积石山Ms 6.2级和泸定Ms 6.8级地震地质灾害发育规律对比

铁永波,张宪政,曹佳文,秦雅东,王立朝,董 英,郭富赟,郭兆成,白永健,冉 涛,侯圣山,王 涛,高 波,卢佳燕,李光辉,宁志杰,向炳霖,孙 才

(1.中国地质调查局 成都地质调查中心(西南地质科技创新中心),成都 610081;2.自然资源部地质灾害风险防控工程技术创新中心,成都 611734;3.自然资源部成都地质灾害野外科学观测研究站,成都 610000;4.中国地质调查局,北京 100037;5.中国地质环境监测院(自然资源部地质灾害技术指导中心),北京 100081;6.中国地质调查局 西安地质调查中心(西北地质科技创新中心),西安 710119;7.甘肃省地质环境监测院,兰州 730000;8.中国自然资源航空物探遥感中心,北京 100083;9.中国地质科学院地质力学研究所,北京 100081;10.中国地质科学院,北京 100037;11.成都理工大学,成都 610059)

据中国地震台网中心发布的数据,2023年12月18日23时59分,甘肃省临夏回族自治州积石山县发生Ms 6.2级地震,震中位于北纬35.70°、东经102.79°,震源深度10 km,最高烈度达到Ⅷ度。地震造成大量房屋、交通、通信、电力等基础设施受损,同时诱发大量滑坡、崩塌、砂土液化等地震地质灾害。截至2023年12月22日8时,地震已经造成148人遇难,3人失联。

地震地质灾害一般指由地震作用诱发的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害(Yin et al.,2009; 黄润秋,2017; 周洪福等,2023),通常对震区建筑物造成严重破坏,因此其分布特征、发育规律、控灾机制、演变规律和风险预测等引发国内外学者广泛关注(Fan et al.,2021; Huang et al.,2009; Kamranzad et al.,2020)。在青藏高原东缘—东北缘地区,因印度—欧亚陆陆碰撞导致该区域构造活动强烈和地震频发(刘同振等,2023; 潘桂棠等,2022; 许志琴等,2016)。自2008年以来,该区域共发生了8次震级超过Ms 6.0级的强震事件,分别为2008年汶川地震、2010年玉树地震、2013年芦山和岷县漳县地震、2017年九寨沟地震、2022年芦山和泸定地震、2023年积石山地震(李佳妮,2023)。国内外学者基于这些地震事件对地质灾害发育规律进行了大量研究,并发现了震级、断层上下盘、距断层距离、坡度、高程等因素对灾害类型、分布特征和成灾机制的影响(Chang et al.,2021; Xiong et al.,2023; 陈冠等,2013; 范宣梅等,2022; 黄润秋等,2009; 梁靖等,2019; 裴向军等,2013; 铁永波等,2022; 殷跃平等,2010)。特别是针对该区域相似地貌环境的地震地质灾害对比研究成果尤为丰硕,如刘秀珍等(2014)对比分析了龙门山地区的芦山和汶川地震地质灾害发育规律和特征,王兰民等(2023)基于黄土地区的9次强震事件分析了黄土地震滑坡的触发类型、特征和成灾机制。殷志强等(2013)通过搜集中国西部2008～2013年5次典型地震事件诱发的地质灾害,从宏观角度分析了断层性质、地震峰值加速度和坡度等对地震地质灾害分布的控制作用。然而到目前为止,针对不同地貌区和不同发震断层类型的地震地质灾害发育规律详细对比研究仍较为薄弱。

地震诱发的地质灾害发育规律与成灾特征受发震断层、地震烈度、地形地貌、地层岩性等多种因素的组合控制,震级和烈度相似的地震也会在不同地区造成地震地质灾害发育的显著差异,给地震地质灾害的成灾特征研判、发展趋势预测及救援力量调配等带来极大的不确定性。为揭示不同地形地貌区和不同断层活动特性对地震地质灾害发育特征的控制机制,给今后类似地震地质灾害的快速评价、研判与处置提供借鉴经验,本文选取2023年积石山Ms 6.2级地震和2022年泸定Ms 6.8级地震地质灾害作为研究对象。虽然2次地震震级相似,但2次地震发生在不同断层类型、不同地质构造和地形地貌区,且地震地质灾害的发育规律也有显著差异。此次研究采用地面调查、影像解译和空间叠加统计等方法,对比研究西南峡谷区和陇西黄土地区地震地质灾害发育规律,拟揭示2次地震对地震地质灾害的控制特征,为地震地质灾害的应急处置和风险预测提供科学依据。

