地质力学学报  2009, Vol. 15 Issue (2): 142-150
引用本文
谭成轩, 孙叶, 吴树仁, 韩金良, 吴芳, 孙炜峰. “5.12”汶川MS8.0大地震后关于我国区域地壳稳定性评价的思考[J]. 地质力学学报, 2009, 15(2): 142-150.
TAN Cheng-xuan, SUN Ye, WU Shu-ren, HAN Jin-liang, WU Fang, SUN Wei-feng. A CONSIDERATION ON REGIONAL CRUSTAL STABILITY ASSESSMENT AFTER MS8.0 WENCHUAN STRONG EARTHQUAKE IN CHINA[J]. Journal of Geomechanics, 2009, 15(2): 142-150.
“5.12”汶川MS8.0大地震后关于我国区域地壳稳定性评价的思考
谭成轩1,2 , 孙叶1,2 , 吴树仁1,2 , 韩金良1,2 , 吴芳1,2 , 孙炜峰1,2     
1. 国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室, 北京 100081;
2. 中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081
摘要:汶川大地震引起我们对区域地壳稳定性调查评价新的思考。本文简要介绍了我国区域地壳稳定性评价的理论基础('安全岛'理论、地质结构控制论、区域稳定工程地质学理论、'场'论以及其他理论和观点)和初步形成的系统化、层次化、定量化、智能化区域地壳稳定性评价方法技术, 指出区域地壳稳定性评价应向小区划和四维发展, 为工程建设服务。最终编写、出版中华人民共和国国家标准-区域地壳稳定性评价规范, 建立区域地壳稳定性评价体系; 编制、发布、实施中华人民共和国国家标准-区域地壳稳定性评价区划图(1: 400万), 形成区域地壳稳定性评价国家平台, 作为国土规划和工程安全建设的法制性依据和标准。
关键词构造稳定性    岩土体稳定性    地面稳定性    区域地壳稳定性评价规范    区域地壳稳定性评价区划图    
文章编号:1006-6616(2009)02-0142-09
A CONSIDERATION ON REGIONAL CRUSTAL STABILITY ASSESSMENT AFTER MS8.0 WENCHUAN STRONG EARTHQUAKE IN CHINA
TAN Cheng-xuan1,2 , SUN Ye1,2 , WU Shu-ren1,2 , HAN Jin-liang1,2 , WU Fang1,2 , SUN Wei-feng1,2     
1. Key Laboratory of Neotectonic Movement & Geohazard, Ministry of Land and Resources, Beijing 100081, China;
2. Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China
Abstract: A new consideration and knowledge on regional crustal stability assessment was awoken by the MS8. 0 Wenchuan earthquake in China. This paper thoroughly introduces the basic theories of regional crustal stability assessment in China, including 'safety island' theory, geological texture control theory, regional stability engineering geology theory and 'field' theory, and the systemic, hierarchical, quantitative and intelligent methodology and technology. In order to better serve engineering construction, the regional stability evaluation develop towards micro-zonation and 4-dimension level.At last, the regional crustal stability assessment standards of People’ s Republic of China should be afforded and published to establish regional crustal stability assessment system in China. Meanwhile, the regional crustal stability assessment zonation map of China should be compiled to build up the regional crustal stability national platform and to be adopted as the standards for land plan and engineering safety construction.
Key words: tectonics stability    rock and soil mass stability    ground surface stability    regional crustal stability assessment standards    regional crustal stability assessment zonation map    

