劉 鋒，付碧宏，楊順虎

中國(guó)科學(xué)院地球深部研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029

1 引 言

在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的造山帶，周期性復(fù)發(fā)的強(qiáng)震的同震垂直位移累積被認(rèn)為是山脈持續(xù)隆升的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素［1］．地震同時(shí)也導(dǎo)致了大量地表物質(zhì)的遷移［2－3］，改變了地形地 貌［4］．當(dāng)同震構(gòu)造變形驅(qū)動(dòng)的地表抬升量大于同震滑坡的地表剝蝕量，結(jié)果是山脈平均高程的增加，反之，是山脈平均高程的降低［4］．然而，這種關(guān)系的確立將取決于地震滑坡物質(zhì)河流卸載時(shí)間與強(qiáng)震復(fù)發(fā)周期長(zhǎng)短的比較［5］．因此定量化研究地震滑坡物質(zhì)河流卸載時(shí)間對(duì)理解地震與造山帶地貌演化的關(guān)系有著十分重要的意義．2008年汶川地震最大地表同震垂直位移量達(dá)約9～10m［6－8］，地震觸發(fā)了大量的滑坡［7，9－10］．經(jīng)過(guò)計(jì)算，Parker等［4］認(rèn)為汶川地震同震剝蝕的物質(zhì)質(zhì)量大于地震同震抬升導(dǎo)致的物質(zhì)增加量，進(jìn)而提出類似汶川地震的強(qiáng)震在龍門(mén)山并沒(méi)有產(chǎn)生造山的作用．另外，Ouimet［11］認(rèn)為強(qiáng)震觸發(fā)的滑坡增加了龍門(mén)山地區(qū)千年尺度的侵蝕速率．但是這些研究缺少對(duì)地震滑坡物質(zhì)的河流卸載時(shí)間的估算，而估算地震滑坡物質(zhì)的河流卸載時(shí)間將有助于對(duì)青藏高原東緣大地震、滑坡侵蝕和地貌演化之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)．

岷江為流經(jīng)龍門(mén)山地區(qū)流量最大的河流，2008年汶川地震沿岷江干流兩岸誘發(fā)了大量滑坡（圖1），這為研究地震滑坡物質(zhì)河流卸載提供了良好機(jī)會(huì)．因此，岷江流域是研究地震活動(dòng)與地形地貌演化關(guān)系的一個(gè)理想地區(qū)．本研究將定量地估算岷江對(duì)汶川地震滑坡物質(zhì)卸載可能所需時(shí)間，并討論大地震事件滑坡物質(zhì)的卸載對(duì)龍門(mén)山晚新生代構(gòu)造地貌演化的影響．

圖1 沿岷江干流（圖中藍(lán)色粗線）發(fā)育了2008年汶川地震所誘發(fā)的大量滑坡Fig．1 Large－scale landslides induced by the 2008 Wenchuan earthquake along the Minjiang River（thick blue lines）

2 區(qū)域地質(zhì)背景

龍門(mén)山構(gòu)造帶是中國(guó)典型的推覆構(gòu)造發(fā)育地區(qū)之一，形成于中生代和早新生代，主要由大致平行的三條逆沖、逆沖－走滑斷裂帶組成［12］：自北西向南東發(fā)育汶川—茂縣斷裂（F1）、映秀—北川斷裂（F2）和灌縣—安縣斷裂（F3）．汶川地震是龍門(mén)山斷裂帶的映秀—北川斷裂突發(fā)錯(cuò)動(dòng)的結(jié)果［13－14］，在地表上形成了300多公里長(zhǎng)的地表破裂帶，地表破裂帶變形特征以逆沖為主兼具右旋走滑分量［13－17］．龍門(mén)山地貌上是青藏高原東緣與四川盆地的分界線，也是青藏高原周緣地形梯度變化最大的地區(qū)，在不到50km的范圍內(nèi)地形平均高程從4000 m 變化到500m．其中龍門(mén)山中段是龍門(mén)山地形地貌特征典型的地區(qū)［18］，也是地震活動(dòng)頻發(fā)區(qū)［19－20］．

