滑坡水文地球化学研究综述.doc

本文的目的是对水文地球化学信息在滑坡研究中的应用潜力做一个综合的评述，并分析水文地球化学信息对认识滑坡诱发因素中的水文过程的作用。众所周知，滑坡研究常常缺乏资料，尤其是在水文地质条件非均质并且难以测量的情况下。本文分析了水文地球化学作用对土坡和岩坡物理性质的影响，如与变形率的关系，与土体的孔隙水组成和残余抗剪强度的关系。此外，本文还着眼于可获得的地下信息，如地下结构的地质信息，水来源的水文信息，流程和流动时间（利用同位素分析）。在硬岩和软岩中利用的水化学信息能够揭示水质类型，这对确定不同含水层对滑坡区的作用很有帮助。而且，根据地质调查，可以揭示地表不可见的岩性和构造。基于动力学的模拟对解释水文地球化学信息是非常有用的。最后，源于钻芯取样的化学信息（如阳离子交换特性）也有助于滑坡的水文解释。一、前言需要进一步认识诱发自然灾害的机理，以应对社会面临的日益增加的自然灾害风险。土地所承受的人口增长和经济发展压力导致了更多灾害风险（如滑坡）的出现。预防、减灾和预警系统已成为工程实践中越来越重要的部分。为了满足这些社会需求，自然灾害的研究重点将放在新技术研发上，或利用现有技术建立新方法（如监测的新方法）。化学信息是新信息源之一，正得到越来越多的关注。本文的目的是对水文地球化学在滑坡研究中的应用现状进行分类并加以阐述。在边坡稳定性研究中，地下水位上升通常是边坡失稳的关键因素。地下水位升高引起孔隙水压力的升高，从而降低边坡的内部强度。但是在丘陵和山区，常常缺乏地下水的相关资料。大的滑坡系统的水文地质背景通常都十分复杂（Lindenmaier等，2005；Malet，2003；Tullen等，2002；Bogaard等，2000），水的流动通道变化莫测。在块体运动分析中，滑坡活动通常与降雨记录直接相关。在较少情况下，存在其它原因，如孔隙水压力的空间分布，它对解释块体运动行为的局部变化非常重要（Anson和Hawkins，2002）。有限的研究表明，确认滑坡体内水的来源、年龄和流动过程是可能的（de Montety等，2007）。这样有助于认识滑坡过程并提出减灾措施。一些研究显示了除直接入渗到滑坡区的的局部降雨外，水对滑坡区的重要性。例如，Lindenmaier等人（2005）综合利用野外技术和2D模拟进行的研究表明，存在一个入渗区，其中的水压传递到邻近的不稳定区，这是显示汇水区和“受影响的”不稳定区差别的一个很好的例子。Miko等人（2004）利用示踪剂来确定泥石流的触发因素。他们成功利用了18O和氚，指出局部的自流压力是由滑坡斜坡体赋存的两年前的地下水溢出造成的。水化学也包含了地下结构的信息，可用来了解地下的岩性和构造（Guglielmi等，2000，2002；Binet等，2007）。但是，水流、地下结构和水文地球化学作用之间复杂的相互依赖关系难以解释。这个问题的另一个方面是土壤化学成分和孔隙水组成与土壤物理性质的关系。Anson和Hawkins（2002）在英国Bath附近的Sopers Wood滑坡研究中，假定水文地球化学作用把粘土矿物从伊利石变成伊利石-蒙脱石。而且他们还认为剪切强度的季节变化是由于沿着滑动面的矿物分解和沉淀的季节变化造成的。此外，Moore和Brunsden（1996）描述了生化作用对Worbarrow沿海泥流的影响。众所周知，孔隙水组成会影响所谓敏感粘土的强度（Torrance，1996，对不同沉积物中敏感粘土的回顾）。此外，咸淡孔隙水之间的差异也已进行了详细的研究（Anson和Hawkins，1998，孔隙水化学性质对残余剪切强度影响的综述）。另外还涉及到风化作用和潜在滑动物质的影响。为什么一个斜坡能够数十年保持稳定，却在一个相对正常的雨季（例如重现期为10年）突然失稳？换句话说，这一平均降雨事件触发滑坡的原因是什么？可不可以认为是正在变化的物理性质造成的？本文的目的是对水文地球化学在滑坡研究中的不同应用进行回顾和总结，并试图回答这样一个问题：“水文地球化学能为滑坡研究做什么？”涉猎范围从泥流到岩崩，从源区的水文边界到孔隙水组成对材料残余剪切强度的影响。希望本文的总结能促进水文地球化学在滑坡研究中的应用。本文利用两个已被透彻研究过的滑坡：La Clapire滑坡和Super-Sauze泥流，这两个滑坡研究充分利用了水文地球化学信息。下文将概述滑坡研究中很有意思的一些水文地球化学信息，讨论孔隙水组成和土体强度之间的关系。