地震触发崩塌滑坡自组织临界性及其判据

汶川地震触发了大量崩塌滑坡。这些规模差异巨大的现象之间是否存在着确定的分布规律、地震以何种方式影响斜坡系统动力学以及在何种情况下将起主导作用？这些都是亟待解决的深层次科学问题。项目在自组织临界状态（SOC）的概念下提出假设：SOC是斜坡系统的内禀属性，地震对系统可能体现为两种不同的物理作用，一般情况地震是影响山体稳定的外在诱因，当地震造成明显山地隆升时就转化为使系统能量积累的快驱动。拟通过震区考察和多元遥感影像判识，确定不同烈度区地震触发崩塌滑坡规模的分布规律；通过振动台实验重现沙堆模型随地震扰动加强动力学演变过程；藉SOC必须满足的慢驱动条件，通过汶川地震大地形变场的分析，结合元胞自动机数值模拟，揭示地震转化为快驱动时斜坡系统SOC运行机制破坏的机理；从而验证以上假设并建立斜坡体现SOC行为的判据。全新的认识可为地震触发崩塌滑坡灾势评估提供普适性的概型，使我国在此领域取得独创性的突破。

“5.12”汶川大地震触发了大量同震崩塌滑坡灾害。但目前对地震作用下斜坡系统动力学总体特征，如“规模差异巨大的灾害之间是否存在着确定的分布规律？地震以何种方式影响斜坡系统动力学以及在何种情况下将起主导作用？”等整体理论问题缺乏认识。项目试图在自组织临界状态理论的概念框架下回答这些基本科学问题。.主要研究内容为：1.汶川地震触发崩塌滑坡分布规律的调研；2.地震动力扰动作用下的沙堆模型振动台实验；3.基于慢驱动原理的斜坡系统SOC运行机制研究。.首先基于戴维斯地貌发育理论，提出处于地貌发育阶段幼年晚期的河谷及壮年期的山地具有SOC的内禀基本属性，并建立了基于斯特拉勒积分的大流域地貌发育阶段判别方法。然后通过元胞自动机模拟实验、振动台沙堆模型实验，结合汶川、芦山地震实震资料的比对，提出Ⅶ度-Ⅷ度-Ⅸ度烈度区，崩塌滑坡规模与出现频率之间的关系均可用幂律描述，灾害点的密度是反映它们差异的主要指标；Ⅸ度-X度-Ⅺ度烈度区，地震触发崩塌滑坡的整体规律将依次经历幂律—幂律弱化—对数正态分布的演变过程。初步建立了从Ⅶ度到Ⅺ度烈度区地震触发崩塌滑坡总体特征的完整表征体系。.针对随扰动强度增加，斜坡系统动力学演变的现象开展数理分析。从数学角度，发现概型的转变与变异系数有关，变异系数从大到小变化时，会导致概率密度按照从幂律分布-对数正态分布-正态分布的趋势转变。基于SOC的物理定义，对沙堆实验颗粒行为进行分析，发现随扰动强度增加，颗粒行为可分为三种模式：①自组织状态模式，即沙堆表面发生点源启动，表明沙堆崩塌动力过程受制于系统的自组织作用；②过渡模式，即沙堆表面同时发生点源启动和局部面源启动，表明沙堆崩塌动力过程同时受到自组织和强制力控制作用；③强制力控制模式，即每次实验沙堆表面均发生面源启动，表明沙堆崩塌动力过程趋于完全受地震驱动力控制。综上，颗粒失稳由相互作用占主导地位，向在振动驱动下各自独立下落的状态转化，是导致变异系数减小的物理机制，而这种物理过程的变化是造成沙堆模型统计特性转变的原因。该认识为不同地震烈度区地震触发崩塌滑坡规模整体分布规律演变的机理，提供了诠释。.通过快速倾斜底板的方式，模拟快驱动条件下的沙堆动力过程，发现落沙规模与发生频率服从对数正态分布。据此提出，汶川地震时地表快速隆升区，地震触发崩塌滑坡呈现对数正态分布的现象，可能是系统运行机制发生转变（快驱动机制）的效应。