陳曉利,冉洪流,王明明
中國地震局地質研究所,活動構造與火山實驗室,北京 100029
潛在地震滑坡危險區區劃方法
陳曉利,冉洪流,王明明
中國地震局地質研究所,活動構造與火山實驗室,北京 100029
不同地區地震活動的強度和頻率是不同的.基于地震危險性分析的地震滑坡危險研究在綜合了地震烈度、位置、復發時間等因素的基礎上,考慮了地震動峰值加速度時空分布的特點,可以有效地應用于潛在地震滑坡危險區區劃.以汶川地震災區為研究對象,根據研究區的地質構造、地震活動特點等劃分出災區的潛在震源區,對該區進行地震危險性分析,并在此基礎上采用綜合指標法做出基于地震危險性分析的地震滑坡危險性區劃.所得地震滑坡危險性區劃按照滑坡危險程度分為高危險、較高危險、較低危險和低危險四級,表示未來一段時間內研究區在遭受一定超越概率水平的地震動作用下,不同地區地震滑坡發生的可能程度.本文給出的地震滑坡危險性區劃結果中,汶川地震滑坡崩塌較發育的汶川、北川、茂縣等部分區域均處于高危險或較高危險區域;在對具有較高DEM精度的北川擂鼓鎮地區所作的地震滑坡危險性區劃中,汶川地震中實際發生的地震滑坡災害與地震滑坡危險區劃結果表現出較好的一致性.對區域范圍而言,基于地震危險性分析的地震滑坡區劃,可為初期階段的土地規劃使用及重大工程選址提供參考.
汶川地震,地震滑坡,潛在震源區,地震危險性分析,滑坡危險性區劃
地震滑坡是山體在強烈震動中失穩產生的滑移.它是一種危害巨大的地震次生災害,能夠切斷交通,毀壞設施,阻塞河道形成堰塞湖.地震滑坡不僅能造成巨大的社會經濟損失,對人民生命財產的安全也構成了嚴重的威脅.2008年5月12日的汶川大地震是新中國成立以來我國大陸發生的破壞性最為嚴重的地震,不僅造成大量的人員傷亡,而且嚴重破壞災區的生產和生活設施,使災后重建工作面臨巨大困難.汶川地震災害現場調查表明滑坡崩塌等是地震災區最常見的現象,也是造成損失最為嚴重的地質災害.初步估計,地震地質災害直接造成的死亡人數可達2萬人[1-3],一些大型的崩塌、滑坡體即可造成成百上千人的傷亡,如北川縣王家巖滑坡就直接導致了1600人的死亡.
地震誘發滑坡量大、面廣,與降雨誘發滑坡有著很大的不同.除去觸發因素、空間發育規律等的區別,地震誘發滑坡崩塌在個體規模、分布范圍、分布密度上比降雨誘發滑坡要大很多,一次強烈地震可能引發成百上千個滑坡,波及幾百幾千平方公里.對待規模大、分布范圍廣的地震滑坡災害問題,在土地利用的規劃階段就進行地震滑坡危險性預測和區劃是行之有效的解決辦法[4-6].在對一個地區作出中長期地震預報之后,如果也能相應地對該地區的斜坡穩定性進行評價,從而預測地震時滑坡最可能發生的地段,這對于減輕震區人員傷亡和財產損失將具有重要的意義.
地震滑坡危險區域預測或危險等級劃分工作是以地震滑坡分布規律及影響因素研究為基礎的.早期對地震滑坡空間分布規律的研究是通過對眾多震例的統計分析,總結出滑坡分布范圍與震級、震中、斷層距以及巖性、地形坡度等的關系[7-11],這些成果奠定了滑坡區劃研究的基礎.Newmark 1965年提出了有限滑動位移法,對邊坡在地震作用下的穩定性進行了定量研究[12].該方法自誕生后,經過不斷的改進與完善,成為很多算法的基礎,并在小區域范圍的地震滑坡危險性預測中得到應用.如以Newmark法為基礎,Jibson等分別編制了美國加利福尼亞1994年Northridge地震震中附近Oat Mountain地區的地震滑坡危險區劃圖和阿拉斯加Anchorage地區的地震滑坡危險區劃圖[13-14];Scott等在GIS技術支持下,也采用Newmark模型編制了美國加州伯克利的地震滑坡危險區劃圖,這些工作均取得較好的效果[15].
