, 所給出的模型具體參數(shù)可見表1。

表1 半無限空間垂向均勻分層粘彈性模型參數(shù)Table 1 Viscoelastic model parameters of vertical uniform stratification in semi-infinite space

本文采用的地震破裂模型參考了美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)所發(fā)布的 2008年汶川地震破裂模型(https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/usp000g650/finite-fault)。該模型給出的發(fā)震斷層參數(shù)為: 斷層走向229°, 斷層傾角33°, 斷層平均滑動角120°, 斷層長度315 km, 斷層寬度40 km。

2.3 約束條件

本文檢驗和調(diào)整計算模型參數(shù)的依據(jù)主要是基于龍門山地區(qū)所布設(shè)的 GPS站點觀測到的汶川地震的同震位移結(jié)果(水平位移和垂向位移)(Wang et al., 2011), 以及汶川地震震后龍門山地區(qū)部分GPS站點觀測到的 7年累積水平位移(Diao et al.,2018)。

2.4 庫侖應(yīng)力計算

同震和震后引起的庫侖應(yīng)力變化量可定義為如下公式(Rice, 1992):

其中Δcfs為庫侖應(yīng)力變化量, Δτ為計算斷層面上剪應(yīng)力變化量, Δσn(規(guī)定拉伸為正)斷層面上的正應(yīng)力變化量,μ'為斷層的視摩擦系數(shù)。采用計算出的 6個應(yīng)力分量計算出松坪溝斷裂的Δτ與Δσn,μ'取典型值0.4(Knoos et al., 1994; 萬永革等,2002)。若庫侖應(yīng)力為正, 則斷層活動的危險性增加,反之則危險性減小(石耀霖和曹建玲, 2010; 劉方斌等, 2013)。

本文中將計算的時間段設(shè)定為2008年5月12日—2038年5月 12日, 主要是計算分析從汶川地震同震發(fā)生到震后 30年間的區(qū)域形變及應(yīng)力變化情況。并通過與GPS同震和震后形變的對比來驗證計算結(jié)果的可靠性。根據(jù)計算結(jié)果, 再沿松坪溝斷裂地表選取5個計算點位P1—P5(如圖1b), 分別計算出東向、北向和垂向三個位移分量的時空變化特征。最后依據(jù)松坪溝斷裂的幾何參數(shù), 計算出該區(qū)同震和震后產(chǎn)生的庫侖應(yīng)力變化及對松坪溝斷裂的影響, 進而分析其斷裂活動性。

3 計算結(jié)果

3.1 地表形變

圖2為模型計算的龍門山地區(qū)地表同震位移及震后位移與實際GPS觀測結(jié)果對比圖。計算結(jié)果表明, 除在斷裂帶附近與實際觀測存在一定的偏差外,整體上計算出的位移場方向及大小與 GPS觀測結(jié)果較為吻合。無論同震還是震后 7年的位移場, 模型計算的結(jié)果能夠較好匹配 GPS觀測得到的形變結(jié)果。如龍門山斷裂帶西側(cè)的松潘甘孜地塊在汶川地震同震時刻水平向運動表現(xiàn)為逆沖兼具少量走滑, 近斷層區(qū)域垂向表現(xiàn)為抬升運動; 四川盆地靠近龍門山區(qū)域表現(xiàn)為北西向水平運動, 近斷層區(qū)域表現(xiàn)為下降運動; 震后 7年松潘甘孜地塊持續(xù)南東向擠壓四川盆地。這些結(jié)果與GPS觀測的形變特征吻合, 反映了模型參數(shù)設(shè)置的合理性。

圖2 (a)同震地表水平位移; (b)同震地表垂向位移;(c)震后7年地表水平位移(2008—2015)(不包括同震位移)Fig.2 (a) Coseismic horizontal displacement of the ground surface; (b) Coseismic vertical displacement of the ground surface; (c) Horizontal displacement of the ground surface 7 years after the Wenchuan earthquake (2008–2015)(excluding coseismic displacement)

