(第一节)概述
坡地块体由高速运动而解体的过程有多种名称,如“高速滑坡”、“崩塌式滑坡”
或“崩滑”(rockavalanche,slumping)等,特指基岩体(或夹有部分土体)由于稳定性遭到破坏,在高位快速剪出,随即发生崩解、碰撞,以高密度碎屑流的形式,凌空或沿滑面倾泻而下,形成特殊的地貌堆积体。有时似乎易与滑坡混淆,这一过程既可发生于地球上,也可发生于外星体上。
“avalanche”较多用于对雪崩的称呼。在此,先介绍一下雪崩(snowavalanche,slumping)的过程将有利于对“崩滑”(avalanche)的理解(文正,2009)。
雪崩的速度和气浪:短跑世界冠军每秒跑11m;动物短跑冠军猎豹在追捕猎物时闪电般的速度每秒跑30.5m;十二级的强台风每秒32.5m。但是,雪崩最快却能够达到每秒97m的惊人速度。显然雪崩的破坏力十分强大。
雪崩的冲击力:高速运动的雪崩,能使每平方米的被冲击物体表面上受到40—50t的压力。即使是森林,遇到高速运动的大雪崩的气浪,也会像理发一样,被“推子”
一扫而光。
雪崩体在高速运动中,能引起空气剧烈震荡,在雪崩“龙头”前方造成强大的气浪。这种气浪的冲击波力量很大。秘鲁1970年大雪崩所引起的气浪,把地面上的岩石碎屑卷起,竟使附近下了一场稀奇的“石雨”。在陡岩或者河谷急转弯处,部分雪崩体很可能被阻留下,但雪崩气浪却很难停止,它继续沿着雪崩运动方向爬高。因此,雪崩气浪的作用范围要比雪崩体大得多。雪崩气浪也能摧毁森林、房屋和其他工程设施。
雪崩的堆积体是雪崩锥,绝大部分是雪,只有少量石块;但同一雪崩锥日积月累也会形成石块构成的堆积体,堆在冰川一侧或非冰川区的坡麓。作者1957年参加全国总工会组织的贡嘎山登山活动,曾被雪崩从5000m打到4400m,我们往上攀登时就是从一个雪崩锥(堆)上去的,爬了四个小时才上去,而又被雪崩打回到原来的雪崩锥下的冰洞中只需十几秒,故作者对此印象十分深刻。
再介绍美国内华达州的一个崩滑过程,更可具体了解何谓“崩滑”,而绝不是一般的“滑动”。NevadosHuascaran崩塌体在流通区的飞石坑和浅泥带很发育(图91)。
据飞石坑形态推测飞石基本上以低角度投射(20°—30°),最大飞石坑(浅坑)长33m、宽15m、深7—8m,飞石重60t,“弹道”距离4km,推测速度为68m/s,水平运动距离1600m(Plafkeretal,1978)。该崩滑目击者称:气浪和抛掷石块、泥土等几乎同时出现,气浪或泥浪可以将人抛离地面或切断树干,推测泥浪入射角多在8°—13°,沿地面推进时可以覆盖在早先的抛掷石块上。Shreve(1968)认为崩滑体下部有圈闭高压气体,形成气垫,产生高压气流。
