北京大西沟北沟泥石流堆积物特征

杨麒麟，高甲荣，胡封兵，刘 瑛，张金瑞

（北京林业大学教育部水土保持与荒漠化防治重点实验室，北京 100083）

0 引言

泥石流堆积物是泥石流快速侵蚀、搬运的产物，包含着大量泥石流形成、运动和堆积过程的信息［1］，是泥石流发育历史及其特性的物质记录。泥石流堆积物的粒度组成是泥石流的重要结构特征之一，其充分反映搬运介质和运动方式的特点。通过研究泥石流的粒度组成，可以了解泥石流的形成机理与动力学、运动学特征。常用的粒度参数有粒度平均值、标准差、偏度、峰态和粒度众数值等，从不同的角度说明了泥石流堆积物的粒度分布。因此，对泥石流堆积物粒度特征的研究一直是泥石流研究的一个重要内容［2］。

在吸收了前人研究成果的基础上，结合对北京市密云县大西沟北沟自然地理状况和泥石流堆积物的调查，深入地分析了该沟的堆积物特征和堆积物地貌演变过程，期望丰富北京山区泥石流研究理论，为北京山区泥石流防治提供依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

大西沟北沟位于北京市密云县冯家峪镇西白莲峪村上游，泥石流堆积物位置位于西白莲峪主沟道与大西北沟交叉点，N 40°41′19.7″，E 116°50′58.8″。流域面积为0.012km2，平均坡度为34.85°。流域上游岩石陡峭，具有明显的崩塌滑坡痕迹。沟谷呈U形。山顶植被较少，沟谷植被较多，多为次生林。沟道内固体物质以砾石为多，碎屑物质较少。流域出口处有砾石崩塌堆积物，呈圆锥状。

流域所处区域，主要为太古界时期形成，位于张家坟群向北突出的弧行部分。岩石以片麻岩、片岩为主，分布含较多的石英岩、大理岩的浅变质岩石。地层的成层性较好，延伸稳定，混合岩化作用较好，属于浅、中深区域变质。其大型构造为短轴背斜。岩性以黑云母石英片岩、黑云母角闪斜长片麻岩、花岗片麻岩类石英岩为主。该流域地质构造主要位于新华夏构造断裂带第二沉降褶皱带的石城断裂带。走向北20°东，倾向东，倾角6°。新华夏构造断裂表现清冽，属于现代活山性断裂。此断块相对于密云水库，处于上升区。流域位于暖温带半干旱、半湿润东南季风气候区，年平均气温10.9℃。降水集中，夏季降水最多，占今年降水量的76.4％，尤其是7、8月年平均降雨量为650mm［3］。年平均气温为10.8℃，年平均地温为13℃。地面极端最高温度67.5℃。最低地温均值为-7℃。冻融作用和风化作用强烈，岩石破碎。流域植被属针阔混交森林植被带，主要分布天然次生林，植被覆盖率较高。

实地查考，该流域残存有大量沟坝地。人们过度垦荒和放牧，破坏了流域内植被。在外来干扰的作用下，生态系统迅速恶化，水土流失严重，增大了泥石流发生的可能性。目前，该流域人口全部搬迁，但是作为一处新的旅游景点正在规划和建设中。

1.2 研究方法

采用野外调查和室内实验结合的方法对大西沟北沟泥石流的堆积物特点进行研究，具体如下：

（1）地貌特征：采用野外量测与填图的方法，主要调查堆积扇的部位及其地形、沟道比降与宽度，堆积物外部形态等。

（2）结构组成：主要有颗粒级配、岩性组成、砾石排列与分选性、堆积物的结构与构造特征，以及粒态擦痕、砾石包裹情况，大漂砾粒径、堆积位置与排列等颗粒特征。

选定泥石流堆积区典型部位，通过挖圆形深坑，去除全部颗粒。将颗粒直径大于10mm的大颗粒筛出，称重。将剩余颗粒1kg左右带回实验室分析。砾石的调查通过在沟道内随机选取一定数量的砾石进行长度和倾向调查。以上参数通过现场观测、测量取得。

