龙门山山前砂土液化初步研究

　　　HYDROGEOLOGY&ENGINEERINGGEOLOGY第37卷第1期

2010年1月

龙门山山前砂土液化初步研究

杜国云,邢秀臣

(1.鲁东大学地理与规划学院,烟台　2025;2.中国科学院青藏高原研究所,北京　100085)

摘要:对龙门山山前的成都平原(金马河以北)和川北丘陵区进行了地震液化现场调查。结果表明:液化点主要沿河谷底部和低阶地分布,液化集中区平行于NE向龙门山地震断层,与断层的转折、终止、出现部位相对应,与地震动最大峰值加速度(PGA)等值线主轴一致。液化喷出砾石最大粒径30cm,最大喷砂量约15m3,堆积厚达4m,冒水高达775cm,地表破裂长达1000m。喷砂冒水与强震动相一致,强震过后,大部分液化点上的喷砂冒水现象消失。分析表明:冒水高度总体随震中距增加而降低,亦存在随震中距增加而增高和波动的趋势。液化砂土来自第四系不同地层,并出现了下更新统下段的红色强风化泥砾。

关键词:砂土液化;龙门山山前区域;5.12汶川地震

中图分类号:P2127　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:100023665(2010)0120108205

1

1,2

　　地震动是砂土液化的动力来源之一,天然地震是地震动的重要类型。伴随地震的液化现象十分普遍,如日本新瀉地震(19年)、邢台地震(1966年)、营口-海城地震(1975年)、唐山地震(1976年)和集集地震(1999年),均引起大范围的砂土液化,地震液化在近40年一直被高度关注。2008年5月12日14时28分,发生在我国四川省汶川县映秀镇的Ms810级地震,引起的滑坡泥石流次生地质灾害达8541处,液化作为汶川5112地震后的次生地质灾害被提[6～7]出。砂土液化的地震地质过程包括自地下液化层到地表喷砂冒水过程,以及地表陷落、滑坡和地层倾[4]

斜。地下沉积层液化一直是历史地震研究的途径

[8]

之一,需要一定的工程揭露才能完成。地表滑坡和地层倾斜不易识别是由液化引起,还是由断层滑动引起,或是二者兼有。喷砂、冒水和地表陷落是地下砂土液化典型的地表现象。与地表滑坡和地层倾斜相比,成因上可靠;与地下液化层揭露相比,易于识别和调查。而喷砂、冒水随着人为活动、灾后重建和时间的推移会遭到破坏和淡忘,因此快速的震后调查所获得的喷砂、冒水资料显得弥足珍贵。

龙门山山前以冲积扇平原为主,松散沉积物很厚,地下水丰富,具备砂土液化的水文地质条件,是开展地震砂土液化研究的有利地段。本研究主要针对喷砂、冒水展开,以现场观测为主,并配合走访,冒水高度数

收稿日期:2009203211;修订日期:2009207208

作者简介:杜国云(19622),男,硕士,教授,构造地质学专业。

E2mail:duguoyun2003@163.com

[1～5]

据采用了公众问询的方法获得,并多次求证,取得

了宝贵的资料。旨在现场地表调查的基础上,对研究区液化的分布规律做出初步分析,尤其是对液化与地震断层、液化与地震动之间的关系做初步分析与判断,为进一步研究奠定基础。

[5]

1　研究区范围

研究区位于四川西北部、龙门山山前,包括成都平原北部和川北丘陵2个地貌单元。

调查所跨行政区自南而北包括:成都市温江区、郫县、都江堰市、彭州市、金堂县、德阳市旌阳区、广汉市、什邡市、绵竹市、绵阳市安县、江油市、梓潼县。根据调查区中液化点的空间分布状况,得到研究区最小地震液化范围。最东端位于绵阳市梓潼县豢龙乡新胜村五组村民裴胜清院内(105°10′46″E,488mH);最北端位于江油市敬元乡毛坝子村(30°14′15″N,631mH),液化点位于河道旁。最南端位于成都市温江区寿安镇玉苗村冉家碾(30°48′13″N,594mH)。调查区范围及部分液化点见图1。

