引用本文
兰剑, 陈晓利. 2008年 MS8.0汶川地震诱发滑坡灾害在映秀地区的演化特征 [J]. 地震地质, 2020,42(1): 125-146.
LAN Jian, CHEN Xiao-li. EVOLUTION CHARACTERISTICS OF LANDSLIDES TRIGGERED BY 2008 MS8.0 WENCHUAN EARTHQUAKE IN YINGXIU AREA [J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(1): 125-146.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.01.009
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2008年 MS8.0汶川地震诱发滑坡灾害在映秀地区的演化特征
兰剑, 陈晓利
中国地震局地质研究所, 活动构造与火山重点实验室, 北京 100029
*通讯作者: 陈晓利, 女, 1969年生, 研究员, 主要从事地震地质灾害研究工作, E-mail: chenxl@ies.ac.cn。

〔作者简介〕 兰剑, 男, 1994年生, 现为中国地震局地质研究所构造地质专业在读硕士研究生, 主要从事地震地质灾害研究, 电话: 18500237763, E-mail: lanjian@ies.ac.cn。

收稿日期: 2019-06-19
基金项目: 国家重点研发计划项目 “强震区特大地质灾害致灾机理与长期效应研究”(2017YFC1501004)资助
摘要

强烈的地震不仅能够在山岳地区触发大量的同震滑坡, 对震后灾区地质灾害的发育水平也存在重要影响。 因此, 研究地震滑坡的演化特征对于强震区地质灾害防治具有重要作用。 文中以2008年 MS8.0汶川地震震中附近受到强震扰动的映秀为研究区, 通过对该区域(面积约66km2)震前1期(2005年4月)、 震后5期(2008年6月、 2011年4月、 2013年4月、 2015年5月和2017年5月)的高分辨率影像进行滑坡解译和编录, 借助GIS平台, 获取了高程、 坡度、 坡向、 曲率、 地层岩性、 距最近水系的距离和距发震断裂的距离这7个主要因子的数据, 研究地震滑坡的长期演化特征; 同时, 应用相关分析方法对比了不同时期的滑坡活动性强度, 对该区域内汶川地震诱发的滑坡灾害的演化规律进行了研究。 结果表明, 2008—2017年, 研究区内的滑坡总面积急剧减少, 同震滑坡面积从21.41km2降低到1.33km2, 表明震后滑坡的灾害活动程度已经恢复或接近震前水平。 整体而言, 研究区内滑坡的规模不断减小, 滑坡活动性随着时间减弱, 再活动滑坡和新增滑坡数量也相应减少。 滑坡灾害体面积减少的区域主要集中在高程为1 000~2 100m、 坡度为30°~55°、 坡向为40°~180°、 曲率为-2~2的区域。 此外, 汶川地震映秀研究区中的彭灌杂岩体环境更利于滑坡的产生, 而沉积碎屑岩岩性更利于滑坡活动性的恢复。 距最近水系的距离>1 600m时, 水系对滑坡的影响作用逐渐减小, 且研究区地震滑坡存在上盘效应, 即断裂西北地区的滑坡数量远多于东南一侧。

关键词: 强震区灾害; 演化规律; 汶川地震; 地震滑坡; 相关分析
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)01-0125-22
EVOLUTION CHARACTERISTICS OF LANDSLIDES TRIGGERED BY 2008 MS8.0 WENCHUAN EARTHQUAKE IN YINGXIU AREA
LAN Jian, CHEN Xiao-li
Institute of Geology, China Earthquake Administration, Key Laboratotry of Active and Volcano, Beijing 100029, China
Abstract

Strong earthquakes can not only trigger a large number of co-seismic landslides in mountainous areas, but also have an important impact on the development level of geological hazards in the disaster area. Usually, geological hazards caused by strong earthquakes will significantly increase and continue for a considerable period of time before they recover to the pre-earthquake level. Therefore, studying the evolution characteristics of landslides triggered by earthquake is particularly important for the prevention of geological disaster. In this paper, a 66km2 region in Yingxiu near the epicenter of the 2008 MS8.0 Wenchuan earthquake, which was strongly disturbed by the earthquake, was investigated. Firstly, one high-resolution satellite image before the earthquake(April, 2005)and five high-resolution satellite images after the earthquake(June, 2008; April, 2011; April, 2013; May, 2015; May, 2017)were used to interpret and catalog multi-temporal landslide inventories. Secondly, seven primary factors were analyzed in the GIS platform, including elevation, slope, aspect, curvature, stratum, lithology, and the distance from the nearest water system and the distance from seismogenic faults. Finally, the evolution of the landslide triggered by earthquake in this region was analyzed by comparing the landslide activity intensity in different periods, using the methods of correlation analysis, regression analysis, and single-factor statistical analysis. It was found that the total area of landslides in the study region decreased sharply from 2008 to 2017, with the area of the co-seismic landslide reducing from 21.41km2 to 1.33km2. This indicates that the magnitude of the landslides has recovered or is close to the pre-earthquake level. Moreover, correlation analysis shows that the elevation has a strong positive correlation with the distance from the nearest water system, and a weak positive correlation with the area. Meanwhile, there is a weak negative correlation between the distance from the nearest water system and the distance from seismogenic faults. Overall, the degree of landslide activity in the study region decreased over time, as well as the number of reactivated landslides and new landslides. The region where the area of earthquake triggered landslides decreased mainly concentrated at an elevation of 1 000m to 2 100m, a slope of 30° to 55°, an aspect of 40° to 180°, and a curvature of -2 to 2. In addition, the lithology of the Pengguan complex in the Yingxiu study region is more conducive to the occurrence of landslides, while the sedimentary rock is more conducive to the landslide recovery. When the distance from the nearest water system is more than 1 600m, the effect of the water system on the landslides gradually decreases. Also, the landslides triggered by Wenchuan earthquake in this area have the characteristics of the hanging wall effect, which means, the number of landslides in the northwestern region is much higher than that in the southeast side.