目前我国重大工程建设和重要城市规划抗震设防标准主要依据2001年颁布的中华人民共和国国家标准-中国地震动参数区划图(GB 18306 -2001)(1: 400万), 通过比较2001年11月14日昆仑山MS8.1级地震和2008年5月12日汶川MS8.0级地震周围附近地震动参数, 可以看出两地地震动参数相近, 龙门山地区的抗震设防标准略低于昆仑山地区[1], 但汶川MS8.0级大地震震撼了整个中国, 顷刻间山崩地裂、乌云遮日、房屋倒塌、道路损毁……哭声、叫喊声连成一片, 无数鲜活的生命遭地震恶魔吞噬, 人类又一次用血肉之躯经受了大自然的考验, 付出了惨重的代价。痛定思痛, 造成如此悲剧, 除人类社会经济环境因素之外, 更主要的是由于地质环境和地壳稳定性因素。虽然两地构造稳定性相近, 如地震动参数基本相同, 但两地岩土体稳定性和地面稳定性(主要为地质灾害)存在显著差异, 并且重大工程和人类活动主要在地壳浅表层, 与岩土体稳定性和地面稳定性关系密切。因此, 重大工程建设和重要城市规划抗震设防标准在依据《中国地震动参数区划图》基础之上, 尚需考虑地壳稳定性评价和区划结果。由此引起我们对区域地壳稳定性调查评价新的思考。

继20世纪我国东部邢台(1966年, MS7.2) -河间(1967年, MS6.3) -渤海(1969年, MS7.4) -海城(1975年, MS7.3) -唐山和滦县(1976年, MS7.8和MS7.1)一系列大地震之后, “5.12”汶川大地震(2008年, MS8.0)再次触发中国地质工作者对地震地质问题的思考。李四光教授生前把地震地质研究的目标概括为两方面:一是确定中长期地震危险性预测区带, 为短期或临震预报指明方向和工作重点, 为防灾减灾服务; 二是在确定的地震危险性区带开展区域地壳稳定性评价, 寻找'安全岛', 为国家安全建设服务[2~3]

“5.12”汶川大地震野外考察表明[4~10] :①地震极重灾区仍存在相对稳定的地区、地带或地点, 在地表建筑质量基本同等的条件下, 破坏程度存在明显差异, 存在'安全岛', 典型实例如龙门山前雎水镇-江油市一带分布的扬子地台侏罗系和白垩系之上的雎水镇(图版Ⅰ(a))、沸水镇(图版Ⅰ(b))、大康镇(图版Ⅰ(c))、武都镇(图版Ⅰ(d))、江油市(图版Ⅰ(e))等, 这些城镇虽然距离发震断裂较近, 但其破坏程度较小; 而在这些城镇东南侧远离发震断裂、建筑在松散第四系之上的秀水镇(图版Ⅰ(f))、黄土镇(图版Ⅰ(g))、青莲镇(图版Ⅰ(h))等却破坏较严重。②通过考察我们深感李四光教授倡导的地震地质研究应发扬光大, 尤其在我国西部大开发的进程中, 继续发挥20世纪60年代我国西南大三线建设中地震地质研究的作用, 开展区域地壳稳定性评价, 为国土规划、用地计划、生产力布局和国家安全建设提供依据。③区域地壳稳定性评价与区划应尽早规范化和法制化。

图版Ⅰ   Plate1  

在此背景下, 本文在综述区域地壳稳定性评价研究现状的基础上, 探讨思考了我国区域地壳稳定性评价存在的问题及其发展趋势, 以期加强我国地震地质调查研究和区域地壳稳定性评价工作。

1 区域地壳稳定性评价研究现状 1.1 国外研究现状

区域地壳稳定性评价这一概念主要由中国地质工作者在地震地质研究和重大工程建设实践中提出的, 国外有关学者对于重大工程建设强调活动断裂调查, 地震危险性调查评价中强调单因子(地震)分析[11~12]。近二十多年来, 大多数国外学者(美国、日本和欧洲)为响应国际10年减灾计划, 逐渐将研究重点转向工程减灾防灾研究, 因此, 围绕重大工程场区新构造与活动断裂的潜在危害性和安全性定量勘测评价技术和仿真模拟技术得到迅速发展, 相应的专项定量调查研究技术也越来越受到重视。例如:典型活动断裂开挖揭示、高精度遥感技术、地球物理探测技术及活动断裂的监测技术等方面在国外得到迅速发展; 美国和日本等发达国家分别建立了覆盖全国的新构造活动GPS监测网络, 在数据自动采集、传输、处理、查询、共享和管理等方面取得突破性进展; 工程场区活动断裂分段、分带调查评估方法逐渐成熟, 活动断裂分形分维应用和分段评价技术日趋完善。

