黃土地震滑坡運動特征研究

摘要：

基于1920年海原81/2級特大地震誘發的568處典型黃土滑坡，從方向性特征、遠程滑移特征以及流滑特征等3個方面探究黃土地震滑坡運動特征，主要結論如下：（1）海原地震誘發黃土滑坡主滑方向集中于60°～ 90°和270°～300°兩個區間，與斜坡坡向優勢范圍50°～90°和255°～290°較為一致，體現出明顯的順坡向特征;（2）主滑方向與發震斷裂走向平行或呈小角度相交（0°～ 30°）的滑坡占比41.9%，滑動方向受斷層錯動方向的影響較為顯著;（3）滑坡密集分布于迎坡面，發育數量為背坡面的1.98倍，表現出典型的迎坡面特征;（4）滑坡最大水平距離與坡高的相關性明顯，滑坡密集發育在坡高30～120 m的范圍內，滑坡的等效摩擦系數均小于0.4，展現出典型的遠程滑移特征;（5）568處滑坡中等效摩擦系數小于0.17的占比70.95%，表現出顯著的流滑特征。作為黃土地震滑坡發育特征研究成果的重要補充，所得結論對深入開展黃土地震滑坡成災機理與風險評估研究具有一定的參考價值。

關鍵詞：

1920年海原81/2級特大地震; 黃土地震滑坡; 方向性特征; 遠程滑移特征; 流滑特征

中圖分類號： P315.9;P315.3""""" 文獻標志碼：A"" 文章編號： 1000-0844（2024）05-1151-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20231109001

Kinematic characteristics of loess seismic landslides： a case study

of landslides triggered by the Haiyuan great earthquake

DUAN Junjie1，2， LI Xiaobo1，2， ZHOU Xinghao1，2， LIU Yaokuo1，2， OUYANG Ganglei3

（1. Institute of Disaster Prevention， Sanhe 065201， Hebei， China;

2.Hebei Key Laboratory of Earthquake Disaster Prevention and Risk Assessment， Sanhe 065201， Hebei， China;

3. Nuclear Industry Jingxiang Construction Group Co.， Ltd.， Huzhou 313001， Zhejiang， China）

Abstract：

Based on 568 typical loess landslides induced by the 1920 Haiyuan MS81/2 earthquake， the study explores the kinematic characteristics of loess seismic landslides from three aspects： directivity， long run-out slip characteristics， and flow-slide characteristics. The main conclusions are as follows： （1） The main sliding directions of landslides induced by the Haiyuan earthquake are concentrated in two intervals： 60°-90° and 270°-300°， which are consistent with the dominant slope direction ranges of 50°-90° and 255°-290°， respectively， demonstrating a distinct characteristic of being along the slope direction. （2） Landslides whose main sliding direction is parallel to or intersects with the strike of a seismogenic fault at a small angle （0°-30°） account for 41.9%， and the sliding direction is substantially affected by the fault dislocation direction. （3） Landslides are densely distributed on the facing slope， the number of which is 1.98 times that on the back slope， demonstrating typical facing slope characteristics. （4） A correlation exists between the maximum horizontal distance of a landslide and the slope height. Landslides are densely developed at a slope height of 30-120 m， and the equivalent friction coefficients of landslides are all less than 0.4， showing typical run-out slip characteristics. （5） Landslides with an equivalent friction coefficient of less than 0.17 account for 70.95% of the 568 landslides， revealing flow-slide characteristics. As an important supplement to the research results on the development characteristics of loess earthquake landslides， the conclusions have a certain reference value for further research on the disaster mechanism and risk assessment of loess earthquake landslides.

Keywords：

1920 Haiyuan MS81/2 earthquake; loess seismic landslide; directivity; long run-out slip characteristics; flow-slide characteristics

