0 引言

近年来, 不少学者注意到内外动力耦合作用在地质灾害和重大工程地质问题形成演化过程中的重要意义^[1~4]。内动力和外动力地质作用是地质灾害形成过程中不可缺少的两种作用, 但是, 由于很多地质现象特别是内动力地质灾害比较少见, 以往的地质灾害研究更加注重外动力作用, 而对于外动力与内动力耦合作用的形式, 大多只能根据经验进行判断和定性研究。在汶川地震发生之前, 人们对内外动力耦合作用的理解为:地球内动力地质作用构架了地质灾害发生的本底和物质基础, 而外动力作用是灾害发生的主要诱发因素。在外动力作用中, 强降雨和河水位的大幅度变动是触发崩滑流等地质灾害的重要原因。汶川地震后人们认识到上述论述尚存在偏颇之处。

2008年5月12日发生四川汶川M_S8.0级地震后, 研究工作已取得多方面的成果^[5~10]。

四川汶川M_S8.0级地震诱发的滑坡、崩塌、碎屑流等地质灾害达15000多处^[11], 在四川汶川、什邡、绵竹、安县、北川和青川等地最为发育, 并且主要沿龙门山活动断裂带展布。在龙门山主中央断裂带途经的汶川映秀-什邡红白-绵竹清平-安县高川-北川陈家坝-平武南坝一线, 地震滑坡面密度大于50 %, 最大可达70 % (图 1)。汶川地震在给人们带来灾难和损失的同时, 也给人们认识内外动力耦合作用提供了机会。本文在龙门山地区地震地质和地质灾害调查的基础上, 总结了山区地震地质灾害形成过程中内外动力耦合作用的主要表现形式; 采用实例剖析了地震滑坡形成过程中各种地质作用及其产物之间的相互联系, 对于认识地震地质灾害形成机理和发育规律具有一定的指导意义。

1 内外动力耦合作用的主要表现形式

众所周知, 龙门山构造带是由前山主边界断裂带、主中央断裂带和后山断裂带构成的NE向复杂的雁列式褶皱冲断带, 经历了复杂的地质演化历史, 内动力和外动力地质作用都很活跃。综合分析表明, 汶川地震地质灾害的发育特征和分布不仅与活动断裂关系密切, 内外动力耦合作用的表现形式对地震地质灾害也具有明显的控制作用。现仅根据野外调查资料, 简要阐述内外动力耦合作用的主要表现形式。

1.1 活动断裂和风化作用的耦合

(1) 断裂带是易遭受风化的部位, 斜坡常出现断裂带附近松散层厚度较大, 为崩塌、滑坡泥石流的形成创造了有利条件。在映秀镇西南莲花心沟上游斜坡, 主中央断裂带通过处彭灌杂岩(花岗岩、闪长岩等)的风化带厚度可达40m以上, 而断裂带之外, 一般为5~10m。

(2) 汶川地震高速远程滑坡与地震断裂密切相关, 地震作用常沿地震断裂产生很强的冲击力, 冲击力造成断裂带及上盘斜坡松散岩体产生抛掷, 抛掷量与风化卸荷作用程度及其形成的松散体和节理化岩体有很大的关系。

(3) 活动断裂所在的斜坡发生地震滑坡时, 斜坡上部多出现平台。特大型地震滑坡上部平台绝大多数为地震断裂通过之处, 由于逆冲断裂的上盘物质被冲击力抛射出去, 而形成平缓的台面, 如青川东河口滑坡、彭州谢家店子滑坡、什邡岳家山磷矿滑坡、虹口乡塔子坪滑坡等。当逆冲断裂上盘伴生同倾向的次级断裂或斜坡表现为层状反向坡时, 也可出现2级或多级平台, 如北川陈家坝滑坡、平通牛飞村滑坡等(图 2)。这与断裂带在斜坡上出露的位置以及斜坡的岩体结构有关。平台多为下方的基岩和堆积物联合构成, 其形成过程为:冲击力首先造成断裂带松散物质抛射, 然后上方的松散岩体在重力作用下产生崩塌, 崩塌的物质堆积于滑坡壁与平台后缘之间(图 3)。

(4) 对于地震断裂通过的河谷两侧斜坡, 在断裂所在斜坡, 大型滑坡、崩塌比较发育; 而对岸没有断裂经过的斜坡, 一般保存完整或受到的扰动较轻, 如龙门山镇银厂沟、红白镇青牛沱沟等河谷两侧斜坡在地震中的保存情况出现明显差异。

