不同岩性区泥石流堆积物颗粒组成特征——以新疆塔什库尔干河中上游为例

王猛，王宁，王军，余天彬，江煜，黄细超



不同岩性区泥石流堆积物颗粒组成特征——以新疆塔什库尔干河中上游为例

王猛1，王宁2，王军1，余天彬1，江煜1，黄细超1

（1.四川省地质调查院，成都 610081；2. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059）

泥石流是南疆重要地质灾害之一。基于高分卫星影像对新疆塔什库尔干河中上游泥石流沟进行遥感解译分析，结合现场调查验证，取样分析不同岩性区泥石流堆积物颗粒组成特征。结果表明：①研究区泥石流堆积扇明显，呈多期性，半坚硬-软岩区泥石流比坚硬岩区堆积扇面积、扩散角大，堆积体粒径、堆积坡度较小；②随着泥石流堆积物岩性强度变弱，粗粒含量相对减少，泥石流堆积体整体级配较差，泥石流重度大；③坚硬岩石区（花岗岩、闪长岩），泥石流堆积物砂粒、粉粒、粘粒含量较低，堆积体不均匀系数大，泥石流冲击力大；半坚硬岩-软岩区（砂岩、泥岩、砾岩、片麻岩），泥石流堆积物砂粒、粉粒、粘粒含量较高。

泥石流；岩性；堆积物；新疆塔什库尔干

泥石流堆积物的粒度组成是泥石流的重要结构特征之一，包含大量泥石流组成运动和堆积特征的信息[1]，反映泥石流搬运介质和搬运能力；同时反映泥石流形成机理与动力学、运动学特征[2-3]。目前，对于泥石流堆积物粒度分析，主要的分析的方法有统计法和图解法[4]。

盛俭等通过粒度参数分析和结构维数计算了解泥石流堆积物分选性、粒度分布等[5]；李柏通过实验对王虎沟泥石流堆积物的粒度进行分析，采用粒度参数分析王虎沟堆积物特征，进而分析泥石流堆积物的影响提出评价[6]。不同岩性的组成、结构、构造不同，使得岩性的抗风化能力差异，从而影响泥石流堆积物的颗粒组成特征[7-8]。根据泥石流沉积物中不同粒径范围内颗粒含量计算泥石流容重，从而得出泥石流容重与粒径范围内颗粒含量的关系[9-10]。杨进兵等通过渗透试验确定泥石流堆积物细颗粒含量与渗透关系，为研究泥石流拦砂坝基底扬压力提供基础[11-12]。李泳等通过对泥石流堆积土体进行粒度分析，提出标度分布方程，通过对泥石流颗粒标度分布参数测定，为可能发生的泥石流情况评估[13]。

充分发挥遥感技术优势，解译分析新疆南疆高寒艰险地区塔什库尔干河中上游泥石流发育特征。结合调查取样和颗粒分析实验分析泥石流堆积特征，从而分析颗粒组成特征与渗透性能、容重等关系，为研究区泥石流调查评价和防治提供重要的技术支撑。

图1 研究区地势图

1 研究区泥石流发育特征

1.1 研究区概况

研究区位于新疆南疆喀什地区塔什库尔干塔吉克自治县塔什库尔干河中上游，属帕米尔高原西麓，总体地势西高东低，山脉走势呈北北西—北西向的弧状弯曲。该区海拔高度在3 000～4 500m，相对高差达1 500 m，两侧山势雄伟，地形切割强烈（图1）。

研究区的气候特征属典型的大陆性寒温带干旱季风气候，干燥寒冷，昼夜温差大（温差大于15℃）、干燥少雨，年均气温3.3℃，光照较充足，年平均降雨量约68mm；该区岩石风化严重，由于植被较少，山体裸露，其蒸发量大于1 500mm。

研究区地层主要为古元古界喀喇昆仑地层，下古生界西昆仑地层、第四系地层出露（图2）。该区岩性可分为坚硬岩石区（花岗岩、闪长岩）和半坚硬岩-软岩区（砂岩、泥岩、砾岩、片麻岩）。其中风化破碎的岩体和大量第四系松散堆积体为泥石流活动提供了丰富的物源。

