地质力学学报  2017, Vol. 23 Issue (5): 639-645
引用本文
刘甲美, 王涛, 石菊松, 栗泽桐. 四川九寨沟Ms7.0级地震滑坡应急快速评估[J]. 地质力学学报, 2017, 23(5): 639-645.
LIU Jiamei, WANG Tao, SHI Jusong, LI Zetong. EMERGENCY RAPID ASSESSMENT OF LANDSLIDES INDUCED BY THE JIUZHAIGOU MS 7.0 EARTHQUAKE, SICHUAN, CHINA[J]. Journal of Geomechanics, 2017, 23(5): 639-645.
四川九寨沟Ms7.0级地震滑坡应急快速评估
刘甲美1,2 , 王涛1,2 , 石菊松3 , 栗泽桐1,2     
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. 中国地质调查局, 北京 100037
摘要:基于地震滑坡危险性评估的Newmark累积位移模型,利用震前获取的震区地形数据、区域地质资料,结合地震动近实时获取技术,开展了四川九寨沟Ms 7.0级地震诱发滑坡的应急快速评估。地震滑坡位移分析结果表明,同震滑坡活动的中—高强度区分布在断层两侧宽约4 km的带状区域内,整体沿北西方向延伸。其中,极震区的丰雪塘、日则和干海子等城镇驻地及附近道路的滑坡强度相对较高;震前、震后影像对比表明九寨沟地震诱发的滑坡类型以浅表型碎屑流及小规模崩塌为主,且同震碎屑流多是在震前已有碎屑流的基础上进一步活动扩展而来,震后汛期泥石流隐患也不容忽视;通过典型地区滑坡位移分析结果与震前、震后影像对比,表明滑坡位移分析结果能够较好的反映同震滑坡的宏观分布特征,但在场地尺度上吻合程度欠佳,后续将通过提升岩性和地形等数据质量进行改进。研究结果可为灾情研判提供宝贵信息,对提高灾害应急救援效率具有重要意义。
关键词九寨沟地震    地震滑坡危险性    应急快速评估    Newmark累积位移模型    
EMERGENCY RAPID ASSESSMENT OF LANDSLIDES INDUCED BY THE JIUZHAIGOU MS 7.0 EARTHQUAKE, SICHUAN, CHINA
LIU Jiamei1,2 , WANG Tao1,2 , SHI Jusong3 , LI Zetong1,2     
1. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing, 100081, China;
2. Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard, Ministry of Land and Resourses, Beijing, 100081, China;
3. China Geological Survey, Beijing, 100037, China
Abstract: Based on the Newmark cumulative displacement model, emergency rapid assessment of earthquake landslides induced by the Sichuan Jiuzhaigou Ms 7.0 earthquake was carried out based on regional topographic and geologic data, combined with near-real-time estimates of ground shaking. The analysis results of seismic landslide displacements show that the medium-high risk zones of coseismic landslide activities are mainly concentrated in the area about 4 km width along the seismogenic fault, with a roughly NW-SE rift direction, especially in the Fengxuetang, Rize, and Ganhaizi town of the meizoseismal area. Comparison between the satellite images acquired before and after this earthquake shows that the most common types of landslides induced by the Jiuzhaigou earthquake are shallow debris flows and small scale of rock falls, and the shallow debris flows are mostly formed by the further expansion of activities of the existing landslides. It shows that the obtained displacements can well reflect the macro distribution of coseismic landslide, but they can't be exerted effectively at local site scale, which can be enhanced through the improvement of large scale of geologic maps and high quality topography data. Results can provide valuable timely reference information on the possible societal effects of earthquake-induced landslides.
Key words: The Jiuzhaigou earthquake    seismic landslide hazard    emergency rapid assessment    Newmark cumulative displacement model    
0 引言