Keyword: geohazard in strong earthquake area; evolution pattern; Wenchuan earthquake; earthquake-triggered landslides; correlation analysis
0 引言

发生在复杂山岳地区的强烈地震会触发大量同震滑坡(Keefer, 1984; Boomer et al., 2002; Yin et al., 2009)。 1994年MW6.7 Northridge地震诱发了约11 000处滑坡(Harp et al., 1995); 1999年MS7.6集集地震触发了约26 000处同震滑坡, 总面积为159.7km2, 山体受到严重破坏, 为2001年Toraji台风触发地质灾害创造了物源条件(Cheng et al., 2005); 2013年MS7.0庐山地震诱发的滑坡约1 120处, 受断裂控制的影响, 滑坡的空间延展分布呈NE-SW向, 主要集中在烈度为Ⅶ 度以上的区域内, 与山脊和河谷的关系较为密切, 呈带状分布(陈晓利等, 2013; Chen et al., 2014); 2017年MS7.0九寨沟地震触发了超过4 800处同震滑坡, 总面积约9.6km2, 滑坡以中、 小型破碎型为主, 也有少量的大型滑坡与碎屑流, 这些同震滑坡多密集分布于发震断层周围, 在空间上呈NE-SW的优势方向(许冲等, 2018)。 这些被地震扰动的地区除堆积了大量的松散沉积物外, 也在一定程度上破坏了山体结构, 为新滑坡的发生提供了丰富的物源和客观条件。 从近年的强震事例中不难发现, 震后地质灾害显著增加的现象将延续相当长的一段时间, 直到灾区的生态和地质环境逐渐恢复, 才会显著地降低并回到震前水平(黄润秋, 2011)。 了解同震滑坡的机理和分布能帮我们改善震前的预防措施, 而研究地震滑坡的演化特征在震后地质灾害治理过程中也尤为重要(Huang et al., 2013)。 2008年5月12日, 四川省汶川县发生了MS8.0地震, 震中位于四川省成都市北西80km的汶川县映秀镇(31.021° N, 103.367° E), 震源深度约14km。 截至2008年6月28日, 该地震共造成69 188人死亡, 374 177人受伤, 另有18 440人失踪(徐锡伟等, 2008)。 由于震区地形陡峭, 强烈的地震动与显著的地壳形变诱发了56 000处同震滑坡, 总面积约811km2, 且大多沿地表主破裂分布(Dai et al., 2011)。 国内外学者对汶川地震诱发的滑坡给予了高度关注, 并发表了大量的研究成果, 所涉及领域包括滑坡的空间分布(Yin et al., 2009; Gorum et al., 2011)、 发生机制(李秀珍等, 2009; Huang et al., 2012)、 滑坡坝和滑坡湖(Cui et al., 2009; Xu Q et al., 2009)等。殷跃平(2009)指出汶川地震诱发的15 000多处滑坡明显受地震断裂控制, 主要沿龙门山主中央断裂带和后山断裂带展布, 且汶川地震触发了体积达11亿m3的安县高川大光包滑坡。 陈晓利等(2011)对汶川地震灾区滑坡分布的总体规律进行了研究, 结果表明87%的滑坡发生在断裂上盘, 80%的滑坡发生在距离断层30km以内的区域, 约55%的滑坡在硬岩和次硬岩中发育, 超过70%的滑坡发生在PGA> 354.0gal的地区。 然而, 以上工作主要研究了汶川地震同震滑坡的分布特征、 大型滑坡机制以及地震滑坡造成的次生灾害等, 而关于滑坡长期演化特征的研究相对较少。 Tang等(2016)对震后滑坡的活动等级进行了定义, 并分析了汶川地震震中区域的滑坡活动, 认为地震后的滑坡活动集中在震后前3a内, 随着时间的推移滑坡的活动性大幅降低, 从2008年5月发生的6 727个同震滑坡减少至2015年的66个活动滑坡; Yang等(2017)根据NDVI指数半自动识别了5期滑坡编目图, 分析认为震后5a内不同地形单元中的滑坡面积都在不断减少, 滑坡的活动性渐渐恢复到震前水平, 然而, 震后出现活动性较强的滑坡以及活动滑坡不断增多的现象, 说明滑坡体沉积物被不断从山坡运输至山谷; Fan等(2018)发现震后地震滑坡率随着时间的推移大幅下降, 实际上在震后7a内就恢复至震前水平, 尽管活动程度有所降低, 但大型滑坡比小规模滑坡更难恢复到震前的活动性水平。

