風化作用對溝谷型泥石流發育環境的影響研究

余 斌，褚勝名，朱 淵，謝 洪

（1.成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059；2.四川省川建勘察設計院，四川 成都 610017；3.中國科學院 成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041）

泥石流是突發性的自然災害，常造成重大的人員傷亡和財產損失。影響泥石流發育的自然環境因素較多，總體上可以歸結為地形、地質和降水三大條件。其中，地質條件主要體現在為泥石流的發育提供豐富的固體物源。發育泥石流的地質條件主要與流域內的巖性、構造、地震烈度以及風化作用等有關。其中風化作用對形成泥石流固體物源的影響較大［1－7］。目前對泥石流的發育條件研究中，風化作用及其程度的研究主要是定性地描述，還沒有系統地、定量地研究其在泥石流形成中的作用。國內外學者通過修正普氏堅固系數［8］獲得流域巖性的定量描述［1］，以及加入構造、地震烈度以及風化的修正［2－3］，為定量描述泥石流形成的地質條件提供了一個新的途徑，但對風化作用的確定還沒有一個可行的方法，僅借助已有的調查及參考文獻給出風化程度。在尚未開展詳細調查的流域，則無法給出風化程度的判斷。風化作用主要是指在大氣、水與生物等的相互作用下，通過物理和化學的作用使得地殼表層的巖石在原地遭受破碎與破壞的過程 根據風化作用的類型 可分為物理風化 化學風化及生物風化三類。生物風化作用主要體現在生物活動加劇巖石物理或化學風化的破壞作用［9］，相對較為次要。本研究暫不考慮生物風化的影響。

本研究在前人定量研究巖性、構造、地震烈度的基礎上，通過分析物理風化和化學風化在形成泥石流固體物源中的作用，研究物理風化和化學風化在溝床起動類型泥石流發育中的作用，提出了對巖石堅固系數修正的物理和化學風化因素的修正因子。最終修正得到泥石流發育的地質因子，為泥石流發育研究提供了一個新方法。

1 物理風化

在泥石流發育中，泥石流流域巖性的平均堅固系數是重要的參數。泥石流流域巖性的平均堅固系數［1－3］源于對普氏堅固系數［8］的修改。它與泥石流的暴發頻率和泥石流發生的難易程度關系為:泥石流流域的巖石越堅固，其固體物源則主要為崩塌產生，固體物質顆粒相對較大，積累時間較長，泥石流的暴發頻率越低，泥石流發生越困難；反之，泥石流流域的巖石越軟弱，其固體物源則主要由滑坡產生，固體物質顆粒相對較小，不需要長時間的積累，泥石流暴發頻率越高，泥石流發生越容易。

本研究在已有的巖石平均堅固系數研究基礎上［1－3］，增加了“軟”和“松散”兩部分巖土類型（表1）。當泥石流的固體物源為膠結較差的冰磧物時 如四川省瀘定縣海螺溝特大泥石流［10］），巖土類型為“軟”，堅固系數可以取1.5。當泥石流物源為松散堆積體時（如四川省清平縣文家溝泥石流［11］，貴州省關嶺滑坡泥石流［12］），巖土類型為“松散”，堅固系數可以取0.5（因巖土類型已經是松散堆積體，不用再采用其它影響因素修正即可以得到最終的地質因子系數）。這樣表1就概括了幾乎全部與泥石流發育有關的巖土類型。

斷裂構造作用使巖石的完整性、堅固性及穩定性均遭到極大的破壞。斷裂帶內軟弱結構面較為發育，巖石較為破碎，為泥石流的發育提供了大量的松散固體碎屑物質。泥石流流域的斷裂帶的數目也直接影響著泥石流的發育情況。構造作用對泥石流流域堅固系數的影響系數詳見表2［1－3］。

地震作用使山體的破碎性加重，巖石的強度降低，從而為泥石流發育提供更多的松散固體物質來源。地震烈度越大的地區，松散固體物質就越多。地震對泥石流流域堅固系數的影響系數詳見表2［1－3］。

物理風化作用是形成泥石流物源的關鍵。晝夜溫差的影響，尤其是冰劈作用都對物理風化產生巨大的影響。晝夜溫度在0℃上、下波動時，充填于裂隙中的水體融、凍頻繁，造成巖石破壞，裂隙擴大［9］。其風化作用的大小主要受所處區域的年降雨量和年平均溫度的影響［13］。

參照構造（斷裂帶）和地震烈度對巖石堅固系數的影響，以及物理風化的分級及系數關系［2］，物理風化也可以按照其強烈程度予以賦值，得到修正系數詳見表2。

由巖石平均堅固系數以及構造（斷裂帶）、地震烈度和物理風化的修正系數，可以得到修正的泥石流流域巖石堅固系數F′:

式中 修正泥石流流域巖石堅固系數0泥石流流域巖石平均堅固系數；C1——構造（斷裂帶 修正系數2地震烈度修正系數3物理風化修正系數。

表2 斷裂帶（構造）、地震烈度和物理風化對巖石堅固程度的影響及系數賦值

2 化學風化

化學風化對發育泥石流的固體物源的影響遠小于物理風化的影響。化學風化使巖石遭到破壞，而且還使破壞產物的化學成分發生顯著的變化，并形成一些新礦物［14］。在水中溶解度大的巖石為易溶性礦物，如巖鹽、石膏等。自然界的水常含有硫酸、硝酸、碳酸及鹽酸等酸性物質，因而增加了巖石礦物的溶解度。碳酸鹽巖類礦物在含有CO2的水中時，難溶的碳酸鹽就形成了易溶的重碳酸鹽從而被溶解。

碳酸鹽巖主要由含量大于50%的沉積碳酸鹽礦物組成。其巖石中代表性的礦物類型分別是方解石CaCO3和白云石CaMg［CO3］［OH］2。石灰巖的礦物組成成分中方解石和白云石占主要成分。兩者甚至可占全部礦物重量的90%以上。白云巖主要含白云石，此外還含有方解石［15］。石灰巖主要成分為方解石，白云巖主要成分為白云石。碳酸根離子CO2－3在方解石（CaCO3）中的含量為60%，在白云石中CaMg［CO3］［OH］2的含量為38%。表3［14］為各類含方解石和白云石的一些常見巖石的區分與對比以及含碳酸根離子CO2－3的量。

實際的石灰巖和白云巖可能還含有少量黏土礦物。當石灰巖和白云巖的含量在90%以上時，仍然稱為石灰巖和白云巖。石灰巖、白云巖與泥質巖的過渡關系詳見表4［14］。由表4可得其各類巖石的碳酸根離子CO2－3的含量（表5）。

表3中石灰巖和白云巖的平均碳酸根離子CO2－3含量分別為58.9%和39.1%，而表5中的石灰巖和白云巖的平均碳酸根離子CO2－3含量分別為57%和36.1%。由石灰巖和白云巖的定義可知，石灰巖和白云巖的含量在90%以上時為石灰巖和白云巖，因此石灰巖和白云巖的平均CO2－3含量下限分別為57%和36.1%。

表3 碳酸根離子在方解石與白云石中的含量

表4 礦物在石灰巖、白云巖和泥質巖之間的過渡類巖石中的含量

表5 各類巖石中碳酸根離子的含量

鈣質膠結巖石屬于碳酸鹽膠結物的一類，膠結物成分主要為方解石、白云石等，膠結物的成分為鈣質，所膠結的巖石硬度比泥質膠結的稍大。而膠結物在巖石中的含量一般不超過25%。若含量超過25%時，即可用其它巖石的命名［16］。由于鈣質巖類只能確定其膠結物為方解石、白云石，并不能確定其含量的多少。因此，其礦物組成的碳酸根離子含量的上限為9.5%～15%。

石灰巖與白云巖是碳酸鹽巖的代表性巖石，由于碳酸根離子CO2－3（平均含量＞36.1%）的作用，化學風化十分明顯，對泥石流的發育有很大的影響。尤其在濕潤溫暖的亞熱帶和熱帶地區，如貴州、云南、廣西、四川等省的喀斯特地區表現的尤為突出。因此，定義碳酸根離子CO2－3含量＞35%時，化學風化對泥石流的發育有很大的影響。鈣質膠結巖石的碳酸根離子CO2－3含量上限為9.5%～15%，其化學風化的影響較小，因此定義CO2－3含量≤15%時，化學風化對泥石流的發育影響較小。在CO2－3含量處于15%～35%的中值，以25%為界，定義35%≥CO2－3＞25%時，化學風化對泥石流的發育有較大的影響。當25%≥CO2－3＞15%時，化學風化對泥石流的發育有一定的影響。當無CO2－3含量時，化學風化對泥石流的發育無影響。

化學風化對巖石的堅固程度的影響表現為化學風化越嚴重，巖石孔（洞）隙越大，巖石強度越小，堅固程度越低。本研究與泥石流發育有關的綜合地質因素采用巖石的堅固系數表示，堅固系數越大，越不利于泥石流發育。僅考慮固體物源條件，化學風化使巖石受到溶蝕，巖體的整體堅固系數變小，易于塌陷破壞等，有利于泥石流發育。但化學風化對泥石流的水源條件有更大的影響，化學風化越強烈，流域內裂（洞）隙越多，越不利于地表水流的匯集，對泥石流發育越不利。這兩個互為相反作用的結果，造成化學風化不利于泥石流發育，這是碳酸鹽巖地區泥石流的發育程度較差的原因。

參照地質構造、地震烈度和物理風化對巖石堅固系數的影響及修正方法，根據化學風化不利于泥石流發育，提出影響發育泥石流的綜合地質因素F，由巖石的修正堅固系數F′，乘以化學風化修正系數，得到綜合地質因素F。F越大，越不利于泥石流發育。化學風化的修正系數及方法詳見表6。

