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第57章 堰塞湖溃坝堆积(1)

全球各地堰塞湖溃决存在两大系统:一是高山深谷地带,如以四川汶川、北川山区为代表,以地震造成的次生地貌过程,如崩塌、滑坡、泥石流等形成一系列堰塞湖;另一个是现代高山冰川带,如青藏高原和南、北美高山等地,均有大量冰碛和冰川堰塞湖,它们的产生与冰川有关,而它们的溃决则与冰体消融、冰湖岸冰体崩塌和来自山体上部的基岩崩塌、冰崩而引起对冰湖稳定的破坏,以及地震的触发等有关。某些因素如地震此前是造成堰塞湖形成的因素,此后却会变成堰塞湖溃决的原因,竟然有如此因果巧合。这也显示,各种成因混杂堆积之间始终相关紧密。此外,火山熔岩流也会造成堰塞湖如我国的五大连池和镜泊湖等,但很少有溃决的。

(第一节)冰川与冰碛堰塞湖及其溃坝堆积

据王欣等(2009)估算2000—2004年间,我国喜马拉雅山区共有冰川及冰碛堰塞湖143个,其中,溃决概率为“非常高”(44个)和“高”(47个)的共有91个。另在全球有记录的冰湖溃决灾害中,15次有12次发生在中国境内(图71)。溃决方式包括冰崩、冰滑坡、冰湖土石岸崩塌、冰湖漫顶溢流、地震以及坝内死冰融化出现管涌溃决等。类似的冰湖溃决所造成的洪水和泥石流,在日喀则、江孜、亚东曾造成重大灾害。Carson(1985)曾描述约在450年前的一次冰湖溃决中,波克拉河上游河谷被埋没在50—60m厚的泥石流堆积之下。据统计,1935—1982年喜马拉雅山中段有11次冰湖溃决灾害,有9次曾派生泥石流危害沿途生产、生活设施(表71),而溃决原因大多是冰碛阻塞湖溃坝所致(徐道明等,1989)。

我国喜马拉雅山和喀喇昆仑山区是全球冰湖溃决高发区,前者以冰碛堰塞湖居多,后者则常见冰川堰塞湖的报道。喜马拉雅山冰湖溃决的总水量通常介于1×107—2×107m3。由于该区槽谷内冰碛物、崩塌及坡积物发育,溃决洪水常造成大规模泥石流和溃坝堆积,灾害的影响范围甚至可达到数百千米(徐道明等,1989)。

一、冰湖溃决特征

1981年喜马拉雅山希夏邦马峰南坡波曲河流域章藏布沟源头的冰川终碛堰塞湖发生溃决,在沿途连带造成一系列崩塌、滑坡等次生灾害,其影响一直延伸到50km外的尼泊尔境内的逊科西水电站。此次溃决洪水比波曲河正常的多年平均最大洪峰流量高16倍,导致溃坝体物质和沿途坡脚河槽物质产生泥石流,并在谷口形成巨大的堆积体。

此次洪水的流体性质相当于两相流的泥石流性质,有层流特性(徐道明等,1989)。这是冰川湖泊溃决后所特有的,溃决洪水被严格束缚于深深的峡谷中,它不能像在宽广河谷中可以展开而得到稀释,如同四川汶川地震(2008)唐家山溃坝堆积那样(详见本章(第三节))。

章藏布冰川末端的章藏布沟湖面海拔为4665m,冰川湖下游端冰川终碛堤高出湖面35—40m,溃决前一个月当地牧民发现终碛堤下方有一直径1—2m的管涌。此次溃决洪水平均水深32m,并在冰碛中造成深50m、底宽40—60m的冲沟,在沟口下形成扇形地。据估算,最大溃决流量达1600m3/s,出现在溃坝后23min,主要洪峰过程约60min,溃决水体总量1.9×107m3,约有4×106m3混杂堆积物参与溃坝搬运和堆积过程。据徐道明等(1989)观测,部分巨大的冰川漂砾在台地下部产生堆积,形成扇形地、泥石流主体进入主沟后一直冲到波曲河对岸30m的高台地上,并阻断波曲河,其后又沿波曲河迅猛下泄直到友谊桥,全长20km。由于一路上有两岸崩塌、滑坡物质补给,在友谊桥处泥石流体“龙头”壅高达25m,比洪峰水位高出8m,而泥石流运动层厚度可能在4—10m;再到尼泊尔的孙科西水电站,全程又延长30km,泥石流体在此形成堆积段。全河段泥石流历时55min,整个河段泥石流平均流速为35.4km/h。据当地老乡反映,泥石流发生时,有巨大声响和震动,势如地震,河谷中烟雾弥漫,散发土腥味,洪流中巨石和部分直立的树木在河谷中流动,不见水体,20—30m的水头似一堵墙,来势凶猛。

