区域地壳稳定性相关因素分析

如题所述

通常认为,影响区域地壳稳定性的因素有:区域所处的大地构造位置、现今构造应力场的作用、地壳结构、新生代地壳升降速率、断裂活动性、地震活动、工程地质岩组、地温变化梯度、物理地质作用(外动力地质作用)等。所有这些因素都是相互关联的,特别是断裂活动性和地震活动的关系更为密切,对区域地壳稳定性的影响也更为显著和直接。以下主要结合滇藏铁路沿线及周边的地质环境进行区域地壳稳定性相关因素分析。

一、地质构造

地质构造是指历史时期的构造活动和现今构造活动形成的构造格局。在区域地壳稳定性评价中,各类地质构造特别是活动断裂的现今活动情况是需要重点考虑的因素。活动断裂对地壳稳定性的影响主要表现在2个方面:一是断裂活动切断地壳岩层,使相邻块体产生差异运动,引起其上建筑物破坏;二是活动断裂与地震活动密切相关,地震往往是沿活动断裂发生,受活动断裂控制。深部构造也是控制地壳稳定性的重要因素。在以往的地壳稳定性评价中,人们非常重视深部地球物理资料的研究和利用,以此为依据进行深部构造的识别,这种思路是非常正确的。随着深部地球物理和地质研究程度的提高,深部构造的确定可以充分利用地质和地球物理的综合研究成果。

对活动断裂而言,区域地壳稳定性评价需要考虑3个参数:一是断裂活动时间;二是断裂活动速率;三是断裂切割深度。滇藏铁路沿线主要活动断裂基本特征如表3-6所示。

1.断裂活动时间

综合分析我国目前有关活动断裂资料及滇藏铁路沿线活动断裂研究成果认为,活动断裂是以深大断裂的现代复活运动为基础的地壳现代活动带。它的最主要特征是第四纪以来反复活动,尤其是晚更新世(Q3)、全新世(Q4)以来活动不止,甚至加剧。从工程观点出发,工程活动断裂对工程影响最为直接和明显(表9-1)。因此,断裂最新活动时间是影响地壳稳定性的重要参数之一。

表9-1 活动断裂的活动时代及工程地质意义

2.断裂活动速率

活动断裂的活动,不管是缓慢滑动还是急剧错动都会使断裂两盘产生相对运动,这种相对运动的速度是衡量断裂活动性的重要指标,也是地壳稳定性评价的重要参数。不同学者对这一指标的称谓不尽相同,如“位移速度”、“滑移速率”、“位错速率”和“活动速率”等。考虑到它是衡量断裂活动性的指标,本书采用“活动速率”来称之。另一方面,断裂活动一般经历了漫长的演化过程,根据地质和仪器测量,可以获得活动断裂第四纪、历史时期和现代的活动速率。我们在国内外活动断裂划分方案综合分析的基础上,提出了比较适合工作区特点的活动断裂划分方案(详见第三章第二节),即:首先根据活动时代进行活动断裂分类,然后根据活动速率和历史地震震级进行活动强度划分,前第四纪和早—中更新世断裂属于不活动-弱活动断裂,晚更新世和全新世断裂按照位移速率和诱发地震震级进行细分,划分为弱活动、中等活动、较强活动、强活动四类(表3-5)。

3.断裂切割深度(深部构造)

张文佑(1975)根据切割深度将断裂分为4类:①岩石圈断裂、②地壳断裂、③基底断裂、④盖层断裂。深断裂是指切割深度达到康氏面或者更深的断裂,即岩石圈、地壳和基底断裂。断裂的切割深度和深断裂的特殊部位是深断裂现代活动程度的内在因素,也是形成地震的重要因素。高能量的地震震源均产生于深断裂内,产生大地震的活动断裂是沿着近代活动的深断裂和新生代以来形成的深断裂发育,断裂延伸越长,切割深度越大,地震的震源规模和震级也就越大。盖层断裂,尤其是与深断裂无成因联系的盖层断裂,一般仅形成M<3.0级的微震;部分基底断裂构成小震、微震(Ms<5.0)的发震构造,而规模大、活动性强的基底断裂在特殊地段也可形成中强震;地壳断裂和岩石圈断裂是强震发生的可能地段,其具体部位是与新生代乃至现代活动或断续活动的地段相吻合。断裂规模和切割深度是控制地壳近代活动性、地震带的极重要因素。因此,对于发震断裂,除考虑地震强度(震级)和频度(地震活动周期)外,还需要考虑同地震活动直接相关的发震断裂规模(表9-2)。

