在高山峽谷區，巖體滑坡對地表侵蝕、化學風化、水文過程、碳迴圈和地貌演化等過程起著重要作用。同時，巖體滑坡，尤其是大型巖崩，是一種嚴重的自然災害，威脅著人類生命財產的安全，並對基礎設施造成嚴重破壞。因此，為了更好地量化滑坡引發的物質流動和減輕滑坡危害，巖體滑坡規模的控制要素一直是地球科學及工程減災領域的研究難點和熱點問題。
已有的研究表明，與滑坡規模相關的滑坡面積、深度和寬度等指標呈現冪律分佈的特徵，表現出滑坡面積越大，破壞深度越深和破壞寬度越寬，且滑坡的規模與基岩的巖體強度相關（Larsen et. al, 2010）。而其他的研究揭示，基岩的岩土體強度主要受結構面和風化作用的影響，因此以上兩個因素也可能是控制巖質滑坡規模的主要因素（Clarke and Burbank, 2010）。
理論和觀測研究表明，由於構造和重力場對地形擾動，地下基岩的結構面分布存在顯著差異。這些研究表明，地形應力場隨構造應力的大小和方向、重力應力和地形形狀的變化而變化，從而影響基岩地下結構面發育的水平和垂直範圍。這些張開結構面影響著地質體的各種物理和化學風化過程，並控制了風化基岩的底部邊界。因此，這些受到地形應力控制的張開結構面的範圍對基岩滑坡的發生提供約束，並控制基岩的岩土體強度，從而限制基岩滑坡的規模。然而，由於在區域空間尺度上表徵這些結構面的難度，對以上的相關研究仍然是空白。
美國加州大學洛杉磯分校的Gen K. Li及其合作者Seulgi Moon（Li and Moon, 2021）的研究表明，地形應力（Topographic stress）是構造應力和地形相互作用的結果，它和斷裂、風化作用協同調節地表岩土體的強度，從而控制不同規模基岩滑坡發生。
作者選取青藏高原東緣的龍門山區作為研究區，該區域地形陡峭、季風作用和地震活動頻繁導致滑坡密集分佈，在龍門中部選取了總面積為525km2的研究區域（圖1）。並依據0.5m解析度的衛星影象，分別建立2008年Mw7.9級汶川地震主震和餘震期間的地震滑坡編目，以及汶川地震前降雨觸發的滑坡編目。作者選取了編目中滑坡物源面積20000m2以上的巖質滑坡982個，其中由降雨型滑坡121個，地震滑坡861個。
圖1 研究區基本資訊圖（Li and Moon, 2021）。（a）研究區地貌位置圖；（b）研究區地質構造圖；（c）研究區高程圖；（d）研究區滑坡分佈圖；（e）研究區斷裂傾向等級圖
考慮構造和重力場對地形應力場的影響，作者使用三維邊界元程式碼Poly3D（Clair et.al, 2015）模擬了研究區地下應力場（圖1e），構造應力場的資料來源於收集的水力壓裂的資料。進而得到了研究區的主應力（第一壓應力（σmcs）、第二壓應力（σics）和第三壓應力（σlcs））的大小和方向，並計算了用來表示巖體破裂面傾向的2個指標，分別為破裂傾向（FP）和σlcs，分別代表產生或重新啟用剪下型和張開型結構面的傾向。FP由（σmcs- σlcs）/（σmcs+ σlcs）計算得到。
作者繪製了500m深度FP （FP500m）、500m深度最小壓應力（LCS500m）和σlcs=10MPa（D10MPa）的空間分佈圖（圖2b-圖2d），從而推斷出結構面發育的水平和垂直範圍。指標FP和σlcs顯示在研究區地貌近地表發生了水平方向上的顯著變化（圖2）。基於高的FP500m值，低的LCS500m值和深D10MPa值，推斷深部張開結構面發育在山脊區，而淺的張開結構面發育在山谷區 （圖2b-d）。隨著深度的增加，FP減小，σlcs增加（圖2d-f）。FP500m與FP1000m和FP1500m均呈正相關，但與FP1500m的相關性較小（圖2g）。這證實了近地表地形擾動對應力場的影響較大，且隨深度增加而減小（圖2h-圖2i）。根據研究區域的面積和模擬時間，作者選用500m深度處應力代表的平均值和最大值，並與實測的巖質滑坡尺寸進行了比較。
