成果速递 |许强，彭大雷，范宣梅，等. 甘肃积石山6.2级地震触发青海中川乡液化型滑坡-泥流特征与成因机理| 武大学报信息版
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许强，彭大雷，范宣梅，等. 甘肃积石山6.2级地震触发青海中川乡液化型滑坡-泥流特征与成因机理[J].武汉大学学报（信息科学版）,2024（XU Qiang，PENG Dalei，FAN Xuanmei,et al. Preliminary Study on the Characteristics and Initiation Mechanism of Zhongchuan Town Flowslide Triggered by Jishishan Ms 6.2 Earthquake in Gansu Province[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2024）
DOI:10.13203/J.whugis20240007
摘要
2023年12月18日甘肃积石山县6.2级地震在青海省海东市民和县中川乡金田村和草滩村触发了一起典型地震液化型滑坡-泥流，致使大量房屋被厚达数米的淤泥包围掩埋，因其表现出显著的突发性和超强的流动性，曾被误认为“砂涌”。通过现场调查和遥感解译分析，确认该地质灾害为地震触发的液化型滑坡-泥流，并探讨了其成因机理。结果表明：（1）此次灾害是地震过程中的振动荷载导致台塬底部饱水粉砂层（黄土层）液化，形成滑坡并转化为泥流，泥流沿沟谷流动到达村庄后漫流成灾，并不是传统意义上的就地“砂涌”；（2）滑源区在液化过程中具体表现为溃散性破坏和侧向扩离两种失稳模式；（3）地震触发土体液化多发生在具有明显应变软化特征的饱水颗粒材料（粉质黄土、细砂等）中。此类地质灾害发生具有突发性，失稳后往往呈流体状远程运动，易造成灾难性后果，应引起高度重视。
论文内容
2023年12月18日23时59分甘肃省临夏州积石山县（震中35.70°N，102.79°E）发生6.2级逆冲型地震（图1（a））。此次地震已造成大量房屋损毁甚至倒塌和大量人员伤亡。截至2023年12月31日，该地震造成134人遇难，979人受伤；其中，甘肃117人遇难，青海34人遇难。此次地震Ⅶ度及以上烈度区内共发育1 535处同震地质灾害，主要为中小规模黄土滑坡和浅表层岩质崩塌，集中分布于黄土梁和黄土塬内冲沟两侧、单薄黄土梁两侧以及大型历史滑坡后壁等局部地形较陡峭的部位。但在这些地质灾害中，青海省民和县中川乡金田村和草滩村一带的祁家沟发生了一起特殊泥流灾害，造成95间民房破坏，19条道路中断，13名群众遇难，大量房屋被厚达数米的淤泥包围掩埋（图1（b））。
图1 （a）积石山地震震中及其周边断层分布；（b）官厅盆地地貌特征及中川乡地震滑坡-泥流位置；（c）中川乡地震滑坡-泥流鸟瞰图
1. 中川乡地震液化型滑坡-泥流简介
1）液化型滑坡-泥流工程地质条件
甘肃积石山6.2级地震发生后，笔者团队迅即利用遥感解译对地震产生的灾情进行了快速分析、跟踪研究，并于12月25日—29日开展现场调查研究。结合震前高分辨率的遥感影像、应急管理部国家减灾中心提供的灾后10 cm分辨率无人机影像（表1）、三维实景模型和高密度电法，对本次灾害发育特征和成因机理进行综合分析。
表1 本文所使用的数据集
在近55年的时间里，灌溉系统源源不断的将黄河水输送到黄河阶地上，直到12月18日地震期间部分干渠被毁（图2（a））。为了保证土壤的水分和温度，官亭盆地每年进行冬、春、夏3次大规模灌溉。其中冬灌主要在每年11月下旬至12月中旬。在持续灌溉下，台地底部长期处于饱水状态，通过ERT揭示滑源区的地下水埋深在15～20 m之间，斜坡下方田间地下水埋深在5～10 m（图3）；在本次地震发生前，该区域已经连续进行了3天的冬灌（图2（b））。据地震当天白天的哨兵2号、地震后第二天的无人机影像和现场调查显示，田块表层含水量较高，局部含水量达80%（图2（b）和图2（c）），滑坡后壁底部的土体质量含水率高达23%，季节性冻土影响深度1 m左右。
