甘肃天水黄土梁峁区强震诱发滑坡特征研究*

张　帅　孙　萍　邵铁全　石菊松　孟　静　胡秋韵　王　涛

(①中国地质科学院地质力学研究所　北京　100081)

(②国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室　北京　100081)

(③长安大学　西安　710054)

(④中国地质调查局　北京　100037)



甘肃天水黄土梁峁区强震诱发滑坡特征研究*

张帅①②孙萍①②邵铁全③石菊松④孟静①②胡秋韵④王涛①②

(①中国地质科学院地质力学研究所北京100081)

(②国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室北京100081)

(③长安大学西安710054)

(④中国地质调查局北京100037)

我国黄土梁峁区历史强震频发，地震触发的滑坡等地质灾害是导致震后大量人员伤亡和财产损失的主要因素。1718年甘肃通渭7.5级地震在极震区附近诱发了300多处大规模滑坡，其中在甘谷县磐安镇(原永宁镇)地震使得“北山南移，覆压永宁全镇”，导致3万余人伤亡。以往的研究认为，该类地震滑坡是黄土沿古地形面的滑动，属于黄土滑坡。通过详细野外地质灾害调查，对通渭地震诱发滑坡的分布特征、灾害类型和失稳模式进行了研究；以研究区最大的滑坡——尉家湾巨型地震滑坡为典型案例，结合工程地质钻探，对该滑坡的深部结构特征进行了分析，并对其力学机制进行了探讨。研究发现，该类滑坡的滑动面主要位于下伏新近纪泥岩中，且深度大，属于一类典型的黄土-泥岩复合滑坡；这一新成果和发现能够更好地解译历史文献记载当时的地震滑坡现象。同时，新的成果和认识可以为我国西北黄土梁峁区河谷两岸具有类似地质地貌条件的城镇在强震作用下的地震滑坡早期识别提供参考和启示。

黄土梁峁区地震滑坡失稳模式力学机制

0　引　言

在山区，一次大的地震往往会诱发大量的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，很多学者通过实例研究分析认为，地震触发地质灾害造成的人员伤亡和财产损失甚至会远远超过地震本身。近年来，地震诱发滑坡一直是国内外研究的焦点。美国联邦地质调查局Keefer(1984)通过统计分析多起地震诱发滑坡案例，对地震滑坡进行较为系统的研究；Harp(2002)研究了地震动放大效应对地震诱发滑坡的影响；Sassa(2004)对地震诱发滑坡的机理开展了大量研究工作，认为地震过程中在滑坡滑面附近产生的振动液化是诱发滑坡的重要因素。2008年汶川地震发生后，国内越来越多的学者如Huang et al.(2009)、Yin et al.(2009)、Wang et al.(2009)、Sun et al.(2011，2012)等在地震触发滑坡方面开展了大量有意义的研究工作并取得了可喜的成果。我国黄土梁峁区由于受到地形地貌条件、地震烈度、断裂构造、基底岩层结构及其上覆黄土厚度等因素影响，地震诱发滑坡在空间上分布不均，多表现为片状、带状和线状展布，且在不同区域其分布特征有差异性(陈永明等，2005)。调查表明，在我国甘肃天水黄土梁峁区，主要表现为“下伏泥岩+上覆黄土”的二元地层结构，受历史强震影响，地震滑坡密集发育，大型滑坡主要分布在河流侵蚀岸和沟谷两侧。1718年6月19日甘肃通渭发生7.5级强震，此次地震在极震区甘谷和通渭一带触发了300多处大规模滑坡，其中甘谷县磐安镇(原永宁镇)北山南移，压埋永宁全镇，致使3万余人丧生(刘百篪等，1984; 陈永明等，2005；吴伟江等，2005；刘峰等，2009)；1920年12月16日，宁夏海原8.5级地震触发657处大型滑坡造成大量人员伤亡，其中仅隆德县面积滩一处滑坡就压埋600余人等等。由此可见，地震触发的地质灾害是震后导致群死群伤事件的重要因素，如何有效避免此类事件重复发生，最大程度地降低人员伤亡和财产损失，是我国地质灾害防灾减灾面临的重大难题。当前，在对已有典型地震地质灾害分布规律和特征等进行研究的基础上对其成灾模式和致灾机理进行分析，并以此对类似区域未来可能造成的隐患进行评估，是解决上述难题的有效途径之一。