0 引言

1920年12月16日，寧夏回族自治區海原縣發生81/2級特大地震，震中位于海原縣甘鹽池附近（105.28°E，36.67°N），震中烈度Ⅻ度，震源深度17 km［1］。強烈的地震作用導致山崩地裂、河流阻塞、道路中斷，死傷人數達27萬［2］。地震誘發的大量地質災害中，滑坡由于具有規模巨大、滑速高、滑程遠、受災范圍廣等特點，造成的危害尤為突出［3］。國際饑餓救濟協會的Close等［4］在地震過后曾前往災區考察，詳細記錄了災情，并對部分地震誘發黃土滑坡作了十分生動的描述。在此之后，大量學者圍繞海原地震誘發黃土滑坡開展研究，取得了較為豐碩的研究成果。例如，鄒謹敞等［5］在野外調查和航片判讀資料的基礎上研究了海原地震滑坡的基本類型和分布特點，認為區域地貌、區域構造和水系分布是影響滑坡分布的主要因素;Zhang等［6］依據野外調查結果探討了海原黃土地震滑坡的成因和運動機制，認為孔隙水壓力上升是導致滑坡土體抗剪能力下降的主要原因;鄧龍勝等［7］以海原特大地震誘發滑坡為研究對象，發現多數滑坡堆積體形態呈波浪形或流線型，形似黃土流，滑坡整體具有方向性和運動液化的特點;常晁瑜等［8-9］構建了海原地震滑坡滑距的BP神經網絡模型，并基于顆粒流離散元方法研究了海原地震誘發黃土的形成機理與運動規律，認為液化型滑坡滑動的速度更快、距離更遠、破壞性更強。

總的來說，現階段針對海原特大地震誘發黃土運動特征的研究大多基于衛星遙感影像解譯和數值模擬，缺乏較為詳細、系統的現場調查數據支撐［3］。因此，本文依托國家自然科學基金項目“基于地震滑坡反演地震動研究”和中央高校創新團隊項目“海原大地震誘發黃土滑坡災害研究”，開展1920年海原特大地震誘發黃土滑坡現場調查工作，并從方向性特征、遠程滑移特征以及流滑特征探究海原特大地震誘發黃土滑坡的運動特征。

1 數據獲取

在衛星遙感影像識別的基礎上，對1920年海原特大地震誘發黃土滑坡開展了實地調查工作（圖1）。調查區域為：（1）靜寧縣北部、會寧縣東部以及西吉縣西南等地區;（2）海原縣南部和固原市原州區東南部地區;（3）彭陽縣西南地區。調查對象主要針對要素清晰、形態完整的典型黃土滑坡。調查內容依據《滑坡崩塌泥石流災害調查規范（DZ/T 0261—2014）（1∶50 000）》［10］而定，包括滑坡的地理坐標、地震烈度、原始斜坡坡向、原始斜坡坡角、主滑方向、最大水平距離、覆蓋范圍、平面形態、滑坡體長度，以及滑坡體寬度等要素。圖2為568處現場調查的滑坡在海原特大地震烈度圖中的分布，其中在地震烈度Ⅸ度區內的滑坡有429處，占比75.53%。

2 方向性特征

2.1 順坡向特征

坡向是影響滑坡發育的地形因素之一，當滑坡主滑方向與原始斜坡坡向基本一致時稱為順坡向［11］。Li等［12］以1654年天水南特大地震誘發黃土滑坡為研究對象，認為絕大多數黃土滑坡的主滑方向與原始斜坡坡向一致，表現出顯著的順坡向特征。為探究海原特大地震誘發黃土滑坡是否具有順坡向特征，本文利用滑坡主滑方向和原始斜坡坡向進行對比分析。圖3為滑坡主滑方向和原始斜坡坡向的玫瑰花圖。由圖3可知，滑坡主滑方向的優勢范圍為60°～90°和270°～300°，原始斜坡坡向的優勢范圍為50°～90°和 255°～ 290°，兩者優勢方向較為吻合，表明海原特大地震誘發滑坡多以斜坡坡向方向滑移。黃土地震滑坡表現出順坡向特征與地層巖性密不可分，研究區內黃土層的下伏土層為第三系泥巖，其傾向與斜坡坡向較為一致，在遇水后容易在巖層交接處形成軟弱面，進而導致斜坡失穩順下伏土層傾向滑動，表現出顯著的順坡向特征［13］。

2.2 斷層錯斷方向特征

發震斷裂錯動方向對滑坡主滑方向有一定的影響。周本剛等［14］通過對云南、川西地區滑坡資料的分析，指出滑坡主要沿發震斷裂的破裂方向分布;許強等［15］開展了汶川地震誘發滑坡方向性研究，得出以走滑錯動為主的區段，部分滑坡的滑動方向與發震斷層的錯斷方向呈小角度相交;鄧龍勝等［7］ 統計了西吉、海原、固原等地滑坡的主滑方向，發現其具有一定方向性，滑坡優勢主滑方向與海原斷裂帶的走向呈現出近似平行的關系;李為樂等［16］利用衛星遙感影像解譯結果，采用ArcGIS分析了海原地震滑坡分布規律，結果同樣表明多數滑坡的主滑方向與發震斷裂走向近似平行或小角度相交。