本文详细说明了水化学、水文地质和不稳定硬岩斜坡变形之间的关系，并给出了法国La Clapire滑坡近10年的研究实例，延伸了水文地球化学调查和地球化学模拟对发生于软沉积物中的滑坡进行地下信息提取的特殊作用，详细介绍了Super-Sauze研究区，而且还论证了阳离子交换特性的作用。文中有专门一节描述同位素氚和18O在滑坡研究中的作用。本文最终给出结论，并讨论不足之处、固有的困难和将来可能的研究方向。二、水文地球化学能为滑坡研究做什么？水文地球化学可以定义为“与区域地质有关的地下水和地表水化学性质的研究”（地球科学词典，2002）。这个定义同样也适合于工程地质实践，因为它把水化学信息与局部岩性联系起来。从本质上说，水文地球化学研究得到的信息只是又一个变量，它可以被测量出来，并纳入到滑坡研究中。水化学和地球化学测量都包含地下储水性质和地下水流过程的信息。此外，化学反应会影响地下的物理性质，例如其渗透性和（残余）抗剪强度。毫无疑问，水文地球化学不是地球科学领域中的新领域。许多地学学科已经领先于滑坡研究。一个有力的证明就是各种水化学方法在流域水文学中的应用（Kendall和McDonnell，2003）。在流域水文学中，需要示踪信息来进一步认识排泄发生的过程：从集总经验法向分布式和确定性的方法转变。这种对更详细的过程信息的需求也是在滑坡研究中开展水文地球化学研究的动力。然而，示踪研究在流域水文学与滑坡研究中的应用是存在差别的。后者主要关注地下水在特定地点的反应，通常只是斜坡的一部分，而不是整个流域尺度上的排泄过程。此外，不稳定山坡的动力特征还会使水文地球化学调查的应用和解释变得更加困难。最后，在滑坡研究中，人们还对土体构成物质的强度性质感兴趣。由于水文地球化学作用，土壤和岩石性质会发生变化。可以获得的关于地下的地学信息包括，地下结构的地质信息，关于水的来源、流动路径和流动时间的水文信息等。所利用的化学信息可以分为两个来源：一是从标准水分析获得的水化学信息，二是从同位素测量或地球化学测量获得的信息。三、孔隙水组成对强度性质的影响在水化学影响土的物理性质的例子中，敏感（“流”）粘土很可能是最特别的一个。流粘土是指扰动后就失去抗剪强度的土（地球科学词典，2002）。一旦处于运动状态，它便从正常的压实状态变成流体。这将导致大量的土（岩屑）延展开来，覆盖面积可达数十公顷，甚至在非常平缓的斜坡上也会如此（Dikau等，1996）。粘土敏感性可以定义为原状土与重塑土的不排水抗剪强度的比值。在海相沉积环境和咸水沉积环境中沉积的结晶变质岩粉衍生出的敏感粘土具有疏松结构以及高孔隙度。这种脆弱结构一经扰动就会发生致命性的破坏。但是内部粒子的相互排斥也会降低强度，这与孔隙咸水入渗引起的双电层电势有关（Bjerrum，1995；Eide和Bjerrum，1995）。在淡水沉积物中，沉积后期有机分散剂的介入使敏感性变高（Soderblm，1966）。敏感粘土的孔隙水组成与其土工性状之间有很强的相关性：盐度高则抗剪强度大，而盐度低则抗剪强度小。但是盐分的淋滤并不是敏感性增大的唯一因素。其它影响粘土敏感性的因素包括矿物组成、风化作用和总孔隙水浓度。只有原位风化产生的一小部分膨胀土（蒙脱石）能提高土的抗剪强度（Berry和Torrance，1998）。近地表粘土的风化通常使强度增大而敏感性降低。这很有可能与近地表土层的氧化有关。风化作用和Mg、Ca、K的溶解使孔隙水的脱盐作用达到平衡（Andersson-Skld等，2005；Berry和Torrance，1998；Torrance，1990）。Na、K、Mg和Ca及其比值对粘土敏感性的影响取决于总浓度和矿物学性质。Karvounis（1997，被Andersson-Skld等引用，2005）指出，屈服应力与含水量的关系在1gl-1的KCl饱和粘土和20 gl-1的NaCl饱和粘土中是一样的。这表明，对K而言，具有高敏感性的最大孔隙水浓度要比Na要低得多。Andersson-Skld等人（2005）也报道过，只有当总离子浓度相对较高时，孔隙水中Na与K、Mg及Ca的比值以及Na和K的相对含量才与敏感性有关。稀释作用会导致强度降低，这主要与降雨入渗有关。过滤作用不仅仅发生在从地表向下通过土壤基质的过程中。已知表面不连续性有利于稀释水的快速运移。