（环境科学专业论文）第四纪泥石流沉积物地球化学分析.pdf

第四纪泥石流沉积物地球化学分析 a b s t r a c t c o n t e n t ：d e b r i sf l o wi sag e o l o g i c a lp h e n o m e n o n u s u a l l yi nt h em o u n t a i n o u sa r e a s i t i sas p e c i a lf l o o d ，m i x e dw i t hs o m es o l i dm a t t e r s ，s u c ha ss i l t ，s t o n e sa n dh u g e g r a v e l ，c a u s e db yr a i n f a l l ( s t o r m ，m e l t e ds n o wa n di c eg l a c i e r ) ，w h i c hi sa l s oah i g h c o n c e n t r a t i o no fm i x e dc r u d ef l o w i t sm o v e m e n tp r o c e s si sar e s u l to fn a t i o n a l f a c t o r s ，s u c ha sg e o l o g y , g e o m o r p h o l o g y , h y d r o l o g ya n dm e t e o r o l o g y , a n dm a n m a d e f a c t o r s ，w h i c hi sa m o n gt h em o v e m e n to fl a n d s l i d e d o w n s l i d ea n df l o o d t h es e d i m e n t so fd e b r i sf l o wi sat y p eo fq u a t e r n a r yp e r i o d w h i c hf o r m e di n g e o l o g i c a lp r o c e s so fq u a t e r n a r yp e r i o da n dag i v e ng e o l o g i c a lc i r c u m s t a n c e s i ti sa s i g n i f i c a n tf o u n d a t i o nf o rp e o p l et or e c o g n i z ea n dd e m o n s t r a t et h er o c k ，s t r a t u m ， a n c i e n tg e o g r a p h i c a lf e a t u r e sa n dg e o c h e m i s t r yo far e g i o ni nq u a t e r n a r yp e r i o d t h e s e d i m e n t sp o s s e s st h ec o n d i t i o n sa n di n f o r m a t i o na b o u tt h e i rf o r m a t i o n w h i c hd e c i d e t h ed i s t i l b u t i o no fi t sc h e m i c a le l e m e n t sa n dc h e m i c a lc o m p o u n d a tp r e s e n t t h e g e o c h e m i s t r yr e s e a r c h e so nq u a t e r n a r yp e r i o di nc h i n am a i n l yc o n c e n t r a t eo nt h e s e k i n d so fs e d i m e n t ss u c ha sl o e s s ，1 a k e ，s e a ，r i v e r , g l a c i e r , b u r r o w ，w e a t h e r i n gc r u s ta n d s oo n ，b u tt h er e s e a r c ho ns e d i m e n t so fd e b r i sf l o wa r ec o m p a r a t i v e l yl e s st h a no t h e r s a sas p e c i a lt y p eo fs e d i m e n to fq u a t e r n a r yp e r i o d ，t h ep r o c e s so fw e a t h e r i n g ， c a r r y i n g a n da c c u m u l a t i o no fi ti sd i s t i n c tf r o mt h eo t h e rt y p e s t h i st h e s i sc h o o s ex i a o j i a n gv a l l e