圖3a–c分別為計算所得的龍門山地區(qū)2008年汶川地震同震的地表經(jīng)向位移(Ux), 緯向位移(Uy)及垂向位移(Uz)。結(jié)果表明, 以龍門山斷裂為界, 在斷層上盤以東向運動為主, 最大位移量3.3 m; 下盤以西向運動為主, 最大位移量達(dá)到0.6 m; 地表位移量隨著遠(yuǎn)離斷層逐漸減小, 斷層上盤位移幅度整體大于下盤。緯向位移表現(xiàn)為: 以龍門山斷裂為界,近斷層區(qū)域, 上盤主要表現(xiàn)為北向運動, 斷裂中段與斷裂北段有兩個位移較大區(qū)域, 最大位移分量達(dá)到1.85 m; 下盤近斷層區(qū)域在斷層南北段存在差異,下盤近斷層區(qū)域中部表現(xiàn)為北向運動, 下盤南部及北部則表現(xiàn)為南向運動, 其中南段幅度最大, 南向最大位移量可達(dá)到 0.6 m。近斷層區(qū)域的緯向位移也表現(xiàn)出上盤大于下盤的特征。垂向位移在斷層的上下盤表現(xiàn)出差異性: 以龍門山斷裂為界, 上盤近斷層區(qū)域表現(xiàn)為向上運動, 最大幅度可達(dá)2.1 m, 隨著遠(yuǎn)離斷層, 上盤出現(xiàn)以長軸向平行于龍門山斷裂的下降區(qū)域, 幅度最大可達(dá)0.6 m, 下盤則無明顯升降運動。龍門山斷裂在汶川地震同震階段主要表現(xiàn)為逆沖兼具右旋走滑的特征, 并且在斷裂的南北段體現(xiàn)出差異性。

圖3 (a)同震地表經(jīng)向位移Ux計算結(jié)果, 向東為正;(b)同震地表緯向位移Uy計算結(jié)果, 向北為正;(c)同震地表垂向位移Uz計算結(jié)果, 向上為正;紅線代表斷裂Fig.3 (a) Calculated results of coseismic surface meridional displacement Ux (eastward displacement is positive.);(b) Calculated results of coseismic surface horizontal displacement Uy (northward displacement is positive.);(c) Calculated results of coseismic surface vertical displacement Uz (upward displacement is positive);The red line indicates the fault

圖4a–c為計算獲得的汶川地震震后9年的區(qū)域累積形變量(不包括同震位移)。結(jié)果顯示, 斷層上盤近斷層的斷層地表投影區(qū)域, 經(jīng)向位移表現(xiàn)為向西運動, 位移幅度最大可達(dá)2.5 cm。隨著遠(yuǎn)離斷層, 逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄驏|運動, 最大位移可達(dá) 3.5 cm, 斷層下盤近斷層區(qū)域整體表現(xiàn)為西向運動, 最大可達(dá)3.5 cm。如圖4b上盤及下盤近斷層區(qū)域, 緯向位移則表現(xiàn)出南端以南向為主, 北端以北向為主, 向北最大可達(dá)1.8 cm, 向南最大可達(dá)2 cm。如圖4c垂向位移則表現(xiàn)為斷層上盤的地面投影區(qū)域以下降運動為主, 最大幅度可以達(dá)到4.2 cm。下盤近斷層區(qū)域表現(xiàn)為下降運動, 隨著遠(yuǎn)離斷層, 下盤表現(xiàn)為向上運動。斷層上盤下降區(qū)域大于下盤區(qū)域, 隨著遠(yuǎn)離斷層, 逐漸過渡為向上運動。

圖4 (a)震后9年經(jīng)向位移計算結(jié)果, 向東為正;(b)震后9年緯向位移計算結(jié)果, 向北為正;(c)震后9年垂向位移計算結(jié)果, 向上為正;紅線代表斷裂Fig.4 (a) Calculated results of surface meridional displacement 9 years after the Wenchuan earthquake Ux(eastward displacement is positive); (b) Calculated results of coseismic surface horizontal displacement 9 years after the Wenchuan earthquake Uy (northward displacement is positive); (c) Calculated results of coseismic surface vertical displacement 9 years after the Wenchuan earthquake Uz (upward displacement is positive);The red line indicates the fault