從定性到定量的研究方法,逐步提高了地震滑坡危險性預測的精確度和準確性.在各種地震滑坡研究方法中,必須提及的影響因素是地震動的影響.較早時期的工作對于地震影響采用地震烈度來描述[7,8,10-11],隨著研究方法和觀測技術手段的進步,近年來的工作開始采用地震動加速度研究地震中邊坡的穩定性.Jibson等在Oat Mountain的地震危險性區劃中使用的地震動加速度是從189條Northridge地震主震的強震記錄獲得的,而他在阿拉斯加Anchorage地區的地震危險性研究中地震動加速度的選取,則采用的是50年超越概率2%水平的地震動加速度,取值為0.69 g[14].
從土地規劃的角度來看,地震滑坡危險性區劃應該滿足不同區域范圍的需求.對于超過上千平方公里的研究區域,地震動加速度值在此范圍內不是一個恒定值,而是變化的.同時,地震滑坡與地震活動密切相關,不同地區的地震活動的強度和頻率不同.就目前地震的研究水平來說,地震發生的時間、地點和強度(震級)仍是當作隨機事件處理的.因此,對于某次特定地震誘發滑坡的研究不能滿足地震發生時空不確定的特性,而基于地震危險性分析的地震滑坡危險研究則綜合了地震強度、位置、復發時間等因素,考慮了地震動加速度時空分布的特點.
本文選擇汶川地震災區作為研究對象,根據研究區的地質構造、地震活動特點等劃分出該區的潛在震源,在該區地震危險性分析基礎上對地震滑坡危險性區劃方法進行了探討.所得地震滑坡危險性區劃結果表示未來一段時間內研究區在遭受一定超越概率水平的地震動作用下,不同地區滑坡發生的危險性,可為土地規劃使用初期階段及重大工程選址提供參考.
不同地區的地震活動強度和頻率不同,由于地震滑坡觸發因素的特點,研究區的地震危險性研究直接關系到地震滑坡的危險性區劃.本文對研究區的地震危險性分析采用的是以潛在震源劃分為基礎的不同超越概率水平的地震動加速度計算[16].
以《中國地震動參數區劃圖(2001)》中的潛在震源區劃分的綜合方案為基礎[17],參考2008年汶川地震之后新的災區地震區劃(1號修改單)[18],研究區的潛在震源區分布如圖1所示.
本文研究區大部分處于龍門山地震帶[17-18],該區歷史上發生過多次強烈地震,如觸發過大量滑坡并引起重大傷亡的1933年疊溪7.5級地震.對本區地震活動有重大影響的2個8.0級地震潛在震源區分別是較場潛在震源區和汶川潛在震源區.
目前在我國地震危險性分析通常采用中國地震烈度區劃圖(1990)所使用的方法,即考慮地震活動時空非均勻性的概率分析方法[19].
本文研究區所處龍門山地震帶的地震活動性參數如表1示,主要潛在震源區空間分布函數如表2,衰減關系采用川藏地區的衰減關系[12].
通過選擇合理的地震動峰值加速度衰減關系,進行地震危險性分析計算,得到研究區基巖加速度峰值.按照《中國地震動參數區劃圖》(2001)的技術方法和研究結果轉換為平均場地加速度峰值并進行分區[17].

圖1 研究區潛在震源區分布Fig.1 Potential seismic source zones in the study area

表1 龍門山地震帶地震活動性參數Table 1 Seismic parameters of Longmenshan seismic zone
本文研究分別計算了50年超越概率10%,5%和2%的地震動峰值加速度,限于篇幅,以50年超越概率5%的地震動峰值加速度為例進行地震滑坡危險性區劃方法探討.圖2為50年超越概率水平5%的地震動峰值加速度分區,這一超越概率水平下地震重復周期(return period)約為1000a.從圖中可以看出,在這一超越概率水平下,研究區中龍門山斷裂帶及以西區域的地震動峰值加速度都大于200gal,對應于地震烈度8度區及以上地區.