yi ny u n n a na n dt h ew h it ed r a g o nr i v e rv a l l e y i ng a n s ua st h er e s e a r c h i n ga r e a s a tf i r s t i tg i y e sae x p o s i t i o no fd e b r i sf l o w r e s e a r c hh i s t o r ya n dr e s e a r c hc o n t e n ta th o m ea n da b r o a d t h e n ，t h r o u g hr e s e a r c h i n g c h e r n i c a le l e m e n t sd i s t r i b u t i o n a l l o c a t i o na n dm i g r a t i o no fd e b r i sf l o wi nd i f f e r e n t a g e sa tt h et w od i f f e r e n ta r e a s ，t h el a wo fe n r i c h m e n t t h ec o n t e n t so fe v e r yk i n do f c h e m i c a le l e m e n ta m o n gt h es e d i m e n t so fd e b r i sf l o w s ( s i o z ，a 1 2 0 3 ，f e 2 0 3 ，k 2 0 ，m g o ， p 2 0 5 ，c a o ，n a 2 0 ，m n oa n dt i 0 2e t c ) ，t h ec o e f f i c i e n to fs i l i c o na n da l u m i n i u m ，t h e c o e f f i c i e n to fa l u m i n i u ma n di r o n ，t h ee l u v i a t ec o e f f i c i e n to fa l k a l im e t a l s ，t h e e l u v i a t ec o e 伍c i e n to fa l k a l i n ee a r t h ，t h ee l u v i a t ec o e m c i e n to fe l e c t r o p o s i t i v eg r o s s ， t h ec o e f f i c i e n to fe l u v i u m ，c a c 0 3 ，p h ，o r g a n i cm a t t e r t h et h e s i sp r e s e n t st h a t g e o c h e m i s t r yf e a t u r e so fd e b r i sf l o wi nq u a t e m a r yp e r i o da r ed i s t i n c tf r o mo t h e l t y p e so fs e d i m e n t s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t o ft h ea n a l y s i so fs e d i m e n t s c h e m i c a le l e m e n t s e m i g r a t i o ni n t e n s i t yo fc h e m i c a le l e m e n t s ，c a c 0 3c o n t e n t ，t h ec o n t e n to fo r g a n i c m a t t e r , s o l u b l es a l t ，i te x p l a i n st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es e d i m e n t s c h e m i c a l e l e m e n t sa n dt h ec h a n g eo fc i r c u m s t a n c e s ，a n dt h ef e a t u r e so fa n c i e n tc l i m a t ea n d a n c i e n tg e o g r a p h i c a lc i r c u m s t a n c e si nt h em a t u r ep e r i o do fm u d r o c kf l o w , m a d c o n c l u d et h ef o r m i n gt e a t u r e so fg e o c h e m i s t r ye l e m e n to fs e d i m e n ti nq u a t e m a r y p e r i o d ，w h i c hr e f l e c t st h ea n c i e n tc l i m a t ee m i g r a t i o no ft h ep e r i o d k e yw o r d s ：d e b r i sf l o wq u a t e r n a r yp e r i o d s e d i m e n tg e o c h e m i s t r y i i 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。