2017年8月8日,四川阿坝州九寨沟县发生7.0级地震,震中位于塔藏断裂等3条全新世活动断裂交汇处,震源深度约20 km。据中国地震局发布的地震烈度图,此次地震极震区的烈度为Ⅸ度,地震造成25人死亡、525人受伤、近二十万人受灾。由于震区地处高山峡谷区,地震引发的崩滑灾害成为导致人员伤亡和道路中断的重要因素,如省道301线部分中断,增加了救援和人员转移安置难度,延误救援时机。因此,能够在应急救灾阶段,提供快速准确的地震滑坡强度和灾情评估结果,对于优化救援部署方案和减轻地震灾害效应意义重大。

遗憾的是,地震滑坡应急评估的研究探索尚处于起步阶段,受到自然条件艰险、道路交通阻断及不良气象条件等因素的制约,传统地面排查和遥感解译通常难以在第一时间满足震后宏观灾情的快速获取需求。为此,指标体系和Newmark累积位移方法逐渐应用于地震滑坡应急评估,并能给出相对可靠的评估结果[1~3],为应急救援决策提供了参考依据。其中,Newmark[4]提出的累积位移分析方法基于力学原理定量分析坡体失稳机制,相比指标体系方法,具有不受地质背景差异限制的优势,逐步成为国际主流的地震滑坡位移定量评估方法[5~7],被广泛应用于同震滑坡危险性应急评估、潜在地震滑坡危险性分析和历史地震滑坡反演分析领域[8~13]

在九寨沟地震发生后,利用中国地震局第一时间发布的震源参数、1: 100万比例尺区域地质资料以及美国航空航天局和日本经济产业省联合发布的30 m分辨率的全球数字高程模型(ASTER GDEM);基于自主知识产权的“区域同震滑坡危险性应急评估系统”[14],融合地震动经验快速分析和Newmark滑坡危险性评估技术,在接到应急响应任务后数小时之内,完成了九寨沟Ms 7.0地震灾区同震滑坡位移的快速评估。研究结果对优化应急部署、减缓后续伤亡风险及地震滑坡应急评估研究具有重要的参考意义。

1 九寨沟地震概况

根据中国地震台网中心测定结果,此次九寨沟7.0级地震发生于8月8日21时19分46秒,震中位置北纬33.2°,东经103.8°。地震发生地区地处青藏高原东缘、巴彦喀拉地块东北边界,震中位于塔藏断裂、岷江断裂、虎牙断裂3条全新世活动断裂交汇处。中国地震局地球物理所发布的P波初动震源机制解、地震震源破裂过程、余震序列重定位结果(http://www.cea-igp.ac.cn/tpxw/275883.html),显示此次地震以走滑型为主,发震断层相当于北西向的节面,走向约151°,主破裂长度约30 km,震源主破裂持续时间约15 s,没有明显的破裂方向。

据国家强震动台网公布的结果,截至2017年8月8日12时20分,位于四川、甘肃、陕西和宁夏四省境内的强震观测台站在本次九寨沟地震中共获取到67组主震三分量加速度记录201条,最大峰值加速度(PGA)来自九寨百河台站(震中距30.5 km),其东西、南北、垂直向加速度峰值分别为-129.5 cm/s2、-185.0 cm/s2、-124.7 cm/s2

2 区域地质背景

九寨沟震区属于巴彦喀拉地块东部之川西北断块,处于南北活动构造带的中段,位于岷山隆起带北端与西秦岭地槽褶皱带之南缘文县-玛沁断裂相交汇部位,其区域地质构造环境主要受到文县-玛沁断裂、岷江断裂及虎牙断裂影响[15],其三面受强震活动区包围,东临武都强震区,西临岷江强震带北段,南临松潘虎牙强震区;区域内地层主要为上古生界泥盆系至中生界三叠系海相地层,岩性以泥质成分含量较高的碳酸盐岩为主,包含少量薄层砂岩、板岩、页岩和含煤地层;地形地貌为深切割的高山峡谷地带,属青藏高原与四川盆地两大地貌单元过渡区,地势西北高而东南低,平均海拔在4000 m以上,最高海拔4764 m,最低1160 m,坡度一般在30°以上[16]

