白龍江流域中上游第四紀沉積物的發(fā)育特征及其災害效應

陳宗良，葉振南，王志宏，王高峰，高幼龍，田運濤

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

白龍江流域地處中國大陸二級階梯向三級階梯的過渡地帶，位于秦巴山區(qū)、青藏高原、黃土高原三類地形交匯區(qū)域，為秦嶺山脈的西延部分。西部向甘南高原過渡，北部向隴中黃土高原過渡，南部向四川盆地過渡，東部與秦嶺和漢中盆地連接。西秦嶺和岷山兩大山系分別從東西兩方伸入全境，境內(nèi)形成了高山峻嶺與峽谷盆地相間的復雜地形，是甘肅省滑坡、泥石流分布密度大、發(fā)生頻率高、災害嚴重的地區(qū)，也是全國水土流失、地質(zhì)災害發(fā)育的重點監(jiān)測區(qū)域。自20世紀80年代以來，國內(nèi)眾多學者在白龍江流域從活動斷裂、地貌演化及其對地質(zhì)災害的影響等方面開展了大量調(diào)查與研究工作，積累了豐富的地質(zhì)背景資料和地質(zhì)災害數(shù)據(jù)[1-6]。然而，白龍江流域大部分地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)資料依然停留在1∶20萬，第四紀沉積物的面域化分布數(shù)據(jù)嚴重缺乏，且已有研究多集中于單一類型第四紀沉積物或單溝泥石流范圍內(nèi)[7-10]。第四紀沉積物是水土流失、地質(zhì)災害等地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育的物質(zhì)基礎，白龍江流域第四紀沉積層廣泛分布，出露條件較好[10]，查明該區(qū)第四紀沉積物的發(fā)育類型及分布特征意義重大。

遙感技術憑借其宏觀性、直觀性、時效性等優(yōu)點，已廣泛應用于第四紀地質(zhì)環(huán)境調(diào)查。盧登仕[11]在1979年就將遙感技術應用于第四紀地層研究中；陳述彭[12]利用遙感技術分析了華北平原第四紀的變遷；劉耀林等[13]基于南陽—襄樊盆地南苑的第四紀地層剖面勘查，運用遙感技術和DEM提取第四紀地層及沉積物遙感信息并對其進行識別和分類，取得了較為理想的效果；張緒教等[14]利用ETM+影像對西藏安多幅(1∶25萬填圖)第四紀沉積物的成因類型、分布范圍、地貌特征及分區(qū)、新構(gòu)造運動等方面進行了研究；范敏等[15]通過建立第四紀殘坡積層遙感識別標志，圈定并分析了鹽源盆地第四紀殘坡積層的分布及特點；葉夢旎等[16]利用SPOT6等高分辨率數(shù)據(jù)對內(nèi)蒙古呼勒斯太蘇木區(qū)域1∶5萬第四紀地質(zhì)及活動構(gòu)造進行了填圖應用。

筆者基于高分辨率遙感數(shù)據(jù)和GIS平臺，并結(jié)合地面調(diào)查，對白龍江流域臘子口鄉(xiāng)—石門鄉(xiāng)段第四紀沉積物進行了詳細圈繪和系統(tǒng)劃分，并對其分布特征和災害效應進行了初步探討。研究成果對區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害尤其是泥石流物源的研究以及工程建設等具有一定的參考價值。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省南部甘南舟曲縣、迭部縣及隴南市武都區(qū)和宕昌縣境內(nèi)，屬西秦嶺山脈南緣白龍江流域中上部，全區(qū)面積2 198 km2。區(qū)內(nèi)為典型的高山峽谷地貌，山體陡峻，河谷深切，相對高差1 000～1 500 m，總體地勢西北高，東南低。