岷江發(fā)源于岷山南麓，向南流經(jīng)岷山構(gòu)造帶和龍門(mén)山構(gòu)造帶，都江堰以上的上游段河道長(zhǎng)約340km，在龍門(mén)山斷裂帶內(nèi)表現(xiàn)為深切河谷、基巖型河道［21］．在龍門(mén)山構(gòu)造帶岷江沿汶川—茂縣斷裂帶（F1）成北東－南西向流動(dòng)，然后沿東南方向斜切映秀—北川斷裂帶（F2）和安縣—灌縣斷裂帶（F3），經(jīng)都江堰流入四川盆地（圖2）．本文研究的岷江是指位于都江堰以上發(fā)育于龍門(mén)山構(gòu)造帶的岷江干流．

圖2 研究區(qū)主要活動(dòng)構(gòu)造及位置圖（藍(lán)色虛線矩形為所研究的岷江河段）F1為汶川—茂縣斷裂，F(xiàn)2為映秀—北川斷裂，F(xiàn)3為灌縣—安縣斷裂，F(xiàn)4為岷江斷裂．Fig．2 Topography and active faults in the central Longmen Shan orogenic belt（The dashed rectangle shows location of study area）F1：Wenchuan－Maoxian fault，F(xiàn)2：Yingxiu－Beichuan fault，F(xiàn)3：Guanxian－Anxian fault，F(xiàn)4：Minjiang fault．

3 方法與數(shù)據(jù)

河流搬運(yùn)物質(zhì)通常以溶解質(zhì)、懸移質(zhì)和底移質(zhì)三種形態(tài)存在．溶解質(zhì)所占比例非常?。?2］，在特殊的氣候和巖性條件下才會(huì)考慮溶解質(zhì)對(duì)地貌演化的貢獻(xiàn)．地震滑坡物質(zhì)大量進(jìn)入河道，以河流懸移質(zhì)形式存在的地震滑坡物質(zhì)隨河水而流動(dòng)，其河流卸載時(shí)間可能很快．Hovius等［23］報(bào)道了臺(tái)灣集集地震震后10年河流懸移質(zhì)含量就恢復(fù)到了震前水平．河流底移質(zhì)的移動(dòng)速度相對(duì)懸移質(zhì)來(lái)說(shuō)較慢，以河流底移質(zhì)形式存在的地震滑坡物質(zhì)的河流卸載時(shí)間可能相對(duì)較長(zhǎng)．在長(zhǎng)期的地貌演化過(guò)程中，河流物質(zhì)中底移質(zhì)對(duì)河流過(guò)程和形態(tài)的影響最大［24］．此外，河流底移質(zhì)一般占河流中總物質(zhì)量的30%［25］，甚至可以達(dá)到50%［22］．因此，我們選擇定量計(jì)算以底移質(zhì)形式存在的地震滑坡物質(zhì)的河流卸載時(shí)間．同時(shí)假設(shè)地震滑坡物質(zhì)進(jìn)入河道后，30%的物質(zhì)以河流底移質(zhì)的形式存在．本文采用Yanites等［26］的方法估算地震滑坡物質(zhì)的河流卸載時(shí)間（T）．T可表示為區(qū)域滑坡物質(zhì)的質(zhì)量（ML）與河流底移質(zhì)的搬運(yùn)能力（QT）的比值，公式為

3．1 地震滑坡物質(zhì)的質(zhì)量

區(qū)域滑坡物質(zhì)的質(zhì)量由公式（2）和（4）得到

式中，ρL為滑坡物質(zhì)的密度，VTL為地震滑坡總方量．龍門(mén)山中部第四紀(jì)地層坡度較緩，不易發(fā)生滑坡，汶川地震中大量的滑坡發(fā)生在較老的巖層中，92%的滑坡發(fā)生在第三紀(jì)以前的地層中［27］，可認(rèn)為汶川地震滑坡主要為巖質(zhì)滑坡，而龍門(mén)山地表巖石的密度為2450kg/m3［28］，所以我們假設(shè)地震滑坡物質(zhì)的密度為2450kg/m3．