图2 （a）被滑坡破坏的北干渠渡槽（照片拍摄于2023-12-25）；（b）滑源区耕地表面高含水量情况（照片拍摄于2023-12-25）；（c)Sentinel-2反演斜坡失稳前地表含水率情况
（影像拍摄于2023-12-18）
图3 高密度电法探测的地下水位分布
滑坡源区的钻孔（深度40 m）和滑坡后壁出露剖面揭露，滑坡源区的地层结构近水平（图4），从上到下依次为：（1）0～0.5 m为Q4耕作土壤层，深棕色，粘土质粉砂质地，植物根系发育，生物扰动现象明显；（2）0.5～1.8 m为Q3红黏土层，整体呈红色黏土质沉积，局部呈现灰黑色-红色-灰黑色的变化，有层理；（3）1.8～23 m为Q3粉砂层（黄土层）；浊黄橙色，粉砂质地，明显饱水，看似结构保持完好，轻轻震动后，就会液化变得极为粘稠；（4）23 m及以下（未见底）为Q2砂卵石层。依据滑坡源区底部取样（如图4（b）），颗粒组成测试结果表明，滑坡体以粉粒为主，粘粒和砂粒含量较少。
图4 滑源区地层分布
2）滑坡-泥流发育特征
地震前后遥感解译结果表明（图5（a）和图5（b）），整个灾害影响区面积为0.472 km2。泥流最远运动距离约3.0 km，损毁民房95间，阻断道路19条。中川乡滑坡-泥流形态整体可分为滑源区和流通堆积区两部分（图5（c））。
图5 中川乡地震滑坡-泥流前后遥感图、运动路径及滑坡-泥流分区图。（a）地震前遥感影像（来自Google影像（2022-04-07））；（b）地震后影像及滑坡运动路径；（c）滑坡-泥流分区图
滑源区位于黄河的Ⅲ级阶地台塬上，滑坡后壁呈圈椅状，高度为2~9 m。滑坡区高精度倾斜摄影测量成果显示（图6和图7），滑体长473 m，宽311 m，面积11.35×104 m2，滑动的体积为63.53×104 m3；前后缘高差约30 m，滑源区层面（滑面）视倾角为3.63°，属于近水平滑动。滑源区最大滑动厚度为13.7 m，平均约5.6 m（图7（d））。
图6 滑源区失稳破坏特征。（a）滑源区鸟瞰图（图片来源于兰州大学孟兴民教授团队）；（b）滑源区“卧倒”波浪型地貌（侧向扩离式破坏）；（c）滑源区残留的“内倾”的杨树（醉汉树）；（d）滑源区前缘溃散性破坏；（e）滑源区粉砂土（砂黄土）液化层；（f）滑源区残留的地下水
图7 滑坡区发育特征。（a）灌溉之前的遥感影像图（来自Key Hole影像（1961-11-15））；（b）地震之前的滑源区影像及道路和水渠破坏情况（来自Google影像（2022-04-07））；（c）滑后影像及滑源区分区（来自UAV正射影像（2023-12-19））；（d）滑坡发生前后高程变化分布图
流通堆积区主要位于黄河Ⅱ级阶地上，整体呈“条带状”分布。流通堆积区长2.69 km，后缘最大宽度约40 m，前缘最大宽度约270 m，堆积和掩埋面积35.91×104 m2，前缘与后缘高差为53 m，视倾角为1.13°，平均堆积厚度为2 m（图8）。
图8 滑坡-泥流的流通堆积特征。（a）滑坡-泥流的堆积分区及对建筑物的掩埋破坏；（b）侵蚀区的发育特征；（c）泥流对土坝和祁家沟沟头的冲击破坏；（d）流通区的侵蚀与堆积形态；（e）挖掘出完好的牌坊和硬化道路；（f）堆积区的堆积形态与堆积体的状态；（f）泥流对树干“拥抱状”堆积形态
2.地震触发滑坡-泥流的共性特征
1）我国黄土高原地震类似诱发滑坡-泥流
黄土具有极强的水敏性和动力易损性，历史上黄土高原也发生过由地震触发土壤液化形成滑坡的案例。例如，1920年海原8.5级地震引发多起大规模的黄土滑坡群，具有代表性的是党家岔滑坡和石碑塬滑坡，其中西吉党家岔滑坡滑坡体以500 m的宽度运移了2 km左右；它们是由黄土液化作用引发，具有流动性大、运动距离远、沿缓坡路径行进的特点（图9）。
图9 1920年海原8.5级地震诱发党家岔滑坡（照片摄于1966年）及其区域地形
2）国外地震诱发类似滑坡-泥流
