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魏良帅, 梁 波, 刘民生, 吴 森, 肖维阳, 刘 勇
(1. 中国地质科学院探矿工艺研究所, 四川 成都 611734; 2. 四川省地质工程勘察院集团有限公司,四川 成都 610072; 3. 九寨沟风景名胜区管理局, 四川 阿坝 623402)
2017 年8 月8 日,四川省阿坝藏羌族自治州九寨沟县发生7.0 级地震,共造成25 人死亡,525 人受伤,6 人失联。
此次地震震中位于九寨沟景区丹祖沟北侧支沟北端,最大地震烈度Ⅸ度(图1),其中:Ⅸ度覆盖景区 92.8km2, Ⅷ度覆盖景区349.6m2,Ⅶ度覆盖景区277.6km2。
受地震影响,九寨沟景区部分景观体震损,其中著名的诺日朗瀑布钙华体局部出现地震裂缝,并发生小规模坍塌(魏良帅等,2017①)。
图1 8·8 地震九寨沟景区地震烈度图Fig.1 The map of earthquake intensity of Jiuzhaigou Earthquake 8·8
震后景观震损是指地震波造成地面震动或诱发地质灾害对景观体的破坏、损毁等现象。
前人对震后效应开展了大量的研究,然而研究内容涉及震后景观震损较少,研究方向也不尽相同。
大部分学者从事震后景观损毁程度、影响因素和发展趋势等方面的研究,为景观保护提供决策支持(刘兆文等,2019;Wang et al,2018;Chen et al,2018),部分学者则从地震遗迹旅游资源开发的角度和视角进行研究,通过分析地震旅游资源特征,提出震后旅游开发总体思路(余波等,2011;郭建强等,2009;邱月,2009),卢云亭等(1989)从地震的资源效应角度对震迹、震迹旅游资源的特点和类型进行了系统的划分。
九寨沟景区拥有世界自然遗产、国家级自然保护区、国家地质公园等诸多头衔,“层湖叠瀑”是其特有的景观系统,地震和次生灾害对景区造成了较大的破坏,震后生态环境变化和自然灾害对景观资源的影响研究工作较为深入(曹俊等,2021;罗路广等2020;王绚等,2020;夏冰等,2020;梁靖等,2019;莫裕科等,2019; Li et al,2019;张春敏等,2008),李磊等(2019)通过模拟景观格局在地震作用后的变化情况,为震后重建以及景观规划提供参考,刘民生等学者从宏观角度阐述了地震对九寨沟景区层湖叠瀑景观的影响(曹俊等,2021;蒋先逞豪等,2021;宋伟等,2020;Hu et al. ,2019;刘民生等,2017),上述研究成果多为地质环境条件变化和景区景观稳定性宏观评价,对单体景观破坏成因分析及稳定性评价内容甚少,仅范明明等(2020)从火花海单体景观修复材料研发方面做了大量工作,本次研究以诺日朗瀑布景观体为研究对象,通过现场调查、数值模拟和监测资料综合分析等手段,分析钙华震损过程,为景观保护和修复提供科学依据。
诺日朗瀑布位于九寨沟三条主沟交汇处的日则沟沟口,是九寨沟四大钙华瀑布景观之一,以雄伟壮观闻名于世(图2),从地质演化过程分析,日则沟和则查洼沟冰川退缩,在两沟交汇处形成“盘谷”,则查洼沟冰融水对日则沟冰川终碛垄侵蚀下切形成陡坎,创造了叠瀑形成地貌条件,日则沟沟水流经此处形成叠瀑,在水流系统中,瀑布段钙华沉积演化,最终以壮丽的姿态呈现于世人面前(邓贵平,2011)。
图2 震前诺日朗瀑布景观Fig.2 Nuorilang waterfall landscape before the earthquake
1.1 地质环境条件