區(qū)域滑坡物質(zhì)的單個(gè)滑坡體方量由公式（3）［29］得到

其中VL為單個(gè)滑坡方量，AL為單個(gè)滑坡面積，R2為決定系數(shù)．Larsen等［30］認(rèn)為滑坡方量（V）和面積（A）具有冪律的關(guān)系V＝aAb（a、b是常數(shù)），對(duì)于巖質(zhì)滑坡，b＝1．3－1．6．因此我們選擇此公式計(jì)算單個(gè)滑坡的方量．以此經(jīng)驗(yàn)公式為基礎(chǔ)，建立岷江流域地震滑坡總方量公式為

式中N是研究區(qū)內(nèi)滑坡個(gè)數(shù)．

3．2 河床剪切應(yīng)力

在基巖型河道剪切應(yīng)力侵蝕模型中，用河床剪切應(yīng)力表征河流對(duì)河床侵蝕能力大?。?1－32］．河床剪切應(yīng)力（τb）由公式（5）［33］表示為

式中，W為河寬，河寬數(shù)據(jù)采集自1∶50000地形圖，部分地區(qū)來(lái)源于空間分辨率為28．5 m 的Landsat ETM 遙感影像（http：//glovis．usgs．gov/）．S為河流的坡度，提取自空間分辨率為90m 的SRTM DEM數(shù)據(jù)（http：//srtm．csi．cgiar．org/）．由于部分高程數(shù)據(jù)在90m 距離內(nèi)并無(wú)變化，使得相鄰兩個(gè)像元的高程差為0，因此計(jì)算的坡度也為零．經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，以水平距離1000 m 提取河流坡度可消除此效應(yīng)．n是曼寧系數(shù)，對(duì)于山區(qū)河通常取值為0．04［34］．QW為河流多年平均流量（m3/s）．

岷江流域是人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)較頻繁的地域，在岷江及其支流上建造了大量的水電站，勢(shì)必影響河流的流量（圖3）．例如，岷江上游映秀灣水電站建于1965—1972年，是一座比較大的水電站．岷江出山口紫坪鋪水文站記錄的河流流量數(shù)據(jù)顯示：映秀灣水電站建站前10年河流的平均流量為463m3/s，建站后10年河流的平均流量為442 m3/s．由于河流的流量影響基巖型河道的剪切應(yīng)力計(jì)算，河流的實(shí)際搬運(yùn)能力可能會(huì)被低估．岷江流域大規(guī)模的水電建設(shè)開(kāi)始于1980年以后［35］．為減少人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對(duì)計(jì)算帶來(lái)的誤差，因此，河流多年平均流量選用1980以前岷江各站水文數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)來(lái)源于長(zhǎng)江流域水文資料［36］．

圖3 映秀灣水電站建設(shè)前后河流流量變化圖（灰色陰影區(qū)為水電站建設(shè)期間，數(shù)據(jù)資料來(lái)源自http：//www．mwr．gov．cn/）Fig．3 The inter－annual change of flow discharge before and after the construction of the Yingxiuwan dam．The grey shadow region is construction period of the dam（http：//www．mwr．gov．cn/）

3．3 河流搬運(yùn)能力

河流底移質(zhì)搬運(yùn)能力（QT）由公式（6）［37］表示：

式中，ρs 為底移質(zhì)的密度，值為2．65g/cm3，ρ為水的密度，值為1g/cm3，g為重力加速度，值為9．8m/s2．D為底移質(zhì)的中值粒徑（cm），岷江河床底移質(zhì)值中值粒徑為10cm［38］．τb為河床剪切應(yīng)力，τc＊為河床臨界啟動(dòng)剪切應(yīng)力，對(duì)于基巖型河道，河床臨界啟動(dòng)剪切應(yīng)力數(shù)值通常變化范圍為0．03～0．08［39］．我們?nèi)〕?shù)0．03作為岷江的河床臨界啟動(dòng)剪切應(yīng)力．