本文以汶川地震的震中— — 映秀地区作为研究区, 对区内不同时期的滑坡分布特征进行了量化分析, 以多期高精度影像目视解译得到的滑坡编录图为基准, 结合多次野外勘查结果, 借助GIS平台, 运用相关性分析、 滑坡活动性等级、 量纲-频率分析等方法, 分析不同时期滑坡的变化与高程、 坡度、 坡向、 曲率、 地层岩性、 距最近水系的距离和距发震断裂的距离区这7个影响因子的关系, 以期为地震滑坡的防灾减灾工作提供科学参考。

1 研究区概况
1.1 研究区的自然地理条件

本文的研究区位于2008年MS8.0汶川地震震中的映秀地区, 与汶川县城、 都江堰市区的距离分别为50km和16km, 属于极震区。 该区内的地震灾情十分严重, 映秀镇的烈度达Ⅺ 度, 地震造成5 462人死亡, 3 712人受伤, 5 443人受灾; 房屋建筑几乎全部被破坏和倒塌, 65%的公路段被崩塌体或泥石流毁坏或掩埋, 长25km的输电线路及2 000多亩农田被破坏(于晓辉等, 2009)。 研究区的面积约66km2, 高程为847~3 184m, 人口近1万人, 共包括9个行政村、 31个村民小组(陈桂华等, 2008)。 该区受亚热带季风气候的影响, 年平均气温为13℃, 年平均降雨量为1 134mm, 70%的降雨集中在6— 9月, 8月降雨量达到峰值, 平均为289.9mm。 记录到的月、 日和小时降雨量峰值分别为593mm、 234mm和84mm(Liu et al., 2010)。 该区属山间峡谷的河流地貌, 岷江及其支流— — 二河在此汇流并从区内穿过。 研究区地形的坡度为0° ~86.8° , 平均坡度为34.7° , 平均坡向为170° , 平均曲率为-1.78。 通过2005年研究区的影像图可知, 震前该区域被灌木等植被密集覆盖, 大部分建筑物和农业用地沿河流分布。 地震的发生造成了大面积的滑坡裸露区域, 多年后, 受滑坡影响的山体渐渐被灌木和草覆盖。

1.2 区域地质背景

映秀地区位于龙门山活动断裂带的中央断裂带— — 北川-映秀断裂带上(图1), 研究表明该断裂为汶川地震的发震断裂(Xu X W et al., 2009)。 龙门山断裂带位于青藏高原的东部边界地区, 是青藏高原隆升过程中, 受到华北地块、 鄂尔多斯和华南地块、 四川盆地等高强度块体的阻挡, 在其东缘形成的局部挤压推覆构造带。 受到印度板块持续的NE向挤压作用, 青藏高原东缘构造应力长期积累, 沿龙门山构造带向E挤压, 而四川盆地的阻挡促使长期累积的巨大能量在龙门山推覆构造带— — 北川— 映秀地带突然释放, 导致汶川地震的发生(徐锡伟等, 2008)。 有历史记录以来, 断裂带沿线地区的地震活动频繁, 先后发生了1169年1月24日北川M6地震、 1597年2月14日北川M5地震、 1657年4月21日汶川M6地震、 1958年2月8日北川M6.2地震、 1961年12月4日北川M4.7地震和1966年6月27日北川M4.8地震等(王志华, 2007), 但历史记录中未记载该地区发生过7级以上地震。

图 1 构造背景图Fig. 1 Geological structure background map.

1.3 地层岩性特征

以北川-映秀断裂为界, 研究区中央断裂的北西侧是以坚硬块状岩浆岩(中元古界花岗岩)、 侵入岩岩组(二叠系石英闪长岩, 古元古界辉长岩)和片麻岩系(康定岩群)组成的彭灌杂岩体, 东南侧由沉积岩、 火山岩及火山碎屑岩构成。 彭灌杂岩体的长轴呈NE-SW向延伸, 岩石混染、 混合岩化、 自变质及动力变质强烈, 为超基性— 酸性岩组成的多期复式杂岩体, 其岩性极为复杂(葛华等, 2013)。 沉积岩类以中生界侏罗系上统须家河组一段(T3x1)— 须家河组二段(T3x2)为主, 为海相、 海陆交互相河湖沼泽含煤建造, 火山岩及火山碎屑岩以新元古界苏雄组(Z1Qb)为主, 属陆相基性— 酸性。 沿岷江分布有少量第四系广汉组(Qhg)、 资阳组(Qhz)及现代河流沉积(Qhal), 其岩性主要为砂和砾石(图2)。

图 2 映秀研究区地质图Fig. 2 Geological map of Yingxiu area.

