李建鋒，劉 鋒，吳中海

(中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所，北京100081)

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龍門山典型河流形態(tài)變化的潛在地震因素分析

李建鋒，劉 鋒，吳中海

(中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所，北京100081)

以岷江支流白沙河和涪江支流湔江為例，探討了2008年汶川地震之后龍門山地區(qū)河流形態(tài)的變化及其可能的長期構造地貌效應。研究表明，2008年汶川地震地表破裂帶穿越河流形成裂點(跌水)，地震觸發(fā)的山體滑坡、泥石流堵塞河道形成堰塞湖，致使河流形態(tài)及河流水動力條件隨之發(fā)生變化。河流同震裂點在震后迅速消失，部分河段出現(xiàn)“裁彎取直”的趨勢，這可能與河流中激增的沉積通量有關。隨著周期性大地震的復發(fā)，河流的沉積-侵蝕過程會不斷改變，伴隨著震間活動斷裂持續(xù)的構造變形，龍門山河流形態(tài)可能會發(fā)生快速變化。

裁彎取直；裂點；河流形態(tài)；地震；龍門山

河流的“裁彎取直”和裂點后退遷移是河流形態(tài)變化的兩種表現(xiàn)形式[1]。通常情況下這兩種河流形態(tài)變化過程非常緩慢，以致在短期野外調(diào)查的時間尺度內(nèi)難以直接觀察到。由大地震事件引起的同震構造變形可以造成地表物質(zhì)的快速剝蝕，向河流輸入大量地表物質(zhì)，從而使河流形態(tài)發(fā)生快速變化，為深入認識河流形態(tài)的變化過程提供了直接觀察的窗口。2008年汶川Mw7.9級地震沿地表破裂帶和水系觸發(fā)了大量滑坡、泥石流[2]，改變了河流的侵蝕-沉積過程[3]。本文以流經(jīng)龍門山地區(qū)的岷江支流白沙河和涪江支流湔江為例，探討龍門山地區(qū)河流形態(tài)變化中的潛在地震影響因素及其可能的長期構造地貌效應。

1 研究區(qū)概況

龍門山逆沖褶皺帶夾于青藏高原東緣和四川盆地之間，中生代以來主要經(jīng)歷了兩期重要的地殼縮短過程[4]，形成了一系列自北西向南東方向逆沖的逆掩推覆構造帶，主要有汶川—茂縣逆沖走滑斷裂帶、映秀—北川逆沖走滑斷裂帶和灌縣(現(xiàn)都江堰市)—安縣逆沖走滑斷裂帶3條主干斷裂[4～5]。2008年汶川Mw7.9級地震在地表上形成了長度超過300 km的地表破裂帶[6～7](見圖1)。沿地表斷裂帶和河谷兩岸觸發(fā)了大量的滑坡[2,8]，引起地表大規(guī)模和快速的坡面重力侵蝕[9]。

F1—汶川—茂縣斷裂；F2—映秀—北川斷裂；F3—灌縣—安縣斷裂圖1 2008年汶川地震地表破裂空間分布和龍門山地區(qū)主要活動構造圖Fig.1 Spatial distribution of the surface ruptures of the 2008 Wenchuan earthquake and the active faults in the Longmenshan Mountain

龍門山處于青藏高原與四川盆地之間地形變化的陡變帶，被一系列北西—南東向河流斜向切割，由北向南依次為嘉陵江、涪江、沱江、岷江和青衣江及其支流(見圖 1)，這些河流在四川盆地內(nèi)匯入長江。切割龍門山的這些河流均為深切基巖河流[11]，局部切割深度達3000 m[10]。龍門山斷裂帶南西段水系演化受逆沖褶皺活動控制，北東段受斷裂帶右旋走滑作用影響[12]。

2008年汶川地震沿湔江北川段兩岸產(chǎn)生了大量滑坡，并堵塞河道形成堰塞湖。2008年9月24日北川老縣城突降暴雨，導致區(qū)域性泥石流爆發(fā)。白沙河是岷江一級支流，發(fā)源于都江堰市虹口鄉(xiāng)光光山南麓，在紫平鋪匯入岷江，流域面積364 km2(見圖2)。湔江是涪江的一級支流，由于映秀—北川活動斷裂帶的影響，在北川縣城附近湔江發(fā)生了河流襲奪和水系重組[12～13]，形成了極其特殊的河流形態(tài)(見圖3)。

圖2 白沙河DEM圖Fig.2 The DEM of the Baisha River

圖3 湔江北川段河流形態(tài)(圖中顯示部分河段已經(jīng)或正在進行裁彎取直)Fig.3 The fluvial morphology of the Beichuan reach of the Jianjiang River