粒度参数是代表沉积物的搬运介质方式和沉积环境的重要指标［4］，本文所采用参数有平均粒径（Mz），分选系数（σ），偏度（SK1）和峰态（KG）。

粒级采用克鲁宾的分析方法，其转换公式为：Φ=-log2D，其中D表示颗粒的直径；平均粒径比中值能更正确地反映碎屑颗粒的集中趋势，按福克和沃德的平均粒径的表达式：MZ=（Φ16+Φ50+Φ84）/3；采用由福克和沃德提出的标准偏差公式：σ=（Φ84-Φ16）/4+（Φ95-Φ5）/6.6表示分选程度的参数，它表示颗粒大小的均匀程度；采用由福克和沃德提出的偏度公式：SK1=（Φ16+Φ84-2Φ50）/2（Φ84-Φ16）+（Φ5+Φ95-2Φ50）/2（Φ95-Φ5）辨别粒度分布的不对称程度；峰度是用来衡量粒度频率曲线尖锐程度的，也就是度量粒皮分布的中部与两尾端的展形之比，采用福克和沃德提出的峰度公式：KG=（Φ95-Φ5）/2.44（Φ75- Φ25）［5］。

2 结果与分析

2.1 堆积物地貌特征形态

泥石流（特别是粘性泥石流）形成的独特的扇形地貌，引起了广大泥石流研究者和地貌工作者的浓厚兴趣。大量野外考察和实地勘测形成了目前泥石流堆积扇立体形态较为统一的定性描述：横剖面为上凸形，纵剖面多为上凸形［6］；大西沟北沟堆积物呈舌状。舌状堆积物形态分两部分，具有明显不同特征。第一部分位于舌状前端，前缘高4m，弧长25m，坡度为5°。堆积物含有较多粘性颗粒和直径较大的石块。堆积物上部有较为良好的灌木林。第二部分位于堆积物上部和沟道相结合处。该部分呈隆状，为明显的崩塌堆积。长15m，前缘宽11.2m，坡度为11°。堆积物由大多直径较大的石块组成，粘性颗粒较少，长有稀少的草本植物。顶部堆积物成圆锥体，锥顶8m，锥底11m。

2.2 堆积物组成性质

大西沟北沟堆积物从砾石堆积形状上可以分为两个部分。

堆积物上部分，坡度为11°，成圆锥体，堆积物主要由砾石组成，粘粒物质很少。砾石平均粒径为0.8m，最大粒径为1.02m，最小粒径为0.42m，其中80％的砾石粒径大于0.6m。磨圆度在0-1之间。砾石的排列大致呈定向排列，倾向多在320°～340°。砾石粒径自上到下逐渐增大堆积体。从地貌和周围环境上看，堆积物为在沟道泥石流堆积物上形成的崩塌二次堆积。该部分顶部生长有少量灌木和草本植物。

堆积物下部分，坡度为5°，堆积物由大块砾石、较多的粘粒物质组成。砾石平均粒径为0.69m，多数砾石粒径0.50～0.76m，最大粒径为0.95m，最小粒径为0.41m，自上而下逐渐减小。磨圆度在1～5之间。砾石的排列大致呈定向排列，倾向多在30°左右。该部分生长有大量的槐木次生林，树龄约为15年。堆积物下部分经过人类改造为三级梯田，现已荒废。在与堆积物上部分相接过渡处可以看出，该处为泥石流堆积物。

2.3 堆积物粒度分析

堆积物上部分粘性物质含量极少，多为砾石。因此可以判断，此处堆积为山体崩塌滑落而成。堆积物下部分粘性物质含量较多，取样粒度分析表明（图1、2）：

平均粒径（Mz）为-0.515Φ；分选系数为2.446，颗粒均匀程度较差，既分选差。这是因为在泥石流形成过程中，泥石流的固体物质起源多样［7］，有不断的其他物源加入，造成泥石流堆积物颗粒分选系数差，这也符合冲积扇颗粒物质的特点。颗粒粒径偏度为0.124，为正偏态，频率曲线为马鞍形双峰态曲线，说明沉积物以粗组分为主。峰度值为0.760，接近于正态分布值0.5。出现偏差是由于堆积过程中有不同的物源加入造成的［8］。颗粒累积曲线表明，粗组分和细组分约分别占50％。