1.2 国内研究现状

中国地质工作者在工程实践中逐步建立和发展完善了区域地壳稳定性评价的理论基础和方法技术, 并成为一门独具中国特色的工程地质学交叉分支学科。

1.2.1 理论基础

(1)'安全岛'理论

该理论由李四光教授最先提出[2~3], 认为“在活动构造带中可以找到相对稳定的地块- '安全岛'作为工程的场址”。其核心是在现今构造活动强烈的地区, 寻找活动相对微弱的稳定地带。该理论最为突出的特点就是抓住了地壳稳定性评价的核心问题和最终目的, 因此被广泛应用。胡海涛等发展完善了这一理论[13]

(2) 地质结构控制论

该理论最早由谷德振教授提出, 以“岩体结构控制论”为基础, 处于定性研究的水平[14]。孙广忠教授的“岩体结构力学”使这一理论纳入到定量化的轨道, 近年来王思敬院士和孙广忠教授又将其提高到“地质结构控制论”的高度[16~17]。另外, 罗国煜在上述理论的基础上提出了“优势结构面”的理论, 是对上述理论的继承和发展。该理论的核心是强调构造活动和岩土体结构是控制区域地壳稳定性的主导因素, 以断裂活动性、地震活动性和断块稳定性分析评价为主要研究思路, 认为岩体中各种不同规模的结构面(或软弱夹层)是控制岩土体变形和破坏的主导因素, 抓住了问题的关键所在, 具有鲜明的特点和较强的生命力。早期该理论主要研究对象是岩土体稳定性问题, 后来李兴唐等将其引入到地壳稳定性评价中来, 同时, 李兴唐等人比较早地提出了地壳稳定性评价分级的标准和评价指标体系[17]

(3) 区域稳定工程地质学理论

早期刘国昌先生特别强调构造稳定性, 20世纪80年代提出“区域稳定是指一个区域范围内, 在地球内力和外力作用下的稳定性, 从工程地质的观点应称为区域稳定工程地质, 区域稳定工程地质是环境工程地质的一部分”这一观点, 后来刘国昌先生主张将区域稳定性研究, 从区域地壳稳定性评价一直延伸到工程场地稳定性评价[18]。其强调地壳稳定性评价的层次性问题, 将地壳稳定性评价分为构造稳定性评价、地面稳定性评价和场地稳定性评价3个层次, 在强调地球内动力地质作用是影响区域地壳稳定性主导因素的前提下, 同时考虑外动力和特殊物理地质现象对地面和场地稳定性的影响。目前这一观点已经被一些学者所接受。

(4)'场'论

陈庆宣、孙叶等人认为现今构造应力场是控制现今构造变形和各种内、外动力地质灾害发生的主导因素, 对于区域地壳稳定性评价具有指导作用, 其理论的核心是构造应力场理论[19~23]。因此, 在区域地壳稳定性评价中特别注重现今各种地质场的研究, 利用地球物理场、断层位移场、地壳形变场、地应力场、地应变场、地热场等资料去研究现今地壳稳定性问题。其基本思路是:以现今构造应力场为主线, 以构造稳定性评价为主, 同时结合岩土体稳定性评价和地面稳定性评价, 进行区域地壳稳定性综合评价。对于不同研究对象、研究目的和地质环境, 地壳稳定性评价可以有所选择、侧重、差异, 例如长江三峡工程区域地壳稳定性评价主要考虑构造稳定性, 而深圳、西安等城市区域地壳稳定性评价需要同时考虑构造稳定性、岩土体稳定性和地面稳定性。20世纪80年代末期, 由中国地质科学院地质力学研究所研究员、中国科学院院士陈庆宣任首席科学家(国际工作组组长)的国际地质对比计划IGCP-250项目“区域地壳稳定性与地质灾害”, 组织了中国、美国、加拿大、日本等15个国家的科学家, 开展了人口密集区、重大工程基地和矿山地壳稳定性评价、区域地壳稳定性区划图编制、构造作用对某些破坏性地质灾害影响及区域地壳稳定性的影响因素等系列研究工作, 完善和发展了区域地壳稳定性评价理论, 取得了丰硕成果, 代表国内外研究的一流水平[24~26]