1 研究区概况

本文的研究区包括甘肃积石山Ms 6.2级地震和四川泸定Ms 6.8级地震影响区(图1)。甘肃积石山Ms 6.2级地震震中位于积石山县西部的柳沟乡,震区地处青藏高原东北缘的东段,距离积石山县8 km。发震断裂为拉脊山北缘断裂东段,为一条走向NNW、倾向SWW的挤压逆冲型断层,断层两侧地貌高差显著(袁道阳,2003; 张波,2012)。震区地层岩性复杂,其中,拉脊山、积石山等高山区出露古生界砂岩、粉砂岩、泥岩和碳酸盐岩等海相地层,晚古生界—中生界砂砾岩、泥岩、煤页岩等海陆交互相地层,晚中生界砂泥岩互层的陆相红层,以及加里东期、印支期、燕山期的基性—酸性火山岩和大量中酸性侵入岩,局部见前寒武纪片岩、片麻岩等中深变质岩。循化、临夏2个中新生代盆地沉积了大片晚白垩系-新近系红层,以砂砾岩、砂岩、泥岩互层为主;青藏运动后,更新世和全新世沉积了大量洪冲积扇、河流相的砾石土、砂、黏土,以及风成马兰黄土层(张克信等,2006)。

四川泸定Ms 6.8级地震震中位于泸定县南部的磨西镇,震区内地形高差大,震区地层岩性复杂,从第四系至震旦系均有分布,广泛出露震旦系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、古近系和第四系,其中以中生界、古生界三叠系及元古界变质岩系分布最广。震区西部主要出露三叠系的砂岩、板岩和少量石灰岩,东部主要出露石英岩、大理岩、白云石、变质砂岩、碳酸盐岩、基性和酸性火山岩。震区内多时代、多类型的岩性特征导致地质灾害孕灾的复杂性,尤其是河谷斜坡上部的破碎岩体,这些岩石在地震下为群发性浅表层崩塌的发育创造了有利条件;但是相对坚硬的花岗岩体在高陡临空条件下形成卸荷裂隙,这又为高位大块体的岩质崩塌的发育提供了有利因素(铁永波等,2022)。

(A)积石山地震影响区地质图(张克信,2006),震源机制解来源于王勤彩等(2024);(B)泸定地震影响区地质图,震源机制解来源于易桂喜等(2023);(C)鹰眼图,基于标准地图(审图号：GS(2023)2766)制作图1 研究区地质概况图Fig.1 Geological overview of the study area

总体来说,2个震区构造条件的复杂性基本相当。甘肃积石山Ms 6.2级地震震区地貌和岩性分区相对简单,但差异性明显;四川泸定Ms 6.8级地震震区地貌和岩性分区相对复杂。

2 地震地质灾害发育规律对比

2.1 震前地质灾害发育分布特征对比

根据应急管理部和中国地震局提供的烈度分布数据以及四川省、甘肃省、青海省地质灾害隐患点在库统计数据,2023年积石山Ms 6.2级地震烈度在Ⅵ度以上影响范围内,已有地质灾害点1 248处,灾害类型主要为滑坡、不稳定斜坡、泥石流和崩塌,其中滑坡597处、不稳定斜坡313处、泥石流241处、崩塌97处;2022年泸定Ms 6.8级地震烈度在Ⅵ度以上影响范围内,有地质灾害点934处,灾害类型主要为滑坡、泥石流和崩塌,其中滑坡420处、泥石流375处、崩塌139处;(表1)。从空间分布特征上看,积石山Ms 6.2级地震与泸定Ms 6.8级地震Ⅵ度以上影响范围内地质灾害均是主要沿水系呈线状分布,不同的是积石山震区地质灾害沿黄河及其支流分布相对松散,而泸定震区地质灾害沿大渡河及其支流分布相对更为集中(图2)。

表1 震区震前地质灾害点统计表Table 1 Statistics of geological disaster points before the earthquakes

(A)泸定地震震前地质灾害分布 (B)积石山地震震前地质灾害分布图2 研究区震前地质灾害分布图Fig.2 Distribution of geological hazards before the earthquakes in the study area