论文 中除特别加以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或发表过的 研究成果，其他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均已在论文中做 了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名： 乡】 日 期：护萝多z 矿 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定，及 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本文授权辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 并进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密 的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名： 孙磊 指导教师签名：7 融 日 期：d 7 岁，za 前言 前言 泥石流是山区特有一种自然地质现象。它是由于降水( 暴雨、冰川、积雪融化水) 产生在沟谷或山坡上的一种挟带大量泥砂、石块和巨砾等固体物质的特殊洪流，是高 浓度的固体的液体的混合颗粒流。它的运动过程介于l u 崩、滑坡和洪水之i 日j ，是种种 自然因素( 地质、地貌、水文、气象等) 或人为因素综合作用的结果。泥石流具有常 发性、突发性、群发性、同发性、转发性的特点，对山区的城镇、村寨、交通厂矿、 水电工程和农用造成严重危害，直接影响到人类的生存和发展，是这一地区可持续发 展的重大问题。尤其是近半个世纪以来，世界上许多的多山国家，灾害性泥石流频频 发生，造成惨重损失。泥石流早在地质历史时期就已经存在，在古代，由于科学技术 的落后，人们经常给泥石流这一宏大的自然现象蒙上一层神秘的色彩，把其爆发称之 为“走龙”、“出龙”等。但随着人类社会的进步，人们开始对泥石流这一自然现象有 了比较客观的认识。 我国幅员辽阔、环境条件复杂，几乎所有的自然灾害类型都有发生，是世界上灾 害类型最多的国家之一，我国又是地形条件复杂，山地和高原面积达，约占国土面积 的6 6 。大部分山地和切割高原地质构造复杂，山地起伏大，表层岩体破碎，土层瘠 薄，加之受人类活动的影响，植被覆盖度降低，地质灾害( 崩塌、滑坡、泥石流) 极 易发生。中国泥石流分布在3 1 个省、市和自治区，约9 5 0 县市。泥石流的活动区域 面积4 3 0 万k f n 2 ，其中活动强烈的地区达1 3 0 万k m 2 ，全国有8 万处泥石流活动，其中 严重的有8 5 0 0 处。近年来，泥石流每年造成的经济损失在1 5 亿 - - - 2 0 亿人民币，死 难者在2 5 0 - - - - 5 0 0 人，同时使人们的生存和发展环境受到严重影响。所以说弄清泥石 流的发育历史，掌握其发展规律，使其得到有效的治理，保障山区的经济发展和人民 的人身安全，目前已成为一项重要的任务。 泥石流沉积物作为第四纪沉积物的一种类型，是在第四纪地质过程和特定的地质 环境中所形成的产物，泥石流沉积物是认识和说明一个地区第四纪时期岩石、地层、 古地理和地球化学问题的重要依据。泥石流沉积体中包含有它们形成的条件信息，这 些条件决定了泥石流沉积物中化学元素和化合物的分布。目前我国第四纪沉积物地球 化学研究，主要集中在黄土沉积、湖泊沉积、海洋沉积、河流沉积、冰川沉积、洞穴 堆积、风化壳等几种类型的沉积物中，泥石流沉积物作为第四纪的一种特殊沉积类型， 物质的风化、搬运及堆积过程中与其它类型的沉积物有很大差别。目前我国泥石流研 前言 究研究朝着内容多样化和定量化方向发展，研究内容主要包括区域泥石流及泥石流发 育环境的研究、泥石流沉积学的研究、泥石流力学特征和运动过程研究以及泥石流发 育史与环境变迁研究，积累了有高度学术价值的研究成果，而对第四纪古泥石流体中 不同化学成分含量和元素积聚、迁移特征及迁移强度涉猎较少。青藏高原东部边缘是 我国暴雨泥石流最发育的地带，这罩地层多经受强烈的褶皱和断裂，新构造运动强烈， 谷坡陡而不稳定，加之经常发生岩体崩塌与滑坡、沟谷中松散固体物质丰富。同时多 受东南及西南季风的影响，第四纪以来这里沉积了巨厚的泥石流地层，为系统研究第 四纪泥石流沉积物的地球化学特征提供良好的场所。 2 第一章研究概述 1 1 泥石流研究史 1 1 1 国外泥石流研究史 第一章研究概述 1 9 世纪初期，阿尔卑斯山区的一些资本主义国家，为了资本主义的发展，毁林 开垦、陡坡耕种、放牧过度、矿产开采过度，致使山坡植被稀少，土层和岩石大量裸 露。直至1 9 世纪中叶，泥石流开始频繁出现，淤埋大量房屋、农阡i 、牧场和公路， 给当地造成严重的伤亡和经济损失，于是各国学者开始致力于泥石流的研究。 