張 帥 孫 萍 邵鐵全 石菊松 孟 靜 胡秋韻 王 濤
(①中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所 北京 100081)
(②國土資源部新構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室 北京 100081)
(③長安大學 西安 710054)
(④中國地質(zhì)調(diào)查局 北京 100037)
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甘肅天水黃土梁峁區(qū)強震誘發(fā)滑坡特征研究*
張帥①②孫萍①②邵鐵全③石菊松④孟靜①②胡秋韻④王濤①②
(①中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所北京100081)
(②國土資源部新構(gòu)造運動與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室北京100081)
(③長安大學西安710054)
(④中國地質(zhì)調(diào)查局北京100037)
我國黃土梁峁區(qū)歷史強震頻發(fā),地震觸發(fā)的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害是導致震后大量人員傷亡和財產(chǎn)損失的主要因素。1718年甘肅通渭7.5級地震在極震區(qū)附近誘發(fā)了300多處大規(guī)?;?,其中在甘谷縣磐安鎮(zhèn)(原永寧鎮(zhèn))地震使得“北山南移,覆壓永寧全鎮(zhèn)”,導致3萬余人傷亡。以往的研究認為,該類地震滑坡是黃土沿古地形面的滑動,屬于黃土滑坡。通過詳細野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查,對通渭地震誘發(fā)滑坡的分布特征、災(zāi)害類型和失穩(wěn)模式進行了研究;以研究區(qū)最大的滑坡——尉家灣巨型地震滑坡為典型案例,結(jié)合工程地質(zhì)鉆探,對該滑坡的深部結(jié)構(gòu)特征進行了分析,并對其力學機制進行了探討。研究發(fā)現(xiàn),該類滑坡的滑動面主要位于下伏新近紀泥巖中,且深度大,屬于一類典型的黃土-泥巖復合滑坡;這一新成果和發(fā)現(xiàn)能夠更好地解譯歷史文獻記載當時的地震滑坡現(xiàn)象。同時,新的成果和認識可以為我國西北黃土梁峁區(qū)河谷兩岸具有類似地質(zhì)地貌條件的城鎮(zhèn)在強震作用下的地震滑坡早期識別提供參考和啟示。
黃土梁峁區(qū)地震滑坡失穩(wěn)模式力學機制
在山區(qū),一次大的地震往往會誘發(fā)大量的崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,很多學者通過實例研究分析認為,地震觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失甚至會遠遠超過地震本身。近年來,地震誘發(fā)滑坡一直是國內(nèi)外研究的焦點。美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局Keefer(1984)通過統(tǒng)計分析多起地震誘發(fā)滑坡案例,對地震滑坡進行較為系統(tǒng)的研究;Harp(2002)研究了地震動放大效應(yīng)對地震誘發(fā)滑坡的影響;Sassa(2004)對地震誘發(fā)滑坡的機理開展了大量研究工作,認為地震過程中在滑坡滑面附近產(chǎn)生的振動液化是誘發(fā)滑坡的重要因素。2008年汶川地震發(fā)生后,國內(nèi)越來越多的學者如Huang et al.(2009)、Yin et al.(2009)、Wang et al.(2009)、Sun et al.(2011,2012)等在地震觸發(fā)滑坡方面開展了大量有意義的研究工作并取得了可喜的成果。我國黃土梁峁區(qū)由于受到地形地貌條件、地震烈度、斷裂構(gòu)造、基底巖層結(jié)構(gòu)及其上覆黃土厚度等因素影響,地震誘發(fā)滑坡在空間上分布不均,多表現(xiàn)為片狀、帶狀和線狀展布,且在不同區(qū)域其分布特征有差異性(陳永明等,2005)。