积石山Ms 6.2级地震与泸定Ms 6.8级地震影响范围内,震前地质灾害均强烈发育,且其分布密度均与烈度等级呈正相关,积石山震区灾害点分布密度相对泸定震区较高(图3)。积石山Ms 6.2级地震烈度在Ⅷ度影响范围内,已有地质灾害点81处,主要分布在大河家镇、刘集乡、石塬乡、柳沟乡和吹麻滩镇,尤以吹麻滩镇最多,少数分布在中川乡和官亭镇;在Ⅶ度影响范围内,已有地质灾害点334处,主要分布在小关乡—胡林家乡段和杏儿藏族乡—满坪镇段;在Ⅵ度影响范围内,已有地质灾害点共833处,主要分布在临夏县—临夏市段和古鄯镇—川城乡—杨塔乡段,沿水系两岸呈散点状分布。

图3 震区震前地质灾害点与地震烈度统计图Fig.3 Statistics of geological disaster points and seismic intensity before the earthquakes

泸定Ms 6.8级地震的地震烈度在Ⅷ度及以上影响范围内有地质灾害点104处,主要分布在燕子沟镇、磨西镇和德妥镇,磨西镇地质灾害点最多,有少数灾害点分布在草科乡和王岗坪乡;在地震烈度Ⅶ度影响范围内,有地质灾害点329处,主要分布在泸定县城—德威镇地区,少数分布在安顺场镇附近;在地震烈度Ⅵ度影响范围内,有地质灾害点共501处,主要分布在泸定县—磨西镇段和石棉县—汉源县段,这些灾害点沿河流两岸呈散点状分布。

2.2 同震崩滑体发育规律对比

甘肃积石山地震同震崩滑体数据来源于地面排查和影像解译,主要包括居民区、重大工程区和公路等区域。遥感解译数据来源于高分三号、路探-1号和Planet遥感影像,时间为2023年11月24日～2023年12月24日。截至2022年12月27日,共发现新增灾害点78处,加剧灾害点88处,灾害类型以滑坡和崩塌为主,灾害规模以小型和中型为主。

积石山地震和泸定地震诱发的同震崩滑体的空间分布呈现不同特征(图4)。(1)积石山地震影响区内同震崩滑体密度明显小于泸定地震影响区,积石山地震Ⅷ度区内同震崩滑体密度为0.1%,而泸定地震Ⅷ度区内为0.6%,Ⅸ度区内为4%。地震震级是主要的影响因素之一,积石山地震震级为Ms 6.2级,而泸定地震震级为Ms 6.8级。(2)同震崩滑体空间分布特征差异明显。如图4所示,积石山地震影响区内同震崩滑体呈现面状分布,而泸定地震影响区内沿河谷呈现线状分布。地貌是主要的影响因素之一,积石山地震影响区同震崩滑体主要分布在断层西侧的黄土丘陵,而泸定地震影响区主要以高山峡谷地貌为主。

为进一步对比同震崩滑体发育规律,下面将从距断层的距离、高程、坡度和坡向进行分析。通过ArcGIS空间叠加工具,统计了积石山地震影响区内同震崩滑体面积和面积密度与距断层距离、高程、坡度和坡向之间的关系,泸定地震影响区则基于前期统计成果(张宪政等,2022)。

2.2.1 距断层距离

2次地震影响区内同震崩滑体面积和面积密度均随距断层距离的增加呈现指数衰减的趋势,但积石山地震影响区内同震崩滑体呈现出较缓的衰减速率(图5-A)。积石山震区同震崩滑体面积和面积密度在距离断层6 km处开始显著减小,而泸定震区在2 km处开始显著减小(图5-B)。积石山震区同震崩滑体面积在距断层2～4 km处出现了低值,这与其特殊地貌有关,将在3.1节详细分析。

图4 地震地质灾害点分布图 Fig.4 Distribution of co-seismic geological disasters in the study area

图5 同震崩滑体面积及密度与距断层距离的关系统计图Fig.5 Relationship between the co-seismic landslide area and distance from the fault

2.2.2 高程

2次地震影响区同震崩滑体面积及面积密度均有高程优势分布区间,但二者的优势区间范围不同。积石山震区同震崩滑体主要分布在海拔1 900～2 300 m范围内,而泸定震区主要分布在1 400～2 200 m范围内,相比积石山震区呈现较广的海拔分布区间(图6)。地貌是导致该高程分布特征的主要因素,积石山震区同震崩滑体主要分布在断层东侧黄土高原丘陵区,而泸定震区同震崩滑体分布在高山峡谷区,高差相比丘陵区较大,因而具有较宽的海拔分布区间。

2.2.3 坡度

2次地震影响区内同震崩滑体面积和面积密度均随坡度的增加呈现先增大后减小的趋势,但两者的主要坡度分布区间不同。积石山震区同震崩滑体面积主要坡度为15°～25°,而泸定震区为30°～50°(图7)。地貌是导致坡度分布差异的主要因素之一,积石山震区黄土丘陵地貌高差小,而泸定高山峡谷区高差大,坡度变化快。