研究區(qū)地層巖性極為復雜，屬西秦嶺地層區(qū)，區(qū)域地層主要由志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、板巖、灰?guī)r、變質(zhì)砂巖等組成，第四系黃土、卵石、碎石、碎塊石、砂、粉土分布于中低山山梁、堆積階地及坡地、洼地和河谷階地。峰迭鄉(xiāng)磨溝附近分布有斑狀花崗巖、花崗巖、石英斑巖等侵入巖體，其余地帶均為巖脈狀產(chǎn)出。構(gòu)造上位于新生代印度-亞洲板塊碰撞帶變形效應的東部邊界[1]，是松潘-甘孜褶皺帶和南秦嶺褶皺帶兩個不同構(gòu)造體系的交接部位，發(fā)育一系列深大斷裂和巨型褶皺。研究區(qū)內(nèi)區(qū)域性斷裂主要有光蓋山-迭山斷裂、迭部-白龍江斷裂。

2 遙感數(shù)據(jù)與預處理

2.1 數(shù)據(jù)源

本次研究所采用的遙感數(shù)據(jù)為2015年5月—2016年5月獲取的Pléiades四波段捆綁數(shù)據(jù)(分辨率全色0.5 m+多光譜2 m)，影像無云，入射角大部分區(qū)域小于15°，局部為24.3°；影像反差適中，清晰度較高，質(zhì)量良好，適用于遙感第四紀地質(zhì)解譯。其他輔助數(shù)據(jù)還包括研究區(qū)1∶20萬地質(zhì)圖及1∶5萬DEM(25 m×25 m)。

2.2 圖像預處理

遙感影像的預處理主要包括正射校正、多光譜配準、影像融合、波段組合、圖像增強、鑲嵌裁剪等。

2.2.1正射糾正

使用ERDAS IMAGINE Photogrammetry(LPS，數(shù)字攝影測量模塊)對全色數(shù)據(jù)進行區(qū)域網(wǎng)平差糾正，由于研究區(qū)地形起伏較大，故采用“RPC+DEM+GCP”方法對影像PAN(全色)數(shù)據(jù)進行正射校正。GCP主要從1∶1萬DEM中獲取，每景所采用的控制點數(shù)目為30個左右，點位分布均勻，每景影像四角和中心都有控制點控制，兩景影像重疊區(qū)至少有3個控制點。

2.2.2多光譜自動配準

由于全色和多光譜相機在成像上存在誤差，為保證影像融合精度，在融合之前對多光譜數(shù)據(jù)按照已正射處理的全色數(shù)據(jù)進行自動配準。本次采用ERDAS軟件AutoSync模塊，配準中誤差小于0.5個像素。

2.2.3影像融合

數(shù)據(jù)融合是不同光譜分辨率和空間分辨率圖像數(shù)據(jù)的復合，融合后的影像既擁有全色數(shù)據(jù)的高分辨率，還擁有多光譜數(shù)據(jù)的多光譜信息。由于影像未進行波段組合，具有4個波段，故采用HCS(Hyperspherical Color Space)方法進行融合。該方法對于高分辨率影像融合效果較好，色彩保真度較高。

2.2.4波段組合

融合后的影像為0.5 m分辨率的4波段數(shù)據(jù)，通過計算Pléiades影像4個波段的相關系數(shù)(表1)，選取相關系數(shù)小的3個波段進行RGB合成[17-18]。該數(shù)據(jù)B3波段(紅光)對裸露的地表、植被、巖性較為敏感，是識別土壤邊界和地質(zhì)界線最有利的可見光波段；B4波段(近紅外)信息量最為豐富，且獨立性大，對植物類別差異最為敏感，處于水體強吸收區(qū)，有利于區(qū)分與水相關的土壤、地貌、巖石類型等；B1(藍光)和B2(綠光)相關系數(shù)較大，本次處理選擇對水體穿透能力更強的B1波段，即采用RGB4/3/1彩色合成進行解譯。

表1 Pléiades影像4個波段的相關系數(shù)表Table 1 Correlation coefficient of the 4 bands ofPléiades satellite image