1.1970年崩滑作用地区;2.1962年崩滑作用地区;3.被溅泥和飞石冲击的地区;4.更老一次崩滑作用地区(数据表示高出1970年崩滑体的高度);5.滑坡源头;6.树木被冲倒的最大界限;7.泥浪(气浪)作用界限;箭头表示崩滑体运动方向,下图剖面中带虚点的箭头代表抛掷、飞石运动,比例尺为1∶15000,A—A′为剖面线在高速崩滑中,由于块体的分解和运动分异,可以导致崩滑堆积体的平面、剖面分布发生空间分异,并形成不同的堆积结构和构造。高速崩滑体在运动中,因为势能的释放而快速碰撞并分解,使其块体运动动能逐渐消减,从而使不同粒径的块体或碎屑物等形成沉积分异。这在后面内容中都将提到。
高速崩滑体是坡地块体运动过程中一种极端的形式,不同于滑坡或崩塌,充分反映了坡地过程的复杂性与灾害性。它与其他块体运动之间的关系及差别也应予以分割,因为不同块体的运动会造成不同特点的混杂堆积。为了避免概念上的混乱,就很有必要在此把整个坡地块体运动的性质与类型,予以系统介绍。其相关内容均分布在不同章节中。
(第二节)与高速崩滑相关的坡地块体运动分类
可以用三角分类法把坡地块体解体过程分成九个区域,A代表块体的分解过程——指示块体相互碰撞、内能释放的过程;B代表块体的滑动过程——指示运动整体性和势能转化特点;C代表崩滑体滑移高度与滑移水平距离的比值,代表块体运动的结果。据Schei degger(1973)认为,C代表滑坡后缘拉裂面顶点至崩滑运动最远点的连线之斜率,等同于摩擦系数,指示崩滑体运动的阻力与运动轨迹的粗糙度,见图92(南凌,1998)。
图92坡地块体运动的动力特性分类(Schei degger,1973;转引自南凌,1998)a区,以崩解作用为主,整体滑动为辅的运动学特征,即所谓崩滑,块体基本上在运动中分解,形成碎屑和砾石。在运动过程中,主要以水平运动为主,等价摩擦阻力系数较小。实际上,代表由整体块体碰撞分解成碎屑流和转化为泥石流的崩滑过程,云南禄劝头寨崩滑体、加拿大Pandemonium河崩滑体、秘鲁NevdosHuascaran地震崩滑体等,大部分崩滑体都属于这种类型。此类型动力强度最大,速度最快,剪出口高度高,启动滑动面短,并在后期伴有水和大量黏土成分参与。
b区,代表分解不完全、存在大量整体滑动的块体运动过程,即滑坡。滑坡的水平运动距离,远大于垂直运动距离,说明动力强度较大,大的块体碰撞分解减少,滑动增强,保持部分整体形态,运动速度也较快,但慢慢有所减小。一般意义上的“滑坡”
多为此种情况,抑或是老滑坡重新活动,如湖北新滩滑坡、甘肃洒勒山滑坡,基本上都属于此种类型。
c区,指以块体整体滑动为主,滑移距离较长的运动方式,亦可称之为蠕动滑坡。
此种类型较少,抑或是缓慢的、低角度的推移式滑坡,其运动位移以蠕动为主,爆发力弱,本书所论舟曲蠕动滑坡(见第六章)即属于此种类型;印度喜马拉雅山Garhwal推移式滑坡也属此例。
d区,以块体原地崩解作用为主,但垂直距离加大,水平距离减小,即所谓崩塌或坍塌。此种类型的块体流动性减少,一般缺少水动力和黏土参与作用,属典型的“崩塌”或崖岸的坍塌,此种类型分布广泛,规模差别巨大,小者如倒石堆、崩积扇和崩积楔,大者如山崩。