在此之前，法国学者肖勒尔于1 8 4 1 年就著有关于上阿尔卑斯山地泥石流的研 究。奥地利学者厂科赫于1 8 8 5 年完成了关于南阿尔卑斯山泥石流的问题。1 9 0 2 年汪格编写了泥石流防治工程，1 9 3 4 年奥地利的哥特尔与温特尔合著了山坡洪 流的整治原理。1 8 5 9 - - 1 8 9 5 年间，俄国的b m 斯塔克夫斯基提出了一系列工程防 治措施。n 杰蒙兹于1 8 9 1 年在他的山坡造林著作中提出了泥石流防治的生物措施。 同期，h m 科洛列科夫和c t 0 劳涅尔对阿曼库坦河和阿克塔什河两个流域的山坡 采取了梯田化措施，力图控制泥石流活动。1 9 3 0 年苏联外高加索水利科学研究所对 某些泥石流形成过程进行综合研究，第比利斯建筑及水能科学研究所对泥石流体的机 械成分和物理性质进行了室内研究。 二十世纪五十年代以后，泥石流的研究在许多国家都取得了长足的发展，在国际 上受到了广泛的重视，标志着泥石流的研究进入了一个新时期。其中苏、日两国居领 先地位。前苏联自1 9 4 9 年来，建立了野外定点观测站，将研究主要集中在泥石流的 形成机理、运动过程、输沙能力、流态特征、力学性质、野外勘测设计和防治等方面， 形成了一套较为系统的理论。随着泥石流编目，数据库与信息系统，3 s 等新技术在 泥石流研究中的应用，1 9 7 5 年苏联出版了1 8 0 0 万苏联泥石流危险地区图。 对于泥石流的研究，日本虽然起步较晚，但进度较快。研究主要集中在三个方面： 1 泥石流的理论研究。包括泥石流的形成机理、运动机理和堆积机理，其中高桥保的 研究很有代表性，在泥石流的形成机理方面，高桥保把泥石流的肜成类型分为两种： 种是崩落的泥沙物质充水而在重力作用下发生连续运动，一种是由于崩塌及其他原 因堆积起来的泥沙物质因水流冲刷而形成泥石流，因而把泥石流的形成条件归纳为： 第四纪泥石流沉积物地球化学分析 一是崩塌形成的条件：二是有地表水的存在。在泥石流的运动机理方面，高桥保从理 论和实验上，对泥石流的平均流速、流速分布、饱和浓度、龙头形状、巨砾汇集于龙 头的机理、巨砾输送机理等特征作了详细的研究，并将理论结果与实验结果进行了比 较。2 泥石流的野外观测。从2 0 世纪7 0 年代开始，日本研究出了多种新型自动测定 传感器和自动采样装置。8 0 及9 0 年代，又采用了自动摄影装置及航天立体摄影等手 段，对泥石流的形成区，流通区及堆积区进行了系统观测，做出泥石流的流动过程图。 3 泥石流的防治及预报研究。在防治研究中，除了加强对新型泥石流防治建筑的研究 外，更注重泥石流警戒、避难系统的建立和泥石流危险区的划分。 美国对泥石流的研究早在1 8 9 7 年便有报道，但直到本世纪6 0 年代才进入了快速 发展时期，其研究内容主要集中在：泥石流形成与运动过程、侵蚀力与输沙力、流态、 流速、水下泥石流、古泥石流和泥石流的防治工作等方面。 此外，分布于世界屋脊青藏高原西南坡地区的国家，如尼泊尔、巴基斯坦等对泥 石流的研究也颇为重视n 1 。 1 1 2 国内泥石流研究史 我国泥石流研究大致可分为以下几个阶段： 早期工作 在2 0 世纪3 0 年代我国已开始将泥石流作为水土保持工作的一部分初步进行研 究。建国后交通部门率先开展了泥石流灾害的调查和整治工作，如铁道部为修建宝天 铁路而成立的坍方泥石流小组( 1 9 5 1 年) ，还进行了小江泥石流和东川铁路支线泥石 流的考察，勘察、，观测和整治工作。交通部为修建康藏公路( 今川藏公路) 对“鸽”冰 川( 古乡冰川泥石流) 进行的调查和观测工作( 1 9 5 3 年) 等。这些都是我国早期比较珍 贵的泥石流资料。 2 0 世纪6 0 年代 这一时期是我国泥石流发展的重要时期，除了铁路、公路、水保部门开展系统研 究外，还有冶金、水利、农林等其他行业和高等院校，中国科学院将泥石流研究作为 其研究领域之一。这是我国有规模、系统研究泥石流的开始。本阶段内较广泛的设立 了泥石流定点观测站，如西藏古乡、云南蒋家沟、浑水沟、甘肃的柳弯沟、火烧沟、 泥湾沟、大洪沟、元龙沟等。在四川峨嵋和甘肃兰州建立了试验基地，修建了泥石流 试验厅。同时结合工程建设，开展工程地段的泥石流考察，如成昆铁路的西昌一泸沽 段，金沙江航道云南境内段等，并引入了大批的前苏联泥石流书籍文献。这种多学科、 4 第一章研究概述 跨部门跨地区的综合研究，使研究工作蓬勃发展，并拍摄了“泥石流”电影，起到了 很好的科普和宣传作用，为泥石流研究奠定了良好基础。本阶段主要集中于泥石流性 质的研究，并结合工程实际解决重点工程方案。 2 0 世纪7 0 年代 本阶段为我国泥石流研究的发展时期，泥石流研究工作除继续已有的定点观测 外，还增加了如西藏的加马其美，四川的三滩等泥石流观测站，同时还开展了大量的 模型试验和室内力学试验。在理论上逐渐脱离前苏联的一些模式，形成中国式理论基 础。本阶段除进行重点沟谷的研究外，还开展了主要地区的泥石流普查工作，初步摸 清了全国泥石流分布的基本情况。这些工作包括西减泥石流普查，甘肃泥石流普查， 陇海铁路、甘川公路、成昆铁路的泥石流普查，北京西山、黑沙河、大盈江泥石流普 查及综合治理规划等。本阶段研究为我国泥石流的基本力学性质、防治工作设计参数 计算等方面奠定了基础，基本掌握了我国泥石流的分布规律。 