图2 研究区岩性分布

1.2 研究区泥石流遥感分析

研究区地广人稀，环境条件恶劣，地面调查难度大。采用高分遥感卫星影像解译能够高效、直观的反映区内地质灾害，提高工作效率，同时区内植被覆盖低，能够更好发挥遥感技术优势。采用2017年的高分二号（分辨率1m）对研究区的泥石流进行解译分析，区内泥石流特征明显，堆积扇完整，以半坚硬岩-软岩区岩为主的宽谷区，泥石流堆积扇较平缓、扩散角大、纹理细腻（图3a）；以坚硬岩为主的峡谷区泥石流堆积扇坡度较大、挤压河道、纹理粗糙（图3b）。

图3 泥石流堆积扇影像特征

图4 泥石流分布特征和取样点分布图

本次共解译泥石流132处（表1），其中大型、中型和小型分别为46处、41处和45处。

岩性条件和地形条件对泥石流的堆积特征具有重要的影响，区内主要为半坚硬-软岩和坚硬岩岩组两大类，分布的泥石流分别为86处和46处（图4）。

表1 不同岩性区泥石流数量与规模关系

研究区气候干燥寒冷，昼夜温差大，岩体风化严重，斜坡风化深度大于2m。虽然降雨量少，但泥石流活动强烈，地表侵蚀强烈。解译发现有88%的泥石流流域面积小于5km2，区内物源丰富，在降雨充足的情况下，极易发生泥石流（图5）。

在西南山区大多泥石流沟的纵比降均大于150‰，而在本次研究区泥石流沟纵比降分布范围较宽，主要分布在95‰～650‰间，发生泥石流的最小纵比降要比西南山区小。其中宽谷区泥石流主沟比降较小，集中在100‰～400‰间；峡谷区较大，集中在400‰～600‰间（图6）。

图5 泥石流流域面积统计图

图6 泥石流纵比降统计图

2 现场采样及实验分析

通过遥感解译发现，不同岩性区泥石流堆积扇特征差异明显，岩性条件和地形条件相互影响了区内侵蚀作用，也控制了泥石流的运动堆积特征。结合现场调查，对不同岩性泥石流堆积物进行了取样分析。

表2 泥石流基本信息

2.1 样品采集

选取研究区不同岩性泥石流沟，研究不同岩性对泥石流堆积物颗粒特征的影响。在典型泥石流堆积扇中部位置取样，共采集6组泥石流堆积物样品（图4、表2）。

据现场调查，研究区泥石流沿河流呈带状分布，泥石流堆积扇明显，可分辨多期泥石流活动。泥石流物源丰富，主要以坡面侵蚀物源、沟道堆积体物源和崩塌堆积体物源为主。在坚硬岩石区，泥石流堆积扇面积、扩散角和流域面积整体上均小于半坚硬岩-软岩区，而颗粒粒径和堆积扇坡度均大于半坚硬-软岩区；坚硬岩区地貌多为峡谷地貌，沟道以“V”型为主，沟道比降大，泥石流堆积扇挤压河道（图7）；半坚硬岩-软岩区泥石流堆积物细颗粒含量更多，泥石流沟道多呈“U”字型（图8）。

2.2 实验分析

表3 泥石流堆积物颗粒分析结果

按照土工试验规程[14]，对采集的泥石流堆积物样品进行颗粒分析实验。对0.075mm以上颗粒按照土工规程采用60mm、40mm、20mm、10mm、5mm、2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.075mm圆孔筛进行筛析。小于0.075 mm采用密度计法进行颗粒分析（表3）。

3 不同岩性区泥石流堆积特征分析

通过泥石流堆积物颗粒分析实验得到泥石流粒度特征曲线，通过曲线不同形态反映泥石流的颗粒组成。分别建立泥石流堆积物颗粒累计曲线、频率曲线。

3.1 泥石流堆积物颗粒累计曲线

由颗粒分析实验得出各粒组含量百分比数据，即可由数据得到各泥石流样品的颗粒的累计曲线（图9）。根据累计曲线斜率大小可以反映各泥石流堆积物颗粒含量的多少。坚硬岩石区的泥石流组成以巨粒组为主；半坚硬岩-软岩区的泥石流以粗粒组为主。从曲线可以得出不同粒径范围的百分含量，对泥石流的容重研究有很大的帮助[9-10]。

图7 坚硬岩石堆积扇

图8 半坚硬岩-软岩堆积扇

图9 泥石流堆积物颗粒累计曲线

从图9泥石流堆积物颗粒累计曲线可以得出有效粒径d10、中间粒径d30、限制粒径d60,进而由不均匀系数和曲率系数得到曲线的级配特征（表4）。片麻岩地区颗粒级配最差，花岗岩、闪长岩地区颗粒级配次之，且各堆积物颗粒以粗粒为主，整体级配均较差。

