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地质灾害预报预警与应急指挥 D I Z H IZ A I H A IY U B A OY U J I N GY UY I N G J IZ H I H U I 及综合防治实务全书 J IZ O N G H EF A N G Z H IS H I WUQ U A N S H U 主编 廖育民 哈尔滨地图出版社 哈尔滨 前 言 我国地质灾害种类繁多，分布面广，是灾情最为严重的几个国家之一。 随着经济的发展和自然环境的破坏，地质灾害发生的频度和规模有逐年增加 的趋势，这给人民群众的生命财产安全造成了极大的威胁。加强防灾减灾工 作已成为促进经济建设和维护社会安定的重要任务。我国政府非常重视防灾 减灾工作，并为此成立了专门的领导机构，落实了各项措施。多年的抗灾救 灾经验告诉我们，只有认真贯彻执行 “以防为主、防治结合 ” 的方针，加强 对各种地质灾害的监测，注重对地质灾害的危险性进行评价，积极开展地质 灾害预报预警工作，对可能发生的地质灾害进行预防与治理，对突发性灾害 建立防治应急指挥系统，才能将地质灾害造成的损失降低到最低程度。 为了提高地质灾害预报预警和应急反应能力，我们组织多位专家精心编 写了 地质灾害预报预警与应急指挥及综合防治实务全书。全书分上、中、 下三卷，共八篇，分别是地质灾害预报预警与应急指挥；泥石流地质灾害 综合防治；崩塌地质灾害综合防治；滑坡地质灾害综合防治；地裂缝地质灾 害综合防治；岩溶地面塌陷与地面沉降综合防治；海水入侵地质灾害综合防 治；其他地质灾害综合防治。 由于时间仓促，加之编者水平有限，不足之处，尚祈广大读者批评指 正。 本书编委会 2 0 0 3年7月 编 委 会 主 编廖育民 编委会成员 安国锋 李俊民 陈湘平 张胜中 张鹏飞 崔红霞 雷月华 路仕林 戴必文 马 峰 王长银 王 平 王明华 毛光远 龙志强 刘长风 许冠雄 张立荣 张 基 陆 飞 李树青 赵玉琴 第 一 篇 地质灾害预报 预警与应急指挥 第一章 地质灾害基本理论 第一节 地质灾害概述 一、地球简介 （一 ） 地球的构造 研究表明，地球不是均质体。其物质组成的分布呈同心圈层结构，大致以地壳表层 为界分为地球的内部圈层和外部圈层。内部圈层和外部圈层又可进一步划分为几个不同 的圈层，每个圈层都有自己的物质动物特征和物理、化学性质、对地质作用各有程度不 同的、直接或间接的影响。 1 ．地球内圈的划分及其主要特征 （ 1 ） 地球内圈的划分 地球内圈即地球内部的圈层。地球内圈直接的观测资料较少，目前，最深的钻孔也 仅一万多米。对地球内部构造的研究主要是利用地球物理学和天体物理学的资料，得出 较为确切的内部圈层构造模式 （ 表1 － 1 －1 ）。表1－ 1 －1中各参数的得出依据是 ①根据地震波的研究将地球内部划分为若干个圈层。 ②根据重力资料结合地震波研究得出的纵波速度 （ V p ）、横波速度 （ V s ） 和深度， 可求出各圈的密度分布。 ③根据横波的有无及波速的变化，推断出各圈层的物态 （ 固态、塑性状态和液态） 。 ④由波速及介质的弹性参数可求出重力值及压力值。 ⑤根据各圈层的密度、波速及其与岩石性质之间的关系，结合陨石和矿物岩石的高 温高压实验等，推断各圈层的物质组成。 ⑥根据各圈层的物态推断该处岩石的熔点，再结合已知的地热流数据和岩石导热性 推算各圈层的温度。 根据地震波速度的变化特征，可以将地球内部划分出两个最明显，也是最重要的界 3 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 面，即莫霍面和古滕堡面。根据这两个界面，地球内部划分为地壳、地幔和地核三个一 级圈层。 表1 － 1 － 1 地球内部圈层和物理数据 莫霍面是南斯拉夫地球物理学家莫霍罗维契奇于1 9 0 9年首先发现的，是地壳与地 幔的分界面。由于地壳的厚度各地不同，所以莫霍面不是一个平坦的界面，而是高低起 伏的。在大陆上其深度约为3 3 k m左右；在大洋底则为1 1 ～1 2 k m。地震波在穿过莫霍面 时，波速突然增大，V p由6～ 7 k m ／ s左右突然增至8 k m ／ s 。 古滕堡面是美国地球物理学家古滕堡于1 9 1 4年提出来的，是地幔与地核的分界面， 4 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 位于地表下约2 9 0 0 k m处。地震波穿过此界面时波速突然降低，V p由1 3 ． 3 k m ／ s突然降 至8 ． 