2 0 世纪8 0 年代 自1 9 7 8 年全国科学大会之后，泥石流研究形成了第二高潮期，泥石流学术交流 和出版物大量增加，国际交流和合作扩大。全国有3 0 多家科研院所和1 0 0 多个生产 单位参加研究工作，先后召开了6 次全国性学术讨论会，1 0 余次省区的专题性会议， 在国内召开了近1 0 次国际学术讨论会，每年都有数部专著和近千篇论文发表，与日 本、美国等十余个国家进行了合作研究和交流。一大批泥石流科研成果和防治工程得 到国家的奖励。通过早期泥石流沉积物的研究，对泥石流发育历史和形成有了进一步 认识，使泥石流的继承性发育成为一个判别标准。另外在预测预警研究方面有较大进 展。国家重大工程的泥石流防治研究广泛开展：如三峡工程库区泥石流研究、三滩库 区泥石流研究、长江上游泥石流研究、攀西地区泥石流研究等，都取得重大成果，从 而使泥石流研究在国民经济发展中的作用加大，促进了泥石流研究和防治工作的开 展。同时还开展了防治规划，危险度区划等研究。这一阶段可以说学术上空前繁荣， 对国家建设的参与度有大幅增加。 2 0 世纪9 0 年代 进入2 0 世纪9 0 年代，人口剧增，资源枯竭和环境恶化，成为全球性重大问题， 由此导致的自然灾害有增无减，成为阻碍各国经济发展和居民安全的心腹大患。为此， 联合国4 2 届大会决定将2 0 世纪的最后1 0 年( 1 9 9 0 2 0 0 0 年) 定为“国际减轻自然灾 害十年”，通过一致的国际行动，以减轻由于自然灾害而产生的社会和经济的停滞。 在国际减灾十年计划的推动下，泥石流研究和防治工作由各部门和企业的行为变为由 第四纪泥fi 流沉积物地球化学分析 政府制订计划的社会行动，开展了大规模的泥石流整治计划。如长江上游滑坡泥石流 防治计划，并建立重点灾害区的预警系统，国家计委和国土资源部制定的地质灾害专 项防治计划等。研究建立适合中国国情的减灾示范工程模式，进步深化防灾规划和 区划的原理和方法，实现预定减灾3 0 的目标。加强了以保护城市安全为目标的泥石 流成灾和减灾研究，在国家城市防洪设计规范中列入了泥石流防治的条文；在城镇规 划中列入地质灾害防治的内容；在工程建设中增加了地质灾害危险性评估内容。这些 工作有力的促进泥石流在这些新的方向进行更深入的研究，并促进了基础研究工作的 发展，如泥石流编目和数据库的建立，以县为单位的防治区划和规划，规范和法规的 建立等。2 0 世纪9 0 年代还是泥石流及其地质灾害防治产业化的开始，专业性的设计 研究院的设立，促进了专业施工队伍和专业公司的建立。同时本阶段也是科研工作总 结的旺盛时期，数十册泥石流专著出版，为泥石流防治工作的发展打下了良好的基础 e 2 1 2 国内外泥石流研究内容 泥石流沉积物作为第四纪沉积物的一种类型，是在第四纪地质过程和特定的地质 环境中所形成的产物，泥石流沉积物是认识和说明一个地区第四纪时期岩石、地层、 古地理和地球化学问题的重要依据。泥石流沉积体中包含有它们形成的条件信息，这 些条件决定了泥石流沉积物中化学元素和化合物的分布。目前第四纪沉积物地球化学 研究，主要集中在黄土沉积、湖泊沉积、海洋沉积、河流沉积、冰川沉积、洞穴堆积、 风化壳等几种类型的沉积物中，泥石流沉积物作为第四纪的一种特殊沉积类型，物质 的风化、搬运及堆积过程中与其它类型的沉积物有很大差别。目前泥石流研究朝着内 容多样化和定量化方向发展，研究内容主要包括区域泥石流及泥石流发育环境的研 究、泥石流沉积学的研究、泥石流力学特征和运动过程研究以及泥石流发育史与环境 变迁研究，积累了有高度学术价值的研究成果。 1 。2 1 区域泥石流及泥石流发育环境的研究 区域泥石流以一定空间范围内的全部泥石流现象为研究对象。这个空间范围可以 是行政区划的，也可以是一个自然区域。通过对一定区域内泥石流现象的各种研究， 揭示泥石流在空间上的分布及发生、发展、演化和消亡的过程，最终为该地区泥石流 的预测预报及其治理服务口1 。 6 第一章研究概述 泥石流灾害受地质、地貌、水文、气象、土壤、植被等自然因素和人为因素综合 作用的控制，是山区地质环境和生态环境恶化的产物n 1 。泥石流发生的环境条件因子 有：流域内单位面积松散固体物质数量、岩石性质、地质构造、补给形式、补给位置、 流域面积、植被覆盖、山坡平均坡度、流域形态、沟床平均比降等晴1 。地质构造复杂、 岩体破碎、新构造运动活跃、地震频繁的地质条件，坡陡谷深、谷盆交错分布的地形 特征，降水集中、气温同较差大i 干燥少雨的气候特点，再加上人类不合理的开发活 动为泥石流的发育创造了良好的条件c 受其影响。，泥石流与断裂构造、地震活动、地 层岩性、岩石风化程度、暴雨强度及人类活动具有空间分布上一致性1 。 泥石流是爆发在山区小流域内的特殊地质灾害，流域地貌条件制约着泥石流的形 成和运动，影响着泥石流的发生和舰模，因此，可以根据流域地貌的发育阶段判断泥 石流的危险性。流域系统地貌信息熵理论是s t r a h l e r 面积一高程分析法与信息熵原理 的有机结合，是计算流域地貌发育阶段的定量方法。利用地貌系统信息熵值来判断泥 石流的发育程度，具有较好的客观性、可操作性和可靠性口1 。阮诗昆等( 2 0 0 7 ) 以曼家 寨铁矿区的泥石流为研究对象，借助g i s 的软件，运用a n s t r a h l e r 的面积一高程 分析法定量分析研究泥石流流域地貌演化阶段。