4 結(jié) 果

圖4顯示岷江搬運(yùn)能力整體變化平穩(wěn)，往出山口方向具有變大的趨勢(shì)．在河流斜穿斷層F2和F3的位置，河流有著較高的搬運(yùn)能力．因?yàn)閿鄬铀幬恢靡彩驱堥T(mén)山地形梯度變化較大的地方，河流的比降變化較快（圖5a）．河流在比降大的地方有著較大的重力勢(shì)能，因而對(duì)沉積物具有較強(qiáng)的搬運(yùn)能力．另外，河床剪切力空間分布也說(shuō)明了位于龍門(mén)山構(gòu)造帶內(nèi)岷江河段的水動(dòng)力條件具有類似的空間分布特征（圖5b）．當(dāng)上游的河流搬運(yùn)能力小于下游，地震滑坡物質(zhì)則由河流下游相對(duì)上游的“剩余”的搬運(yùn)能力來(lái)搬運(yùn)，此時(shí)根據(jù)公式（1）計(jì)算的結(jié)果為河流搬運(yùn)時(shí)間的下限［26］．根據(jù)公式（2）計(jì)算研究區(qū)內(nèi)滑坡物質(zhì)質(zhì)量約為17885 Mt，根據(jù)公式（6）計(jì)算岷江上下游搬運(yùn)能力的差值為1．73×109kg/yr．如果岷江保持現(xiàn)有的搬運(yùn)能力并且有能力完全搬運(yùn)地震滑坡物質(zhì)，那么岷江流域的所有地震滑坡物質(zhì)被河流搬運(yùn)出龍門(mén)山至少需要3100yr．

圖4 龍門(mén)山構(gòu)造帶中段岷江河段搬運(yùn)能力的空間分布特征F1為汶川—茂縣斷裂，F(xiàn)2為映秀—北川斷裂，F(xiàn)3為灌縣—安縣斷裂．Fig．4 The spatial distribution of the sediment transport capacity along the Minjiang River in the central Longmen Shan orogenic beltF1：Wenchuan－Maoxian fault，F(xiàn)2：Yingxiu－Beichuan fault，F(xiàn)3：Guanxian－Anxian fault．

圖5 龍門(mén)山構(gòu)造帶中段岷江河段的河流比降（a）和河床剪切應(yīng)力（b）空間分布特征F1為汶川—茂縣斷裂，F(xiàn)2為映秀—北川斷裂，F(xiàn)3為灌縣—安縣斷裂．Fig．5 Spatial distribution of the river slopes（a）and the shear stress（b）along the Minjiang River in the central Longmen Shan orogenic beltF1：Wenchuan－Maoxian fault，F(xiàn)2：Yingxiu－Beichuan fault，F(xiàn)3：Guanxian－Anxian fault．

5 討 論

前人研究結(jié)果表明龍門(mén)山斷裂帶中段強(qiáng)震的復(fù)發(fā)周期可能約為2000～3000yr［19，40－41］，與地震滑坡物質(zhì)河流卸載時(shí)間相比，暗示岷江對(duì)汶川地震滑坡物質(zhì)搬運(yùn)時(shí)間可能略長(zhǎng)于一個(gè)地震周期．換句話說(shuō)，至少在龍門(mén)山中段在一個(gè)地震周期內(nèi)絕大部分地震滑坡物質(zhì)可以被卸載出龍門(mén)山．需要說(shuō)明的是我們定量估算的結(jié)果仍受到一些不確定因素的影響，比如地質(zhì)歷史時(shí)期氣候變化對(duì)河流流量的可能影響，地震滑坡堵江形成堰塞湖對(duì)河流底移質(zhì)搬運(yùn)能力的影響，滑坡物質(zhì)從坡面進(jìn)入河道的時(shí)間，以及現(xiàn)代大壩建設(shè)對(duì)底移物質(zhì)搬運(yùn)的影響．盡管如此，在龍門(mén)山晚新生代長(zhǎng)期的地貌演化過(guò)程中，地震滑坡物質(zhì)被卸載的速度可能是很快的．因?yàn)樵邶堥T(mén)山山谷和河谷中缺少大面積裸露的基巖和滯留過(guò)厚的（厚度大于100m）沉積物［21，42］．另外，龍門(mén)山山前快速堆積的一套厚度大于500 m 的晚新生代沉積物可能與長(zhǎng)期重復(fù)發(fā)生的大地震活動(dòng)有關(guān)［43］，從側(cè)面也說(shuō)明了岷江的河流卸載作用很強(qiáng)．龍門(mén)山中段類似2008年汶川大地震復(fù)發(fā)周期是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來(lái)，存在一定誤差，地震物質(zhì)河流卸載時(shí)間結(jié)果也存在一些不確定因素的影響，但是從我們的估算結(jié)果來(lái)看二者的量級(jí)幾乎一致．

