歷史強震對渭河中游群發大型滑坡的誘發效應反演

王　濤, 吳樹仁, 石菊松, 辛　鵬, 梁昌玉

中國地質科學院地質力學研究所, 國土資源部新構造運動與地質災害重點實驗室, 北京 100081

歷史強震對渭河中游群發大型滑坡的誘發效應反演

王濤, 吳樹仁, 石菊松, 辛鵬, 梁昌玉

中國地質科學院地質力學研究所, 國土資源部新構造運動與地質災害重點實驗室, 北京 100081

以渭河中游地區為例, 探索提出了開展歷史地震對區域群發滑坡誘發效應反演研究的思路和方法。首先, 基于汶川地震在渭河中游地區形成的高烈度異常和震害啟示, 通過區域活動構造和斜坡帶斷裂控滑分析, 指出歷史強震對區內群發大型滑坡的誘發效應不容忽視。然后, 利用強震誘發滑坡的最遠致災震中距分析法, 篩選出研究區周邊300 km范圍內需要重點考察其誘發效應的4次關鍵歷史強震: 公元前780年岐山MS7.0級地震、1654年天水南MS8.0級地震、1556年華縣MS8.25級地震及1920年海原MS8.5級地震。隨后, 以岐山地震為例, 具體闡述了基于Newmark位移模型的地震誘發滑坡位移及危險性反演評估方法;同時反演了其他3次歷史強震誘發區內滑坡位移及危險性。最后, 定量比較了反演歷史強震誘發滑坡的位移與實際大型滑坡分布的空間匹配程度, 結果顯示天水南MS8.0級地震對渭河中游現存群發大型滑坡的誘發效應最強。

歷史地震; 滑坡; Newmark位移模型; 反演; 渭河中游; 黃土

地震黃土滑坡是我國黃土高原區的主要地震災害, 通常具有規模巨大、高速遠程及致災嚴重等特點, 這在多次歷史強震中均有突出體現, 例如1718年通渭地震中的永寧鎮滑坡、1654年天水南地震中的羅家堡滑坡和1920年海原地震中的黨家岔滑坡等等(袁麗俠, 2005; 陳永明等, 2006)。迄今國內外在地震黃土滑坡的分布和發育特征(孫崇紹等, 1997; 徐張建等, 2007; Derbyshire et al., 2000)、滑坡啟動和運動學機制(胡廣韜等, 1995; Sassa et al., 2005; 王家鼎等, 2001; 毛彥龍等, 2001; 王蘭民等, 2003), 以及區域滑坡成災規律和危險性評估等領域取得了豐富進展(孫崇紹等, 1997; 丁彥慧等, 2000; 唐川等, 2001; 孫進忠等, 2004); 遺憾的是,針對歷史地震滑坡的相關研究進展很少。渭河中游地區位于南北地震帶東側的汾渭地震帶與六盤山地震帶交匯處(顧功敘, 1983; 宋立勝等, 1989), 同時地處典型的黃土梁塬區, 區內塬邊和丘陵區發育眾多大型古老黃土滑坡, 是我國黃土滑坡集中高發區之一。多年來, 針對這些群發大型滑坡的研究主要集中在滑坡結構型式、形成條件、演化過程及穩定性等方面(胡海濤等, 1965; 胡廣韜, 1986; 劉傳正等, 1998), 對其誘發因素并未展開專門研究, 尤其歷史強震的誘發效應更未涉及。實際上, 歷史地震的誘發效應對解釋強震山區的滑坡群發機制至關重要,同時也是開展潛在地震誘發滑坡危險性研究的基礎。

圖1　渭河中游地理位置(A)及歷史震中、大型滑坡分布圖(B)Fig. 1　Location, historical epicenters(A) and distribution of large-scale landslides around the middle reaches of the Weihe River(B)QBF-秦嶺北緣斷裂帶; BXF-寶雞—咸陽斷裂帶; WBF-渭河盆地北緣斷裂帶; LBF-隴縣—寶雞斷裂帶QBF-North Qinling rim fault zone; BXF-Baoji–Xianyang fault zone; WBF-North Weihe basin rim fault zone; LBF-Longxian–Baoji fault zone

