甘肅禮縣至羅家堡斷裂帶沿線地質(zhì)災害分布規(guī)律及斷層效應研究

馮 衛(wèi)，畢銀強，唐亞明，張樂中，李政國

(1.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710064； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710054；3.西北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，陜西 西安 710054； 4.機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043)

我國是地震頻發(fā)國家，中國大陸分布有很多的活動斷裂帶與構(gòu)造區(qū)，無論是板塊間還是板塊內(nèi)活動構(gòu)造都十分強烈，特別是活動斷裂帶或構(gòu)造區(qū)附近最易于發(fā)生破壞性地震[1]。因此，對活動斷裂帶沿線的地質(zhì)災害分布規(guī)律和斷層效應開展研究具有較強的現(xiàn)實意義。

近些年來，關(guān)于活動斷裂沿線的地質(zhì)災害分布規(guī)律及斷層效應研究成為了地震研究的熱點之一。國內(nèi)外學者利用統(tǒng)計方法對地震地質(zhì)災害的分布與地震震級、地震烈度、距震中或發(fā)震斷層距離、坡度、巖石類型的關(guān)系進行了深入分析和研究，形成了許多地震誘發(fā)地質(zhì)災害的統(tǒng)計規(guī)律[2-12]。尤其是黃潤秋等[13]對汶川地震觸發(fā)地質(zhì)災害的斷層效應開展了深入分析，張永雙等[14]以汶川地震誘發(fā)的大型滑坡為例，系統(tǒng)分析了活動斷裂帶與大型滑坡之間的關(guān)系，許沖等[15]對汶川地震滑坡的地層巖性、坡度、滑向、高程、所在烈度區(qū)、上下盤位置和距發(fā)震斷裂的距離等7個參數(shù)進行了統(tǒng)計分析，他們的研究成果為查明活動斷裂帶地震地質(zhì)災害形成機制和總結(jié)地質(zhì)災害發(fā)育規(guī)律起到了明顯的指導作用。

禮縣至羅家堡斷裂帶是青藏高原東緣中段的一條重要斷裂帶，相關(guān)學者認為該斷裂為1654年羅家堡8級地震的發(fā)震斷裂[16-17]。筆者通過資料搜集、遙感解譯和野外調(diào)查，總結(jié)了該斷裂帶沿線的地質(zhì)災害分布規(guī)律，并基于GIS技術(shù)開展了地震地質(zhì)災害斷層效應研究，以期為類似斷裂帶沿線確定地質(zhì)災害的多發(fā)區(qū)域提供參考。

1 研究區(qū)概況

禮縣至羅家堡斷裂帶平面上主要由3條斜列的次級斷裂段組成，總長約150km，走向60°。西段從宕昌東到禮縣東，長約90 km；中段從禮縣南到羅家堡東北，長約40 km；東段從天水鎮(zhèn)西到平南鎮(zhèn)東，長約20 km[17]。本文以該斷裂帶的核心區(qū)(中段區(qū))為研究區(qū)，沿線出露的主要地層有泥盆系、石炭系、三疊系、第三系及第四系，禮縣至羅家堡斷裂帶沿線巖土體結(jié)構(gòu)破碎，在地震、降雨等因素作用下，區(qū)內(nèi)滑坡、崩塌等地質(zhì)災害較發(fā)育。通過資料收集、遙感解譯和野外調(diào)查，禮縣至羅家堡斷裂帶兩側(cè)發(fā)育有崩塌、滑坡等地質(zhì)災害點702處(區(qū)內(nèi)泥石流發(fā)育程度很低，此處不含泥石流)，其中地震地質(zhì)災害點396處(占總數(shù)的56.4%)，地質(zhì)災害發(fā)育密度很大(圖1)。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Geographical location map of the study area

2 地質(zhì)災害分布規(guī)律

2.1 歷史時間分布規(guī)律

將研究區(qū)地質(zhì)災害發(fā)生的年代由老到新劃分為5期：(Ⅰ)晚更新世以來的地質(zhì)災害(13萬年～1萬年)；(Ⅱ)全新世以來的地質(zhì)災害(1萬年～1654年)；(Ⅲ)羅家堡地震誘發(fā)的地質(zhì)災害(1654年)；(Ⅳ)羅家堡地震以來的地質(zhì)災害(1654年～2000年)；(Ⅴ)2000年至今的地質(zhì)災害。