2 数据和方法
2.1 遥感影像

本文使用的遥感影像包括震前1期(2005年4月)和震后5期(2008年6月、 2011年4月、 2013年4月、 2015年5月和2017年5月), 数据来源包括Quick Bird、 WorldView-2、 Pleiades、 Spot5、 Google Earth以及航拍照片, 分辨率为2~2.5m。 2005年4月的影像图用于识别震前边坡失稳, 震后5期的影像图用于解译地震滑坡(表1)。 下面将借助数字高程模型DEM数据, 基于GIS平台提取高程、 坡度、 坡向、 曲率、 地层岩性、 距最近水系的距离和距发震断裂的距离这7个影响因子, 并研究地震滑坡的长期演化特征。

表1 各期遥感影像的基本信息 Table1 Basic information of remote sensing images in each period
2.2 滑坡编录图解译

本文使用目视解译的方法获取了震前、 震后的多期滑坡编录图, 参考许冲(2018)提出的滑坡连续性准则和单体滑坡区分准则等滑坡解译准则, 建立了6期、 3类地震滑坡编录图(图3), 分别为单体滑坡面分布图、 滑坡中心点数据图以及滑坡后缘陡坎最高点位置图。 每一期滑坡编录图都记载了滑坡的多项属性, 包括位置、 日期、 大小、 形状以及借助GIS平台得到的坡度、 坡向、 面积和岩性等, 滑坡的高程数据统一定为滑坡陡坎物源启动区的最高位置。

图 3 多期滑坡编录图Fig. 3 Multi-temporal landslide inventory.

基于Tang等(2016)提出的 “ 滑坡活动性等级” 的定义, 本文用多边形面解译了汶川地震震中地区的同震滑坡、 震后滑坡扩大情况以及新发生的滑坡, 根据每一期滑坡在上一期滑坡边界内所占面积的比进行了滑坡活动性的定性评估(表2), 以2011年的滑坡编录为例, 滑坡活动性等级分布如图 4所示。 这种方法可对震后滑坡的时空演化规律进行定性评估, 但未对滑坡实际的活动区域和体积进行量化, 同时也未分析滑坡尺寸分布模式的变化(Fan et al., 2018)。

表2 滑坡活动性等级 Table2 Levels of landslide activity

图 4 2011年滑坡活动性等级分布图Fig. 4 Distribution map of landslides activity levels in 2011.

本文在研究区的重点区域进行了详查, 并使用无人机对地形地貌进行了扫描, 分析并记录了滑坡的坡向、 坡角、 高度、 两侧边界的长度、 滑坡体的物质组成、 岩性、 基岩产状、 后缘陡坎形态、 前缘堆积体对河流河道的改造和植被发育等情况, 获取了所需的研究数据。 在研究中结合室内影像解译结果, 使二者互为补充, 以确保结论更为充实可信。

2.3 相关性分析

相关性分析是研究2个或2个以上处于同等地位的随机变量间相关性的统计分析方法。 R值为皮尔逊相关系数, 代表相关强度, 即2个变量共变性的程度, 其取值范围为[-1, 1]。 p值表示显著性, 与皮尔逊相关系数的显著性检验有关, 当p< 0.05时表示相关性显著, 即在当前的样本下可明显观察到2个变量相关, 由此得出的相关性才有统计学意义。

2.4 量纲-频率分析

对某个测量值的大小与频率进行分析, 是揭露不同自然灾害演化模式的一种较好的方法。 通常情况下, 这种关系近似于对数正态分布下的幂律关系(Houvius et al., 1997)。 在该分布关系图中通常存在一显著的转折点。 由于影像分辨率较高, 系统欠采样的可能性不大, 故可将此转折点视为数据偏差, 其是由于某些物理原因造成的(Pelletier et al., 1997)。 本文运用该方法计算得到5期地震滑坡面积的频率密度分布和概率密度分布(Malamud et al., 2004), 具体方法和步骤见图5。

图 5 量纲-频率分析流程图Fig. 5 Flow chart of magnitude-frequency analysis.

3 研究结果
3.1 多期滑坡编录图

通过对该区域(面积约66km2)震前1期(2005年4月)、 震后5期(2008年6月、 2011年4月、 2013年4月、 2015年5月和2017年5月)高分辨率影像滑坡的解译和编录, 获得了地震前后10a内的滑坡灾害数据。 表3汇总了不同时期滑坡的数量、 面积等信息。 可以看出, 2005年汶川地震前出现了8个滑坡, 面积约0.11km2; 2008年出现304个同震滑坡, 覆盖面积为21.41km2; 震后2011年出现200个再活动滑坡、 35个新滑坡; 2013年出现172个再活动滑坡、 18个新滑坡; 2015年出现128个再活动滑坡、 24个新滑坡; 2017年出现88个再活动滑坡、 11个新滑坡。 随着时间的推移, 无论是滑坡的数量还是面积都急剧减少。 研究区域内2008年同震滑坡的总面积为21.41km2, 2011年、 2013年、 2015年和2017年滑坡的总面积分别为9.25km2、 5.20km2、 2.87km2和1.33km2。

