甘肃积石山地震液化型泥流特征、成因及其对黄河上游盆地地震次生灾害风险评估的启示.pdf
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1、引文格式:刘港,贾俊,张戈,等.甘肃积石山地震液化型泥流特征、成因及其对黄河上游盆地地震次生灾害风险评估的启示J.西北地质,2024,57(2):220229.DOI:10.12401/j.nwg.2024015Citation:LIU Gang,JIA Jun,ZHANG Ge,et al.Characteristics and Initiation Mechanism of the Liquefied Mudflow Causedby Jishishan Earthquake in Gansu Province and Its Enlightenment on Risk Assessmen
2、t of Secondary Earthquake Disasters inthe Upper Yellow River BasinJ.Northwestern Geology,2024,57(2):220229.DOI:10.12401/j.nwg.2024015甘肃积石山地震液化型泥流特征、成因及其对黄河上游盆地地震次生灾害风险评估的启示刘港1,贾俊1,2,*,张戈1,洪勃1,董英1,裴赢1,薛强1,高波1(1.自然资源部黄土地质灾害重点实验室,中国地质调查局西安地质调查中心,陕西 西安710119;2.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,成都理工大学,四川 成都610059)摘要:
3、北京时间 2023 年 12 月 18 日 23 点 59 分 30 秒,甘肃省临夏州积石山县发生 Ms 6.2 级浅源地震,地震在青海省民和县中川乡诱发了一处同震特大型规模泥流灾害,造成了特大型灾难事件的发生。笔者采用现场调查、无人机摄影测量、现场取样及室内测试等研究方法对此次泥流灾害发育特征及成因进行分析。结果表明:该泥流具有典型沟谷型泥石流平面特征,形成区、流通区和堆积区分界明显,泥流主要物源为山前洪积粉质黏土。地震、降雪消融、农田冬灌、低温冻结,为泥流提供了初始动力并抬升了局部地下水位,是该泥流灾害的主要诱因;地形坡度、地层岩性,为泥流提供了后续运动势能和振动液化条件,是该泥流灾害的内
4、因。泥流运移过程中存在侧向和底部铲刮效应,尤其在 3 处流向改变区侧向铲刮、局部堆积显著,最终快速流入沟口金田村和草滩村。分析结果可为官亭盆地乃至黄河上游沉积盆地地震次生灾害风险评价工作提供思路与理论依据。关键词:积石山地震;振动液化;雪融;冬灌;粉质黏土;泥流灾害中图分类号:P642.23文献标志码:A文章编号:1009-6248(2024)02-0220-10Characteristics and Initiation Mechanism of the Liquefied Mudflow Caused by JishishanEarthquake in Gansu Province and
5、 Its Enlightenment on Risk Assessment of SecondaryEarthquake Disasters in the Upper Yellow River BasinLIU Gang1,JIA Jun1,2,*,ZHANG Ge1,HONG Bo1,DONG Ying1,PEI Ying1,XUE Qiang1,GAO Bo1(1.Key Laboratory for Geo-hazards in Loess Area,MLR,Xian Center of China Geological Survey,Xian 710119,Shaanxi,China;
6、2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,Sichuan,China)Abstract:At 23:59:30 Beijing time on December 18,2023,an Ms 6.2 shallow earthquake occurred in Jishis-收稿日期:2024-01-17;修回日期:2024-01-29;责任编辑:吕鹏瑞基金项目:国家自然科学基金项目(421
7、77346),中国地质调查局项目(DD20230443、DD20221739),陕西省自然科学基金青年项目(2023-JC-QN-0288),中国地质调查局西安地质调查中心主任基金项目(XACGS-2022-04)联合资助。作者简介:刘港(1990),男,助理研究员,主要从事地质灾害调查及成因机制分析与研究工作。E-mail:liugang_。*通讯作者:贾俊(1985),男,高级工程师,主要从事地质灾害调查工作。E-mail:。第 57 卷 第 2 期西 北 地 质Vol.57No.22024 年(总 234 期)NORTHWESTERN GEOLOGY2024(Sum234)han Cou
8、nty,Linxia Prefecture,Gansu Province.The earthquake triggered a coseismic giant mudflow inZhongchuan Township,Minhe County,Qinghai Province,resulting in a catastrophic event.Research methodssuch as on-site investigation,drone photogrammetry,sampling,and experimental testing were adopted to ana-lyze