图1 大西沟北沟泥石流堆积物颗粒分布频率曲线Fig.1 Frequency curve of granularity distribution on debris flow deposits in Paxigou Northgully

图2 大西沟北沟泥石流堆积物颗粒分布频率累计曲线Fig.2 Frequency add up curve of granularity distribution on debris flow deposits in Daxigou Northgully

2.4 泥石流堆积扇演变过程

第一次为一般性粘性泥石流，形成堆积物基部。大西沟北沟泥石流由暴雨引发，其发生时，强烈侵蚀河床和沟谷，造成沟谷两岸岩石滑坡，崩塌，为堆积物的形成提供了大量的砾石，在流域出口处堆积。在堆积过程中，泥石流与西白莲峪主沟洪峰相遇，受主沟水流作用，泥石流流向发生改变。堆积体的堆积方向大致和西白莲峪主沟水流流向一致，其轴线偏向下游。这点从实际勘察堆积物形态中可以明显地看出。

第二次为山体崩塌性堆积，形成堆积物上部圆锥堆积体。大西沟北沟山体崩塌由地震引起，北京市地处燕山地震带与华北平原中部地震带的交汇处，又紧邻汾渭地震带和郯庐深大断裂地震带，是个多震区，历史上曾遭受过多次强烈地震的破坏和影响。崩塌物在沟道内向下游滚动，到达第一次泥石流堆积物顶端时，发生堆积。随着砾石不断的聚集，形成圆锥形堆积物。由于崩塌堆积物未到达西白莲峪主沟，故堆积方向未发生改变，与大西沟主沟方向一致。

泥石流堆积后阻塞河道，引起西白莲峪主沟沟道改变。西白莲峪主沟和堆积物所在大西沟北沟水流改变堆积物地地貌。大西沟北沟沟道内的季节性流水或山洪，以及西白莲峪主沟的常年性流水，或山洪不断的以潜流、漫流从内部或外部对堆积物进行侵蚀，从而改变堆积体内部结构，改变堆积体的表面形态。

3 结论与建议

（1）泥石流堆积物于与西白莲峪主沟交汇处，而且在堆积过程中受西白莲峪主沟水流的作用，堆积方向发生偏向于西白莲峪主沟下游。通过调查得知堆积物是由两次灾害共同作用形成，第一次为粘性泥石流沉积作用，第二次为山体崩塌。

（2）大西沟北沟泥石流堆积物中的砾石构成了堆积物骨架，期间有土壤碎屑物质填充或者无土壤碎屑物质填充。搬运的砾石多为大颗粒，磨圆度较大，说明泥石流搬运过程中，强大的磨蚀和搬运作用是造成砾石磨圆的主要原因。由于崩塌而产生的堆积物砾石磨圆度在0～1之间，说明崩塌堆积过程中对砾石磨圆的作用小于泥石流过程中对砾石磨圆的作用。

（3）堆积物所处沟道纵比降大，坡面平均坡度为34.85°，碎屑物质多，易发生地质灾害。再者，在泥石流、山洪等可能诱发山体崩塌。因此，应进行沟道综合治理工程，以降低沟道的纵比降，抬高侵蚀基准，防治泥石流的发生以及现存堆积物的复活，以及其它的次生灾害。

［1］熊黑钢，崔之久.论泥石流沉积与环境［J］.山地研究，1991，9（1）：7-13.

［2］卫宏，靳晓光，王卫，等.泥石流堆积物的结构维数及其地质意义［J］.中国地质灾害与防治学报，2000，11（3）：45-49.

［3］吴正华.北京泥石流灾害及其降水触发条件［J］.水土保持研究，2001，8（1）：68-72.

［4］成都地质学院陕北队.沉积岩（物）粒度分析及其应用［M］.地质出版社，1978：44-53.

［5］Folk，R.L.and Ward，W.C.1957，Brazos River bar.A study in the signification of grain size parameuters，J.Sedim Petro，27：3-27.

［6］刘希林，唐川.泥石流危险性评价［M］.北京：科学出版社.1995：41-43.

［7］费祥俊，舒安平.泥石流运动机理与灾害防治［M］.北京.清华大学出版社.2004，15-19，35-39.

［8］费祥俊.中国泥石流［M］.北京：中国科学出版社，2004，11-12.