黄土地震滑坡形成机理研究的若干进展

颜灵勇，李孝波，欧阳刚垒

（1.防灾科技学院，河北 三河065201；2.河北省地震灾害防御与风险评价重点实验室，河北 三河065201）

0 引言

黄土是一种在干旱或半干旱地区形成的第四纪沉积物，多孔且垂直节理发育［1－2］。中国拥有覆盖面积广、厚度大、大面积连续和性质特殊的黄土地区，分布总面积达63.5万km2。通常将西起乌鞘岭、东至太行山、北起长城、南至秦岭的这一黄土分布最为典型的地区称为黄土高原［3］。黄土高原地处南北地震带和青藏高原东北缘地震带上，地质构造复杂，新构造活动频繁，是我国强震多发、特大地质灾害发育的主要地区之一［2，4］。早在公元前780年，黄土高原就有“泾、渭、洛三川皆震，山竭，歧山崩”的文献记载［5］。此后，1303年洪洞8.0级地震中“大德七年，地大震，郇堡山移，所过居民庐舍，皆摧压倾圮”［6］；1556年华县8■4级地震“地在皆裂，裂之大者，水火并出，怪不可状；崖陵岸谷，地埻川涸，山移崖崩，地裂水出”［7］；1654年天水南8.0级地震“山崩水壅，水聚为海、压漂居民村落，或两山拽成一处，壅河成潭，压埋村落近十里。”［8］；1695年临汾7■4级地震“有声如雷，地裂涌水，城垣、官衙、民房尽行倒塌，压死人民数万；又云系火龙作祟，地陷山崩；如此灾异，古今罕见”［8］；1718年甘肃通渭7■2级地震“公署、庙宇等俱圮，官居民舍尽覆，城乡压死人四万有奇；城北笔架山一峰崩覆，壅塞渭河；城东北隅平地裂陷，黄沙黑水涌出，南乡尤甚”［5］；1920年海原8.5级地震“夜戊刻，月微明，若火山爆发，地动山摇、崩塌，倾倒城垣、庐舍”的历史记载［9］，都体现了黄土高原地震滑坡灾害发育的特点。因此，开展黄土地震滑坡形成机理研究，对减轻黄土滑坡灾害风险、降低黄土滑坡灾害损失意义重大。

1920年海原地震发生后，国际饥饿救济协会的Close和McCormick等最早进入灾区开展地震滑坡灾害考察，并对滑坡的形态、运动特征等做了详细的描述，为后续开展黄土地震滑坡形成机理研究提供了宝贵资料［10］。国家地震局兰州地 震 研 究 所［9］、张 振 中 等［11］、Wu等［2］、张 泽林［13］、Zhuang等［14］以 及 王 兰 民［15］的 研 究 结 果表明，黄土地震滑坡的形成机理主要有液化型、剪切型以及震陷型等3种。液化型滑坡是指在斜坡体地面以下一定深度处，饱和松散黄土在强地震动的反复作用下，内部孔隙水压力迅速上升，有效应力降低、抗剪强度减小乃至丧失，导致抗滑力小于下滑力，继而沿贯通的滑动面发生大范围流动或滑移的破坏现象［16］。剪切型滑坡是指斜坡体在地震力的作用下，斜坡土体抗剪强度降低，坡体后缘及中下部发生剪切张拉破坏，形成了贯穿的弧形剪切带，继而整体向下发生滑动［13］。震陷型滑坡是指斜坡体中饱和松散黄土在强地震动反复作用下，内部网格状结构孔隙受损，变成平面接触镶嵌状孔隙，形成了特殊的滑动带，继而导致黄土沿贯穿的滑动带发生沉降、塌陷的破坏现象［11］。本文在归纳黄土地震滑坡影响因素和发育特征的基础上，总结了3种形成机理的研究进展，探讨了黄土与非黄土地震滑坡形成机理间的异同，为进一步开展黄土地震滑坡成灾机理研究奠定了基础。