诺日朗瀑布高程 2365m,瀑高 24.5m,瀑宽310m,垂直于日则沟呈NW—SE 向弧形展布,由大小20 个钙华湖泊组成的诺日朗群海紧邻其后,各钙华湖泊(海子)形态相近, 多呈近椭圆形、椭圆形横向展布,但其大小、形状、深度等又不尽相同,最大的海子长185m,宽45m,最小的海子长仅 20m,宽15m,海子水深多在7 ~20m,最深可达23m(甘建军和郑黎明,2007;甘建军,2007)。
诺日朗瀑布坝体地层结构由上至下分别为无水的强风化钙华、含水的强风化钙华和冰碛碎块石土,下伏基岩为石炭系岷河组二段(Cm2)灰、深灰色薄-厚层生物碎屑灰岩、白云质灰岩偶夹燧石灰岩。
无水的强风化钙华厚约2m,含水的强风化钙华厚度可达16m,厚度约20 m 的冰碛碎块石土构成了钙华沉积的骨架。
诺日朗群海补给和排泄的动态关系相对稳定,但由于钙华溶蚀漏斗发育,有部分湖水沿漏斗底部钙华裂隙下渗形成潜流从地下进入树正沟,在诺日朗瀑布底部西侧及东南侧以泉的形式出露,或在下游地势低洼处涌现。
1.2 钙华景观成因
诺日朗瀑布钙华景观形成于全新世,其景观体的形成、发展是地壳差异性抬升和冰川、岩溶、重力和水流四种地质共同作用的结果。
中晚更新世,冰川退缩,在河谷中形成较完整的冰碛堤,构建了诺日朗瀑布的冰碛平台,而在冰碛堤的后侧,则形成一系列冰碛洼地,冰川退缩过程中的冰雪消融及地表水日积月累,形成了镜海景观;晚更新世末,气候转暖,景区内斜坡重力流水作用发育;进入全新世,气候进一步变暖,岩溶作用占主导地位,水流系统中赋存了丰富的钙离子,流经瀑布平台处,因微地貌差异受阻,水层变薄,局部达过饱和而沉积形成钙华体形成景观;全新世以来的岩性风化作用、流水作用等地表风化作用进一步塑造已有的雏形景观,使其更形象、更完美。
2.1 钙华震损情况
8·8 地震造成九寨沟诺日朗瀑布东段钙华体出现地震裂缝,局部发生小规模坍塌(图3),坍塌高度12 ~15m,坍塌体长约20m、宽2 ~4m,厚3 ~5m,坍塌体体积约200m3。
图3 8·8 地震震后钙华体震损现状图Fig.3 Damage status of travertine after Earthquake 8·8
坍塌段后缘现仍发育两条地震裂缝,其中:L1裂缝呈S59°E 向延展,与坍塌面斜交,裂缝长约6.20 m,宽0.35 ~0.50 m,最大可见深度4.20 m;L2裂缝呈S8°E 延展,与坍塌面近平行,自东向西逐渐尖灭,裂缝长约16.40 m,宽0.30 ~0.60 m,最大可见深度2.50 m,控制了长16.40 m,宽3.50 ~6.20 m的欠稳定钙华体,其分布范围见图4。
图4 诺日朗瀑布地质条件及震损分布图Fig.4 Geological conditions and earthquake damage distribution of Nuorilang waterfall
2.2 景观钙华震损过程
受8·8 地震影响,九寨沟景区火花海坝体局部发生溃决,诺日朗瀑布局部钙华体发生小规模坍塌,但两者破坏模式和破损过程有较大差异,火花海的破损过程极快,从地震溃坝到湖水排泄结束仅3 个小时,而诺日朗瀑布震损区(图4)从产生地震裂缝到局部坍塌却历时2 天有余,经历了地震诱发地震裂缝—钙华体表层局部掉块—钙华体局部坍塌—湖水下泄水位降低—钙华体趋于稳定的过程(图5)。
图5 诺日朗瀑布震损过程图Fig.5 Earthquake damage process of Nuorilang waterfall
诺日朗瀑布景观震损破损点位于诺日朗瀑布东段钙华体中,根据其现场震损状况,可将其变形过程分为四个阶段(图6)。
