d o i:10．3969/j．i ss n．0253 －4967．2014．02． 007
———以汶川地震中的大型滑坡为例
陈晓利1)惠红军2)赵永红2)*
1)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
2)北京大学地球与空间科学学院，造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京100871
摘要越来越多的地震滑坡相对于地震断层的不对称分布震例让人们意识到断层上盘效应的存
在。然而，目前有关断裂运动方式与滑坡空间分布关系的研究还不够充分和深入。在收集大量地震
滑坡震例资料并获得其分布规律的基础上，建立了一个简化的断层模型，以地震波在地表与断层面
之间反射传播特性为基础，探讨断层倾角改变对地表地震动强度的影响。进而，以汶川地震触发的
大型滑坡为例，研究了断层的几何特征和运动方式对诱发滑坡空间分布的影响。结果表明，断层的
倾角对滑坡空间分布范围具有控制作用，随着倾角的增加，垂直断层走向的滑坡分布范围逐渐减小;
并且，大型滑坡的初始坡面受到断裂运动方向的影响，与断裂运动方向一致的坡面更容易发生滑坡。
所获结果不仅有助于提高区域性地震滑坡危险区域的预测精度，而且对认识大型滑坡的滑动机制、主控因素以及可能的滑动规模、滑距等也起到促进作用。通过对滑坡崩塌的认识来辅助提高对地质立冬早安问候语图片
构造、地震断层等的认识，应是地震诱发滑坡崩塌研究的新的意义所在。
圣诞树手工制作方法关键词地震滑坡断层类型断裂倾角坡向运动方向
中图分类号: P315． 9 文献标识码:A 文章编号:0253 －4967(2014)02 －0358 －10
引言
地震滑坡因其巨大的致灾性引起广泛的社会关注。大量的地震滑坡研究集中于对滑坡分布规律及其相关影响因素的认识上，认为地震诱发的滑坡崩塌与当地的地质、地貌条件、坡体的岩性物质组成及与发震断裂的距离等密切相关，并且与地震动参数之间也存在密切的关系。K eef er(1984)对世界范围内
40 余例地震中滑坡分布范围与震级关系的统计分析表明，震级与滑坡分布的面积存在正相关关系，即随着地震震级的增大，滑坡分布的面积也增大。该相关性特征被广泛应用于初级阶段的地震滑坡危险区划。然而，对地震滑坡影响范围与震级之间关系的进一步研究表明，相同震级下，地震滑坡影响面积的变化范围可从几百km2 到几千km2 (Chen et al．，2012)。并且，大量的地震滑坡震例表明，不同性质的断层诱发滑坡的数量、规模以及对滑坡空间分布范围的影响是不同的。
众多滑坡震例表明，逆冲型断层触发的地震除了可在更大范围内诱发滑坡崩塌外，所诱发
〔收稿日期〕2013 －02 － 05 收稿，2014 －03 － 26 改回。
〔基金项目〕中国地震局地震行业专项“地震安全性评价分类、关键技术指标确定及国家标准修订研究(201408002)”资助。
* 通讯作者: 赵永红，教授，E －m a il:zh ao yh@p k u．e du．c n。
2 期359 滑坡崩塌的空间分布也具有明显的上盘效应。例如1994 年美国N or thr i dge地震、1999 年台湾
集集地震和2004 年日本新瀉地震等，均由逆冲断层引发，所触发的滑坡崩塌数量众多，而且主要分布于断裂上盘( J i bson et al．，1994;Harp et al．，1996;Khazai et al．，2003;Wang et al．，
2003; Wang et al．，2007)。以2002 年美国阿拉斯加M
W 7. 9 Denal i地震和2008 年中国M
W
7. 9
汶川地震为例，对比二者诱发的滑坡数量和分布特点，可以清楚地看出，走滑型断层和逆冲型断层诱发滑坡空间分布上的差异。
2002 年美国阿拉斯加M
W
7. 9 Denal i地震发生在Denal i-T otschunda右旋走滑断层上，同震