汶川MS8.0地震對渭河中游的地震影響進一步帶給我們重要啟示: 盡管研究區距離汶川地震震中500 km有余, 且在大地構造上被秦嶺褶皺系隔開,卻在區內形成Ⅶ度的高烈度異常區, 且誘發了一系列滑坡、崩塌及砂土液化等次生地質災害(韓金良等, 2009), 而其外圍地區烈度僅為Ⅵ度(王海云, 2011)(圖1)。應當注意到: 與汶川地震相比, 在渭河中游周邊500 km范圍內, 史載至少發生過4次8.0～8.5級強震, 且震中均位于渭河盆地或者相鄰的構造分區內(圖1); 因此, 從震級、震中距離及構造部位的角度分析, 可以推斷這些歷史強震對區內地震動影響及對古老滑坡的誘發作用不容忽視。鑒于此, 本文試圖利用定性分析與定量計算相結合的方法, 初步回答以下3個問題: (1)渭河中游的群發大型滑坡是否與周邊歷史地震有關系？(2)可能與哪些關鍵的歷史強震關系密切？(3)如何定量評估和比較關鍵歷史強震對區域滑坡的誘發效應？

1　區域活動構造背景

渭河中游地區位于大地構造的復合交匯部位,中部以渭河新生代斷陷盆地為主, 北接鄂爾多斯地臺南緣、南鄰秦嶺褶皺系北麓。區內由南向北主要發育4條活動斷裂帶, 即秦嶺北緣斷裂帶、寶雞—咸陽斷裂帶、渭河盆地北緣斷裂帶及隴縣—寶雞斷裂帶(圖1)。在此區域活動構造背景下, 渭河盆地在近3000年以來, 集中發育了陜西省內絕大部分地震和所有強震(宋立勝等, 1989)。同時, 在渭河中游的斜坡地帶, 活動斷裂對坡體結構的控制作用十分關鍵。在汶川地震期間, 在千河右岸的賈村黃土塬面沿隴縣—寶雞斷裂帶中的千河隱伏斷裂形成長約500 m的平直地裂縫。而在渭河北岸的塬邊斜坡帶,寶雞—咸陽斷裂帶在地表的次級斷裂切穿了淺表層黃土和古土壤, 控制了大型黃土滑坡的形態結構特征(辛鵬等, 2013)。在地震作用下, 斷裂切割的塬邊碎裂黃土體極易發生變形破壞, 形成大型滑坡。可見, 無論從區域活動構造控震角度, 還是從局地斜坡帶活動斷裂控滑角度分析, 渭河中游周邊的歷史強震對區內群發大型黃土滑坡的誘發作用均不容忽視。

2　滑坡編錄與關鍵歷史強震篩選

本文通過對研究區開展1:5萬比例尺的滑坡詳細調查工作, 共查明大型滑坡273處(石菊松等, 2013), 主要分布在黃土塬邊斜坡帶, 以及西南部基巖山麓的黃土丘陵區(圖1)。需要說明的是, 這些滑坡是利用現有遙感解譯及野外調查手段綜合揭示的滑坡, 或者可以理解為在多期活動之后, 經過地貌改造至今, 其基本形態結構特征尚可辨識的滑坡。由于區內滑體以黃土為主, 滑后解體粉碎嚴重, 抗風化侵蝕能力差, 滑體形態能夠保存至今的滑坡年代通常不會太過久遠。因此, 年代更老的史前地震誘發的滑坡并非本文關注的重點。

鑒于我國西部大型地震滑坡主要發生在7級以上地震的極震區(孫崇紹等, 1997), 為了搜索渭河中游外圍對區內滑坡誘發作用較為關鍵的歷史地震,以下主要利用7級以上地震誘發滑坡最遠致災震中距(單次地震誘發滑坡分布區的外包線到震中的最遠距離)分析方法, 從區域周邊500 km范圍內篩選出可能與區內群發滑坡有成生聯系的關鍵歷史強震。具體篩選分析過程如下:

王蘭民等統計了西北黃土區5.5～8.5級地震誘發滑坡數據, 擬合了不同震級誘發滑坡集中區和滑坡散布區的最遠致災震中距De公式(王蘭民等, 1999)(式1); 其中, 滑坡集中區是指地震滑坡成群連片分布, 滑坡數量占地震滑坡總數的80％～90％;滑坡散布區是指地震滑坡零星分布, 滑坡數量約占滑坡總數的10％～20％。孫進忠等統計了我國西部地震滑坡數據, 擬合了MS≥4級地震誘發滑坡的最遠致災震中距Rm公式(式2)(孫進忠等, 2004); 丁彥慧等利用相同的數據, 擬合了MS≥7.0級地震誘發滑坡的最遠致災震中距公式(式3)(丁彥慧等, 2000):

比較上述3種最遠致災震中距的計算公式和結果(表1), 可知對于黃土區地震滑坡的致災震中距分析, 孫進忠、丁彥慧等的統計范圍涉及廣大中國西部, 所得相同震級的最遠致災震中距偏大; 王蘭民等的方法相對更為適用, 其避免了因為考慮其他類型地震滑坡而使最遠致災震中距放大、評估精度降低的問題。這里主要參考王蘭民等的方法, 利用歷史震級和震中距指標, 從區域周邊500 km范圍內22處7.0級及以上歷史地震中, 逐步篩選出4次關鍵歷史強震, 并搜集了相應的地震參數(顧功敘, 1983; 吳富春等, 1989; 向光中, 2001; 趙云, 2008) (圖1和表2)。

表1　不同震級誘發區域滑坡分布的最遠致災震中距Table 1　Farthest epicentral distance of seismic landslides distribution induced by earthquakes with different magnitudes

表2　渭河中游地區周邊關鍵歷史強震基本信息表Table 2　Basic information of key historical strong earthquakes around the middle reaches of the Weihe River

3　歷史地震誘發滑坡位移及危險性的反演評估

本文采用目前國際上廣泛應用的基于Newmark位移模型的地震滑坡位移及危險性評估方法(Jibson et al., 2000; Refice et al., 2002; Dreyfus et al., 2013; 王濤等, 2013), 定量反演上述4次歷史地震對區內滑坡的誘發效應, 計算流程分為4步:①利用巖土體強度和斜坡形態參數, 計算區域斜坡靜態安全系數Fs; ②利用Fs和坡度, 計算坡體臨界加速度ac; ③利用矩震級Mw和震源距R, 計算在地震動Arias強度Ia分布; ④利用ac和Ia, 計算地震誘發區域斜坡體發生的永久滑動位移量, 并據此進行地震滑坡危險性分級。鑒于需要分別反演計算4次歷史強震誘發的滑坡位移, 中間過程無需逐一贅述,這里僅以公元前780年岐山地震為例, 具體闡述反演評估的技術流程及結果。

圖2　渭河中游地區地層巖性分布圖Fig. 2　Lithologic distribution around the middle reaches of the Weihe River

3.1斜坡靜態安全系數Fs

對1:25萬區域地質圖進行了數字化(圖2), 以寶雞黃土等典型巖土體物理力學測試為基礎, 結合相關技術手冊及經驗標準, 補充完善了區內巖土體物理力學指標(水利水電科學研究院等, 1991; 中華人民共和國水利部, 1995; 譚成軒等, 2011; 石菊松等, 2013)。根據基于滑塊極限平衡理論的斜坡安全系數Fs公式(式4)(Miles et al., 1999), 利用巖土體物理力學和坡體形態參數圖層, 通過GIS柵格運算得到區域斜坡體的安全系數Fs分布結果。

其中: Fs為靜態安全系數, c’為有效內聚力(MPa), γ為巖土體重度(N/m3), t為潛在滑體厚度(m), α為潛在滑面傾角(°), φ’為有效內摩擦角(°), m為潛在滑體中飽和部分占總滑體厚度的比例, γw為地下水的重度(N/m3)。

3.2斜坡臨界加速度ac

臨界加速度ac(Critical Acceleration)是指在地震動荷載作用下, 滑塊的下滑力等于抗滑力時(極限平衡狀態)對應的地震動加速度; 可以通過比較靜力和地震動力條件下滑塊的受力狀態, 建立地震作用下的滑塊極限平衡狀態方程, 利用安全系數Fs推導得到(式5)(Wilson et al., 1983)。