图6 诺日朗瀑布钙华震损过程示意图Fig.6 Schematic diagram of the travertine earthquake damage process of Nuorilang waterfall
(1)自然条件下的钙华旋回沉积阶段。
钙华的沉积是一个漫长的演化过程,受高矿化度水流作用影响沉积形成钙华景观,在长期流水的养护作用下,钙华体稳定性较好,伴随着水流系统和水质的变化,钙华结构进一步演化发展,钙华体逐渐被溶蚀形成钙华岩溶通道,钙华体表面出现钙华漏斗和钙华塌陷坑等现象;水流系统的变化也造成部分钙华失水而逐渐退化,出现变黑、砂化等现象,局部钙华体表面出现裂隙,进而影响钙华体的整体稳定性,在自身重力或其他外动力的作用下,出现局部掉块或坍塌的现象。
(2)地震力作用钙华震损变形阶段。
受8·8地震力的外动力作用影响,钙华体表面溶蚀裂隙逐渐贯通出现表层掉块现象,钙华体内部的钙华漏斗和钙华塌陷坑也在地震力的作用下,连接贯通形成地震裂缝,钙华漏斗的深度直接影响地震裂缝的发育深度,钙华漏斗和钙华塌陷坑的分布特征决定了地震裂缝的发育方向。
(3)水压力和自身重力作用下的钙华体局部拉张破坏阶段。
地震裂缝形成后,诺日朗群海湖水或地表径流流水沿裂缝或钙华岩溶通道汇集于地震裂缝,水位抬升,水压力急剧增加,加之受湖水浸泡作用影响,钙华体中的溶孔、溶隙吸水饱和,钙华体自身重力增加,在水压力和钙华体自身重力共同作用下,裂缝规模进一步扩大从而发生瀑布前缘钙华体局部坍塌。
(4)趋于相对稳定的平衡发展阶段。
诺日朗瀑布钙华体局部发生坍塌后,裂缝完全贯通,形成畅通的径流、排泄通道,地震裂缝中汇集的湖水沿裂缝急速排泄,海子水位和地下水位均下降,水压力降低,水流系统对钙华体以冲刷沉积为主,又进入钙华旋回沉积阶段。
2.3 景观钙华震损机理分析
对本次诺日朗瀑布景观破损变形破坏过程采用二维离散元软件Universal Distinct Element Code(UDEC)进行数值模拟。
UDEC 作为一款功能强大的离散元软件,在解决岩土体大变形、大位移上有着较大的优势,能比较真实的反映岩土体的真实变形特点。
2.3.1 模型建立
以诺日朗群海—诺日朗瀑布景观段作为研究对象,基于现场观察的剖面结构,对原始地形进行恢复,并以实际坡体1∶1 的比例构建二维离散元模型,由于Qhch钙化及Qp
gl冰碛物含泥碎块石岩没有固定产状及结构面,所以模型直接将其简化为正方形小块体,模型建立过程中对景观坡面形态和坡体结构进行了适当的优化,主要模拟诺日朗瀑布景观在地震作用下破损的变形破坏过程(图7)。
图7 诺日朗瀑布钙华震损过程离散元计算模型Fig. 7 Discrete element computation model of travertine earthquake damage process of Nuorilang waterfall
对于本构模型的选取,由于块体单元自身的变形很小,相较于其运动位移可以忽略不计,因此模拟过程中采用理想的刚体本构模型,各结构面之间采用面与面接触的 Couloumb 滑动模型(龚章龙等,2016)。
为了有效减小边界对地震波的反射,提高模拟的准确性,在模型的底部施以粘滞边界,在四周设置自由边界(丁丽萍等,2014)。
黏滞边界通过在边界的法向及切向上设置独立的黏壶(阻尼) 吸收来自模型内部的入射波。
本次模拟使用的力学参数借鉴工程地质手册经验数据(表1)。
表1 岩体力学参数Table 1 Mechanical parameters of slope rock mass