结果表明，大部分发生在地貌发育的 壮年期阶段旧1 。 我国山区地质地貌条件复杂，有利于灾害的形成，道路沿线泥石流滑坡广泛分布， 活动频繁，危害严重。崔鹏等( 2 0 0 7 ) 从道路展线和路基条件等方面，分析了山区道路 特别是沿河道路的易损性；通过分析以往泥石流滑坡对公路、铁路的危害实例，总结 出山区道路泥石流滑坡的危害方式，主要有危害路基路面、冲毁道路桥梁、淤埋道路 设施、弯道超高和漫流改道、阻塞河道引发次生灾害等；分析了道路泥石流滑坡的活 动特征，发现道路泥石流滑坡的分布规律主要表现为地带性、集中性、地段性和坡向 差异性。这种认识能为山区道路工程建设和山区交通安全保障，提供减灾的背景资料 和科学依据。 泥石流是一种具有较强破坏力的自然山地灾害。对于它的预报研究历来为人们所 重视，并建立了很多雨量预报模型。然而，这些雨量预报模型的预报时间很短，往往 只能在灾害发生前几十分钟做出预报。戚国庆等应用非饱和土强度理论对降雨型泥石 流的成因机理进行了研究，提出降雨型泥石流的形成过程可以划分为2 个阶段：第一 个阶段与前期实效降雨量有关：第二个阶段与短历时强降雨有关。并对各个阶段降雨 作用机理以及固体松散物质的力学性质变化特征进行探讨。为预先判断在降雨条件 下，会不会发生泥石流以及所需要的降雨量和雨型提供依据n 阳。泥石流的临界降雨量 7 第四纪泥石流沉积物地球化学分析 是泥石流研究的重要内容，也是开展泥石流预报的关键技术3 。降雨是泥石流灾害的 主要诱发因素。白利平等根据北京市历史上泥石流灾害发生时的前期雨量与当同激发 雨量，建立了临界雨量判别模型。通过对北京地区泥石流灾害与降雨频率的分析，计 算了不同时段的临界雨量。基于灾害与降雨频率分析来确定北京地区泥石流发生的临 界雨量是一种新的尝试。该方法可用于计算不同泥石流沟道发生泥石流的临界雨量 【l2 j o 曹建文等以西藏贡觉县克西林沟泥石流为例，对该泥石流活动的3 个分区( 形成 区、流通区、堆积区) 的物质组成、几何特征进行归纳总结，对其成因从地形地貌、 地质构造、地层岩性、水文气象以及人类活动等方面进行分析，结果表明，强烈的新 构造运动和频繁的地震活动构成了该地区泥石流灾害发生的宏观地质条件；由古代冰 川剥蚀作用形成的冰蚀地貌，为泥石流的汇水、物质来源及流动提供了必要条件；成 土作用差，且沟坡陡峻水土流失严重，造成植被覆盖率低，为泥石流发生提供了生态 环境条件；集中的大量降雨以及由于强烈物理风化作用形成的大量碎屑物成为泥石流 的基本物质组成来源；盲目的人为活动加剧了泥石流的发生、发展及其危害程度。最 后对该地区泥石流灾害的预防治理，从其成因的角度提出了系列建议n 3 1 。 国外也有对泥石流的引发机制的研究4 1 ，对降雨诱导的泥石流模式的研究等等 n 5 1 。如j o n a t h a nw g o d t 等对由雷雨引起的阿尔卑斯山脉的泥石流做了观察研究n 引； d o n a t od h m b r o s i o 等通过最新的细胞自动机家族的六边形释放，即s c i d d i c as 一( 4 c ) 模型，来模拟了泥石流滑坡7 1 。 1 2 2 泥石流沉积学研究 泥石流具有极大的侵蚀、搬运和堆积作用。它能够在较小的流域范围内( 一般多 在几平方公里到3 0 平方公里) ，很短的时阃中( 一般多在几分钟至几小时) ，侵蚀、搬 运了数万方至数百万方的泥、砂、砾石和石块等大小混杂的物质：并堆积成各种各样 的泥石流地貌类型，如：泥石流扇、泥石流锥、泥石流侧积堤、泥石流垄岗、泥石流 漫滩、泥石流心滩、泥石流阶地等n 8 1 。 泥石流沉积物作为晚更新世一种特殊沉积类型，是在特定的地质过程和地理环境 中形成的。刘耕年等根据现代和古代泥石流沉积概括出3 类不同泥石流，稀性泥石流 ( 水石流) 、过渡型泥石流和粘性泥石流的宏观沉积构造特征。对上述3 类泥石流沉积 构造的形成机理作了探讨。初步建立用宏观构造现象组合识别泥石流类型的模式n 引。 8 第一章研究概述 崔之久等通过对泥石流沉积物剖面的结构、构造、粒度、层与层之间关系的分析， 共划分泥石流沉积为6 种类型或相即a 相粗砾泥石流层，a 相细砾泥石流层，b 相表 泥层，c 相冲刷层，d 相底泥层，e 相泥层。标准的泥石流相模式是从底层的泥层c 相 开始，往上为d 相、a 相、b 相。代表一次包含泥石流沉积及后期各个阶段动力过程的 沉积物瞳训。 沉积稳定浓度主要反映了泥石流固体物质的级配特点，它涉及到泥石流体的固体 颗粒的大小和排列状况。王玉章等利用这种浓度可确定泥石流体的粘滞系数、宾汉剪 切力以及与泥石流颗粒级配有关的其他参数，分析了泥石流体的沉积稳定浓度与颗粒 级配的理论关系，并用实验方法建立了它们的关系式心。 另外，泥石流沉积中有逆向粒级。逆向粒级通常包括：a 碎屑( 砂、砾、石块等) 含量向上递增；b 碎屑粒径向上加大、最大碎屑向上增多。任何泥石流沉积中逆向粒 级的成因解释都必须包括这两项内容晗引。 泥石流堆积物是泥石流发育历史及其特性的物质记录。杨相如等以国道2 12 沿线。 宕昌一武都段为例，通过对典型泥石流沟野外调查和资料分析，分粘性和稀性两种类 型，系统研究了泥石流堆积物的特征。结果表明：粘性泥石流冲积扇纵、横比降大， 细颗粒含量多，颗粒分选性和力学性质较差；稀性泥石流所形成冲积扇纵横比降小， 粗颗粒含量多，呈现一定分选性，力学性质较好。 