金沙江上游特米大型古滑坡的成因及古地震參數反分析*

龍 維，陳 劍，王鵬飛，許 沖，劉 輝，孫進忠

(1.中國地質大學 (北京)工程技術學院，北京100083;2.中國地震局地質研究所，北京100029;3.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

0 引言

中高山地區發生的強烈地震容易觸發大型滑坡，地震觸發滑坡形成的次生災害有時比地震振動本身以及斷層錯斷所造成的災害更為嚴重 (Jibson et al.，2000;Keefer，2000;Boomer，Rodriguez，2002)。對于有地震記錄資料的現代地震滑坡，國內外一些學者利用地震動參數對地震滑坡進行研 究 (Wilson， Keefer， 1983;Jibson， Keefer，1993;Harp，Wilson，1995;王 秀 英 等，2009，2010，2011)，取得良好效果。對于缺乏地震記錄資料的古地震滑坡，國內外有部分學者開展通過古滑坡對古地震參數進行反分析的相關研究，并取得了一定成果 (Jibson，1996;Oded，Onn，2007;Neta et al.，2009)，但目前有關這方面系統而深入的研究仍然十分缺乏。

對于缺乏歷史資料記載的古地震，如果能夠明確判定古滑坡或古滑坡群是由地震觸發，則可利用古滑坡通過反分析法求取古地震參數。因此，對古地震滑坡進行研究可幫助重建區域或場地的地震歷史 (Jibson，1996)，為現今地震危險性評估及現代大型工程設計提供重要參考依據。

本文通過詳細的野外地質地貌調查，對金沙江上游特米滑坡發育特征進行了分析，并結合年代學和反分析法，分析和討論了特米滑坡的成因機制及觸發其發生的古地震參數。

1 區域地質背景

研究區域位于青藏高原東南緣金沙江上游，特米滑坡地處巴塘縣城西南，距巴塘縣城約4 km(29°58'32.48″N，99°03'13.30″E)(圖 1、2)。特米滑坡所在河段屬金沙江深切割區，地形起伏大，相對高差在2 000 m以上，兩岸山體自然坡度30°以上，為典型高山峽谷地貌，河谷多為V型，寬200～400 m。該河段滑坡、崩塌、泥石流等不良地質現象廣泛發育。

研究區地質構造復雜，活動斷裂發育，其中金沙江斷裂帶和巴塘斷裂帶 (圖1)是區域內兩條主要的活動斷裂帶 (Chen et al.，2013;Wang et al.，2014)。金沙江斷裂帶 (F6)是由多條主干斷裂組成的長約700 km、寬約80 km的復雜構造帶 (周榮軍等，2005)，歷史上多次發生地震，1870年發生過7.5級地震，1989年4次6級以上地震也發生在此斷裂帶上 (伍先國，蔡長星，1992)。金沙江斷裂帶的一條重要分支雄松—蘇洼龍斷裂從特米滑坡后緣附近穿過，此斷裂1923年發生過6.5級地震 (伍先國，蔡長星，1992)。巴塘斷裂 (F7)長約200 km，由一組北北東向彼此平行的斷層和破碎帶組成，此斷裂晚第四紀以來地震活動強烈，1948年發生過7.3級地震 (周榮軍等，2005)。

區域主要出露中生代片巖、大理巖、石灰巖、花崗巖和基性火山巖 (圖2)。特米滑坡區的基巖巖性主要為黑云母石英片巖，片巖的節理比較發育。表層巖體風化較嚴重，巖體完整性較差。

研究區地震強度大，頻度高，強震沿活動斷裂帶分布，歷史上多次發生地震。近300年以來發生過多次中強震，其基本參數見表1(伍先國，蔡長星，1992;西藏自治區科學技術委員會，西藏自治區檔案館，1982;四川省地方志編纂委員會，1998)。

圖1 研究區位置及區域斷裂 (據Chen等 (2013)修改)(1722～1980年)Fig.1 Map of the location of the study area and regional faults(revised based on Chen et al.，2013)(1722～1980)

圖2 研究區地層巖性及滑坡位置Fig.2 Formation lithology and the location of landslides in the study area

表1 研究區近300年以來發生的主要地震Tab.1 The main earthquakes occurred in the study area in the recent 300 years