1.2 岩土体结构与变形破坏形式

(1) 5.12汶川地震沿主中央断裂带和前山断裂带产生了明显的地表破裂或变形带, 在不同的岩性地段, 地表破裂或变形带的表现形式受岩土体结构的制约。地表变形形式可以表现为:挠曲(隆起脊或脊状隆起、波状起伏)、地表断裂、地表破裂(裂缝)、鼓包、断崖(断坎)等。在松软土体段, 地震地表变形(鼓起、断坎等)在很多情况下, 是塑性-脆性变形的结果, 地表与松散层以下的变形特点可能存在较大的差异。地表变形的表现形式还与地表结构有关, 如在农田区多表现为土层鼓起、挠曲等, 而水泥路面多出现错断或叠置。

(2) 地表变形破坏的表现形式受到地貌和岩土体特性的影响。在山间谷地或山前, 松散土层中地表破裂或断坎等比较明显。在基岩山体中, 岩体多以弹性变形为主, 越完整坚硬的岩体, 弹性越好; 而软弱的地层可出现破裂, 有时还表现出很大的断距。如北川县城北侧的须家河组地层中出现近10m的断距, 故不能完全用地表破裂来替代地震断裂或活动断裂的位移量。

(3) 在龙门山地区, 当斜坡岩体为软硬相间的岩层组合或硬岩中含有软弱夹层时, 常发育层间剪切带, 其本身就是地质历史时期内外动力耦合作用的产物。在非地震时期, 当层间剪切带发育在顺向坡时, 强降雨、人工开挖坡脚和水库蓄水等很容易诱发滑坡灾害。在地震作用下, 这种层间剪切带加剧了大型-特大型滑坡的发生。

(4) 地震断裂作为滑坡两侧的切割面时, 特别是顺向坡时, 亦可诱发特大型规模的滑坡。除了两侧断裂的挤压作用转换为沿滑坡方向的拉张应力外, 斜坡岩体中发育的层间剪切带、断裂破碎带(节理)、岩溶洞穴等软弱带都是促进特大型滑坡发生的有利条件。如汶川地震诱发的最大滑坡———安县高川大光包滑坡, 就受到上述因素的影响。

(5) 极震区斜坡中存在顺向结构面(层面、节理面、卸荷风化带等)时, 在没有发震断裂通过的情况下也可以产生大型-特大型滑坡, 如安县雎水河邓家坪滑坡、肖家桥滑坡, 北川曲山镇岩羊村滑坡、绵竹一把刀滑坡等。此外, 地震动力激发老滑坡复活也属于类似成因, 如唐家山滑坡就是地震加剧复活的结果。

1.3 地震力与地形地貌的耦合作用

(1) 高速远程滑坡的形成和发展包含了内外动力的耦合或转换过程, 其中, 滑坡启动后, 作为远程飞行重要条件的气垫效应的形成受到地貌的控制, 即地貌的圈闭作用。汶川地震形成的若干高速远程滑坡, 如牛圈沟滑坡-碎屑流、谢家店子滑坡-碎屑流、文家沟滑坡-碎屑流、东河口滑坡-碎屑流等, 都存在峡谷圈闭而产生的气垫效应。地貌还同时影响了动力、水、气的耦合作用, 从而影响成灾模式和致灾后果。

(2) 地震动产生的破坏作用具有显著的地形放大效应, 其本质是动力与地形地貌的耦合作用。野外调查和综合分析认为, 地形对地震波或地震动强度的放大效应属宏观效应, 在远离断裂带一定范围(500m)以外的区域, 地形放大效应比较明显, 在500m特别是200m以内, 主要受断裂动力控制, 放大效应表现不明显。另外, 地震放大效应具有一定方向性, 随着与震源(震中)距离的增大, 方向性减弱。

(3) 越来越受人们关注的地震巨型滚石, 无疑是地震冲击力抛掷作用的结果, 但其必须有地貌、岩性和岩体结构的联合控制。因而, 滚石和类似的滑坡、崩塌都是内外动力耦合作用的结果。

1.4 地震力与地下水的耦合作用

地震力与地下水的耦合作用主要表现为地震力促使地下水动力条件变化, 从而引起岩土体结构发生变化, 产生地面塌陷和砂土液化, 这在5.12汶川地震中都可以找到典型的实例。