表3 多期滑坡编录图信息汇总 Table3 Summary of multi-temporal landslide inventory
3.2 相关性分析结果

为了得到不同因素之间的相关性, 本文根据每一期编目图对滑坡的影响因子进行了相关性分析, 其中2008年的结果见表4。

表4 2008年的相关性分析结果 Table4 Correlation analysis of 2008

综合5期滑坡编录图的相关性分析结果, 对具有相关性的因子的相关系数求取5期平均值, 得到高程和面积的相关系数为0.21, 高程和坡向为-0.3, 高程和坡度为0.19, 高程和距最近水系的距离为0.6, 距发震断裂的距离和距最近水系的距离为-0.35。 由此可知, 高程和面积之间存在弱正相关性, 即滑坡的高程越高, 一般滑坡的面积也越大; 高程和坡向之间存在弱负相关性, 即高程越高, 研究区内滑坡坡向朝NW向的数量越多; 此外, 高程和坡度存在非常弱的正相关性, 高程和距最近水系的距离之间存在强正相关性, 距发震断裂的距离和距最近水系的距离之间存在弱负相关性。 为了验证以上相关性结果, 我们对2008年的高程和坡向以及2013年的高程和面积进行了线性拟合, 结果如图 6所示。

图 6 线性拟合结果Fig. 6 Linear fitting results.

从图 6可知, 2008年的数据显示高程和坡向呈反比:

坡向=-0.7262×高程+291.13429（1）

而2013年的数据显示高程和面积呈斜率较小的正比关系:

面积=47.89854×高程-59231.19376（2）

由此可知, 前文得到的线性拟合结果能够佐证变量之间的相关性。

3.3 滑坡面积-频率分布

为了量化研究区地震滑坡的数量和面积的演化特征, 本文对解译的2008年同震滑坡和震后4期滑坡进行了频率密度和概率密度分析(图7)。 如图 7所示, 对于同一纵坐标值附近的点, 具有2008年曲线居最右侧, 向左2011年、 2013年、 2015年和2017年依次出现的规律, 根据图 5所介绍的分析方法可知, 当步长面积越大时, 其内所含的滑坡数量越多才能得到相似的频率密度值, 因此2008年的地震触发了数量最多的同震滑坡, 而震后滑坡再活动和新产生的滑坡则随着时间逐渐减少。 除转折点的位置外, 5期曲线有着近似的曲率, 且在高面积处会聚。 2008年曲线的转折点对应的面积为7 087m2, 震后的2011年、 2013年和2015年的曲线转折点对应的面积分别为4 977m2、2 699m2和1 622m2。 综合5期曲线来看, 转折点随着时间的推移而逐渐向小面积滑坡迁移, 说明滑坡规模在不断减小。 2008年的频率密度散点图在转折点之前存在异常点, 这与该异常点所在步长区间内的滑坡数量较少或目视解译过程中存在误差有关, 而2017年的曲线没有出现清晰的转折点, 可能是每个区间内滑坡数量太少的结果, 或者由水文的差异性所致。

图 7 5期滑坡编目频率密度和概率密度分布图Fig. 7 Frequency density(a)and probability density(b)of multi-temporal inventory of 5 years.

同时, 本文对不同期次、 不同活动性等级的滑坡的演化特征进行了频率密度分析, 结果如图 8所示。 对于横坐标相同的步长面积, 当滑坡数量越多则频率密度值越大。 由此可知, 2011年内活动性为A3的滑坡占主导, 经过2013年、 2015年的发展, 到了2017年, A0级别的休眠期滑坡体则在小面积范围内超过了其它活动等级滑坡的数量, 且数量逐渐增多。 因此, 滑坡活动性会随着时间减弱, 且A0级别的休眠期滑坡体逐渐增多, 而再活动滑坡的数量则会减少。

图 8 震后4期滑坡活动性等级频率分布图Fig. 8 Frequency density of landslides activity levels after earthquake.

3.4 滑坡的活动程度与影响因子的关系

强震区滑坡的演化受各种影响因子的控制, 包括地形地貌、 地层岩性、 水文、 地质构造等。 本文选取了高程、 坡度、 坡向、 曲率、 地层岩性、 距最近水系的距离以及距发震断裂的距离这7个影响因子, 以映秀地区多期滑坡为研究对象, 采用单因素统计分析方法研究区域各影响因子与滑坡活动程度的关系。

3.4.1 高程

滑坡一般会在某个高程范围内集中出现(田颖颖等, 2015)。 本文中滑坡的高程均取为后缘陡坎最高点的高程, 以100m为间隔, 统计该间隔内的滑坡面积, 一共将高程划分为22个区段(图9)。 整体而言, 2008年的同震滑坡面积远大于其它年份, 说明地震后滑坡的活动性在逐渐恢复, 每一期滑坡都出现了面积由大到小、 由小变大的反复波动。 高程< 2 100m的滑坡, 其面积随着时间显著减小, 总面积下降的滑坡对应的高程主要集中在1 000~2 100m, 2008年该高程范围内的滑坡面积为17.75km2, 而2017年则只有0.67km2, 共减少了17.08km2。 2 000~2 100m高程范围内, 滑坡面积从2008年的3.19km2减少至2017年的0.12km2, 变化率为96%, 减小幅度最大。1 700~1 800m处, 2008年和2011年的滑坡面积变化不明显, 分别为1.54km2和1.39km2, 但随后几年显著降低。 高程> 2 100m的滑坡面积在5期数据中的变化均不明显, 只是在2 600~2 800m处出现了面积较大的异常高点, 这与该高程范围内发育有1处大滑坡有关。

图 9 滑坡分布与高程的演化特征图Fig. 9 Evolution characteristics of landslide distribution and elevation.