海原斷裂帶為左旋走滑斷裂帶，傾角較陡，傾向SW，整體為向東北凸起的弧形［17-18］。西部斷裂總體走向NWW，東部斷裂總體走向NW，發震斷層走向為305°［19-20］。為分析滑坡主滑方向與發震斷層走向之間的關系，將二者的夾角以30°劃分為3個區（表1）。由表1可知，238處滑坡的主滑方向與斷層走向夾角在（0°，30°］區間內，占總數的41.9%;211處滑坡主滑方向與斷層走向夾角在（30°，60°］區間內，占比37.15%;119處滑坡主滑方向與斷層走向夾角在（60°，90°］區間內，占比20.95%。綜上所述，研究區域內滑坡主滑方向受發震斷層走向的影響，多數滑坡的主滑方向與斷層錯動方向一致或小角度相交，印證了黃土滑坡具有斷層錯斷方向特征。

2.3 迎坡面特征

區域應力場方向、斷層破裂方向、地震波傳播方向導致地震滑坡在某個坡向的斜坡上更易發生［21］。諸多學者針對不同坡向誘發滑坡存在數量差異的現象進行了研究，指出滑坡發育與地震波的傳播方向具有一定關聯。例如，Liao等［22］以中國臺灣集集MW7.7地震滑坡為研究對象，指出位于發震斷層下盤的滑坡主要分布在南、南東和南西向斜坡上，即為坡向背向震源的斜坡;Sato等［23］通過對Kashmir地震滑坡的研究，發現超過一半的大型滑坡分布在坡面南西和南向的凸形坡，發育滑坡的斜坡坡向與發震時地震波傳播方向基本一致;許強等［15］對2008年汶川地震誘發滑坡進行研究，指出同一斜坡兩側滑坡災害發育密度大為不同，滑坡在坡向與地震波傳播方向相同的原始斜坡上更為發育，并將這種現象歸納為“背坡面效應”;而袁麗俠［24］在研究西吉地區的黃土地震滑坡分布特征與地震波傳播方向的關系時，指出西吉區域滑坡的主滑方向多數迎著地震波傳播的方向，根據順坡向效應可知，黃土滑坡在迎地震波傳播方向的斜坡更易發育;Zhuang等［25］以海原黃土地震滑坡為研究對象，同樣印證了此次地震迎向震源的原始斜坡更易引發滑坡。

圖4展示了黃土梁的兩側引發滑坡數量與地震波傳播方向的關系，在坡向為迎地震波傳播方向的斜坡上滑坡發育密集程度要遠大于梁的另一側。為更深入探究滑坡發育與地震波傳播方向的關系，利用滑坡的相對震中方位角和原始斜坡坡向數據進行研究，其中，相對震中方位角是震中到滑坡的連線與正北向的夾角。當原始斜坡為背坡面時，相對震中方位角（α）與原始斜坡坡向（β）數值差的絕對值接近0;當原始斜坡為迎坡面時，兩者數值差的絕對值接近180°。因此，定義當兩者差值的絕對值在0°～40°時為背坡面，在140°～180°時為迎坡面。迎、背坡面用相對震中方位角（α）和原始斜坡坡向（β）進行表達，其關系式為：

背坡面：0°≤∣β-α∣≤40°（1）

迎坡面：140°≤∣β-α∣≤180°（2）

統計發現，1920年海原特大地震誘發的黃土滑坡中，處于背坡面的滑坡數量為55個，占比9.7%，分級面積比9.15%；迎坡面的滑坡數量為109個，占比19.2%，分級面積比20.45%（圖5）。對比區域內迎、背坡面滑坡發育的關系，發現迎坡面滑坡發育數量為背坡面滑坡發育數量的1.98倍。將黃土地區地震誘發滑坡災害多發育在迎地震波傳播的斜坡的現象稱之為“迎坡面特征”。海原地震誘發的滑坡與集集地震、Kashmir地震以及汶川地震誘發滑坡的分布差異可能與發震斷層的性質有關：除海原地震的發震斷層為走滑斷層外，其余3次地震的發震斷層均為逆沖斷層［15，17，22-23］。此外，海原特大地震誘發滑坡表現出迎坡面特征顯著，這種現象與滑坡空間位置密切相關。黃土高原的黃土主要為第四紀風源沉積，其物質來源是由西北冬季風從西北向東南搬運而來沉積在古地形上的，而古地形受剝蝕的影響，其陽坡比陰坡陡，因此西北向黃土層更厚［26-27］。當地震波來臨時，黃土梁、峁地形受到地震作用的影響而發生地震動放大作用，且黃土覆蓋層更厚一側的地震動放大作用更為顯著［28］。由于黃土本身所具有的大孔隙結構使其擁有極高的動力易損性，黃土體易超過穩定極限導致斜坡失穩，故迎坡面黃土層更易產生滑坡;東南向的原始斜坡（即背坡面）的坡度相對較大、黃土層厚度較薄，因此背坡面較少發育滑坡。