式中:F——發育泥石流的綜合地質因素；C4——化學風化修正系數。

表6 化學風化的修正系數

3 汶川地震影響區泥石流暴發實例驗證

汶川“5·12”強烈地震影響區內發生多次群發性泥石流，如都江堰市龍池鎮、阿壩州汶川縣映秀鎮、綿竹市清平鄉、綿陽市北川縣、平武縣南壩鎮等，但在這些群發泥石流過程中，并不是所有的小流域都發生了泥石流，甚至相鄰的流域，就存在發生和沒有發生泥石流的兩種情況，這為研究泥石流的發育條件提供了很好的素材。泥石流發育主要受地形、地質和降雨3大條件影響。由于缺乏詳細的、精確到各小流域的降雨資料，只能近似地認為在各流域內發生泥石流時均有大范圍的降雨過程時，小范圍內的降雨條件基本一致。因此在群發區域中較小范圍內，可以認為降雨過程基本一致，亦即降雨條件基本相同。當降雨條件基本一致，泥石流暴發與否的決定因素就只有地形條件和地質條件。在汶川地震影響區域內的震后群發泥石流事件中，大多數泥石流都是溝床起動類型的溝谷泥石流。溝床起動類型的泥石流的地形條件可以用一個綜合地形因素G 表示［17－18］。

式中:T——泥石流形成區形狀系數（形成區流域面積與形成區溝長平方之比）；J——泥石流形成區縱比降；A——泥石流形成區面積（km2）；A0——單位面積（1km2）。

在震后群發泥石流事件中，汶川地震的發震斷裂帶上盤或下盤的區域所受地震的影響不同，需要區別對待。為了便于研究巖性和風化作用的影響，在群發泥石流區域內選擇的研究區域至少存在2種或2種以上巖性，在區域內兼有泥石流暴發和未暴發的流域同時存在，而且研究區域的范圍較小，同時處于發震斷裂帶的上盤或下盤。2010年8月13日綿竹市清平鄉暴發群發泥石流，滿足上述條件的區域包括:位于距映秀—北川斷裂帶下盤1～4km和4～8km的綿遠河兩岸的兩個區域，區域內主要巖性分別為頁巖、粉砂巖和砂巖、石灰巖以及一個原來是石灰巖但最后巖土類型是松散堆積體，研究得到區域內泥石流溝的地質因子F和地形因子G，以及G和F與泥石流的暴發關系（圖1）。

圖1 清平鄉地質因子F和地形因子G的關系

2008年9月24日綿陽市北川縣的群發泥石流大部分位于映秀—北川斷裂帶上盤。本研究選取小區域按照與清平群發泥石流小區域同樣的辦法，選取研究區域位于上盤距斷裂帶1km以內，1～4km，4～8km等3個區域。區域內主要巖性分別為砂巖、千枚巖、板巖和碳酸鹽巖。研究得到各區域的地質因子F和地形因子G，以及G和F與泥石流的暴發關系（圖2）。

同樣將前述典型區域的分析方法，應用到綿陽市平武縣南壩鎮2010年8月13日群發泥石流區域。選取位于斷裂帶1～4km的區域，區域內主要巖性分別為砂巖、粉砂巖、板巖和泥灰巖，得在該區域的地質因子F和地形因子G，以及G和F與泥石流的暴發關系（圖3）。

圖1—3中的泥石流流域地質條件應用本計算方法得到地質因子F，結合地形因子G的計算取值，在較小區域內降雨條件基本一致的情況下，可以得到大多數研究區域內明確的泥石流發生與否的界限，G／F值越大，越容易發生泥石流；僅有綿陽市北川縣4～8km范圍內有一些偏差。這可能與其范圍稍大，降雨量存在一定差異有關。

從G與F在圖1—3中的關系可得，在泥石流形成過程中，兩者對泥石流的形成有同樣重要的地位。判別值G／F在不同區域內有不同的臨界值，臨界值的大小由該區域內的降雨量、受地震的影響程度（上下盤、與斷裂帶的距離等）決定。

圖2 北川縣地質因子F和地形因子G的關系

圖3 南壩鎮上盤1～4km地質因子F和地形因子G關系

4 結論

（1）物理風化作用對泥石流固體物源的發育影響很大，溫差的影響，尤其是冰劈的作用造成巖石破壞，形成泥石流物源。

（2）化學風化作用對泥石流固體物源的發育有利，但影響較小；化學風化作用對泥石流發育的水源有較大的不利影響；這兩個互為相反作用的結果是化學風化不利于泥石流發育，這是碳酸鹽巖地區泥石流的發育程度較差的原因。

（3）以修改的普氏堅固系數得到的巖石平均堅固系數為基本數據，結合泥石流流域內的構造、地震等條件，采用物理風化和化學風化修正，可以得到綜合的地質因子。

（4）在汶川地震影響區內的較小區域內降雨條件基本一致的情況下，結合地形因子采用本研究的地質因子判別泥石流的暴發與否，與實際情況基本一致。

（5）盡管本方法在汶川地震影響區的一些區域內得到了驗證，但驗證范圍仍然較小，還需要在其它有不同巖性的地區繼續驗證方法的正確性。

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