3 九寨沟地震滑坡危险性快速评估 3.1 评估流程

Newmark累积位移模型是基于极限平衡理论,将滑坡体视为在滑面上滑动的块体,块体的稳定性趋势由临界加速度ac(单位g)表示,其物理含义是使单位质量的斜坡物质由稳定趋向滑动(极限平衡状态)所需要的最小的力。

$ {F_{\rm{s}}} = \frac{c}{{\gamma t\sin \theta }} + \frac{{\tan \varphi }}{{\tan \theta }} - \frac{{m{\gamma _{\rm{w}}}\tan \varphi }}{{\gamma \tan \theta }} $ (1)
$ {a_{\rm{c}}} = \left( {{F_{\rm{s}}} - 1} \right)g\sin \theta $ (2)

上式中Fs称为静态安全系数;cφγ分别为斜坡岩土体等效黏聚力(MPa)、内摩擦角(°)和重度(kN/m3);θ为斜坡坡度,°;t为潜在滑体厚度,m;γW为水的重度,kN/m3m为潜在滑体饱和部分厚度占滑体总厚度的比值。基于Newmark累积位移方法的地震滑坡快速评估流程如图 1所示,包含3个主要流程:(1)通过岩土体强度参数和地形坡度等计算获取Fs,叠加地形坡度计算得到的斜坡临界加速度ac,可作为地震滑坡易发性评估;(2)进一步可利用地震动衰减关系(表示为f(Ms, R))获取地震动峰值加速度(PGA)空间分布;(3)通过位移经验关系式(表示为f(PGA, ac))计算斜坡在地震动作用下产生的累积滑动位移,作为地震滑坡危险性程度的度量指标。

图 1 基于Newmark累积位移方法的地震滑坡快速评估流程 Figure 1 Flowchart of rapid assessment of earthquake-induced landslides based on the Newmark cumulative displacement method
3.2 区域斜坡临界加速度与地震动分布

据区域1: 100万地质图,九寨沟震区斜坡地层岩性主要要为:①中元古代和三叠系二长、闪长和斜长花岗岩;②石炭系总长沟组与黄龙组并层的灰岩、白云岩、泥质灰岩;③二叠三道桥组、大石包组并层的变质灰岩、基性火山岩;④三叠系扎尕山组的灰-深灰色变质砂、板岩夹灰岩、角砾状灰岩;⑤第四系的阶地砾石、砂土和粘土层等。参考《工程岩土体分级标准》和国内外工程岩土分组经验等进行取值[17~20];斜坡坡度则通过30 m的DEM数据进行计算获取;鉴于地震滑坡以浅层滑坡为主,取滑体厚度t=3 m;不考虑孔隙水压力的影响(即公式(1)中m=0);在此基础上,得到区域斜坡临界加速度ac(见图 2a)。从公式(1)、(2)可以看出,ac与斜坡岩土体类型和坡度密切相关,反映了地震滑坡易发性程度,即斜坡岩土体物质越松软、坡度越陡,则ac值越小,触发斜坡失稳所需要的地震力就越小,斜坡在地震作用下越不稳定。

图 2 九寨沟Ms7.0地震区域斜坡临界加速度(a)与地震动峰值加速度(b)分布图 Figure 2 Distribution diagrams of critical acceleration and peak ground motion acceleration in the Jiuzhaigou Ms 7.0 earthquake region

采用地震动经验衰减关系[21]估算了震区水平向地震动峰值加速度场(PGA),初步解决了台站相对稀疏导致区域强震动参数难以获取的问题。通过与国家强震动台网中心发布的四川九寨沟地震加速度记录分析结果对比,显示九寨、百河等4处强震台站的实测记录与估算值衰减趋势一致,二者量值较为接近(见图 2b),研究成果可供区域地震滑坡及工程震害调查研究参考。估算地震动分布呈瘦长椭圆形,其中,PGA≥0.4 g区面积约580 km2,估计烈度可能达Ⅸ度以上,主要影响丰雪塘、九寨沟镇、干海子和日则等4个城镇;0.2 gPGA<0.4 g区面积约2200 km2,估计烈度可能达到Ⅷ度;0.1 gPGA<0.2 g区面积约6000 km2,估计烈度约Ⅶ度(见图 2b)。