1 影响因素

已有研究成果表明，地震滑坡的形成主要取决于地震强度，断裂构造、地形地貌、地层岩性、土层结构以及水文地质条件等则具有促进作用［17－19］。

1.1 地震强度

地震强度通常用来表述地震能量的大小或震害的轻重程度，用地震震级或地震烈度来衡量［16，20－21］。地震震级是对地震大小的量度；地震烈度则是指某一地区的地面和各种人工建筑物遭受一次地震影响的强弱程度，与地震地面运动在时、空、强方面的分布和延展密切相关［16，21］。地震烈度根据地震后果评定，反映了地震作用的大小，具有震害大小和地震动强弱的双重性［22］。黄土地震滑坡的发育程度不但受震级的影响，还受地震烈度的影响。陈永明等［23］对天水南、通渭、海原地震诱发147处黄土滑坡进行了现场调查，认为黄土地震滑坡的展布与震级、烈度具有密切的联系，地震震级大、烈度高，造成滑坡的分布越密集、规模越大；陈晓利等［24］认为在海原地震滑坡的地形和地质均无差别的情况下，地震强度越显著，高烈度区内滑坡发生的可能性要远高于低烈度区，其数量、规模与地震强度成正比。可以看出，地震震级和地震烈度是黄土地震滑坡形成的重要影响因素。

1.2 断裂构造

断裂构造是岩层受构造运动作用后，当所受构造运动超过岩石自身强度，使其连续性和完整性遭受破坏而发生破裂的地质构造［25］。以突发而快速的方式运动并引发地震的断裂称为发震断裂，否则为非发震断裂［20］。杨晓平等［26］的研究结果表明，礼县－罗家堡断裂为1654年天水南8.0级地震的发震断裂，该断裂为一条北东东向的左旋走滑活动断裂，在断裂带两侧诱发了大量黄土滑坡；闫小兵等［27］从山西省历史地震资料中发现，洪洞（1303年）、原平（1683年）以及临汾（1695年）等7级及以上历史强震均在发震断裂附近诱发了大量黄土滑坡，导致村庄、城镇被掩埋。因此，断裂构造性质对地震滑坡的分布具有重要影响。

1.3 地形地貌

地形地貌是指地势高低起伏的变化，即地表的形态。地形地貌不同，滑坡滑动方向、规模及滑移距离等也不尽相同［4］。彭政奎和裴向军［28］通过现场调查分析，认为1920年海原地震Ⅸ度区内滑坡的形成与斜坡原始坡度、相对高差以及背面坡所处位置的关系密切；Li等［29］的研究成果也表明，坡度、坡高等是海原地震诱发黄土滑坡的重要条件；田颖颖等［30］通过对漳县、岷县地震诱发黄土滑坡分布特征的研究，同样认为地形（坡度、坡向、高程、坡角）特征对滑坡分布影响明显。由此可见，地形地貌对地震滑坡分布规律和发育特征的影响显著。

1.4 地层岩性

地层岩性是滑坡形成的物质基础，在滑坡形成机理研究中需首先查清［27，31］。王家鼎等［32］通过对1920年海原地震诱发黄土滑坡破坏区地层岩性的钻探测试，发现该类地层为晚更新世马兰黄土Q3（上部是黄土层，中部为含沙层段，下部是黄土层，且上部与中部之间含有一层古土壤层）和中更新世离石黄土Q2（上部为古土壤层，下部是黄土），不同时代黄土的密实度和胶结程度存在较大差异，因而黄土地震滑坡的发育程度也不同；徐舜华等［33］对2013年漳县、岷县地震诱发黄土滑坡开展了研究，发现滑坡发育的地层自上而下主要为黄土、泥岩，地震作用下一般极易沿黄土层内或黄土－泥岩面发生滑动；张晓超等［34］对1920年海原地震诱发石碑塬滑坡的岩土体特征进行了总结，认为晚更新世马兰黄土厚度大、结构疏松、分布面积广，且直接出露于地表，是滑坡发育的主要地层。从这些典型实例可以发现，黄土地震滑坡大多发育于黄土层内。

1.5 土层结构

土层结构通常是指地面下第四纪覆盖土层的不同排列组合以及下伏基岩的表面形态等［21，35］。Zhang和Wang［36］的 研 究 结 果 表 明，1920年海原地震诱发党家岔滑坡地区的黄土本身结构形式较松散、大孔隙、黏聚力低等特性，形成的土层结构较为薄弱，在地震力作用下易剪切破坏，导致土体出现塌陷破坏；Xu等［37］通过现场调查和历史资料解译，分析了海原、洪洞、华县及通渭等4个地区地震滑坡土层分布情况及土层结构破坏程度，认为该类滑坡的规模和形态特征受土层结构的影响较大。总的来说，土层结构对黄土地震滑坡的形成具有较大影响，土层的结构型式、疏松程度等是滑坡形成的关键因素。