从钻芯取样的详细分析中有时可以看出最深处的孔隙水含盐量最低，这表明淡水在下伏基岩以上有侧向和上升运动（Torrance，1979；Andersson-Skld等，2005）。沉积物底部的流粘土条件对滑坡局部的影响非常大。孔隙水化学性质不仅仅影响敏感粘土的土工性状。Anson和Hawkins（1998）指出，随着孔隙水中Ca浓度的升高，钠蒙脱石的残余抗剪强度也增大。该文还指出，在孔隙水中，高岭石对Ca浓度变化的敏感性要差一些。Moore和Brunsden（1996）介绍了物理化学作用对英国南部海岸的浅层沿海泥流的影响。他们报道说，地下水化学的波动与泥流时间运动模式一致。随着泥流的运动，孔隙水中铝的浓度增加。此外，他们还发现孔隙水中离子浓度低会导致残余抗剪强度更低。Lefebvre（1984，被Di Maio引用过，1996）指出，极低的重塑土抗剪强度需要孔隙水的含盐量也低。Di Maio等人（2004）系统分析了几种意大利粘土与矿物学、孔隙水组成和应力状态相关的土工性质。他们的研究成果表明残余抗剪强度是孔隙水组成的函数。他们假设，与孔隙水组成有关的抗剪强度依赖于所提供的粘土较低的孔隙比。在所考虑的应力水平条件下，干的或环己烷（低电介质流体）中的粘土孔隙比等于或高于饱和盐溶液中的粘土的孔隙比。Di Maio等人（2004）得出这样一个结论：抗剪强度的增大“适当地取决于某一特定粒子的集合，或取决于在粒子接触点处抗剪强度增加”。此外，正如Berry和Torrance（1998）提出的一样，Di Maio等人（2004）也发现土中蒙脱石会极大影响土的土工性质，但另一方面，应力的增加却降低了蒙脱石对压缩和膨胀的影响。在土工研究中，应该更多的考虑矿物学性质、孔隙水化学和应力状态之间的相互作用。因此，正如Moore和Brunsden（1996）以及Di Maio等人（2004）指出的那样，强度参数的实验室测试应该要仔细选择孔隙水组成。一般来说，蒸馏水可能会导致抗剪强度降低（见Di Maio等人的成果，2004）。而且Moore和Brunsden（1996）还得出这样一个结论：残余强度要作为一种动态属性，它可以随着环境条件产生季节性的变化，而且会对地面运动做出反馈回应。总之，所有的证据表明，孔隙水化学性质对土的土工性质有重要影响。四、水化学信息在滑坡研究中的应用：硬岩斜坡本文从狭义的基岩水流（通常流经断裂和裂隙，但也受松散的上层土或斜坡碎屑层影响）出发，着眼于硬岩斜坡的水文地质条件。这些环境中的滑坡或更多特定岩滑以及岩崩的特点在于局部水流模式，从大范围来看，是由山坡的次生孔隙决定的。事实上，基岩斜坡的水文地质条件取决于地形、内部高度非均质的水文地质特征和力学性质以及降雨融雪的入渗。（一）水力性质的非均质性裂隙发育的基岩斜坡的水文响应依赖于不连续面网络的几何特征和和水力连通性，单个不连续面的性质，以及完整岩石的性质（Tsang，1999；Bonzanigo等，2001）。从整个斜坡范围来看，通常可以观测到水力渗透性随着深度增大而降低，这是因为应力增加导致岩石裂隙的封闭。在近地表处，有个厚度可达600m的低应力区，这里的渗透性可以在10-4和10-8ms-1之间变化。而在山体更深部的高应力区，渗透性的变化范围是10-910-11 ms-1（Marechal，1998；Marechal等，1999）。这两个区域之间渗透性的反差导致了两种类型的地下水流，即平行于地表的浅层水流和斜坡内的深部水流（Leca等，1993）。从不连续面网络来看，可以在不同的不连续面之间，以及不连续面与完整基岩之间分别观测到102107大小的对比因子（Cappa等，2005；Guglielmi等，2006）。从单个不连续面来看，通常可以观察到渗透性和刚度值的差异度为50%（Rutqvist和Stephansson，2003；Guglielmi等，2006）。斜坡的这种非均质水力特性会导致1%10%的裂隙出现集中汇水（Black等，1981；Olsson等人，1998；Bour，1997；Frangois和Massonnat，1981）。因此，滑坡似乎是由一个开放裂隙把水输送到滑坡区而触发的。从文献中可以获得基岩水流局部特征的大量观测资料。例如，Johnson和Sitar（1990）在研究由于孔隙压力增加而引发泥石流的过程中发现，“失稳后，从裸露基岩的残痕处，不断冒出大量水，持续数天或数周”。