2.2.5圖像增強

Pléiades影像分辨率高，但是只有4個波段，且各波段之間相關性較大，組合后色彩飽和度一般。為了突出圖像中不同地質(zhì)體地物信息，擴大其亮度值的差別，對HCS融合后的圖像進行增強處理。即先對其進行主成分變換，再進行RGB4/3/1彩色合成，使遙感影像的色彩飽和度增大，增強圖像的可讀性[16]。圖1為研究區(qū)局部增強圖像，從圖中可看出Ⅰ級階地在增強后的圖像上呈紫紅色格網(wǎng)狀紋理；Ⅱ級階地呈深粉紅色，麻點狀紋理；Ⅲ級階呈淺草綠色，絮狀紋理；泥石流堆積扇新扇呈電氣石綠色亮色圖斑，老扇呈淺草綠和深粉紅色雜色圖斑；山梁黃土覆蓋層呈暗紅、鮮紅色圖斑；殘積物呈藍紫色條帶狀影紋；坡積物影紋較為雜亂。但整體上不同類型第四紀沉積物色調(diào)紋理差異較大，界線明顯，以增強后的影像作為參考，為精細解譯提供了便利。

圖1 角弓鎮(zhèn)周邊遙感影像增強圖Fig.1 Enhancement map of remote sensing image around Jiaogong town

2.2.6鑲嵌裁剪

利用 ERDAS下的 Mosaic功能實現(xiàn)圖像的鑲嵌。首先自動生成鑲嵌線，之后根據(jù)影像紋理特征，對鑲嵌線進行人工干預，即盡量沿著地物類型變換區(qū)域、色彩接近區(qū)域、線狀地物分布區(qū)域選取，鑲嵌線兩側(cè)選取20個像素羽化邊界。處理過程中，利用直方圖匹配法來保證圖像重疊區(qū)的色彩匹配和亮度平衡，避免出現(xiàn)明顯拼接縫，鑲嵌完成后按照研究區(qū)邊界進行裁切。

3 第四紀沉積物的劃分與解譯

3.1 第四紀沉積物類型化分

研究區(qū)第四紀屬于甘肅省東南部西秦嶺地層區(qū)隴南山地分區(qū)，區(qū)內(nèi)第四系出露條件較好,地層發(fā)育齊全，堆積物成因復雜[10]。根據(jù)其成因及結(jié)構(gòu)特征，將其劃分為5大類11個亞類：①重力堆積形成的崩積物、滑坡堆積體等碎塊石礫土堆積；②風化殘留形成的殘積物；③風力堆積形成的黃土、類黃土(次生黃土)；④流水堆積形成的沖洪積物卵礫石土、泥石流溝道堆積與溝口泥石流扇堆積及坡面流形成的坡積物；⑤人類工程活動形成的棄渣堆積。

3.2 遙感解譯標志的建立

在高分辨率遙感影像上，地物的空間特征(包括影紋、色調(diào)、形狀、空間分布、地貌、水系等)在地物的識別中占據(jù)主導地位[17]。根據(jù)不同地質(zhì)單元(第四紀)的反射光譜差異所形成的影像色調(diào)、紋理、形態(tài)、結(jié)構(gòu)不同，結(jié)合其與地貌、水系、人類活動痕跡等的相關關系，對不同類型第四紀沉積物進行區(qū)分。由于地質(zhì)體長期復雜的演化過程，會出現(xiàn)異物同譜和同物異譜現(xiàn)象，因此本次研究解譯標志的建立結(jié)合了大量的野外調(diào)查數(shù)據(jù)。根據(jù)假彩色合成影像特征，參照增強處理后的影像，建立了研究區(qū)第四紀沉積物詳細的解譯標志(表2)。

表2 研究區(qū)第四紀沉積物類型及判識特征

3.3 解譯結(jié)果與分析

3.3.1解譯結(jié)果與驗證

依據(jù)已建立的解譯標志，對研究區(qū)第四紀沉積物進行了詳細解譯，共解譯1 852個單元。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)災害調(diào)查相關規(guī)范的要求，對區(qū)內(nèi)能夠人力到達區(qū)域的1 425個點進行了驗證，有103個解譯點與調(diào)查結(jié)果不符，驗證率76.9%，解譯正確率92.4%。修正后的第四紀沉積物分布圖見圖2。