根據(jù)計算獲得的汶川地震同震及震后9年的龍門山地區(qū)形變時空變化結(jié)果, 我們選取沿松坪溝地表的5個計算點(位置見圖1b), 進一步計算出汶川地震同震至震后30年的位移隨時間變化結(jié)果(如圖5所示)。結(jié)果表明, 汶川地震導(dǎo)致松坪溝地區(qū)發(fā)生了明顯的同震位移。圖5a為松坪溝地表各計算點的經(jīng)向位移隨時間的變化曲線, 松坪溝地區(qū)在汶川地震同震階段發(fā)生了明顯的位移, 松坪溝的經(jīng)向位移整體表現(xiàn)為向東運動, 最大可達(dá)42.3 cm, 最小可達(dá)26.8 cm, 震后9年各點繼續(xù)增加了約10 cm。同震階段, 沿著松坪溝經(jīng)向位移自西向東逐漸增大。圖 5b表示緯向位移隨時間的變化曲線, 同震階段,松坪溝各點的緯向位移表現(xiàn)為向南運動, 位移量7.4～8.0 cm, 震后9年各點繼續(xù)增加了1～2 cm不等,緯向位移沿松坪溝自西向東逐漸增大。圖5c表示垂向位移隨時間的變化特征, 汶川地震同震階段 P1—P5的垂向位移表現(xiàn)出差異性: 松坪溝北西段的 P1,P2和P3表現(xiàn)出向上運動; 松坪溝南東段的P4和P5表現(xiàn)為向下運動, P1—P5位移量為–0.1 ～1.7 cm, 震后9年, 松坪溝的垂向位移表現(xiàn)為, 北西段繼續(xù)向上運動, 南東段繼續(xù)向下運動。

圖5 (a)經(jīng)向位移時變曲線, 向東為正; (b)緯向位移時變曲線, 向北為正; (c)垂向位移時變曲線, 向上為正;(虛線表示新磨滑坡發(fā)生日期)Fig.5 (a) The surface meridional displacement varying with time (Eastward displacement is positive); (b) The surface zonal displacement varying with time (Northward displacement is positive); (c) The surface vertical displacement varying with time,upward displacement is positive; The dotted line indicates the occurrence date of the Xinmo landslide

綜合來看: 松坪溝地區(qū)在汶川地震同震階段的水平運動整體表現(xiàn)為東偏南, 垂向運動表現(xiàn)為松坪溝的北西段為向上運動, 南東段為向下運動, 這一運動特征在震后30年內(nèi)仍在持續(xù)。因此, 汶川地震的同震位移使得松坪溝地區(qū)的地形梯度增大, 并且在汶川地震震后形變調(diào)整階段進一步加劇, 這可能是觸發(fā)該區(qū)高陡邊坡滑坡災(zāi)害的重要區(qū)域形變條件。

3.2 庫侖應(yīng)力

本文選取松坪溝斷裂地表靠近新磨滑坡的計算點 P5作為計算庫侖應(yīng)力的參考點, 但目前關(guān)于松坪溝斷裂的性質(zhì)仍存在爭議, 唐榮昌等(1983)認(rèn)為松坪溝斷裂為逆斷層兼具左旋走滑, 是 1933年疊溪地震的發(fā)震斷裂。而Ren et al.(2018)認(rèn)為松坪溝斷裂為正斷層。本文考慮該區(qū)處于壓扭構(gòu)造環(huán)境,并綜合前人研究資料, 考慮松坪溝斷裂各段可能存在運動性質(zhì)差異, 設(shè)定了松坪溝斷裂因性質(zhì)不同而導(dǎo)致滑移角變化的4種情形: 逆斷層兼具左旋(滑移角為 30°和 60°)、逆斷層(滑移角為 90°)、逆斷層兼具右旋(滑移角為 120°和 150°)和正斷層(滑移角為–90°)。斷層走向和傾角取值一致: 走向 317°, 傾角60°。計算結(jié)果見圖 6, 當(dāng)松坪溝斷裂為逆斷層兼具左旋走滑時, 庫侖應(yīng)力表現(xiàn)為負(fù), 汶川地震使得松坪溝斷裂的斷層活動性降低; 當(dāng)斷裂為逆斷層, 庫侖應(yīng)力幾乎不變, 松坪溝斷裂的活動性不受汶川地震影響; 當(dāng)斷裂表現(xiàn)為逆斷層兼具右旋走滑時, 庫侖應(yīng)力增加, 則汶川地震會增加松坪溝斷裂的活動性, 并且滑移角越大則危險性越高; 當(dāng)斷層為正斷層時, 汶川地震使得松坪溝斷裂庫侖應(yīng)力增加, 斷層活動的可能性增加。