研究區處于半干旱氣候帶，年平均降雨量小于400 mm，降雨主要集中在每年7～9月。氣溫最高為7月，平均為19℃，最低為1月，平均氣溫為3.7℃。氣候隨海拔的升高有所變化，河谷地區屬于干熱氣候 (Chen et al.，2013)。這種氣候條件導致河谷地區物理風化強烈，植被稀少。

2 特米滑坡基本特征

特米滑坡左岸和右岸均分布有殘留滑坡堆積體和湖相沉積，右岸下游分布有滑坡壩潰決堆積物 (圖3)。

2.1 地貌形態與堆積特征

左岸滑坡殘留堆積體縱剖面前緩后陡，前緣呈平緩的臺階狀;后緣坡角約25°，前緣坡角0～3°，平均坡角約15°。堆積體前緣橫向剖面呈向上凸的弧形，中間厚，兩端變薄，寬度沿河流流向展布。兩側及后緣邊界具有明顯陡坎，整個滑坡體的周界呈明顯的圈椅狀形態。滑坡后緣邊界明顯，表層可見紅褐色粘土 (圖4a)。滑坡前緣的堆積體主要由松散的塊碎石組成，最大粒徑可達5 m(圖4b)。

圖3 湖相沉積、特米滑坡和滑坡壩潰決堆積物的空間位置分布Fig.3 Spatial distribution of lacustrine deposits and accumulation masses of Temi landslide and landslide dam outburst deposits

左岸滑坡殘留堆積體后緣最高點高程約3 200 m，前緣頂部高程約2 680 m，堆積體長約900 m，縱向平均長約350 m，堆積體最寬處約600 m，平均寬度約250 m，縱向剖面表現為前緣厚后緣薄，前緣最厚處約175 m(圖4c)，計算得左岸滑坡殘留堆積體體積約700×104m3。

右岸滑坡殘留堆積體覆蓋于谷坡之上 (圖4d)，堆積體最高點高程約2 645 m，組成物質主要為塊碎石，粒徑差異較大，最大粒徑達8 m。計算所得右岸殘留堆積體體積約為30×104m3。

滑坡堆積體上游左岸及右岸均分布有湖相沉積 (圖5)，湖相沉積組成物質主要為粉土和粘土，層理十分清晰，湖相層厚約15 m(圖5a)，湖相層覆于滑坡堆積體之上 (圖5b)，底部局部可見覆蓋于滑坡塊石堆積之上 (圖5c)。右岸堆積體下游見有大量的滑坡壩潰決堆積物，潰決堆積體長約1 600 m，寬30～180 m(圖3)。

上述研究表明，特米滑坡發生后形成堵江滑坡壩，滑坡發生時滑速較高，滑坡前端沖過河床直達對岸，并且滑坡壩可能穩定存在了較長一段時間后才發生潰決。

圖4 特米滑坡地貌形態及堆積特征Fig.4 Landform and accumulation characteristics of Temi landslide

圖5 特米滑坡堆積體上游湖相沉積Fig.5 Lacustrine deposits at upstream of accumulation mass of Temi landslide

2.2 滑坡地形恢復

經計算滑坡壩潰決部分體積約1 380×104m3，加上左右岸滑坡殘留堆積體體積，可得滑坡總體積約為2 110×104m3。結合滑坡圈椅狀地形、兩側的地形地貌特征，利用體積補償法，可恢復得到原斜坡地形 (圖6)。

圖6 特米滑坡原始地形線、堆積體地形線及滑動面Fig.6 Initial landform line、accumulation mass landform line and sliding surface of Temi landslide

2.3 年代測量

利用AMS14C法對滑坡形成年代進行測定，樣品為湖相沉積的紅色粘土，采樣位置位于特米滑坡右岸上游殘留的湖相層底部 (圖6)。在北京大學碳十四實驗室進行測試。由AMS14C測年結果(表2)可知，滑坡發生時間約為7 210 BP。

表2 特米滑坡14 C年代學實驗結果Tab.2 14 C geochronology test results of Temi landslide

3 地震參數的反分析

利用滑坡對古地震參數進行反分析的步驟如下:(1)確定滑動面位置，并對滑動前斜坡地貌形態進行恢復，確定滑坡巖土體物理力學參數及滑坡的形成年代;(2)通過地質地貌調查及計算分析，判斷滑坡是否由地震誘發;(3)基于Newmark法 (Jibson et al.，2000;Newmark，1965)，計算地震震級、震中距、Newmark位移及臨界加速度之間的關系，結合其它條件確定觸發滑坡的地震參數。