對潛在地震滑坡地段的識別是以地震滑坡影響因素和滑坡預測模型研究為基礎的.區域地震滑坡預測模型一般是在相關環境特征基礎上,根據地震滑坡發生的組合條件,判斷某一地區可能發生滑坡的區段.該方法存在一個假設,即導致過去發生滑坡的因素組合,將來同樣可能誘發滑坡.

表2 研究區主要潛在震源區空間分布函數Table 2 Spatial distribution function of main potential seismic source zones in the study area

圖2 地震動峰值加速度分區(50年超越概率5%水平)Fig.2 Peak ground acceleration zoning map(under 5%probability of exceedance in 50years)
按照研究對象大小、范圍的不同,地震滑坡可分級進行.澳大利亞2007年的《滑坡敏感性、危險性、風險區劃指導》(Guideline for landslide susceptibility,hazard and risk zoning)中對滑坡區劃分3個層次討論:區域(Regional zoning),局部(Local zoning),場點(Site specific zoning).不同層次的滑坡危險性預測所要求的影響因素、數據資料和計算方法有所區別,同時給出的結果也有所側重[20].
在影響因素的選擇上,既要充分反映各因素對地震滑坡的影響程度,確保其適用性,又要考慮所選因子是否易于獲取,確保其可行性.對于不同的研究對象,地形坡度、地震動強度、巖性特點、距震中或發震斷層距離等在目前常用的一些地震滑坡研究方法中都要涉及到,是重要的影響因素[7-11,21-26].坡體具有臨空面是物質移動的必要條件,坡度反映了地表高程的變化率,坡度大小與坡體受重力作用大小直接相關,因而對坡體的穩定性影響較大;地震動是地震滑坡的觸發因素,在Newmark模型中地震動加速度與安全系數FS密切相關,直接影響坡體的穩定性,地震動加速度值越大的地區,發生滑坡崩塌的可能性就越大[2-3,22-23,26-27];巖石類型反映了巖石的堅硬程度,不同類型巖石的抗剪和抗張能力不同,如頁巖、泥巖、千枚巖等軟巖及其風化產物抗剪性能差,屬于易滑地層,而花崗巖等硬巖類巖石,主要呈塊體結構,不宜發生滑坡崩塌.選取與震中或發震斷層距離作為影響因素,一方面是因為該因素反映了距震源遠近所遭受地震動影響大小的不同,另一方面,也可反映巖石的完整程度,距斷裂越近,巖石遭受的變形和破壞就越大,在我國,大多數的大型滑坡都毗鄰于主要斷裂帶,尤其是地震活動強烈帶,并且,在眾多的震例中,距離斷裂越近,滑坡密度就越高[2-3,22-23,26-27].水系常與構造伴生,河流的下切侵蝕反映了地質動力作用,影響了河谷地區河流兩岸地形變化,相關研究表明,離水系越近,滑坡密度越大,并且河流兩岸往往有大型的地震滑坡發生[27].
對于地震滑坡危險性預測研究,神經網絡、判別分析、層次分析、模糊數學等方法都被廣泛使用并取得過有效的成果[22-30].但是,對于較大范圍的區域而言,這些方法在數據的選擇和區域大小選擇上有一定局限,而綜合指標法在數據和區域范圍選取的條件更為寬泛,適合與地震危險性分析方法結合使用[30-32].
在震后的調查中,常常發現這樣的現象:有的地方滑坡分布密集,而有的地方則很稀疏;緊鄰滑坡、崩塌的地方依然有穩定的邊坡存在.地震滑坡分布差異的存在與其所處位置、環境、組成物質等有密切關系,它的發生是多種因素共同作用的結果,不同因素在地震滑坡中所起的作用是不同的.綜合指標法就是把各項影響因子在地震滑坡形成中的作用按照一定的標準賦值,該數值表示影響因子在地震滑坡事件中貢獻的大小.數值大,則說明影響大,反之則影響小;然后運用某種模型進行計算,以判斷地震滑坡發生的危險程度.