e区,崩解与滑动作用相当,崩滑体部分保持一定的完整性,此为相对高度低、速度慢的崩滑。其剪出口的位置与滑动面均相对较低,虽然块体启动动力较大,但阻力亦较大,块体后部保持原始结构的整体性,前缘则因运动速度较快而碎石飞溅。例如西安翠华山古崩滑体就属于此种类型。
f区,以整体滑动为主,结构完整,运动距离较近,但爆发力强,一般是块体沿斜坡面整体快速滑落到坡脚停止,错落属于此种类型。
g区,块体以崩解方式运动,其垂直运动距离远远大于水平运动距离,即一般所称之塌陷、错落。此种类型反映块体具有较高的临空面(陡坡角),但碰撞地面后,由于坡度顿减,再也不能形成整体运动,只能散落在原来的陡壁之下,这种类型一般指顶板的坍塌坠落或陡壁的错落。
h区,块体以高角度快速滑落,部分分解,并堆积在坡脚处,塌岸属于此种类型与错落类似。
i区,块体整体高位滑落,很少有水平位移,一般指地面快速沉降所形成的陷落坑,但这种情况特指洞顶部分的块体突然多次整体下坠,充填洞穴形成陷落柱。
总之,块体运动可以包括以上各种成因类型,其中,a、b、d、e这四个区,是容易发生高位、高速崩滑及滑坡作用的区域,崩解过程与滑动过程可以相互转化或者同时进行。据统计(南凌,1998)国际、国内有100余个块体崩滑运动的资料表明灾害性的高速滑坡大多发生在a、b两区,d、e两区部分含有。此外还统计了块体的体积和崩滑体之间的关系(南凌,1998)。结果表明,大量灾害性高速崩滑体积多在106—107m3。国外最大的崩滑体为秘鲁地震崩滑—泥石流体,体积为2×108m3。
我国青海查纳巨型崩滑体的体积约为1.27×108m3,云南普福巨型崩滑体为1.7亿t,规模巨大。
(第三节)崩滑的动力机制
崩滑是一种发生在山区的自然现象,最初是因其巨大的破坏力而引人注目。崩滑具有极强的流动性,超过一般滑坡在相同条件下的运动能力,这就导致人们需要用新的力学机制来诠释它的这种超强能力。目前,已经提出了多种假说(或学说),其中以声波液化说能够较好地与观察实验相吻合,但是,声波作用的具体过程还需要深入研究。
根据描述崩滑事件的资料分析,崩滑的产生必须具备一定的地质地貌条件,大多发生在具有陡峭悬空面的山峰或峭壁上,而冰川和冰缘环境,最有利于崩滑的形成。按照崩滑的运动方式和速度快慢,大致可以分为四个阶段:(开裂)崩落、加速、滑行及堆积。
崩滑都是从山体开裂初始,继之崩落,随即经过短暂的加速运动,坠地后顺坡面或沟谷高速滑行,待失去动能停止移动,便堆积下来。对崩滑全过程现象的动力分析表明,崩滑体内部的阻力结构在运动的前后阶段有着极为明显的差别。在崩落阶段,崩滑体表现出块体的阻力特性;而在滑行阶段,则表现出流体阻力特性。
一、崩滑概念及现象综述
崩滑现象是从1881年瑞士Flims山村的毁灭性暴发才为地质地貌学家所知(Heim,1932)(照片814),至今,人们发现这种现象十分普遍,并且也是星际行星表面的一种地质过程(Melosh,1986,1987)。可是,准确地给它下一个定义却有困难,问题就在于符合哪些条件的崩塌滑坡过程才能称之为崩滑?到底有没有一个统一的切实分类呢?
