中国区域地壳稳定性定量化评价与分区.pdf

第 3卷 第3期 1 9 9 7年9月 地 质 力 学 学 报 JOURNAL OF GEOM ECHAN ICS Vol .3 No.3 Sep .1 9 9 7 1997年5月14日收稿。 中国区域地壳稳定性定量化评价与分区 孙 叶 谭成轩 杨贵生 中国地质科学院城市与工程场地稳定性研究中心 王瑞江 地质矿产部科技司 摘 要 中国地处环太平洋构造带与地中海构造带交接部位,地质构造复杂,活动性 较为强烈,各种内动力地质灾害比较严重,总体看来中国区域地壳稳定性相对较差。 为了使区域地壳稳定性评价与分区获得定量化认识,更好地服务于经济建设和减灾 防灾,本文在分析中国现今活动的主要构造体系与内动力地质灾害的分布规律的基 础上,首先进行区域地壳稳定性定量化评价待评区的划分;其次进行定量化评价指标 的选定、 取值、 权重分配及评价标准的确定;最后运用模糊数学进行中国区域地壳稳 定性定量化评价与分区。 关键词 区域地壳稳定性 定量化评价与分区 模糊数学 评价指标 评价标准 1 区域地壳稳定性定量化评价待评区的划分 区域地壳稳定性定量化评价与分区是以构造稳定性为主,配合岩土体稳定性,重点考虑内 动力地质灾害的发育程度等。因此,中国区域地壳稳定性定量化评价待评区的划分,是在分析 中国现今活动的主要构造体系与内动力地质灾害分布规律的基础上进行的[110]。 111 中国现今活动的主要构造体系与内动力地质灾害的空间展布 通过中国现今地形变场、 现今断层位移场、 现今地应力场、 内动力地质灾害场、 地壳结构基 本特征与分区等分析研究[11],中国现今活动的主要构造体系有纬向构造体系天山阴山构 造带、 昆仑秦岭构造带、 经向构造体系SN向构造带、 东部的新华夏系、 西北部的西域系、 西南部的青藏反 “S” 型体系。它们分别控制各种内动力地质灾害的展布,并以纬向构造体系和 经向构造体系作为内动力地质灾害分区之骨架。 112 中国区域地壳稳定性定量化评价待评区的划分 在中国现今活动的主要构造体系与各种内动力地质灾害分布规律的基础上,划分区域地 壳稳定性定量化评价待评区 11211 纬向构造体系 1天山阴山纬向构造带,划分5个三级待评区,即A1、A2、 ⋯⋯、A5; 24 2昆仑秦岭纬向构造带A6A9。 11212 经向构造带 SN向构造带A10A12。 11213 中国东部新华夏系展布区域 1东北地区A13A18 ; 2华北地区A19A30 ; 3华南地区A31A42 ; 4台湾地区A43A45。 11214 中国西北部西域系展布区域 1北疆地区A46A50 ; 2新青陇地区A51A56。 11215 中国西南部青藏反 “S” 型体系展布区域 1青藏高原地区A57A62 ; 2三江地区A63A69。 2 区域地壳稳定性定量化评价指标的选定、 取值、 权重分配及 评价标准的确定 在中国现今活动的主要构造体系及内动力地质灾害的分析研究的基础上,中国区域地壳 稳定性定量化评价主要选择了6项指标,按照定量化评价的要求,各指标总得分为10。依据各 指标对地壳稳定性的影响程度以及必要的计算分析, 6项指标取值标准及权重分配如下 211 表层地壳结构与岩土力学性质F1 权重分配17。 21111 表层地壳结构 按照地质构造特征及其复杂程度,划分4个等级 1主干断裂带与构造复合部位,构造复杂,得分0; 2地壳表层属镶嵌结构,构造较复杂,得分2; 3地壳表层属碎块结构,构造中等发育,得分4; 4地壳表层属块体结构,构造简单,得分5。 21112 岩土力学性质 按照土体、 岩体建筑承载条件和能力,存在工程病害的情况,划分4个等级 1具有病害的土层,得分0; 2较好的土层,得分2; 3良好的土层,得分4; 4基岩山区或覆盖很薄的山区,得分5。 212 深部地壳结构构造与深断裂F2 权重分配13。 21211 地壳分层、 界面、 厚度与稳定程度 1分层不稳定,地壳加厚变薄显著,上、 下层产状成反向变化,得分0; 2分层较清楚,厚度较稳定,产状变化较小,得分115; 34 3分层清楚,厚度稳定正常,产状平缓,得分3。 21212 深部断裂 1穿壳断裂,得分0; 2地壳断裂,得分115; 3基底断裂,得分3。 21213 地壳均衡程度 主要根据均衡重力异常,参考居里面埋深,大地热流值,地温梯度等进行划分。 1失衡严重,80mGal以上,得分0; 2失衡较严重,40mGal左右,得分115; 3基本均衡状态,20mGal以内,得分3。 21214 其它 得分1。 213 地块升降与现今地壳活动速率F3 权重分配10。 