2018年印度尼西亚帕卢7.5级地震造成4 340人死亡，地震引发的几处大规模土壤液化滑坡是造成伤亡的重要原因之一（图10）。值得注意的是，帕卢与中川乡地震滑坡的现象与诱因较为相似：由于砂质土壤的种植业需要大量的地下水灌溉，在干旱区因地制宜发展现代化农业灌溉技术，造成了大片耕地的地下水水位明显偏高。
此外，2018年日本北海道6.6级地震同样引发了部分土壤液化滑坡（图11）。北海道震区主要被火山灰地层覆盖。
图10 2018年印尼帕卢7.5级地震引发土壤液化滑坡
图11 2018年日本北海道6.6级地震引发土壤液化滑坡
3）我国黄土高原灌溉诱发滑坡-泥流
在我国黄土高原上，由于液化形成的黄土滑坡-泥流较为常见，距本次灾害事件直线距离不到50 km的甘肃永靖县盐锅峡镇黑方台，是最具代表性的灌溉型黄土滑坡灾害区之一。自1968年来，在持续灌溉的影响下，地下水位抬升了近20 m，局部抬升了约40 m，在黑方台塬边发生了黄土滑坡200多起，其中代表性类型为静态液化型黄土滑坡，呈现溃散性破坏特征，2015年4月29日发生的党川2号滑坡具有典型的溃散性滑坡特征（图12）。
图12 甘肃永靖县盐锅峡镇黑方台党川2#滑坡发生前和发生后地形地貌
3. 中川乡滑坡-泥流成因机理
地震发生后，奋斗在一线的记者发布了宝贵的救援照片（图13），一些专家根据救援照片和现场非常稀软的泥土，结合以往的工作经验，给出了“青海海东民和县中川乡发生局地砂涌”，并在媒体上迅速传播。
图13 金田村掩埋后照片和搜救现场（新华社摄）
通过金田村现场的堆积体特征和挖掘机开挖救援现场的土层，说明这些非常稀软的泥土是从后山台塬上流下来的（图14），并不是所谓的地震引发的就地“平地泥石流”或“砂涌”。
图 14 （a）金田村泥流堆积呈明显的流动特征；（b）救援现场挖掘的地表以下土壤
2011年Mw 9.0东日本大地震、2018年9月6日日本北海道地震、2021年5月22日青海玛多7.4级地震，在现场均出现多处喷水冒砂现象，并在地表留下砂土堆积证据。此次地震在其他乡镇也出现砂涌现象（图15）。但砂涌的规模往往非常小，很难将房屋包围掩埋。涌出地表的砂土一般也不会远距离流动。
图15 地震土体液化喷砂机制示意图
（现场图片来自中国地震局预测研究所路畅研究员）
土动三轴试验表明，黄土的液化能力与黄土粒度组成、土体微观结构参数及饱和度有密切关系，黏粒含量越低和黄土孔隙比越大，液化能力越强，同一土体饱和度越高，越容易液化（图16）。
图16 地震触发黄土液化特征。（a）应变-孔隙水压力比-振次关系曲线；（b）黄土液化过程中孔隙水压力比-应变关系曲线
根据野外观察和地球物理探测，此次灾害具备以下条件（图17）：（1）滑源区位于台塬Ⅲ级阶地，地势平台，同时底部发育黄土地层；（2）长期灌溉使地下水位抬升，在台塬底部形成了一定厚度的饱水黄土层（图4），尤其是地震前滑坡源区连续三天的冬灌，入渗深度约为3～4 m，致使浅表层含水量相对较高（图2）；（3）该区域处于极震区，地震动背景值最大已接近0.5 g，加上黄土覆盖层对地震波的放大效应（放大1.5~3.0倍）。
图17 地震触发中川乡液化型滑坡-泥流失稳模式
结语
本文较详细介绍了2023年12月18日甘肃积石山6.2级触发的青海省中川乡滑坡-泥流的基本特征，并结合近年来发生于国内外的其他几处由地震和灌溉引发液化滑坡特征的对比分析，探讨了地震液化型滑坡-泥流的成因机理，纠正了民间“砂涌”的认识，得到以下几方面结论：
1）甘肃积石山6.2级触发的甘肃中川乡“砂涌”实为地震液化型滑坡-泥流，形成了一个完整的“地震-液化-滑坡-泥流”地质灾害链，不宜误读为“砂涌”或者“平地泥石流”。
2）此次滑坡-泥流灾害在滑源区呈现出溃散性破坏和侧向扩离两种模式，有别于一般的滑坡。
3）饱水黄土体失稳破坏进入沟谷后呈流体状远距离运动，易造成重大人员伤亡和财产损失，大大增加了防范难度，应引起高度重视。
4）此类滑坡-泥流的形成条件、成因机理、液化判据、监测预警以及风险防控还需进一步深入研究。
阿重说