研究表明，絕大部分地質(zhì)災害(占總數(shù)的96.3%)發(fā)生在羅家堡地震同期及之后至今的時間范圍內(nèi)(由于羅家堡地震發(fā)生后研究區(qū)內(nèi)未再次發(fā)生破壞性地震，因此該時期之后發(fā)生的地質(zhì)災害主要為降雨、人工開挖和流水侵蝕所致)，而發(fā)生在晚更新世和全新世的地質(zhì)災害數(shù)量很少(僅占總數(shù)的3.7%)(圖2)。初步分析認為，一是在該地區(qū)同時期發(fā)生地質(zhì)災害的數(shù)量的確很少；二是許多古滑坡或老滑坡由于發(fā)育在黃土覆蓋層內(nèi)，隨著水土侵蝕的加劇而日益消亡，因此年齡越老的滑坡相對數(shù)量越少。

圖2 不同期次的地質(zhì)災害發(fā)育數(shù)量對比圖Fig.2 Comparison graph of the number of geological disasters in different stages

2.2 水平空間分布規(guī)律

(1)區(qū)域分布的不均衡性

首先，不同地貌單元地質(zhì)災害發(fā)育程度不同。從整體上講，研究區(qū)地質(zhì)災害主要分布在西漢水和燕子河流域，即中東部黃土梁峁地區(qū)，而禮縣城區(qū)西南部低山丘陵和緩坡丘陵地帶地質(zhì)災害不發(fā)育。其次，同一地貌單元內(nèi)地質(zhì)災害的發(fā)育也不均衡，這既包括災害數(shù)量的不均衡也包括災害類型的不均衡。數(shù)量方面，在黃土梁峁地帶災害數(shù)量自西向東逐漸增加，最終形成大部分地質(zhì)災害在研究區(qū)東北部集中分布的局面。類型方面，小型崩塌和滑坡集中分布在研究區(qū)西部，大中型崩塌和滑坡主要分布于研究區(qū)東部，形成了大中型地質(zhì)災害在黃土梁峁區(qū)東多西少的局面。這與黃土地層厚度和溝谷發(fā)育情況有關(guān)，研究區(qū)東部黃土地層厚度大于西部黃土地層厚度，且東部溝谷發(fā)育深度一般為50～150 m，西部溝谷深度一般為30～100 m，而厚度大的黃土地層和較深的溝壑都有利于較大型地質(zhì)災害的發(fā)育。此外，東部區(qū)域距離羅家堡地震震中更為接近。

(2)沿溝谷的成帶性和流域的集中性

研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害呈現(xiàn)“線—帶—片狀”的分布特征，具體表現(xiàn)為沿306和208省道及縣級公路呈線狀密集分布，沿西漢水、燕子河等河流或溝谷以及禮縣至羅家堡活動斷裂帶呈帶狀分布，沿永興、城關(guān)、祁山、鹽官等4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)以及高家村、陸家灣、李集寨、磨石村等村落呈片狀分布。

2.3 垂直空間分布規(guī)律

以滑坡等地質(zhì)災害的剪出口位置為準，將研究區(qū)地質(zhì)災害發(fā)育部位分為斜坡上部、斜坡中部和斜坡下部。雖然各部位發(fā)育的地質(zhì)災害數(shù)量相差不大，但剪出口位置在斜坡中部和上部的地質(zhì)災害多由地震誘發(fā)，數(shù)量共計420處，占總數(shù)的60%，剪出口位置處于斜坡下部的地質(zhì)災害共計282處，占總數(shù)的40%，多為降雨、人工開挖和流水侵蝕所致(圖3)。

圖3 不同發(fā)育部位的地質(zhì)災害發(fā)育數(shù)量對比圖Fig.3 Comparison graph of the number of geological disasters in different development parts

3 斷層效應研究

研究區(qū)地震地質(zhì)災害點共計396處(占災害總數(shù)的56.4%)，分布面積較大(占災害總面積的84.6%)，本節(jié)對統(tǒng)計的396處地震地質(zhì)災害點開展相應的斷層效應研究。

3.1 距離效應

地震地質(zhì)災害的分布位置與距斷裂帶遠近密切相關(guān)(圖4和圖5)，39.1%的地震地質(zhì)災害發(fā)育于距斷裂帶2.0 km范圍內(nèi)，28.3%的地震地質(zhì)災害發(fā)育于距斷裂帶2.0～4.0 km范圍內(nèi)，13.1%的地震地質(zhì)災害發(fā)育于距斷裂帶4.0～6.0 km范圍內(nèi)，5.1%的地震地質(zhì)災害發(fā)育于距斷裂帶6.0～8.0 km范圍內(nèi)，4.5%的地震地質(zhì)災害發(fā)育于距斷裂帶8.0～10.0 km范圍內(nèi)，9.8%的地震地質(zhì)災害發(fā)育于距斷裂帶10 km以外區(qū)域。總之，隨著距斷裂帶越來越遠，地震地質(zhì)災害發(fā)育的數(shù)量和密度逐漸減小。

圖4 禮縣至羅家堡斷裂帶兩側(cè)緩沖區(qū)地震地質(zhì)災害點密度分布圖Fig.4 Distribution map of earthquake geological disaster points in the buffer zone on both sides of the Lixian-Luojiabu fault zone