21311 现今地壳升降速率量值 1高值区, 8、 - 8mm a, 得分0; 2中值区, 8 4、- 8- 4mm a, 得分115; 3低值区, 40- 4mm a, 得分3。 21312 现今地壳升降速率的形变梯度带 1一级梯度带,每100km≥5mm a, 得分0; 2二级梯度带,每100km 1 mma , 得分0; 44 2中等者中速活动断层 0 109011 mma , 得分215; 3弱者低速活动断层,微速活动断层 0 109 mma , 得分5。 215 现今地应力与能量集中程度F5 主要根据浅层实测地应力值,深处地应力值增加速率,以及地应力场模拟实验资料等综合 分析。由于地应力值影响因素众多,分析中仅作概略对比。权重分配15。 21511 现今地应力值 1高值区。浅层最大主压应力4M Pa以上,最大剪切应力2M Pa以上,深部地应力增加 快,得分0; 2较高值区。浅层最大主压应力3M Pa左右,最大剪切应力1M Pa左右,得分1; 3中值区。浅层最大主压应力2M Pa左右,最大剪切应力1 M Pa以下,得分2; 4低值区。浅层最大主压应力1M Pa以下,最大剪切应力低,得分3。 21512 现今最大主压应力方向与区域主干断裂的交角 1交角25 55,得分0; 2交角20 左右者,得分115; 3交角 15,得分3。 21513 现今能量集中程度与近代释放情况 1高值区,得分0; 2中值区,得分115; 3低值区,得分3。 21514 其它 主要考虑地应力和能量值在不同地质时期的发展变化情况,得分1。 216 主要内动力地质灾害F6 根据中国区域地壳稳定程度分区等级与内动力地质灾害的破坏关系,将其综合划分为4 个等级,权重分配25。 1 地震烈度≥9 区,各种大型、 巨型灾害区,得分03; 2 地震烈度8 区,各种中型灾害区,得分45; 3 地震烈度7 区,各种小型灾害区,得分67; 4 地震烈度≤6 区,基本无灾害区,得分810。 由于有些严重的内动力地质灾害仅有点上的资料,无法以面区域或地区表示,拟在图上 以点表示,以便引起重视。 根据上述取值标准,得各待评区的总体质量矩阵如表1。 ① 代表数学上之闭域和开域,下同。 根据中华人民共和国专业标准ZBD 1400189、ZBD 1400289、ZBD 14003 89 和工 程地质编图及调查规范的要求,将中国区域地壳稳定性定量化评价与分区指标评价标准和相 对地壳稳定性的等级划分为相对稳定[10, 7 ①, 相对较稳定[7, 5,相对较不稳定[5, 3,相对 不稳定[3, 0]。 54 表1 中国区域地壳稳定性待评区总体质量矩阵一览表 Table 1 General qualitymatrix of prepared uation areas of regional crustal stability in China 待 评 的 构 造 分区评 价 指 标 代 号 及 得 分 一 级二 级三 级F1F2F3F4F5F6 纬 向 构 造 带 天山、 阴山纬 向构造带 昆仑、 秦岭纬 向构造带 A161004100415031006100 5100 A28100710071008100810010100 A3510061005100610071005100 A4710081008100810081009100 A5810081007100810081009100 A6610041004150310061005100 A7610041005100310071005100 A8610041004150510061005100 A9610041004150510051005100 经向构 造体系 SN向 构造带 A10510051006100410041004100 A11610071004100510061005100 A12410041004100310031005100 中 国 东 部 新 华 夏 构 造 体 系 展 布 区 域 东北地区 华北地区 华南地区 台湾地区 A13- 1 6100 8100 8100 9100 910010100 A13- 28100810081009100910010100 A14710071007100810081009100 A15610071006100810081007100 A16810081007100810091008100 A17410061005100510061005100 A18910081007100810091009100 A19- 1310041005100710061003100 A19- 2910081005100910091009100 A201010010100915010100101009150 