工程地质环境与持续发展I活动断层的工程地质评定(1).pdf

北京大学学报 自然科学版, 第 32 卷, 第 4 期, 1996 年 7 月 Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,Vol. 32,No. 4 Jul, 1996 1 地震科学联合基金资助项目 收稿日期 1995-09-06; 修改稿收到日期 1995-11-16 工程地质环境与持续发展 1 I 活动断层的工程地质评定 李 树 德 北京大学城市与环境学系, 北京, 100871 摘 要 工程地质环境是人类生存和持续发展的基础, 它为人类提供了居住繁衍的场所和丰富多 样的资源。对工程地质环境的研究、 开发、 综合规划合理利用, 以及加强管理和保护, 对人类生存和 经济持续发展有着极重要理论意义和实际意义。 关键词 工程地质环境; 工程地震; 活动断层; 持续发展 中图分类号 P642 0 引 言 工程地质环境是人类生存和持续发展的基础。 在人类社会和国民经济建设中, 它为人类提 供居住繁衍的场所和丰富多样的资源。 但是随着人口的急剧增长和改革开放经济的迅速发展, 特别是人类工程经济活动的加剧, 许多地区工程地质环境日趋恶化, 环境地质问题, 以至 各种地质灾害日益突出, 直接影响国民经济建设的规划与发展, 甚至威胁人类的生存与安全。 目前国内外都极为重视对工程地质环境的研究、 开发、 利用、 保护和管理。 在当前国民经济迅速 发展中, 加强工程地质环境研究, 加强工程地质环境管理, 重视保护工程地质环境, 对于协调与 改善人类工程经济活动同工程地质环境的关系, 以及人类社会的持续发展有着极为重要 的理论意义和实际意义。 1 工程地质环境的内容 在人类社会和国民经济建设中, 工程地质环境的划分和分区是根据综合地质环境特征, 在 人类工程经济活动的强度和工程环境地质问题等三方面的主要内容基础上进行。 1 工程地质特征 主要以地形地貌、 气象、 水文 包括地下水资源 、 岩性和地质构造等来 反映工程地质环境的特征和差异。 2 人类工程经济活动的强度 主要以人口、 工农业布局和能源地等的分布特征来反 映人类活动的强度和方式的不同。 3 主要的工程环境地质问题 包括与各种工程建设有关的问题 如地基基础承载力与强 度问题、 滑坡和泥石流、 土壤的侵蚀危害、 地面沉降与塌陷、 活动断层、 地震与火山等 , 也包括 与地下水资源开发有关的问题 如地下水位大面积区域下降、 城市地下水水量减少、 水质严重 恶化、 地面沉降、 塌陷等 。 以上三方面内容包含着两层含义, 一是从国民经济发展规划考虑, 应根据各种工程建筑、 城市发展规模、 类型、 人类工程去探明发展区的工程地质环境特征和存在的主要环境地质问 题, 即做到“ 兵马未动, 粮草先行” 。 另一方面则是在现有城市区, 包括扩建发展等各种不同类型 工程建筑, 也极需查明由于人类活动与地质环境相互作用的类型程度等引起环境地质恶化, 破 坏生态平衡, 危及人类生存与社会持续发展等, 即如何去拟定保护自然资源, 加强工程地质环 境的保护管理。 在以往经济开发、 城市规划兴建、 土地资源利用中, 由于对工程地质环境勘察、 研究不够, 规划不周, 致使许多新建开发区不是地表水源严重污染, 就是无地下水资源, 或是水质不符合 某些方面的要求, 或是经常受到某些地质灾害 如滑坡和泥石流等 的严重威胁与破坏。 更为严 重的是一些城市和工程建筑设施位于活动断层上, 甚至在地震断层上, 给人类生存和社会经济 发展带来致命的破坏和损失, 这些现象在国外也有发生。 2 工程地质环境中活动断层的工程地质评定 2. 1 活动断层 活动断层作为构造地质学的术语是本世纪初由 A. C. Lawson, H. Q. Wood, B. Wilis [ 1] 和李四光等 [ 2] 先后提出的。将第四纪 240 万年 以来, 以阿尔卑斯-喜马拉雅运动以后再次有 过活动或者新产生的断层称为活动断层。 从六七十年代以来, 全球进入地震活跃期。 城市和核 电站等重大工程的兴建, 提出了对地震危险性分析测报的要求。因此, 在地震地质和工程地质 工作中, 对构造地震发生源的现代活动断层加强了调查研究。 