二、冰湖溃坝堆积的特征

在国外,第四纪晚更新世地球上最大的洪水是中亚的库那(Kural)、楚雅(Chuya)洪水以及北美的密苏拉(Missoula)洪水,均因冰川阻塞湖发生溃坝而形成大洪水。库那湖的水深达900m,两个冰川堰塞湖蓄水达3.5×107m3,而密苏拉湖是在大约13000aBP由科迪勒拉(Cordilleran)大冰盖向南延伸到爱达荷州狭长地带,形成阻塞克拉克福河的大冰坝,湖深700m,蓄水2.2×107m3(徐道明,1987;Malde,1968)。

冰湖溃决后根据侵蚀和沉积作用,可将河谷段分为下切侵蚀段和沉积段。1981年西藏章藏布冰湖溃决在冰碛台地上形成了清晰的泄洪通道和冲积扇,冰湖溃决时洪水的冲刷性很强,所以在泄洪道很难见到溃坝堆积。溃坝堆积体剖面见于波曲河下游普尔坪桥址,剖面高7.4m,堆积厚度约10m。大砾石集中在剖面顶部,基本水平排列,长轴平行流向,扁平面略倾向上游,有时是叠瓦状(徐道明,1987)。冰湖溃决一般没有回水相,因为冰湖坝内外水位差较大,洪水直接泄向下游。

在章藏布沟下游的弯道凸岸开始出现巨石组成的泥石流天然堤堆积,没有细粒物质参与,这是动力分选的结果。泥石流前进中不断有巨石向两侧抛出。此处的巨砾天然堤延伸约70m,砾石平均直径0.57m,其中最大十块巨砾长轴平均4.65m。天然堤(也叫侧脊堤)在大、小泥石流中均可发育。天然堤的存在及其良好延续性在一定程度上证明泥石流流动的均匀性和连续性(徐道明,1987)。

巨砾心滩是泥石流龙头堆积的,组成混杂,没有分选。巨砾心滩面积可大可小,大的可达200m×80m×6m,最大10块巨砾平均粒径达5.4m,其中最大一块为17.7m×11.3m×6.7m,据查此石块距原地已有3.2km。

Lord和Kehew(1987)对位于加拿大萨斯喀彻温省东南部和美国北达科他州西北部的Regina湖、Arcola湖和Souris湖三个冰湖溃坝后的堆积体进行了报道。三个溃坝堆积体形成在11700或11300aBP以前。共发现了20多处冰湖溃坝堆积,其中一半以上平面上沿河一侧呈“吊坠”形态,另一半的堆积体分布在顺直河道的凹处,一般与滑坡伴生。在泄洪通道里的溃坝堆积体大小一致,均为2km长,0.5km宽,20m厚。主要成分为冰碛物和洪水侵蚀基岩带来的碎屑物。这些冰湖溃坝堆积体的特征表现为分选极差,同源性强,有杂基构造,堆积体表面的大砾石比较分散,一些粗碎屑有叠瓦构造。有两个堆积体在下游末端位置见到不清晰的板状交错层理。其他堆积体在垂向上粒径有明显差异,隐约有水平层状。堆积体中最大的砾石直径达3m,直径1m的砾石非常普遍,堆积体的最大粒径从上游向下游变小。从以上可知,Lord(1987)等虽然报道了某些事实如Malde(1968)、Baker(1973)Lersen(1978)、Clayton等(1982)均谈到北美加拿大和美国冰湖溃坝问题,但主要内容是水文和灾害方面,缺少对溃坝堆积的沉积学研究。