圖2 應力模型結果圖（Li and Moon, 2021）
作者對982個基岩滑坡的面積與地形應力誘發的張開結構面的分佈進行了對比研究，得到以下關鍵結果：
（1）在地震和降水誘發的滑坡中，基岩滑坡面積上限與FP500m（FPmax）的最大值存在較強的正相關關係；這種相關性優於弱相關性，但具有統計學意義，FP500m的平均值和最大值與所有基岩滑坡的物源區呈正相關（r = 0.17-0.35, P < 0.001）（圖3，灰色圈）。FPmax值與張開結構面的最大範圍或滑坡內產生剪下斷裂的最高可能性相對應。為了確定給定FPmax範圍內的滑坡面積上限，作者首先從滑坡面積的90、95和100百分位數中測量巖質滑坡面積的前10%。作者發現FPmax與滑坡面積和寬度的第95百分位有很強的正相關（r = 0.75-0.92，P < 0.01）（圖4）。這些強相關性對定義巖質滑坡的區域選擇和環境應力條件的估計不確定性都不敏感。等壓力指標LCS500m的最小值和最大值的D10MPa也顯著表現與滑坡面積的第95百分位的相關性。雖然作者在此分析中關注的是前10%，但作者發現， FPmax與巖質滑坡規模的上20%之間也有良好的相關性。這意味著，張開結構main的範圍為大型巖質滑坡規模的上限提供了一個強有力的預測指標。
（2）觀測到的地震和降水誘發滑坡的滑坡面積與FPmax之間的關係很大程度上重疊（圖3）。這一結果表明，地形應力對滑坡尺寸上限的控制，可能是透過調節壓裂和風化的材料強度來實現的，並獨立於滑坡觸發機制。當FPmax超過~0.4時，降水誘發的滑坡往往比地震誘發的滑坡更大。在比汶川地震（2008年5月12日）更溼潤的時期，降水誘發的山體滑坡更容易發生。在這種情況下，較深的張開結構面可能會使地下水滲流更深，孔隙壓力增加，FPmax更高，從而產生更大的滑坡。
（3）滑坡面積與FPmax的相關性強於FP500m的均值（圖3）。這可能表明，地下最薄弱的部分，無論是來自張開結構面最大深度還是張開結構面最密集的部分，對滑坡規模影響較大，而對平均滑坡規模影響較小。這與之前的實驗研究結果一致，即物質的非均勻性（如斷裂或層理的軟弱層）影響著大型滑坡的尺寸分佈。
在進一步的研究中，作者研究了滑坡規模上限的其他潛在控制，包括地形指標（即梯度、區域性地形、平均負曲率、高程和從滑坡後壁到溝道的距離等指標），地震震動指標（即峰值地面加速度（PGA）），降水相關的指標（即平均年降水量和90個百分位數的降水強度）和斜坡不穩定性指標，同時考慮了地形坡度和地下水文。作者發現，這些因素與巖質滑坡規模上限之間的相關性不如應力指標的相關性強（圖4和5）。與應力指標相比，這些因子（如地震誘發滑坡的坡度和PGA，降水誘發滑坡的海拔）與滑坡規模中位數或滑坡面密度的相關性更好。這些不同的相關性可能表明滑坡的大小和麵密度可能受不同因素的控制。
圖3 不同型別巖質滑坡物源區面積與FP面積對比（Li and Moon, 2021）
圖4 滑坡面積與地形指標的關係（Li and Moon, 2021）
研究結果表明，地形應力誘發的地下張開結構面的範圍影響著青藏高原東部陡峭山區大型基岩滑坡的規模。這些發現對於地震和降水引起的滑坡都是相近的。隨著基岩的剝蝕，由於地形擾動等地表條件對應力場的影響，結構面開始張開。基岩的張開斷裂進一步促進流體滲透到地下並流通，增強物理和化學風化過程，如凍裂和運移。此外，近地表環境條件變化引起的亞臨界裂紋擴充套件可能會增強斷裂的張開。雖然可能有多種機制在起作用，但作者的研究首次表明，由地形應力引起的深部張開結構面的範圍決定了基岩滑坡可達到的最大規模和深度。