贺兰—川滇南北活动构造带是中国地震滑坡灾害主要分布区之一，总延伸长度1600km，该带地震次数多且强度大，是中国现今构造活动最为强烈的地区和崩滑流地质灾害高易发区，也是历史灾难性地震滑坡的频发地区。其中，天水地区位于昆仑—秦岭巨型纬向构造带和南北地震带交汇处，历史上曾发生过多次强震，如143年甘谷西7级地震、734年天水7级地震、1654年天水南8级地震和1718年通渭7.5级地震等。迄今，大多历史地震地质灾害轮廓依然比较清晰，为探索地震地质灾害成因规律及致灾机理的研究提供了得天独厚的条件，是研究地震地质灾害的天然试验场。

鉴于此，本文在对1718年通渭地震极震区甘谷县磐安镇地震触发滑坡灾害进行详细调查的基础上，对其分布规律、灾害类型和失稳模式进行了深入探讨；同时，选取研究区内最大的地震诱发滑坡——尉家湾巨型滑坡为典型案例，对其几何特征、深部结构、滑面位置和成因机制进行了剖析，得出了一些新的发现或启示，以期为我国黄土梁峁区地震地质灾害早期识别和减灾防灾提供科学依据。

1　研究区地震滑坡基本特征

1.1研究区概况

研究区位于震中向南约30km，调查面积为460km2(图1)，区内近东西向的渭河将研究区分为北部和南部两部分。除了南部一小部分属于秦岭基岩山区外，研究区基本属于典型的黄土梁峁地貌，以新近纪红色泥岩为基底，其上披覆以马兰黄土为主的中更新世以来的黄土，山顶多浑圆、平缓，山梁呈垅岗状、长条状展布。区内剥蚀、侵蚀作用强烈，沟谷下切，冲沟发育，冲沟两侧多出露红色新近纪泥岩。研究区内南部出露西秦岭北缘断裂带的一小段，文献表明，该活动断裂的中段和政—天水段为1718年通渭地震的发震断裂(刘峰等，2009)。

图1　研究区周边地形地貌及地震构造示意图Fig.1　Topography and seismotectonics near the study area

1.2滑坡基本特征

通过野外地质灾害详细调查结合1：5万地形图及1：1万无人机航拍图片解译，在研究区内识别滑坡总计91处(图2)。其中，1718年通渭地震触发的规模较大的滑坡68处，后期降雨或其他因素导致的小规模滑坡和黄土泥流23处。笔者通过对滑坡滑体结构特征的野外识别和对比分析，结合历史文献记载与现场钻探资料分析，认为下伏泥岩参与滑动、滑坡后壁陡峭的大型滑坡为地震诱发滑坡。

野外调查表明，本区域发育各类规模不等的滑坡，其中以大中型滑坡最为发育(表1)。研究区内地质灾害分布特征明显受地形地貌控制，渭河北岸主要为黄土梁峁区，南岸则接近基岩山区。因此，大中型滑坡主要发育在渭河北岸北坡山前地带和渭河支流或冲沟两岸，其中，渭河支流贾家沟流域、丁家沟流域和马家沟流域滑坡发育最为密集，具有成群成带发育特征；若遇极端降雨天气，整个沟谷则容易形成泥石流沟，对沟口民居造成严重威胁。渭河南岸山体滑坡则相对较少，以崩塌和泥石流为主，危害性较小。

图2　研究区滑坡分布图Fig.2　Distribution map of landslides in the study area

表1　调查区滑坡规模列表

Table 1　Landslides classification based on size

滑坡规模个数所占百分比/%巨型滑坡(>100×106m3)44.4特大型滑坡(>10.0×106m3)1213.2大型滑坡(1.0～10.0×106m3)2931.8中型滑坡(0.1～1.0×106m3) 2325.3小型滑坡(<0.1×106m3)2325.3