2　区域水文地质背景

研究区地处亚热带季风气候区,大部分地区年降水量900～1200mm。自南而北有岷江、沱江和涪江3大水系,河网密布。成都平原总体向东南缓倾,海拔变化于730～460m,自然坡降3‰～5‰。地貌结构类型属于冲积扇、冲积扇平原。

第四纪地层包括下更新统花果山组,中更新统雅安砾石层和网纹红土(包江桥组),上更新统广汉砾石

第1期水文地质工程地质　　　・109　・

图1　汶川5112地震断层及龙门山山前地震液化点

Fig.1　MajorearthquakefaultsintheWunchuanearthquakeandthesoil

liquefactionpointsofthepiedmontrangeoftheLongmenMountain

注:地震断层据中国科学院青藏高原研究所刘静,等,2008

层和成都黏土,全新统包括Ⅰ级阶地和漫滩沉积,大邑

[9]

砾岩划归新近系。第四系总体自西向东减薄,在郫县北侧形成NE向拗陷中心。

下更新统(Q1)下段为一套绛红、紫红、黄棕及杂色黏土和强风化泥砾层,地表可见厚度大于5m;上段为青灰-灰褐色含泥砂砾石层,广汉高骈铺52m以下、郫县m以下、彭县致和147m以下见该层。中更新统(Q2)下段为黄棕色-黄褐色含砂风化泥砾层,最大厚度大于130m;上段多见富含铁锰质薄膜和结核的棕黄色粉砂质黏土,结构较致密,呈块状。上更新统(Q1棕、黄褐色黏土,密实无层理,富3)成都黏土,鲜黄、

2

含钙质结核,层厚可达21m。上更新统(Q3)广汉层,下部为富含软锰质微风化的含泥砂砾层;上部为浅黄-褐黄色粉砂质黏土、黏质砂土、细-中砂层,局部含铁锰质结核或薄膜,厚20～39m。全新统(Q4),在龙门山山前构成形态非常完整的冲积扇,扇外沿河岸呈

带状分布于Ⅰ级阶地上。下部砾石层呈黄灰-灰黄色,其中砾石未受风化作用影响。顶部砂层灰棕色-灰黑色。岷江以东水系,多为灰、灰褐色黏质砂土和砂砾石层,岷江以西则为浅棕色粉砂土、黏质砂土和砂砾

[10]

石层。

平原地下水以第四系松散层孔隙水为主,划为上、下2个含水层组,下部含水层组由中、下更新统组成,微含水或基本不含水,上部含水层组在冲积扇的扇顶常表现为全新统冲、洪积砂砾卵石含水层,冲积扇中、下游全新统冲、洪积砂砾卵石层大多叠置于上更新统

[11]

含泥砂砾卵石层上,二者构成统一的含水层组。

3　液化现象

311　喷砂

喷砂由各种砂、砾卵石和黏性土组成,部分样品伴有植物根系。部分砂为青灰色均匀细砂,其余样品由

・110　・杜国云,等:龙门山山前砂土液化初步研究2010年

砾和粗、中砂混杂在一起,色调由浅黄、米黄,到棕、绛红等色,个别样品因砾石成分不同而呈现不相一致的色调。砾石成分为岩石碎屑物,包括砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩、石灰岩、花岗岩、脉石英、伟晶岩和变质岩岩屑。其中,泥砾、石灰岩屑外表铁质结壳,次生作用明显。砾石为棱角、次棱角状,或圆状、次棱角状,磨圆度中等至低,最大粒径30cm。红色泥砾组成单一,外形极不规则,炉渣状,带皮壳,有明显的强风化特征。现场估算,含砾的喷砂中,砾石一般占样品总量的5%以下,多数样品中砾石含量集中在1%～5%和10%～20%两个区段,个别样品砾石含量达90%。一般喷砂厚数厘米至十余厘米。312　冒水

不同液化点的冒水高度差别很大,一般不超过500cm,多在200cm以内,最大冒水高度775cm,出现

是黑泥浆,泥浆为黑淤泥的颜色,稍后喷出是砂子,砂

3

子为青色细砂,总量011m。717点(彭州市桂花镇衡州村),地震时,喷水高度110～115m,地下响声过后,泥浆停止喷出。519点(江油市青莲镇法华村一组山水沟),喷高15～20cm,地震发生后到调查当日,该点还在喷沙、冒水,形成了一个泉眼。313　地裂缝及地表塌陷