在龍門(mén)山造山帶晚新生代隆升歷史過(guò)程中，龍門(mén)山地區(qū)每次逆沖型大地震都會(huì)形成不同規(guī)模的地表垂直位移和同震滑坡，如果大地震產(chǎn)生的滑坡物質(zhì)被侵蝕和剝蝕所平衡，那么為什么目前龍門(mén)山仍然會(huì)保持高大而陡峻的地形？我們認(rèn)為與河流對(duì)龍門(mén)山剝蝕物質(zhì)的長(zhǎng)期快速的卸載作用有關(guān)．由于河流對(duì)龍門(mén)山山脈體系內(nèi)剝蝕物質(zhì)的快速卸載，引起殼幔邊界Moho面均衡反彈［44－45］，促使地表抬升［7］，使得龍門(mén)山主峰高出青藏高原內(nèi)部，從而形成龍門(mén)山現(xiàn)今的高陡山峰．但是剝蝕卸載引起的均衡反彈只是使山峰的高度比剝蝕前更高，山脈的平均高程應(yīng)該是在逐步降低的［46］．值得注意的是，龍門(mén)山地區(qū)古地形重建結(jié)果顯示，在3．6 Ma以前，龍門(mén)山與青藏高原內(nèi)部高程相近，但小于現(xiàn)代平均高程［47］．說(shuō)明可能還有別的地球動(dòng)力學(xué)作用機(jī)制在維持著龍門(mén)山整體持續(xù)的隆升．我們推斷可能是由于地表剝蝕物質(zhì)的快速卸載誘發(fā)了龍門(mén)山下部深部物質(zhì)的上涌導(dǎo)致了龍門(mén)山持續(xù)的隆升（圖6）．橫跨龍門(mén)山斷裂帶的被動(dòng)源地震探測(cè)數(shù)據(jù)和大地電磁數(shù)據(jù)揭示［44－45，48－49］：龍門(mén)山及其以西部分地區(qū)下部為低速異常，指示可能存在由于巖石圈深部物質(zhì)上涌；四川盆地西部與松潘—甘孜為高速異常，指示可能有地幔物質(zhì)的下潛．這些地球物理探測(cè)結(jié)果暗示青藏高原東部可能存在局部的地幔物質(zhì)垂向?qū)α鳎虼耍蒯r漿物質(zhì)上涌可能是高原東部抬升的主要因素之一．另外，下地殼的流變特性在地殼內(nèi)物質(zhì)均衡重置過(guò)程中也起到了重要作用［50］．層析成像結(jié)果揭示青藏高原東部中下地殼剛性較小［51－52］，具備流動(dòng)的條件［53－57］，所以下地殼的部分物質(zhì)也可能受到了上地幔垂向運(yùn)動(dòng)的作用而在龍門(mén)山造山帶下方蓄積．因此，地表剝蝕（或侵蝕）物質(zhì)的快速卸載驅(qū)動(dòng)地殼均衡反彈，形成了龍門(mén)山構(gòu)造帶現(xiàn)今的高陡山峰；另一方面，誘發(fā)龍門(mén)山構(gòu)造帶下方的深部物質(zhì)上涌，形成頂托作用，有利于龍門(mén)山保持高陡的地形特征．