1 k m ／ s ，V s则降为零，表时横波消失。因此可推断古滕堡面以下的地核部分为液态 物质。 上述两个界面外，还有一些次一级的地震界面，它们是进一步划分二级或三级圈层 的依据。 2 ．地球内圈主要特征 （ 1 ） 地壳 地壳即A层，是地球最外的一个圈层。地壳的厚度变化很大，大洋地壳较薄，平 均厚7 k m，最厚处约1 1 k m，最薄处不足2 k m；大陆地壳较厚，平均厚3 5 k m，最厚外可 达8 0 k m，说明地壳下界是起伏不平的，厚的地方已陷入上地幔中。整个地壳平均厚度 约1 6 k m，只有地球半径的1 ／ 4 0 0，所以说地壳仅仅是地球表面的一层薄壳。 地壳由上、下两层组成 （图1 － 1－ 1 ），上地壳 （即A ′ 层） 叫硅铝层或花岗岩质层， 因其与以硅、铝为主的花岗岩质岩石一致。这一层只有大陆壳才有，大洋壳缺少此层， 在此呈不连续分布。下场壳 （即A ″ 层） 叫硅镁层或玄武岩质层，因其与由硅、镁、铁、 铝组成的玄武岩相当。大陆及大洋下面均有此层，呈连续分布，但陆壳硅镁层成分不如 洋壳硅镁层均匀，混合有大量变质程度很深的中酸性成分。 图1 － 1 － 1 地壳结构示意图 地壳表成长期与大气和水接触，遭受各种外力地质作用的改造，形成了一层沉积 层，其厚度变化较大，最厚可达1 0 k m，平均厚度1 ． 8 k m，局部地区缺失。 （ 2 ） 地幔 地球内部位于地壳与地核之间的构造层为地幔，也叫中间层，即 B、C、D层，介 于莫霍面和古滕堡面之间。厚2 8 0 0 k m以上，体积约占整个地球的8 2 ． 3 5 ％，质量占整个 地球的6 7 ． 8 ％，是地球的主体部分。根据地震波速度变化特征，将地幔在地下1 0 0 0 k m 处分为上、下两层。 上地幔 （ B、C两层 ） 的平均密度为3 ． 5 g ／ c m 3。根据密度、波速以及地质和陨石等 5 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 资料，上地幔的物质成分基本上相当于含铁、镁很高的超基性岩，称为地幔岩。 上地幔中地震波速度变化较为复杂，表明其物质状态是多变的。深度在6 0～4 0 0 k m 范围内，地震波速度下降，在4 0 0 k m以下速度又逐渐上升，其中在1 0 0～1 5 0 k m深处降 至最低，形成低速带。低速带的边界不像其它圈层那样清晰，尤其是底界的深度不很确 定。一般认为，低速带是由于该带内温度增高至接近岩石的熔点，但尚未熔融的物态引 起的。低速带内有些地区域横波不能穿过，表明该区域的温度已达到岩石熔点以上而形 成液态区，可能是岩浆发源地。由于低速带塑性较大，为上部固态岩石的活动创造了有 利的条件，因此，构造地质学中将低速带称为软流圈，其上由固态岩石组成的地壳和上 地幔的B层合称岩石圈。 下地幔 （ D层） 密度较高，达5 ． 1 g ／ c m 3 以上，深度从1 0 0 0～2 9 0 0 k m，地震波速度 增加较慢，可以认为是压力增加而成分均匀的缘故，其物质成分一般认为仍是以铁镁硅 酸盐矿物为主，其化学成分与上地幔无明显差别。 （ 3 ） 地核 自古滕堡面以下至地心的地球中心部分为地核。其厚度为3 4 7 3 k m，占地球体积的 1 6 ． 3 ％，占总质量的1 ／ 3 。根据地震波速度变化，可将地核分为外核、过渡层、内核三 层。 外核 （ E层） 平均密度约1 0 ． 5 g ／ c m 3 ，厚度1 7 4 2 k m。由于纵波速度急速降低，横波 不能通过，证明外核是液态物质，温度超过了岩石的熔点。 过渡层 （ F层） 厚度只有5 1 5 k m，波速变化复杂，并测到速度不大的横波，可能是 液态向固态过渡的一个圈层。 内核 （ G层） 厚1 2 1 6 k m，平均密度1 2 ． 9 g ／ c m 3 。测得纵波与横波，从地面接收到的 横波是由纵波转换形成的，因此，肯定内核是固体。 （二 ） 地球外圈的划分及其主要特征 1 ．地球外圈的划分 地球外部圈层是指包围地球表层的地球组成部分。根据其物理性质和状态的差异可 分为大气圈、水圈和生物圈，它们包围着地球，各自形成连续完整的外圈层。地球外圈 的形成是地球长期演化的结果。大气圈和水圈的形成先于生物圈，尔后才开始有生命的 滋生和生物界的发展，而生物圈的形成又对大气、水及地球表层的演变产生巨大的影 响。 由于地壳的运动，给地球外圈增添了许多来自地球内部的物质成分；而外圈又在太 阳能的作用下对地球表层的面貌不断进行改造。许多重要矿产如煤、石油、岩盐、石膏 和大部分的铁、铝等等的形成都与这一过程密切相关。 