3 遠程滑移特征

滑坡的運動參數主要包括：最大水平距離Lmax、最大垂直距離Hmax以及等效摩擦系數μ等。研究表明這些運動參數往往受滑坡體積V、坡高H、原始斜坡坡度等地形地貌因素的影響［29］。坡高決定勢能的大小，是影響滑坡運動距離的必要內部條件之一，坡高越大，勢能越大，產生崩滑的動力條件就越充足，在一定程度上決定了滑坡的最長運動距離和規模（周界、面積等）［30］。調查得到的海原特大地震誘發黃土滑坡坡高如表2所列：滑坡分布的坡高范圍為0～240 m；在坡高30～120 m范圍內，滑坡發育較為密集，滑坡數量為439個，占比77.3%。在一定范圍內隨著坡高增大，滑坡的平均面積也增大，印證了坡高決定滑坡規模的結論。黃土地震滑坡最大水平距離（Lmax）與坡高（H）的關系如圖6所示，其對應關系式如下：

Lmax=7.023 31H 1.042 2， R2=0.668 81（3）

式（3）說明了黃土地震滑坡的最大水平距離與坡高具有較好的指數關系，其常系數為7.023 31，冪指數為1.042 2，黃土地震滑坡的最大水平距離隨著坡高增大而增大。遠程滑坡一般指滑距大于2倍滑坡相對高差（滑坡滑源區的高差）的滑坡［31-32］，為便于區分常以等效摩擦系數（μ）作為判別指標。等效摩擦系數是滑坡最大垂直距離與最大水平距離的比值，能較好地反映滑坡運動特征，一般認為當μ小于0.4時即為遠程滑坡［33］。表3為海原特大地震誘發黃土滑坡的等效摩擦系數統計表。從表中可以看出海原特大地震誘發滑坡等效摩擦系數的變化范圍為0.04～0.28，平均值為0.15，其中62.5%分布在0.12～0.20的范圍內。調查收集的黃土地震滑坡等效摩擦系數均小于0.4，表明黃土地震滑坡具有遠程滑移特征。

4 流滑特征

海原黃土地震滑坡不僅具有遠程滑移特征，還表現出強烈的流動性和極強的破壞力，如黨家岔滑坡發育原始坡度緩（8°～15°），滑動距離卻長達3 km左右，滑坡體在運動中呈現出泥流狀［34］。針對黃土滑坡流動性這一特點，諸多學者開展研究：顏靈勇［35］選取1654年天水南8.0級和1920年海原81/2級特大地震誘發滑坡為研究對象，分析滑坡分布規律與發育特征，指出黃土地震滑坡具有強烈的運動性;Zhuang等［36］指出黃土滑坡在滑動過程中容易發生液化，進而形成流滑型滑坡;段釗等［37］以灌溉型黃土滑坡為研究對象，按滑坡的運動特征將其分為流滑型和滑動型，并指出流滑型滑坡的滑距一般約為坡高的4倍;許領等［38］以涇陽南塬黃土滑坡為研究對象，分別對流滑型和滑動型滑坡的最大水平距離和最大垂直距離的關系進行擬合，厘清兩種類型滑坡的分界線，指出當視摩擦角低于15.6°，即μ小于0.28時，便可視為滑坡具有流滑特征;Wang［39］以流滑型滑坡為研究對象，利用環剪試驗對流滑型滑坡形成機理進行研究，將視摩擦角小于10°定為流滑的判別標準，即當μ小于0.17時滑坡具有流滑特征。本文流滑的判斷標準采用等效摩擦系數μ小于0.17。圖7為海原地震誘發黃土滑坡的等效摩擦系數，其中滑坡等效摩擦系數小于0.17的數量為403個，滑坡數量占比70.95%，這表明所調查的黃土地震滑坡多數具有流滑運動特性。