与喷砂冒水相伴出现了大量的地裂缝,以及地下砂土液化引起的地表塌陷。据现有观测数据,破裂总体方向从N20°E—S170°E,以NNE—NE、NEE—SEE两个方向的破裂为主,个别点上出现两个方向破裂交叉现象。破裂长度在数米至几十米,或百米以上。在安县迎新乡铜罗村的一处液化点上,地表破裂长达1000m。

液化点地表破裂具张性破裂特征,形态弯曲,长短不一。裂缝宽度数厘米至数十厘米,最大宽度出现在江油九岭镇柏河村,裂缝宽130cm。

地震破裂随地震过程而变化,开始为明显的张破裂,且开口较大,强震过后,裂口宽度减小,并伴有一定的垂向差异运动。编号944的寿安镇玉苗村冉家碾,其液化伴随的地表裂缝走向N60°E,长50～70m,震后裂缝合拢至4～5cm宽。该裂缝穿过一户人家,其房屋由于地震产生的裂缝由EW向改为S160°E,裂缝长120cm,宽3cm,房屋东南部相对西北部下降15cm,破裂的北西盘相对南东盘抬升,与此次地震主破裂两盘错动方式相一致。典型液化点,液化特征见表1。

在德阳市绵竹市拱星镇。作为一个特例,绵竹汉旺镇群新村液化点冒水高度达1530cm(水井深1100cm,冒水高出地面430cm)。

喷砂、冒水既存在同时的喷冒,亦有先冒水、后喷砂土的现象,或先喷泥浆、后喷砂。强震动过后,大部分液化点的喷砂冒水现象随之消失,但亦有部分液化点的喷砂冒水会持续数小时、甚至数日,较强震时的活动明显减弱。如彭州市716点(彭州市桂花镇三大队,玉米田),地震时,先喷出清水,半小时后从地面冒出泥浆,泥浆颜色为黄色、淡红色,持续时间1～2小时。727点(彭州市谭家场,曹家碾),地震时先喷出的

表1　汶川5112地震典型液化点特征

Table1　CharacteristicoftypicalsoilliquefactionpointsintheWunchuanearthquake

编号

点位

喷砂

淡青灰色均质粉砂质土,平均粒径112mm青灰色均匀细砂、粉砂

淡棕灰色粉砂,粉砂质粘土,厚10cm先喷出的是黑泥浆,后喷出青色细砂,厚

10cm,011m3

青灰色粉砂,质地均匀

剩余砂堆高14cm,喷出3块砾,长25cm,宽18cm,厚16cm砂砾石、深红色泥砾,花岗岩,微晶岩,褐色砂岩,石灰岩(外有风化铁质皮壳)岩屑喷青白色细砂,冒黑水2～3m3,含有油冒水高度(cm)

50～7013040

地表破裂

宽4～5cm,长50～70m,走向60°,伴有正断层性质—

长712m,宽20cm,走向270°,局部左旋,错距3～5cm

裂缝宽6～7cm,走向130°长60m,宽10cm

长1315m,宽16cm,走向120°长1112m,走向110°—944温江区寿安镇玉苗村冉家碾505郫县唐昌镇火花村495都江堰胥家镇驾虹医院门口727彭州谭家场曹家碾0什邡市元石镇广福村8组510绵竹市拱星镇泉乐村稻田508安县雎水镇宝元村525江油市八一乡六大队—

170

———4　液化规律

411　砂土来源

依据肉眼鉴定结果,结合第四系沉积物特征,对比

表明液化砂土来源于第四系不同沉积层。其中,红色风化泥砾成分单一,与第四系下更新统下段红色强风

第1期水文地质工程地质　　　・111　・

化泥砾层相对应,该类砾石为下更新统下段所独有,与

中更新统下段黄棕色-黄褐色泥砾在色调上有明显区别。说明液化砂土的来源较深。其他样品均为砂、砂土或砾、砂土间的混合,色调与中更新统上段、上更新统和全新统地层特征相似,液化砂土来源比较复杂。412　液化与地貌