产生了长达300km 的地表破裂并伴有数千个地震滑坡。该地震诱发的崩塌滑坡主要以落石、碎屑流为
主，规模从几m3 到上千万m3 不等，集中分布于沿地表破裂带两侧约15km 的狭窄条
带范围内(J i bson et al．，2006)。相比之下，同样震级的汶川地震，除产生了240km 长的地表破
裂外，所引发的滑坡崩塌数量接近200 000 处，影响范围达44 000km2 (Xu et al．，2013)。其中，以碎屑流、崩塌、滑坡、滚石为破坏形式的灾害点多达几万处(Qi et al．，2010;Dai et al．，2011)。与Denal i地震中滑坡分布局限于断裂带两侧狭窄的范围不同，汶川地震诱发滑坡崩塌的分布要广阔得多，同时，滑坡的分布在地表破裂带两侧呈现出明显的不对称性，超过80% 的滑坡分布在断裂带的上盘(王运生等，2008; 祁生文等，2009; 陈晓利等，2010; 许强等，2010)。逆冲断层所具有的上盘效应引起了广大研究者的兴趣。然而，在目前的地震滑坡研究中，很少有研究者把断裂运动方式作为一种滑坡影响因素进行研究。
地震滑坡的触发因素是地震动，地震动强度大小对滑坡的发生具有非常重要的作用，这已
被众多的研究证实( Wang et al．，2003;Meunier et al．，2007;Wang et al．，2007；黄润秋等，2008; 王运生等，2008; 祁生文等，2009; 陈晓利等，2010)。进一步的相关研究表明，不同性质的断层可引发的地震动强度以及地震动强度的空间变化是有区别的，并且，断层的几何形状、运动方式对破裂速度、地表变形、地震动参数等有重要的影响( Abrahamso n et al．，1996; Oglesby et al．，2000，2001；张冬丽等，2009)。Ogl es by 等(2001)针对1999 年台湾集集地震断层的几何形态对该
地震的动力学影响进行了三维数值模拟研究，认为集集地震逆冲断层的几何形态不仅是引起上盘地震动强度较下盘强烈的主要原因，同时也是形成较高的地震动加速度分布在上盘近断层区域的主要原因。张冬丽等(2009 )对汶川地震强震记录的研究认为，断层距和上盘效应控制了地震动强度的变化，在断层上盘地震动的峰值加速度明显大于断层下盘等距离台站的相应值，距离断层较近的区域内地震动峰值加速度较大，离开断层后峰值加速度迅速衰减，且下盘衰减明显快于上盘。这样的研究结果是对汶川地震中多数滑坡分布于断层上盘的有效解释之一。
本文以地震波在地表与断层面之间反射传播特性为基础，建立一个简化的断层模型，探讨断层倾角改变对地表地震动强度的影响，并对在断层上盘滑坡发生的主要区域进行预测; 进而，以汶川地震触发的大型滑坡为例，探讨断层的几何特征和运动方式对诱发滑坡空间分布的影响。所获得的认识不仅有助于提高区域性地震滑坡危险区的预测精度，而且对大型滑坡的滑动机制、主控因素以及可能的滑动规模、滑距等的认识也起到促进作用。
1 汶川地震中大型滑坡的分布
汶川地震诱发了数以万计的滑坡崩塌等地质灾害，这些地质灾害规模大小不一，从几m3
360
地 震 地 质 36 卷 的滚石到上千万 m 3 的碎屑流都有发生。相比一般规模的滑坡崩塌，规模巨大的滑坡危害巨
大，常常造成更为严重的人员伤亡。汶川地震中造成死亡人数超过 30 人的滑坡就多达 23 处 (殷跃平，2008)。如青川县东河口碎屑流滑坡掩埋了沿途的一所学校和 184 座民房，造成了 780 人的伤亡(Qi et al ．，2011 ); 北川县王家岩滑坡就直接导致了 1 600 人的死亡( 殷跃平， 2008)。
汶川地震震后对卫星遥感影像、航片等的解译，共发现 112 个平面面积 ＞ 50 000m 2
的大 型滑坡。这些滑坡在空间分布上与发震断层的关系表现得更为密切，全部的大型滑坡都位于 距地表破裂带 15km 的范围内，相较于其他滑坡，显示出更强的构造控制作用。并且，这些大
