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[摘 要] 西安地裂缝是社会发展中遇到的一个突出的自然灾害问题，也是一个地球科学中新的重要科学问题。西安地裂缝查明其分布规律、破解其成因机理、把握其活动特征、寻找其减灾对策，成为地学界关注的一个重大地学工程问题。由此，对西安地裂缝的三维数字建模为研究其机理以及如何科学决策具有深刻的意义。
[关键词]西安地裂缝 数字三维建模
中图分类号：0343.2 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）33-0398-01
1.研究背景
西安地区是中国古代文化的发祥地之一。然而，祸福相依的现象一直伴随着西安市的发展，东西向横贯西安市区、等间距排列、同步南倾的十四条地裂缝，严重地制约着西安城市的建设发展，威胁着人民的生活安居，成为世界闻名的典型城市地质灾害。地裂缝的形成必须具备三个相互关联的背景与条件：一是构造背景，即地裂缝发生所需能量的大尺度动力学背景，如周围块体的作用力、应变的传递，不同活动块体之间的相互作用等；二是孕裂环境，即地裂缝发生的局部地质条件，它主要取决于地裂缝发生地段的隐伏构造、地貌条件、断层和节理构造活动性、岩土介质特性等；三是起裂条件，即应力活动、应变积累程度、地震活动性、抽水作用以及地表水渗入作用等。
2.成因分析
西安是我国地裂缝灾害最严重、最典型的城市，许多学者对西安地裂缝的成因提出了不同看法，我国地裂缝成因争论最早也是起自于西安地裂缝的研究（彭建兵等，2007）。
20世纪80年代初的主导观点是地面沉降成因论，后期也有一些学者坚持这一观点（易学发，1984；钟龙辉，1996）。这种成因说认为西安地裂缝是由于过量抽取地下水导致地面大面积沉降而引起的，在差异沉降陡变带上，由于两侧变形差大于岩土体的极限应变能力而产生了地表破裂，而局部地质构造条件对地裂缝的形成只起到有限的控制作用。然而，随着研究工作的不断深入，越来越多的人认为西安地裂缝是以构造成因为主，即地裂缝是由基底伸展断裂系在横向拉张应力场作用下形成的，并同时叠加了地下水开采的影响。其代表性的观点有张家明（1990）的断块掀斜成因论，刘国昌（1986）、王景明（1985）的隐伏断层蠕动成因论，王兰生（1994）的构造重力扩展成因论，彭建兵（1992）的主伸展断裂伸展活动成因论，李永善（1992）、吴嘉毅（1990）等的基底断裂活动成因论。虽然概化的成因模式各有所不同，但共同点是构造成因为主，与盆地拉张环境下的临潼—长安断裂的伸展活动有直接关系。
关于大同地裂缝的成因，刘玉海（1995）、陈志新（1996）、马国栋（1991）和徐锡伟（1994）均认为大同地裂缝的形成和发展主要受控于基底构造活动，与过量开采地下水没有直接联系。与此不同，国家地震局地质研究所（1992）的研究结果认为，基底的构造活动仅是大同地裂缝形成的背景因素，地裂缝的形成则主要受过量开采地下水的影响，地裂缝活动量的70%与地下水开采引起的地面沉降有关。
同样，关于榆次、清徐、临汾、运城、渭南、咸阳、三原等地的地裂缝，调查或勘探结果均显示与隐伏活动断裂或旁侧活动断裂的活动有关。彭建兵曾于2004年夏冬时节分别对渭河盆地的泾阳地裂缝和运城地区峨嵋台地地裂缝进行过调查研究，发现这些地区的地裂缝多沿黄土中的构造节理发育，强降雨时的地表水入渗的渗透侵蚀可在一夜之间沿构造节理冲蚀出长数百米的地表裂缝，显然这类地裂缝与构造节理的开启活动有关，强降雨是地裂缝显露地表的诱发因素（彭建兵等，2006）。
近年来，随着研究的不断深入，越来越多的学者趋向于第三种观点，即区域性地裂缝是构造和地下水开采复合作用形成的。也就是说，对于广泛发育在汾渭盆地这一特殊地质构造单元中的地裂缝，其形成、活动与现代地壳活动有着极为密切的关系，人类过量抽取地下水及地表水的入渗侵蚀等加剧了地裂缝的现代活动。然而，由于研究工作的分散性，地区与行业之间的封闭性以及技术手段的局限性等多方面的原因，在汾渭盆地地裂缝成因机理研究方面，还存在不少关键问题没有解决。
3.研究现状