圖6 松坪溝斷裂上的地表庫侖應(yīng)力時變曲線(2008—2038年)Fig.6 The Coulomb stress change (Δcfs) on Songpinggou fault caused by the Wenchuan earthquake varying with time (2008–2038)

4 討論

4.1 模型的局限性

本文采用半無限空間垂向均勻分層粘彈性模型計算了汶川地震同震及震后 30年龍門山地區(qū)地表的形變特征, 分析了汶川地震造成的區(qū)域地表形變對新磨滑坡的影響, 以及汶川地震引起的庫侖應(yīng)力變化對松坪溝斷裂的影響。本文采用同震和震后GPS觀測結(jié)果來約束模擬結(jié)果, 計算結(jié)果和觀測結(jié)果整體擬合較好。

2008年汶川地震發(fā)生后, 不同學(xué)者給出了各自的破裂模型, 這些結(jié)果存在一定的幾何形態(tài)差異。根據(jù)這些破裂面傾向與傾角有無分段差異, 本文分別采用 USGS(2008)的破裂模型(單段)與 Wang et al.(2011)的破裂模型(多段), 在相同介質(zhì)模型情形下, 比對了計算結(jié)果, 兩者計算結(jié)果皆能較好擬合2008年汶川地震同震及震后松潘甘孜地快的地表位移特征, 特別是本研究所關(guān)注的新磨滑坡區(qū)域,兩種破裂模型在該區(qū)域的形變特別并無太大差異,因此采用了USGS的破裂模型來做詳細(xì)討論。

本文的介質(zhì)模型為垂向均勻分層粘彈性模型,通過前人的研究資料, 將松潘甘孜地塊與四川盆地的地殼結(jié)構(gòu)簡化為一致, 無法考慮龍門斷裂兩側(cè)松潘甘孜地塊與四川盆地地形和地殼結(jié)構(gòu)的橫向差異。但本文主要討論強震區(qū)域性的形變及應(yīng)力調(diào)整對滑坡和活動斷裂的影響, 并且松坪溝位于龍門山斷裂帶西緣的松潘甘孜地塊一側(cè)。因此, 本文重點分析的區(qū)域主要集中在松潘甘孜地塊一側(cè), 在建模過程中重點考慮了松潘甘孜地塊的地殼結(jié)構(gòu)特征及參數(shù), 同時在擬合GPS觀測結(jié)果時也重點考慮了松潘甘孜地塊一側(cè)的擬合結(jié)果。這樣的模型造成在四川盆地一側(cè)計算的地表位移結(jié)果與實際結(jié)果存在一定誤差, 而松潘甘孜地塊一側(cè)誤差相對較小, 因此對分析松潘甘孜地塊一側(cè)的形變影響較小。雖然存在以上局限性, 但本文的計算分析結(jié)果仍能較好地反應(yīng)汶川地震的同震與震后形變特征及其對松坪溝滑坡發(fā)育的區(qū)域形變影響。如果需要考慮其他地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害或者更詳細(xì)的震后形變特征, 則需要建立更加合理的數(shù)值模型, 對地殼不均勻性和地形加以考慮。

4.2 歷史地震對松坪溝地質(zhì)災(zāi)害的影響

如前所述, 龍門山地區(qū)歷史強震頻發(fā), 汶川地震是對該區(qū)形變影響的最近一次強震。歷史上多次地震可能對該區(qū)的形變均有影響。同時, 高位巖體會對同震損傷產(chǎn)生放大作用, 尤其高位的震裂巖體相對于坡腳的巖體更容易受到同震損傷。強震震后,近斷層區(qū)域地表的形變調(diào)整所導(dǎo)致的地表的不均勻形變, 改變地形梯度和巖體的摩擦應(yīng)力狀態(tài)(Lacroix et al., 2015; Albano et al., 2015)。