1.6 水文地质条件

现有资料表明，由地下水位不同而引起的黄土地震滑坡在很多地震中都能见到，且在不同的黄土地形区域，土层中的含水量和饱和度不同，水文 地 质 结 构 也 不 同［33，38－39］。邹 谨 敞 和 邵 顺妹［40］的研究成果表明，1920年海原8.5级地震诱发黄土滑坡的影响因素众多，水文地质条件是不可或缺的重要影响因素，越靠近河流等水系地区地震滑坡越密集，且具有沿河流成群成带分布的特征。赵晋泉等［41］的研究表明，1303年洪洞8.0级地震诱发郇堡滑坡的形成是由于地下水和地表水影响，导致斜坡土体下部地层液化，上部黄土塬发生解体、拉裂、破碎。水文地质条件是地震滑坡产生的重要条件，地下水及地表水等是形成滑坡的关键因素，尤其是地下水与砂土液化、滑坡等地质灾害存在着密切的联系。另外，地下水位越高，黄土在地震作用下的抗剪切和液化的能力越低，越易出现黄土液化、滑坡等地质灾害。

2 发育特征

地震滑坡发育特征的研究对斜坡动力稳定性的评价与预测具有重要意义［42］。黄土高原历次强震诱发黄土滑坡的发育特征见表1，可以看出：

表1 黄土高原地震诱发黄土滑坡发育特征Tab.1 Development char acteristics of loess landslides induced by earthquakes in the Loess Plateau

（1）规模大、数量多、滑面缓以及滑距远是黄土地震滑坡的主要特征。Zhuang等［14］、王兰民等［17］、张振中［43］、王 家 鼎 和 张 倬 元［44］及 张 茂省和李同录［45］等从滑坡发育特征、地层结构及形成机理等方面对洪洞、天水南及海原等7级及以上地震诱发的滑坡进行了研究，验证了此结论的合理性。张茂省和李同录［45］还得出黄土滑坡具有滑面不光滑、滑坡台阶不明显、坡体地形波状起伏的特点。

（2）黄土地震滑坡在断裂带、沟谷及水系两侧常呈线状、片状及带状密集展布［14，23，42，46］。Xu等［46］对1927年古浪地震滑坡分布规律的研究表明，地震烈度Ⅷ～XI度区内的滑坡在黄土梁、峁两侧呈线状分布；徐岳仁等［42］研究了1718年通渭7.5级地震诱发5019处黄土滑坡的分布规律，也发现滑坡密集分布于渭河以北的黄土丘陵地带，向甘谷段以南的部分区域滑坡展布逐渐减少。

（3）黄土覆盖层厚度对滑坡发育影响较大。如Li等［30］、邹谨敞和邵顺妹［40］及Xu等［47］的研究。Xu等［48］通过遥感影像和野外调查分别对1920年海原8.5级地震诱发黄土滑坡的分布特征进行了研究，发现滑坡密集分布于西吉县西部和海原县东南部等黄土覆盖层厚度较大的区域。