80%的液化点出现在河谷中的河谷底部和低阶地上,沿河谷方向延伸。水系分布显示了河谷的延伸,液化点则沿水系方向展布。调查区各流域内液化点的分布数量不同,岷江水系(金马河以北)43个,沱江水系(包括注入沱江的部分岷江河流)132个,涪江水系67个。沱江流域占5415%,涪江流域占2717%,岷江流域(金马河以北)占1718%。最密集的段落在岷江流域内,位于都江堰市与彭州市交界。413　液化与地震断层

图2　龙门山山前5112地震冒水高度与震中距相关性分析

Fig.2　Relativitybetweenheightofwateremittingand

epicenterdistanceinthepiedmontoftheLongmenMountainonMay12,2008

1—液化高度包络线;2—液化波动包络线

研究区液化点密集分布于3个区域,即:都江堰市与彭州市交界、绵竹市北部、江油市中部。空间上液化点与地震断层存在两方面的关系:(1)3个密集区沿龙门山地震断层呈NE向展布;(2)每一个液化点密集区都与地震断层的特殊部位相对应,包括断层沿走向上的转折部位、断层的消失端和断层的出现部位。414　冒水高度

将各液化点冒水高度与震中距离做二维散点图(图2)。液化喷砂量及砂土结构、冒水量与喷砂量之间的比例关系都会影响到冒水高度,所以在相同震中距下,冒水高度并不一致,但总体上存在一个极值,形成冒水高度随震中距变化的包络线。从图中看出,冒水高度集中于高出地表200mm以内,在70～250km震中距内,冒水最大高度随震中距增加有增高的趋势。大致以150km震中距为界,70～150km内液化点密集,距震中100～115km内,冒水高度出现400mm左右的峰值;150～250km内,液化点明显减少,冒水高度多迅速降低。从冒水高度与震中距关系看,存在以下三种趋势:一是随震中距的增加,冒水高度总体上降低;二是与一定震中距相对应的最大冒水高度随震中距增加;三是随震中距的增加,冒水高度呈现波动性。415　液化与PGA

地震工程学界一般选择地震动最大峰值加速度(PGA)来分析一个建筑物的抗震能力大小。地震强度与地震机械能大小有关,反映地震能大小的参数现一般采用PGA来衡量。中国地震局工程力学研究所依据汶川5112地震主震触发的17省、市的294个强震动台站记录数据,按东西向绘制汶川地震主震峰值

加速度等值线,在汶川震后工程震害调查交流会上提供了初步的PGA分布图,包括研究区在内的PGA,包括横向上、纵向上和垂向上的PGA。PGA等值线以汶川地震附近为中心,轴向NE。从液化点集中分布的主方向看,即NE方向。这一方向也是PGA等值线主轴向。液化点集中分布方向、地震断层方向与PGA等值线主轴向相一致。

5　结论

龙门山山前区域砂土液化现象突出。在本次调查范围内,除南部和西部,北部和东部的调查范围就是以喷砂、冒水为标志的地震液化范围。

液化沿龙门山NE向地震断层,依次形成3个密集中心,且液化集中区对应于地震断层的转折、消失与出现的岩石破裂突变部位。砂土液化、地壳破裂受地震动的控制和影响,喷砂冒水与强震动对应,砂土液化的集中分布方向、地震断层走向与PGA主轴向一致。

液化点的喷砂冒水基本与强震动相对应,强震过后,大部分液化点上的喷砂冒水现象消失,说明喷砂冒水与强震动相关,地下砂土液化由强震动产生。

冒水高度的波动可能对应于PGA的波动。冒水高度高值有随震中距增加的趋势,一种可能的解释是与地下潜水侧向水流压力及水、砂比例有关。最终的冒水高度应当是上述3种可能因素的相互叠合。实际上,影响砂土液化的因素是多方面的,除了进行液化的规律性总结外,尚需做更深入的研究。

液化砂土来源于第四系不同时期的沉积层,最早的第四系地层为早更新世早期,以红色强风化泥砾为特征。由于缺少液化点上的地质剖面资料,包括沉积

[12]

・112　・杜国云,等:龙门山山前砂土液化初步研究2010年

层物质组成、沉积层结构和沉积层厚度,砂土究竟来自哪一层,液化层的埋藏深度无法全面揭示出来。参考文献:

[1]　王克鲁,盛学斌,蔡灵铎,等.唐山地震时不同烈度

区液化砂土的特征及其液化判别[J].地震地质,1982,4(2):59-70.

