地震觸發崩塌滑坡自組織臨界性及其判據

《地震觸發崩塌滑坡自組織臨界性及其判據》是依託西南交通大學，由姚令侃擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：地震觸發崩塌滑坡自組織臨界性及其判據
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：姚令侃
• 依託單位：西南交通大學

項目摘要

汶川地震觸發了大量崩塌滑坡。這些規模差異巨大的現象之間是否存在著確定的分布規律、地震以何種方式影響斜坡系統動力學以及在何種情況下將起主導作用？這些都是亟待解決的深層次科學問題。項目在自組織臨界狀態（SOC）的概念下提出假設：SOC是斜坡系統的內稟屬性，地震對系統可能體現為兩種不同的物理作用，一般情況地震是影響山體穩定的外在誘因，當地震造成明顯山地隆升時就轉化為使系統能量積累的快驅動。擬通過震區考察和多元遙感影像判識，確定不同烈度區地震觸發崩塌滑坡規模的分布規律；通過振動台實驗重現沙堆模型隨地震擾動加強動力學演變過程；藉SOC必須滿足的慢驅動條件，通過汶川地震大地形變場的分析，結合元胞自動機數值模擬，揭示地震轉化為快驅動時斜坡系統SOC運行機制破壞的機理；從而驗證以上假設並建立斜坡體現SOC行為的判據。全新的認識可為地震觸發崩塌滑坡災勢評估提供普適性的概型，使我國在此領域取得獨創性的突破。

結題摘要

“5.12”汶川大地震觸發了大量同震崩塌滑坡災害。但目前對地震作用下斜坡系統動力學總體特徵，如“規模差異巨大的災害之間是否存在著確定的分布規律？地震以何種方式影響斜坡系統動力學以及在何種情況下將起主導作用？”等整體理論問題缺乏認識。項目試圖在自組織臨界狀態理論的概念框架下回答這些基本科學問題。 主要研究內容為：1.汶川地震觸發崩塌滑坡分布規律的調研；2.地震動力擾動作用下的沙堆模型振動台實驗；3.基於慢驅動原理的斜坡系統SOC運行機制研究。 首先基於戴維斯地貌發育理論，提出處於地貌發育階段幼年晚期的河谷及壯年期的山地具有SOC的內稟基本屬性，並建立了基於斯特拉勒積分的大流域地貌發育階段判別方法。然後通過元胞自動機模擬實驗、振動台沙堆模型實驗，結合汶川、蘆山地震實震資料的比對，提出Ⅶ度-Ⅷ度-Ⅸ度烈度區，崩塌滑坡規模與出現頻率之間的關係均可用冪律描述，災害點的密度是反映它們差異的主要指標；Ⅸ度-X度-Ⅺ度烈度區，地震觸發崩塌滑坡的整體規律將依次經歷冪律—冪律弱化—對數常態分配的演變過程。初步建立了從Ⅶ度到Ⅺ度烈度區地震觸發崩塌滑坡總體特徵的完整表征體系。 針對隨擾動強度增加，斜坡系統動力學演變的現象開展數理分析。從數學角度，發現概型的轉變與變異係數有關，變異係數從大到小變化時，會導致機率密度按照從冪律分布-對數常態分配-常態分配的趨勢轉變。基於SOC的物理定義，對沙堆實驗顆粒行為進行分析，發現隨擾動強度增加，顆粒行為可分為三種模式：①自組織狀態模式，即沙堆表面發生點源啟動，表明沙堆崩塌動力過程受制於系統的自組織作用；②過渡模式，即沙堆表面同時發生點源啟動和局部面源啟動，表明沙堆崩塌動力過程同時受到自組織和強制力控制作用；③強制力控制模式，即每次實驗沙堆表面均發生面源啟動，表明沙堆崩塌動力過程趨於完全受地震驅動力控制。綜上，顆粒失穩由相互作用占主導地位，向在振動驅動下各自獨立下落的狀態轉化，是導致變異係數減小的物理機制，而這種物理過程的變化是造成沙堆模型統計特性轉變的原因。該認識為不同地震烈度區地震觸發崩塌滑坡規模整體分布規律演變的機理，提供了詮釋。 通過快速傾斜底板的方式，模擬快驅動條件下的沙堆動力過程，發現落沙規模與發生頻率服從對數常態分配。據此提出，汶川地震時地錶快速隆升區，地震觸發崩塌滑坡呈現對數常態分配的現象，可能是系統運行機制發生轉變（快驅動機制）的效應。