3.2 泥石流堆积物颗粒组成频率曲线

频率曲线可以直观的反映沉积物级配多寡、频率大小，泥石流堆积体颗粒组成。可以看出颗粒粒组含量大多在-7φ与-2φ附近。

表4 泥石流堆积物颗粒级配特征

从图10中多峰可以看出泥石流堆积物分选性差[11]。随着颗粒粒径由大变小，可以看出颗粒质量的变化趋势为减小-增大-减小的趋势。各泥石流颗粒质量比峰值落在-7φ，岩性越强的颗粒质量越早出现峰值。在岩性较强的地区，应加强预防泥石流冲击力的影响。

3.3 泥石流堆积物组成含量对比

由颗粒分析实验可知，泥石流堆积物中大于2mm的粗粒含量均大于细粒含量，颗粒含量见图11，可以清晰看出各颗粒组含量多少。

坚硬岩石区粘粒、粉粒和砂粒含量均小于半坚硬岩-软岩区。由于不同岩性的抗风化能力强弱受其组成的矿物成分，结构和构造的影响，从而导致风化后颗粒粒径的差异。闪长岩、花岗岩属于坚硬岩石，抗风化能力强，结构致密，风化后颗粒以粗颗粒为主；片麻岩抗风化能力较弱，结构破碎疏松，风化后形成的细颗粒较多。

图10 泥石流堆积物粒度频率曲线

图11 泥石流堆积物不同粒径含量

4 结论

1）研究区内泥石流暴发频率随着岩性坚硬程度改变。半坚硬岩-软岩区泥石流暴发频率大于坚硬岩石区，且泥石流堆积扇更加明显，堆积扇面积、扩散角较大，堆积体粒径、堆积坡度较小。

2）新疆塔什库尔干河中上游泥石流堆积物粒度组成大 于2 mm粗粒含量均大于细粒含量。不同岩性区泥石流堆积物颗粒组成存在差异，随着泥石流堆积物岩性强度变弱，粗粒含量相对减少。泥石流样品Cc、Cu测试结果表明：泥石流堆积体整体级配均较差，泥石流重度大的特点。

3）由于不同岩性的抗风化能力强弱不同，坚硬岩石区（花岗岩、闪长岩），堆积物颗粒中砂粒、粉粒、粘粒含量较低；半坚硬岩-软岩区（砂岩、泥岩、砾岩、片麻岩），堆积物颗粒中砂粒、粉粒、粘粒含量较高。

4）通过对不同岩性区泥石流堆积物颗粒组成差异特征研究，为该区开展泥石流调查评价和防治提供了重要的技术支撑。

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On Particle Composition Characteristics of Debris Flow Deposits in Different Lithologic Regions——By the Example of Middle and Upper Reaches of the Taxkorgan River

WANG Meng1WANG Ning2WANG Jun1YU Tian-bin1JIANG Yu1HUANG Xi-chao1

（1-Sichuan Geological Survey, Chengdu 610081;2-State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geo-Environment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059）

Debris flow is one of the most important geohazards in southern Xinjiang. Remote sensing technology has important application value in this alpine and dangerous area. Based on high-resolution satellite images, this paper deals with the debris flow gullies in the middle and upper reaches of the Taxkorgan River in Xinjiang, analyzing characteristics of particle composition of the debris flow deposits in different lithology regions. The analyzing results show：①The debris flow deposit fan in the study area is obvious, showing multi-stage; the area and diffusion angle of the deposit fan in the semi-hard-soft rock area are larger than those in the hard rock area, and the grain size and slope of the deposit body are smaller; ②There are difference in the content of debris flow deposits in the areas of different lithology. The coarse grain content and gradation of debris flow deposits are relatively reduced and the gravity of debris flow is large with weakening of the lithology of debris flow deposits；③In hard rock（granite and diorite）area, debris flow deposits have low content of sand, silt and clay with large accumulation coefficient and the impact force of debris flow is large; Semi hard rock-soft rock（sandstone, mudstone, conglomerate, gneiss）area, debris flow deposits have higher content of sand, silt and clay.

debris flow; lithology; accumulation; particle composition

2018-09-01

中国地质调查局地质灾害详细调查项目(DD20179609)、“新疆叶城－乌恰地区综合地质调查遥感解译和危险性评价”项目支持与资助

王猛（1980-），男，硕士研究生，主要从事遥感地质及地质灾害防治技术研究.

P627

A

1006-0995（2018）04-0680-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.032