汶川地震驱动的剥蚀作用及对龙门山地貌演化的影响

高 青, 李奋生, 邵崇建

(成都理工大学 地球科学学院,成都 610059)

2008年5月12日14时28分，四川省汶川县映秀镇发生了青藏高原东缘有历史记载以来最大的地震(简称“汶川地震”)，震级为8.0级，震源深度约为14 km，最大地震烈度超过Ⅺ度，极震区呈北东向的狭长条带状，形成了长达300 km的余震带和240 km的地表破裂带[1-3]。汶川地震触发了大量的同震滑坡，其数量是人类历史记载最多的；汶川地震后强降雨驱动的震后泥石流数量也是人类历史记载最多的。

汶川地震后，众多专家学者对地震所引发的同震及震后滑坡、泥石流等的成因机制、动力学特征及分布规律进行了研究[4-13]。与此同时，地貌学家对地震导致的剥蚀作用开展了大量的调查和研究工作。前人估算了汶川地震同震滑坡产生的松散堆积物的体积(5～15 km3)[14]，而同震岩石隆升增加的山脉体积仅为(2.6±1.2) km3[15]，由此认为在同震滑坡产生的松散堆积物被快速搬运出龙门山的情况下，汶川地震实际上导致了龙门山体积的“亏损”，即汶川地震并不会造成龙门山地貌的升高，反而会导致地貌的降低[14]。这一认识在地学界引起了广泛的讨论，并开展了大量后续的调查和研究工作，获得了许多关于地貌演化方面的有意义的认识[16-25]。

本文将在分析汶川地震同震滑坡空间分布特征的基础上，结合对构造、地貌、降水等方面资料，分析汶川地震剥蚀作用对龙门山地区地貌演化的影响。

1 区域地质概况

龙门山冲断带北起广元南至天全，长约500 km，宽约30 km，处于扬子地台和松潘-甘孜褶皱带的分界线上，既是青藏高原的东界，又是四川盆地的西缘，属于松潘-甘孜造山带的前缘冲断带[26-27]。龙门山自西向东发育有茂-汶断裂(后山断裂)、北川-映秀断裂(中央断裂)和彭灌断裂(前山断裂)，通常将北川-映秀断裂以西的部分称为龙门山后山带，以东的部分称为龙门山前山带[28]。另外，根据地质、地貌的差异性，通常以都江堰和北川将龙门山划分为3段，都江堰以南为南段，都江堰与北川之间为中段，北川以北为北段[29-30]，本文的研究区为龙门山中段和北段(图1)。

2 汶川地震剥蚀作用空间分布特征

汶川地震剥蚀作用的空间分布主要体现在汶川地震同震滑坡的空间分布特征上。本次根据野外调查和遥感卫星解译，对汶川地震同震滑坡的数量、位置和密度等进行了统计，进而对汶川地震剥蚀作用的空间分布特征进行描述。

2008年汶川地震发生后，本课题组利用震后的高分辨率卫星影像，对龙门山地区同震滑坡堆积物进行了实地观测、填图，获得了同震滑坡的分布范围，并对部分同震滑坡的面积、体积等进行了测量，编制了同震滑坡密度平面分布情况(图2-A)。地震之后，地质灾害专家在对地震灾区同震滑坡体数量进行统计和遥感数据处理的基础上，对汶川地震引发的崩塌、滑坡数量进行的估算表明，汶川地震在10×104km2的范围内，触发了约3.5万处崩塌、滑坡等地质灾害，并获得了崩塌、滑坡的密度分布图[4]，也揭示在北川-映秀断裂的上盘附近发生的地质灾害的密度最大。北川-映秀断裂的上盘附近发生的崩塌、滑坡等地质灾害明显多于靠近四川盆地的断裂下盘一侧，由北川-映秀断裂向南东崩塌、滑坡数量逐渐减少(图2-A)，在距离30～40 km的地方基本无地质灾害，而向北西方向地质灾害的分布范围可超过100 km[14]。

基于同震滑坡密度数据，我们绘制了汶川地震滑坡区NW-SE方向滑坡密度剖面图(图3-A)。剖面图显示汶川地震同震滑坡主要分布于茂汶断裂和彭灌断裂之间，尤其在主干发震断裂——北川断裂附近同震滑坡密度最大。前人对滑坡面积的统计[31]也获得了类似的认识。同震滑坡的这一分布特征显示了汶川地震对剥蚀作用的控制作用，即构造(发震断裂)是控制剥蚀作用的主要因素。

3 地貌与降水特征

基于DEM数据，作者绘制了汶川地震同震滑坡区的地貌平面图(图2-A)、地形剖面图(图3-B)和地形起伏度剖面图(图3-C)。通过对研究区的地貌和降水特征进行精确刻画，进而为讨论汶川地震剥蚀作用对龙门山地貌的影响奠定基础。

研究区地貌平面图显示，汶川地震同震滑坡密度最大的区域(龙门山中段和北段)的地貌总体表现为南东高、北西低。龙门山中段最高海拔高度接近5 km，滑坡密集区的海拔高度一般在3.5 km以上；而龙门山北段海拔高度相对较低，滑坡密集区的海拔高度一般低于2 km(图2-A)。研究区NW-SE方向的地形剖面显示，整体上自四川盆地向北西平均海拔高度逐渐增大，在彭灌断裂与北段断裂之间的前山带平均海拔高度低于2 km；在北川断裂与茂汶断裂之间的后山带平均海拔高度约为3 km；在茂汶断裂以西约10～30 km的区域海拔高度达到最大值，一般均高于5 km。另外，研究区NW-SE方向的地形起伏度剖面显示，自四川盆地向北西到茂汶断裂平均起伏度具有逐渐增大的趋势，茂汶断裂以西的平均地形起伏度与龙门山后山带基本一致。