A21310031006100410041005100 A22610081008100710081009100 A23510051005100610071006100 A24410061003100510051005100 A25810081008100810081008100 A26510061005100510061006100 A27410041004100410041004100 A28910091008150815091009100 A29810081007100810081008100 A30610071005100710071007100 A31910010100910010100101009100 A32510061004100510041002100 A33710081006100810081009100 A34610061004100510071007100 A35410061004150510041004100 A36610071005100410061006100 A37810081006100710081008100 A38610051005100610071006100 A39810081007100910081009100 A40910091008100910091009100 A41810081007100810081008100 A42610061004100610051005100 A43310021001100210031003100 A44510051003100510061006100 A45210011001100010021001100 64 续表1 待 评 的 构 造 分区评 价 指 标 代 号 及 得 分 一 级二 级三 级F1F2F3F4F5F6 中 国 西 北 部 西 域 构 造 体 系 展 布 区 域 北疆地区 新青陇地区 A46810071006100810081008100 A47610061006100710061006100 A48510041003100310051005100 A49810081006100810081009100 A50610061005100710061006100 A51410041006100410051004100 A52910091009100910091009100 A53510061004100510071006100 A54810081008100810081007100 A55510041003100410061003100 A56910091008100910091007100 中 国 西 南 部 青 藏 反 “S” 型 构 造 体 系 展 布 区 域 青藏高原区 三江地区 A57710061004100510061006100 A58710081005100810081007100 A59810071507150910091008100 A60810081007100810081007100 A61410041001100410051006100 A62210021000100210031004100 A63510051004100610071004100 A64710071006100710051005100 A65410051004100510061004100 A66610061005100710051005100 A67410031002100210041005100 A68610071002150510061006100 A69810081007100710081008100 3 中国区域地壳稳定性定量化评价的模糊数学综合评判计算 与分区 311 模糊数学综合评判计算原理[1214] 根据前述相对地壳稳定性的等级划分,给定评价集 B {稳定、 较稳定、 较不稳定、 不稳定} 根据地壳稳定性评价标准,求出指标Xi在B上的评价模糊子集 RiΧi1,Χi2,Χi3,Χi4 n个指标构成的模糊子集为 74 R Χ11Χ12Χ13Χ14 Χn1Χn2Χn3Χn4 在众多评价指标中,重要性各不相同,则各指标权重构成的模糊子集为 W {W1,W2,⋯⋯,Wn} ∑ n i 1W i 100◊ 则评价集 BWıRb1,b2,b3,b4 作归一化处理 bkbk ∑ 4 k 1 bk 得到4个稳定性评价级别的隶属度,按照最大隶属度原则确定其稳定级别。 312 中国区域地壳稳定性定量化评价的模糊数学综合评判计算与分区 31211 中国区域地壳稳定性定量化评价的模糊数学综合评判计算 把有关数据按程序要求格式输入计算机,然后运行计算程序,最后得到每个待评区四个输 出结果,即前述评价集B b1,b2,b3,b4 , 再作归一化处理,按最大隶属度原则确定其稳定级别 表 2 。 