重要进展丨范宣梅教授团队在 Science Advances发文：强震诱发大型泥石流研究

论文题目：The Hazard of Large Debris Flows

发表期刊：Science Advances

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz4625

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近日，成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护全国重点实验室范宣梅教授团队在国际顶级期刊《Science Advances》发表了题为《The Hazard of Large Debris Flows》的最新研究成果。该研究依托国家杰出青年科学基金项目（青A项目），由成都理工大学联合英国卡迪夫大学和杜伦大学共同完成，标志着我校在强震地质灾害研究领域取得了具有国际影响力的原创性突破。

该成果基于对汶川震后泥石流长期观测和全球大型泥石流数据，发现100万方以上的大型泥石流不符合已有的规模-频率分布规律（magnitude-frequency distribution），采用现有模型会大大低估震后大型泥石流的发生频率；同时揭示了其背后的机理是沟道物质侵蚀存在“临界扩容机制（bulking threshold）”，即沟道物质厚度（sediment depth）和饱和度（degree of bed saturation）超过一定阈值后，泥石流产生的沿程侵蚀和规模就会呈现非线性“放大效应”。这一成果突破了传统泥石流动力学“规模放大线性假设”，为认知强震次生灾害链提供了新框架。

范宣梅教授与Tristram C. Hales教授联合指导的博士生Erin L. Harvey为论文第一作者，范宣梅教授为共同通讯作者。

长期追踪：认识震后“隐形杀手”

2008年“5·12”汶川大地震后，震区泥石流频发，且具有突发性、规模巨大、流动性强等特点，被称为震后“隐形杀手”。范宣梅教授团队长期追踪震后地质灾害演化过程与规律，积累了丰富的野外观测数据，建立了覆盖汶川震中区的泥石流事件数据库（2008—2019年，共记录了2058次事件），是目前国际上最系统全面的数据库之一，为揭示震后泥石流的规模-频率分布规律及机制提供了独特的数据基础。

研究发现，汶川地震诱发滑坡共产生了约 30亿方松散沉积物质（sediment），其中高达 90% 的物质至今仍滞留在山区斜坡与流域沟道内。这些物质在强降雨、融雪、地表侵蚀等作用下，会沿沟道逐级运移，形成“沉积物级联系统（sediment cascade system）”，为泥石流的发生提供了丰富的物源，导致震后泥石流灾害活动性显著增强。

科学发现：大型泥石流“临界扩容机制”

通过对震后2058条泥石流事件的规模—频率关系分析，发现100万方以上的大型泥石流发生频率显著偏离普通泥石流的幂律分布规律，大型泥石流的发生概率被传统模型严重低估。论文提出了导致这一突变现象出现的假设：自然系统中可能存在的“临界扩容机制（bulking threshold）”，即在达到一定临界条件时，泥石流规模会出现显著的非线性放大效应。

▲汶川震后泥石流的规模—频率分布特征

Results from the analysis of the post-Wenchuan Earthquake debris flow inventory.

为了验证这一假设，论文选取罗圈湾流域为代表，采用蒙特卡洛随机抽样和数值模拟模型，考虑沟道物质厚度（sediment depth）和饱和度（degree of bed saturation）变化，重复对罗圈湾流域模拟1000次，发现当沟道物质达到一定厚度、含水率接近饱和时，泥石流会出现快速非线性沿程侵蚀扩容过程，从而演变为上百万方的大型泥石流，其破坏力可超过传统模型预测的数倍。

▲控制泥石流规模的关键物理参数

Controls on simulated debris flow volume for Massflow runs.

全球视角：汶川震区与圣海伦斯火山的相似命运

汶川震后频发的特大型高流动性泥石流，并非孤立现象，而是与全球多地的重大自然灾害事件呈现出一致规律。在美国圣海伦斯火山（1980年）、菲律宾皮纳图博火山（1991年）等火山喷发后10年内也多次爆发特大型泥石流。这些地区的共同点在于：一次突发性灾害（地震或火山喷发）在短时间内释放大量松散物质，形成与汶川震区高度相似的“沉积物级联系统（sediment cascade system）”，为泥石流活动提供了丰富的物源。

科学意义和展望

研究成果揭示了汶川震后大型泥石流的“临界扩容机制”：现有研究通常假设泥石流规模-频率服从单一幂律分布，而该研究发现大型泥石流事件的实际发生频率显著高于预测值，换言之，传统模型大大低估了大型泥石流的发生概率与危险性。因此，需要改变传统泥石流危险性评估思路，针对强震、火山喷发后的泥石流，应将沟道物质厚度、饱和度与地形约束作为关键控制因子优先考虑。该研究为地震与火山区域在气候变化条件下的长期风险评估与灾害链防控提供了关键科学依据。

范宣梅

国家“杰青”，科学探索奖、中国青年女科学家奖获得者，博士生导师，教授，现任地质灾害防治与地质环境保护全国重点实验室主任。主要从事强震和极端气候诱发地质灾害机制与预测研究，研究成果广泛应用于汶川、芦山、九寨沟、泸定等多次强震灾害应急救援和防治实践，显著提升了我国地质灾害防控能力。

范宣梅主持国家重大研发计划项目、省部级及欧盟科研项目20余项，获国家科技进步一等奖（主要完成人）、四川省自然科学奖一等奖（第一完成人）、IAEG科学技术奖（STA-IAEG）等多项国内外重要奖项。

研究成果在Nature Geoscienece、Science Advances、Reviews of Geophysics、Earth Science Reviews、Earth and Planetary Science Letters等国际顶级期刊发表论文180余篇，其中SCI论文140余篇、ESI高被引论文11篇，论文总引用超11886次，中国高被引学者，入选全球前2%顶尖科学家榜单。