[2]　陈文化,孙巨平,徐兵.砂土地震液化的研究现状

及发展趋势[J].世界地震工程,1999,15(1):16-24,40.

[3]　尹荣一,刘运明,李有利,等.唐山地区地震液化

与地貌之间的关系[J].水土保持研究,2005,12(4):110-112.

[4]　Chi2YuenWANG,DouglasSD,Chung-HoWANG,

etal.Fieldrelationamongcoseismicgroundmotion,waterlevelchangeandliquefactionforthe1999Chi2Chi(Mw=715)earthquake,Taiwan[J].GEOPHYSICALRESEARCHLETTERS,2003,30(17):10-13.

[5]　CodutoDP.UsingPublicRecordstoAssessSoil

LiquefactionHazards[M]//EarthquakeHazard

ReductionintheCentralandEasternUnitedStates:ATimeforExaminationandAction.Memphis:CUSEC,1993:109-117.

[6]　张永双,雷伟志,石菊松,等.四川5.12地震次生

地质灾害的基本特征初析[J].地质力学学报,2008,14(2):109-114.

[7]　施斌,王宝军,张巍,等.汶川地震次生地质灾害

分析与调查[J].高校地质学报,2008,14(3):387-394.

[8]　CR艾伦.活动构造学[M].四川省地震局,译.成

都:四川科学技术出版社,19:174-180.[9]　陈富斌,陈继良,赵永涛.成都平原新构造研究的

进展[J].四川地震,1986,(4):45-47.[10]　刘兴诗.四川盆地第四系[M].成都:四川科学技

术出版社,1983.[11]　薛钦昌.成都平原试用电测深资料估算水文地质

参数的初步成果[J].物探与化探,1987,11(5):396-399.

[12]　陈文化,孙巨平,徐兵.砂土地震液化的研究现状

及发展趋势[J].世界地震工程,1999,15(1):16-24,40.

Researchonthesoilliquefactioninthepiedmontregion

oftheLongmenMountain

DUGuo2yun,XINGXiu2cheng

1

1,2

(1.GeographyandPlanningCollege,LudongUniversity,Yantai　2025,China;

2.TibetanPlateauInstituteofChineseAcademyofSciences,Beijing　100085,China)

Abstract:FieldinvestigationfortheChengduPlain(tothenorthoftheJinmaRiver)andhillyareaofthe

northernpartofSichuanprovincewasmade.Theinvestigationshowsthatthedistributionoftheliquefactionpointsbelongmainlytorivervalley,lieinfloodplainandlowerterraces,distributenearandparallellywiththeearthquakefaultsoftheLongmenMountainstrikinginanorth2eastdirection,aimattheturningpointinthedirectionofthestrikeofthefaultorplaceswherethefaultemergesordisappears,andareconsistentwiththemainaxisofthecontourofPGA.Thebiggestgraindiameterofgravelreaches30cm,thebiggest

3

sandblastingvolumeatliquefactionpointreachesabout15m,thebiggestthicknessisabout4m,thebiggestheightofwateremittingreaches775cm,andthelongestsurfacerupturecorrelatedwithliquefactionisapproximately1000m.Theemittingprogressofwaterandsoilareinaccordancewiththemainshock,andinthemajorityofsitesthephenomenonemittingdisappearsafterthemainshock.Analysesoftheliquefactionsoilshowthatwateremittingheightdecreaseswiththeincreasingepicenterdistanceingeneral,andhasthetendencyofincreaseandfluctuationwiththeincreasingepicenterdistance.ThesoilisredandheavyweatheringboulderclaycomingfromthelowermemberoflowerPleistoceneaswellascomingfromthedifferentpartsofQuaternaryformation.

Keywords:soilliquefaction;piedmontrangeoftheLongmenMountain;WenchuanearthquakeonMay12,2008

责任编辑:汪美华