2 ．地球外圈的主要特征 （ 1 ） 大气圈 6 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 大气圈由包围在地球最外部的气体组成。厚达几万千米，总质量约为5 ． 3 1 0 1 8 k g ， 约为地球总质量的百万分之一。由于受地心引力作用，地球表面大气最稠密，几乎全部 大气集中在距地面1 0 0 k m以内的高度范围，并且其中3 ／ 4又集中在1 0 k m的高度范围内。 因此，接近地面的大气密度最大，向外，大气密度逐渐稀薄，最后过渡为星际气体，因 而大气圈的上界没有明显的界限。 接近地表的大气压力也最大，随高度的增加大气压力减小。海平面平均气压约为 1 ． 0 1 3 M P a ，至2 0 k m高度，大气压力约为地面压力的1 ／ 1 0 。 大气温度随高度的增加而呈不规则的变化。在距地面约1 0 k m高度内，温度随高度 增加而下降；在1 0～ 5 0 k m高度内，温度则随高度的增加而增高；在5 0～8 0 k m高度内， 温度又随高度的增加而降低，最低可达－ 1 0 0℃，在8 0～5 0 0 k m高度内，温度又随高度 增加而增高； 5 0 0 k m高度以外为等温。 大气的成分随高度的不同也发生变化。1 0 0 k m以下的大气即通常所谓的空气由1 8 种气体混合而成，主要成分为氮和氧 （表1 －1 － 1 ） 。其中C O 2、O3、H2 O等次要成分对 地质作用有较大意义。 低层大气中除气体外，还含有微量不定的大气微粒，包括液滴和固体粒子，其来源 有陆地的岩石、矿物、土壤的尘粉，海洋的盐粒和生物的孢子、花粉等。它们虽然在含 量百分比上没有多大意义，但大气中的水汽可借助它们凝结成雾、云、雨、雪，形成各 种天气现象。因此，大气微粒对地表的气象变化起重要作用。 表1 － 1 － 2 低层大气成分百分比 N 2 O 2A r C O 2 体积％7 8 ． 0 8 42 0 ． 9 4 60 ． 9 3 40 ． 0 3 3 质量％7 5 ． 5 2 32 3 ． 1 4 21 ． 2 8 00 ． 0 5 N eC H4O3H2O其他 体积％1 8 1 0 － 4 1 ． 8 1 0 － 4 1 1 0 － 5 0 ． 0 1 0 ～ 2 ． 80 ． 0 0 1 质量％1 3 1 0 － 4 1 1 0 － 4 2 1 0 － 5 0 ． 0 0 6 ～ 1 ． 70 ． 0 0 5 根据大气温度、密度等物理特征，可以将大气圈自地球表面向外依次分为对流层、 平流层 （或同温层） 、中间层、热层 （电离层） 和散逸层 （图1－ 1－2 ）。其中，与人类 及地质作用最密切的是对流层，其次是平流层。 对流层位于大气圈的最下部，自地表至平流层底界。其厚度在赤道地区最大，约为 1 7 k m；两极最薄，约为8 k m；平均为1 0 ． 5 k m。 对流层中的氮和氧约占9 8 ． 5 ％。氮是植物制造蛋白质的主要原料；氧是生命活动 7 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 的必要条件，也是促进岩石等氧化分解的重要成分。二氧化碳的平均含量为0 ． 0 3％， 集中在大气圈底部，主要来自有机物的氧化和生物的呼吸。它强烈地吸收地面长波辐射 并放出热量，对地表起着一种保温作用，同时它也是促进岩石分解的重要因素之一。水 汽含量的变化很大，一般为0 ％～4 ％，为大气的不定组分，主要来自水圈的蒸发。水 汽可以保护大气的湿度，并能吸收地面长波辐射的热能 （类似于二氧化碳的保温作用） 。 水汽在物态变化过程中要放热或吸热，从而使地面的昼夜温差减小，保持大气和土壤中 的温度；水汽还是形成对流层中各种气候变化的重要成分。可见对流层的各种组分对外 力地质作用都有着直接或间接的影响。 图1 － 1 － 2 大气圈的分层 对流层的温度主要来自地面的红外辐射。这种辐射是由太阳光辐射加热地表后再辐 射出来而产生的。因此，对流层的气温随高度增加而降低，平均每升高1 0 0 m气温降低 0 ． 6℃。地面空气经加热而上升，引起大气的对流，大气对流是对流层最重要的特征， 它导致各种气象现象 （如风、雨、雷电、雪等） 的发生。对流层直接影响大气圈下生物 的生长和对地球表层的改造，是大气圈中产生地质作用的重要圈层。 平流层是从对流层顶到5 0 k m高度范围的大气层。平流层的气温随高度的增加而增 加，甚至达到0 ℃以上，这说明它已不受地面热辐射的影响，增温的原因是由于层内臭 氧的存在。