国外文献里,较为通用的崩滑专有名词是“rockavalanche”、“slumping”和“sturzstrom”,前二者可以通用。Crandell(1968)将rockavalanche定义为“基岩块的快速顺坡滑动”。在这一过程中,“岩块互相碰撞磨碎而成碎屑”,而且“典型的起因是一次崩塌(rockfall)或滑坡(rockslide)”。这个定义概括了崩滑的三个基本特征,一是强调先崩后滑,二是强调其速度快,三是强调其有相当的距离。这三个基本特征诠释得比较全面,而且有着专属性,一般文献都是在此意义上使用“崩滑(rockava lanche)”这个词的。
但是,从已有资料看,崩滑有它更为本质的特征。以其成因来说,区分滑坡崩塌与崩滑,显然应该从动力入手。崩滑之所以速度特别快,就在于其特殊的运动机制,这就是流体化机制。有证据表明,当崩滑岩块或碎屑的总体积达到107m3时,块体运动就会出现流体化,以此作为崩滑的大致判断依据(Melosh,1986)。当然,这个判断依据不是绝对的,许多岩块块体的体积小于107m3的崩滑过程,仍然具有流体化机制所保有的高速特征,这可能是巨大的高差弥补了物质数量的不足。
崩滑堆积在世界各地都有报道,表91搜罗了部分研究材料,从中就可以看出崩滑的某些特点。
二、崩滑物源区
有利于崩滑的物源区,应该包括基本的岩性、产状、山峰、山坡陡度,以及高寒地区冰川冰缘环境的冰蚀和冻融风化、阵风极强等外力因素等方面。例如,成层的流纹岩、片麻岩等,如果层面倾角较大,就很容易沿层面产生张裂隙,加之冻融及风力作用,在一定程度上就会使山体失稳而崩塌。在加拿大西部的海岸山脉,崩滑相当普遍,究其原因,冰川冰缘环境有利于贯通整个岩层的裂隙发育。在冰川发育的极高山地区,冰川强大的刨蚀作用不但加深冰斗底部,并且迫使冰斗壁不断后退,形成从冰斗底向上突起的围椅状峭壁,陡峭的冰斗壁就成为崩滑作用的物源区,亦将成为崩塌形成的潜在“温床”。云南丽江玉龙雪山干河坝大崩滑就发生在此种条件下。
众所周知,冰缘环境普遍存在冻融现象。其机理是,日间气温达到熔点时,冰雪融化,融水掺入岩层裂隙;一到晚上,气温降至冰点后,融水又冻结成冰,水冻结后的体积大于冻结前的体积。这样日复一日,年复一年,裂隙就会日渐扩张,导致失去稳定性而发生崩滑,这是一种单纯的物理作用过程。
崩滑的发生,和其他混杂堆积过程类似,或许,还蕴含构造事件或气候事件。其实,产生崩滑的直接原因大多是一次突发的地震或大暴雨,但是也有可能是日积月累的渐变过程。如2004年3月12日,云南丽江玉龙雪山干河坝大崩滑,当时就无任何前述事件。最初,山体岩层应力的强度足以抗拒这种过程,但应力强度会逐步衰减,最终失去稳定性而发生崩滑。
三、崩滑物的搬运过程
崩滑体运动的动力特点如同跳台滑雪一样,其动作是从起跳开始到空中飞行,然后落地滑行直到停止这样一个连续过程。但还是可以把整个崩滑体的搬运过程,大致划分为四个阶段,即崩落、加速、滑行以及堆积。虽然每个阶段之间应该有着明显的分界,经历的时间长短也迥然不同,但其过程主要受地形条件限制。根据崩滑前后的航片对比,可以估计崩落体的外形与总体积,这是了解崩滑后的动力过程的重要参数。
崩滑的岩体因坠地而分崩离析,形成一块面积相当大的岩石破碎区。区域内的岩块大小不一,但都还具有一定量的动能,所以大部分碎块就会顺着坡向向下运动,运动由垂直的自由落体运动转变为近似水平的、受边界约束的滑动。虽然在转变过程中损失了一部分能量,但如果蓄积有足够的势能,那么就有可能在撞击的瞬间,把整个碎屑体加速到很高的初速度,使颗粒流体化,形成与一般滑动不同的运动机制,故称之为“崩滑”。
“崩滑”与滑坡的最大区别在于,滑坡是块体运动,“崩滑”则是碎屑体运动,而颗粒之间的相互作用更像是一种流体运动。当然,碎屑体的运动有多种动力类型,每种类型都有相应的形成条件与动力机制,这样的运动才能产生和维持下去。
流体化过程是形成崩滑型的必要条件,而且流体化过程还必须是在崩滑体落地碰撞破碎的瞬间内完成,以后的运动只是不断地补充能量以维持流体化而已。如果落地时,能量不足以流体化整个碎屑体,那就很难在后续运动中实现,整个碎屑体就是一般性的崩塌而已。