3.4.2 坡度

坡度是影响滑坡分布的因素之一。 坡度越大, 地震波的地形放大效应越显著, 则越容易导致滑坡(刘洪兵等, 1999)。 使用同样的方法分析滑坡的坡度, 以5° 为间隔, 将坡度划分为13个区间, 计算每个区间内滑坡的总面积, 由此得到坡度与滑坡面积之间关系(图10)。 可以看出, 5期曲线均出现1个拐点, 其所在坡度范围内的滑坡活动程度最高, 坡度小于拐点对应值的滑坡, 随着高程增加面积增大; 而坡度高于拐点对应值的滑坡面积随着高程的增加而减少, 2008年的拐点在45° ~50° 区间, 面积为5.26km2, 2011年、 2013年的拐点都在40° ~45° 区间, 面积分别为2.60km2和1.98km2, 2015年的拐点在35° ~40° 区间, 面积为1.29km2, 2017年的拐点在40° ~45° 区间, 面积为0.42km2。 坡度为45° ~50° 的滑坡面积减少的幅度最为明显, 由2008年的5.26km2降低至2017年的0.42km2, 变化率为92%。 坡度为30° ~50° 的区域集中了绝大多数滑坡, 属于滑坡的易发区间, 坡度< 30° 的平缓滑坡和坡度> 50° 的陡峭滑坡面积占比较小。 由于震后滑坡逐渐恢复的趋势, 早年的曲线可包络下一年的曲线。 30° ~55° 的坡度区间内滑坡的面积急剧下滑, 由2008年的16.87km2降低到2017年的1.06km2, 减少了15.81km2, 导致了滑坡总面积的下降。

图 10 滑坡分布与坡度的演化特征图Fig. 10 Evolution characteristics of landslide distribution and slope.

3.4.3 坡向

非地震滑坡的坡向效应主要来源于不同坡向斜坡的植被、 光照、 降雨等因素的差异。 王朝阳(2008)认为向阳坡的蒸发量大、 土壤含水量小、 植被覆盖率偏小、 降雨量多、 风化程度更强, 因此该坡向更容易发生滑坡灾害。 地震滑坡的坡向效应是由地震因素决定的, 如块体运动的惯性作用、 受力方向、 地震波的传播方向等(许冲等, 2014)。 本文提取了研究区的坡向分布并对其进行分类, 以20° 为间隔, 将360° 分成18个区间, 其中0° 为正N向, 沿顺时针方向角度递增, 计算每个间隔内的滑坡面积(图11)。 2008年、 2011年和2013年中, 坡向为160° ~180° 的S向滑坡面积最大, 分别为3.26km2、 1.34km2和0.98km2, 而2017年该坡向范围内的滑坡面积仅为0.13km2, 减少了3.13km2, 变化率为96%。 N40° ~60° E向的滑坡面积减小幅度最大, 从2008年的2.79km2到2017年的0.04km2, 减少了2.75km2, 变化率为98.6%。 坡向为40° ~180° , 即NE— S向的滑坡面积显著减少, 从2008年的14km2减小至2017年的0.94km2, 导致总面积的降低。 对于大多数滑坡的坡向而言, 2008— 2017年滑坡面积均不断减少。 尽管40° ~180° NE— S向的滑坡面积减少得更多, 但该区间内的滑坡面积还是比同期其它坡向的面积大。

图 11 滑坡分布与坡向的演化特征图Fig. 11 Evolution characteristics of landslide distribution and aspect.

3.4.4 曲率

斜坡曲率是影响滑坡分布的重要地形因素。 祁生文等(2004)认为在地震动力作用下, 凹坡比凸坡和直线型斜坡更容易发生滑坡、 崩塌等现象。 曲率为正值表示凸坡, 负值表示凹坡, 取值为0或者接近0为平直坡。 通过DEM提取曲率并进行分类, 统计各个区段的滑坡面积(图12), 可以发现2008年曲率为-1~0的滑坡面积最大, 为5.51km2, 到2011年减至2.05km2, 减少了3.46km2, 而2017年则变为0.28km2, 变化率为95%。 2011年和2013年曲率为0~1的滑坡面积最大, 分别为3.27km2和1.52km2, 对比2008年的5.24km2可知, 该曲率范围内滑坡面积下降的趋势显著。 2015年和2017年滑坡面积随曲率变化的波动幅度不明显, 曲率对滑坡分布的控制作用逐渐降低。 曲率为-2~2的滑坡所占面积最大, 5期分别为16.71km2、 7.21km2、 4.05km2、 1.86km2和1.04km2, 随时间减少的幅度也最大, 2008— 2017年的变化率为94%, 说明该曲率区间属于滑坡的易发区间。

图 12 滑坡分布与曲率的演化特征图Fig. 12 Evolution characteristics of landslide distribution and curvature.