国外对泥石流沉积的研究如对地震导致的暂时性沉积结构的研究位引，新几内亚 m a r k h a m 山谷的粗颗粒冲积扇沉积的研究阳引，泥石流蔓延与沉积模型的构建等等3 。 1 2 3 泥石流力学特征和运动过程研究 1 9 8 4 年，钱宁等对泥石流豫东机理作了初步探讨，解释了物体在泥沙悬浮液中 所承受的浮力，指出了泥石流中粗大颗粒的运动规律，粒径频率分布的双峰现象，得 出了泥石流运动的物理图形乜7 j 。此后泥石流的运动机理研究逐步多样化与定量化。如 崔鹏对泥石流启动条件及机理进行了实验研究。指出泥石流从沟道上游初始起动时， 规模不大，破坏力不强，而是在其流动过程中，通过侵蚀，裹挟沿途沟道中的松散固 体物质，才发展成灾害性泥石流。如果能调节和控制泥石流的起动条件，使之不产生 起动，就可以达到泥石流灾害治理的实效，泥石流起动机理和起动条件的研究，是解 决上述问题的前提，同时也是建立泥石流预测预报方法的理论基础啪1 。陈晓清对滑坡 转化为泥石流起动机理作了研究，处于泥石流起动理论和滑坡动力学的交叉部，是当 9 第四纪泥彳i 流沉积物地球化学分析 前泥石流学科的前沿性基础理论问题，开展此项研究不仅具有科学理论上的价值，更 具有很大的应用价值，它对推进泥石流的预测预报理论与技术，具有特别重要的意义 c 四】 o 我国位于泥石流沟岸的公路里程累计8 0 0k m 左右。沟岸冲蚀是公路泥石流研究 的主要方面之一，是泥石流冲蚀能、岸坡抗蚀能耦合作用的表像。陈洪凯等应用地貌 学方法将泥石流沟岸冲蚀演绎过程分为4 个阶段：即冲蚀槽形成阶段、泥石流顶托 底部拉裂阶段、自重顶部拉裂变形阶段和坍塌阶段，并运用动力学方法建立了悬臂体 系的纵向振动位移方程，对护岸结构关键技术进行了探讨m 3 。 国外也对泥石流运动机理进行着大量研究。如对泥石流的流动性研究d ，滑坡岩 屑的膨胀紧缩向泥石流的转化口2 ，等等。 另外，泥石流与主河交汇问题是流体运动研究领域的一个新课题。它研究不同流 体汇流产生的相互作用，处于牛顿流体运动研究和非牛顿流运动研究的交叉点。饱含 大量泥沙石块的泥石流进入主河，往往会堵断河流，淹没上游农田、铁路、公路等沿 河建筑物，造成大范围危害。另一方面，泥沙石块在河道中的堆积，控制着入汇口附 近的水沙交互作用和河床形态变化，变迁型河段对公路、铁路的危害是全局范围的口引。 胡健嘲1 在研究汇流部泥石流的特性和淤积过程时，将主河简化为无水流、有水流、有 泥石流三种情况，分别研究汇流区的泥石流龙头运动的影n 向范围和堆积形态。匡尚富 根据泥石流在汇流部的淤积状况，将其特性大致分为如下3 种类型：1 泥石流的泥沙 全部停积在汇流部；2 支沟泥石流进入汇流部后，部分泥沙淤积在汇流部而继续流向 下游；3 支沟泥石流在汇流部不发生淤积而通过汇流部流向下游口5 1 。另外他曾深入地 探讨斜面崩塌引起的天然坝的形成机理以及天然坝的溃决过程。从崩塌土体运动及到 达距离的角度，探讨了崩塌土体堵塞河道形成天然坝的必要条件，并提出了找出有可 能形成天然坝河段的方法。然后针对横断面可近似于矩形的l b 地窄深河道，探讨了其 天然坝形成的机理及其天然坝纵断形状的计算模型。通过水槽试验结果与计算结果之 比较证明了该计算模型是合理的。使用该计算方法并根据崩塌规模( 崩塌土量，崩塌 宽等) 能简单地计算出天然坝的最大高度及坝基长等纵断形状参数。为预测天然坝溃 坝所形成的洪水，泥石流规模打下了基础m 1 。陈德明对泥石流与主河水流交汇机理及 其河床响应特征进行了实验研究，成功地模拟了汇流角分别为9 0 。、6 0 。和3 0 。的 交汇及河床响应过程。通过实验发现了泥石流与主河水流相互作用的四种模式，水流 对泥石流堆积体冲刷的三种模式以及一种相似的冲刷平衡模式；分析得到了泥石流的 堵河判别式；不同主支流流量比对交汇时泥石流沉积地形的影响，不同汇流角对交汇 l o 第一章研究概述 的影响参数以及泥石流与主河水流的交汇机理。然后，在实验的基础上，建立起泥石 流单一沉积以及泥石流与主河水流相互作用的前三种模式的动力学方程组，进而分析 得到了它们各自的理论解m 3 。 1 2 4 泥石流发育史与环境变迁研究 泥石流具有淤埋、冲毁、冲刷、漫流、磨蚀、直进等特性，其堵河成湖、堵河溃 冲、淤积成扇、垫高河床、改造地貌、改变生态系统等都是逼使坏境在新的起点上进 行演变。泥石流作用过程的巨量输沙、快速沉积和堆积地貌( 多为扇形地) 都是可以 利用的m 1 。 赵尚学等依据泥石流发育历史、地质地貌及降水等条件，对西和县泥石流的分布、 成因以及发展趋势等进行了初步分析。指出西和县泥石流沿构造带、随岩性变化和人 为破坏植被的地区分布，由此推断了泥石流的成因，探讨了泥石流形成与地形、固体 物质储量、水源及新构造作用的关系，并得出了该县泥石流发展的趋势啪1 。 王建力等根据黄土一古土壤沉积序列研究和野外考察资料并结合放射性1 4c 测 年，初步确定嘉陵江上游白龙江流域全新世泥石流共分三期，时代分别为一7 0 0 0 6 0 0 0 a b p 、4 0 0 0 a b p 和2 0 0 0 a b p 。研究表明，泥石流频繁爆发于古气候山寒冷向温暖转 换的波动时期h 引。 1 2 5 泥石流危害评估研究 我国是世界上记录灾害最悠久、史料最丰富的国家。