3.3 区域地震滑坡位移分布

在获取震区斜坡临界加速度ac与地震动峰值加速度PGA分布基础上,利用徐光兴等[22]建立的地震滑坡位移预测公式,初步完成极震区同震滑坡位移分析(见图 3)。参考王秀英[23]针对汶川地震斜坡失稳临界位移的讨论与Legg等[24]统计分析的位移值与潜在破坏强度等级的关系,当位移值大于2 cm,表层松散的岩质坡体就可能失稳,滑坡危险性较高;而当预测位移值小于0.5 cm,通常意味着没有斜坡失稳的明显趋势。鉴于此,将同震滑坡强度分为“高(>2 cm)、中(0.5~2.0 cm)、低(<0.5 cm)”3级。根据滑坡位移分析结果,可知同震滑坡活动的中-高强度区分布在震中两侧宽约4 km的带状区域内,整体沿北西方向延伸,其中极震区的丰雪塘、日则和干海子等城镇驻地及附近道路的滑坡强度相对较高,这与此次地震滑坡遥感解译初步结果较为一致[16]。通过震前高分一号和高分二号,以及震后高分二号卫星影像对比分析,表明九寨沟地震诱发的滑坡类型以浅表型碎屑流及小规模崩塌为主,且同震碎屑流多是在震前已有碎屑流的基础上进一步活动扩展而来(见图 3中A、B区);通过典型地区滑坡位移分析结果与震前、震后影像对比,显示出滑坡位移分析结果能够较好的反映同震滑坡的宏观分布特征。而后续余震和汛期降雨,还会加剧地震碎屑流堆积体和震裂山体的持续变形甚至再次失稳,而震后汛期泥石流隐患也不容忽视,应重点关注红色区域内的安置点和道路等基础设施周边地段;加强泥石流沟谷的调查评价和精细化气象预警预报,控制链式灾害风险。

图 3 九寨沟Ms7.0地震极震区同震滑坡位移分布图 Figure 3 Distribution diagrams of the estimated Newmark displacements in the Jiuzhaigou Ms 7.0 earthquake region
4 结论与建议

基于地震滑坡危险性评估的Newmark累积位移模型,利用震前获取的震区地形数据、区域地质资料,结合地震动近实时获取技术,开展了四川九寨沟Ms 7.0级地震诱发滑坡的应急快速评估,显示出滑坡位移分析结果能够较好的反映同震滑坡的宏观分布特征,可为支撑应急救灾工作服务。九寨沟地震同震碎屑流多是在震前已有碎屑流基础上进一步活动扩展而来,后续余震和汛期降雨,还会加剧滑坡堆积体和震裂山体的持续变形,甚至再次失稳,埋下次生灾害隐患。

开展地震滑坡应急快速评估,在兼顾时效性的同时更要考虑可靠性。现阶段Newmark位移预测模型的改进、区域-全国尺度的地层岩性工程地质特征参数数据库建设及震后可靠地震动数据的快速获取,是制约Newmark方法应用于震后地震滑坡应急快速评估的主要问题。本文基于100万比例尺的地质图获取斜坡岩性参数,利用国内Newmark位移公式的初步成果开展预测评价,尽管在区域尺度上评估结果较好,但在场地尺度上吻合程度欠佳。因此,后续应加强Newmark累积位移方法基础研究,如进一步开展Newmark累积位移与地震动参数的优化组合关系研究,尽快建立适用于我国的Newmark位移预测模型;同时,建议进一步加强中-大比例尺地质资料共享机制,通过融合具有相关业务优势单位的大数据和地质云平台,逐步建立区域-全国尺度的地层岩性工程地质特征参数数据库,逐步提升部局日常和应急技术支撑服务的能力。

致谢 中国地质调查局航空物探遥感中心郑雄伟团队为本项研究提供了九寨沟地震震前和震后的高分系列卫星影像,谨表感谢。

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