图6 同震崩滑体面积及密度与高程的关系统计图Fig.6 Relationship between the co-seismic landslide area and elevation

图7 同震崩滑体面积与坡度的关系统计图Fig.7 Relationship between co-seismic landslide area and slope

2.2.4 坡向

2次地震影响区内同震崩滑体分布坡向与发震断层类型和地震波传播方向呈强烈相关。积石山震区发震断层为逆冲断层,断层倾向为南西向,上盘运动方向为北东东向。同震崩滑体主要分布在断层的东侧,主要坡向大致与断层运动方向相同(图8)。泸定地震发震断层为走滑断层,断层西南侧的运动方向为南南东向,泸定震区同震崩滑体的主要分布坡向为东向、南东向、南向和南西向,两者具有强烈的相关性。虽然2次地震的断层类型不同,但符合前人提出的“背面坡效应”(许强等,2010),即地震波传播的背面坡的同震崩滑体面积及其密度远大于迎面坡一侧。

图8 同震崩滑体面积及密度与坡向的关系雷达图Fig.8 Relationship between co-seismic landslide area and aspect

3 地震地质灾害控制因子对比分析

3.1 发震断层类型

2023年积石山Ms 6.2级地震发生在青藏高原东北缘NE突出的弧形拉脊山北缘断裂南段,地震震源机制解显示为低倾角逆冲兼右旋走滑变形模式(王勤彩等,2024),指示上盘(南盘)积石山脉向临夏盆地逆冲(图9-A),这与青藏高原东北缘持续向东挤出有关;泸定Ms 6.8级地震发生在青藏高原东缘川滇地块东边界鲜水河断裂带南段,地震震源机制解显示为纯走滑变形模式(易桂喜等,2023),指示断层西盘的川滇地块相对东盘巴颜喀拉地块向南东方向挤出,为青藏高原东南缘地壳物质向东南持续挤出所引发,发震断层西盘为主动盘(图9-B)。

图9 地震震源机制解和发震断层对比示意图Fig.9 Contrast diagram of seismic source mechanism and seismic fault

同震崩滑体沿断层垂直方向分布特征与发震断层类型强相关。选取2次地震同震崩滑体发育密集区,绘制垂直发震断层剖面线,并对剖面线两侧同震崩滑体进行统计分析,剖面线和统计范围见图4。由图10可知,积石山发震逆冲断层两侧同震崩滑体分布面积不均匀,崩滑体主要分布在断层的下盘,即明显的“下盘效应”(图10-A)。该分布规律与2008年汶川地震明显不同,汶川地震中同震崩滑体主要分布在断层的上盘(黄润秋等,2009)。泸定发震走滑断层两侧同震崩滑体分布随断层距离增加均急速衰减,在2 km范围内主动盘同震崩滑体面积约是被动盘的2倍,但断层两侧崩滑体总面积大致相同(图10-B)。

3.2 特殊地貌——黄土台地和冰碛土台地

黄土台地和冰碛台地分别是2023年积石山地震和2022年泸定地震影响区内一类特殊地貌。积石山地震影响区内居集镇分布有黄土台地,主要为晚更新世以来的风成黄土经侵蚀搬运形成的次生黄土,广泛分布于陇西黄土高原。泸定地震影响区典型冰碛台地分布在磨西镇,它是由早期冰川作用形成,具有宽级配、胶结性好的特点。

黄土台地与冰碛土台地的土体结构具有显著差异：(1)黄土颗粒级配均匀,而冰碛土颗粒级配较宽;(2)部分积石山黄土台地具有分层结构,而磨西镇冰碛土台地为单层结构。如(图11-A)所示,黄土台地下部有卵石层,推测为风成黄土覆盖在原有河流阶地表面。

虽然黄土台地和冰碛土台地土体结构差异较大,但在地震作用下二者具有以下相似点：(1)台地边缘都具有较陡的临空面;(2)在地震作用下边缘处均发育大量崩滑体;(3)前期研究发现冰碛土台地(Liu et al.,2023;李孝波等,2022)和黄土台地(王兰民等,2023)都具有显著的地震放大效应。如(图11-B,C)所示,黄土台地和冰碛土台地的边缘陡立,在地震作用下发生了崩塌,崩塌距离有限,主要堆积在坡脚位置。

图10 研究区地震新增地质灾害点个数与距断层距离统计图(剖面线位置见图4)Fig.10 Number of newly added geological disaster points and distance from the fault in the study area