3.1 原始斜坡穩定性分析

本文采用極限平衡法對恢復所得原始斜坡進行穩定性分析。采用巖土工程界常用軟件Geo-studio進行計算分析，滑動面位置依據滑坡地形地貌調查、節理發育情況確定，巖體物理力學參數見表3。分別采用Bishop法 (Bishop，1955)和Janbu法 (Janbu，1954)進行計算，假設了3種水位條件:自然水位、低洪水位、高洪水位(圖6)。

表3 原始斜坡巖石物理力學參數Tab.3 Rock mechanics parameters of initial slope

分析結果 (表4)表明，在各種水位條件下，用同種方法計算所得原斜坡穩定性系數相差不大。表4中臨界加速度ac由 (1)式計算得到， (1)式見3.2節地震參數反演。

表4 不同工況條件下使用不同方法所得原始斜坡穩定性結果Tab.4 The results of stability of initial slope by different methods under different working condition

由靜力分析可知，在非地震荷載作用下，即使高水位 (極端洪水位)情況下斜坡也不可能失穩。由計算結果并結合野外地質調查分析，地震很可能是滑坡的重要誘發因素，主要依據如下:

(1)靜力分析結果表明，在3種工況條件下，斜坡穩定性系數均遠大于1，處于穩定狀態。

(2)區域處于半干旱氣候帶，斜坡處于金沙江熱干河谷。在巴塘，近20年的年平均降雨量小于400 mm(Chen et al.，2013)，全新世湖相沉積孢粉記錄顯示，臨近地區氣候在8.2～6.0 ka時間段處于相對暖干氣候環境 (蔣雪中等，1998)。這樣的氣候條件誘發如此大的巖質滑坡可能性很小。

(3)區域內存在多處巨型古滑坡，這些滑坡多數為巖質滑坡，體積巨大，形成堵江滑坡壩，且沿雄松—蘇哇龍活動斷裂帶呈線性分布。結合該區地震活動歷史及滑坡年代學研究，認為這些大型古滑坡主要由地震誘發形成(Chen et al.，2013)，特米滑坡與這些滑坡具有相同特征，很可能存在相同的觸發因素。

(4)區域構造活動強烈，活動斷裂發育，地震活動頻度高，近300年以來發生過9次6級以上地震 (表1)。金沙江斷裂帶和巴塘斷裂帶歷史上發生過多次地震，區域具有發生強地震條件。

3.2 地震參數反演

本文基于 Newmark法 (Jibson et al.，2000;Newmark，1965)對觸發特米滑坡的地震強度及震中位置進行分析。在Newmark法里，滑塊為位于斜面上的剛塑摩擦體，并且具有一個固有的臨界加速度 (ac)，當地震加速度超過其臨界加速度時，滑塊克服摩擦阻力得以啟動。在地震動加速度作用過程中用Newmark法計算滑體的累積永久位移來評判斜坡的穩定性情況。

潛在滑坡的臨界加速度是穩定性系數 (FS)和斜坡幾何參數之間的函數 (Newmark，1965):

式中，ac為臨界加速度，單位與重力加速度g相同 (1 g=9.8 m/s2);FS為穩定性系數;β為豎直向與滑體質心到滑體繞滑中心連線之間的夾角或滑動面傾角 (Newmark，1965;Jibson et al.，1993)。在本文模型里β為28°。

Jibson(2007)建議采用下式來計算Newmark位移、Arias強度 (Arias，1970)和臨界加速度之間的關系:

式中，DN為Newmark位移，單位cm;Iα為Arias強度，單位m/s。

本文使用式 (3)計算Arias強度與震級、震中距關系，此式被多位學者 (Neta et al.，2009;Oded，Onn，2007)使用過:

式中，MW為矩震級;R為震中距，單位為km。

Newmark位移并不表示潛在滑坡在地震荷載作用下真實位移，其意義由使用者自行去判斷 (Neta et al.，2009;Jibson，1996;Jibson et al.，1993)，評價斜坡穩定性時需要將Newmark位移與“臨界位移”進行比較。一般將10 cm作為剛性體的承受極限 (王秀英等，2009)，組成物質越松散破碎，臨界位移越小 (王秀英等，2011)。Jibson等(1993，2000)使用5～10 cm作為導致斜坡變形破壞的臨界位移判據。考慮到特米滑坡原斜坡體為巖質邊坡且節理發育，筆者也使用Newmark位移為5～10 cm作為導致斜坡變形破壞的臨界位移判據，范圍大則更保守也更合理。