31212 中国区域地壳稳定性分区 根据各待评区相对地壳稳定性模糊数学综合评判计算结果,结合不同构造级别,进行中国 区域地壳稳定性概略分区图1,表 2 。 表2 中国区域地壳稳定性分区 Table 2 Zonation of regional crustal stability in China 区域地壳稳定性分区 一级二级三级 待评区 编 号 稳定性模糊数学综合评判 稳定较稳定较不稳定不稳定稳定等级 纬 向 构 造 体 系 L 天 山 、 阴 山 纬 向 构 造 带 L1 昆 仑 、 秦 岭 纬 向 构 造 带 L2 天山相对较稳定段L11A110001470133012002 天山相对稳定段L 2 1A2 110001000100010001 阴山相对较稳定段L 3 1A3 11501590126010002 燕山相对稳定段L 4 1A4 110001000100010001 老岭相对稳定段L 5 1A5 110001000100010001 昆仑山西段相对较稳定段L 1 2A6 10001470133012002 昆仑山东段相对较稳定段L 2 2A71150134513051200 2 青甘南部相对较稳定段L32A810001570143010002 秦岭、 大别山相对较稳定段L 4 2A911501480142010002 经 向 构 造 体 系 M 南 北 向 构 造 带 M1 贺兰山相对较不稳定段M 1 1A101000125017501000 3 龙门山相对较稳定段M 2 1A11 11301545132510002 川滇相对较不稳定段M 3 1A121000112515251350 3 84 续表2 区域地壳稳定性分区 一级二级三级 待评区 编 号 稳定性模糊数学综合评判 稳定较稳定较不稳定不稳定稳定等级 中 国 东 部 新 华 夏 系 区 域 N 东 北 地 区 N1 华 北 地 区 N2 华 南 地 区 N 3 台 湾 地 区 N4 大兴安岭周围相对稳定区N 1 1A13- 11830117010001000 1 A13- 2110001000100010001 大兴安岭相对稳定带N 2 1A14 110001000100010001 小兴安岭相对稳定带N 3 1A151730127010001000 1 青黑山相对稳定区N 4 1A16 110001000100010001 松花江相对较稳定带N 5 1A171000155514451000 2 长白山相对稳定区N 6 1A18 110001000100010001 辽沈相对较不稳定段N 7 1A19- 11200120013801220 3 辽东半岛相对稳定区N 1 2A19- 21900105010501000 1 鄂尔多斯相对稳定区N 2 2A20 110001000100010001 汾渭相对较不稳定带N 3 2A21 10001225147513003 晋东南相对稳定区N 4 2A22 18301170100010001 太行山相对较稳定带N 5 2A231150165012001000 2 河北平原相对较不稳定区N 6 2A241000143014701100 3 鲁西相对稳定区 N 7 2A25 110001000100010001 郯庐带北段相对较稳定段N 8 2A261000176512351000 2 郯庐带南段相对较不稳定段N 9 2A27 100010001100010003 胶东半岛相对稳定区N 10 2A28 110001000100010001 云台山相对稳定N 11 2A29 110001000100010001 苏北相对稳定区N 12 2A301730122010501000 1 华南山区相对稳定区N 1 3A31 110001000100010001 华蓥山相对较不稳定带 N 2 3A321000131514351250 3 雪峰山相对稳定带N 3 3A33 19001100100010001 洞庭湖平原相对较稳定区N 4 3A34 14001400120010002 罗霄山相对较不稳定带N 5 3A351000125517451000 3 赣江相对较稳定带N 6 3A361130162012501000 2 诸广山相对稳定带N 7 3A371900110010001000 1 云雾山相对较稳定带N 8 3A381150173511151000 2 五指山相对稳定区 N 9 3A39 110001000100010001 武夷山相对稳定区N 10 3A40 110001000100010001 闽浙沿海相对稳定带N 