圖5 地震地質(zhì)災害發(fā)育數(shù)量與距斷裂帶遠近的關(guān)系對比圖Fig.5 Comparison graph of relationship between the number of earthquake geological disasters and thedistance from the fault zone

3.2 上下盤效應

Abrahamson等[18]研究了1994年美國加利福尼亞州Northridge地震的近場強震記錄和其他逆斷層型地震的強震記錄，首先提出了“上下盤效應”概念，認為斷層上盤的加速度峰值普遍高于下盤的加速度峰值。黃潤秋等[19]在研究汶川地震地質(zhì)災害的分布規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，不僅發(fā)震斷層上盤較下盤地質(zhì)災害分布密度大，分布范圍更廣，而且上盤地質(zhì)災害的規(guī)模也遠較下盤大。

對于禮縣至羅家堡斷裂而言，絕大多數(shù)區(qū)域的地震地質(zhì)災害分布基本符合上述規(guī)律，尤其是在永興鄉(xiāng)境內(nèi)，地質(zhì)災害分布規(guī)律更為明顯，其正斷層的上盤(西漢水右岸)比下盤(西漢水左岸)更為發(fā)育(圖6)。其上盤災點密度可達4.0～5.5個/km2，而下盤災點密度最大為2.0～3.0個/km2。

圖6 永興鄉(xiāng)段斷裂上下盤地震地質(zhì)災害點密度分布圖Fig.6 Distribution map of earthquake geological disaster points on the upper and lower walls of the Yongxingxiang segment fault

3.3 方向效應

將研究區(qū)內(nèi)滑坡等地震地質(zhì)災害的滑動方向按照45°進行分帶，統(tǒng)計每個滑向區(qū)域的滑坡數(shù)量與滑坡面積(圖7和圖8)。結(jié)果表明，區(qū)內(nèi)滑坡的優(yōu)勢主滑方向為北西—南東(NW-SE)向315°～360°，近似垂直于發(fā)震斷裂走向，只有個別滑坡滑動方向接近斷裂走向。這表明，在強震作用下，起控制作用的是強震地震波在垂直斷裂方向的傳播，正是由于地震波在垂直斷裂方向具有最大的強度，從而將坡體在這個方向上震裂、滑移，出現(xiàn)一系列中大型滑坡、崩塌。這同時也表明，地震波和地面運動的強度具有顯著的方向性，在垂直斷裂方向最強。

圖7 不同滑向的地震滑坡發(fā)育數(shù)量對比圖Fig.7 Comparison graph of the number of earthquake landslides in different sliding directions

圖8 不同滑向的地震滑坡發(fā)育面積對比圖Fig.8 Comparison graph of developed areas of earthquake landslides in different sliding directions

3.4 烈度效應

研究區(qū)地處地震活動強烈的南北地震帶北段，歷史上曾發(fā)生過多次強震，其中影響最大的地震為1654年羅家堡8級地震，其最大烈度達到Ⅺ度。本節(jié)圍繞地震地質(zhì)災害點密度和面密度與地震烈度的關(guān)系開展分析。

3.4.1 地震地質(zhì)災害點密度與地震烈度關(guān)系

將地震地質(zhì)災害點與羅家堡8級地震烈度分區(qū)圖疊加后可以看出，研究區(qū)主要位于Ⅷ～Ⅺ烈度區(qū)內(nèi)(圖9)。從數(shù)量上來說，共有83處地震地質(zhì)災害點(占總數(shù)的21.0%)落在VIII度區(qū)，共有174處地震地質(zhì)災害點(占總數(shù)的43.9%)落在IX度區(qū)，共有103處(占總數(shù)的26.0%)地震地質(zhì)災害點落在Ⅹ度區(qū)，共有36處地質(zhì)災害點(占總數(shù)的9.1%)落在XI度區(qū)(圖10)。僅從數(shù)量來看，這并不符合地震烈度越大地質(zhì)災害發(fā)育數(shù)量越多的規(guī)律。為了進一步分析兩者之間關(guān)系，本文引入地震地質(zhì)災害點密度的概念，即單位面積內(nèi)地震地質(zhì)災害發(fā)育的數(shù)量，其量綱為處/km2。以地震烈度值為橫軸，地震地質(zhì)災害點密度為縱軸，得到地震地質(zhì)災害點密度隨地震烈度變化的關(guān)系曲線(圖11)。該曲線斜率為正，表明隨著地震烈度的增加，相應地震地質(zhì)災害點密度逐漸增加，尤其從VIII度區(qū)到IX度區(qū)，點密度從0.18處/km2增加到0.57處/km2，增加了3倍有余。但該曲線的遞增速率并非直線上升，從IX度區(qū)到X度區(qū)以及X度區(qū)到XI度區(qū)，盡管災點密度持續(xù)上升，但上升趨勢明顯變緩。這表明越靠近極震區(qū)，地震地質(zhì)災害點密度盡管有所增加，但增加速率明顯減小。