2.3.2 钙华震损机制分析
根据模拟计算结果,诺日朗瀑布钙华震损变形过程表现出振动蠕变、持续拉张、倾倒折断和溃屈破坏4 个阶段(图8)。
图8 诺日朗瀑布景观震损过程演化分析图(X 方向位移云图)Fig.8 Evolution analysis of earthquake damage process of Nuorilang waterfall landscape (displacement nephogram in X direction)
(1)振动蠕变阶段:在地震波作用下,岩土体表现出反复张拉作用,尤其位于突出坡折部位的瀑布前缘,受地震放大效应影响,地震波能量较高,反复拉张作用强烈,使前缘临空条件较好的浅表层钙华体首先出现小规模变形,并逐渐出现拉张裂缝,切割成钙华块体。
(2)持续拉张阶段:在地震力和自重的持续作用下,瀑布中前缘浅表层钙华体变形加剧,浅表层强风化钙华体发生局部解体,坡顶拉裂缝进一步扩张,并向坡体深部延伸,为后缘浅表层强风化钙华体的破损创造良好的临空条件。
坡体中前缘浅表层块体进一步向临空面方向发生位移,尤其是拉裂缝下方,钙华体震损形成的“楔形体”,部分出现架空现象。
虽然拉张变形局限于边坡表层一定范围内,随着拉裂缝的进一步发展,钙华块体受力状态由受压逐渐转变为受拉,产生塑性变形,坡体上部钙华块体向临空面倾倒,钙华体表面震损变形已经形成。
(3)倾倒折断阶段:瀑布中部钙华块体浅表层发生强烈的“悬臂梁”式倾倒-折断破裂,并且向下以阶梯状发展,形成倾向坡外的阶梯状张剪性折断破裂带,钙华块体在重力弯矩的作用下,沿该破碎带发生重力坠覆位移,在瀑布中部岩体浅表层钙华层块体发生倾倒-折断破裂的同时,瀑布前缘已发生的坍塌及掉块而形成了临空面,为后缘钙华体的持续破损提供条件。
(4)溃屈破坏阶段:瀑布中部浅表层强风化的钙华岩体倾倒-折断破裂体沿着坡外方向继续位移,形成上宽下窄的阶坎状拉裂缝,钙华块体表现出极为强烈的倾倒、拉断破裂甚至是滚动,松弛、架空现象十分明显,浅表层的钙华局部坍塌形成。
3.1 区域构造稳定性分析
诺日朗瀑布位于西秦岭造山带与松潘-甘孜造山带的结合部位(图9),可划分为塔藏构造带(Ⅰ)、九寨沟褶皱推覆构造岩片(Ⅱ)、南坪褶皱推覆构造岩片(Ⅲ)和岷江构造带(Ⅳ)等四个构造单元,其中九寨沟褶皱推覆构造岩片呈巨大的飞来峰,掩逆在马尔康向斜之上,形成相对独立的构造体系(张瑞英等,2007),受控于自身内部构造的影响,1933 年叠溪地震、1976 年松潘-平武地震、2008 年汶川地震和2013 年芦山地震发生时,对诺日朗瀑布影响甚微,即使8·8 九寨沟地震震中位于核心景区内,也仅造成诺日朗瀑布景观的小范围局部破坏。
图9 诺日朗瀑布大地构造略图Fig.9 Outline of the geological structure of Nuorilang waterfall
3.2 实地监测数据分析
3.2.1 水流系统监测数据分析
综合分析历年监测研究成果,九寨沟景区各海子(瀑布)、泉点(群)的水位、水温和水化学等指标呈现相对稳定的周期性变化,多年地表径流流量及其变化特征是基本稳定的,未发现突变现象(甘建军等,2010;李前银等,2009;刘俊贤等,2006②)。
景区的构造格局控制了整个景区水循环系统的补、径、排关系,其中主体构造形成于前第四纪,活动性差,较为稳定。
通过震前震后主要地表水监测点的监测数据分析(图10),结合本次调查,九寨沟核心景区景观水流系统总体处于基本稳定状态。