9、the development characteristics and causes of this mudflow hazard.The results indicate that:The mud-flow has typical planar characteristics of valley-type debris flow,with clear boundaries between the formationarea,the circulation area,and the accumulation area.The main source of the mudflow is the
10、piedmont pluvialsilty clay.Earthquake provides initial momentum,while melting snow,winter irrigation of farmland,and lowtemperature freezing raise the local groundwater level,which are the main triggering factors of the mudflow.The topographic slope provides subsequent kinetic energy,and the geologi
11、cal lithology provides condition forvibrational liquefaction,which are the inherent causes of the mudflow.There are lateral and bottom scrapingeffects in the process of mudflow transportation,especially in the three flow direction changing areas,where lat-eral scraping and local accumulation are sig
12、nificant.Eventually,it quickly flows into Jintian Village and CaotanVillage at the mouth of the gully.The results obtained can provide ideas and theoretical basis for the risk assess-ment of secondary disasters caused by earthquakes in the Guanting Basin and even the sedimentary basins in theupper r
13、eaches of the Yellow River.Keywords:Jishishan earthquake;vibrational liquefaction;snow melting;winter irrigation;silty clay;mudflow hazard据中国地震台网,北京时间 2023 年 12 月 18 日23 时 59 分甘肃省临夏州积石山县(震中 E 102.79,N35.70)发生 Ms 6.2 级地震,最高烈度达 9 度,震源深度 10 km。次主震过后该地相继发生了 13 次震级超过 3.0 级的余震。截至当月 22 日 8 时,造成甘肃省和青海省共计 14
14、8 人遇难、979 人受伤和 3 人失联。强震造成饱和砂土或粉土液化的现场并非罕见。例如,1920 年海原 8.5 级地震(白铭学等,1990)、1964年阿拉斯加 9.2 级地震(Plafker,1969)、1976 年唐山7.8 级地震(刘恢先,1989)、1999 年集集 7.6 级地震(Ku et al.,2004)、2008 年汶川 8.0 级地震(袁晓铭等,2009;万飞鹏等,2023)均造成了大面积的砂土液化。然而,在里氏震级相对较小的积石山地震却引发了与振动液化有关的大规模次生灾害泥流,瞬间引起各界人士的关注(王运生等,2023;徐岳仁等,2023;陈博等,2024;铁永波等,
15、2024;李为乐等,2024;许强等,2024)。该泥流发生于距震中约 9 km 的官厅盆地,造成青海省海东市中川乡金田村和草滩村大面积房屋被埋,死亡人数高达 34 人,受伤 198 人,掩埋房屋65 栋,破坏农田近 200 亩,阻断道路数千米,损毁 1 座高压输电塔(图 1),受灾面积高达 6104 m2。研究团队于灾后第一时间采用无人机航测、现场取样与室内试验等手段,从泥流基本特征调查和液化层物理力学特性等方面探讨本次泥流灾害的形成过程与成因机制,为今后黄河上游同类型沉积盆地的震前泥流灾害风险调查评价及防治提供理论依据。1泥流灾害特征 1.1基本特征此次泥流发生在黄河河流阶地和山前洪积扇交
16、汇处,地形北高南低。平面形态典型,可明显区分形成区、流通区和堆积区(图 2)。泥流发生前,沟脑(形成区)主要是农田且相对平缓;沟道(流通区)为季节性流水,冬季仅中上游洼地存在少量积水(池塘),紧邻池塘南侧的村道将沟道分为上下两段,沟道狭长;沟口(堆积区)主要为下游金田村、草滩村及下部农田(图 2a)。泥流发生后,形成区物源物质一方面沿沟道向南流动形成泥流主体,一方面向东滑动(滑向 95),形成滑坡堆积于东侧农田;流通区基本沿原有沟道流动,但存在明显的底部和侧向铲刮效应,并且在沟中部池塘附近发生淤堵扩离,部分泥流堆积于此;堆积区主要淹没位于沟口的金田村和草滩村部分道路及居民房屋,最远处达下游农田
17、(图 2b)。经无人机测量,本次泥流后缘高程约为 1 800 m,前缘高程约为 1 716 m,相对高差为 84 m,小流域总长度约为 2 800 m,纵坡降为 30。冬季因无农作物生长,植被覆盖度低,仅沟内生长乔灌木和矮草。形成区第 2 期刘港等:甘肃积石山地震液化型泥流特征、成因及其对黄河上游盆地地震次生灾害风险评估的启示221(图 3a)近似呈扇形,总面积约为 13104 m2,泥流发生后,局部最大下错深度为 15 m,平均下错深度为 4.5 m,物源方量约为 58.5104 m3,坡降比为 50,形成区发育的小型低角度滑坡堆积体(图 2b、图 3b)方量约为5104 m3。流通区(图