经过深圳市、长江三峡工程等区域地壳稳定性评价的实践[27~28], 认为该理论是一个行之有效的方法, 值得不断继承和发展。同时还提出了地壳稳定性小区划的概念, 在地壳稳定性评价的应用方面有所前进。

(5) 其它理论和观点

以上4种理论都是以地质力学的观点和方法为基础并结合各相关学科的最新理论发展起来的。张文佑先生在研究地质力学和板块构造的基础上将力学分析与历史分析相结合推出了“断块构造理论”, 该理论认为活动块体之间的相对运动是导致块体之间边界断裂发生位移和地震的根本原因[29], 目前在中国地震局系统比较流行的“活动块体”的观点与此相类似, 早期的地震危险性评价以“活动断裂中心论”为主导思想, 目前以“活动块体中心论”为主导。基于'安全岛'理论、板块理论和断块构造理论, 刘传正提出了'安全岛'多级逼近与优选理论[30]。彭建兵最近提出了“区域稳定动力学”问题, 主要是从岩石圈尤其是地壳结构和地球动力学的角度研究区域地壳稳定性问题[31]

综上所述, 我国区域地壳稳定性评价的核心目标是现今地壳及其表层的相对稳定程度, 在理论上有3个层次的内涵:构造稳定性评价、岩土体稳定性评价和地面稳定性评价。上述不同理论的核心目标是一致的, 但也存在差异, 一是不同阶段的认识有所差异, 二是研究的侧重点有所不同。

1.2.2 方法技术

目前我国区域地壳稳定性评价已逐渐步入系统化、层次化、定量化、智能化评价的轨道, 并基本形成了相应的方法技术。

(1) 系统、多层次的研究方法

① 研究范围由区域到场地, 比例尺由小到大, 即小比例尺(1: 100万~1: 50万)、中比例尺(1: 20万~1: 10万)、大比例尺(1: 5万~ 1: 2.5万)和场地尺度(1: 1万~ 1: 5千), 前者为后者提供背景和基础, 后者检验验证前者; ②研究内容包括构造稳定性、岩土体稳定性和地面稳定性, 对于不同研究对象和研究目的, 地壳稳定性评价可以有所选择、侧重、差异; ③由背景基础研究走向规划建设应用。

(2) 定量化评价技术

① 通过基础地质调查、地应力测量、断层位移测量、精密水准测量、微地震台网监测、地球物理探测、断层测年技术、岩石(岩体)物理力学参数测试、数值模拟、GPS、GIS等技术获取地壳稳定性评价定量化指标; ②采用多种新方法、新技术相互补充、相互检验来提高地壳稳定性的研究精度, 其基本技术思路:在构造稳定性、岩土体稳定性和地面稳定性分析的基础上, 确定区域地壳稳定性综合评价指标体系, 建立地壳稳定性定量化评价模型, 对区域和工程场地进行稳定性分级分区, 然后对各个区段分别进行综合评价, 在评价结果基础之上编制地壳稳定性分区图及其说明, 以便为工程建设的规划、设计和施工服务。如运用模糊数学综合评判、信息量模型等进行了地壳稳定性评价对比研究。

(3) 智能化评价系统

殷跃平等提出了区域地壳稳定性评价专家系统[32], 以人工智能技术为基础, 强调专家知识本身解决问题的能力, 通过建立地壳稳定性评价专家知识库, 使复杂的综合评价逐步专访推理获得答案, 达到评价分区的目的。

2 区域地壳稳定性评价存在的问题及其发展趋势

由我国地质工作者创立的地壳稳定性综合调查评价理论、技术方法在实践过程逐渐走向成熟, 并已为我国重大工程选址、城市安全规划建设等做出了重要贡献, 但目前仍存在以下主要问题需完善发展。