图10 震前震后九寨沟主要监测点水位变化曲线Fig.10 Variation of water table before and after Jiuzhaigou earthquake
3.2.2 裂隙监测数据分析
受地震影响诺日朗瀑布顶部钙华体出现地震裂缝后,九寨沟管理局立即建立裂缝监测点,监测裂缝的变化状态,监测周期仅有2 个月,通过监测数据分析,7#监测点因钙华局部垮塌而消失,其余监测点均在震后呈现加宽的趋势,变幅1.81 ~6.10 cm,变幅均较小,通过人工泄流方式降低诺日朗群海水位后,减轻水流对瀑布钙华体的冲刷、损毁,已有裂缝宽度均未出现明显的变化(图11),监测数据与钙华震损过程的第4 个阶段高度吻合,水流系统对钙华体以冲刷沉积为主,又进入钙华旋回沉积阶段,钙华体处于相对稳定的发展阶段。
图11 诺日朗瀑布钙华体上部裂缝宽度变化曲线Fig. 11 Variation of crack width upper the travertine of Nuorilang waterfall
3.3 瀑布钙华稳定性综合分析
3.3.1 瀑布堆积物稳定性分析
诺日朗瀑布景观底部下垫面主要由冰水堆积物组成,构成了景观体形成演化的地形骨架,其隔挡式微地貌是景观形成的雏形,沟水漫流其上,温度和压力等条件的改变使水中矿物含量饱和,钙华沉淀逐渐加高,形成如今的钙华瀑布景观。
冰水堆积物主要由直径10 ~30 cm 的块碎石组成,棕红色黏土及砂质充填,胶结程度较好,自然条件下处于稳定状态,受后期流水侵蚀作用的改造,可能造成局部形态的变化,但这种变化周期是漫长的,总体基本稳定。
3.3.2 钙华体稳定性分析
九寨沟瀑布钙华体存在着钙华堆积、坍塌、再堆积、再坍塌的自然演化现象,主要缘于瀑布顶部钙华自身堆积的体积和范围,当钙华体堆积到一定程度,受外动力作用或自身重力作用的影响发生坍塌,此后,流水作用又在坍塌面上开始了新一轮的钙华堆积,这是一种稳定状况下的正常演化过程,8·8 地震造成了诺日朗瀑布钙华体出现局部裂缝、坍塌或掉块的现象,仅是加速了该自然演化的进程,不会影响诺日朗瀑布整体基本稳定,诺日朗瀑布处于相对稳定的发展演化阶段。
综上所述,九寨沟区域地质条件相对稳定,震后瀑布形成的地质环境和景区水流系统处于基本稳定状态,景观体处于相对稳定发展阶段,层湖叠瀑景观不会因此次地震而消亡。
本文对诺日朗瀑布钙华体震损区及周边地质结构进行了系统调查,分析了地震作用下景观钙华体的破损变形机制,利用二维离散元模拟软件对其运动变形过程进行了模拟,结合区域构造、水流系统和监测数据综合分析,得出主要结论如下:
(1) 诺日朗瀑布钙华体前缘处于两面临空的突出坡折部位,在地震波地形效应放大作用下,出现局部破损,上游水流沿破损裂隙渗入,孔隙水压力加剧了钙华体破坏过程。
(2)诺日朗瀑布钙华体震损的过程分为振动蠕变—持续拉张—倾倒折断—溃屈破坏4 个阶段,在地震惯性作用力下,由斜坡前缘表层逐渐向内部出现形变破损。
(3)九寨沟区域地质条件相对稳定,震后瀑布钙华体裂隙宽度和上游水位未出现明显变化,景观体处于相对稳定发展阶段。
注释:
①魏良帅,罗雲丰,刘民生,等, 2017. 8·8 九寨沟地震诺日朗瀑布景观部分震损专题调查报告[R]. 成都:中国地质调查局探矿工艺研究所.
②刘俊贤,刘民生,李廷强,等, 2006. 九寨—黄龙核心景区景观形成的地质环境和水循环系统模式测定、监测系统建立及景观保育技术应用研究报告[R]. 四川省地质矿产勘查开发局.
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