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王学良等-EG&RS:青藏高原构造内动力作用下浅地表岩体破裂规律与区域滑坡驱动机制
2021-07-26 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

  岩体强度是工程地质学中浅层地表岩体稳定性和地质灾害时空预测的核心内容之一。基于岩体结构控制理论,岩体强度受岩体结构(结构体和结构面)的控制。其中,构造结构面是岩体结构面的重要类型。前人从构造地质学的角度对伴生断层的构造结构面特征等进行了相关研究。限于多尺度精细化分析技术和研究素材的限制,对构造内动力与浅地表岩体破裂的协同作用特征,以及构造挤压作用下断裂-坡体强度-岩体结构-滑坡灾害在空间上的协同发育规律尚缺乏精细化研究。同时,在构造活跃区,构造抬升/河流下切使得山体和沟谷的形貌边界处于动态变化过程中,其与岩体强度等因素交互控制着滑坡灾害的发生。在这种内外动力耦合作用下,构造活跃区斜坡侵蚀和滑坡灾害的主导驱动因素及其驱动机制如何尚缺乏定量化的研究。而上述问题直接影响着构造活跃区重大工程的选址、防护和地质灾害防灾减灾的科学决策和风险管控。 

  针对上述问题,火狐体育下载链接页岩气与地质工程院重点实验室王学良副研究员与祁生文研究员、张路青研究员等合作者,基于青藏高原雅江缝合带加查-波密段的构造挤压和隆升背景,利用卫星遥感数据分析,无人机、LiDAR地表形貌特征精细测量(图1-2),岩体结构信息自动化处理和坡体强度参数反分析等技术手段,从区域-山体-岩体多空间尺度,研究了构造挤压作用下浅层地表坡体强度-岩体结构-滑坡灾害与深部热效应相协同的空间演化规律,区域滑坡的驱动机制及其空间分布的智能化识别方法等。  

1 基于高精度三维地形数据(a坡度图和b阴影图)的滑坡灾害识别及其几何特征提取

2 基于无人机低空获取的精细坡体三维点云数据(a,图中红框长宽为100 m)及岩体结构面产状信息自动提取(b  

  研究发现:雅江断裂带的逆冲作用控制了岩体结构的发育、空间几何和力学强度特征。由断裂带核部到影响区边界,伴生雅江断裂带的构造结构面逐渐消失。随着构造作用的减弱,岩体结构面的密度不断减低,并与断层距离呈现出负指数的幂函数关系。上述岩体结构的空间演化也被历史崩滑灾害的分布及其块体大小的数据特征所印证。在力学强度方面,构造挤压作用的减弱导致斜坡岩体的力学强度参数(cφ)与断层距离呈现出正指数的幂函数关系;并且在影响区之外,斜坡的岩体强度呈现出不再受构造作用的影响特征。对比前人在研究区对构造挤压的热效应研究结果,雅江断裂带逆冲挤压作用下浅地表岩体破裂的空间演化边界与其热效应的作用边界具有良好的一致性。综合上述结果,厘定了研究区雅江断裂带逆冲作用造成浅地表岩体破裂的影响范围为5.9±0.6km(图3)。 

3 雅江断裂带朗县卧龙段典型剖面及岩体结构几何、强度参数(c)值和灾害点密度随断层带距离的关系图

  在构造作用不强烈或相似背景条件区,低斜坡强度山体往往比高强度山体的滑坡灾害更为频发。然而,对比构造抬升/河流下切作用程度不同的地区(如雅江断裂带鲁朗-通麦段和加查-朗县段),其滑坡灾害的发育程度与坡体强度却呈现出正相关的关系。例如,计算发现,雅江断裂带鲁朗-通麦段的坡体强度为420-770 kPa,朗县段的为140-340 kPa;前者滑坡灾害的发育密度约为后者的两倍。研究认为,雅江断裂带斜坡的稳定性受控于岩体强度,但是其滑坡发生的主要驱动因素是构造抬升和河流下切(图4)。另外,加查-朗县段的滑坡灾害也呈现出地震效应的影响特征:即主要分布在坡体中上部,且运动距离更远;滑坡的发生时间具有聚集性和群发性特征。  

  基于构造抬升/河流下切驱动斜坡形貌边界的动态变化和滑坡发生的机制认识,构建了考虑地形双指标(高度和坡度)临界状态的区域崩滑灾害智能化识别的方法和步骤,并在研究区进行了应用和预测效果检验。 

4 基于库尔曼模型的构造抬升/河流下切驱动区域滑坡机制图

  此项工作的研究意义在于: 

  1)提出了构造作用下浅地表岩体结构几何和强度特征随断层带距离变化的规律和函数模式,为构造内动力与浅地表岩体破裂的协同作用提供了关键证据和窗口。 

  2)提出了构造活跃区构造抬升/河流下切对区域滑坡发生的驱动作用大于岩体强度降低作用的新认识,为完善基于岩体强度计算的滑坡易发性模型和地貌演化模型等提供依据。 

  3)所提出的相关参数规律和量值等可为研究区重大工程(如川藏铁路、电力联网工程等)的选址、支护和防灾减灾等提供参考。    

  研究成果分别发表于国际工程地质学权威期刊Engineering GeologyRemote Sensing。研究受第二次青藏高原综合科学考察研究、国家重点研发计划和中国科学院战略性先导专项(A类)等的联合资助。 

  1. 王学良Crosta G BClague J JStead D,孙娟娟,祁生文,刘海洋. Fault controls on spatial variation of fracture density and rock mass strength within the Yarlung Tsangpo Fault damage zone (southeastern Tibet) [J]. Engineering Geology, 2021291106238. DOI: 10.1016/j.enggeo.2021.106238.  

  2. 王学良Clague J JCrosta G B,孙娟娟,Stead D祁生文张路青. Relationship between the spatial distribution of landslides and rock mass strength, and implications for the driving mechanism of landslides in tectonically active mountain ranges[J]. Engineering Geology, 2021292. 106281. DOI: 10.1016/j.enggeo.2021.106281.

  3. 王学良,刘海洋,孙娟娟. A new approach for identification of potential rockfall source areas controlled by rock mass strength at a regional scale[J]. Remote Sensing, 2021,13: 938. DOI: 10.3390/rs13050 938. 

 
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