部位和高度,反映崩滑堆积体的粒度变化的空间分布特征,0.25m以下数目为估计值。
从堆积体剖面(P1、P2)上样品的粒度分布看(图915),崩滑堆积体的上部砾石粒径较大,大块石较多,分选极差;向下部黏土含量逐渐增加,块石粒径逐渐减小,分选也较为均匀;整个堆积体的沉积呈反粒序,反映崩滑体运动和堆积时上下的动力条件不同。在平面上,堆积体东部和西南部(P4、P5、P6)块石与砾石的粒径普遍较大,大石块较多,东部则相对较小(P3);西端点在所有剖面上平均粒径最大,尤其是大粒径砾石最多。此外,细粒和黏土含量在靠近泥石流堆积处,急剧升高;砾石主要从颗粒支撑和叠置支撑过渡为泥石流堆积体的悬浮支撑。现代崩滑堆积体的大砾石多分布在堆积扇的边缘地带,因此,可以初步认定该崩滑体的动力来源为北—北北东方向,块体则向南—南南西运动。西南方向为古崩滑堆积体前缘。
(2)砾石组构特征。
崩滑体的砾石组构多少能够保留和反映其运动与动力学信息。高速运动的颗粒为了达到动态平衡状态,其形态必须和受力方向及大小相适应,使动力能量的消耗降至最小(稳定态),此外,有无调整空间也和组构特点有关。一般来说,崩滑体长轴的方向,在受限制的条件下,基本上代表了运动方向,如果受到阻力之后,则可能发生多种变化。在不受限制的情况下,高速运动的砾石或者其他主动运动的块体,在运动停止之后,砾石的最大扁平面,保持低角度的可能性较大。
武都古崩滑堆积体的组构分布具有明显的规律。作者统计了P1—P5剖面点的砾石组构(P1、P2、P3、P4和P5点的样本数分别为60、60、70、60及60个。
从组构发育的规律可以看出:(1)崩滑体在运动—堆积中,有堆积分异现象,表现出在运动时,上中下“各层”有不同的运动速度和动力状态,反映出不同的沉积特征;(2)该崩滑体来源于北—北北东方向,向西南运动;(3)组构特征反映出运动的高速度与滑动性质;(4)堆积体下部沉积有向泥石流沉积转化的倾向。
(3)堆积层“层序”及堆积构造。
综合武都崩滑体堆积多个点的剖面中的砾石粒径、黏土含量、组构、堆积状况及其反映出的运动学与动力学特性,同时还考虑到其他地区崩滑体实例,以此试建立一套含有黏土的崩滑堆积体的“标准层序”,用来说明含黏土崩滑体的堆积与运动特点。
A.覆盖层或侵蚀层;B.崩解—碰撞层;C.崩解—滑移层;D.滑移带;E.下伏地层在此,我们将崩滑堆积从上(部)到下(部)分为三个发生“层序”(B、C、D),加上层、底层共分层A、B、C、D、E:
A层:为后期覆盖层及侵蚀面。
B层:为崩解—碰撞带。此层大石块较多,黏土含量较少,组构不发育或微有发育;“滑动”砾石的轴多指向运动方向;砾石碰撞痕、贝壳状断口最为发育;多为颗粒和叠置支撑类型;混杂度较大,有块石聚集带出现,厚度变化大。武都崩滑堆积体中,含有部分细粒物质与黏土,厚2—5m;在此层上部有一种填充构造比较典型。
C层:为崩解—滑移带。此带碎石、石块的粒径相对较小;滑动、碰撞与磨蚀作用很大,砾石大多呈次棱角—次圆状。此层重要特点是存在高角度剪切带,夹有碎石和不少黏土,组构发育。武都崩滑体此层ab面即高角度倾向上游,而a轴则多垂直于流向;阻挡、透镜、线状及剪切构造发育;砾石呈点、面支撑接触;整体运动性状增强。武都崩滑体此带厚度占总厚度的一半以上,为10—15m。如果崩滑堆积体所含黏土分量增加,径较小,碎石多,组构比较发育,ab面多平行流向;高角度剪切带不发育;砾石呈次圆状。
D层:为滑移带。此层是崩滑体的下部滑动面所在位置,在武都崩滑体内可见黏土夹层,夹层之中“旋卷”构造和“流线”构造发育。如果崩滑堆积体含有较多黏土,则此层厚度必然增大,同时认为,此层的发育在一定程度上反映崩滑作用有向泥石流作用的转化倾向。
E层:为原始地面变形带。原始地面受力而发生变形,如刮蚀痕、侵蚀、碰撞凹坑、裂纹和充填物等。
B、C界面以剪切带出露为界;C、D面逐渐过渡。在“层序”上,剖面基本呈反粒序变化,大块砾石居上,往下黏土含量增多。