調(diào)查表明,在我國甘肅天水黃土梁峁區(qū),主要表現(xiàn)為“下伏泥巖+上覆黃土”的二元地層結(jié)構(gòu),受歷史強震影響,地震滑坡密集發(fā)育,大型滑坡主要分布在河流侵蝕岸和溝谷兩側(cè)。1718年6月19日甘肅通渭發(fā)生7.5級強震,此次地震在極震區(qū)甘谷和通渭一帶觸發(fā)了300多處大規(guī)?;拢渲懈使瓤h磐安鎮(zhèn)(原永寧鎮(zhèn))北山南移,壓埋永寧全鎮(zhèn),致使3萬余人喪生(劉百篪等,1984; 陳永明等,2005;吳偉江等,2005;劉峰等,2009);1920年12月16日,寧夏海原8.5級地震觸發(fā)657處大型滑坡造成大量人員傷亡,其中僅隆德縣面積灘一處滑坡就壓埋600余人等等。由此可見,地震觸發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害是震后導致群死群傷事件的重要因素,如何有效避免此類事件重復發(fā)生,最大程度地降低人員傷亡和財產(chǎn)損失,是我國地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)面臨的重大難題。當前,在對已有典型地震地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律和特征等進行研究的基礎(chǔ)上對其成災(zāi)模式和致災(zāi)機理進行分析,并以此對類似區(qū)域未來可能造成的隱患進行評估,是解決上述難題的有效途徑之一。
賀蘭—川滇南北活動構(gòu)造帶是中國地震滑坡災(zāi)害主要分布區(qū)之一,總延伸長度1600km,該帶地震次數(shù)多且強度大,是中國現(xiàn)今構(gòu)造活動最為強烈的地區(qū)和崩滑流地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū),也是歷史災(zāi)難性地震滑坡的頻發(fā)地區(qū)。其中,天水地區(qū)位于昆侖—秦嶺巨型緯向構(gòu)造帶和南北地震帶交匯處,歷史上曾發(fā)生過多次強震,如143年甘谷西7級地震、734年天水7級地震、1654年天水南8級地震和1718年通渭7.5級地震等。迄今,大多歷史地震地質(zhì)災(zāi)害輪廓依然比較清晰,為探索地震地質(zhì)災(zāi)害成因規(guī)律及致災(zāi)機理的研究提供了得天獨厚的條件,是研究地震地質(zhì)災(zāi)害的天然試驗場。
鑒于此,本文在對1718年通渭地震極震區(qū)甘谷縣磐安鎮(zhèn)地震觸發(fā)滑坡災(zāi)害進行詳細調(diào)查的基礎(chǔ)上,對其分布規(guī)律、災(zāi)害類型和失穩(wěn)模式進行了深入探討;同時,選取研究區(qū)內(nèi)最大的地震誘發(fā)滑坡——尉家灣巨型滑坡為典型案例,對其幾何特征、深部結(jié)構(gòu)、滑面位置和成因機制進行了剖析,得出了一些新的發(fā)現(xiàn)或啟示,以期為我國黃土梁峁區(qū)地震地質(zhì)災(zāi)害早期識別和減災(zāi)防災(zāi)提供科學依據(jù)。
1.1研究區(qū)概況
研究區(qū)位于震中向南約30km,調(diào)查面積為460km2(圖1),區(qū)內(nèi)近東西向的渭河將研究區(qū)分為北部和南部兩部分。除了南部一小部分屬于秦嶺基巖山區(qū)外,研究區(qū)基本屬于典型的黃土梁峁地貌,以新近紀紅色泥巖為基底,其上披覆以馬蘭黃土為主的中更新世以來的黃土,山頂多渾圓、平緩,山梁呈垅崗狀、長條狀展布。區(qū)內(nèi)剝蝕、侵蝕作用強烈,溝谷下切,沖溝發(fā)育,沖溝兩側(cè)多出露紅色新近紀泥巖。研究區(qū)內(nèi)南部出露西秦嶺北緣斷裂帶的一小段,文獻表明,該活動斷裂的中段和政—天水段為1718年通渭地震的發(fā)震斷裂(劉峰等,2009)。
圖1 研究區(qū)周邊地形地貌及地震構(gòu)造示意圖Fig.1 Topography and seismotectonics near the study area
1.2滑坡基本特征
通過野外地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查結(jié)合1:5萬地形圖及1:1萬無人機航拍圖片解譯,在研究區(qū)內(nèi)識別滑坡總計91處(圖2)。其中,1718年通渭地震觸發(fā)的規(guī)模較大的滑坡68處,后期降雨或其他因素導致的小規(guī)?;潞忘S土泥流23處。筆者通過對滑坡滑體結(jié)構(gòu)特征的野外識別和對比分析,結(jié)合歷史文獻記載與現(xiàn)場鉆探資料分析,認為下伏泥巖參與滑動、滑坡后壁陡峭的大型滑坡為地震誘發(fā)滑坡。