配合实地勘查, 开展槽探钻探、 精 密重磁测量、 浅层地震勘探、 氡氢汞等气体测量、 形变测量、 断层面蠕滑速率测量、 断层泥物质 成分结构分析和断层最新活动年龄测试等, 特别是目前国际上应用空间技术 VLBI, SLR 和 GPS 观测到的地壳水平位移和垂直位移情况, 揭示了过去几十年间平均区域应变速率, 分析 局部地区地壳短期变化及蕴育地震的趋势, 取得了大量实际资料。 近 10 多年来, 不论为地震中长期预报、 进行烈度区划上研究区域活动断层, 或是在经济开 发中各种工程建筑设施合理布局与抗震设计, 确定场址基本烈度和地震动参数以及断层滑移 速率研究场地区活动断层, 都要求尽可能将第四纪以来虽有过活动, 但已长期休止活动, 并在 今后较长时间内不可能再次活动的断层与目前正在活动的和今后一定时期内 一般以 100 年 或 200 年为准 可能发生活动的断层区分开来。也试图从活动断层中再划分出一类“ 现代活动 断层” 、 “ 潜在活动断层” 、 “ 能动断层” 或“ 工程活动断层” , 以满足经济迅速发展的要求, 达到既 保证合理布局, 工程设施安全, 又尽可能节约投资的双重目的。同时也避免以往选址中曾经出 现的盲目被动混乱情况, 这将对人类生存和社会持续发展具有战略性的理论意义和实际意义。 467 第 4 期 李树德 工程地质环境与持续发展 2. 2 工程地质环境研究中现代活动断层的下限活动时期 由于人们对活动断层活动时间的下限有不同的认识, 往往从不同角度去命名。例如, 活动 断层 Active fault 、 时新断层 Modern fualt 、 新鲜断层 Fresh fault 、 当代的断层 Contenpo- raneous fault 、 近代断层 Recent fanlt 、 再活动的断层 Reactivated fault 、 再发断层 Recur- rent fault 、 发展断层 Progressive fault 、 再生的断层 Rejuvenated fault 、 复苏断层 Revived fault 、 生长断层 Growth fault 、 更新世断层 Pleistocene fault 、 第四纪断层 Quaternary fault 、 全新世断层 Holocene fault 、 不同程度的活断层 Active fault of various degress 、 潜 在活动断层 Potentially active fault 、 能动断层 Capable fault 和地震断层 Earthquake fault 等。 L. S. Cluff, B. A. Balt 和 M. C. Bonilla 等强调只将全新世期间 距今 1～1. 1 万年 有 过活动的断层定义为现代活动断层。G. J. Lebseb 和李坪等主张将最新活动年代延至更新世 中期 距今 50 万年 。腾田和夫, Illies, 丁国瑜等则仍主张第四纪以来有过活动的与地震活动 有关的断层都属活动断层。反映了研究者对古地震活动时期下限的不同观点。 近几十年来, 因大量的地面和地下工程建设, 各类工程建筑抗震标准要求不同, 特别是核 电厂选址工程勘探的需要, 对现代活动断层最新活动年龄下限也有不同规定, 美国原子能委员 会 简称 USNRC 对活动断层的规定是 35 000 年内有过一次或多次活动的断层; 它们 和能动的断层有联系; 沿该断裂带仪器记录到小震活动多次的历史地震事件, 或该断层发 生过蠕动。国际原子能机构 简称 IAEA 除了以上三方面外还增加了两条规定 在晚第四 纪有过活动; 该断层有地面破裂证据。而日本的核电厂沿用活动断层这一术语, 并强调了 “ 在最近可能发生活动” 的含义。David B, Slemons 与 Roy Mckinney 以及美加州矿产和地质 部门把活动断层又细分为 3 种 第四纪以来 约 200万年 活动过的断层; 全新世以来 约 1. 1 万年 活动过的断层; 历史上 1～200 年 活动过的断层。 目前各国核电站勘察设计规范 都沿用美国原子能委员会和国际原子能机构的规定。 近年来世界各国城市建设部门制定的工业民用建筑勘察设计规范, 都是将全新世期间即 1～1. 1万年 有过活动的断层定为现代活动断层。 从国内外看, 在水利水电工程建设中, 也是根据不同情况确定现代活动断层最新活动年龄 下限的。