臭氧是由氧分子受太阳紫外线辐射而分离成氧原子，多数氧原子又结合成氧 分子，还有少数氧原子与氧分子结合而形成臭氧。位于平流层内的臭氧层厚度约2 0 k m， 分布在1 5 ～3 5 k m的高空范围内。平流层气温的增高正是由于臭氧吸收了太阳大量的紫 8 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 外线辐射而使大气温度升高，形成了下冷上热的温度分布。这种温度分布使平流层大气 没有垂直的对流运动，只有水平的流动。同时，由于臭氧层中的臭氧吸收了太阳辐射中 大量的紫外线，保护了人类和动、植物的生存，成为生物圈的天然保护伞。 （ 2 ） 水圈 水圈是地球表层水体的部称。水体是指由天然或人工形成的水的聚积体，例如海 洋、河流 （运河）、湖泊 （水库） 等。海洋是水 圈中最大 的水体，占水 圈总水量的 9 6 ． 5 ％，冰川、永久积雪及永久冻土层的地下冰约占1 ． 7 6 ％，其余则以河流、湖泊、沼 泽、地下水、土壤水及大气水的形式分布。这些水体包围着地球，构成一个断断续续的 圈层。生物圈中的水仅占全球总水量的0 ． 0 0 0 1％，一般不作为水圈的组成部分。 水圈中各种水体的分布见表1 － 1－ 3 。 表1 － 1 － 3 地球水圈的构成 水 体 面积 k m 2 体积 k m 3 平均深度 m 水圈总水量 ％ 海洋3 6 1 3 0 0 0 0 01 3 3 8 0 0 0 0 0 03 7 0 09 6 ． 5 地下水1 3 4 8 0 0 0 0 02 3 4 0 0 0 0 01 7 41 ． 7 土壤水8 2 0 0 0 0 0 01 6 5 0 00 ． 20 ． 0 0 1 冰川和永久积雪1 6 2 2 7 5 0 02 4 0 6 4 1 0 01 4 6 31 ． 7 4 永久冻土层和地下冰2 1 0 0 0 0 0 03 0 0 0 0 01 40 ． 0 2 2 湖泊2 0 5 8 7 0 01 7 6 4 0 08 5 ． 70 ． 0 1 3 沼泽2 6 8 2 6 01 1 4 7 04 ． 2 80 ． 0 0 0 8 河流1 4 8 8 0 0 0 0 02 1 2 00 ． 0 1 40 ． 0 0 0 2 大气水5 1 0 0 0 0 0 0 01 2 9 0 00 ． 0 2 50 ． 0 0 1 合计5 1 0 0 0 0 0 0 01 3 8 5 9 8 3 4 9 02 7 1 81 0 0 陆地水和海洋水是水圈的两大组成部分。海洋水为水圈的主体，它与陆地水的物质 成分和物理性质有很大差别。陆地水总体上虽然较海洋水少得多，但它们广泛分布于陆 地上，活力大，对陆陆地形的改造起重要作用。 海水含盐度高，平均约为3 5 ‰。以氯化物 （ N a C l 、M g C l 2等） 为主；大陆水体含盐 度低，平均小于1 ‰，以重碳酸盐C a〔 H C O 3 〕 2为主。 水圈中的海洋水在太阳辐射能的照射下，大量蒸发，形成水蒸气，进入大气圈的对 流层中，随空气对流带至大陆上空，凝结降落。地面降水在重力作用下沿地面或渗入地 下流入海洋，于是在海陆之间形成了水的循环。由于水分的不断循环，加之地形的影 响，便在大陆上形成了河流、湖泊、地下水、沼泽以及冰川等不同特征的水体，这些水 9 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 体在运动过程中不断改造地表，并且塑造出各种各样的地表形态。同时水圈也为生物的 生存、演化提供了必要的条件。 （ 3 ） 生物圈 生物圈是地球上生物生存和活动的范围，包括动物、植物和微生物。生物分布很 广，在大气圈1 0 k m高空，地壳3 k m深处，以及深海底部都发现有生物存在。因此，生 物圈与大气圈、水圈及地壳之间的界线并不是截然分开的。生物在地球上的分布虽广， 但大量生物多集中在地表和水圈上层，特别是阳光、空气和水分充足而温度又适宜的地 区，包围着地球，形成一个完整的封闭面。生物圈的总质量为1 1 4 8 0 0亿t 。 自地球上出现生物以来，通过其生命过程的光合作用和呼吸作用，使碳、氢、氧、 氮及一些金属元素产生复杂的化学循环，形成一系列生物地质作用，从而改变地球表面 物质成分和结构，但具体过程尚不十分清楚，有待今后进一步深入研究。 在生物圈中，最富活力的是微生物，它们有惊人的繁殖力。在适宜的环境条件下， 硅藻每小时即可增加一倍，照此速度八天内分裂的物质质量就与地球的质量相当；同 样，一个细菌在四天半的时间内便可繁殖1 0 3 6个，完全可以将整个海洋填满，只是由 于它们聚积到一定稠密度时，因得不到必需的养分而停止繁殖。