11 3A41 110001000100010001 东南沿海相对较稳定带N 12 3A42 10001700130010002 台西相对不稳定带N 1 4A43100010001000 110004 台中相对较稳定带N 2 4A441000165012501100 2 台东相对不稳定带N 3 4A45100010001000 110004 94 续表2 区域地壳稳定性分区 一级二级三级 待评区 编 号 稳定性模糊数学综合评判 稳定较稳定较不稳定不稳定稳定等级 中 国 西 北 部 西 域 系 河 西 系 区 域 X 北 疆 地 区 X 1 新 青 陇 地 区 X2 友谊峰相对稳定区X11A4619001100100010001 额尔齐斯河相对较稳定带 X 2 1A471200180010001000 2 富蕴相对较不稳定带X31A4810001285141513003 准噶尔相对稳定区X41A4919001100100010001 艾比湖相对较稳定带X51A5012001750105010002 帕米尔相对较不稳定带X12A5110001175182510003 塔里木相对稳定区X22A52110001000100010001 阿尔金山相对较稳定区X32A5311501565128510002 柴达木相对稳定区 X 4 2A54 110001000100010001 祁连山相对较不稳定带X52A5510001235141513503 阿拉善相对稳定区X62A56110001000100010001 中 国 西 南 部 青 藏 反 “S” 型 系 区 域 S 青 藏 高 原 区 S1 三 江 地 区 S2 怒江上游两侧相对较稳定区S11A5711701630120010002 吉利雅山口相对稳定区S21A5819001050105010001 阿里北部相对稳定区S31A59110001000100010001 冈底斯相对稳定区S41A60110001000100010001 喜马拉雅山相对较不稳定带S51A6110001325157511003 苏班西里河相对不稳定段S61A6210001000125017504 布尔汗布达山相对较不稳定带S12A6311501350150010003 阿坝相对较稳定区S22A6414501550100010002 来金山相对较不稳定带S32A6510001315168510003 大渡河相对较稳定区S42A6614001550105010002 澜沧江相对较不稳定带S52A6710001125144514303 大盈江相对较稳定区S62A6811301670110011002 阿墨河相对稳定区 S 7 2A69 110001000100010001 注 11 相对稳定区; 21 相对较稳定区; 31 相对较不稳定区; 41 相对不稳定区。 31213 中国区域地壳稳定性分区中的几点说明 上述中国区域地壳稳定性分区,限于编图的比例尺很小,全国各处有关资料分布也不均 匀,特别是边远地区资料较少,研究程度较低,这里仅仅作了概略性的分区,作为反映我们的研 究思路,提供讨论问题时参考。 通过全国稳定性概略分区的六项指标内容的确定及其权重分配情况,可以看出以构造稳 定性评价为主,配合岩体、 土体稳定状况;根据现今地壳运动状况为主,结合挽近活动和地质时 期的发展演化,进行地壳活动性评价和判定。为了判定区域地壳稳定程度,在分析地壳活动性 与地应力场的同时,又落实到各种内动力地质灾害方面,并使之获得较多的权重。 分区中对我国的内动力地质灾害进行了多方面的分析,以地震灾害为主,对1990年国家 地震局编 中国地震烈度区划图 进行了分析。 同时,考虑了地下坑道变形,煤瓦斯突出,冲击地 压,钻孔套损,地下热害等,加强了地下稳定性变化的评判,对现今地壳形变可能导致灾害的发 05 图1 中国区域地壳稳定性分区略图 Fig. 1 The zonation sketch map of regional crustal stability in China 11 相对稳定区; 21 相对较稳定区; 31 相对较不稳定区; 41 相对不稳定区; 51 相对不稳定内动力地质灾害点; 61 一 级分区界线; 71 二级、 三级分区界线; 81 分区编号 生,现今断层位移活动,构造地裂缝等灾害,也进行了分析评判。 因此,在全国分区中划分出与 煤瓦斯突出、 冲击地压、 地下热害、 坑道变形、 钻孔套损等地下灾害有关的区、 带,诸如松花江相 对较稳定带N 5 1、 辽沈相对较不稳定段N 7 1、 太行山相对较稳定带N 5 2、 华蓥山相对较不稳定 带N 3 3、 罗霄山相对较不稳定带N 5 3、 以及祁连山相对较不稳定带X 5 2等。