如, 中小型水利水电工程可参照工业民用建筑要求, 大型水利水电工程通常以晚更新 世 距今 5 万年 作为现代活动断层下限。对于大江大河上的大型水利工程则以晚更新世早期 距今约 10～13万年 作为下限。特大型和特别重要工程参照核电站要求, 以中更新世中期作 为最新活动下限。 2. 3 现代活动断层的活动性与危险性 现代活动断层对人类和工程的危害, 主要表现为粘滑破裂产生地震引起的破坏作用[ 3], 同 时也表现为蠕滑过程中对断裂破碎带附近工程设施的直接破坏作用。其危险性和危害程度取 决于其活动强度。 现代活动断层的活动性是通过断层的形变速率或滑移速率和地震活动的强度与频度两个 方面反映出来的。 468 北 京 大 学 学 报 第 32 卷 松田时彦 [ 4] 根据现代活动断层从第四纪晚期以来活动的平均滑移速率划分出 A, B, C 三 级活动断层。 A 级活动断层, 指 1000 年内位移大于 1m 或者至少曾发生过一次产生 1m 以上 位移地震的断层; B 级活动断层, 指 1 000 年内位移小于 1 m, 但大于 10 cm 或者 1 000 年至 10 000年内曾发生一次位移 1m 以上地震的断层; C 级活动断层, 指 1000 年内位移小于 10cm 或 10000 年内曾发生一次位移在 1m 以下地震的断层。 其后日本活动断层研究会和国际原子能委员会都相继采用这种分级原则, 并在 A 级内再 划分出 AA 级, 同时将平均滑移速率或目前实际蠕滑速率小于 0. 01mm/ 年的断层划为 D 级, 属非活动性断层 表 1 。 表 1 现代活动断层按平均滑移速率活动性分级 Table1 Classitication of average speed of slide activity in modern active taults 平均滑移速率 很高活动性高活动性中等活动性低活动性非活动性 AA1A1B1C1D1 S/mma- 1 S≥1010 S≥11 S≥0. 10. 1 S≥0. 01S 3 0003 000≥R 1 0001000≥R 300R≤300 1 据李起彤, 1991 表 3 活动断层活动度分级表1 Table 3 Classitication of activity index in active faults R 断 层 活 动 度 AA S≥10A 10 S≥1B 1 S≥0. 1C 0. 1 S≥0. 01 AA无ⅠⅠ～ⅡⅡ A无Ⅰ～ⅡⅡⅡ～Ⅲ BⅠⅡⅡ～ⅢⅢ～Ⅳ C Ⅰ～ⅡⅡ～ⅢⅢ～ⅣⅣ 1 据李起彤, 1991 表 3 中Ⅰ、 Ⅱ、 Ⅲ、 Ⅳ分别代表超强活动度、 强活动度、 中等活动度和弱活动度, 其相对应的 最大震级分别为 8, 7, 6, 5级。 469 第 4 期 李树德 工程地质环境与持续发展 由强震的周期 R 年 和上次强震发生时间 T1和现在时间 T2 T1, T2以公元计 可以计算 出下次地震逼近时间 T 以年计 T R - T2- T1 。 用下次强震逼近时间可对现代活动断层危险度进行分级评价 表 4 。 表 4 现代活动断层按强震逼近时间危险度分级表1 Table 4 Classitication of danger index in terms of strong earehqualce approximation times in modern active faults 逼 近 时 间 T / 年 T 200 200≤T 500500≤T 1 000 T≥1000 断层危险度高度危险中危险度低危险度弱危险度 1 据李起彤, 1991 活动度反映了所研究断层历史上的最大活动程度[ 6]。危险度则表示目前或近期该断层发 生破坏性地震的危险程度。 这两个指标在研究工程地质环境中, 对人类生存及社会持续发展是 极为重要的。 3 工程地质环境研究中的工程地震环境评价 为了人类社会的持续发展, 为了最大限度地减轻地震灾害和提高社会经济效益, 工程地震 环境评价是重要的基础。评价主要包括以下几方面 1 在国民经济开发建设中, 为合理选择开发建设区和各种工程场地, 必须采取适当的抗 震措施和确定合理的设防设计参数。根据地震蕴育、 发展和发生的时空不均一性、 工程地质环 境的不均一性而导致震害的不均一性, 必须考虑到 A. 