总体来说，厘清滑坡发育特征对开展黄土地震滑坡形成机理的研究至关重要。

3 形成机理

3.1 液化型

根据大量资料显示，国内外历史强震多次诱发黄土液化滑移现象，且大多数液化滑移会造成大量人员伤亡和经济损失［31，49－50］。Karl Terzaghi等［49］依据土力学方面的力学指标，通过试验研究和理论分析，以孔隙水压力的变化探究了黄土滑坡的液化机理。Hwang等［50］通过地质调查发现1811年美国New Madrid 8.0级地震及1920年海原8.5级地震均出现了黄土液化现象，并从滑坡特征、力学性质及形成原因等方面对滑坡机理进行了探究，得出黄土地层液化滑移机理。1695年临汾7■4级地震在东堡村附近诱发了大量黄土滑坡，众多学者研究了该类滑坡的形成机理，发现了液化滑移现象，后经证实得出了液化滑移理论［51］。王家鼎等［32］探讨了1920年海原地震诱发石碑塬滑坡的影响因素及力学机制，认为低角度黄土斜坡滑移的复合机理能合理地解释液化滑移现场所出现的各种迹象。袁丽侠［52］从地层结构、滑坡特征及运动形式等方面对海原地震诱发黄土滑坡的形成机理进行探究，发现了液化滑移现象，并用液化理论较好地解释了此现象。张晓超等［34］从力学角度和形成原因等方面对海原地震诱发黄土滑坡机理进行研究，揭示出海原地区大范围发生黄土地层液化滑移的现象。王谦等［31］通过现场调查发现1920年海原地震中石碑塬地区发生了黄土液化，并依据室内动三轴试验和黄土本身的特殊性质研究了黄土液化的形成机理，提出用Seed-Idriss简化判别法比较地震作用下的平均剪应力（τc＝0.65（a max／g）γds）和 土 体 抗 液 化 剪 应 力（τ＝（Crσd）／（2σ′0）·σ′v）以此来验证土体是否发生液化，土体在地震作用下的平均剪应力大于抗液化剪应力，土体则产生液化，反之不产生液化，认为在Ⅷ度的地震作用下饱和黄土发生液化，致使上部土层发生拉裂破坏，且沿着斜坡滑动面发生滑移。杨博等［53］分别从发育特征与形成机理、地震动力响应与滑坡初始状态，对1920年海原地震诱发党家岔滑坡与石碑塬滑坡进行研究，提出黄土滑坡流滑及液化滑移机理。马星宇等［54］利用地层分布情况、水文地质条件及形态特征等探究了石碑塬滑坡的形成机理，发现黄土沿滑动面发生了液化滑移现象，并认为这是特殊的地层结构、地震力及地下水等共同作用的结果。

总体来说，液化型机理是在地震力作用下诱使饱和黄土体发生液化，致使抗滑力小于下滑力，导致斜坡体上部沿滑动面发生整体向下滑动，进而形成滑坡。特别是在液化土层中，这种现象更加明显。然而，现有研究主要集中于黄土形成条件、微细观结构及动力学特性等多个方面，震源机制特征对液化滑移机理的影响还需深入探讨。

3.2 剪切型

国内外学者以地震滑坡的形成条件、力学性质及发育特征为基础，对剪切型黄土地震滑坡形成机理进行了较多的研究［12－13］。邓龙胜和范文［55］从黄土结构特征和动力特性等方面对1920年海原地震滑坡形成机理进行研究，提出了振动软化－剪切破坏的机理，并通过试验现象发现振动软化－剪切破坏机理，能够解释滑坡的流线型、液化滑移及黄土流形态等特征。Wu等［12］通过现场调查、室内试验探究了2013年甘肃漳县、岷县地震诱发永光村滑坡的发育特征及形成机理，认为在水平地震力作用下斜坡土体发生剪切破坏，降低了土体抗剪强度，致使抗滑力小于下滑力，导致斜坡土体出现拉裂坍塌。张泽林［13］的研究结果表明，依据细微观角度、黄土动力特性及破坏特征等方面对天水麦积区地震诱发黄土滑坡进行分析，探索了滑坡形成机理和运动过程，认为地震作用下反复的振动、应力集中等造成了斜坡土体抗剪强度降低，坡体后缘、中下部发生剪切拉张破坏，并形成了贯穿的弧形剪切带，具体表现为不同步振动效应、累进破坏效应及波动振荡启动效应，随后发生剪切滑动。张树轩等［39］结合室内试验和数值模拟剖析了天水红旗山黄土地震滑坡的变形破坏机制，认为在地震力作用下使近坡面土体产生剪切张拉破坏，坡体结构发生明显的变形，致使斜坡体的摩阻力小于下滑力，且地震波的放大叠加效应导致斜坡土体上部发生失稳下滑。

以上研究结果表明，黄土地震滑坡是由于斜坡土体内部发生剪切、拉裂破坏而形成的，它主要是在地震力作用下剪切破坏土层结构，使得斜坡土体抗剪强度降低，抗滑力小于下滑力，导致斜坡体沿贯通的滑动带向下滑动。虽然都是剪切破坏，但根据滑坡的形成条件、动力特性、形成机理、发育特征等不同角度分析，得出的结果存在差异。

