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本文结合中国地质调查局地质调查项目“三峡引水工程秦巴段地壳稳定性调查评价”的核心内容,在搜集整理前人研究成果的基础上,通过野外实地调查、室内分析测试和应力场数值模拟试验,运用多学科的理论和方法,围绕三峡引水工程地壳稳定性评价的关键问题,重点开展了以下几方面的研究工作:①秦巴地区岩石圈特别是地壳结构和地球物理场特征②新构造运动③活动断裂④地应力场⑤地震活动⑥岩土体与地面稳定性分析⑦区域地壳稳定性评价⑧三峡引水工程秦巴段工程场地地壳稳定性评价,取得了以下新进展和认识:
1、地质背景秦巴地区岩石圈具有上部构造线方向呈东西向,下部物理场结构呈南北向,中间为水平流变层的“立交桥式”三维结构特征。在中新生代,华北地块和扬子地块的中下地壳相向向秦岭造山带俯冲,相应的秦巴地区的中上地壳分别向南北两侧逆冲,横剖面上呈不对称扇形的几何形态。秦岭造山带经历了中新生代陆内造山运动以后,铸成现今构造线呈东西向延伸的基本构造格架。
2、新构造运动秦巴地区新构造运动具有继承性、新生性、间歇式抬升以及凹陷与掀斜运动共存的特点。受岩石圈特别是地壳结构、物质组成和应力环境等因素的影响,该区新构造运动的强度具有北强南弱,西强东弱的特点。根据夷平面、剥蚀台地、河流阶地等标志可以将秦巴地区的新构造运动划分为:①E2-E3②N1-N21③N22-Q1④Q2-现今四个发展阶段,除渭河盆地以外,秦巴地区新构造运动的强度有逐渐减弱的趋势,现今秦巴山区以整体的东西向掀斜运动为主,差异升降运动不明显。自新生代以来,秦巴地区隆升速率总体保持在0.1mm/a-0.2mm/a的水平,这种隆升是非匀速的,时快时慢,具有间歇式抬升的特点,自中新世中期(17.8MaB.p.)特别是中更新世以来隆升速率总体在加快,全新世隆升速率最高。依据上述新构造运动活动性的差异,将秦巴地区分割为一系列的构造区带。
3、活动断裂在整理分析国内外活动断裂定义的基础上,并结合秦巴地区活动断裂的活动历史,将中更新世以来有过明显活动迹象的断裂定义为活动断裂。在分析总结国内外活动断裂的活动强度划分方案的基础上,结合中国大陆活动断裂的实际情况,提出活动断裂的活动强度的五度划分方案:Ⅰ度为极强活动断裂(S≥10;Ms≥8;岩石圈断裂);Ⅱ度为强活动断裂(1≤S<10;6≤Ms<8;岩石圈断裂或地壳断裂)、Ⅱ度中等强度活动断裂(0.1≤S<1;5≤Ms<6;地壳断裂)、Ⅳ度为弱活动断裂(0.01≤S<0.1;3≤Ms<5;基底断裂)、Ⅴ度为极弱活动断裂(S<0.01;Ms<3;盖层断裂)。秦巴地区活动断裂的活动强度总体上呈逐渐减弱的趋势(渭河盆地中的活动断裂除外),受区域构造应力场变化的影响,自中更新世以来,区域上近东西向的活动断裂以左旋走滑剪切为主要活动方式,晚更新世以来活动已明显减弱。对测区15条规模较大的活动断裂进行了活动强度级别的划分:强活动断裂1条,中等强度活动断裂5条,弱活动断裂9条,极弱活动断裂2条,即大部分活动断裂活动强度较低。并对这些活动断裂的工程稳定性进行了简要评估。
4、地应力场重点讨论了秦巴地区中新生代构造应力场的演化规律、现今构造应力场和3000m深度以内地应力的分布规律,同时,为配合地壳稳定性评价工作分别进行了区域和测区两个层次的应力场数值模拟研究。通过研究发现,秦巴山区(秦岭造山带东秦岭部分)地下一定深度以下岩层中残留有古构造应力,并且其强度还较高,这对于充分认识该区地应力的组成和分布状态,对于将来引水线路的规划设计具有重要的理论和工程意义。研究结果表明,现代构造应力场主压应力方向以北东向为主,而秦巴山区地壳浅部的地应力主压应力方向却为近南北方向。在断裂带内尤其是不同方向断裂的交汇部位、断裂的端点、被周围低弹模包围的高弹模地块内常常出现地应力集中现象,同时,断裂带内主压应力方向始终与断裂的走向保持垂直,在不同方向断裂的交汇部位主压应力的方向常常发生偏转,另外,断裂走向的变化也可引起主压应力方向的偏转。