2　研究区易滑地层及斜坡失稳模式

2.1易滑地层

研究区内滑坡主要包括浅表层小规模黄土滑坡(泥流)和深部大中型滑坡两大类。对于浅表层黄土滑坡，滑动面主要为黄土自身的节理面以及黄土与泥岩的接触层面(图3)。其中，节理面主要为黄土的垂直节理和卸荷节理，滑面上可见黑色有机质薄膜和定向擦痕，有明显滑动痕迹。

图3　浅表层滑坡易滑地层Fig.3　Failure surface in the shallow landslide

图4　大型滑坡易滑地层(深度：90～95m)Fig.4　Failure surface in the large-scaled landslide

对于大中型黄土和泥岩复合型滑坡，地震作用下往往有多级滑动，可以是沿着黄土和下伏新近纪泥岩不整合接触面的滑动，也可以是沿着泥岩自身水平层面的滑动。

通过对研究区内典型滑坡进行工程地质钻探研究表明，研究区内易滑地层主要为棕红色新近纪甘肃群泥岩(NG)，泥岩产状近似水平，属于本区内易滑地层(图4)，在临空和震动条件下通常会促成滑坡的发生。

2.2滑坡主要类型和失稳模式

根据研究区滑坡滑动面的发育状况，可将滑坡细分为黄土层内滑坡(泥流)、黄土-泥岩接触面滑坡、黄土-泥岩复合滑坡以及堆积体滑坡(局部复活)4大类。滑坡的失稳模式示意图(图5)。

由图5可以看出，地震作用下，黄土-泥岩复合滑坡一般沿着破裂面①启动，即沿着高陡侵蚀岸坡坡脚泥岩界面滑动，受滑坡发生的具体部位与原始地形影响，这种滑坡一般规模较大，易形成巨型、特大型滑坡，坡体上次级滑坡和冲沟发育，冲沟部位往往会出露下伏新近纪红棕色泥岩，如渭河北坡的桃家洼滑坡(图6)、尉家湾—李家坪滑坡以及蔡家来—新庄上滑坡等等。

图5　研究区滑坡失稳模式示意图Fig.5　Failure mode for landslides in the study area

图6　桃家洼滑坡全貌(镜向10°)Fig.6　Overview of the huge Taojiawa landslide

黄土-泥岩接触面滑坡是研究区内发育较多的滑坡类型，一般沿着破裂面②启动，由于本区域为典型的黄土梁峁地貌，风成马兰黄土多以披覆的形式沉积在由新近纪泥岩组成的高低起伏的古地形之上，加之上部黄土强度差，节理裂隙发育，渗透性强，从而导致上部黄土沿强度高的基岩面在雨季或丰水年产生缓慢蠕滑，该类滑坡一般多发育为大中型滑坡，如包家山滑坡等(图7)。

黄土层内滑坡(泥流)主要在磐安镇北坡丁家沟、马家沟两岸以及支沟大型滑坡的陡坎部位发育，这些部位一般具有一定厚度的黄土堆积，滑体由不同时代的黄土及黄土状土构成。主滑面发育在相对均匀的黄土层内，即沿图5破裂面③滑动，滑面近似圆弧形，后缘受垂直节理控制，较陡直、光滑，圈椅状特征明显。该类滑坡单体规模虽小，然而在降雨等因素下发生频繁，且成群成带发育，当滑坡前缘地形开阔临空时，其滑动距离一般较远，往往会为冲沟泥石流的形成提供大量物源，对沟口村庄危害较大，难以预报。如西庄滑坡群(图8)。

图7　包家山滑坡全貌(镜向125°)Fig.7　Overview of the Baojiashan landslide

图8　西庄滑坡群(镜向300°)Fig.8　Overview of the Xizhuang landslide group

图9　蔡家来滑坡局部复活Fig.9　Local deformation in Caijialai landslide

此外，研究区还有一类数量较少的堆积体滑坡，该类滑坡多为后期降雨或其他因素导致的历史滑坡局部复活，滑坡体上变形迹象明显，如咀头乡滑坡和蔡家来—新庄上滑坡(图8)。

3　典型案例研究

对于1718年地震诱发滑坡的机理，以往研究大多认为该类地震滑坡是黄土沿古地形面的滑动，属于黄土滑坡。然而，这些观点对于历史文献上记载的当时地震情况却难以解释。为了揭示该类滑坡的发生机制，本文选取研究区内最大的地震滑坡——尉家湾巨型滑坡为典型案例进行深入剖析。