由于研究目的不同,不同使用者采用綜合指標法時選用不同的表現形式.本文對地震滑坡危險性區劃的研究主要是對研究區內不同位置地震滑坡發生可能性的相對高低進行判定,不具體對地震滑坡發生與否進行確定性的判別.因此,本文使用的模型如下:

H(xi)為描述地震滑坡發生危險程度的函數,xi為地震滑坡的影響因素,諸如地震動加速度、坡度等,n為影響因素的個數.
許多學者在汶川地震后對地震誘發滑坡的分布規律進行研究,得到汶川地震誘發滑坡分布與構造、巖性、地形等因素大體一致的認識:滑坡崩塌等地質災害明顯受到斷裂帶的控制,空間上沿斷裂帶分布[1-3,33];隨著與斷裂距離的增大,滑坡的數量與分布密度在減少,80%的滑坡發生在距離斷層30km的區域內[33];巖性種類對災害的展布有一定的控制作用.盡管發生在軟巖中的滑坡數量最多,但是有相當數量的滑坡(約占總數的55%)發生在硬巖和次硬巖中[3,33].地形、地震動與滑坡的分布有密切的關系,滑坡多發生于坡度25°~40°的地段[3,33-34],多于70%的滑坡發生在地震動峰值加速度PGA超過354.0gal的地區.
考慮到不同影響因素在地震滑坡中所起作用的不同,用權重ki進行區分.ki根據層次分析法獲取[28,35-36].
層次分析法(analytic hierarchy process,AHP)是一種多目標評價決策方法,它將一個復雜問題中的各種因素劃分為相互聯系的有序層次,再通過兩兩因素的對比,定量表示每一層次的相對重要性,最后確定諸因素排序結果.在本文的分析中,對于選中的地震動加速度(v1)、坡度(v2)、巖性(v3)、斷裂(v4)、水系(v5)等5個因素,根據目前對地震滑坡影響因素的認識,并結合本研究區的特點,經過多次試算,采用如下判別矩陣:

aij=vi/vj,表示2個因素的相對重要性大小的比值.對該矩陣求最大特征根,并經過滿意一致性檢驗,最終獲得各因素的權重:
K={0.4252,0.2697,0.1688,0.0682,0.0682}[28].
這種權重的賦值中地震動加速度、地形坡度、巖性條件所占權重較大,被認為是對地震滑坡影響較大的因素.這種排序結果是比較符合實際情況的,在實際中也得到有效地運用[28].現階段對地震滑坡的發生機制及影響因素的認識仍有一定的局限性,隨著認識的不斷深入,在因素的選取和權重的計算上都可以進一步修正,使滑坡分析模型能夠更為準確地反映客觀事實.
以汶川地震災區地震滑坡分布規律研究為基礎,掌握地震滑坡發育與影響因素的相互關系[1-3,33-34],按照影響因素不同數據段或類型對地震滑坡影響作用的大小進行分級并賦值(表3).因素的級數越高,表明影響作用越大,賦值也就越高.其中,地震動峰值加速度的分級參考地震烈度與地震動峰值加速度的對應關系[17].
與影響因素分級保持一致,最終的地震滑坡危險性區劃結果相應地分為四級:高危險、較高危險、較低危險和低危險.劃分結果表示研究區在遭受某一超越概率水平的地震動作用下,滑坡發生可能性的相對高低,目前本文的研究結果還未具備絕對滑坡與否的意義.

表3 地震滑坡影響因子分級Table 3 Classification of main influencing factors related to seismic induced landslide
按照表3的標準,繪制研究區各影響因素的分區圖.在GIS平臺上,以0.01°間隔劃分研究區域,對每一個網格提取影響因素信息并按照公式(1)進行計算,獲得每一個網格的危險程度結果.整個研究區最終的評價結果如圖3.