在地质作用中，细菌活 动的踪迹随处可见，因此，对细菌的作用不可忽视。 （二 ） 地壳的物质组成 1 ．地壳的化学成分 地壳和其它物体一样，其基本组成是各种元素。研究地壳中的化学成分及各种元素 在地壳中的分布规律，也是地质学的重要课题之一。迄今为止，地壳中已发现的元素共 有几十种，但它们的分布极不均匀。从1 9世纪以来，许多学者从世界各地采集了具代 表性的岩石标本进行定量分析，确定各元素在地壳中的含量。美国人克拉克 （ F．W． C l a r k ） 在大量工作基础上最早提出了地壳中各类元素分布的百分含量 （ 即丰度 ） 表，后 来为纪念他，国际上将某种元素在地壳中分布的重量百分比叫做克拉克值。地壳中各种 主要元素的克拉克值见表1 －1 － 4 。 表1 － 1 － 4 地壳中主要元素的克拉克值 氧O4 6 ． 9 5钠N a2 ． 7 8 硅S i2 7 ． 8 8钾K2 ． 5 8 铝A l8 ． 1 3镁 M g2 ． 0 6 铁F e5 ． 1 7钛T i0 ． 2 6 钙C a3 ． 6 5氢H0 ． 1 4 从表中可以看出，各种元素在地壳中的分布极不均匀，相差很悬殊，如氧 ／氢的含 01 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 量比达3 3 5之多，其它元素的含量比更大，可达成千上万倍；仅氧、硅、铝、铁、钙、 钠、钾、镁八种元素的重量就占地壳总重量的9 9 ％以上，这些元素是地壳中各种岩石 的基本成分，另外的8 4种天然元素的重量总和还不足地壳总重量的1 ％。但必须注意 元素的克拉克值并不能完全反映它在地壳中局部地方的富集情况。如铁、铝等元素，克 拉克值大，容易富集成矿；但有些元素的克拉克值大小却不能反映它在局部的富集情 况，如锆的克拉克值比铅大1 2倍，钛的克拉克值比锌大1 2 0倍，但锆和钛却较分散， 不易集中，而铅和锌却比较易于集中富集成矿。所以元素富集成矿的情况，除了与其在 地壳中的克拉克值大小有关外，还与地质作用和元素的化学性质有关。 2 ．矿物 矿物是在地质作用下形成的自然元素的单质或化合物。它是地壳中岩石的基本组成 成分，除少数天然矿物是由一种元素组成的单质外，大多数都是由两种或两种以上的元 素按一定比例组成的化合物；而且绝大多数矿物都为固态，仅少数的几种矿物为液态或 气态。矿物都有一定的物理性质和化学性质。 矿物按其化学成分和晶体结构可将其分为五大类即自然元素类、硫化物及其类似 化合物类、卤化物类、氧化物和氢氧化物类、含氧盐类。 目前已发现的矿物种类多达3 0 0 0多种，但构成岩石的主要矿物仅有二、三十种， 我们把这些种类不多，又大量出现并构成岩石的主要矿物叫做造岩矿物。它们以硅酸盐 矿物为主，多为非金属矿物，约占地壳总重量的9 0％以上；对那些种类繁多，但数量 不多在一定地质作用下能聚集成矿床的矿物，称为有用矿物的 （也称矿石矿物），有用 矿物多为金属矿物。 3 ．岩石 岩石是矿物的天然集合体，它是地壳的直接组成成分。有些岩石是由一种造岩矿物 组成，如纯洁的大理岩完全由方解石组成；但大多数岩石都由两种或两种以上的矿物组 成。地壳中的岩石类型较多，按其成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。在地 表，沉积岩的覆盖面积占总面积的7 5％，岩浆岩和变质岩仅占2 5％。但就整个地壳来 看，沉积岩仅占地壳总体积的5％，岩浆岩和变质岩却占了9 5％。说明由地表向下沉积 岩的分布逐渐减少。 二、地质作用 （一 ） 地质作用的含义 地壳自形成以来，一直在不停地运动、发展和变化着，人们把引起地壳的物质组 成，内部结构和表面形态不断运动、变化和发展的各种自然作用称为地质作用。地质作 用是一极其复杂的过程，有些进行得很快，易于直接观察如地震，火山喷发等，但大多 11 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 地质作用进行得极其缓慢，不易察觉，如地壳运动，即使在活动强烈地区，其活动速度 也不过每年几毫米。地质作用的结果，可引起海陆分布的变迁；形成千姿百态的地貌景 观。地质作用也促使着各种岩石、矿物的形成与破坏，不断地对地壳进行着建造和改 造。 （二 ） 地质作用的能量来源 任何地质作用都要消耗能量，根据引起地质作用的能量的来源和特点，可将其分为 内能和外能两大类， 1 ．内能 是指来自地球内部自身的能量。主要有以下几个方面 （ 1 ） 重力能即地心引力给予物体的能量。 （ 2 ） 放射能即放射性元素衰变产生的热量，这种热量是巨大的，它是地热的主要 来源。地球内部是一个巨大的热库，估计地心的温度可达5 0 0 0～ 6 0 0 0 ℃，它每年释放的 热量相当于三百亿t煤燃烧释放出的热量。 （ 3 ） 旋转能地球自转的离心力给予地表物体的能量。 （ 4 ） 结晶能和化学能即物质结晶相变产生的能与地壳与地幔、上地幔与下地幔等 不同圈层之间化学成分转变产生的能。 2 ．外能 是指来自于地球以外的能量，主要包括 （ 1 ） 太阳辐射能是地球表面最主要的能源，是形成地面流水和大气运动的主要动 力。 （ 2 ） 日月引力能日月引力可形成潮汐，还可在地球固体表面形成固体潮，仅潮汐 每年就要释放巨大的能量。 （三 ） 地质作用的类型 1 ．内力地质作用 主要由地球旋转、重力、放射性元素蜕变、地热以及结晶相变、化学性质活泼的流 体等在地球内部产生的动力，促使地壳或岩石圈的物质组成、内部构造及外部形态发生 变化的过程称为内力地质作用。按作用的性质和方式，内力地质作用可分为构造运动、 地震作用、岩浆使用和变质作用等。 （ 1 ） 构造运动 由地球内动力引起地壳 （或岩石圈） 组成物质变形变位的机械运移过程称构造运 动。构造运动控制着地表海陆分布的轮廊和地形，改变着岩石的原始产状，形成形式多 样的地质构造及其组合。根据构造运动发生的时期，又将发生在晚第三纪末以来的构造 运动称为新构造运动，其中人类历史时期至现代的新构造运动，还称为现代构造运动。 21 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 ①构造运动的普遍性和长期性 地球形成以来，其组成物质的各质点和各部分都处于不断运动中。空间上，表现为 局部区域的上升或下降、挤压或引张等；时间上，无论是古老的还是最新的岩石，都保 存有构造运动的各种痕迹。如岩层变形变位形成的各种构造形态、第三纪以来地貌的形 成和变迁等。 ②构造运动的方向性 构造运动可分为升降运动 （ 造陆运动） 和水平运动 （造山运动） 两种基本形式。 a ．升降运动 升降运动是地壳或岩石圈组成物质沿地球半径方向的上升或下降运动。它主要造成 地壳大规模的隆起和坳陷，引起地势高低变化及海陆变迁等。 世界上反映升降运动最著名的实例是意大利那不勒斯海湾波族奥里城北一座地狱神 庙遗址前保存的三根高1 2 c m 的大理石柱。石柱下部3 ． 6 m 长柱段表面较光滑，其上 2 ． 7 m长柱段被海生动物蛀蚀出无数的梨形小孔，上部5 ． 7 m柱面仍洁白无瑕，但不甚光 滑 （图1 －1 － 3 ） 。 图1 － 1 － 3 意大利波族奥里小城镇遗址中的大理石柱素描图 据考证，该庙在公元初期还位于陆上，1 5 3 8年维苏威火山喷发时被火山灰沉积掩 埋了石柱下部的3 ． 6 m；后因地壳下降运动使石柱沉至海面以下6 ． 3 m；至1 8世纪中叶石 柱又随地壳上升到地面；以后又开始下降，1 8 7 8年海水淹没柱高0 ． 6 5 m，1 9 1 3年为 1 ． 5 3 m， 1 9 3 3年为2 ． 0 5 m， 1 9 5 4年为2 ． 5 m，至1 9 7 6年达3 ． 5 m，表明那不勒斯海湾近代 正处于交替的升降运动中。这种依据人文及考古资料研究确定的升降运动实例很多，尤 其是近海岸地带。如我国海南岛琼山县东寨港见到的水井及1 9 1 1年清代的坟墓已被海 水淹没。据统计，这里近7 0 a来每年平均下降幅度为1 ． 5 ～ 2 c m，而广州七星岗保留着完 好的海蚀阶地 （图1 －1 － 4 ） 。 31 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 图1 － 1 － 4 广州七星岗海蚀阶地 b ．水平运动 水平运动是地壳或岩石圈物质沿地球切线方向的运动。它使地壳受到挤压、拉伸或 平移，甚至旋转扭动，产生褶皱或断裂，在地表形成山脉或盆地。 现代水平运动的典型例子是美国加里福尼亚的圣安德列斯断层带。该处在1 8 8 2～ 1 9 4 6年的6 5 a中作了四次定时测量，各三角点水平位移矢量如图1 －1 －5所示。由图可 知，断层两盘主要向北西方向相对位移，并伴有一定的旋转，年平均移动速度约为 1 c m。近几年，美国使用轨道卫星和激光速测定，发现该断层两盘每年正以8 ． 9 c m的速 度靠拢。 图1 － 1 － 5 旧金山附近三角测量点的相对位移 ③构造运动的幅度 构造运动的幅度有大有小且相互交替，反映出构造运动速度快慢的相互交替。