因此，Johnson和Sitar还得出这样的结论：不能忽视基岩水流，因为在土-岩交界处，这个重要的流动通道中的孔隙压力增加会引发泥石流。Wilson和Dietrich（1987）也指出，基岩水循环和基岩渗透性的非均质性对浅层滑坡稳定性的重要性。Ewert（1990）给出大量工程实中硬岩地下水流非均质性的观测实例，尤其是在隧道开挖中。他说，“我的印象是我们仍然缺少一些基础资料，以使我们能更好地从岩体地下水流角度来预测岩体的行为。”综上所述，认识硬岩斜坡中滑坡动力学的先决条件是，在水文地质背景下，对局部水流通道的详细了解。（二）地下水入渗和斜坡运动耦合效应的刻画水文地质和基岩斜坡变形的耦合对应着复杂的机理。“直接”耦合通过变形和孔隙流体相互作用而实现，而“间接”耦合意味着材料性质的改变。与季节性降雨入渗有关的孔隙水会导致断裂孔隙内部局部的季节性变形。孔隙压力上升会减小不连续面的有效应力（Biot，1941；Terzaghi，1923；Tang等，2002）。有效应力的降低会导致近地表和斜坡上部的不连续面的牵引张裂。此外，在斜坡深部和坡脚处，不连续面的正常张裂会使得不连续面或破坏面的有效抗剪强度降低（Tsao等，2005）。在这两个例子中，地下水压力和变形的耦合是斜坡弹性和非弹性变形的主要因素。当斜坡的不连续面变形后，它们的水力性质将改变，因此斜坡的水文地质条件也就随之变化。除了上述季节性的水力作用外，斜坡还会受到长期的地下水化学和侵蚀影响（Clow等，1996；Furuya等，1999；Gardner等，1996）。水可以溶解或运移一些不连续面填充物中的矿物，这样就会降低材料的强度并改变材料的水力性质（Girod，1999）。当斜坡的变形非常活跃时（变形率为每天几毫米），岩石就会破碎，在破坏面周围的深部不连续面会发生膨胀。然后会产生导水性极好的水流通道，并伴有颗粒侵蚀（Wen等，2004）。在这些情况中，水化学信息就很有意义。建立基于水-岩相互作用研究（Compagnon等，1997；Guglielmi等，2000）和人工示踪试验（Bonnard等，1987）的间接方法，是为了确定岩体中的水流通道，估计大型运动岩体的孔隙压力。一方面根据泉水的化学和稳定同位素分析，另一方面根据对野外观测到的不同界面的水-岩交换的模拟，来总结方法。在每年的不同时期对斜坡含水层溢出的泉水进行化学分析。根据现场的水文地质条件，确定了现有的水质类型，然后把该类型与地球化学模型的参数研究进行比较（Mad等，1990）。以法国、瑞士和意大利的大型运动裂隙岩体为研究对象，来检测这些方法的有效性，结果证实了这些方法对于认识滑坡中的水入渗及地下水流通道具有重要的意义。此外，还估算了排水量以及更新时间，并认为斜坡性质的长期变化与其破坏有关（Guglielmi等，2002；Binet等，2007）。（三）La Clapire滑坡十年水文地球化学监测结果La Clapire滑坡体是一个典型的大型滑动滑坡，发生在裂隙高度发育并经过改造的片麻岩中。移动岩体体积达60106m3，表现出了极高的脆性-延展性内部变形，以100200m深的一个多平面的破坏面为界。25年来，已对La Clapire滑坡的斜坡变形和水文气象条件进行了监测。Follacci（1987，1999）指出了局部降雨和变形率之间的相互关系。事实上，滑坡所具有的30200mmd-1的季节性加速度与滑坡处的融雪和降雨事件明显相关。遗憾的是，这种相关性明显是非线性的（因为它没有考虑到斜坡的性质），这会低估触发灾难性斜坡的水文风险。自1995年以来，多尺度的野外水文地质研究与水文地球化学方法的结合提高了对流经不稳定硬岩斜坡的水流的认识，以La Clapire滑坡为参考对象。在活跃滑坡区的底部以及沿着斜坡处，在高水位和低水位期，对泉水重复取样进行水化学分析。此外，还采用同位素18O来刻画滑坡补给区。首先详细说明水化学和热动力学模型，下文将用专门的一节描述同位素信息。用Piper图绘制水的组分来研究泉水化学性质的空间变化，从而区别斜坡不同位置处的泉水的水化学类型（Compagnon等，1997）。较高处的泉为Ca-Mg-HCO3型水，而在斜坡脚下的泉为Mg-Ca-SO4型水。坡上部的泉为低矿化度水，而坡脚下的泉矿化度很高。后者的浓度不能用一般的水-岩相互作用（即上坡的水入渗引起隐伏在坡脚下的三叠系石膏岩的溶解）来解释（Guglielmi等，2000）。