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地学学院程谦恭教授团队史安文、王玉峰等揭示中国大陆最大的高速远程滑坡特征

  作者:地质工程系     日期:2022-11-14   点击数:  

帕米尔高原位于喜马拉雅造山带西部兴都-库什构造结的北部,是印度板块向欧亚大陆内部楔入最深的前端犄角部位。高原西部与塔吉克盆地相连,东临塔里木盆地,北接阿莱谷地,谷地以北为天山山脉。高原内部及周围多为逆冲和走滑断层,构造活动强烈,地震频发。历史记载以来,沿活动断裂带曾经发生过多次8级及8级以上的大地震。20世纪60年代以来,喀喇昆仑地区是地球上冰川变化最严重、最脆弱的山区之一。在气候和暴雨特征方面,西喜马拉雅山、喀喇昆仑山、兴都库什山位于西风带中,是青藏高原显著的地中海冬雨型地区。在这些内外动力地质作用下,本区是全球高速远程滑坡严重发育的地区之一,是国际上非常典型的研究高速远程滑坡动力学机理的天然实验室。研究帕米尔高原的地质灾害动力学机理,揭示构造活动与气候变化相互作用背景下地质灾害效应,是国际地球科学领域的研究热点和前沿科学问题。另一方面,帕米尔高原“中巴经济走廊”是国家“一带一路”建设的先行区和重中之重,具有重要的政治、经济意义;而“中巴经济走廊”拟建的铁路和正在建设中的公路,穿越昆仑山脉、喀喇昆仑山脉、喜马拉雅山脉等地质灾害多发区,以高速远程滑坡为代表的重大地质灾害链严重影响中巴铁路、中巴公路等工程的规划和建设以及安全运营。因此,开展帕米尔高原高速远程滑坡灾害研究,对揭示高原地区构造、气候与环境演化历史,评估高原未来不同时间尺度地质灾害演化过程,保障国家重大工程和国土空间地质安全具有重要意义。

高速远程滑坡是地球岩石圈造山带一类大规模、多相变、跨尺度的地表物质迁移过程。自1881年Albert Heim调查欧洲阿尔卑斯山Elm滑坡开始以来,高速远程滑坡的高流动性机理一直是国际地球科学领域极具争议的前沿热点科学问题,正如美国地质调查局Richard M. Iverson所言:“很少有一种地球物理现象如同高速远程滑坡这般拥有众多的机理假说植根于猜想,而不是基于自然事实(Few geophysical phenomena have elicited such an abundance of hypotheses rooted mostly in conjecture rather than in fact.”。因此,在野外进行深入细致地地质调查,掌握翔实的地质证据,并以此建立正确的地质原型,对揭示其动力学机理具有不可或缺的重要意义。任何高速远程滑坡动力学机理的提出都应该以野外地质现象为重要前提和坚实依据,理论或实验模型所呈现的结果都应与野外所观察到的地质现象相一致。

最近5年来,在第二次青藏高原综合科学考察研究任务九“地质环境与灾害”专题五项目的支持下,西南交通大学程谦恭教授科研团队对帕米尔高原的高速远程滑坡进行了持续的调查研究。近期,团队成员史安文博士研究生、王玉峰特聘研究员等通过野外深入细致地调查研究,揭示了帕米尔高原东缘依买克(Iymek)滑坡(图1)的地质特征。通过遥感影像、地质调查、统计分析等研究手段,分析了依买克滑坡的孕灾地质背景和源区基岩物质组成,确定了依买克滑坡的同震启动机制通过对源区及堆积区初始地形的重建,确定了依买克滑坡是中国大陆目前已知最大规模的高速远程滑坡详细刻画了滑坡堆积体存在的各种堆积地貌与内部堆积结构,概化了依买克滑坡堆积模型(图2);在此基础上,对各种地貌单元与内部结构的形成机制进行深入分析,揭示了依买克滑坡路径相依的运动演化过程、滑坡-下伏层相互作用特征以及滑坡停积的动力学机制;并与全球不同地区高速远程滑坡实例进行对比分析,揭示了下伏层特性对高速远程滑坡堆积地貌与堆积结构的重要控制作用。主要的发现和认识如下:

(1) 依买克滑坡源区失稳体积高达0.98 km3,解体破碎后的碎屑体在开阔的坡度接近4°的塔里木盆地上运动16.3 km,垂直落差2135 m形成覆盖面积48.5 km2、厚度10-90 m、体积至少1.37 km3的巨型滑坡堆积体,使依买克滑坡成为中国大陆现今已知体积最大、运动距离最远的高速远程滑坡。

(2) 依买克滑坡堆积区呈现出波澜壮阔的波状起伏地貌,地貌单元形态多样,包括堆积丘、纵向脊、横向脊、共轭状脊、斜向脊、隆起的前缘与侧堤等。剖面上,堆积体呈现出许多具有代表性的滑坡构造,包括反粒序堆积特征、源区层序保留、火焰状构造(图3)、底辟构造(图4)侵入砂脉(图5)小型褶皱、正断层和逆断层这些堆积地貌与内部结构的组合表明滑坡主体以弥漫性剪切式层流的形式远程运动,而非以剪切集中在滑坡底部的活塞流的形式运动。在滑坡就位过程中,滑体主要经历了三种不同应力状态的运动:堆积区后缘和流通区以拉伸为主,堆积区中部和边缘以侧向扩展为主,堆积带前以挤压为主。

(3)国内外首次在高速远程滑坡侧缘堤中发现了由内向外翻卷的火焰状结构(图3)。这表明,在滑坡运动过程中,后部的滑体物质不断推挤并犁铲前部减速的滑体,导致前部滑体向外翻卷并形成火焰状的剪切带。这一发现揭示了高速远程滑坡侧缘堤的形成机制与滑体物质的侧向推挤运动有关,而非一些国际流体力学研究文献所报道的颗粒分选机制。

(4)与世界上其他开阔型高速远程滑坡对比分析表明,依买克滑坡整体上在一个以卵砾石为主的高强度、高阻力的下伏层上运动(图4)。下伏层特性在筑造开阔型高速远程滑坡的整体形状、堆积地貌以及内部结构方面起着重要的控制性作用。

(5) 堆积区剖面上壮观的砂脉侵入体(5)表明,依买克滑坡下伏层存在局部饱和区域,在上覆滑体运动时造成的高能剪切作用下发生液化并侵入到上覆滑体。但是砂脉侵入体连续性完整,错断堆积体内部的剪切带,表明下伏层的液化应该发生在滑坡停积的最后阶段,而非在运动过程中。这一全新发现揭示下伏层的局部液化并不是依买克滑坡远程运动的主要原因,而只是滑坡与下伏层在停积最后阶段强烈相互作用的产物。这一认识,有可能对下伏层液化有助于滑坡运动的传统看法,提出严重挑战。

这一长篇研究论文,近期发表在国际地球科学领域著名期刊《Geomorphology》。该项研究成果获得国家第二次青藏高原综合科学考察项目“冻土冻融灾害及重大冻土工程病害”专题(2019QZKK0905)以及国家自然科学基金项目(41877226,41877237,42177131)的资助。

论文详细信息:A.-W. Shi, Y.-F. Wang, Q.-G. Cheng, et al., The largest rock avalanche in China at Iymek, Eastern Pamir, and its spectacular emplacement landscape, Geomorphology (2022), https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2022.108521

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2022.108521



                                                      图1 依买克高速远程滑坡卫星影像(坐标:E39.20,N75.15)

2 依买克高速远程滑坡堆积地貌与内部堆积结构概化模型


3 依买克高速远程滑坡侧缘堤中由内向外翻卷的火焰状构造

4 依买克高速远程滑坡底部的底辟构造及下伏层特征


5 依买克高速远程滑坡堆积体中侵入的液化砂脉