(第二节)滑坡堰塞湖及其溃坝堆积

除前述冰川堰塞湖以外另一类则是以滑坡为主的堰塞湖,自2008年5月12日四川汶川地震造成几十个堰塞湖被报道以后,尤其是唐家山大滑坡造成的唐家山堰塞湖经人工疏导溃坝等,都曾引起国内高度关注。堰塞湖是历次大地震中不可或缺的衍生物。地震引起的崩塌、崩滑、滑坡、泥石流造成堰塞湖,在地质史或中国历史上不乏典型实例。其中最有名的应是在川西一带广泛分布的昔格达层(3.3—2.4MaBP),这一套沉积就是著名的堰塞湖湖相地层(蒋复初等,1999;钱方等,1984)。此外,西安秦岭翠华山的中元古界变质杂岩山崩就临近秦岭山麓大断层,崩塌体达3×108m3,造成了天池堰塞湖(南凌等,2000)。虽历史上也说此崩塌与公元前780年地震有关,但较大的地形性降水、陡直的临空面以及坚硬多裂隙的岩性也是易发生山崩的原因。1786年6月四川泸定的7.5级地震诱发大型滑坡,使大渡河上形成堰塞湖,溃坝时死亡10万余人。1933年8月15日四川叠溪因地震造成山崩滑坡,使岷江3处滑坡堵塞成湖,有的溃坝后同样损失惨重,有的则保留湖泊至今。

近期如2000年4月9日西藏易贡藏布支沟扎木弄巴发生特大滑坡,3×108m3的崩塌体堵塞易贡藏布形成高130m、长1500m之堰塞坝。6月10日局部溃决,水头高55.36m,最大洪峰流量达12.4×104m3/s。

以上事例说明多种混杂堆积过程与堰塞湖有不解之缘。虽然作者也曾注意到,堰塞湖沉积与一般湖相层有明显区别,如湖形狭窄,易受两侧山坡和支沟之泥石流或流水堆积影响,以致在湖相层中经常夹有泥石流透镜体,显示并不具备大型湖泊所具有的宁静,但作者更被堰塞湖沉积的“同生易相”——溃坝堆积所吸引。由多种地貌过程所形成的坝体上、下两侧呈现了完全不同的堆积过程。其中,溃坝堆积的沉积特征或环境迄今少有报道。作者在中科院成都山地研究所崔鹏指引下对汶川唐家山溃坝堆积体以及川西彭县鸭子河上游银厂沟西侧高达70m堆积台地剖面作初步研究,发现两者从平面沉积特征到剖面上的剖面结构构造均具有良好的可比性,各为一新一老的溃坝堆积,此后又获得金沙江上游雪隆囊滑坡堰塞湖溃坝堆积的资料(1),由此得到对滑坡溃坝堆积的更多认识。

(第三节)溃坝堆积亚相与结构构造

一、唐家山溃坝堆积特征

四川北川唐家山溃坝堆积体从溃坝处到苦竹坝发电站沿线约3km河段,河床平整,平面上从上游到下游可以把溃坝堆积划分出坝体残余亚相、回水亚相、上游(相当于扇形地扇顶部分)亚相、中游(相当于扇中)亚相,以及下游(相当于扇缘)亚相。实际上,就上、中、下游三段划分,整个就相似于一个沿河道而被拉长了的扇形地堆积模式。沉积相上相似之处是除紧贴坝体开口下侧两岸有回水亚相外,整个河道横向上并无沉积亚相差别。因为,溃坝时洪水在河道上的分布是完全满灌的(虽然中心主流线和两侧流速及沉积物肯定有所差别),所以看起来沉积物大小在横向上差别不显,但沿纵向方向,在巨砾分布上却差异明显。

唐家山溃坝堆积亚相类型及沉积结构平面的特征:

(1)坝体残留亚相,在地貌上是多个巨砾心滩并列,顶部可见未被巨大洪水冲走的巨砾若干,最大巨砾长8m、宽4m、高4m,体积为128m3,重达300t。另若干巨砾为4m×3m×3m=36m3,几乎呈一条直线横列在河床之巨砾砾滩顶端(照片71)。另一特点是巨砾密度大,在12m×42m=504m2面积上有2m以上巨砾20块,砾滩表面砾石分选差。

(2)回水亚相(照片72),早期溃坝洪水外溢时涌水水位较高,在坝外两侧均产生回水区,堆积了厚度不一,但分选良好层理清晰的以砂和细砾为主的砂砾层,厚10—20cm,标志着水位有早期落差。

(3)上段(扇顶)亚相,往下距残留体约1.5km,砾滩上巨砾迅速减少,体积变小。每平方米不足1块,且巨砾有“抱团”现象,即若干块集中在一起(照片73),有被放弃的分叉沟道存在。砾滩表面除个别巨砾成团外,分选比较好,基本上被粒径几厘米至几十厘米的砾石均匀覆盖,只看到很少砂体。

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