事实上，一些构造资料可以证明在斜坡脚下分隔三叠系地层和片麻岩的主要冲断面的位置（Ivaldi等，1991）。为了解释高浓度SO4的来源，Guglielmi等人（2000）采用了水文地球化学模拟方法。这种方法的思路是计算矿物质的溶解和沉淀，因为水-岩相互作用能够帮助解释水化学信息，或者至少约束取样水化学性质的可能解释。根据不同的水-岩相互作用，可以应用热力学和动力学模型KINDIS（Mad等，1990）来模拟所观测的水浓度。该模型描述了矿物质和水溶液的相互作用，还考虑了反应物不可逆的溶解作用以及可逆的二级产物的沉淀作用。该模型通过迭代计算直到系统达到物相和水相的平衡为止，可用于评价不同矿物的化学饱和度。在La Clapire滑坡研究中，根据不同的预期输入水（融雪型和降雨型水）的化学组成和某些矿物的含量（石英、斜长石、白云母、黑云母和副矿物如长石、方解石、绿泥石和黄铁矿）来测试采集的泉水化学样。在La Clapire的片麻岩斜坡上，地质化学模拟结果显示，亚硫酸盐矿物的溶解使得水中硫酸盐浓度范围在0130mgL-1，正如在斜坡上部的泉中观测所得，亚硫酸盐矿物存在于基底。但模拟结果不能解释为什么会出现这么高的浓度（600800mgL-1）。在斜坡顶部，地下水通过许多不同的通道直接流经未压实的裂隙基底，地下水的这一运动主要是在重力驱动下，优先流经高渗透性的流动通道，这种运动特征对应着相互连通的开放型张裂隙，而且裂隙中或多或少有崩积物填充，以上这些特征刻画了斜坡此处的构造。位于这些构造中的上层滞水通过斜坡顶部的常年泉进行排泄。基本含水层通过斜坡下部和滑坡趾处的泉进行排泄。该方法有力地证明了，在所研究的斜坡下面，隐伏着未出露的岩石。在局部地质背景下，这些岩石只可能是三叠系石膏岩，很可能是被位于斜坡脚下的一个主冲断层圈闭了。泉水水化学性质的时间演化以降雨后SO42-浓度下降为特点。如果没有降雨（如在8月），SO42-的浓度维持较高，而且变动很小。SO42-与NO3-的短时变化相反。降雨后，NO3-浓度升高而SO42-浓度同时降低。泉水中NO3-浓度峰值与入渗雨水向排泄出口的流动过程一致。硫酸盐的峰值源于斜坡片麻岩中黄铁矿的溶解以及可能被圈闭在斜坡脚下的三叠系石膏岩的溶解。热力学计算表明，水中硫酸盐含量越高，则水滞留在斜坡内部的时间就越长。SO42-浓度显著降低表明在降雨期，有通过浅层水的快速入渗通量，而从化学角度来说，远远没有达到与储水岩石的化学平衡。这种情况下的短时信号可以用稀释流入量（与低浓度的降雨流入量有关）来解释，稀释流入量与先前饱和带中的地下水（与岩石基质原生矿物几乎达到化学平衡）混合。这种随着时间变化的水化学变化可以用双渗透率模型得到合理的解释。在入渗期间，迅速入渗的淡水主要是流经导水性极好的裂隙，而延滞的那部分淡水则流经导水性差的地带。对泉监测后，可以针对斜坡中随空间变化的瞬时入渗建立一个模型。这些泉位于斜坡的不同高度上，代表存在于活跃滑坡稳定疏松且“完整”的区域中的上层滞水和基底含水层的排泄。利用所测的泉水SO42-浓度和流量变化，对流量守恒方程进行简化解析后，可以估算出流量和运移时间（Cappa等，2004如果在斜坡的上部出现入渗，例如在海平面以上1800m高度的融雪需要大约20天的时间通过滑坡然后从坡脚流出。入渗率的变化范围是0.40.8ls-1。可以清楚的看到，在当前活跃滑坡中发生了如此快速的入渗过程，活跃滑坡中的上层滞水与基底含水层有水力联系。快速入渗水与储水岩石未达到化学平衡，所以其特点是离子浓度很低（与大气水的浓度相近）。La Clapire滑坡速度在缓慢期为15mmday-1，加速期为0.020.25mday-1。这些加速期与泉水稀释期大致同步，而且具有相同的持续时间。加速曲线是不对称的，快速上升阶段同时伴随泉水化学浓度的下降（稀释与大量地下水入渗有关），而缓慢下降阶段同时伴随泉水化学浓度缓慢回升到初始水平（斜坡变干燥）。即使估算的入渗率与滑坡加速之间的相互关系远非如此简单，而且也并不呈线性变化，但主要的结论是相对少量的入渗水（短期内入渗率小）会触发滑动体积为60106m3的滑坡整体加速。这意味着水在裂隙硬岩中的主要作用与斜坡中有限数量的不连续面中放入孔隙压力增加有关，这正如Guglielmi等人（2006）利用各种数值方法分析的结果一样。这种地球化学-水文地质结合的方法指出了La Clapire滑坡中的两个主要水流通道，并且把空间变化大的地下水化学与斜坡的主要非均质体（三叠系石膏岩）联系起来，这很可能是斜坡应力和强度非均质的原因。