3.3 震陷型

历史震害资料表明，由震陷破坏继而形成滑坡的实例不在少数［9］。因此，国内外学者常用黄土震陷灾害理论解释该类滑坡的形成机理［9，11］。例如，齐吉琳等［56］对1995年甘肃永登5.8级地震诱发黄土滑坡的形成机理开展了研究，得出地震力作用下斜坡体上部发生震陷拉裂破坏，导致了土体结构抗剪强度大幅下降，继而斜坡体出现滑塌现象。陈永明等［57］剖析了1995年永登地震七山乡震陷区内的黄土与未震陷黄土微结构及黄土震陷机制，认为在地震力作用下黄土体发生变形，黄土的架空孔隙结构在剪应力作用下发生破坏，导致斜坡土体出现塌陷，继而形成了滑坡。张振中等［11］研究了1995年甘肃永登5.8级地震诱发黄土滑坡的形成条件、震害形态特征等，利用数值模拟及震陷量预测计算方法检验了黄土震陷灾害理论并合理的解释了地震出现黄土滑坡震陷的现象。张晓超等［58］结合现场勘查与室内试验对1920年海原8.5级地震诱发党家岔滑坡的形成机理进行了研究，发现在地震力作用下滑坡体上部发生局部震陷拉裂破坏，加速了坡体底部饱和黄土超静孔隙水压力的形成，从而为黄土滑坡的形成提供了前提条件。彭政奎和杨东强［59］从海原地震滑坡形成机制和运动特征等方面进行现场勘探及理论分析，发现黄土结构疏松，地下水位异常使得下部黄土达到饱和状态，在地震力作用下，斜坡体的微观结构遭到破坏，导致斜坡体下部黄土发生震陷，并带动上部土体出现张拉裂缝和拉陷槽，继而出现滑坡。

综上所述，依据震陷型机理来分析黄土地震滑坡的形成条件，认为黄土地震滑坡不是单一一个因素形成的，而是由地震等诱发因素占据主导，水文地质条件，地形地貌等具有促进地震滑坡形成的重要作用，松散的土壤、地下水等是关键因素，地下水位越高对滑坡的形成和分布影响越大。

4 讨论与结论

历次震害调查表明，除黄土地震滑坡外，强烈地震动作用下的非黄土地震滑坡也较为发育。然而，两者在诱发因素、发育特征以及形成机理等方面也存在较为明显的差异［60－63］。

（1）地层岩性。黄土滑坡主要以黄土为主，具有较高的湿陷性、特殊的支架孔隙结构以及很强水敏性、崩解性等水理特性；非黄土滑坡堆积体表面常以大块石为主，下部以碎石、角砾及细颗粒为主。

（2）地形地貌。黄土地区地形结构较复杂，具有千沟万壑、地形支离破碎的特殊自然景观，有黄土塬、梁、峁、河谷阶地等主要地貌形态；非黄土地区地形结构复杂，地貌类型以高山为主，地形高差大，局部地形对地震动具有显著的放大效应，导致滑坡更易发生。

（3）发育特征。黄土地震滑坡原始坡度较缓（10°～20°），常沿单薄的黄土梁、峁两侧呈线状、带状密集分布，黄土覆盖层厚度也具有空间分布不均匀特点；非黄土滑坡原始坡度较陡（20°～50°），且具有反粒序结构特征、滑面不完整、呈明显的尖点突起或边缘突出等特征。

（4）形成机理。黄土滑坡主要为液化型、剪切型及震陷型；非黄土滑坡主要为溃滑型、溃崩型、抛射型。

因此，为最大限度地减轻地震滑坡灾害风险，提升防灾减灾救灾能力，深入探究地震滑坡形成机理刻不容缓。特别是随着“一带一路”倡议的深入推进，黄土高原地区已成为我国社会经济发展重心战略转移的重点区域，区内已经建成或正在建设的高速铁路、公路、航空枢纽、输油气管道、城市地铁和轨道交通、超高层建筑等重大基础设施对建设场地地震安全提出了新的挑战和难题。一方面，随着城镇化建设不断推进，原有土地难以满足城镇规模发展的需要，导致城市建设向河谷边缘和高阶地拓展，削山造地已成为新增用地主要方式；另一方面，黄土塬边、梁、峁、河谷及沟谷边缘属于抗震不利地段，削山造地后的推填和切坡场地地震安全问题更为复杂突出。特别是距上次8级大震发生已经百年，区内强震危险性增高，城镇和重大基础工程设施面临着越来越高的滑坡灾害风险。因此，针对黄土高原地震地质灾害广、频、重的现状，全面深入开展黄土地震滑坡形成机理研究，揭示地震诱发黄土滑坡灾害的时空动态演化机制与长期效应，建立黄土地震滑坡灾害风险评估模型和防控方法，将是解决我国黄土高原地区城镇和重大基础设施高地震灾害风险问题的关键性基础研究课题，对于提升黄土高原地区地震灾害综合防御能力具有重大的应用价值。