圖2 第四紀沉積物分布圖Fig.2 Distribution map of the Quaternary sediments

解譯結(jié)果表明，白龍江中上游石門鄉(xiāng)—臘子口鄉(xiāng)段第四紀沉積物總面積444.7 km2，研究區(qū)總面積2 198 km2，第四紀沉積物覆蓋面積占區(qū)域總面積的20.2%，不同類型第四紀沉積物面積統(tǒng)計見表3。其中第四紀殘積層和黃土、類黃土(主要是類黃土)分布最廣，面積為215.7 km2，占全區(qū)第四紀總面積的48.5%；其次為滑坡堆積體及崩積物，面積120.6 km2，占全區(qū)第四紀總面積的27.1%。

3.3.2第四紀沉積物分布特征

研究區(qū)第四紀沉積物整體分布較為均勻，主要受地層巖性、斷裂構(gòu)造、地形地貌及人類工程活動控制。大型、巨型滑坡堆積體主要沿斷裂呈線狀分布；崩積物主要分布在泥盆系、石炭系灰?guī)r地層中；殘積物主要分布在志留系千枚巖地層及高山區(qū)風化剝蝕面上；黃土、類黃土主要披覆于地形較為平緩的山梁及斷層破碎帶凹槽處；流水堆積組沉積物則主要分布在白龍江及各支溝兩岸；人工堆積物主要沿蘭海高速及蘭渝線分布。區(qū)內(nèi)上、中、下游第四紀沉積物空間分布又呈現(xiàn)一定的不均衡性。

表3 不同第四紀沉積物類型面積特征Table 3 Area characteristics of different types of theQuaternary sediments

研究區(qū)上游段(立節(jié)鄉(xiāng)上游至研究區(qū)邊界)第四紀沉積物主要沿白龍江主河道及其支流分布，主要為殘積層及黃土類黃土覆蓋區(qū)，殘積層在高山區(qū)連片分布，泥石流堆積扇規(guī)模較小，主要是因為該區(qū)域松散物質(zhì)主要以坡面匯集為主，泥石流強度較主河道沖蝕強度小，加之泥石流溝口距離主河道較近，且主河道階地不發(fā)育，無開闊地形存在，無法形成泥石流堆積扇或泥石流扇基本被破壞。

研究區(qū)中游段(憨班鄉(xiāng)至大川鄉(xiāng))第四紀沉積物則呈條帶狀連片分布，類黃土(次生黃土)、滑坡堆積體、崩積物發(fā)育，泥石流堆積扇規(guī)模中等(除三眼峪、峪子溝)，主要是因為該區(qū)受坪定—化馬斷裂及其分支斷裂影響，發(fā)育多處巨型古滑坡，斷層破碎帶上多具有2～3元結(jié)構(gòu)[2]，上覆次生黃土，斷層破碎帶和基巖接觸處，由于地形急劇變化，多發(fā)育崩塌堆積體。此段白龍江主河道呈深 “V”型，河流湍急，階地僅有部分區(qū)域殘留，支溝中每年進入白龍江的一部分泥石流固體物質(zhì)被帶走，減緩了堆積扇的增長速度，白龍江主河道的掏蝕作用破壞堆積扇前緣，加之白龍江左岸溝谷坪定—化馬斷裂在支溝中上游形成凹槽，對上游松散物質(zhì)的運移進行了“緩沖”，也是該段泥石流的一個特點。

研究區(qū)下游段(坪埡藏族鄉(xiāng)、角弓鎮(zhèn)、八楞鄉(xiāng)、沙灣鎮(zhèn))第四紀沉積物呈片狀分布，滑坡堆積體、黃土類黃土、殘積層及河流階地發(fā)育，泥石流堆積扇規(guī)模較大。主要原因為該區(qū)域為志留系白龍江群的千枚巖、板巖，受白龍江南支活動斷裂影響，物質(zhì)松散，風化破碎嚴重，形成了連片狀松散堆積層，并發(fā)育多個大型滑坡，為泥石流提供了豐富物源。此處泥石流密度大，扇緣相接成群分布，極大地影響著白龍江兩岸河床的平面形態(tài)。