圖9 地震地質(zhì)災害點與羅家堡8級地震烈度分區(qū)關(guān)系圖Fig.9 Map of relationship between the earthquake geological distaster points and the intensity of the Luojiabu Ms8 earthquake

圖10 不同地震烈度區(qū)內(nèi)地震地質(zhì)災害數(shù)量統(tǒng)計圖Fig.10 Statistical graph of the number of earthquake geological disasters in different earthquake intensity areas

圖11 地震地質(zhì)災害點密度與地震烈度區(qū)關(guān)系曲線圖Fig.11 Graph of relationship between point density of earthquake geological disasters and earthquake intensity area

3.4.2 地震地質(zhì)災害面密度與地震烈度關(guān)系

將每處地震地質(zhì)災害的面積與羅家堡8級地震烈度分區(qū)圖疊加后可以看出(圖12)，共有3.15 km2(占總面積的5.4%)落在了VIII度區(qū)，共有24.97 km2(占總面積的43.1%)落在了IX度區(qū)，共有20.40 km2(占總面積的35.2%)落在了Ⅹ度區(qū)，共有9.42 km2(占總面積的16.3%)落在了XI度區(qū)(圖13)。僅從面積來看，這并不符合地震烈度越大地震地質(zhì)災害發(fā)育面積越大的規(guī)律。為了進一步分析兩者之間關(guān)系，本文引入地震地質(zhì)災害面密度的概念，即單位面積內(nèi)地震地質(zhì)災害發(fā)育的面積，它是一個無量綱的量。以烈度值為橫軸，地震地質(zhì)災害面密度為縱軸，得到地震地質(zhì)災害面密度隨地震烈度變化曲線(圖14)。該曲線斜率為正，但它與圖11中的地震地質(zhì)災害點密度隨地震烈度變化曲線不同，其遞增速率是明顯上升的，表明隨著距離極震區(qū)越來越近，地震烈度越來越大，盡管單位面積上發(fā)育的地震地質(zhì)災害點數(shù)有增長緩慢的趨勢，但地震地質(zhì)災害面積增長速率卻是直線上升的。這說明距離震中越近的區(qū)域，越易發(fā)生大型或特大型滑坡，如海頭村特大型滑坡就分布在距羅家堡地震震中1 km范圍內(nèi)。

圖12 地震地質(zhì)災害分布面積與羅家堡8級地震烈度分區(qū)關(guān)系圖Fig.12 Map of relationship between the earthquake geological distaster distribution area and the intensity of the Luojiabu Ms8 earthquake

圖13 不同地震烈度區(qū)內(nèi)地震地質(zhì)災害面積統(tǒng)計圖Fig.13 Statistical graph of the area of earthquake geological disasters in different earthquake intensity areas

圖14 地震地質(zhì)災害面密度與地震烈度區(qū)關(guān)系曲線圖Fig.14 Graph of the relationship between area density of earthquake geological disasters and earthquake intensity area

4 結(jié)論

(1)禮縣至羅家堡斷裂帶沿線的地質(zhì)災害在歷史時間上絕大部分發(fā)生在1654年羅家堡地震同期及之后至今的時間范圍內(nèi)，在水平空間上具有區(qū)域分布的不均衡性、沿溝谷的成帶性和流域的集中性等特點，在垂直空間上斜坡各部位發(fā)育的地質(zhì)災害數(shù)量相差不大，但大部分地震滑坡的剪出口位于斜坡中部及上部。

(2)禮縣至羅家堡斷裂帶沿線地震地質(zhì)災害發(fā)育的斷層效應作用較明顯，距斷裂帶越近，地震地質(zhì)災害發(fā)育數(shù)量和密度越大；活動斷裂的上盤比下盤地震地質(zhì)災害分布密度更大；地震地質(zhì)災害的優(yōu)勢主滑方向近似垂直于法陣斷裂走向；越靠近極震區(qū)，地震地質(zhì)災害點密度盡管有所增加，但增加速率明顯減小；隨著離極震區(qū)越來越近，地震烈度越來越大，盡管單位面積發(fā)育的地震地質(zhì)災害點數(shù)有增長緩慢的趨勢，但地震地質(zhì)災害面積增長速率卻是直線上升的。

(3)研究成果既為深入分析禮縣至羅家堡斷裂帶沿線地質(zhì)災害的發(fā)育特征、形成機理及預測評價提供了較有價值的信息，也為類似活動斷裂沿線地質(zhì)災害多發(fā)區(qū)域的劃定提供了參考。