新中国成立后，国家特别重 视减灾工作，为了有效地防灾、救灾，特别加强了灾情调查评估1 ，并取得了显著成 绩。但由于历史局限，早期的灾情研究主要局限于灾害事件现象和破坏损失情况统计 描述。近年来，在国家支持下，有关部门先后进行了1 0 0 多项泥石流、滑坡等重大地 质灾害的专门勘察工作。在灾害勘察、研究项目中，越来越深入地开展了灾害灾情评 估工作。同时，不少专家对自然灾害评估理论和方法进行了日益深入的探讨和总结。 例如，于光远在1 9 8 7 年全国灾害经济学讨论会上，对自然灾害经济理论进行了阐述， 提出灾害经济学属于守业经济学，减灾的经济效果表现为负负得正的经济效益马宗晋 等h 2 1 根据我国自然灾害情况于1 9 8 8 年提出了用“灾度 表示自然灾害破坏损失规模 的意见；黄崇福等( 1 9 9 4 ) n 3 1 提出了自然灾害风险评价的模型体系；李永善m 1 、张显东 “引、于庆东m 3 、罗云h 7 1 等分别对自然灾害经济损失、防治工程效益等评价方法进行了 第四纪泥彳i 流沉积物地球化学分析 探讨。 近年来，国内学者运用相关的理论和方法对灾害灾情评估做了不少实际的工作。 例如，刘希林等明根据大量调查统计资料，提出了判断泥石流危险程度和评估泥石流 泛滥堆积范围的方法；张业成等( 1 9 9 5 ) 心鲫和金晓媚等( 1 9 9 9 ) 咖3 先后对各自所研究区进 行了危险性评价、易损性评价、破坏损失评价、防治工程评价，然后在此基础上对灾 害区进行总的灾情评估；姚运生( 1 9 9 5 ) 晴应用灾害评价模型：s d i = l r i j ( s d i ：区域 滑坡灾害综合指数；l ：区域社会经济水平指数；r ：滑坡影响范围系数；i j ：滑坡灾害 强度指数对湖北巴东县和湖北秭归县的鸡鸣寺滑坡进行- r 滑坡灾害经济学评价；唐川 等( 2 0 0 0 ) 肺纠通过对云南省滑坡泥石流灾害资料的收集和调研，建立了人员伤亡、房屋 破坏、基础设施破坏和农业损失的评价指标体系，提出了调查、统计、评估和核查等 滑坡泥石流灾害综合评估方法；崔鹏等( 2 0 0 1 ) 5 钔在泥石流灾情网络分析结果的基础 上，建立了评估指标体系的结构层次模型，进而对各类灾情评估指标进行了分析，确 定出评价泥石流灾情的具体指标和因子，建立了泥石流灾情评估指标体系，并于2 0 0 2 年应用该指标体系建立了绝对评估和相对评估结果对比的灾情综合评估模式；崔鹏等 ( 2 0 0 2 ) 晴朝通过探讨旅游区泥石流灾情评估的特点，在分析泥石流灾害对风景旅游区资 源、经济和生态影响的基础上，建立起评估指标结构模型，进而确定出评估风景旅游 区泥石流灾情的指标和标准，然后通过确定各项指标等级和相应的权值计算泥石流灾 情综合灾度从而获得风景旅游区泥石流灾情评估结果。 总的来说，经过多年的发展，我国自然灾害灾情评估在理论和实践方面都取得了 较为丰富的成果，同世界同类研究相比，许多内容居国际领先水平。但目前该领域尚 未形成系统完善的理论，对于泥石流灾情评估的研究方法不多，研究结果的精度不高， 为了能充分应用于实际工作，还有待该研究进一步的发展。另外，对于灾情评估的研 究，目前国内多集中于灾情发生后的灾害损失评估，而对灾害的预评估研究还不多。 国外泥石流危害评估：2 0 世纪6 0 年代以前，对于灾害的研究主要限于灾害机理 及预测研究，重点调查分析灾害形成条件与活动过程。7 0 年代以后，随着自然灾害 破坏损失的急剧增加，促使人类把减灾工作提高到前所未有的程度。在一些发达国家， 首先拓宽了灾害研究领域，在继续深入研究灾害机理的同时，开始进行灾害评估工作。 美国于1 9 6 9 年首先对加州的地震、滑坡等1 0 种自然灾害进行了风险评估。与此同时， 美国的一个多学科专家小组开展了自然灾害风险评价和减灾政策研究。其目的是提高 对自然灾害危害水平的认识，探讨各种减灾政策的有效性，分析减灾政策制定体系的 各种制约因素。1 9 8 9 年，美国制定了减灾十年计划，该计划把自然灾害评估列为研 1 2 第一章研究概述 究的重要内容。 日本、英国等一些国家则进行了泥石流灾害评估，并且在有关的减灾法规中强调 灾情调查、统计、评价以及据此确定的减灾责任与救灾措施。 目前国际上在灾情评估领域中主要侧重于对灾害的风险评估，其评估内容与结果 是灾情评估的重要组成部分。有关自然灾害的风险定义多种多样。联合国人道主义事 务部( u n d h a ) 于1 9 9 1 年和1 9 9 2 年两次正式公布了自然灾害风险的定义：“风险足在一 定区域和给定时段内，由于某一自然灾害而引起的人们生命财产和经济活动的期望损 失值m 57 i 。这一定义已得到了国内外许多学者和国际组织机构的认同汹 6 。 总的来说，国际上对于灾情评估的系统研究并不多，涉及到该领域的研究主要集 中在对灾害的风险评估这一部分，但所提出的灾害风险评估的理论和表达式对于灾情 预评估的研究奠定了基础。 第二章研究| 又：概况 2 1 云南小江流域 第二章研究区概况 云南小江流域位于云南省东南部，东经1 0 3 。3 27 1 0 4 。0 07 ，北纬2 4 。1 2 7 一- - 2 4 。4 5 ，面积约1 0 3 0 k m 2 。行政区划属红河哈尼族彝族自治州的泸西县，包括中 枢、白水镇、三塘、向阳、永宁乡共5 个乡镇；东北部小部分属师宗县，西南部属于 弥勒县(