研究區(qū)白龍江右岸中下游支溝溝腦處植被覆蓋良好，為無人區(qū)，第四紀解譯較為困難，此處僅有部分崩積物、坡積物分布。

3.3.3第四紀沉積物面積變化對比

以往該區(qū)域1∶20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料第四紀面積為64.3 km2，其中沖洪積面積33.7 km2，黃土堆積堆積面積30.6 km2。本次對該區(qū)第四紀沉積物遙感解譯面積444.7 km2，面積擴展了380.4 km2;其中殘積物和黃土、類黃土增加的面積最多，為185.1 km2，占新增第四紀面積的48.7%。經(jīng)遙感解譯，新增殘積物、坡積物、溝道物質(zhì)和人工堆積等4類第四紀成因類型，補充和完善了滑坡堆積體和崩積物面域數(shù)據(jù)，為區(qū)域災害地質(zhì)及工程地質(zhì)研究提供了豐富的數(shù)據(jù)。

4 第四紀沉積物災害效應

4.1 對泥石流的補給效應

第四紀沉積物主要通過崩滑、坡面沖刷、溝道侵蝕三種方式對泥石流進行補給。崩滑是區(qū)內(nèi)泥石流最主要的松散固體物質(zhì)來源，溝岸崩滑發(fā)生后通常直接進入溝道，除少部分直接被帶走以外，大部分多堆積于坡腳，積累成為潛在的泥石流物源，接受水流沖刷侵蝕。在極端降雨條件下具備匯流和啟動條件時，就會成為泥石流爆發(fā)的直接物源演化成為泥石流災害；在一定條件下(如崩滑堆積體體積較大且溝道較窄時)可能堵塞溝道，上游水流匯集形成堰塞湖，在一定的水力條件下堰塞體潰決，誘發(fā)“堵塞潰決型”泥石流。研究區(qū)上游段殘積層在高山區(qū)連片分布，陡峻的地形為高位崩滑的解體提供能量，易誘發(fā)高速遠程碎屑流參與泥石流的運動。殘積物、黃土類黃土、新近形成的崩滑堆積物、坡積物以及人工棄渣堆積物等由于表層土體結(jié)構(gòu)松散，抗沖蝕能力差，一定坡度條件下主要通過坡面沖刷匯流的方式直接進入溝道對泥石流進行補給，或以坡積物的形式堆積于坡腳，成為泥石流潛在物源，自坡頂至坡腳坡面沖刷匯流過程可以概括為“雨滴濺蝕→片流侵蝕→細溝侵蝕→溝坡侵蝕”。溝道侵蝕包括下切侵蝕、側(cè)方侵蝕和溯源侵蝕三種方式。泥石流未飽和狀態(tài)時，溝床泥石流堆積物主要通過沖刷下切的方式進入泥石流；隨泥石流固相物質(zhì)增多，流體密度、流速加大，溝床泥石流堆積物在流體沖擊作用下快速液化，從而形成溝床的揭底沖刷補給泥石流；溯源侵蝕受下切侵蝕影響，下游侵蝕基準面快速下降后，上部溝床泥石流堆積物因重力侵蝕作用不斷加強而不斷后退參與泥石流。溝床兩岸的古老泥石流堆積物、溝岸崩滑堆積體、坡積物等主要通過側(cè)方侵蝕的方式對泥石流進行補給，即泥石流體在運動過程中直接沖擊溝岸，將溝岸物質(zhì)卷入。同時，受下切和側(cè)方侵蝕影響，溝岸物質(zhì)下部失去支撐，會導致溝岸的坍塌，直接進入溝道對泥石流進行補給。

4.2 崩滑效應

受地震、暴雨以及河流侵蝕、人工切坡等因素影響，第四紀沉積物內(nèi)崩塌、滑坡廣泛發(fā)育。區(qū)內(nèi)崩滑堆積物具有體積大、結(jié)構(gòu)復雜等特點，尤其是斷裂帶巨型古滑坡多具有多元結(jié)構(gòu)，堆積體的滲透性在空間上存在很大的不均勻性，加上地形等因素影響，降雨、地震條件下常常發(fā)生局部滑動或復活。殘坡積物結(jié)構(gòu)松散，滲透性較好，當與下伏基巖性質(zhì)差異較大時，雨水滲透至接觸界面上形成滯水帶，接觸帶土體迅速泥化誘發(fā)滑坡。黃土結(jié)構(gòu)松散，具有濕陷性，加之垂直節(jié)理、落水洞發(fā)育，外界因素影響下極易發(fā)生黃土層內(nèi)滑坡或基覆界面滑坡。斜坡中下部殘坡積物及老泥石流堆積物，坡腳受流水掏蝕，上部土體失去支撐，重力作用下易發(fā)生淺表層滑坡或坍塌。