5、地震活动据不完全统计秦巴地区历史上共发生3级以上地震191次,其中8级以上地震1次;7级地震2次;6-6.9级地震5次;5-5.9级地震31次;4-4.9级以上地震50次;3-3.9级以上地震102次。总体上以5级以下地震居多,中强地震较少,并且震源深度较浅。秦巴地区地震活动具有西强东弱,北强南弱的特点,中强地震主要沿不同地块之间的边界断裂、不同方向构造的复合叠加部位、不同方向断裂的交汇部位展布。根据秦巴地区地震活动的时空分布规律、地震动峰值加速度区划图、地震烈度区划图以及该区地壳结构的特点,推测未来地震活动对引水隧道的影响不太大。
6、岩土体稳定性分析秦巴地区的各种土体成分复杂、土质疏松、密度较低、具膨胀性粘土矿物含量较高,因此,土体的稳定性较低,而岩体的稳定性条件总体上较好。
7、地面稳定性与地质灾害分析秦巴地区地面稳定性问题主要涉及崩塌、滑坡、泥石流、地裂缝、地面塌陷等。研究表明秦巴地区地质灾害的分布存在空间上的分异性:在渭河盆地中滑坡以黄土滑坡为主;秦巴山区的滑坡以小型浅层堆积层滑坡为主,在汉江河谷分布一些膨胀土滑坡和岩质滑坡;大巴山以南中生代红层中的滑坡以中厚层岩质滑坡为主。崩滑流沿主要的断裂带、河流、交通线分布,形成纵横东西南北的地质灾害链,地质灾害的发生具有群发性、链生性的特点,崩滑流地质灾害在成因上相联系,在时空上先后、彼此相依。秦巴地区地质灾害的发生受降雨、地形、岩性和结构面、活动断裂、人类活动等因素的影响,是内动力地质作用和外动力地质作用相互转化的结果,也是大气圈、水圈、生物圈和岩石圈耦合的反映。崩滑流在引水线路的南部地区对线路影响较大,在深埋输水隧道进出口也有一定的影响,其它地区可不予考虑。
8、秦巴地区区域地壳稳定性评价研究区域地壳稳定性评价的原则是以构造稳定性为主、结合岩土体稳定性和地面稳定性进行综合评价,选择对区域地壳稳定性影响较大的7个因素作为评价因子,建立了模糊数学评价模型,在模糊数学计算分析的基础之上,进行了秦巴地区地壳稳定性分区评价研究,结果表明,秦巴地区区域地壳稳定性总体上较好,宏观上南部较北部稳定性更好。共划分了28区带,其中不稳定区只有1个,面积约为1200km2,占区域总面积(26*104km2)的0.46﹪,离三峡引水工程引水隧洞较远,对工程的稳定性影响较弱;较不稳定区带4个,面积约为1.25*104km2,占区域总面积的4.80﹪;较稳定区带12个,面积约为4.95*104km2,占区域总面积的19.05﹪;稳定区带11个,面积约为19.68*104km2,占区域总面积的75.69﹪。
9、三峡引水工程秦巴段工程场地地壳稳定性评价研究为了提高区域地壳稳定性评价的精度和适用性,主要针对引水深埋长隧道的稳定性问题,分构造稳定性和岩体稳定性两个层次,选取影响稳定性的主要因素作为评价因子,分别建立了模糊数学评价模型,并进行了模糊数学综合评判,在此基础上,进行了三峡引水工程秦巴段工程场地地壳稳定性2级分区评价。地壳稳定性评价结果显示,三峡引水工程场地地壳稳定性程度较高,适合兴建大型引水工程。在30个区带中,较不稳定区(1个)面积约为699km2,仅占工程场地总面积(约为52577km2)的1.3﹪;较稳定区带(8个)面积约为15826km2,占工程场地总面积的30.1﹪;稳定区带(21个)面积约为36052km2,占工程场地总面积的68.6﹪。
10、引水线路的优化比选运用地壳稳定性评价结果,进行了引水规划线路的优化比选,结果显示,以中线为最好。