50a超越概率5%水平下地震復發周期(return period)約為1000a,這種情況下,研究區中龍門山斷裂帶及其以西區域的地震動峰值加速度都大于200gal(參見圖2),對應于地震烈度VIII度區及以上.圖3所示地震滑坡危險性區劃結果中較高危險和高危險區域均位于地震動峰值加速度大于200Gal的地區,與目前關于地震滑坡與地震動峰值加速度關系的認識相符合[1-3,33,38].前人研究成果表明誘發滑坡的最小地震震級為4.0級,地震滑坡發生地區的地震烈度一般在VI度以上[7,11].5.12汶川地震中的滑坡崩塌地質災害主要分布在龍門山斷裂帶及其以西地區,該區域整體上呈現高山與深谷相間的地貌特征,加之脆弱的地質環境使該區成為地質災害的高易發區.對汶川地震觸發滑坡崩塌地質災害分布規律的研究表明,隨著地震烈度的增高,滑坡崩塌的分布密度也在增加,并且破壞力巨大的大型滑坡有93%以上距發震斷層距離小于10km[2],空間分布上位于地震烈度IX及以上地區.王秀英等對汶川地震滑坡與地震動峰值加速度分布關系所做的統計分析認為,0.2g地震動峰值加速度是一個重要的界限,大于此值,地震誘發滑坡崩塌的可能性就非常大[38].

圖3 地震滑坡危險性區劃(50年超越概率水平5%)Fig.3 Seismic induced landslide hazard map(under 5%probability of exceedance in 50years)

圖4 研究區地震滑坡危險程度分布比較(a)(縱坐標表示統計數量)及與實際滑坡對比(b)(圖中白色圓圈表示實際發生的滑坡[37])Fig.4 Distribution of landslides in the study area(a)Occupation rate of different hazard degree zones;(b)Comparing between prediction result and the actual events(white dots represent the landslides in 5.12Wenchuan earthquake[37]).

圖5 北川擂鼓鎮地震滑坡危險性區劃(50年超越概率水平5%)Fig.5 Seismic induced landslide hazard map of Leiguzhen,Beichuan Count(under 5%probability of exceedance in 50years)
本文預測結果中,高度危險和較高危險區占研究區總面積的11.3%(圖4a),汶川地震中約有實際數量60%的滑坡崩塌落入該區域,其中,滑坡崩塌較發育的汶川、北川、茂縣等部分區域處于高度或較高危險區域(圖4).
同時,基于北川擂鼓鎮地區精度較高的DEM背景圖,采用相同的影響因素劃分指標和相同的超越概率(50a超越概率水平5%)地震動峰值加速度,對該區潛在的地震滑坡危險區進行了分級劃分,所得結果如圖5所示.
圖5中顏色越深的區域代表較高的地震滑坡危險性,白色區域為汶川地震中實際發生在擂鼓鎮地區的地震滑坡災害.可以看出實際發生的地震滑坡災害與地震滑坡危險區劃結果有較好的一致性.
值得指出的是,基于區域地震危險性分析的地震滑坡危險性區劃是在考慮整個研究區地震構造、地震活動性及潛在震源區劃分基礎上,采用一定超越概率水平給出的地震滑坡危險性分析,考慮的是研究區域全部構造及可能的地震活動在未來一段時間對地震滑坡產生的影響.因而它所體現的地震滑坡危險性分布特征可能不同于對某次地震誘發滑坡特征的分析,更有助于整體地、綜合地考慮研究區未來潛在的地震滑坡危險.