本文分析了DN為5 cm和10 cm兩種情況下導致斜坡破壞的地震震級與震中距之間的關系，最低的臨界加速度限制震中距的上限，并約束最遠震中位置。

表5為最大 (ac=0.497 g)和最小(ac=0.421 g)臨界加速度條件下震級與震中距計算結果。依據此計算結果，并結合野外地質調查以及相關資料分析，筆者認為觸發特米滑坡的地震震中位置很可能位于特米滑坡下游巴塘主干斷裂與金沙江斷裂帶重要分支雄松—蘇哇龍斷裂交匯地段 (圖2、7)，有如下依據:

(1)有記載以來的地震記錄資料顯示，巴塘斷裂帶和金沙江斷裂帶交匯地帶是地震高發區(圖1)，該區域多次發生6級以上地震，而兩斷裂帶的交匯段往往多發地震。其中，巴塘主干斷裂與雄松—蘇哇龍斷裂在水磨溝附近相交，并沿金沙江延伸，此段離特米滑坡較近。

(2)特米滑坡上游沿金沙江還分布有兩個巖質滑坡，特米滑坡與這兩個滑坡線型排列 (圖7)，往上游規模依次減小，從殘留滑坡堆積體和湖相沉積特征推測3個滑坡形成期次相同，由同一次地震誘發，由震中距增加地震烈度減小規律推測震中位置也應在此地段。

(3)經計算原斜坡臨界加速度較大，為0.421～0.497(表4)，要觸發擁有如此大臨界加速度的斜坡體，滑坡距離發震斷裂要足夠近，雄松—蘇哇龍斷裂從特米滑坡后緣附近通過，震中位置應位于此斷裂上。

(4)野外地質調查顯示，此段斷層出露部分巖土體極為松散破碎，表明該地段可能靠近震中位置。

依據震級與震中距計算結果 (表5)判斷，震中位置最可能位于巴塘主干斷裂與雄松—蘇哇龍斷裂交匯段中部棟索—拉扎西段，此段位于兩斷裂交匯段中部，極有可能發震。棟索—拉扎西段距特米滑坡約10～20 km(對應表5中9.79～20.5 km)，由表5可知，地震震級應為7.0～7.4級。

表5 不同臨界加速度條件下Newmark法分析結果Tab.5 Results of the Newmark analysis under different critical acceleration

以滑坡位置為圓心，可以得到地震震級與震中距關系圓圖 (圖7)，圖7中臨界加速度ac=0.421 g，Newmark位移DN=5 cm，最保守的標準計算得到最大距離 (黃色圓)，限制最遠震中位置。

圖7 給定震級 (M W)條件下可能導致斜坡失穩的最大震中距圓圖Fig.7 Maximal distance from Temi landslide of earthquakes that can trigger slope failure for a given magnitude(M W)

綜上，初步得到誘發特米滑坡的地震震級為7.0～7.4級，震中距9.79～20.5 km，圖7中白色橢圓之內的斷裂均可能是震中位置所在地。

4 結論

特米滑坡發生前的原始斜坡在非地震荷載作用下不會發生失穩破壞，即使是在極端高洪水位條件下也保持穩定狀態。綜合野外的地質地貌調查及對原始斜坡進行穩定性分析，認為特米滑坡由強地震觸發形成。

大約7 210 BP，四川巴塘金沙江上游地區強地震誘發了特米大型滑坡，該滑坡曾經形成堰塞壩堵塞了金沙江。通過對觸發特米大型古滑坡的地震參數進行反分析，計算得到觸發特米滑坡的古地震震級為7.0～7.4級，震中距為9.79～20.5 km，震中位置大致位于棟索—拉扎西一帶。

對特米大型古滑坡進行研究，不但有助于加深對金沙江上游地區的區域地震歷史的認識，而且可為現今地震危險性評估及現代水利工程設計提供重要依據。

中國科學院地質與地球物理研究所戴福初研究員對本文野外工作給予了指導和支持，在此表示感謝。

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