在Grenoble（法国东南部城市）附近的不稳定Schilienne岩坡也得到了类似的结论，其位于斜坡顶部的沉积层是造成滑坡入渗水特殊化学性质的原因。这使得Guglielmi等人（2002）能够对这些流经滑坡的水进行自然追踪。地下水化学的时间变化似乎与斜坡运动密切相关。事实上，所测得的化学变化是典型的表层流，它快速流入有限数量的渗透性好且可变形的不连续面，导致大型裂隙硬岩斜坡失稳。这种方法根据三种类型的资料：水文地质背景（从泉在斜坡上的分布推断出），岩相学和泉水水化学及其流量（在野外很容易取样）。然后就可以采用斜坡饱和与非饱和部分发生的水力学和化学作用耦合的数学模型来分析斜坡的水力学行为。五、水文地球化学信息在滑坡研究中的应用：软沉积物斜坡滑坡通常发生在未固结的风化介质上，如泥灰岩。风化泥灰岩高含量的粘土和独特的岩土力学性质使得它们易于破坏。粘土基质的低渗透性使得滑坡的水文分析比较困难（Bogaard，2001）。有几个滑坡的前沿性研究采用了水化学示踪法，以更好地认识水文系统（例如Bogaard等，1996；Sakai等，1996；Bogaard等，2000；Anson和Hawkins，2002；Miko等，2004；de Montety等，2007）。为了说明水文地球化学在滑坡研究中的应用潜力，本文将详细介绍Super-Sauze泥流。此处描述的Super-Sauze泥流属风化泥灰岩滑坡，利用水化学信息对该场地的水文行为进行了透彻的研究，因此可以作为一个很好的示范实例。Super-Sauze滑坡是一种泥流，于20世纪70年代发生在冰碛物和黑色泥灰岩的交界面上（Malet，2003；Weber和Herrmann，2000）。自1996年以来，一直对该滑坡进行研究，可以获得降雨、温度、毛细压力水头、土壤含水量、地下水水位和位移的时空分布数据库（Malet，2003；Malet等，2005）。利用一组均匀分布在滑坡体中大约20个竖管式水压计来描述地下水系统。Montety（de）等人（2007）曾研究过利用水化学方法如何提高对缓慢运动的浅层泥流的认识，以及如何提高对滑坡处及其周围的钻孔取样和泉样的认识。目的是探究水的来源，确定滑坡系统的水文限制，并最终说明短期和长期的水文过程。因此在2003年和2004年不同关键期（冬末、融雪影响、泉、夏秋流量少的时期和土壤再湿润时期）进行了水化学调查，从而根据不同季节，调查水化学的区域变化。此外还在短期内连续取样，以研究入渗和补给过程。（一）水化学的时空变化：Super-Sauze泥流已证明Super-Sauze泥流的水化学特征和组成在全年都是稳定的（de Montety等，2007）。向着下游，水的矿化度整体升高，而Na的含量减少了（从30%降到5%），Ca和Mg的含量升高，Ca从30%升高到50%，Mg从35%升高到60%。利用综合的地球化学作用如稀释（滑坡地下水与低矿化度的冰碛水或大气降水混合）、碳酸盐矿物的溶解-沉淀、阳离子交换和黄铁矿溶解可以很容易地解释上述的演化。对地下水系统的连续性来说，这种一致性的水化学分区也存在争议。在局部地区，还会意外地观测到高浓度的SO4、Mg和Na。通常来说，这些化学异常与地形特征有关，而且还可以用深层水沿着主要不连续面（断层、层理和片理面）的流动来解释。调查了长期和短期的水化学变化来进一步研究地表以下水的入渗条件。通过对化学变化和水文观测的比较，作者提出了关于快速优先垂向流分布的假设。例如，短期化学变化是在融雪期一开始就调查的。除了NO3，其它所有离子都有相同的时间变化。浓度增大的第一部分可以解释为前期土壤水造成的影响，在活塞流机理的作用下到达地下水。一旦低矿化度的新水到达地下水位，由于稀释作用，浓度就会降低。和老水相比，新水富含氮，这与地表的牲畜粪便或其它动物的排泄物有关。由于融化和水样采集是同时开始的，因此有可能估算出水入渗经过非饱和带的平均运移时间。新水需要78天才到达地下水水位（稀释作用NO3浓度升高的开始，），这证明了优先垂向流对地下水体局部补给的重要性。（二）地球化学模型的应用总的水化学特征是离子强度极高，这与法国南部阿尔卑斯其它泥灰岩滑坡的水化学资料一致。但是Super-Sauze的水化学有其特殊性，SO4的浓度是其它研究观测值的两倍；而且与大多数位于黑泥灰岩中以Ca为主要阳离子的滑坡不同，Super-Sauze的主要阳离子是Mg。