(1) 在北川新址(永昌镇)水没河一带由侏罗系灰岩角砾岩围限的山间谷地, 震后出现一系列地面塌陷坑^[12], 单个塌陷坑平面上多呈圆形(部分为椭圆形), 直径1~13m, 一般3 ~5m。塌陷坑表现为单坑、双坑、串珠状坑和塌陷坑群等组合形式(图 4)。综合分析认为其形成过程为:地震动造成谷地外围斜坡中岩体的裂隙、岩溶扩展, 地下水快速汇聚, 沿谷地下方松散土体与基岩之间的不整合面(带)形成高压径流, 并对上部土体(粉土)产生淘蚀作用, 淘蚀空间扩大导致上部土层塌陷。不整合面及其附近的卵砾石层成为地下径流带, 是产生快速径流和塌陷的有利条件。

(2) 砂土液化问题也是地震过程中内外动力耦合作用的重要表现形式, 在岷江高漫滩和一级阶地都曾见到砂土液化现象^[13]。

1.5 地质灾害链的形成是内外动力耦合作用的全面体现

地质灾害链在汶川地震表现也比较突出, 地震-滑坡-堰塞-水流阻断-致灾已经成为人们熟知的地质灾害链形成演化模式。地震产生的崩塌、滑坡、碎屑流在随后的暴雨作用下, 进一步产生泥石流, 加剧了灾害程度。如银厂沟滑坡-碎屑流转化为泥石流, 掩埋高度接近2层楼房; 北川县城震后废墟, 遭受泥石流而雪上加霜; 文家沟碎屑流、牛圈沟碎屑流在震后并未抵达出山口, 而后期的暴雨导致泥石流冲出山口, 加剧了灾害程度。特别是清平乡泥石流冲至街道, 沿街区倾泻, 局部厚度超过2层楼的高度, 实属罕见(图 5)。

从长远的地质历史进程来考察, 地质灾害链的形成过程实际上是周而复始的。上次地质灾害的结束, 往往是下一次的开始。西藏易贡滑坡就是典型的例子^[14]。

2 典型实例分析 2.1 谢家店子滑坡

谢家店子滑坡-碎屑流位于彭州市龙门山镇九峰村, 白水河右岸, 属于典型的地震滑坡-碎屑流, 5.12地震期间, 摧毁20余户房屋, 导致63人死亡。其发育特征和形成发展过程较充分地体现了内外动力耦合作用机制。

谢家店子滑坡-碎屑流在平面上呈长条状, 总体围限于白水河右岸的沟谷地貌中。由于龙门山中央断裂带从沟谷上游(沟头)斜坡通过, 在地震作用下首先产生冲击抛射滑坡, 然后顺沟谷倾泻而下, 沿途铲刮沟谷斜坡碎屑物质, 最终在沟口谢家店子堆积, 掩埋房屋并造成人员伤亡。构成滑坡-碎屑流的块石岩性主要包括彭灌杂岩体的花岗岩、辉长岩、花岗闪长岩和上三叠统须家河组的砂岩、泥岩、炭质页岩等, 块石粒度在纵向上有从上往下依次变小的趋势。总体上, 该滑坡-碎屑流大致可以分为5段:①快速崩滑段、②重力加速段、③快速气垫飞行-撞击段、④铲刮减速碎屑流段、⑤堆积掩埋段(图 6, 图 7)。

(1) 快速崩滑段  远程滑坡的起滑点源于地震断裂带, 滑动运移方向与断裂上盘的运动方向一致, 断裂带从源区滑坡平台的后缘通过。地震冲击滑坡主要发育在彭灌杂岩中, 滑坡后壁走向总体60°, 横向上呈缓波状, 滑坡壁倾角40°, 高度150m。滑体被冲击抛出后, 露出新鲜岩面, 根据滑体西侧残留斜坡风化带厚度判定, 被冲出的滑坡体厚度大于20m, 大致与中等风化带厚度相当。在地震冲击滑坡底部形成起伏缓倾的平台, 宽约78m。

(2) 重力加速段  在上述滑坡平台以下, 在沟道中部尚残留由上三叠统须家河组的砂岩、泥岩、炭质页岩等构成脊状坡体, 反映谢家店子沟上游在震前由两条支沟构成。支沟坡降达24°, 相对高差达190m, 为滑坡-碎屑流物质重力加速提供了有利条件。该段堆积物以大块石-巨石为主, 最大可达2.0m, 一般0.5~1.0m。

(3) 快速气垫飞行-撞击段  上游两支沟在该段合二为一, 沟谷相对狭窄、顺直, 为气垫效应和快速飞行创造了条件。野外可以观察到沟谷斜坡上部被气浪扫过、铲削现象明显。在该段的前部(③段和④段之间)根据沟谷底部出露的基岩判断, 原地貌为一宽度仅20m的峡口, 总体上表现为由须家河组砂岩构成的走向与沟谷近于垂直的脊状横梁, 其大大提高了上游气流圈闭效果。上游快速飞行的碎屑物质在此处撞击横梁后腾空而起, 形成当地百姓所谓的“爆炸”景象。