3.1滑坡几何特征

尉家湾滑坡最大宽约4.5km，纵向长度约3.5km，体积约2.13×108m3，主滑方向210°，是研究区内最大的滑坡。该滑坡轮廓清晰，位于渭河北坡侵蚀岸，坡体上冲沟发育，是典型的地震诱发巨型滑坡。

尉家湾滑坡后壁宽约600m，高约40m，走向100°，坡度约65°～80°，主要由马兰黄土和新近纪泥岩组成(图10)。上部马兰黄土厚度约为10～18m，发育一组走向为170°的垂直节理，节理间距为0.5～1.0m；下部泥岩厚度约22～30m，产状近水平，整体结构较完整。

图10　尉家湾滑坡后壁(镜向50°)Fig.10　Main scarp of Weijiawan landslide

滑坡西侧壁高约20～25m，走向225°～260°，上部出露厚度约6～15m的马兰黄土，坡度60°～80°，黄土中发育走向为195°的近垂直节理，节理间距约50cm；下部10～19m土体有明显的后期滑塌现象，坡度约50°，局部出露黄土和泥岩的混杂物，底部出露新近纪红色泥岩(图11)。

图11　尉家湾滑坡西侧壁(镜向345°)Fig.11　West side of Weijiawan landslide

图13　滑坡体上发育的冲沟(镜向120°)Fig.13　Gully developed on sliding mass

滑坡东侧壁高约30～37m，走向150°～165°，坡度65°～80°，主要由马兰黄土和新近纪泥岩组成，有局部后期滑塌现象，侧壁底部出露红色泥岩。

滑坡堆积体上可见3条走向约150°～220°的深切冲沟(图13)，冲沟侧壁近似直立，下切深度约28～34m，有明显局部垮塌现象，侧壁上部出露厚度约7～10m的黄土，黄土中节理和落水洞发育；下部主要为红色泥岩，沟底出露泥岩与砂砾石互层。

图14　尉家湾滑坡平面图Fig.14　Plan map of the Weijiawan landslide

图15　尉家湾滑坡剖面图Fig.15　Cross section of the Weijiawan landslide

3.2滑坡滑动面位置和力学机理分析

图14为滑坡区工程地质图和平面图，由图可以看出，该区域主要出露4种岩性，即坚硬层状碎屑岩、软弱层状碎屑岩、双层结构风尘堆积土以及多层结构冲洪积土。尉家湾滑坡滑体主要由更新世黄土和新近纪泥岩构成，黄土以披覆的形式沉积在下伏泥岩上部。

据历史资料记载，1718年通渭地震使得“北山南移，覆压永宁全镇”，由此推测原始渭河河道应该在现今河道的北侧，位于磐安镇北坡巨型滑坡体下方，原永宁镇则应沿河分布(图15)，此种假设更能合理地解释当时地震发生时的情况。

为了揭示尉家湾滑坡滑面位置，在滑坡主滑方向210°布设了5个工程地质钻孔ZK1～ZK5，钻孔深度为90～130m，总进尺为586.6m(图14，图15)。

由图15可以看出，该滑坡滑面位置存在于深部红色新近纪泥岩地层中，有明显的3级滑面：首先，由于滑坡位于河流高陡侵蚀岸，边坡坡脚在河流长期侵蚀作用下强度会逐渐降低，从而在泥岩中产生软弱面，地震发生时，滑体首先沿着图15中滑面①启动；当滑体沿着滑面①滑动后，后部岩土体由于失去支撑作用进一步沿着斜坡方向往下滑动，即沿着滑面②、③分别滑动；最后，3级滑体作为整体一起在重力势作用下往下滑动，最终冲入渭河甚至跨过渭河，迫使原始渭河河道改道，覆压原永宁全镇。

在滑坡长距离的滑动过程中，原渭河河水参与了这一滑动过程，因此可以推测，地震发生时在岩土体中发生了“滑动面液化”这一力学过程，最终促使滑坡产生远程滑动。此观点笔者和其他一些国内外学者在之前对2008年汶川地震触发滑坡和1920年海原地震触发的高速远程滑坡的力学机制方面均有过详细的试验研究和数据分析(孙萍等，2009)，此处不再赘述。