武都崩滑堆积体各个剖面点的层序组合不同,在P1、P2点组合较为完整,呈A—B—C—D型,这里是崩滑堆积体出露最厚之处;往北的P4点为B—C带组合,但B层厚度增大,反映P4点更为靠近物源区;P3点以B、C带发育,但厚度都较小;P5、P6点以带发育为特征,可能属于崩滑体前部区。
有嵌入(贯入)构造:指崩滑体贯入下伏沉积层中。或者,后续沉积堆积体贯入原崩滑体顶部,见图917。此构造常发育于C层上部,为次生构造。
(第五节)基岩高速崩滑堆积体的平面相带与动力分析
一、基岩高速崩滑的平面相带
从沉积特点、动力学与运动类型来看,典型意义上的基岩高速崩滑堆积体,可以分为中央相带、边缘相带、抛掷相带、气浪飞溅相带以及较少时候存在的残留带(图918)。
(第四节)曾提到陕西翠华山崩滑体的几个堆积带,此处再补充其他崩滑体材料,以求对此有更全面的了解。中央带与边缘相带构成崩滑体的主滑带,是一个堆积完整、连续的岩块、碎石和黏土集合堆积体,并以此同其他相带有明显分割。一般说来,中央带组构多样,粒径多变,运动和动力状态复杂,砾石混杂度大;砾石长轴多指向其主运动方向,最大砾石扁平面ab多低角度倾向坡面。
边缘带:环绕在中央相带边缘,以高角度剪切面发育为特征,ab面也以高角度环绕倾向中央相方向,a轴指向剪出方向,砾石粒径相对较大;在三峡新滩崩滑——滑坡堆积体的西部边缘相中,可见“似断层”构造发育,碎石产状近乎垂直,反映堆积体经受强烈剪切挤压的应力状态;边缘相带最上部存在一些产状ab面平行坡面,a轴指向坡下的薄砾石层,是边缘剪切带剪出物;边缘相主要是以剪切—剪出构造为主,是崩滑体运动受阻,边缘剪切出露的结果(王兰生,1988)。
抛掷带(飞石带):在高速崩滑作用过程中,运动石块遇阻后,随即快速碰撞分解,被抛离出主滑体,向着前方及两侧散射。抛掷相带范围的变化非常大,如头寨抛掷砾石可以分布在距高山堆积体10m以上的坡顶。禄劝普福大崩滑发生时,飞石则多发生在流通区,大石块落地时由于冲力太大,仍然能够进行蹦跳前进,砸掘地面,形成长10m、宽2.6m、深1.5m的凹坑。崩滑体在流通区中,飞石坑和溅泥非常发育,飞石基本上以低角度(20°—30°)投射,最大飞石坑长33m、宽15m、深7—8m,其内还存有一重达60t的飞石,推断其射入速度为68m/s。此相带的发育程度,反映促使块体分解能量的大小和运动速度的大小。抛掷相带是崩滑作用所特有的现象,遇阻后高速碰撞是其产生的条件。
溅泥(airblastandmudsplatter)相带:此相带作用范围大于抛掷相带。NevadosHuascaran崩滑发生时,据当地幸存者形容,气浪与溅泥到来比被抛掷砾石的时间稍晚,或者几乎同时进行;“冲刷”泥浪的强度可以切断树干,更能把人抛离地面。利用阻挡物下的未沉积黏土带的长度和阻挡物的高度等作为参数,推算出泥浪的入射角多在8°—13°,反映泥浪—气浪运动基本上是沿着地面推进。气浪中有大量的泥质成分,气浪相的形成条件必须是块体在高速运动,Shreve(1968)认为下部有圈闭的高压气体形成气垫,前方就产生高压气流。
残留带:此相带分布零散,堆积特征差异很大。主要有崩滑作用后缘形成区的残留大型块石和堆积体;流通区特殊部位(如侵蚀边坡的次级冲沟中和流通区侵蚀带中)的残留堆积体或砾石,还有崩滑体在爬坡退回后,留在高位的残余物,等等。
二、高速运动的假说
高速崩滑运动属气下运动堆积体,在运动机理上不同于水下的或慢速的堆积体,如浊流、泥石流等一些含水量高的重力流。许靖华认为:“和雪崩一样,是固体运动,有固体碰撞的功能(与无黏性颗粒流或相同),使固体碎块向前运动,是固体带着液态跑,不是液态带着固体跑;雪崩也是如此。”Bagnold(1956)也认为:“崩滑运动属于无黏性颗粒流,是由于固体块体碰撞分解,在运动分量的作用下,产生的物质流”,“剖面上重力已经不起决定性作用”。在“层序”上,他给出了反粒序的剖面图。
对于高速滑坡运动的机理,有众多科学家提出了多种假说。