传统的地质信息的模拟与表达主要采用平面图 和剖面图，其实质是将三维空间的地层、构造、地貌及其它地质现象投影到某一平面上进行表达。该方法存在的主要问题是空间信息的损失与失真、制图过程繁杂及信息更新困难。三维地质建模正是针对的地质信息模拟与表达方法的缺陷，借助计算机和科学计算可视化技术，直接从三维空间的角度去理解和表达地质体与地质环境。 所谓三维地质建模（3DGeosciencesModel2ing），就是运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，并用于地质分析的技术。一个好的三维地质模型是进行力学分析的基础，它对工程决策和科学管理具有重要的意义，概括起来具有以下一些优点：（1）有利于提高资源利用的信息化程度，便于实现系统管理和资源共享；（2）有利于实现分析成果的空间表达，易于增强可视性；（3）通过地质模型与力学分析系统两者之间的集成，一方面可以发挥其在空间数据操作方面的优势，另一方面可以改变建模过程中相关工程应用模型开发工作效率低的局面，从而弥补地质模型在专业计算方面的缺陷和不足；（4）采用点与面相结合、区域规划与局部地段分析相结合的系统方法，符合地质工程勘察和设计工作的特点，有利于采取快速、合理的措施以尽量降低成本。
4.三维地质建模方法
现实世界对三维地质模型方法和软件有着强烈需求。然而，目前对真三维数据的获取比较困难，三维地质模型更多的是采用地维的数据生成，多种三维地质三维模型方法相继被提出，如：基于钻孔的建模，基于三棱柱、似三棱柱或广义三棱柱的建模，基于平行剖面的建模，非层状地质体建模，基于曲面的建模，基于多元数据的建模等等。其中，基于钻孔数据的建模虽然可以完成对层状地质体的模拟，但不能解决含有断层的地质建模。在此是基于曲江龙湖的钻孔资料进行研究的，具有充分的可靠性。
5.现实意义
（1）理论意义：探索表达地裂缝空间形态的模型形式，建立数字环境下研究地裂缝问题的模型基础；
（2）工程意义：使用3DGIS和3DGMS技术，对西安地裂缝进行三维空间建模的具体算法研究，实现地裂缝数字三维建模和互操作。最终满足对地裂缝的定性分析和工程规划设计的需求。
（3）经济方面：成熟的成果模型可以对城市房屋建筑、道路桥梁、地下管道等市政设施和各类城市建设和居民的生活安全提供了保障，定将会给西安城区城市规划与经济发展带来广泛而又深刻的影响！
（4）创新意义：以新方式取代老手段。利用建立的三维模型进行工程的建设勘察设计取代传统的平面设计和实地勘测，是一种突出的创新。
参考文献
[1] 黄强兵，彭建兵等.中美两国的地裂缝灾害[J].岩石力学与工程学报，2008，11.
[2] 耿大玉，李忠生.地铁隧道正交穿越地裂缝的相互作用机制试验研究[J].地震学报，2000，4.
[3] 李凯玲等.分段柔性接头地铁隧道适应地裂缝大变形的模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011，3.
[关键词]西安地裂缝 数字三维建模
中图分类号：0343.2 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）33-0398-01
1.研究背景
西安地区是中国古代文化的发祥地之一。然而，祸福相依的现象一直伴随着西安市的发展，东西向横贯西安市区、等间距排列、同步南倾的十四条地裂缝，严重地制约着西安城市的建设发展，威胁着人民的生活安居，成为世界闻名的典型城市地质灾害。地裂缝的形成必须具备三个相互关联的背景与条件：一是构造背景，即地裂缝发生所需能量的大尺度动力学背景，如周围块体的作用力、应变的传递，不同活动块体之间的相互作用等；二是孕裂环境，即地裂缝发生的局部地质条件，它主要取决于地裂缝发生地段的隐伏构造、地貌条件、断层和节理构造活动性、岩土介质特性等；三是起裂条件，即应力活动、应变积累程度、地震活动性、抽水作用以及地表水渗入作用等。
2.成因分析
西安是我国地裂缝灾害最严重、最典型的城市，许多学者对西安地裂缝的成因提出了不同看法，我国地裂缝成因争论最早也是起自于西安地裂缝的研究（彭建兵等，2007）。
20世纪80年代初的主导观点是地面沉降成因论，后期也有一些学者坚持这一观点（易学发，1984；钟龙辉，1996）。这种成因说认为西安地裂缝是由于过量抽取地下水导致地面大面积沉降而引起的，在差异沉降陡变带上，由于两侧变形差大于岩土体的极限应变能力而产生了地表破裂，而局部地质构造条件对地裂缝的形成只起到有限的控制作用。然而，随着研究工作的不断深入，越来越多的人认为西安地裂缝是以构造成因为主，即地裂缝是由基底伸展断裂系在横向拉张应力场作用下形成的，并同时叠加了地下水开采的影响。其代表性的观点有张家明（1990）的断块掀斜成因论，刘国昌（1986）、王景明（1985）的隐伏断层蠕动成因论，王兰生（1994）的构造重力扩展成因论，彭建兵（1992）的主伸展断裂伸展活动成因论，李永善（1992）、吴嘉毅（1990）等的基底断裂活动成因论。虽然概化的成因模式各有所不同，但共同点是构造成因为主，与盆地拉张环境下的临潼—长安断裂的伸展活动有直接关系。