18、3c)形态狭长,长度为 1.2 km,平均宽度为 40 m,坡降比为 25,受源区泥流的冲击,流通区沟道两侧相对松散层也被卷入泥流之中,并出现 3 处明显的流向转变(图 2b),流通区堆积体(图 2b、abcda.堆积区房屋掩埋;b.堆积区村道堆积;c.堆积区大范围堆积体;d.形成区高压输电塔倾倒折断图1积石山地震诱发中川乡泥流灾害特征Fig.1Characteristics of mud flow dizaster in Zhongchuan township induced by Jishishan earthquake ab泥流范围形成区流通区滑坡形成区堆积流通区堆积堆积区地表水体泥流范
19、围流向取样点流向改变位置00.25 km00.25 kmNSWENSWEa.震前影像,2020 年 12 月天地图;b.震后影像,2023 年 12 月天地图图2泥流发生前后遥感影像Fig.2Remote sensing images before and after the occurrence of mudflows222西北地质NORTHWESTERN GEOLOGY2024 年图 3d)方量约为 1.84104 m3。堆积区(图 2b、图 3e)平面形状近似呈“纺锤形”,坡降比为 10,面积约为20 万 m2,最大厚度约为 5 m,多处淹没屋顶(图 1a),平均厚度为 3 m,堆积区土
20、方量约为 60104 m3。根据滑坡崩塌泥石流灾害调查规范(150 000)(DZ/T 0261-2014)(中 华 人 民 共 和 国 国 土 资 源 部,2014),泥流规模为特大型。走访调查发现,地震发生后约 10 min,有居民看到泥流到达村上方农田,由此估算泥流的平均流速为 23 m/s。1.2地层岩性经现场调查,绘制沿沟道流向的剖面图(图 4),由图可知,该地区主要出露岩性从上至下依次为耕植土、全新统(Q4pl)山前洪积物、全新统(Q4al)和上更新统(Q3al)河流冲积物及新近系泥岩(图 4)。农田耕植土处于最上层,厚度为 01 m,在泥流形成区分布广泛;山前洪积包含上下两层,上
21、层为红黏土,厚度为1.52.0 m;下层为粉质黏土层,现场钻孔揭露其厚度不小于 18 m,为此次泥流提供了主要的固体物源。调查结合官亭盆地河流阶地结构(张小虎等,2005),认为流通区和堆积区主要位于黄河二级阶地(T2)之上,形成区位于黄河三级阶地(T3)之上,二级阶地上部岩性主要为全新统(Q4al)水成黄土和卵石层,三级阶地 abceda.形成区;b.形成区滑坡;c.流通区;d.流通区堆积体;e.堆积区图3泥流典型无人机照片Fig.3Typical UAV photos of the mudflow 1 8201 7801 7401 7001 660高程/m04008001 2001 600
22、2 0002 4002 800距离/m形成区流通区堆积区Q4plQ4plQ4alQ3alNN160全新统洪积红黏土原始地形线全新统洪积粉质黏土现今地形线上更新统/全新统冲积黄土推测液化面上更新统/全新统冲积卵砾石推测地下水位线新近系泥岩地层界限逆流堆积体居民房屋图4中川乡地震液化型黄土泥流剖面Fig.4Seismic liquefaction type mudflow profile in Zhongchuan Township第 2 期刘港等:甘肃积石山地震液化型泥流特征、成因及其对黄河上游盆地地震次生灾害风险评估的启示223 上部岩性主要为上更新统(Q3al)水成黄土和卵石层,两个阶地下部
23、岩性为新近系(N)泥岩。本次泥流的主要物源为位于三级阶地顶部的山前洪积层(下部黄色粉质黏土为主,夹带上层少量红黏土)。泥流所处的官亭盆地,在历史上曾发生过大规模地震诱发的灾难性事件,即 4 000 年前喇家遗址(夏正楷等,2003),与泥流仅相隔不到 5 km,说明此处地层岩性特征易受地震影响,坡体稳定性对地震因素较为敏感。1.3诱发因素中川乡泥流与积石山 Ms6.2 级地震相隔仅数分钟,属同震次生灾害。积石山地震提供了震动来源,是该泥流的最直接诱发因素。调查发现,泥流形成区局部地下水位偏高,原因是降雪消融、农田冬灌造成了地下水补给增加,而低温冻结导致地下水向沟脑排泄通道受阻,即融雪和冬灌入渗
24、、低温浅表层冻结是除地震之外的几大诱发因素。2泥流液化层物理力学特性泥流的固体物源位于黄河三级阶地之上,以振动液化的洪积饱和粉质黏土层为主,含少量上层红黏土(图 5)。开展液化土层的粒径、塑性以及剪切参数测定,查清土质本身的物理力学性质,以为泥流形成机理分析提供数据基础。取样点图5泥流形成区地层岩性及物源Fig.5Stratigraphic lithology and material sources in mudflowformation areas 2.1液化层粒径特征笔者分别在形成区、流通区和堆积区对液化土进行取样(图 2b),编号分别为土样 1、土样 2、土样 3,作为液化判别对照,在
25、液化层上层红色粘土层中也进行取样(图 5 上层取样点),编号为土样 4。采用 Better-size 3000 激光粒度仪对上述 4 组土样进行粒组测定。测试结果见图 6。采用液、塑限联合测定仪测试液化层土壤的塑限和液限,得到塑限为 19.24%、液限为 30.48%,塑性指数为 11.25。按照砂粒、粉粒、粘粒成分统计测试结果(表 1)。根据岩土工程勘察规范(GB50021-2001)(中华人民共和国建设部,2001),结合土壤成因、颜色、粒径分布特征,进一步确定泥流形成区液化层(土样 1)为粉质黏土,液化层上层红色土壤(土样 4)为红黏土。特别需要注意,振动液化通常发生在饱和砂土或粉土层内
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