2 震后河流形態(tài)的快速變化

2008年汶川地震沿白沙河河谷產(chǎn)生約14 km的地表破裂帶，形成多處河流裂點[14]。其中破裂帶東端八角廟附近裂點高差約4.5 m[14～15](見圖4a)，此裂點在震后3年內(nèi)迅速消失(見圖4b)，推測裂點的消失可能與河流沉積通量的激增有關系。在基巖型河道中，河流沉積物通過兩種方式影響河流的侵蝕過程[16～17]：①具有“工具”效應，特定的物質(zhì)組成形成“高能”泥流，加快基巖河道下切；②在河床上形成巨厚的“抗沖層”阻礙河流的下切侵蝕。河流攜帶的沉積物以何種方式影響基巖型河道的下切侵蝕取決于河流沉積通量的供給[18]。

圖4 汶川地震同震裂點位置及其快速消失Fig.4 The location of the co-seismic knickpoints of the Wenchuan earthquake and their rapid disappearance

從虹口八角廟地震成因裂點的快速消失來看，雖然大量地震滑坡物質(zhì)進入白沙河河道，但滑坡物質(zhì)的供給量沒有超出白沙河水流的搬運能力，河床仍然遭受侵蝕，導致河流裂點被迅速破壞。否則，大量滑坡物質(zhì)會沉積在河床。平武縣平通鎮(zhèn)河床及河漫灘中形成的約2 m高的同震陡坎和裂點在震后一個月內(nèi)迅速消失[19]，也說明短暫堆積的河流沉積物難以在長期內(nèi)有效減緩河流的下切作用。同震裂點的快速消失，表明同震構造形成的河流坡折點可能不容易保存。

裂點是河流縱剖面從緩坡轉換為陡坡的轉折點[1,20]，裂點的形成與構造活動、侵蝕基準變化、巖性差異等因素有關[21]。河流裂點的存在，意味著河流縱剖面處于非均衡狀態(tài)，河流需要不斷地調(diào)整自身形態(tài)以達到新的平衡。在此調(diào)節(jié)過程中，由于侵蝕基準面的下降，引起河流溯源侵蝕，河流裂點不斷向上游遷移，河流下切并在裂點下游形成河流階地(見圖5)。

從白沙河河流地貌長期演化的結果(見圖6)可以看出，河流在活動斷層通過的河段并未形成明顯的坡折點。這可能也說明了河流裂點向上游溯源侵蝕距離是有限的，因為有溯源的裂點在縱剖面上應該在原來裂點的上游有較小的坡折，并且在這2個坡折的地方河流縱比降比原來的小[23]。龍門山水系中同震構造成因裂點的快速消失表明，盡管同震構造變形可以形成河流的坡折點，但同震裂點(跌水)無法長期穩(wěn)定存在，不可能影響局地侵蝕基準面的持續(xù)變化，也就不足以改變河流原有的侵蝕-搬運-堆積狀態(tài)，因而可能無法控制河流階地的形成。

圖5 裂點與河流階地的形成[22]Fig.5 Knickpoint and formation of river terrace

圖6 白沙河河流縱剖面Fig.6 The longitudinal profile of the Baisha River

從圖3看出，北川湔江河流有部分河段已經(jīng)或正在進行裁彎取直。降水強度(洪水流量大小)、河床巖性抗蝕性強弱、河流輸沙率是影響山區(qū)基巖型河流曲率的重要因素[24～26]。北川縣城以上湔江部分河段在流經(jīng)不同巖性的地方河流曲率變化都較為明顯(見圖7)，并且砂巖、粉砂巖分布的區(qū)域也是汶川地震滑坡最為集中的地方[2]，這些地區(qū)軟弱的地層可能為河流的側向擺動提供了空間。受季風性氣候影響，湔江流域降水較為集中，汶川地震后強降水曾經(jīng)誘發(fā)了大量新的滑坡[27]。強降水和河流沉積通量的激增可能改變了湔江的河流水動力條件。因此，降水和河水攜帶的滑坡物質(zhì)可能影響了湔江河流曲率的變化。

圖7 湔江河流形態(tài)與巖性Fig.7 The fluvial morphology of the Jianjiang River and the lithology

3 地震與龍門山河流長期形態(tài)變化

晚新生代以來龍門山地區(qū)水系的發(fā)育和演化受活動斷裂帶的影響[11～12]，例如：岷江部分河段沿汶川—茂縣活動斷裂帶發(fā)育，北川縣附近湔江發(fā)生了河流襲奪和水系重組[12～13]。強烈的河流下切侵蝕作用塑造了龍門山地區(qū)典型的高山峽谷地貌，高陡地形的放大效應使得汶川地震沿水系兩側誘發(fā)大量滑坡[27]。發(fā)育在河道曲率較大部位的地震滑坡，將被季節(jié)性強降水不斷帶入河道，可能引起河流側向侵蝕的增強，使得河道內(nèi)側坡面失穩(wěn)，造成河岸坍塌。因此，從河流形態(tài)的長期演化看，隨著類似汶川地震的大地震周期性復發(fā)，除了受活動斷裂的影響外，河流攜帶的地震滑坡物質(zhì)可能也是影響龍門山地區(qū)水系形態(tài)變化的重要因素。