此外，Super-Sauze泥流还有一个特征，即Na的浓度非常高（高达35meql-1）。进一步的研究揭示出锶的浓度也非常高。正如Meybeck（1984）提出的那样，锶的异常可能是由于天青石的溶解，通常与石膏岩有关。然而在该矿物的矿物学组分中却没发现石膏岩。为了解决这个问题，采用了地球化学模型方法，该方法已经在La Clapire滑坡中得到了成功的应用（Guglielmi等，2000）。利用基于热力学和动力学的KINDIS模型（Mad等，1990），根据不同的水-岩相互作用，来模拟观测到的水化学浓度。模拟结果表明泥流的水化学组成不能用所含矿物的溶解来解释。很明显，地下水不是起源于直接的降雨或者融雪，也不是源于野外发现的其它来源。Montety等人（2007）证明了蒸发岩是所观测到的水化学的主要来源，但它不存在于泥流物质中。这些成果指出了Super-Sauze泥流上面的上冲断层接触处的石膏岩和白云岩的主要影响。这是唯一从区域尺度上确定的蒸发岩来源，从而确定了水的一个远距离起源。最后，这个水化学调查有助于改进Malet等人（2005）提出的泥流的水文概念模型。六、同位素分析在滑坡研究中的应用环境同位素包括天然和人工同位素，它们广泛分布在水圈中，能够帮助解决水文地球化学问题（Kendall和McDonnell,2003）。氚（3H）的分析提供了水运移时间和深层水渗流的动力学信息。要用氚来计算补给速率的话则需要评价氚含量的时空变化。如果初始背景浓度未知，另一个测年方法就是同时使用3H和3He。前者会衰变成3He，可以作为定量示踪剂对降水起源的水进行测年（Kendall和Doctor，2004）。Miko等人（2004）研究了I2000年11月在斯洛文尼亚Log Pod Mangartom的Stoze滑坡处一次极端降雨事件之后发生的泥石流灾害。水文分析显示，在之前的2000年秋，径流系数（径流与降雨的百分比，地球科学词典，2002）显著升高。他们采用氚示踪剂来评价所取泉水的运移时间，用18O来评价地下水的补给区。测得地下水年龄约为2年。有趣的是，作者很谨慎地把地下水年龄与1998年4月发生的大地震联系起来，并假设地震已经产生了新的地下水通道。这就解释了在2000年11月触发事件之前滑坡区异常湿润的初始条件。尽管Miko等人（2004）很慎重地进行了阐述，但是仍然说明了用测年来分析水文条件触发滑坡的可能性。降雨中18O的组成（以及2H的组成，但此处不考虑2H，因为18O和2H是密切相关的）取决于降水的凝结温度和气团降雨的蒸发效应。18O受海拔（温度降低）、距海的距离以及其它局部环境条件（如湿度）的影响（Kendall和Doctor，2004）。同位素海拔效应是指降雨中的同位素组成随着地形高度而变化，随着海拔越来越高，18O和2H也越来越少。其它起作用的分馏过程是随着海拔升高气压降低而造成的影响，这意味着温度大幅降低才能达到饱和水蒸气压。而且蒸发使雨滴在降落过程中富含18O和2H。因此，可以发现低海拔处的18O和2H含量更高。因此，把雨水中同位素组成的年际加权平均值作为高程的函数。理论上，在野外可以从设置在不同海拔处的雨量站获得这个梯度，并且需要长期的同位素数据库。如果没有这样的网络，可以从局部有限高程范围内的含水层中采集泉样。但是存在的主要缺点是需要完全了解含水层系统，以得到补给区正确的平均高程。蒸发作用也会改变初始降雨信号。此外，还有一个问题就是时间因素。在取样活动中，18O的梯度是依据局部小泉中的含量绘制的。尽管对补给区有了准确的认识，但是它们对降雨时段的响应是实时变化的，而且排泄量小是由于补给区范围和储水区小。这说明这些水在含水层中的滞留时间短。相反，滑坡趾处的泉通常从更大的储水区排出，其滞留时间也更长。这样，在瞬时的取样过程中，取得的水不是最后降雨时段的水。因此，标准化泉的梯度不能完全代表斜坡含水层中的梯度。避免这种滞留时间差异的最好方法就是在不同季节进行重复监测。利用这种高程-同位素组成的关系，18O的信息能有助于理解斜坡中水的起源和水流通道。Compagnon等人（1997）利用La Clapire滑坡体上的泉的18O特性来确定补给区的高程。Guglielmi等人（2002）也采用18O资料用于Schilienne滑坡研究。