这些都启发我们应 该考虑地下深处与地表附近的区域地壳稳定性存在的变化,在地下工程建设或地下矿产开发 前,应该充分重视区域地壳稳定性状况,否则容易造成意外灾害损失与人员伤亡。 参考文献 1 李四光,地质力学方法。北京科学出版社, 1979。 2 陈庆宣等,中国构造体系的现今活动性。国际交流地质学术论文集 1, 北京地质出版社, 1980。 3 地质矿产部成都水文地质工程地质中心,中国地质灾害类型图。北京地质出版社, 1991。 4 地质力学研究所,中华人民共和国及其毗邻海区构造体系图 1 ∶250万。北京地图出版社, 1984。 5 黄汲清等,中国大地构造及其演化。北京科学出版社, 1977。 6 孙叶,中国地质灾害类型划分与减灾对策的战略分析。中国地质灾害与防治学报, 1991, 4。 7 国家地震局 中国岩石圈动力学地图集 编委会,中国岩石圈动力学概论。北京地震出版社, 1991。 8 陈彭年等,世界地应力实测资料汇编。北京地震出版社, 1990。 9 国家地震局 中国岩石圈动力学地图集 编委会,中国岩石圈动力学地图集。北京中国地图出版社, 1989。 10 孙殿卿等,地质力学与地壳运动。北京地质出版社, 1982。 15 11 孙叶等,中国区域现今构造应力场与地壳运动趋势分析。地质力学学报, 1995, 13。 12 冯德益等,模糊数学方法与应用。北京地震出版社, 1988。 13 冯德益等,模糊数学在地震活动性图象中的应用。地震学报, 1987, 91。 14 冯希杰等,区域稳定性评价定量化与模糊评判。西安地质学院学报, 1986, 84。 QUANTITATIVE ASSESS M ENT AND ZONATI ON OF REGI ONAL CRUSTAL STABI L ITY IN CHINA Sun Ye Tan Chengxuan Yang Guisheng U rban and Eng ineering S ite S tability R esearch Center,CA GS W ang Ruijiang S cience and T echnology D epartm ent,M inistry of Geology and M ineral R esources Abstract China, as is located at the intersection of the circum2Pacific tectonic zone and the M editerranean tectonic zone, has relatively strong active geological structures associated w ith various endogenic geological hazards .In this case it seem s necessary to achieve a quan2 titative assessment and zonation of the regional crustal stability to better serve the econom ic construction and hazard reduction. The present paper attempts to present thes to ap2 proach the problem in three steps based on the distribution of themain presently active struc2 tural system s and geological hazards as outlined in the text. Key words regional crustal stability, quantitative assessment and zonation, fuzzy mathe2 matics, assessment indices, assessment standard 第一作者简介 孙叶,男, 1933年生,研究员,兼职教授。1955年毕业于东北地质学院地质矿产系, 1963年 在地质力学研究所第一届地质力学进修班学习。19551966年先后在长春地质学院、 山东大 学、 山东海洋学院任教。1966年以来从事科研工作,主要进行现今构造应力场、 区域地壳稳定 性评价等方面的研究,现任中国地质科学院城市与工程场地稳定性研究中心负责人,国际岩石 力学学会会员。通讯地址北京通县燕郊三河镇。邮政编码 101601。 25