其中, g為重力加速度(m/s2), α為滑面傾角(°),近似按斜坡的坡角取值。區域斜坡體臨界加速度ac表征了在假設地震荷載作用下, 斜坡由于固有屬性而發生坡體失穩的潛勢, 可以作為區域地震滑坡易發性評估的依據。為了更為直觀的表達滑坡不同易發程度的分布特征, 利用自然斷點法(Natural breaks)將評估計算結果分為“高、中、低”3個易發性等級(圖3A)。

3.3地震動Arias強度Ia

鑒于地震動的地形放大效應導致地震滑坡異常密集的現象在國內外地震中很普遍(Hartzell et al., 1994; Murphy, 2006; Peng et al., 2008; 黃潤秋等, 2009), 本節在地震動Arias強度模擬的基礎上, 利用經驗式計算了地震動放大效應, 得到更能夠反映實際情況的綜合地震動Arias強度分布結果。

圖3　公元前780年岐山地震對渭河中游滑坡誘發效應的反演評估圖Fig. 3　Inversion assessing maps of the inducing effect of Qishan earthquake 780 BC on landslides around the middle reaches of the Weihe RiverA-區域斜坡臨界加速度ac分布圖; B-公元前780年岐山地震的地震動Arias強度分布圖; C-岐山地震誘發區域坡體位移及危險性評估圖A-regional slope critical acceleration acdistribution map; B-ground motion arias intensity distribution map of Qishan earthquake in 780 BC; C-regional slope displacement and hazard distribution induced by Qishan earthquake in 780 BC

圖4　實際滑坡密度與反演歷史地震滑坡位移關系曲線Fig. 4　Correlation curves of real landslide density and inversed historical seismic landslide displacement

圖5　反演歷史強震誘發滑坡效應的成功率曲線圖Fig. 5　Success rate curves of landslide effects around the middle reaches of the Weihe River induced by historical strong earthquakes

3.3.1地震動的地形放大效應

《建筑抗震設計規范 GB 50011-2001》第4.1.8條文提供了針對局部突出地形的地震動參數放大效應的經驗公式(中華人民共和國建設部, 2002):

其中: λ為局部突出地形頂部的地震影響系數的放大系數; α為局部突出地形地震動參數增大幅度; ξ為附加調整系數, 與斜坡離突出臺地邊緣的距離L與相對高差H有關。式中參數參考《規范》取值。本節利用DEM計算了坡高和坡度分布, 再根據式(6)計算了渭河中游黃土塬邊或丘陵地區等突出地形的地震動放大系數結果。

3.3.2綜合地震動Arias強度

Arias強度是衡量地震動強度的物理量, 通過強震記錄中地震動加速度的平方在強震持時內對時間積分再乘以常數確定, 用Ia表示(m/s)(Arias, 1970)。相比地震動峰值加速度PGA僅指示了短時高頻的脈沖幅值而言, Arias強度具有反映了地震動振幅、頻率及持時等綜合信息的優勢, 這里采用Arias強度分析區域地震滑坡與地震動的關系。歷史地震動Arias強度可以利用矩震級Mw和場地震源距R, 通過經驗公式計算獲得(式7)(Wilson et al., 1985):

其中, 歷史地震的矩震級Mw利用面波震級MS,通過經驗公式換算得到(金春山等, 1996):

根據公式(7)和(8)可得到渭河中游在岐山地震期間的Arias強度Ia分布, 在疊加地震動的地形放大系數之后, 即可得到岐山地震在渭河中游產生的綜合地震動Arias強度分布(圖3B)。

3.4地震作用下的滑坡位移DN

區域地震滑坡的Newmark位移可以表示為臨界加速度ac和地震動Arias強度Ia的函數關系式(Jibson et al., 2000)(式9), 利用該式可對區域地震滑坡進行滑動位移量計算和危險性評估。