对已知补给区高程的泉，在夏季（Schilienne）或者夏冬两季（La Clapire）确定局部18O的梯度。利用这些信息就可以推断出滑坡泉水的补给区。大多数水样都含有同位素浓度，海拔高处的18O含量比取样点处的小得多。这对滑坡区的水文分析有重要的影响，因为滑坡的水文流域已超过了滑坡范围。在La Clapire斜坡，泉12（位于坡脚下）给出了6月份的平均补给高程为1780m。该高程与滑动区的最高海拔相同。这表明补给区的很大一部分都位于斜坡的倾斜面，那里的渗透系数要高于其下部的固体片麻岩。在Schilienne斜坡中，也可以观察到相同的现象。补给区包括滑坡区外的里阿斯统灰岩。在这两个例子中，位于不稳定斜坡上坡处的含水层可以阻止并延缓地下水的渗流，给滑坡运移和降雨时段的相互关系造成了负面影响。另一个例子是之前提过的利用天然同位素18O和氚来分析Stoze滑坡的水样（Miko等，2004）。用氚测得水的年龄约为2年。补给区采用稳定同位素18O来估算。文章的结论是：在滑坡区，地下水会从斜坡的储水体中持久但缓慢地渗出。估计该储水体的大小在0.1106m3的数量级。最后，Tullen等人（2006）利用两个泉中18O的时间序列来确定瑞士Hohberg平滑滑坡的水文地质系统。泉水对融雪和降雨的快速响应可以用水流经渗透性极好的冰碛物来解释。七、地球化学信息在滑坡研究中的应用：软沉积物斜坡水文地球化学信息不仅仅来源于水化学，还可以从固体材料的“化学指纹”中获得（Moore和Brunsden，1996；Bogaard等，2004）。前者尤其关注与土的土工性质的关系（见“孔隙水组成对强度性质的影响”一节）。对后者进行测试，可以从阳离子交换能力（CEC），滑坡调查中的可交换阳离子获得其它信息，以用于泥灰岩-粘土滑坡区的水文系统研究。本次研究利用了法国Boulc-Mondors滑坡的两个20m深的钻芯（Bogarrd等，2000）和意大利北部Alvra滑坡的一个17m深的钻芯（Angeli等，1999）。本次工作表明，有可能对（部分）风化的泥灰岩进行可再生的阳离子交换测量，此外还讨论了来自于阳离子交换测量的信息。本次研究得到了两个独特的结论。首先，确定了CEC和交换组分随深度的变化情况，这与Boulc-Mondors滑坡的地质钻孔描述具有良好的可比性。本研究不能证明钻芯样品中CEC差异的来源。不过，就如风化的表层泥流物质的交换成分与从钻芯中发现的低CEC值具有很好的可比性一样，可以认为它们是风化程度更强的层。风化程度更强的层可以作为优先流动通道，可能发展成或已经发展成了滑动面。其次，Bogaard等人（2004）的研究显示，从阳离子组分测量随深度的变化中可以获得有用的信息。从Alvra滑坡钻芯的阳离子交换成分随深度的变化图来看，开始的5m是以钙为主的复合物，而在下部，镁和钙占主导。该观测结果与所谓终端裂缝的概念模型十分吻合：即裂隙储存雨水并利于水在粘质土壤中的入渗。从图中还可以发现钠含量随深度加大而升高。钠是来自原始沉积物的最重要的交换离子。在Alvra，后者可以用地下水从Ca-HCO3型水变成Na-HCO3型水来解释。八、总结并讨论水文地球化学在滑坡研究中的应用本文旨在对水文地球化学在滑坡研究中的潜在应用做一个综述。除了用在与土的强度性质有关的生物化学分析中外（如流粘土研究），水文地球化学数据并没有普遍应用在滑坡研究中。本文认为，应用水文地球化学是很有价值的，同时它也是一个专门的研究领域。因此，必须进行多学科交叉研究。正如前言所述，当利用水的组分和地球化学信息时，要记住水流、地下结构和水文地球化学作用之间复杂的相互依赖关系。孔隙水组成和土壤强度之间的关系非常重要，但却很少有相关的研究实例。由于大多数的滑坡研究资料都很有限，因此常常没有足够的证据来说明这个复杂系统。孔隙水组成对残余剪切强度的影响很容易被忽略。残余剪切强度的变化可以解释滑坡运动速率的变化。因此，对孔隙水组成以及土壤化学成分及其物理性质的系统分析（di Maio等，2004）是一个引人关注的研究领域。当作为一种示踪技术时，不论是硬岩还是软岩，水化学方法都是唯一一种能够对过程进行空间综合研究的方法。这意味着输入-输出分析是在研究系统的尺度上展开的。典型的例子就是采集泉水样品，这可以代表整个水文系统的输出。即使是用测压计取样，预计水化学也将依赖于上游的特征。与更多局部的（但必要的）调查（矿物学分析、岩石化学、实验室测试等）相结