野外調(diào)查表明,本區(qū)域發(fā)育各類規(guī)模不等的滑坡,其中以大中型滑坡最為發(fā)育(表1)。研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害分布特征明顯受地形地貌控制,渭河北岸主要為黃土梁峁區(qū),南岸則接近基巖山區(qū)。因此,大中型滑坡主要發(fā)育在渭河北岸北坡山前地帶和渭河支流或沖溝兩岸,其中,渭河支流賈家溝流域、丁家溝流域和馬家溝流域滑坡發(fā)育最為密集,具有成群成帶發(fā)育特征;若遇極端降雨天氣,整個溝谷則容易形成泥石流溝,對溝口民居造成嚴重威脅。渭河南岸山體滑坡則相對較少,以崩塌和泥石流為主,危害性較小。
圖2 研究區(qū)滑坡分布圖Fig.2 Distribution map of landslides in the study area
表1 調(diào)查區(qū)滑坡規(guī)模列表
Table 1 Landslides classification based on size
滑坡規(guī)模個數(shù)所占百分比/%巨型滑坡(>100×106m3)44.4特大型滑坡(>10.0×106m3)1213.2大型滑坡(1.0~10.0×106m3)2931.8中型滑坡(0.1~1.0×106m3) 2325.3小型滑坡(<0.1×106m3)2325.3
2.1易滑地層
研究區(qū)內(nèi)滑坡主要包括淺表層小規(guī)模黃土滑坡(泥流)和深部大中型滑坡兩大類。對于淺表層黃土滑坡,滑動面主要為黃土自身的節(jié)理面以及黃土與泥巖的接觸層面(圖3)。其中,節(jié)理面主要為黃土的垂直節(jié)理和卸荷節(jié)理,滑面上可見黑色有機質(zhì)薄膜和定向擦痕,有明顯滑動痕跡。
圖3 淺表層滑坡易滑地層Fig.3 Failure surface in the shallow landslide
圖4 大型滑坡易滑地層(深度:90~95m)Fig.4 Failure surface in the large-scaled landslide
對于大中型黃土和泥巖復合型滑坡,地震作用下往往有多級滑動,可以是沿著黃土和下伏新近紀泥巖不整合接觸面的滑動,也可以是沿著泥巖自身水平層面的滑動。
通過對研究區(qū)內(nèi)典型滑坡進行工程地質(zhì)鉆探研究表明,研究區(qū)內(nèi)易滑地層主要為棕紅色新近紀甘肅群泥巖(NG),泥巖產(chǎn)狀近似水平,屬于本區(qū)內(nèi)易滑地層(圖4),在臨空和震動條件下通常會促成滑坡的發(fā)生。
2.2滑坡主要類型和失穩(wěn)模式
根據(jù)研究區(qū)滑坡滑動面的發(fā)育狀況,可將滑坡細分為黃土層內(nèi)滑坡(泥流)、黃土-泥巖接觸面滑坡、黃土-泥巖復合滑坡以及堆積體滑坡(局部復活)4大類?;碌氖Х€(wěn)模式示意圖(圖5)。
由圖5可以看出,地震作用下,黃土-泥巖復合滑坡一般沿著破裂面①啟動,即沿著高陡侵蝕岸坡坡腳泥巖界面滑動,受滑坡發(fā)生的具體部位與原始地形影響,這種滑坡一般規(guī)模較大,易形成巨型、特大型滑坡,坡體上次級滑坡和沖溝發(fā)育,沖溝部位往往會出露下伏新近紀紅棕色泥巖,如渭河北坡的桃家洼滑坡(圖6)、尉家灣—李家坪滑坡以及蔡家來—新莊上滑坡等等。
圖5 研究區(qū)滑坡失穩(wěn)模式示意圖Fig.5 Failure mode for landslides in the study area
圖6 桃家洼滑坡全貌(鏡向10°)Fig.6 Overview of the huge Taojiawa landslide
黃土-泥巖接觸面滑坡是研究區(qū)內(nèi)發(fā)育較多的滑坡類型,一般沿著破裂面②啟動,由于本區(qū)域為典型的黃土梁峁地貌,風成馬蘭黃土多以披覆的形式沉積在由新近紀泥巖組成的高低起伏的古地形之上,加之上部黃土強度差,節(jié)理裂隙發(fā)育,滲透性強,從而導致上部黃土沿強度高的基巖面在雨季或豐水年產(chǎn)生緩慢蠕滑,該類滑坡一般多發(fā)育為大中型滑坡,如包家山滑坡等(圖7)。