型滑坡中有 80 处发生在映秀 － 北川断裂的上盘，占大型滑坡总数的 71. 4% ( 许强等，
2010 )。 从位于龙门山断裂带西南部的震中区沿断裂带走向往 NE 方向，大型滑坡按照其空间分布的密 集程度，呈现 4 个分布中心，即映秀段、高川段、北川段和青川段( 图 1)。大型滑坡的这种丛 集性分布特点与地表同震变形规律具有一致性，同震位移较大的地区也是大型滑坡较发育的
地区(Chen et al ．，2012; 图 1)。滑坡各分区的数量和滑坡面积各不相同，青川地区的滑坡数量
最大，共发育 39 个大型滑坡; 高川段则具有最大的滑坡总面积，其中包括规模最大的 2 个巨
型滑坡: 大光包滑坡(面积 7. 0 × 106 m 2 )和文家沟滑坡(面积 2. 9 × 106 m 2 )。 断层几何形态对滑坡分布的影响
2 2. 1 断层几何模型的建立
以能够产生地表破裂的逆断层为例，建立如图 2 所示模型。假设 O 点为震源，震源深度 为 D ，断层倾角为 θ，α 为地震波与水平面的夹角，E 0 是震源 O 在地表的投影点，A 0 则是断层 在地表的出露点。Ogl es by 等(2000)的断层破裂动力学数值模拟研究结果表明，逆冲型断层能 够比同级别的正断层产生更强的地表震动，非垂直断层面可以引起地震波在地表和断层面之 间的来回反射。因此，由于断层的几何形态和产状的影响，地面上不同位置的点将经受不同的 震动，逆冲断层可在更广范围内引发地表的坡体失稳; 相对于断层下盘，上盘要经历更为强烈 和持久的震动，并且导致大部分滑坡出现在断层的上盘。
标注①的线段表示从震源直接发出的地震波; 标注②的线段表示被地表反射回地下的地 震波; 标注③的线段表示被断层面反射回地表的地震波。显然，由于断层倾角的关系，断层下 盘的区域均不可能接收到来自断层面的地震反射波，如图 2 所示 B 处。
韩国对加纳比分预测从图 2 中可以看出，地表震中 E 0 两侧反射回断层面的地震波(假设可以到达断层面) 所经
历的距离不等。图 2 中 β 角相等的 A 4 、
A 2 两点位于震中 E 0 左侧的地震波自地表点 A 4 的反射 线长度一定大于右侧点 A 2 处的反射线长度，同时，越靠近断层地表破裂处，反射地震波经历 的路径越短。
假设从震源 O 出发的地震波经过地表反射回断层面上经过的路程为 Ｒ，则 Ｒ 可以表示为
= 2 D Ｒ s i n α + cos αt a n θ
D 如果 α = θ，则有: Ｒ ，即地震波沿断层面方向传播到地表。 = s i n θ
如果 α = 90°，即地震波从震源传播到地表投影点 E O ，则有 Ｒ = 2D ，此时，地震波到达地
2 期361张一鸣简介
图1 汶川地震中大型滑坡与地表位移分布
F i g． 1 D i s t r i but i o n of g i a nt l a nd s li d es and the co-se i s m i c d i s p l a ce m e nt s du r i n g the Wenchuan ea r thqu a k e．
(1)映秀段; (2)高川段; (3)北川段; (4)青川段
表和从地表返回断层面所经历的路程是一样
的。但是，并不是所有发射到地表的地震波
都会被反射回断层面。理论上只有与地表破
裂距离W = 2 ×D ×cotθ之内的地震波会被反
射回断层面。而实际情况是断层面在震源往
下的延伸有一定的限制，并且，随着传播距离
的增大，地震波能量衰减，因此，能够被反射
到断层面的地震波发射角范围是有限的。同
时，由于断层倾角的存在，也并不是所有的地
震波经地表反射回断层面后会再次被反射到地表，而是随着断裂倾角θ的增大，能够接收到自断层面反射回地表地震波的范围会变小。
图2 逆断层模型及变量的定义
无法显示网页F i g． 2 Thrust f a u l t m o d e l and m a i n d e f i n i t i o n s