震區(qū)地表的不均勻形變調(diào)整則會改變地形梯度, 從而改變河流的縱比降, 進而影響河流的下切速率。因此地震的形變調(diào)整會影響河流對坡腳的下切速率, 影響順層坡的穩(wěn)定性: 若河流比降增大,促進向源侵蝕, 朝上游方向下切速率加快。便會促進沿岸坡腳巖體的應(yīng)力釋放, 促進潛在滑動面的形成(黃潤秋, 2008), 這有利于夾雜軟弱巖層的順層坡失穩(wěn); 若河流比降減小, 則相反。因此, 同震的不均勻形變會導(dǎo)致震裂山體破裂面及軟弱巖夾層面產(chǎn)狀發(fā)生變化, 進而改變震裂山體的應(yīng)力狀態(tài), 并影響山體的穩(wěn)定性。

關(guān)于新磨滑坡的研究, 前人側(cè)重于分析滑坡的外動力地質(zhì)作用, 對于內(nèi)動力地質(zhì)因素僅限于定性分析, 鮮有考慮地震的同震與震后效應(yīng)這一內(nèi)動力地質(zhì)作用的影響。本文的計算結(jié)果揭示, 2008年汶川地震的震后效應(yīng)對新磨滑坡的形成存在明顯影響。1933年的疊溪地震使得松坪溝產(chǎn)生大量的震裂山體, 為滑坡的發(fā)生創(chuàng)造了初始條件。松坪河北岸的順層坡巖體軟弱巖層及裂縫發(fā)育。歷次強震之后,震區(qū)坡體在重力時變作用、雨水和凍脹等外動力作用下, 坡體中的裂縫進一步發(fā)育。汶川地震同震階段的震裂作用也有利于坡體裂縫的發(fā)育, 加劇對震裂山體的破壞。根據(jù)本文計算結(jié)果, 汶川地震的震后區(qū)域地表形變調(diào)整改變了松坪溝地區(qū)的地形梯度,并導(dǎo)致松坪溝震裂山體的摩擦應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。汶川地震后的區(qū)域形變調(diào)整加大了松坪河的縱比降,有利于松坪河對沿岸斜坡坡腳的下切作用, 利于松坪河北岸的順層坡發(fā)生滑坡。因此, 汶川地震的區(qū)域地表形變調(diào)整對新磨滑坡的發(fā)生存在重要影響,這表明對于強震區(qū)的滑坡孕育與發(fā)生, 地震的震后形變調(diào)整是分析滑坡成因不可忽略的因素。

5 結(jié)論

通過以上計算分析, 本研究得出如下結(jié)論:

(1)汶川地震同震階段, 松坪溝地區(qū)地表發(fā)生了明顯的形變, 水平方向表現(xiàn)為南東向運動, 垂向方向在松坪溝的北西段表現(xiàn)為向上運動, 南東段表現(xiàn)為向下運動。汶川地震同震階段松坪溝地區(qū)的東向位移分量為 26.8～42.3 cm, 北向位移分量為7.4～8.0 cm, 垂向位移分量為–0.1～1.7 cm。并且震后9年, 松坪溝地表的位移調(diào)整持續(xù), 北向位移分量累計約 2.5 cm, 東向位移分量約 7.4～8.0 cm, 松坪溝北西段持續(xù)抬升, 南東段持續(xù)下降。

(2)汶川地震造成松坪溝地表的不均勻升降, 導(dǎo)致沿松坪溝的地形梯度增大, 可能會降低山體發(fā)生滑坡的閾值, 有利于滑坡災(zāi)害的發(fā)生。因此, 新磨滑坡是內(nèi)、外動力地質(zhì)作用綜合作用的結(jié)果。地震的震后形變調(diào)整是分析強震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害成因機理不可忽略的因素。

(3)汶川地震引發(fā)的松坪溝斷裂帶上的庫侖應(yīng)力變化表明, 若松坪溝斷裂為逆斷層兼具左旋走滑則松坪溝斷裂的活動性降低, 若松坪溝斷裂為逆斷層則活動性不受汶川地震影響, 若松坪溝為正斷層或者為逆斷層兼具右旋走滑斷層時, 汶川地震會使得斷層活動危險性增加。因此, 準(zhǔn)確限定松坪溝斷裂的運動性質(zhì)是進一步評價汶川地震對其未來活動危險性影響的關(guān)鍵。

致謝:感謝兩位審稿人對本文提出的寶貴意見。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No.41874114), and Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No.YYWF201720).