黃土層內(nèi)滑坡(泥流)主要在磐安鎮(zhèn)北坡丁家溝、馬家溝兩岸以及支溝大型滑坡的陡坎部位發(fā)育,這些部位一般具有一定厚度的黃土堆積,滑體由不同時代的黃土及黃土狀土構(gòu)成。主滑面發(fā)育在相對均勻的黃土層內(nèi),即沿圖5破裂面③滑動,滑面近似圓弧形,后緣受垂直節(jié)理控制,較陡直、光滑,圈椅狀特征明顯。該類滑坡單體規(guī)模雖小,然而在降雨等因素下發(fā)生頻繁,且成群成帶發(fā)育,當滑坡前緣地形開闊臨空時,其滑動距離一般較遠,往往會為沖溝泥石流的形成提供大量物源,對溝口村莊危害較大,難以預(yù)報。如西莊滑坡群(圖8)。
圖7 包家山滑坡全貌(鏡向125°)Fig.7 Overview of the Baojiashan landslide
圖8 西莊滑坡群(鏡向300°)Fig.8 Overview of the Xizhuang landslide group
圖9 蔡家來滑坡局部復活Fig.9 Local deformation in Caijialai landslide
此外,研究區(qū)還有一類數(shù)量較少的堆積體滑坡,該類滑坡多為后期降雨或其他因素導致的歷史滑坡局部復活,滑坡體上變形跡象明顯,如咀頭鄉(xiāng)滑坡和蔡家來—新莊上滑坡(圖8)。
對于1718年地震誘發(fā)滑坡的機理,以往研究大多認為該類地震滑坡是黃土沿古地形面的滑動,屬于黃土滑坡。然而,這些觀點對于歷史文獻上記載的當時地震情況卻難以解釋。為了揭示該類滑坡的發(fā)生機制,本文選取研究區(qū)內(nèi)最大的地震滑坡——尉家灣巨型滑坡為典型案例進行深入剖析。
3.1滑坡幾何特征
尉家灣滑坡最大寬約4.5km,縱向長度約3.5km,體積約2.13×108m3,主滑方向210°,是研究區(qū)內(nèi)最大的滑坡。該滑坡輪廓清晰,位于渭河北坡侵蝕岸,坡體上沖溝發(fā)育,是典型的地震誘發(fā)巨型滑坡。
尉家灣滑坡后壁寬約600m,高約40m,走向100°,坡度約65°~80°,主要由馬蘭黃土和新近紀泥巖組成(圖10)。上部馬蘭黃土厚度約為10~18m,發(fā)育一組走向為170°的垂直節(jié)理,節(jié)理間距為0.5~1.0m;下部泥巖厚度約22~30m,產(chǎn)狀近水平,整體結(jié)構(gòu)較完整。
圖10 尉家灣滑坡后壁(鏡向50°)Fig.10 Main scarp of Weijiawan landslide
滑坡西側(cè)壁高約20~25m,走向225°~260°,上部出露厚度約6~15m的馬蘭黃土,坡度60°~80°,黃土中發(fā)育走向為195°的近垂直節(jié)理,節(jié)理間距約50cm;下部10~19m土體有明顯的后期滑塌現(xiàn)象,坡度約50°,局部出露黃土和泥巖的混雜物,底部出露新近紀紅色泥巖(圖11)。
圖11 尉家灣滑坡西側(cè)壁(鏡向345°)Fig.11 West side of Weijiawan landslide
圖13 滑坡體上發(fā)育的沖溝(鏡向120°)Fig.13 Gully developed on sliding mass
滑坡東側(cè)壁高約30~37m,走向150°~165°,坡度65°~80°,主要由馬蘭黃土和新近紀泥巖組成,有局部后期滑塌現(xiàn)象,側(cè)壁底部出露紅色泥巖。
滑坡堆積體上可見3條走向約150°~220°的深切沖溝(圖13),沖溝側(cè)壁近似直立,下切深度約28~34m,有明顯局部垮塌現(xiàn)象,側(cè)壁上部出露厚度約7~10m的黃土,黃土中節(jié)理和落水洞發(fā)育;下部主要為紅色泥巖,溝底出露泥巖與砂礫石互層。
圖14 尉家灣滑坡平面圖Fig.14 Plan map of the Weijiawan landslide
圖15 尉家灣滑坡剖面圖Fig.15 Cross section of the Weijiawan landslide
3.2滑坡滑動面位置和力學機理分析
圖14為滑坡區(qū)工程地質(zhì)圖和平面圖,由圖可以看出,該區(qū)域主要出露4種巖性,即堅硬層狀碎屑巖、軟弱層狀碎屑巖、雙層結(jié)構(gòu)風塵堆積土以及多層結(jié)構(gòu)沖洪積土。尉家灣滑坡滑體主要由更新世黃土和新近紀泥巖構(gòu)成,黃土以披覆的形式沉積在下伏泥巖上部。
據(jù)歷史資料記載,1718年通渭地震使得“北山南移,覆壓永寧全鎮(zhèn)”,由此推測原始渭河河道應(yīng)該在現(xiàn)今河道的北側(cè),位于磐安鎮(zhèn)北坡巨型滑坡體下方,原永寧鎮(zhèn)則應(yīng)沿河分布(圖15),此種假設(shè)更能合理地解釋當時地震發(fā)生時的情況。