雖然作者揭示了滑坡面積和應力指標之間的強相關性，但作者也發現了滑坡面積和其他地形指標之間的相關性，如坡度，高程和到河道的距離（圖4）。由於地形參與地下應力擾動、斜坡穩定性和地震放大，因此存在適度的空間協變（圖4，圖6），這些相關性在一定程度上是可以預料到的。例如，曲率較負或高程較高的地形（山脊區域） 由於更大的地形擾動和地震震動的放大，可能有更深的結構面張開。作者發現FPmax和其他控制之間存在一定程度的協同關係（圖6）。大多數大型基岩滑坡（後壁面積> 40000 > 100000m2）發生在FPmax超過0.4，高於基於所有滑坡的FPmax和其他控制之間的線性擬合（圖5）。這些結果表明，即使在大範圍的共變控制下，FPmax對滑坡震級的影響也是明顯的。
地震誘發滑坡的面積密度與坡度（r = 0.56, P < 0.001）和PGA （r = 0.47, P < 0.001）具有良好的相關性，與前人的研究結果一致。然而，應力指標與滑坡面密度之間沒有正相關關係，儘管應力指標比任何地形、地震和降水控制更好地解釋了滑坡的規模（圖4，圖5）。考慮到這些發現，作者假設地形誘發結構面對降雨和地震引發的巖質滑坡的震級具有強的正控制作用，而其他控制因素可能對滑坡的發生有更大的影響。作者推測地形誘發結構面可能會降低深層地質體強度，促進深層地下水在山坡中的滲流，並在坡腳附近誘發區域性地下水流動。這些效應可能有助於促進更深層和更大的滑坡破壞，為作者觀測到的地形應力對基岩滑坡規模的控制而不是滑坡面積密度的控制提供了一個合理的解釋。
圖5 巖質滑坡物源區與地震和降水控制的比較（Li and Moon, 2021）
圖6 FPmax與其他潛在控制的條件比較（Li and Moon, 2021）
總的來說，作者的發現揭示了地表和地下構造應力、地形、結構面和侵蝕之間的聯絡。地形誘發的基岩裂隙不僅是控制滑坡規模的關鍵因素，而且在構造活動區誘發地表和地下過程之間的反饋機制。作者的方法可以應用於其他具有不同環境條件的滑坡易發環境，以評估地形應力對滑坡規模的控制。未來的研究將比較不同構造地區的地面測量資料和基岩物質屬性，包括斷裂模式和程度，從而進一步解決導致滑坡發生和震級的因素。
主要參考文獻（上下滑動檢視）
Clair J S, Moon S, Holbrook W S, et al. Geophysical imaging reveals topographic stress control of bedrock weathering[J]. Science, 2015, 350（6260）: 534-538.
Clarke B A, Burbank D W. Bedrock fracturing, threshold hillslopes, and limits to the magnitude of bedrock landslides[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2010, 297（3-4）: 577-586.
Li G K, Moon S. Topographic stress control on bedrock landslide size[J]. Nature Geoscience, 2021, 14: 307-313. （原文連結）
Larsen I J, Montgomery D R, Korup O. Landslide erosion controlled by hillslope material[J]. Nature Geoscience, 2010, 3（4）: 247-251.
撰稿：祁生文/頁岩氣與工程室
美編：陳菲菲
校對：周星星 劉淇郡