图11 黄土台地和冰碛土台地崩塌 Fig.11 Loess platform and moraine platform collapse

3.3 特殊土体—黄土

与2022年泸定地震导致磨西台地(冰水堆积体)垮塌(与常规的土质崩塌相似)相比,黄土作为2023年积石山地震影响区内的一类特殊土体,在当地冬灌时节,黄土空隙中饱含水分,在地震荷载作用下会转变为流态状,该现象被称为砂土液化(袁中夏等,2004)。积石山地震影响区内的中川乡金田村发育的黄土台地在地震作用下发生了液化(王运生等,2024)(图12),经测量砂土液化区面积约1.49×105m2,液化土体平均厚度约15 m,液化土体方量约2.24×106m3。外溢区总面积约1.61×105m2,漫流长度约2 300 m,造成草滩村、金田村部分房屋被冲毁、淤埋(图12)。此外,积石山地震引发和加剧的滑坡、崩塌大部分发生在黄土覆盖区,可见该区域黄土是主要的易滑地层。这与积石山震区黄土裂隙发育、黄土与下伏新近系红层形成的双层顺向斜坡结构均有密切关联。

图12 金田村砂土液化范围示意图Fig.12 Sand liquefaction area in Jintian village

4 讨论与结论

a.发震断层类型控制地震地质灾害的发育优势坡向和垂向空间展布特征。①逆冲断层和走滑断层均发现“背向坡效应”。②泸定地震显示走滑断层两侧地震地质灾害发育密度无明显差异。③积石山地震显示逆冲断层具有显著的“上、下盘效应”,即下盘地震地质灾害密度大于上盘;而汶川地震的上盘地震地质灾害密度大于下盘(黄润秋等,2009),导致二者之间灾害分布特征差异的内在机制需要进一步研究。因此在地震地质灾害应急调查和处置时,应首先判明断层类型,并对不同性质断层的控灾特征有针对性地快速确定重点调查和处置区。灾后重建选址阶段,也应将发震断裂的类型和特征作为重建选址的依据之一。

b.地貌条件是影响同震灾害空间分布特征的主要因子。①陇西黄土地貌中,同震地质灾害呈现面状分布特征,而在川西高山峡谷地貌中,同震地质灾害通常沿河谷线状分布。②黄土台地和冰碛土台地均具有显著的地震放大效应,其边缘处均利于同震地质灾害发育。因此在不同地貌区开展地震地质灾害规律分析和灾后重建时,应充分考虑因地貌差异导致的同震灾害空间分布差异,同时地貌也是今后不同地区灾害重建过程中重要安置区选址评价中的一个重要参考依据。

c.同震地质灾害分布规律受岩土体结构及地形控制显著。①黄土是本次积石山地震影响区内一类特殊土体,并在地震作用下发生了液化,是今后黄土地区地质灾害危险性评估内容中需要重点关注的问题。②受西南高山峡谷和陇西黄土地形影响,地震诱发地质灾害的优势坡度分布区间及高程等均具有显著差异,这是今后这2类地区地震地质灾害安全区划定需考虑的一个重要因素。③基于全色影像解译方法被广泛用于泸定地震地质灾害解译,而该方法难以在植被覆盖较差的积石山震区开展,而基于InSAR技术的影像解译是区域应急调查的补充手段。因此在不同地貌区开展地质灾害调查时,因充分考虑因区域地质、气候和植被覆盖等因素,导致的特殊地质灾害类型、调查方法适用性等问题。

本次调查和解译的同震灾害主要针对有威胁对象的点,用于对比分析不同震区的地震地质灾害的发育分布规律和控制因子。积石山和泸定震区内发震断层、地质、地貌、气候等条件差异显著,本次对比分析了同震地质灾害发育分布规律差异性,从断层类型、地貌类型和特殊土体等方面探讨了同震地质灾害分布的控制因子,但对各因子间的复杂相互作用机制未开展量化研究,因此关于不同震区地震地质灾害的分布规律对比分析还有待进一步深入。

致谢：本文在撰写过程中得到了中国地质调查局西安地质调查中心(西北地质科技创新中心)尹立河副主任、甘肃省地质环境监测院张永军副院长等领导和专家对论文撰写思路的启发与指导,也得到了甘肃省地质矿产勘查开发局、甘肃省有色金属地质勘查局、甘肃省煤田地质局、甘肃省有色金属地质勘查局等单位技术人员在野外调查过程中对数据获取的大力支持,在此一并表示感谢!