关于大同地裂缝的成因，刘玉海（1995）、陈志新（1996）、马国栋（1991）和徐锡伟（1994）均认为大同地裂缝的形成和发展主要受控于基底构造活动，与过量开采地下水没有直接联系。与此不同，国家地震局地质研究所（1992）的研究结果认为，基底的构造活动仅是大同地裂缝形成的背景因素，地裂缝的形成则主要受过量开采地下水的影响，地裂缝活动量的70%与地下水开采引起的地面沉降有关。
同样，关于榆次、清徐、临汾、运城、渭南、咸阳、三原等地的地裂缝，调查或勘探结果均显示与隐伏活动断裂或旁侧活动断裂的活动有关。彭建兵曾于2004年夏冬时节分别对渭河盆地的泾阳地裂缝和运城地区峨嵋台地地裂缝进行过调查研究，发现这些地区的地裂缝多沿黄土中的构造节理发育，强降雨时的地表水入渗的渗透侵蚀可在一夜之间沿构造节理冲蚀出长数百米的地表裂缝，显然这类地裂缝与构造节理的开启活动有关，强降雨是地裂缝显露地表的诱发因素（彭建兵等，2006）。
近年来，随着研究的不断深入，越来越多的学者趋向于第三种观点，即区域性地裂缝是构造和地下水开采复合作用形成的。也就是说，对于广泛发育在汾渭盆地这一特殊地质构造单元中的地裂缝，其形成、活动与现代地壳活动有着极为密切的关系，人类过量抽取地下水及地表水的入渗侵蚀等加剧了地裂缝的现代活动。然而，由于研究工作的分散性，地区与行业之间的封闭性以及技术手段的局限性等多方面的原因，在汾渭盆地地裂缝成因机理研究方面，还存在不少关键问题没有解决。
3.研究现状
传统的地质信息的模拟与表达主要采用平面图 和剖面图，其实质是将三维空间的地层、构造、地貌及其它地质现象投影到某一平面上进行表达。该方法存在的主要问题是空间信息的损失与失真、制图过程繁杂及信息更新困难。三维地质建模正是针对的地质信息模拟与表达方法的缺陷，借助计算机和科学计算可视化技术，直接从三维空间的角度去理解和表达地质体与地质环境。 所谓三维地质建模（3DGeosciencesModel2ing），就是运用计算机技术，在三维环境下，将空间信息管理、地质解译、空间分析和预测、地学统计、实体内容分析以及图形可视化等工具结合起来，并用于地质分析的技术。一个好的三维地质模型是进行力学分析的基础，它对工程决策和科学管理具有重要的意义，概括起来具有以下一些优点：（1）有利于提高资源利用的信息化程度，便于实现系统管理和资源共享；（2）有利于实现分析成果的空间表达，易于增强可视性；（3）通过地质模型与力学分析系统两者之间的集成，一方面可以发挥其在空间数据操作方面的优势，另一方面可以改变建模过程中相关工程应用模型开发工作效率低的局面，从而弥补地质模型在专业计算方面的缺陷和不足；（4）采用点与面相结合、区域规划与局部地段分析相结合的系统方法，符合地质工程勘察和设计工作的特点，有利于采取快速、合理的措施以尽量降低成本。
4.三维地质建模方法
现实世界对三维地质模型方法和软件有着强烈需求。然而，目前对真三维数据的获取比较困难，三维地质模型更多的是采用地维的数据生成，多种三维地质三维模型方法相继被提出，如：基于钻孔的建模，基于三棱柱、似三棱柱或广义三棱柱的建模，基于平行剖面的建模，非层状地质体建模，基于曲面的建模，基于多元数据的建模等等。其中，基于钻孔数据的建模虽然可以完成对层状地质体的模拟，但不能解决含有断层的地质建模。在此是基于曲江龙湖的钻孔资料进行研究的，具有充分的可靠性。
5.现实意义
（1）理论意义：探索表达地裂缝空间形态的模型形式，建立数字环境下研究地裂缝问题的模型基础；
（2）工程意义：使用3DGIS和3DGMS技术，对西安地裂缝进行三维空间建模的具体算法研究，实现地裂缝数字三维建模和互操作。最终满足对地裂缝的定性分析和工程规划设计的需求。
（3）经济方面：成熟的成果模型可以对城市房屋建筑、道路桥梁、地下管道等市政设施和各类城市建设和居民的生活安全提供了保障，定将会给西安城区城市规划与经济发展带来广泛而又深刻的影响！
（4）创新意义：以新方式取代老手段。利用建立的三维模型进行工程的建设勘察设计取代传统的平面设计和实地勘测，是一种突出的创新。
参考文献
[1] 黄强兵，彭建兵等.中美两国的地裂缝灾害[J].岩石力学与工程学报，2008，11.
[2] 耿大玉，李忠生.地铁隧道正交穿越地裂缝的相互作用机制试验研究[J].地震学报，2000，4.
[3] 李凯玲等.分段柔性接头地铁隧道适应地裂缝大变形的模型试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011，3.