运动 41 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 幅度与方向有关，如果有长时期内升降运动一直以上升或下降为主，或者水平运动总向 某一主导方向运移，则幅度就大。如喜马拉雅山自开始抬升以来一直以上升运动为主， 幅度已超过1万 m；印度大陆西侧近南北向的基尔塔尔平移断层，两侧反时针错移达 4 6 0 k m；据推测，我国郯城庐江大断裂两侧相对错移也在1 5 0 k m以上。 现代构造运动的方向和速度可通过定时、定点大地测量来测定。地史时期构造运动 的方向、幅度和速度，主要靠成层岩石的岩相及古生物化石组合、构造形态及组合等来 推断。如升降运动的幅度，主要依据沉积厚度推测，沉积厚度是地壳下降幅度的标志。 在构造地运动相对平静时期，一定沉积环境的沉积厚度有一极大值，如浅海沉积约为 2 0 0 m，河流沉积应为洪水期主河道的深度。但在许多地区都发现岩相不变而沉积厚度 大大超过沉积盆地深度的现象。如华北燕山震旦纪浅海相沉积厚度达万余米，表明该地 当时地壳处于持续下降运动中。因此，如果地质剖面中一定时期的岩相基本稳定，沉积 厚度可大致作为该时期地壳下降的幅度 （图1 －1－ 6 ）。地壳上升幅度的确定较为困难， 一般只能依据邻区的资料推定。如同一沉积区，若 A地保存有某一时期厚1 0 0 m的沉积 岩层，而B地沉积岩层缺失，则可推定该时期B地相对上升了1 0 0 m左右。当然，这种 推测是十分粗略的。 图1 － 1 － 6 沉降幅度与沉积厚度关系示意图 A 浅海盆接受沉；B 海盆保持浅海深度，地壳下降，沉积厚度为h 1 ； C 海盆仍保持浅海深度，地壳继续下降，又沉积了h 2，海盆沉积 总厚度＝ h 1＋ h2（ 即地壳下降幅度 ） ④构造运动的阶段性和差异性 在地质历史中，构造运动通常表现为相对平静和剧烈时期的交替。在相对平静期， 构造运动的速度和幅度均较小；而在相对剧烈期，运动的速度和幅度均较大，显示了构 造运动的周期性和地质历史发展的阶段性。因而，影响广泛的构造是划分地层界限的主 要依据之一。 51 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 不同区域，构造运动的特点具有很大差异性。不能设想某次构造运动会同时波及全 球。即使同一区域，不同地史时期的构造运动特点也是很不相同的。地史记录往往在时 空上呈现为继承与发展、相似与差异的对立统一。 经过各国地质工作者的长期观察研究，认为在地史上地球曾发生过几次较强烈、影 响范围较广泛的构造运动，且每次强烈运动的时期在各地是大致相当的。主要有加里东 运动、海西运动、印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动等。 （ 2 ） 地震作用 地震是构造运动的综合表现形式之一，它是岩石圈内积聚的能量骤然释放而引发的 大地震颤。按其发生的原因可分为陷落地震、火山地震和构造地震三类。其中构造地震 约占地震总数的9 0 ％以上。世界上绝大多数地震，尤其是大地震都是构造运动引发的。 构造地震具有活动频繁、影响范围广、破坏性大和延续时间较长等特点，是地震研究的 主要对象。 ①地震的有关术语 a ．震源和震中 震源是地下深处能量积聚并发动地震的地方 （图1－1－7 ） 。震中是震源在地表的 垂直投影。它们都具有一定的空间范围，分别称为震源区和震中区。震中到震源的距离 为震源深度；震中和震源到任一地震台 （站） 的距离分别称震中距和震源距离。 图1 － 1 － 7 震源、 震中，震中距示意图 按震源深度地震可分为浅源地震 （ 0～7 k m ）、中源地震 （ 7 0～3 0 0 k m ） 和深源地震 （＞ 3 0 0 k m ）。据统计，大多数地震为浅源地震，约占地震总数的7 2 ． 5 ％。破坏性大地震 的震源深度多为1 0 ～ 2 0 k m，如我国通海地震、唐山地震，震源深度均在1 3 k m左右。 b ．地震波 地震时产生的波动称为地震波，它以弹性波的形式由震源向周围辐射传播。地震波 可分为体波和面波两大类。在地球内部传播的称为体波；体波辐射到地表 （或界面） 时，激发出沿地面附近传播的波称为面波。 61 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 体波按传播方向与介质质点振动方向的关系分为纵波 （ P波） 和横波 （ S波）。纵波 的传播方向与介质质点振动方向一致，它使介质质点间发生更替的张弛和压缩。纵波的 振幅小、周期短、传播速度较快，平均为5～6 k m ／ s 。横波的传播方向与介质质点振动 方向垂直，它使介质质点间发生切变。