4.3 坡面泥石流效應

坡面泥石流是殘積物坡面侵蝕的一種極端體現(xiàn)，表現(xiàn)為殘積物由滑坡轉(zhuǎn)化為泥石流的過程。在白龍江河谷兩岸及支溝內(nèi)千枚巖、板巖區(qū)廣泛發(fā)育，坡面泥石流是主要類型之一。坡面泥石流主要發(fā)育于小型的凹槽地形中，斜坡坡度集中在30°～50°，殘積物在斜坡中上部連片分布，厚3～5 m居多。強降雨條件下，隨降雨持續(xù)入滲，殘積層土體迅速飽和，基質(zhì)吸力快速降低甚至喪失，殘積物與下伏基巖界面發(fā)生剪切變形，并逐漸擴展貫通形成連續(xù)滑動面，大片殘積物整體下滑。運動過程中殘積物碎屑與水相互作用，使得殘積物解體形成泥石漿或碎屑流，在重力作用下快速運動最后堆積于坡腳。坡面泥石流一般規(guī)模較小，但同時具有速度快、爆發(fā)突然、沖擊力大等特點，具有極大危害。

4.4 高陡階地崩墜效應

研究區(qū)中下游段白龍江河谷兩岸階地廣泛發(fā)育，其中Ⅰ、Ⅱ級階地為堆積階地。Ⅰ級階地拔河2～10 m，主要為農(nóng)田耕種區(qū)；Ⅱ級階地拔河10～35 m，具有較高的承載力，為主要居住區(qū)。Ⅲ級以上階地為侵蝕階地，下伏基座多為志留系白龍江群千枚巖、板巖，拔河高度100 m左右，局部上覆黃土類黃土。其物質(zhì)組成為卵礫石土，局部含有漂石，粒徑大者可達數(shù)米，該級階地沉積單元厚度最大。漂礫巖性以砂巖和灰?guī)r為主，空隙被礫石、粉土充填，較為密實。由于現(xiàn)代構(gòu)造活動強烈，伴隨河流的急劇下切，多形成近似直立的高陡邊坡[22-23]，在風化剝蝕、暴雨沖刷及人類工程活動等因素的影響下，軟弱土體及碎石逐漸剝落，殘留漂石在一定條件下會發(fā)生崩墜，威脅下方道路及居民點安全。

5 結(jié)論

(1)Pléiades四波段高分辨率遙感數(shù)據(jù)能較好地反映地質(zhì)體的微地貌形態(tài)，不受地形限制，適用于隴南白龍江流域第四紀地質(zhì)填圖，解譯成果正確率較高。

(2)白龍江中上游臘子口鄉(xiāng)—石門鄉(xiāng)段解譯第四紀沉積物總面積444.7 km2，占該區(qū)總面積的20.2%；新增殘積物、坡積物、泥石流堆積和人工堆積等8個亞類。第四紀殘積層和黃土、類黃土(主要是類黃土)分布最廣，其次為滑坡堆積體及崩積物。

(3)受地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌等因素影響，第四紀沉積物在空間分布上呈現(xiàn)一定的差異性：上游段主要沿白龍江主河道及其支流分布，殘積層、黃土類黃土為主，殘積層在高山區(qū)連片分布，泥石流堆積扇規(guī)模較小；中游段呈條帶狀連片分布，類黃土(次生黃土)、滑坡堆積體、崩積物為主，泥石流堆積扇規(guī)模中等；下游段呈片狀分布，滑坡堆積體、黃土類黃土、殘積層及河流階地為主，泥石流堆積扇規(guī)模較大。

(4)第四紀沉積物的災害效應主要表現(xiàn)為對泥石流的補給效應、崩滑效應、坡面泥石流效應和高陡階地崩墜效應四個方面。