根據式(9), 可以得到公元前780年岐山地震期間渭河中游區域滑坡位移lgDN分布(圖3C), 分級結果顯示: 地震滑坡高危險區(或位移量較大)主要分布在黃土塬邊、黃土丘陵區及南側秦嶺山前陡坡地段; 中等危險區分布在寬緩的黃土臺塬及渭河谷地;低危險區主要集中在西南側的秦嶺、隴山基巖區及平坦塬面地段; 不同危險區的整體分布與現有大型滑坡的空間分布特征基本相似。

4　關鍵歷史地震誘發滑坡效應的比較

為了直觀地評判岐山地震對現有大型滑坡的誘發效應, 按照位移量對岐山地震誘發滑坡位移的反演結果進行分級(1～25級), 通過空間分析得到滑坡點密度與位移量的關系曲線(圖4)。結果顯示, 隨著反演的位移量由大變小, 滑坡密度整體趨勢也隨之呈波狀降低, 指示二者具有一定正相關性。同理,根據式(4)—(9)分別反演計算了其余3次地震在區內誘發滑坡位移的分布結果, 并與現有滑坡分布進行了相關性分析(圖4), 對比4次反演結果的相關性曲線, 可知按照岐山地震→華縣地震→海原地震→天水南地震的次序, 曲線形態逐漸由雙峰波狀過渡至單峰遞減形態, 滑坡密度峰值(即實際滑坡分布較密集部分)逐漸向橫軸左側(即反演的滑坡位移量較大部位)靠攏, 表明反演地震誘發的滑坡位移分布特征與現有大型滑坡分布的吻合程度越來越高,可以定性地判斷歷史強震對區內大型滑坡的誘發效應依次變強。

為進一步定量地描述誘發效應的差異, 利用“成功率曲線”對4次地震誘發滑坡位移的反演結果與實際滑坡的匹配程度進行了檢驗比較(圖5)。成功率曲線通常被用于滑坡危險性評估的有效性(或準確性)檢驗, 在平面直角坐標系中, 將實際滑坡的累積數量比率作為縱坐標軸, 將不同位移等級的累積面積比率作為橫坐標軸, 繪制出實際滑坡分布與反演位移分布的關系曲線。利用線下面積(Area Under Curve, 簡稱AUC)作為成功率指標, 定量地判斷歷史地震滑坡位移量(或危險性)反演結果與現有實際滑坡分布的匹配程度; 線下面積越大, 表明匹配成功率越高, 反之則越低。

根據成功率曲線形態特征(圖5), 可明顯地將反演計算結果分為優劣兩組, 其中海原地震和天水南地震曲線AUC介于0.80～0.81之間, 表明該兩次地震誘發滑坡的反演結果與實際滑坡分布匹配程度較好; 但是岐山和華縣地震曲線AUC僅達到0.60～0.72之間, 表明該兩次反演結果與實際滑坡的匹配程度欠佳。這種“匹配程度”反映了特定歷史強震對區內已編錄滑坡的誘發效應或程度, 匹配程度越高, 則表明誘發效應越強; 因此, 可知4次關鍵歷史強震對渭河中游群發大型滑坡的誘發效應由強至弱依次為: 1654年天水南MS8.0級地震＞1920年海原MS8.5級地震＞1556年華縣MS8.25級地震＞公元前780年岐山MS7.0級地震。

5　結論與討論

渭河中游地區在宏觀尺度上, 位于汾渭地震帶與六盤山地震帶的交匯部位, 具有典型的區域強活動構造及強震活動背景; 而在局地尺度上, 隴縣—寶雞斷裂帶和寶雞—咸陽斷裂帶則在坡體結構方面控制了塬邊大型黃土滑坡的結構形態特征, 通過與汶川地震期間的區內震害響應比較, 推斷區內大型群發黃土滑坡與歷史強震的誘發作用具有必然聯系。