横波的振幅较大、周期较长，传播速度平均为3 ～ 4 k m ／ s 。 根据纵波和横波到达地震台 （站） 的时差，可以测定地震的震中距和震源距离，还 可依据3个以上地震台 （站 ） 的记录资料，确定震中位置和震源深度。 面波 （ L波） 亦可分为两种，一种是介质质点作垂直于地面的椭圆运动，形似水的 波浪；另一种是介质质点在地面附近作垂直于传播方向的运动。面波的传播速度最慢， 但其振幅最大、周期最长，因此是地震引起地表破坏的主要因素。 地震发生时，震中区地面的震动主要是上下的，震中区以远，纵波和横波分别以不 同角度与地面接触，加之面波的作用，使地表的震地极为复杂。 c ．震级和烈度 地震的震级和烈度是地震强度的两种表示方法。 震级是地震能量大小的量度。震源释放的能量越大，震级就越大。它是用地震仪记 录的地震波测定的，一次地震只有一个震级。强烈地震释放出的弹性波能量是十分巨大 的，如一次8 ． 5级地震的能量是3 ． 6 1 0 2 4 尔格，相当于1 0 0万k W 的大型电厂1 0 a发电 量的总和；一枚氢弹爆炸所释放的能量为41 0 2 2尔格，还不及一次8级地震所释放的 能量。迄今，世界上纪录到的最大地震是1 9 6 0年5月2 2日发生在智利海边的8 ． 9级地 震。需指出的是，震级与能量不是简单的比例关系，而是对数关系，震级相差一级，能 量约差3 2倍。 我国根据地震震级大小将地震分为小地震 （ M＜3 ） 、中等有感地震 （ 3≤M＜ 4 ． 5 ）、中强地震 （ 4 ． 5 ＜M＜ 6 ）、强烈地震 （ 6≤M＜7 ）、大地震 （ 7≤M＜8 ）、巨大地震 （ M≥8 ）。 烈度是指地表及建筑物遭受地震影响和破坏的程度。一般而言，地震震级大、震源 浅者烈度大；反之，烈度则小。而且同一次地震，震中区烈度最大，远离震中区烈度渐 次减小。但由于影响地震烈度的除震级和震源深度外，还有震区地质构造、建筑物地基 及结构等多种因素，造成离震中区同样距离的地区烈度却有很大差异的景象。一般断裂 发育或古河道通过的地带烈度大些，地基稳固的地带烈度小些。 我国现在采用的是1 2度烈度表，概略为 3度以下通常人无感觉，只有地震仪能记录到； 3 ～ 5度人有不同程度的感觉，吊灯晃动，但无破坏； 6度器物倾倒，房屋有轻微破坏； 7 ～ 8度房屋严重破坏，人畜大量伤亡； 9 ～ 1 0度房屋大部倒塌，山崩地裂，灾害严重； 1 1 ～ 1 2度房屋普遍倒塌，山崩地滑，河川改观，灾害更重。 71 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 地震发生后，通过对震区的宏观调查，并在地形图上标明各居民点的地震烈度，然 后把烈度相同的点用圆滑曲线连起来，即为等震线图。等震线图通常呈不规则的封闭曲 线 （图1 －1 － 8 ） ，其长轴方向往往与震源断层走向一致。如唐山地震烈度图上，极震 区等震线的长轴呈N 5 0 E，与该区发震断层的延伸方向是一致的。 图1 － 1 － 8 1 9 7 6年河北唐山地震烈度分布图 ②地震地质作用 地震作用是地壳或岩石圈内地应力不断积累并超过岩石强度而断裂或使原有断裂重 新活动的过程，它一般可分为孕震、临震、发震和余震四个阶段。 a ．孕震阶段 这是地应力或应变能量的积累阶段，一般要历时几十年、几百年甚至更长。历时长 短主要取决于震区构造运动的速度、地质构造特征和岩石强度等。 b ．临震阶段 地震前在震区常会出现一些预示地震将要发生的前兆 （异常），主要有 a ） 地应力及地形变异常。地应力变化异常并促使岩石弹性变形，表现为地形高低 或水平位置的变化。如1 9 6 6年我国邢台地震前两年，地面高程已开始发生变化。 b ） 震情异常。由于震源区地壳物质成分、结构和地质构造的差异，使某些部位地 应力相对集中，并率先发生一些微小错裂，释放部分应变能，形成主震前的一系列小震 81 第一篇 地质灾害预报预警与应急指挥 （ 前震 ），即为震情异常。如1 9 7 5年我国海城地震的前震多且较规则。但也有前震很少 甚至无前震的现象，如1 9 6 4年阿拉斯加8 ． 5级地震前，仅有一次可确定的前震；我国 1 9 7 6年唐山7 ． 8级地震前则没有前震。 c ） 地下水异常。由于震区的弹性变形及局部小错裂的发生，改变了地下水的赋存 状态，出现水位、水质、清澈度和水化学组成 （尤其是氡含量 ） 等的变化。 此外还有波速、地磁、地电、气象和生物异常等
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