3.4.5 地层和岩性

岩土体的强度因岩性的不同存在很大的差异, 对边坡的稳定性起着决定作用, 是滑坡发育的重要影响因子(Kamp et al., 2008)。 本文对不同岩性的滑坡面积进行了统计, 横向对比不同岩性滑坡的分布, 侵入岩岩组(二叠系石英闪长岩)和康定岩群(斜长角闪岩, 混合片麻岩、 变粒岩、 浅粒岩夹大理岩)的滑坡占比最多, 与岩性和其区域范围占研究区比例较大有关, 分别为61.1%和26.6%。 图 13展示了研究区随处可见的该岩性滑坡, 位于国道G213旁, 坐标为(31° 5'14″N, 103° 29'14″E), 岩石直径为1cm~1m。 而须家河组和苏雄组岩性区域的滑坡面积分别为4.24km2和1.67km2, 滑坡极少, 与其沉积碎屑岩为主的岩性有关。 纵向对比同一岩性不同期的滑坡可知, 其面积均随着时间减少(图14)。 二叠系石英闪长岩中, 从第一期到第五期, 每期基本均为上一期的50%, 2008年同震滑坡的面积为12.52km2, 而2017年为0.65km2, 减少了11.87km2, 变化率为94.8%。 康定岩群的滑坡面积主要于2008年和2011年大幅减少, 变化率为57.7%。 古元古界辉长岩性的滑坡有逐渐减小的趋势, 但并不明显, 这是由该岩性区域范围较小、 样本量少的原因所致。 而苏雄组和须家河组2个岩性区域的滑坡主要为2008年的同震滑坡, 后3期没有出现滑坡。 以上结果表明, 彭灌杂岩体环境更利于滑坡的产生, 而沉积碎屑岩岩性更利于滑坡活动性的恢复。

图13 G213旁滑坡航拍图(a)和部分滑坡体(b)Fig. 13 Aerial photography of G213 side landslide(a)and partial landslide body(b).

图 14 滑坡分布与岩性的演化特征图Fig. 14 Evolution characteristics of landslide distribution and lithology.

3.4.6 距最近水系的距离

河岸两侧的岩土体具有侧向临空面, 且长期受河流的冲刷侵蚀和水的浸泡作用, 岩土体的成分和结构都会发生变化, 故河流水系对滑坡的发育分布具有一定的控制作用(田颖颖等, 2015)。 滑坡的形成又将导致滑坡体堆积物阻塞河流, 使河流改道, 二者互相影响(图15)。

图 15 滑坡堆积体使河道变窄(a)及废弃的老河道(b)Fig. 15 Landslide deposits narrow the river(a)and abandoned old river(b).

研究区最主要的河流为岷江及其支流— — 二河, 以及山间沟谷发育的水系, 如甘溪、 肖家沟、 小沟和清水驿等。 区内G213和S303这2条重要道路均沿河流分布, 河流和道路附近的特殊地形为滑坡的发育提供了良好的条件。 本文以200m为间隔, 分析了滑坡与最近水系距离之间的关系, 所得结果如图16所示。 在距最近水系400~600m的范围内, 2008年同震滑坡的面积为5.51km2, 2011年减少至0.82km2, 而2017年只有0.05km2, 变化率达99.1%。 总面积减少的滑坡主要集中在0~1 600m距离范围内, 该范围内的滑坡面积在2008年为20.17km2, 2011年为7.67km2, 2013年为3.87km2, 2015年为1.87km2, 而2017年为0.88km2, 共减少了19.29km2。 在1 600m甚至更远的距离内, 5期滑坡面积的曲线接近重合, 面积基本没有变化。 以上结果表明, 汶川地震映秀研究区内距河流水系的距离< 1 600m时, 水系对地震滑坡的活动程度具有一定的控制作用, 但距离> 1 600m时, 水系对滑坡的影响作用逐渐减小。

图 16 滑坡分布与水系的演化特征图Fig. 16 Evolution characteristics of landslide distribution and rivers.

3.4.7 距发震断裂的距离

发震断裂控制地震滑坡的空间分布, 地震滑坡往往沿发震断裂呈线性分布, 距发震断裂越近, 滑坡分布越密集(田颖颖, 2016)。 研究区的北川-映秀断裂是汶川地震的发震断裂, 对滑坡的分布将产生影响。 本文以1 000m为间隔, 统计了5期滑坡的面积与距发震断裂距离的关系, 结果见图17。

图 17 滑坡分布与断裂的演化特征图Fig. 17 Evolution characteristics of landslide distribution and faults.