坡面過程與河流作用的耦合是塑造活動造山帶河流地貌的主要地表營力[18,29～30]。其中，坡面過程主要以滑坡、泥石流等重力侵蝕方式進行，而河流不僅對河谷下切侵蝕，同時還會將滑坡、泥石流侵蝕物質(zhì)搬運出造山帶。河流下切使得河谷邊坡超過坡面失穩(wěn)臨界坡度，從而發(fā)生大規(guī)模的崩塌滑坡，導致河流沉積通量的增加。

龍門山河流地貌演化過程中可能包含著“地震滑坡—增強侵蝕下切—形成深切河谷—河流恢復侵蝕平衡”這一系列河流動力學過程。河流下切侵蝕導致邊坡失穩(wěn)，地形的放大效應使得崩塌滑坡在強震作用下沿河流大規(guī)模發(fā)生[28]，滑坡物質(zhì)進入河道，河流對滑坡物質(zhì)快速搬運卸載(見圖8)；隨著滑坡物質(zhì)逐漸被卸載，河流水動力將逐步達到新的平衡。但是由于龍門山河流能耗(物質(zhì)搬運能力)的空間差異，不同的河段可能對此反饋機制的響應會有差異。例如，震后部分較大粒徑的滑坡物質(zhì)滯留在河道，延緩了河道的進一步下切，直到大洪水或者經(jīng)長時期河水持續(xù)沖刷，河床才開始繼續(xù)下切。隨著強震的再次復發(fā)，龍門山河流地貌演化開始新一輪“坡面—地震滑坡—河流系統(tǒng)”的河流過程。在坡面—河流系統(tǒng)中，地震滑坡沿河分布的位置、距離河流遠近以及滑坡的規(guī)模，會產(chǎn)生不同的地貌效應(見圖9)。具體可能有如下表現(xiàn)形式：沿河分布的規(guī)模較大的滑坡側向擠壓河道，使河道變窄或者側移，甚至會阻塞河道，形成堰塞湖；如果堰塞湖可以長期穩(wěn)定存在，可能成為控制河流下切侵蝕基準面，堰塞湖以上和以下河道的演化將發(fā)生變化；如果滑坡距離河流較遠，在雨季時為泥石流的爆發(fā)提供豐富的物源，泥石流在輸入物質(zhì)進入河道的過程中，會形成新的沖溝，加快坡面溯源侵蝕；最終坡面物質(zhì)會進入河道，改變河流的水動力條件，影響河流的侵蝕搬運。

圖9 地震滑坡地貌效應示意圖Fig.9 Schematic representation of the geomorphological effect of the seismic landslide

4 結論

汶川地震發(fā)生后，河流攜帶沉積物的侵蝕效應導致同震裂點(跌水)無法長期穩(wěn)定地存在；降水及河水攜帶的滑坡物質(zhì)可能影響了龍門山河流曲率的變化。

隨著類似汶川地震的大地震的周期性復發(fā)，除了受活動斷裂的影響，河流攜帶的地震滑坡物質(zhì)可能也是影響龍門山地區(qū)水系形態(tài)變化的重要因素。

致謝 中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所付碧宏研究員對本文給予了悉心指導和大力支持，馬元旭博士對文章提出了建設性的意見，在此一并感謝。

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POSSIBLE SEISMIC CONTROL ON RIVER CHANNEL CHANGE IN THE LONGMENSHAN MOUNTAIN

LI Jian-feng, LIU Feng, WU Zhong-hai

(Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China)

The 2008Mw7.9 Wenchuan earthquake induced a large quantity of landslides whose materials entered the river channels. In some channel reach the seismic surface ruptures caused the co-seismic knick points across the channel of the Longmenshan Mountain. The river morphology and hydrodynamic condition may be changed. The field investigations show that co-seismic knick points disappeared rapidly, and meander cut-off would potentially occur in the near future. This suggests that the temporal increase in sediment input will not reduce the long-term fluvial transport capacity. A few years later, the rivers will reach a new state of eroion-transport-deposition. It is concluded that the seismic erosion events (landslide) and local hydrometerological conditions (heavy rainfall and flash flood) exert significant controls on the river channel change in the Longmenshan Mountain.

meander cutoff; knick point; river channel change; large earthquake; Longmenshan Mountain

1006-6616(2016)03-0659-08

2016-04-21

中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務項目(DZLXJK201602)；中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(DD20160268)；國家自然科學基金項目(41672204)

李建鋒(1978-)，男，博士，構造地質(zhì)學專業(yè)，從事造山帶與盆地演化及熱年代學研究。E-mail：lijianfeng217@sina.com

劉鋒(1979-)，男，博士，構造地質(zhì)專業(yè)，主要從事構造地貌和地質(zhì)災害研究。E-mail：tcytgr2005@outlook.com

P546；P69

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