选择低地震活动或低弱危险度影响的相对稳定的地区作为开发和各类工程建筑的 场地; B. 根据区域和局部场地的地震工程环境特点, 确定相应设防标准和设防参数, 以确保 结构安全稳定性。 2 考虑工程的重要性和它的被破坏可能导致对社会、 经济的危害性, 不同类型工程场地 的工程地质地震环境评价, 在研究广度和深度及要求上应有所差别。对于一般工业与民用工 程、 量大面广的城市开发建设, 在总的工程地质地震环境下, 以小比例尺的地震区划图和相应 的抗震规模来满足要求。对特殊的重大工程, 如核设施、 大型水利水电工程等都有相应的工程 地震环境规范要求评价。 3 在对城市或工程地震危险性分析时, 应根据地区现代活动断层的活动性与危险性及 地震活动特征, 分别采用概率法与数字法或二者相结合的方法。即在地震强烈活动地区, 地震 资料丰富、 样本多, 用地震危险性概率计算方法为主。 在地震活动水平较低地区, 可利用的地震 资料或样本少, 不能满足统计分析需要, 宜采用定数法为主。 4 在地面运动评价和预测方面, 有些工程场地位于潜在发生强震的区域以内或附近, 以 现有地震记录为基础、 考虑近源地震地质环境, 采用多种途径来处理。 5 地震地质灾害是在特殊的工程地质环境下由地震诱发造成的各种破坏 如水灾、 山 崩、 滑坡及泥石流等 , 工程地质环境不仅影响灾害发生的机率, 而且决定其规模、 特点、 破坏类 470 北 京 大 学 学 报 第 32 卷 型及危害程度。因此, 应考虑到 A. 根据工程地质环境特点和地震震害特点, 以定性为主初步判别其发震的可能性和危 害性; B. 如认为可能导致对城市工程危害时, 应进一步以定量为主的判定法, 判定其出现可 能性机率大小及危害程度, 以便于拟定采取抗震措施。 参 考 文 献 1中国地震学会地震地质专业委员会. 中国活动断裂. 北京 地震出版社, 1982 2李起彤. 活断层及其工程评价. 北京 地震出版社, 1991 3李树德. 中国东部大同火山群发育的构造地貌背景. 地理学报, 1988, 3 233～240 4松田时彦 王东初等译. 活断层研究. 北京 地震出版社, 1983 5李树德. 新构造活动与公路工程地质. 全国公路工程地质, 1989, 71 31～34 6Slemons D B, Depolo C M. uation of active faulting and associated hazards, active tectonics. Na- tional Acudemy Press, 1986 Engineering Geologic Environment and Sustainable Development Ⅰ Engineering Geologic Investigation of Active Faults LI Shude Dep artment of geograp hy, Peking University, Beij ing, 100871 Abstract Engineering geologic environment is vital to human survival and the sus- tainable development of mankind. It provides habitat and various rich natural re- sources for mankind. Researches, cultivation, comprehensive planning, moderate utilization, strict management and protection have important theoretical and practi- cal significance for human survival and economic development. Key words engineering geologic environment; engineering seism; active fault; sus- tainable development 471 第 4 期 李树德 工程地质环境与持续发展