整体而言, 5期滑坡的曲线轨迹近似, 距断裂不同距离处的滑坡面积都在不断减小, 但减少的幅度不尽相同, 说明滑坡与断裂的距离对地震滑坡活动性的恢复具有促进作用。3 000~4 000m处同震滑坡的面积达到最大值, 为3.57km2, 2011年降低至1.6km2, 2013年为1.1km2, 2015年为0.35km2, 而2017年为0.16km2, 共减少了3.41km2, 变化率为95.5%。 结合滑坡编录图分析, 映秀地区的地震滑坡存在上盘效应特征, 即断裂西北地区的滑坡数量远远多于东南一侧。

4 讨论

本文对高分辨率影像滑坡进行了解译和编录, 借助GIS平台, 分析了映秀研究区同震和震后5期滑坡的面积与高程、 坡度、 坡向、 曲率、 地层岩性、 距最近水系的距离以及距发震断裂的距离这7个影响因子的关系。 由于研究区面积只有66km2, 区内只有北川-映秀断裂(图1), 地质构造简单, 岩性单一, 且坚硬、 较坚硬岩分布面积远远大于沉积碎屑岩分布区, 因此高程、 坡度、 坡向和曲率4个地形地貌因子对研究区内地震滑坡演化的控制作用大于地层岩性、 水系和地质构造的作用。 滑坡灾害体的总面积随时间减小, 高程为2 000~2 100m的区域滑坡面积减少的幅度最大(图9)。 因不同高程的气候、 温度、 岩石风化程度都有所不同, 2008年同震滑坡在该高程范围内触发的滑坡数量最多、 面积最大。 高程为2 600~2 800m的区域出现面积较大的滑坡异常高点, 与该高程解译的1处大滑坡有关, 且植被恢复缓慢。 2008年、 2011年、 2013年、 2015年和2017年5期解译滑坡均表现出坡度越大越容易发生滑坡的规律(图10), 30° ~50° 坡度范围内集中了绝大多数滑坡, 属于滑坡的易发区间, 坡度30° 以下不易达到滑坡体触发的临界条件, 而坡度> 50° 的斜坡难以堆积物源。 坡向为 N40° ~60° E和180° (S向)的同震滑坡最多(图11), 而NE向即为研究区内发震断裂的运动方向, 与断裂运动方向一致的坡体更容易产生滑坡(陈晓利等, 2014); S向(180° )为阳坡, 受太阳辐射强度较大, 地表的水蒸发量大, 故滑坡体内物质的温度受到影响, 坡体的凝聚力降低(王朝阳, 2008)。 后4期S向滑坡的面积占比较多, 说明在没有地震荷载的情况下阳坡更易发生滑坡。 尽管本文根据2008年同震滑坡与曲率的统计结果(图12)得到的地震动力作用下凹坡比凸坡和直线型斜坡更容易发生滑坡、 崩塌等现象的认识与祁生文等(2004)的结论一致, 但随后的2011年、 2013年、 2015年、 2017年凸坡的面积大于凹坡, 说明无地震动力荷载时凸坡的稳定性更差。 许冲等(2010)认为汶川地震滑坡沿发震断裂(龙门山中央断裂)密集分布, 且在断裂交会处更加密集, 滑坡的分布随着与破裂带距离的增大而急剧减少。 而以上结论与图 17中2008年同震滑坡随着与断裂的距离增加面积出现反复变化的统计结果不太一致, 可能是由于研究区的北川-映秀断裂不仅是汶川地震的发震断裂, 同时也是岩性的分界线, 其西北侧为坚硬的花岗岩和辉长岩、 东南侧为沉积碎屑岩所致。

本文中除2017年的资料利用Google Earth的影像进行解译之外, 其余各期均采用高分辨率遥感影像(表1)进行滑坡解译。 随着时间的推移, 2017年发生的滑坡数量和分布面积已接近震前的水平, Google Earth平台上的影像分辨率基本可以支持本文的研究工作, 故没有另行解译2017年的高分辨率遥感影像。 此外, 即使遵循统一标准, 由于主观因素的影响, 不同学者得到和滑坡解译研究成果往往有所差异。 本研究受样本所限, 可能存在一些不足, 今后的工作中将适当选取面积更大的区域作为研究区, 以保证研究样本量充足。

5 结论

(1)2008— 2017年, 研究区内滑坡的总面积急剧减少, 从同震滑坡面积21.41km2降低至1.33km2, 表明震后山体滑坡的活动性已经恢复或接近于震前水平。 研究区域的滑坡活动性程度随时间减弱, 而再活动滑坡和新增滑坡数量则减少。

(2)相关性分析结果显示, 高程与距最近水系的距离呈强正相关, 与面积呈弱正相关, 与坡度呈非常弱的正相关, 与坡向呈弱负相关; 距发震断裂的距离与距最近水系的距离2个因子呈弱负相关。

(3)随着时间的推移, 滑坡规模不断减小, 滑坡的活动性也逐渐减弱。

(4)滑坡面积减少的区域主要集中在高程为1 000~2 100m、 坡度为30° ~55° 、 坡向为40° ~180° 、 曲率为-2~2的区域。

(5)彭灌杂岩体分布区的边坡更易发育滑坡, 而沉积碎屑岩岩性更利于滑坡活动性的恢复; 距最近水系的距离> 1 600m时, 水系对滑坡的影响作用逐渐减小; 研究区的滑坡分布存在上盘效应, 即北川-映秀断裂西北地区的滑坡数量远多于东南一侧。

致谢 审稿人为本文提出了宝贵的意见和建议; 北京林业大学杨文涛老师为本工作提供了支持; 中国地震局地质研究所冯嘉辉硕士在野外工作中予以协助, 马思远博士为本工作提供了帮助。 在此一并表示感谢!

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