use d in th i s a n a l y s i s．
α地震波与水平面的夹角; β地震波与铅垂线的夹角;
α+ β=90°; θ 断层倾角
362 地 震 地 质 36 卷
例如，地震波发射角 α = 180° － 2θ 时，地震波被地表反射回断层面后再次被反射的地震波 将平行于地面。考虑地震波发射到上盘的情况，即 α≥θ，且 α = 180° － 2θ，则推出 θ≤60°。即 当断层面的倾角 ＞ 60°时，理论上不会有从断层面反射回地表的地震波。一般而言，不同性质 的断层倾角是不同的，正断层的倾角在 60° 左右，走滑断层的倾角一般是 90°，而逆冲断层的 倾角在 30°左右。由此可见，断裂的倾角对地表可能受到的地震动强度有很大的影响，随着断 层倾角的增大，受到较强地震动影响的范围在减小。
2. 2 汶川地震中大型滑坡分布与断裂性质的关系 前已述及，汶川地震中的大型滑坡全部位于
距地表破裂带 15km 的范围内，显示出非常强
烈的构造控制作用(图 1)。与汶川地震相关的 GP S 、余震分布和地表形变研究等结果表明，主 要发
震断层之一的北川 － 映秀断裂的断层倾角沿走向方向是变化的: 从震中映秀区断层面有 一定倾斜角度到青川区断层面变为近直立，断层性质相应地从逆冲型变为走滑型( 朱艾斓等， 2008; 张培震等，2009; Shen et al ．，2009; Yu et al ．，2010)。野外地表形变测量结果表明，同 震位移沿地表破裂带呈现不均匀分布的特点，映秀 － 北川地表破裂带的变形特点以高川为界 分为南部的映秀段和北部的北川段: 映秀段的断裂活动以逆冲为主，北川段的断裂活动则兼具
逆冲与右旋走滑的运动特点(Yu et al ．，
2010)。 以大型滑坡丛集性分布的 4 个区域为单位，对大型滑坡与地表破裂带间最大距离的变化 进行研究。结果表明，从映秀段到青川段，大型滑坡与破裂带的最大距离在逐渐变小。在映秀 段，最远的大型滑坡距地表破裂带 13km ，
该距离向 NE 方向逐渐减小，至青川段时，
最远的大型滑坡距地表破裂带只有 4km 左
陈好老公个人资料
右。大型滑坡与破裂带最大距离的变化表
明断裂的几何形状及运动方式对滑坡空间
分布范围的控制作用( 图 3)。这也是对前
述断层模型分析的一个有力支持，即随着
断层倾角的增大，受到较强地震动影响的
范围在减小。 图 3 大型滑坡与断裂破裂带最大距离分布关系 F i g ． 3 M a x i mum d i s t a n ce from the rupt ure to l a r ge l a nd s li d e at d i ff e r e nt seg m e nt s ．
忽略地形因素对地震动放大作用的影响，假设前述断层模型中受地震动强度较大的区域 为可能的滑坡集中发育区，则该区 W 可表示为上盘距断层地表迹线距离(图 2):
W = D × cot2θ + D × co t θ
其中: D 为震源深度(km )，θ 为断层倾角。
汶川地震的震源深度约 19km ，断层面的倾角随着深度的增加逐渐变缓，接近震源处的倾角约 33°。
利用上述公式可估算出滑坡在上盘的密集发育区为距地表破裂带38km 的范围内。这个数值与
实际的滑坡分布资料较为符合(Ch e n et a l ．，
2010; Qi et a l ．，2010; D a i et a l ．，2011)。 断裂运动方向与滑坡体初始坡向的关系
地形地貌(主要包括坡度、坡向和高程) 作为滑坡形成的重要影响因素，无论对于降雨型 滑坡还是地震诱发滑坡，都是需着重分析的因素。关于汶川地震中地形地貌对滑坡崩塌分布
影响已有众多研究成果(王运生等，2008; 祁生文等，2010; 许强等，2010; 陈晓利等，2011)。 3
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