4　结　论

(1)我国甘肃天水黄土梁峁区主要表现为“下伏泥岩+上覆黄土”的二元地层结构，受历史强震影响，地震滑坡密集发育，大中型滑坡主要发育在渭河北岸北坡山前地带和渭河支流或冲沟两岸；渭河南岸山体滑坡则相对较少，以崩塌和泥石流为主；该区滑坡根据失稳模式可分为3类，即黄土-泥岩复合滑坡、黄土、泥岩接触面滑坡以及黄土层内滑坡(泥流)。

(2)1718年通渭地震诱发滑坡分布区域河谷地貌位置较为特殊，多为大型侵蚀岸坡-高陡泥岩岸坡，以近水平状新近纪泥岩为基底，其上披覆中更新世以来的黄土，上述地质背景和坡体结构有助于地震作用下滑坡的产生。

(3)以往研究认为，研究区内地震滑坡多数是黄土沿古地形面的滑动，属于黄土滑坡；然而，通过研究发现，对于甘肃天水黄土梁峁区地震触发的大中型滑坡而言，其滑动面主要位于下伏新近纪泥岩中，且深度大，属于一类典型的黄土-泥岩复合滑坡；这一新成果和发现能够更好地解译历史文献记载的当时的地震滑坡现象。

(4)研究区内特大型、巨型滑坡多为河流侵蚀岸前缘临空高陡斜坡，斜坡岩土体卸荷、拉张裂隙发育，在地震荷载作用下，容易发生抗剪强度的突变，从而致使滑坡启动；另一方面，该类滑坡在滑动的过程中，其滑动路径上的水参与了这一过程，因此，地震作用下的“滑动面液化”也可能是导致该类滑坡发生高速远程的重要原因之一。

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EARTHQUAKE-TRIGGERED LANDSLIDES IN TIANSHUI LOESS HILLY REGION，GANSU PROVINCE，CHINA

ZHANG Shuai①②SUN Ping①②SHAO Tiequan③SHI Jusong④MENG Jing①②HU Qiuyun④WANG Tao①②

(①Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing100081)

(②Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard，Ministry of Land and Resources，Beijing100081)

(③Chang′an University，Xi′an710054)

(④China Geological Survey，Beijing100037)

Mega-earthquakes often occurred in loess hilly region of China.Earthquake-triggered landslides and other geological hazards can be the main reason for a large number of casualties and property losses.The 1718 great Tongwei earthquake in northwest China caused more than 300 large-scaled landslides near the epicenter.The effects led to the movement of the northern mountains located in the meizoseismal area of Pan’an Town(the old Yongning Town)，to the south，resulting in the total burial of Yongning town，with a historical record of over 30，000 deaths.Previous studies agree that the earthquake-induced landslides in the area are loess landslides，which slid along ancient terrain surfaces.Through detailed field investigations，the distribution features，the types of disasters and failure mode are studied.Taking the largest landslide - Weijiawan landslide as a case study and with the help of engineering geological drillings on the sliding mass，deep structure characteristics of the landslide are analyzed and the mechanics mechanism are discussed.The results indicate that the failure surface of the huge earthquake-induced landslide is located in the deep mudstone layer，which reveals that these landslides are loess - mudstone composite landslides.These new findings can help to further unravel the failure mechanisms of these earthquake-induced landslides that are recorded in several literatures.Meanwhile，the present results and conclusions can provide insights and knowledge on early recognition of earthquake-triggered landslides in northwest China towns，especially in the surrounding valley which shares similar geological conditions to the landslides studied in this paper．

Loess hilly region，Earthquake，Landslide，Failure mode，Mechanics mechanism

10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.005

2015-06-18;

2015-11-16.

国家自然科学基金项目(批准号41472296，41372374)，中国地质调查局“典型地震滑坡调查”(编号12120114035901)资助.

张帅(1988-)，男，硕士生，主要从事地质灾害方面的学习与研究.Email: 1037942483@qq.com

简介：孙萍(1978-)，女，博士，硕士生导师.主要从事地质灾害和岩土力学方面的研究工作.Email: sunpingcgs@163.com

P642.27

A