中国西南部云南省镇雄县红层岩崩的破坏成因与运动学特征

《Geosciences》：Failure Causes and Kinematics of a Catastrophic Red-Bed Rock Avalanche in Zhenxiong, Yunnan, Southwestern China

　　

2024年1月22日约05:51，中国西南部云南省镇雄县发生了一起体积约为16×104m3的灾难性红层岩崩。崩落的岩体掩埋了18栋房屋，造成44人死亡，直接经济损失达1.45亿元人民币。研究人员通过野外调查、无人机（UAV）影像、干涉合成孔径雷达（InSAR）分析以及基于PFC2D的二维离散元建模，对该岩崩的变形特征、破坏成因和运动学过程进行了深入研究。研究结果表明，构造活动形成的高起伏地形、节理切割和风化导致的破碎岩体，以及与泥质夹层相关的软硬互层地层结构等内部因素，是导致此次破坏的主要原因。冻胀可能是凉水村岩崩的一个重要触发因素。由于滑坡现场的地面变形仍在持续，未来可能引发灾难性事件，因此需继续保持关注。数值模拟显示，该岩崩从启动到最终堆积的运动学过程大约持续了30秒。破坏发生后约20秒，岩石碎屑到达村庄，掩埋了房屋并造成人员伤亡。岩石碎屑的最大速度和位移分别为45 m/s和335 m。这些研究结果为了解该地区红层岩崩的失稳机制和风险评估提供了重要见解。

凉水村红层岩崩破坏成因与运动学特征解读

研究背景与意义

红层广泛分布于中国西南部，主要由红色陆相沉积碎屑岩及其风化产物组成。强烈的构造活动促进了该地区红层中宏观和微观界面的发育，使得红层在长期的水岩相互作用下容易软化和崩解，从而为滑坡灾害创造了有利条件。云南省镇雄县受下三叠统飞仙关组红层分布影响，是地质灾害最严重的地区之一，历史上曾多次发生造成重大伤亡的红层岩崩事件。然而，针对此类灾害在寒冷季节的触发机制及高速运动学过程仍需深入探究。为此，研究人员以2024年1月22日发生在镇雄县凉水村的灾难性红层岩崩为案例，综合运用多学科技术手段开展研究，以期揭示其失稳机理与动力学特征，为区域风险评估提供科学依据。该研究成果发表在《Geosciences》期刊上。

主要关键技术方法

研究人员采用了多源数据融合与数值模拟相结合的技术路线。首先，通过野外地质调查获取了岩体结构面及堆积物的第一手资料；其次，利用无人机（UAV）影像重构了灾前灾后地形；再次，采用Sentinel-1A升轨数据集（128路径，33.9°入射角，涵盖2022年4月23日至2024年1月19日的61景数据）进行了干涉合成孔径雷达（InSAR）分析，以探测灾前地表形变。最后，基于离散元法（DEM），使用二维颗粒流程序（PFC2D）构建了数值模型，通过引入平行黏结模型（Parallel Bond Model）和聚类（Clusters）技术模拟岩体的破裂与运动，并利用单轴压缩试验标定微观参数，通过改变传输路径摩擦系数（0.8至0.2）对模型进行了校准。

研究结果

地质背景

凉水村岩崩位于云南省镇雄县，地处滇黔高原东北部向长江中上游河谷过渡地带。该区域地貌表现为深切沟谷和陡坡，地质构造以大中型褶皱及扭性、张性断层为特征。研究区属温暖湿润的亚热带季风气候，冰冻期从11月持续至次年3月。出露地层主要为下三叠统飞仙关组（T_1f），岩性为中厚层粉砂岩和泥岩夹薄层泥质夹层，岩体受节理切割和风化作用影响极为破碎。

凉水村岩崩概况

该岩崩发生于镇雄向斜北东翼，运动方向为北偏东33°。源区高程2028米，堆积区高程1790米。源区为约70°的悬崖，刮铲区坡度约40°，堆积区坡度小于10°。初始崩滑体积约12×10⁴m³，在运动过程中裹挟了约4×10⁴m³的第四系崩积物，总体积达16×10⁴m³。岩崩最终堆积于1860米至1790米高程处，造成了严重的人员伤亡和财产损失。

灾前变形特征

InSAR分析显示，岩崩源区的年均变形速率约为20±5至100±5 mm/年。沿源区附近山脊出现了垂直于滑动方向的张拉裂缝，长度约36至185米，宽度约0.1至0.6米。值得注意的是，源区加速变形期与气温下降期高度吻合。灾前两天温度骤降至-3℃，且剪切出口附近存在基岩裂隙水。泥质夹层充当局部隔水层，使得浅层裂隙水在寒夜迅速冻结产生冻胀压力，进一步扩展裂缝并恶化岩体结构，成为加剧变形的关键诱因。

岩崩运动学数值模拟

基于PFC2D的数值模拟重现了岩崩的运动过程。模拟结果显示，破坏始于分离岩体的前部，随后向后部传播。岩体脱离破裂面趾部后呈抛物线轨迹腾空，在空中沿两组节理进一步碎裂，撞击地面后彻底解体为碎屑。岩屑最大速度达45 m/s，最大位移达335 m，整个过程历时约30秒，约20秒后抵达村庄。摩擦系数校准表明，当传输路径摩擦系数为0.3时，模拟的最终堆积分布与现场观测最为吻合。

讨论与结论

讨论

岩崩的内部破坏因素主要包括构造活动形成的高起伏地形、节理切割与风化导致的岩体破碎，以及飞仙关组软硬互层的地层结构。地下水沿层面和节理网络优先运移，促进了深层化学蚀变，降低了岩体抗剪强度。虽然浅层冻融作用不能直接破坏深部滑面，但其产生的疲劳效应最终导致岩体结构劣化，是触发此次岩崩的关键因素。此外，灾后周边出现的新小型滑坡表明该区域仍处于持续变形中，需持续监测。

结论

1. 1.
   高起伏地形、节理切割和风化造成的破碎岩体以及软硬互层结构是凉水村岩崩的主要内部致灾因素。
2. 2.
   冻胀可能是凉水村岩崩的重要触发因素。鉴于灾场周边地面变形仍在持续，需密切关注以防未来发生灾难性事件。
3. 3.
   岩崩从启动到最终堆积的运动学过程持续约30秒。破坏后约20秒岩屑抵达村庄。岩屑最大速度和位移分别为45 m/s和335 m。