(4) 铲刮减速碎屑流段  尽管须家河组砂岩相对坚硬, 但由于岩体节理发育、风化较严重, 在猛烈的撞击下发生溃决, 在两侧斜坡顶部形成明显的气浪冲击和碎屑流翻越的痕迹, 并在北东侧边坡产生撞击折返迹象, 造成快速飞行的碎屑物质减速。

(5) 堆积掩埋段  碎屑物质在该段减速, 在出山口形成堆积, 堆积体一脉迁就地势呈南东向脊状形态在山前堆积; 另一脉从出沟口直冲入谢家店子居民区, 导致房屋毁坏和人员伤亡。

谢家店子快速远程滑坡-碎屑流揭示出:①灾情与气浪作用有很大的关系, 高速远程滑坡的致灾后果决定于启动方式、飞行路径和堆积特征3个方面。②根据现场调查, 地形放大效应属于宏观效应, 在远离地震断裂带的区域是适宜的。在断裂带直接影响范围内, 放大效应不明显, 这主要由断裂带的作用方式决定。如谢家店子滑坡上部并未滑动脱离斜坡母体, 主要是紧靠断裂带附近的岩土体发生崩滑(被冲击飞出), 当然这与断裂带风化程度高、岩体破碎程度高也有很大的关系。③在碎屑流快速飞行过程中, 所谓的撞击, 实际上是携带大量碎石的气浪在受到拐弯处斜坡的阻挡后的偏折, 相应地造成斜坡表面气浪铲刮和扫荡, 其特征是坡下并未留下大量的堆积物, 因此并非实际意义的碎屑体撞击斜坡岩壁, 这是气浪铲刮和撞击之间的区别。

2.2 莲花心-牛圈沟滑坡-碎屑流

莲花心-牛圈沟滑坡-碎屑流所在区域被认为是汶川地震的宏观震中。野外调查表明, 其发育特征和形成过程与谢家店子滑坡-碎屑流极为相似。莲花心-牛圈沟滑坡-碎屑流在平面上呈典型的“壁虎”形, 可以形象地反映活动断裂、地震冲击、加速飞行、撞击腾空、撞击折返减速堆积的特征及其形成过程(图 8)。

头部为地震沿断层的冲击滑坡; 前腿形成的直线为活动断裂经过区, 发育于彭灌杂岩中; 身子是沿莲花心沟产生气垫快速飞行的路径; 后腿为前缘悬沟处的须家河组砂岩横梁, 快速飞行的碎屑流撞击横梁后腾空而起(这也是有人所谓爆炸的真实原因); 翻越横梁后进入牛圈沟, 在对岸产生撞击, 斜坡下留下了相当量的堆积物, 其它碎屑物继续沿牛圈沟向下运移, 形成尾巴。由于速度大大减慢、不断堆积, 使得牛圈沟比莲花心沟底部堆积物厚。尽管这样, 碎屑流在牛圈沟运移过程中, 由于河谷曲折, 出现若干个撞击折返区, 有的学者形象地将其描述为多个冲程^[11]。在2008年9月24日暴雨期间, 碎屑流进一步演化为泥石流, 向前冲至岷江, 阻断白花乡交通要道。

3 结语

外动力地质作用与区域性滑坡的关系一直是地质灾害研究的热点, 内动力地质作用对斜坡形成演化和变形破坏的影响和作用近年来也受到了广泛关注。但是, 内外动力耦合作用对重大地质灾害成因的影响研究相对较少, 仅有的少量研究成果也多以定性描述为主, 定量研究少, 其主要原因在于缺乏科学数据的支撑。汶川地震诱发的大量地震滑坡和地表变形给人们认识内外动力耦合作用机制提供了难得的机会。本文根据野外调查资料, 对汶川地震地质灾害形成中的内外动力耦合作用的主要表现形式进行了初步归纳和总结, 对今后进一步研究内外动力耦合作用机理和内外动力耦合作用的力学模型提供了基本素材。汶川地震地质灾害造成的灾难也警示我们, 在建设场地选址以及建筑设计时, 必须充分考虑内外动力耦合作用的巨大灾害效应。

由于时间仓促, 对某些问题的认识还不太成熟, 有待进一步推敲和验证。

致谢: 本文撰写过程中得到殷跃平研究员、吴树仁研究员的指导, 参加野外地质调查工作的人员还有:张春山研究员、杨为民研究员、王涛博士、辛鹏硕士等, 在此一并深表谢意。