作者在前人研究(胡广韬,1988;王兰生,1988;陈自生,1992;王思敬,1989;王恭先,1991;徐峻龄,1997;Davis,1982;Erismann,1979)和野外观察的基础上,尤其是对于崩滑体沉积特征和分异现象的研究,重点强调了块体碰撞分解作用在崩滑体运动加速中的地位,提出了崩滑体高速运动的两种加速效应:即表面自由能释放效应和块体动量守恒作用下碰撞分解的加速效应。
块体运动在启动时就具有势能、动能以及碰撞分解后快速释放的表面自由能。在极短的时间内释放的能量非常巨大,尤其是一些表面积急剧增大而颗粒粒径迅速减小的小块体,可以像炸弹爆破一样,将颗粒向四周快速投射;同时,由于碰撞符合动量守恒定理,致使块体在分解时,动量向前缘部分聚集,瞬间获得高速动能,就像一柄初速不大的铁锤敲击基岩表面,基岩表面受到敲击后,分解的小颗粒就会以极高的速率迸射出去。
加速效应有两种表现形式。
(1)势能转化加速效应。
在崩滑体启动后,块体立刻运动,同时势能在瞬间转化为动能。有许多模型用来计算滑体运动速度,但是,所有模型都建立在势能转化为部分动能的基础之上,势能加速效应贯穿崩滑作用的始终,直到势能减少为零。
(2)自由能释放加速效应。
表面自由能实际上是岩石矿物晶格键能的一种反映。当矿物破碎之时,从微观上看,就是拉断了一些晶键,产生断键,这就增加了颗粒的表面积,同时释放了表面自由能。岩石与矿物的表面自由能是一种势位能,其整体性越大,内部贮存的自由势能就越大,势位能在分解中会快速释放出来,只要分解到一定程度,其效应主要在于释放的能量大于块体最大弹性应变能(刘瑞询,1988)。
刘瑞询(1988)计算了花岗岩弹性体破碎后释放的表面自由能的大小,认为只要粒度降为原来的1/10,每新增的表面自由能即可以大于同体积岩石的最大弹性应变能。
表面自由能的大小与岩石的破碎程度成正比。因此可以计算,假如开始时块体的直径为100m,经过运动碰撞分解后,粒径缩小为1m,即粒径缩小了100倍;如此,则所有分解块体表面积的总和即近似增大6×104倍。分解体表面自由能的释放,是崩滑体启动高速、高能运动的重要原因之一。
当然,在块体分解之前,必须先吸收一些能量,这是一个缓慢的过程,主要用于产生超过块体最大弹性应变能(对于快速碰撞)和最大韧性应变能(对于缓慢变形),使块体突然高速剪出,瞬间转化为动能,与此同时,块体发生分解。分解之后,贮存或吸收的能量立刻释放,产生热能、化学能以及动能等。
(3)动量守恒定理和碰撞块体的速度及沉积分异。
在碎屑流运动中,原来长度仅仅几十米或几百米的块体,被“拉长”到上千米的长度,如头寨高速崩滑作用,沉积堆积体的长度超过2km,被“拉长”了将近20倍。
这种“拉长”效应必然导致碎屑流的粒径、速度在纵向上、剖面上存在运动分异过程,而动量守恒和碰撞分解的效应则是产生分异的根本原因之一。在块体运动和碰撞过程中,不妨将运动碰撞物体、被运动碰撞物体和分解后运动物体共同组成的一个动力体系。
在动量守恒条件下,大块体凭借自身拥有的势能与动能,反复弹性碰撞分解,产生更加高速、更加细小的块体或碎屑颗粒,使前缘不断加速前进,并达到最大值,直到块体或颗粒的碰撞概率甚小、粒径尺度小到不可能再分割,或者颗粒之间转变为滑动为主之时,这种加速过程才宣告结束,也就是崩滑运动于此时才得以停止的最终效果。
值得注意的是,在碎屑流产生和运动过程中,各种动力条件不断发生变化,变化种类也多种多样:碰撞、分解、滚动、滑动、抛掷、剪切以及飞溅等形式应有尽有。抛掷相带的发育、剪切修剪面、地面侵蚀痕、飞石坑、擦痕、残留砾石上的贝壳状断口等的存在,无疑都反映了崩滑体无黏性碎屑流的高速、高能以及碎裂与混杂的独特性质。与此同时,沉积物的“层序”排列里,可以恢复碎屑流在运动中与垂直剖面上的运动速度及动力分异状态。从垂直剖面上可以看出,剖面的最上部为碰撞—分解带,中部为碰撞—滑移带,下部则为滑移带。各带的组构、粒径、黏土含量均有分异。这种分异反映了上部动力带是能量主要产生带,中部主要是能量传递带,而下部则是速度较低、摩擦阻力相对较大的能量消耗带。