已有研究表明滑坡運動參數與滑坡體積也具有一定的關系。Legros［40］在研究不同類型（巖、土質）滑坡運動參數與滑坡體積關系時，指出最大水平距離與滑坡體積具有正相關指數關系。樊曉一等［41］統計分析汶川地震滑坡最大水平距離與滑坡體積的關系時，指出最大水平距離隨滑坡體積增大而增大。滑坡體積與滑坡最大水平距離之間存在的這種關系，表明體積越大滑坡的運動性就越強，μ就越小［13］。依據《工程地質手冊》（第五版）［42］，將滑坡按體積分為4類，并統計出不同規模下的等效摩擦系數（表4）。由表4可知，海原特大地震誘發的黃土滑坡以大型滑坡為主，占總滑坡數的60.04%，而特大型滑坡與小型滑坡數量很少。對比不同滑坡體積平均等效摩擦系數發現，滑坡體積越大，相對應的平均等效摩擦系數越小。海原特大地震誘發滑坡的等效摩擦系數與滑坡體積的關系如圖8所示，其關系式如下：

μ=0.352 58V-0.182 58， R2=0.617 55（4）

式（4）表明了調查收集的黃土地震滑坡的等效摩擦系數與體積之間同樣具有良好的指數關系。滑坡體積增大，等效摩擦系數隨之減小，印證了黃土地震滑坡體積越大滑坡滑移過程中運動性越強的結論。海原黃土地震滑坡所展現出的較強的運動性和顯著的流滑特征，可能與地震前海原地區的地下水位異常有關［24］。在地震強擾動作用和水的影響下，黃土內部大孔結構和弱膠結結構極易被破壞，且產生難以消散的超孔隙水壓力，進而發生液化現象［43］，大幅減小黃土地震滑坡在滑動過程中的阻力。此外，滑坡體積越大，啟動時所具有的重力勢能越大，在滑動阻力減小的條件下滑移距離就越遠，等效摩擦系數就越小，因此其流滑特征更為顯著。

5 討論與結論

本文的典型黃土地震滑坡數據都是在衛星影像識別的基礎上，通過現場實地調查得到的，數據來源較為可靠。與許沖等［18］、Zhuang等［25］以及Xu等［44］中的滑坡數據相比，雖然滑坡的樣本量偏少，但獲取的滑坡參數均通過實際測量得到，滑坡形態特征清晰、參數獲取便捷、數據質量可靠，為更加合理探究海原特大地震誘發黃土滑坡運動特征提供了可能。通過對568處海原特大地震誘發黃土滑坡運動特征的分析，得出如下主要結論：

（1） 滑坡主滑方向集中于60°～90°和270°～300°兩個區間，與原始斜坡坡向的優勢范圍50°～90°和255°～290°較為吻合，表明多數滑坡順原始斜坡坡向滑動，具有明顯的順坡向特征;

（2） 海原地震誘發黃土滑坡的主滑方向多與海原斷裂走向平行或小角度相交（0°～30°），印證了發震斷層的錯動方向是影響滑坡的主滑方向，斷層錯斷方向特征顯著;

（3） 斜坡上滑坡的發育密度受地震波傳播方向的影響，海原地震誘發黃土滑坡密集分布于迎坡面上，其數量約為背坡面的1.98倍，表現出了典型的迎坡面特征;

（4） 滑坡最大水平距離受坡高控制作用明顯，坡高越大，最大水平距離就越大，兩者之間的關系式為：Lmax=7.023 31H1.042 2。77.3%的黃土地震滑坡發育在坡高30～120 m的范圍內，等效摩擦系數均小于0.4，展現了明顯的遠程滑移特征;

（5） 等效摩擦系數主要受滑坡體積的影響，兩者之間的關系式為：μ=0.352 58V-0.182 58，海原特大地震誘發黃土滑坡具有強烈的運動性，等效摩擦系數小于0.17的滑坡占比70.95%，流滑特征顯著。

需要說明的是，本文的結論雖然在一定程度上表征出了黃土地震滑坡的運動特征，但相關的分析還較為淺顯，后續將進一步擴充黃土地震滑坡實地調查數量，在深入揭示黃土地震滑坡運動特征的同時，還需注重探究黃土地震滑坡形成與黃土場地效應之間的關聯。

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（本文編輯：張向紅）