為了揭示尉家灣滑坡滑面位置,在滑坡主滑方向210°布設(shè)了5個工程地質(zhì)鉆孔ZK1~ZK5,鉆孔深度為90~130m,總進尺為586.6m(圖14,圖15)。
由圖15可以看出,該滑坡滑面位置存在于深部紅色新近紀泥巖地層中,有明顯的3級滑面:首先,由于滑坡位于河流高陡侵蝕岸,邊坡坡腳在河流長期侵蝕作用下強度會逐漸降低,從而在泥巖中產(chǎn)生軟弱面,地震發(fā)生時,滑體首先沿著圖15中滑面①啟動;當滑體沿著滑面①滑動后,后部巖土體由于失去支撐作用進一步沿著斜坡方向往下滑動,即沿著滑面②、③分別滑動;最后,3級滑體作為整體一起在重力勢作用下往下滑動,最終沖入渭河甚至跨過渭河,迫使原始渭河河道改道,覆壓原永寧全鎮(zhèn)。
在滑坡長距離的滑動過程中,原渭河河水參與了這一滑動過程,因此可以推測,地震發(fā)生時在巖土體中發(fā)生了“滑動面液化”這一力學過程,最終促使滑坡產(chǎn)生遠程滑動。此觀點筆者和其他一些國內(nèi)外學者在之前對2008年汶川地震觸發(fā)滑坡和1920年海原地震觸發(fā)的高速遠程滑坡的力學機制方面均有過詳細的試驗研究和數(shù)據(jù)分析(孫萍等,2009),此處不再贅述。
(1)我國甘肅天水黃土梁峁區(qū)主要表現(xiàn)為“下伏泥巖+上覆黃土”的二元地層結(jié)構(gòu),受歷史強震影響,地震滑坡密集發(fā)育,大中型滑坡主要發(fā)育在渭河北岸北坡山前地帶和渭河支流或沖溝兩岸;渭河南岸山體滑坡則相對較少,以崩塌和泥石流為主;該區(qū)滑坡根據(jù)失穩(wěn)模式可分為3類,即黃土-泥巖復合滑坡、黃土、泥巖接觸面滑坡以及黃土層內(nèi)滑坡(泥流)。
(2)1718年通渭地震誘發(fā)滑坡分布區(qū)域河谷地貌位置較為特殊,多為大型侵蝕岸坡-高陡泥巖岸坡,以近水平狀新近紀泥巖為基底,其上披覆中更新世以來的黃土,上述地質(zhì)背景和坡體結(jié)構(gòu)有助于地震作用下滑坡的產(chǎn)生。
(3)以往研究認為,研究區(qū)內(nèi)地震滑坡多數(shù)是黃土沿古地形面的滑動,屬于黃土滑坡;然而,通過研究發(fā)現(xiàn),對于甘肅天水黃土梁峁區(qū)地震觸發(fā)的大中型滑坡而言,其滑動面主要位于下伏新近紀泥巖中,且深度大,屬于一類典型的黃土-泥巖復合滑坡;這一新成果和發(fā)現(xiàn)能夠更好地解譯歷史文獻記載的當時的地震滑坡現(xiàn)象。
(4)研究區(qū)內(nèi)特大型、巨型滑坡多為河流侵蝕岸前緣臨空高陡斜坡,斜坡巖土體卸荷、拉張裂隙發(fā)育,在地震荷載作用下,容易發(fā)生抗剪強度的突變,從而致使滑坡啟動;另一方面,該類滑坡在滑動的過程中,其滑動路徑上的水參與了這一過程,因此,地震作用下的“滑動面液化”也可能是導致該類滑坡發(fā)生高速遠程的重要原因之一。
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EARTHQUAKE-TRIGGERED LANDSLIDES IN TIANSHUI LOESS HILLY REGION,GANSU PROVINCE,CHINA
ZHANG Shuai①②SUN Ping①②SHAO Tiequan③SHI Jusong④MENG Jing①②HU Qiuyun④WANG Tao①②
(①Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing100081)
(②Key Laboratory of Neotectonic Movement and Geohazard,Ministry of Land and Resources,Beijing100081)
(③Chang′an University,Xi′an710054)
(④China Geological Survey,Beijing100037)