圖6 龍門(mén)山晚新生代隆升的地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制示意圖（a）伴隨著周期性大地震的復(fù)發(fā)，龍門(mén)山下方地殼縮短增厚；與此同時(shí)，河流長(zhǎng)期對(duì)地震滑坡及其它地表剝蝕物質(zhì)的快速卸載引起龍門(mén)山地殼均衡反彈，形成高陡山峰；（b）均衡反彈誘發(fā)深部物質(zhì)的上涌，從而維持了龍門(mén)山高陡的地形特征．Fig．6 Geodynamic model for the uplift processes of Longmen Shan orogenic belt during late Cenozoic（a）with the repeated large seismic events，the crust under the Longmen Shan is shortened．At the same time，the long－term fluvial unloading of erosion material produced by earthquake－related landslides may induce isostatic crutsal－mantle boundary rebound，which lead to formation of the high and steep orogenic summit；（b）the isostatic rebound further triggers the deep mantle upwelling and maintains the present－day steep topography．

山脈如果失去持續(xù)的內(nèi)動(dòng)力作用，將很快會(huì)被地表作用夷平［58］．然而龍門(mén)山在地殼水平變形速率很小的情況下［59－60］，依然保持了高陡的地形特征，并沒(méi)有被水系和其它地表作用消減，說(shuō)明內(nèi)動(dòng)力在持續(xù)的作用于龍門(mén)山的抬升．而這很可能與大地震的頻繁發(fā)生有關(guān)，大地震的周期性復(fù)發(fā)標(biāo)志了龍門(mén)山構(gòu)造變形強(qiáng)烈，所以周期性大地震造成的地表抬升的累積可能是龍門(mén)山晚新生代以來(lái)高陡地貌形成的主要因素［7］．盡管如此，地表剝蝕快速卸載誘發(fā)的深部物質(zhì)活動(dòng)在龍門(mén)山高陡地貌特征的形成中也起到了重要作用．誠(chéng)然，對(duì)這一過(guò)程仍需作進(jìn)一步的研究．需要說(shuō)明的是，大地震引發(fā)的大范圍、大規(guī)模的滑坡是龍門(mén)山地表過(guò)程中的重要力量，但是除了地震滑坡侵蝕，其它成因的地表剝蝕物質(zhì)的快速卸載對(duì)龍門(mén)山的均衡反彈也應(yīng)有貢獻(xiàn)．均衡反彈是形成和維持造山帶的高地形特征的重要深部過(guò)程［58，61］，所以對(duì)龍門(mén)山地貌上的高陡地形梯度帶成因的研究不應(yīng)忽視均衡反彈的作用［62］．因此，地表作用和深部地球物理過(guò)程的共同作用塑造了龍門(mén)山現(xiàn)今獨(dú)特的地貌特征．

6 結(jié) 論

根據(jù)上述分析，得出如下初步結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

（1）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算出汶川地震滑坡物質(zhì)的總質(zhì)量約為17885 Mt．汶川地震滑坡物質(zhì)進(jìn)入岷江河道后，如果30%的地震滑坡物質(zhì)以底移質(zhì)的形式存在，在現(xiàn)今龍門(mén)山中段岷江的河流水動(dòng)力條件下，汶川地震滑坡物質(zhì)被岷江卸載出龍門(mén)山至少需要3100yr．

（2）龍門(mén)山中段類似2008年汶川大地震的復(fù)發(fā)周期約為3000yr，暗示大地震產(chǎn)生的同震滑坡物質(zhì)可能在相同時(shí)間段內(nèi)被河流卸載作用平衡，并被卸載出龍門(mén)山構(gòu)造帶．

（3）我們推斷在龍門(mén)山長(zhǎng)期的地貌演化過(guò)程中，除了周期性大地震造成的地表構(gòu)造抬升累積外，周期性大地震相關(guān)的地表侵蝕物質(zhì)快速卸載所驅(qū)動(dòng)的地殼均衡反彈及誘發(fā)的深部地幔對(duì)流也造成龍門(mén)山的隆升作用，這可能是龍門(mén)山晚新生代隆升的重要地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制之一．

致 謝 感謝評(píng)審人提出的建設(shè)性修改意見(jiàn)和建議，感謝美國(guó)科羅拉多大學(xué)的Brian J．Yanites博士的有益討論．

（References）

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