(1)地震滑坡是由地震引發的滑坡,它與地震活動頻率、強度等密切相關.基于地震危險性分析的地震滑坡區劃,采用一定的超越概率水平給出,使地震的發生具有了強度、位置、復發時間等概念,并與滑坡結合起來,在應用時更為科學和合理.本文給出的區劃結果表示的是在遭受某一超越概率水平的地震動作用下,滑坡發生可能性的相對高低,不具備絕對滑坡與否的意義,適合于在土地規劃初期使用.在此基礎上,可根據區劃深度需要和資金投入,進一步選擇合適的方法和數據進行更為精細的研究;
(2)對于較大范圍的地震危險性區劃,采用地震動加速度、坡度、巖性、斷裂、水系等指標進行判斷,并且區分了不同因素的作用,兼顧科學性和實用性,能夠有效反映地震動、地形、巖性等共同作用對地震滑坡的影響;
(3)潛在地震滑坡危險性區劃結果的精度或者準確率是檢驗研究方法成功與否的標準.由于地震滑坡危險性區劃工作涉及方面較多,并且研究所面向對象(即研究區域)的大小各不相同,研究目的和服務對象也不盡相同,因此在不同研究尺度下應該考慮適宜的研究方法.本文的研究中,對地震滑坡危險劃分結果影響較大的因素主要來自以下幾個方面:(1)地震滑坡分析模型的選取;(2)計算使用數據的精度,例如,對比本文圖3、圖5的結果,由于所選用的網格尺度不同,劃分結果所體現的細致程度也不同.此外,地震危險性分析中所獲得的地震動峰值加速度,在本文的研究尺度上,采用的是平均場地條件的地震動峰值加速度,沒有考慮局部或者特殊地形等對地震動峰值的影響.隨著對地震滑坡研究問題的深入及相關技術水平的提高,后續的基于地震危險性分析思想的地震滑坡區劃將會使研究的結果更具有實際應用價值.
致 謝感謝審稿人的意見和建議使本文得以完善.
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Hazards zonation for potential earthquake-induced landslide area
CHEN Xiao-Li,RAN Hong-Liu,WANG Ming-Ming
Key Laboratory of Active Tectonics and Volcano,Institute of Geology,CEA,Beijing100029,China
Earthquake-induced landslide is different from landslide triggered by rainstorms.Compared with landslides caused by rain,landslides induced by earthquake have more wide and dense space distribution and bigger scale,and can cause tremendous loss both to properties and lives.Earthquake-induced landslides usually cannot be prevented by current mitigation measures,thus,it becomes more and more important to develop a useful skill of assessing the hazard of landslides triggered by earthquake for land planning.This paper presents a method for zonation of potential earthquake-induced landslide area based on seismic hazard analysis.The approach takes account of uncertainty about earthquake location,intensity and recurrence,as well as space distribution of seismic peak ground acceleration.The study selects the damaged region in 2008.5.12Wenchuan Earthquake as target area,and divided potential seismic source zone on the studying of geology,tectonics and seismic activity in this region.On the basis of potential seismic source zone division,this paper calculates the seismic peak ground acceleration according to different probability of exceedance of 10%,5%and 2%in 50ausing seismic hazard analysis method proposed by Cornell in 1968,and then assesses earthquake-induced landslide hazard ofstudy region with comprehensive indexes model.In this model,the hazard is classified into 4 grades as high,secondary high,secondary low and low,and five indexes are used including seismic peak ground acceleration,slope angle,rock type,and distance to faults and rivers.The result of hazards zonation for potential earthquake-induced landslide in the study area shows that landslide areas in Wenchuan earthquake such as Wenchuan county,Beichuan county,Maoxian county et al,are located at areas of high or secondary high grades.In Leiguzhen area of Beichuan county,where high resolution DEM data is available,the zonation result shows good correlation with reality.The assessed result can be used as reference for primary land planning and site choosing for great projects.
Wenchuan earthquake,Earthquake-induced landslide,Potential seismic source zone,Seismic hazard analysis,Earthquake-induced landslide zoning
P315收修定稿2011-10-09,2012-01-06收修定稿
10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.022
中國地震局地質研究所基本科研業務專項(IGCEA1006)及工信部國家重點項目(2010ZX03006-007)資助.
陳曉利,女,1969年生,副研究員,主要從事工程地震及地震地質災害研究.E-mail:04chxl@sina.com
陳曉利,冉洪流,王明明.潛在地震滑坡危險區區劃方法.地球物理學報,2012,55(4):1269-1277,
10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.022.
Chen X L,Ran H L,Wang M M.Hazards zonation for potential earthquake-induced landslide area.Chinese J.Geophys.(in Chinese),2012,55(4):1269-1277,doi:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.04.022.
(本文編輯 胡素芳)