Mega-earthquakes often occurred in loess hilly region of China.Earthquake-triggered landslides and other geological hazards can be the main reason for a large number of casualties and property losses.The 1718 great Tongwei earthquake in northwest China caused more than 300 large-scaled landslides near the epicenter.The effects led to the movement of the northern mountains located in the meizoseismal area of Pan’an Town(the old Yongning Town),to the south,resulting in the total burial of Yongning town,with a historical record of over 30,000 deaths.Previous studies agree that the earthquake-induced landslides in the area are loess landslides,which slid along ancient terrain surfaces.Through detailed field investigations,the distribution features,the types of disasters and failure mode are studied.Taking the largest landslide - Weijiawan landslide as a case study and with the help of engineering geological drillings on the sliding mass,deep structure characteristics of the landslide are analyzed and the mechanics mechanism are discussed.The results indicate that the failure surface of the huge earthquake-induced landslide is located in the deep mudstone layer,which reveals that these landslides are loess - mudstone composite landslides.These new findings can help to further unravel the failure mechanisms of these earthquake-induced landslides that are recorded in several literatures.Meanwhile,the present results and conclusions can provide insights and knowledge on early recognition of earthquake-triggered landslides in northwest China towns,especially in the surrounding valley which shares similar geological conditions to the landslides studied in this paper.
Loess hilly region,Earthquake,Landslide,F(xiàn)ailure mode,Mechanics mechanism
10.13544/j.cnki.jeg.2016.04.005
2015-06-18;
2015-11-16.
國家自然科學基金項目(批準號41472296,41372374),中國地質(zhì)調(diào)查局“典型地震滑坡調(diào)查”(編號12120114035901)資助.
張帥(1988-),男,碩士生,主要從事地質(zhì)災(zāi)害方面的學習與研究.Email: 1037942483@qq.com
簡介:孫萍(1978-),女,博士,碩士生導師.主要從事地質(zhì)災(zāi)害和巖土力學方面的研究工作.Email: sunpingcgs@163.com
P642.27
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