運用強震誘發區域滑坡的最遠致災震中距分析方法, 逐步鎖定渭河中游周邊300 km范圍內需要重點考慮其誘發效應的4次關鍵歷史強震。并利用基于Newmark位移模型的地震滑坡位移及危險性評估方法, 反演了4次歷史強震誘發區內滑坡的位移及危險性分布特征。借助成功率曲線對關鍵歷史強震誘發坡體位移的反演結果和實際大型滑坡分布進行了空間匹配程度的比較, 結果顯示: 1654年天水南MS8.0級地震對渭河中游現存大型滑坡的誘發效應最強, 次之為1920年海原MS8.5級地震, 再次為1556年華縣MS8.25級地震, 公元前780年岐山MS7.0級地震的誘發效應最弱。綜上所述, 本文提出的思路和方法為開展歷史強震對區域群發滑坡誘發效應的反演研究提供了參考。

需要說明的是, 文中探討的“誘發效應”并非特指某次地震誘發了區內大型滑坡。事實上, 研究區周邊歷史強震十分活躍, 必然存在多次誘發區域性滑坡事件; 然而, 除非具有可靠的史料記載, 否則試圖通過現有技術準確揭示特定歷史地震誘發特定滑坡事件的難度很大。正是由于歷史強震對區域群發滑坡的誘發作用不容忽視, 且單體滑坡發育特征又具有隨機性, 很難獲得預期結果, 于是本文從區域滑坡群體發育特征所指示的宏觀統計規律入手,通過經驗與定量分析相結合的方法, 初步反演了近場和遠場歷史強震對區內群發大型滑坡誘發效應的強弱差異。

此外, 文中涉及歷史地震的實測數據相對缺乏,在一定程度上限制了震源參數的定位精度; 同時,區域地震動衰減特征和地形放大效應也是主要利用經驗公式模擬得到, 對地震動傳播的場地效應分析偏于簡單。鑒于此, 綜合考慮震源模型、地殼介質、地表巖性組合及地形等復雜場地條件的斜坡地震動響應規律及其與地震滑坡的關系研究有待進一步深入。

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Inversion of the Inducing Effects of Historical Strong Earthquakes on Large-scale Landslides around the Middle Reaches of the Weihe River

WANG Tao, WU Shu-ren, SHI Ju-song, XIN Peng, LIANG Chang-yu
Key Laboratory of Neotectonics Movement & Geohazards, Ministry of Land and Mineral Resources, Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081

Exemplified by the middle reaches of the Weihe River, the authors tentatively developed a new method for the study of the inducing effects of historical earthquakes on regional large-scale landslides. First, an analysis of regional active tectonics and fault-controlling slope sliding revealed that the inducing effects of historical strong earthquakes on regional large-scale landslides around the middle reaches of the Weihe River must not be neglected. Secondly, the farthest epicentral distance of seismic landslides distribution was calculated and analyzed. On such a basis, the authors hold that inducing effects of 4 key historical strong earthquakes within 300km around the middle reaches of the Weihe River should be studied with special attention, i.e., Qishan MS7.0 earthquake in 780 BC, Tianshui south MS8.0 earthquake in 1654 AD, Huaxian MS8.25 earthquake in 1556 AD and Haiyuan MS8.5 earthquake in 1920 AD. Then, taking Qishan earthquake as an example, the authors described the inversion method for seismic landslide displacement and hazard assessment based on Newmark displacement model. The other 3 historical earthquakes triggering landslide displacement were inversed, and the inversion results were quantitatively compared with the distribution of existing large-scale landslides to show the spatial matching degree. The result indicates that Tianshui south MS8.0 earthquake served as the strongest one among the earthquakes inducing regional large-scale landslides around the middle reaches of the Weihe River area.

historical earthquake; landslide; Newmark displacement model; inversion; middle reaches of the Weihe River; loess

P315.01; P315.725

A

10.3975/cagsb.2015.03.10

本文由國家自然科學基金項目(編號: 41102165)、國家“十二五”科技支撐計劃課題(編號: 2012BAK10B02)和中國地質調查局地質調查項目(編號: 1212011140003; 12120114035501)聯合資助。

2014-08-21; 改回日期: 2014-10-19。責任編輯: 魏樂軍。

王濤, 男, 1982年生。博士, 副研究員。近年來主要從事地震地質災害調查研究。通訊地址: 100081, 北京市海淀區民族大學南路11號。E-mail: wangtao_ig@163.com。