2.1 区域地壳稳定性评价小区划

目前我国区域地壳稳定性评价结果与国家建设规划应用仍存在差距, 应进一步开展地壳稳定性小区划, 尤其对于地壳稳定性评价为较不稳定和不稳定地区, 评价土地的适宜性、建设容量、地质环境承载力等。只有面向国家建设论证、规划、设计、施工各个阶段的地壳稳定性评价结果才有实用价值。

2.2 四维区域地壳稳定性评价

鉴于我国目前地质勘探水平, 区域地壳稳定性评价为地表平面二维状态, 深部地质体结构构造、各种物理场等对地表稳定性的影响考虑不足, 影响了区域地壳稳定性评价的科学性。

随着地壳浅表层(5km以内)地质体特性、结构构造以及各种地球物理场的逐步认知, 急需开展三维区域地壳稳定性评价, 提高区域地壳稳定性评价的科学性和实用性, 分析地壳浅表层随深度变化地壳稳定性的差异性, 以满足社会发展的需要。诸如:大城市的发展空间逐渐向地下深部转移; 深部地壳稳定性更适宜于科学试验设施建设、军事设施建设、核电站建设、核废料处置等。

目前我国区域地壳稳定性评价为静态评价, 没有考虑时间因素, 地震等内动力地质作用具有一定的周期性, 地震导致构造稳定性的突变, 诱发岩土体稳定性和地面稳定性剧变, 因此, 区域地壳稳定性评价需要考虑时间和超越概率因素。通过典型地区地壳稳定性评价研究, 按50年超越概率10 %探索区域地壳稳定性评价的方法技术。

2.3 区域地壳稳定性评价规范

目前我国没有专门的区域地壳稳定性评价规范, 相关规范中对此颇为约略[33]。通过地震地质和区域地壳稳定性评价研究, 结合已有区域地壳稳定性评价工作, 确定区域地壳稳定性评价原则、等级划分、指标和标准、流程、方法等等, 按点(场址)、线(线性工程)、面(城市、区域)3大类型, 编写、审定中华人民共和国国家标准-区域地壳稳定性评价规范, 建立国家地壳稳定性评价体系。同时, 对于地壳稳定性评价为较不稳定和不稳定地区强制开展地壳稳定性评价小区划, 寻找'安全岛', 为国家安全建设服务。

2.4 区域地壳稳定性评价区划

通过地震地质和区域地壳稳定性评价研究, 结合区域地壳稳定性评价规范, 综合考虑构造稳定性、岩土体稳定性和地面稳定性, 编制、发布、实施中华人民共和国国家标准-区域地壳稳定性评价区划图(1: 400万), 形成区域地壳稳定性评价国家平台, 作为国土规划、用地计划、工程建设和生产力布局的法制性依据和标准, 供国家安全建设使用。构造稳定性主要考虑地震动峰值加速度、活动断裂、地应力和能量集中、地应力梯度、最大剪应力、地温场等因素, 岩土体稳定性主要考虑场地地震动反应谱特征周期、地质体完整性、地质体强度等因素, 地面稳定性主要考虑地质灾害易发程度等因素。

3 思考和认识

“5.12”汶川大地震引起我们对区域地壳稳定性评价新的思考, 取得了一些重要新认识:重大工程建设和重要城市规划抗震设防标准在依据《中国地震动参数区划图》基础之上, 尚需依据地壳稳定性评价和区划结果; 区域地壳稳定性评价应逐步向小区划和四维方向发展, 更好地为建设规划服务; 急需编写、审定中华人民共和国国家标准-区域地壳稳定性评价规范, 建立国家地壳稳定性评价体系; 编制、发布、实施中华人民共和国国家标准-区域地壳稳定性评价区划图(1: 400万), 形成区域地壳稳定性评价国家平台, 作为国土规划、用地计划、工程建设和生产力布局的法制性依据和标准, 供国家安全建设使用。

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