二、地震活动

地震是影响区域稳定性最重要的因素之一,也是对工程建设破坏最大的因素之一。区域稳定性研究必须考虑地震对工程区地壳和地质体稳定性的影响。通常,反映地震活动程度的指标有地震的震级、基本烈度和地壳应变能。地震的震级和地壳应变能反映了地震的大小和能量,是反映地震的一个重要指标。地震烈度是一个地区遭受地震作用引起工程建筑破坏的程度,与地震的大小和能量有着密切的关系。随着地震记录的不断积累以及地震地质研究程度的不断提高,基于地震和地震构造研究的潜在震源区划分,对区域上地震的分布规律有了更接近实际的反映,因此潜在震源区的划分及其地震水平的分区评价既能反映所在区域的历史地震情况,又能反映未来地震的趋势,具有一定的预测性(表9-3),因此基于潜在震源区的地震活动强度水平成为区域地壳稳定性评价考虑的重要因素。

表9-2 活动断裂切割深度与地震活动特点

表9-3 地壳稳定性评价中的地震指标分级

三、新生代地壳升降速率(地形变场)

地形变场包括地壳水平形变和垂直形变两个方面。第四纪或新近纪以来的地壳相对升降量或升降速率与地壳结构、应力状态和岩石圈动力条件密切相关。根据以往研究成果,垂直差异运动大的活动带常是地震带,大面积地壳均匀上升区常是地壳稳定区,相对沉降地带大多是地壳稳定条件差的地区,因此在地壳稳定性评价中需要重点考虑。在青藏高原东南部,活动断裂通常表现为水平运动为主,这在一定程度上反映了地壳水平形变场的变化,即活动断裂活动性强的部位应该是水平应变梯度值高的区域,故水平应变场可以通过活动断裂的活动性加以反映,不再单独考虑。地壳相对升降速率与地壳稳定性等级具有密切的关系,应作为稳定性评价指标(图7-5)。

四、地应力场

地应力场包括地应力的大小、性质和方向,地壳现今应力场的特征和量级是论证区域地壳稳定性的重要基础。构造活动的强度和性质与地应力的大小和方向密切相关,构造应力的积累、集中和释放过程与地震活动密切相关,构造应力场的作用控制着地震活动,地应力集中区往往是地震活动区。目前,确定现今地应力的大小和方向有许多方法,如震源机制解法、现场地应力测量法、地质构造分析法和地应力模拟等。但是,不管采用上述什么方法得到的地应力状态,要么可能缺乏区域性规律,要么可能只具有相对概念,有时基于构造分析得出的应力方向会有一定偏差。近年来,GPS位移监测数据的获得,为较客观地评价地应力场成为可能。因此,本次研究提出将GPS位移速率作为已知条件,采用有限元方法模拟地应力集中的强度(详见第七章)。由此得出的应力为地壳块体相对运动产生的应力增量,是导致地壳破裂和断裂活动及地震活动的力源,因此也成为地壳稳定性评价的重要参数。

五、大地热流场(地热异常)

大地热流值直接反映地壳近代活动性。高热流值反映地壳深部热源距地表近,地壳上部受拉张应力,开放性良好,这些地区地壳活动性强。相反,热流值低的地方岩浆融熔体埋深大,地震活动性低,稳定条件良好。国内外许多实例表明,大地热流值与地震活动、地壳稳定性的关系极为密切,低热流值区是稳定条件良好的地区,高热流值区地壳稳定条件差。因此,大地热流值是判定地壳稳定性的重要因素。当然,在一些研究程度较低的地区,有时难以获得较高精度的大地热流值或地温变化梯度的空间分布特征,可以考虑采用相近的指标(如温泉的近地表温度等值线)来反映大地热流场的特征。

六、浅表层地质灾害易发程度

在高山峡谷地区,浅表层地质灾害现象(如滑坡、崩塌、泥石流等)不仅本身严重影响着工程的安全,有时还可以综合反映各类地质作用的强度。因此,不少研究者在地壳稳定性评价过程中,倡导适当考虑外动力地质作用的形式和强度。实际上,内外动力耦合作用产生的浅表层地质灾害极易形成灾害链,阻断交通并造成巨大的经济损失和人员伤亡,2008年5月12日四川汶川8.0级地震造成的次生地质灾害充分说明了这一点。野外地质调查和前人成果综合分析表明,尽管历史上滇藏铁路沿线内动力作用诱发的次生地质灾害很难确认,但是一些大型滑坡、崩塌、泥石流灾害的分布往往与构造作用密切相关(图9-1)。

图9-1 滇藏铁路沿线大型地质灾害分布及发育程度分区图

七、岩性特征

地质体的特征(岩性和岩体结构)也是影响区域地壳稳定性的重要因素之一。岩性和岩体结构不同,不仅影响建筑物地基或边坡的稳定性,而且在各种影响区域稳定性的动力因素作用下,特别是在地震作用下,地面震害程度与场地岩性和岩体结构之间的关系密切。因此,在地壳稳定评价过程中划分工程地质岩组是非常必要的。

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