图1 龙门山地貌特征图[12]Fig.1 The map showing geomorphology of Longmenshan Mountains

图2 龙门山地区滑坡密度、数字高程与年降水量平面图Fig.2 The planimetric map showing landslide density, digital elevation and annual precipitation in the Longmenshan area位置见图1。F1.茂汶断裂；F2.北川断裂；F3.彭灌断裂。(A)滑坡空间分布图； (B)数字高程模型图； (C)降水空间分布图

图3 龙门山地区NW-SE方向同震滑坡密度、海拔高度、起伏度与年降水量剖面图Fig.3 The profile showing the landslide density, digital elevation and annual precipitation in the Longmenshan area

研究区的年降水量分布图显示，龙门山中段(都江堰至北川区域)的南东侧是该地区降水量最大的区域，年降水量可超过2 000 mm。而在龙门山中段的北西侧，年降水量急剧减小，降至600 mm，反映了受龙门山中段较高地形的影响，水汽无法到达其西侧地区。从研究区NW-SE方向年降水量剖面图也可以看出，降水量最大的区域位于龙门山前山带及前缘地区，向西则逐渐减小。

4 讨 论

通过将同震滑坡密度分布图与地貌平面图对比，发现同震滑坡与地形海拔高度并没有很好的对应关系，并非地形越高同震滑坡的密度越大。特别是龙门山北段(北川以北地区)，地形海拔高度普遍低于2 km，但是在北川断裂上盘仍发育大量的同震滑坡，产生巨量的剥蚀作用。通过将NW-SE方向同震滑坡密度剖面(图3-A)与同区域地形剖面(图3-B)对比，也表明海拔高度并非同震滑坡的主要控制因素。但是龙门山后山带较大的地形起伏度与该区域高密度的同震滑坡具有很好的对应关系，表明地形起伏度是控制同震滑坡分布的重要因素。

实质上，所谓汶川地震的剥蚀作用，只有当汶川地震同震滑坡堆积物被搬运出龙门山，才能称之为“剥蚀作用”。由于该地区滑坡堆积物的搬运主要依靠降水将其搬运至河流，然后通过河流搬运出龙门山。因此，需要对该地区的降水量进行精确刻画和分析。从降水量分布图(图2-C、图3-D)可以看出，降水量最大的区域位于龙门山前山带及前缘地区，而在滑坡量最多的龙门山后山带，其降水量则相对较小。考虑到降水的空间分布，汶川地震同震滑坡被完全剥蚀并搬出龙门山的时间可能远大于以前估算的时间，如10～30 a[21]，可能与前人对岷江流域同震滑坡岷江卸载出龙门山的时间3 100 a[32]较为接近。另外，对龙门山地区汶川地震、芦山地震同震滑坡相关剥蚀作用的研究表明，龙门山地区同震滑坡所导致的剥蚀速率与低温热年代学所获得的长周期(千年至百万年)剥蚀速率较相似(0.5～1 mm/a)[25]。因此，在汶川地震发之后至少几十年内，由于大部分同震滑坡堆积物仍保留在山脉中，龙门山的宏观地貌为受构造作用(汶川地震上冲作用)影响仍表现为地貌隆升。

另外，对于龙门山长周期的地貌演化，汶川地震驱动的剥蚀作用对地貌的影响需要考虑2个方面：一方面汶川地震同震滑坡物质被河流剥蚀卸载出龙门山，会造成龙门山地貌高程的降低；另一方面，同震滑坡物质被剥蚀卸载出龙门山的同时，会导致地壳均衡反弹，造成龙门山地貌的隆升。

对于龙门山地貌的演化，需要考虑2方面因素的影响，分别为地壳隆升幅度和该阶段的剥蚀厚度，即“地表隆升幅度=地壳隆升幅度-剥蚀厚度”[33]，当地壳隆升幅度大于剥蚀厚度时，地貌表现为隆升；反之地貌表现为降低。对于龙门山地区的地壳隆升至少需要考虑3方面因素：事件性构造运动导致的地壳隆升(如汶川地震同震隆升)；剥蚀作用导致的地壳均衡反弹；受区域应力场的影响，在两次强震之间逆断层的蠕滑将导致的龙门山基岩缓慢抬升。3方面的因素都会造成龙门山地貌的隆升，而根据上文对降水的分析，龙门山地区的强烈剥蚀作用主要集中在龙门山前山带。因此，本文认为汶川地震驱动的剥蚀作用不会造成龙门山的主体(龙门山后山带)地貌高程的降低。

5 结 论

a.构造是控制剥蚀作用的主要因素，汶川地震发震断裂的空间分布是控制汶川地震剥蚀作用空间分布的最主要因素。另外，龙门山地区的地形起伏度也是控制汶川地震剥蚀作用的因素之一。

b.由于大部分同震滑坡堆积物在短期时间内仍保留在山脉中，龙门山的宏观地貌表现为受构造作用(汶川地震上冲作用)影响的隆升。

c.在综合考虑龙门山地区地壳同震隆升、地壳均衡反弹、逆断层缓慢蠕滑以及剥蚀作用空间分布等因素的基础上，本文推断汶川地震驱动的剥蚀作用不会造成龙门山的主体(龙门山后山带)地貌高程的降低。

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