張家口及鄰區地殼穩定性研究

戚幫申 , 豐成君 , 譚成軒 , 張 鵬 , 孟 靜 ,王苗苗 , 張春山 , 楊為民 , 楊肖肖, 雷曉東

（1. 北京市地質勘察技術院，北京100120；2. 中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081；3. 國土資源部新構造與地質災害重點實驗室，北京 100081；4. 中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029）

0 前言

張家口是京津冀協同發展城市群節點之一，伴隨著京津冀一體化的推進，以及2022年冬奧會承辦的促進作用，張家口及鄰區的基礎設施建設發展迅速。然而，該地區發育有延礬、懷涿、張宣、懷安、陽原等一系列晚新生代斷陷盆地，盆地內活動斷裂發育，中強地震較為集中（徐錫偉等，1988；Xu et al，1992；Pavlides et al，1999；方仲景等，1993），地質條件區域上差異明顯。因此，為了保障京張高鐵、冬奧會場區的規劃、建設，及時針對不穩定地段進行規避或重點設防，張家口及鄰區地殼穩定性評價工作是當務之急。

區域地殼穩定性研究，是在中國幾十年的工程地質實踐中發展起來的一項特有的區域工程地質理論方法體系，在重大工程場地選址、國土資源規劃、減災防災等工作中發揮了積極的作用。區域地殼穩定性評價理論經歷了20世紀50—60年代的孕育和初步發展（劉國昌，1965），于70—80年代基本形成（谷德振，1979；胡海濤等，1988），并在20世紀90年代—21世紀初得到快速發展（王瑞江，1990；劉國昌，1993；胡海濤等，1993；孫葉等，1998；杜東菊，1994；吳樹仁，1995；王思敬，2002；Chen et al，1995；Tan et al，1997）。伴隨著新世紀各種新的科學理論、實驗設備的發展，地殼穩定性評價工作開始由定性評價向定量—半定量發展（彭建兵，2001a；彭建兵，2001b；柴峻峰等，2004；吳樹仁等，2004；譚成軒等，2009；姚鑫等，2014；姚鑫等，2015）。但是，由于地殼穩定性評價工作和國家建設論證、規劃、設計、施工結合不夠緊密，其實用性一直是其理論應用的短板（譚成軒等，2009），因此，結合具體工程的地殼穩定性研究具有重要的實際意義。

本文針對地質條件復雜的北京西北部“盆嶺”地貌區（圖1），依據地殼穩定性評價理論和研究思路，基于已有成果資料，結合張家口及鄰區活動斷裂地表調查、綜合地球物理探測、鉆探等新資料，以構造穩定性為主，突出地球物理場、活動斷裂、地震危險性、現今構造應力場在地殼穩定性評價過程中的作用，配合巖土體穩定性、地面穩定性（外動力地質災害）研究，對張家口地區進行綜合地殼穩定性評價和分區，為該地區重大工程（如京張高鐵、冬奧會場區）提供地質科技保障。

圖1 京張地區主要活動斷裂及地貌特征Fig.1 Generalized map of active structure of Beijing and Zhangjiakou Area

1 區域地殼穩定性的影響因素分析

區域地殼穩定性是指在內、外動力（以內動力為主）作用下現今地殼及其表層的相對穩定程度，以及與工程建筑之間的相互作用和影響，研究內容包括構造穩定性研究、巖（土）體穩定性研究、地面穩定性研究，其中，構造穩定性為重點，巖（土）體穩定性為介質條件，地面穩定性即外動力地質災害（孫葉等，1998）。

1.1 構造穩定性分析

（1）深部地球物理特征

深部構造是控制地殼穩定性的重要因素（袁登維等，1996；孫葉等，1998；吳樹仁，1995；姚鑫等，2015）。主要的內容包括深斷裂、重力異常、地殼結構等。其中，重力異常求導獲得的重力異常梯度，可以反映地球內部物質成分及量的差異，其控制構造地貌演化與災害過程（姚鑫等，2015）；深斷裂的活動特性決定著構造的穩定程度，是評價構造穩定性的重要指標（吳樹仁，1995）。

張家口地區布格重力異常值在-165×10-5m/s2～-44×10-5m/s2范圍內（孫文珂等，1999），由北西至南東異常值逐步變大（圖2a），與航磁異常的變化趨勢相一致（圖2b）。以2km2為單元，計算各單元內的重力異常梯度，結果顯示在赤城—龍關—張家口一帶存在NE向與NW向呈共軛分布的重力異常陡梯度帶，張北壩緣存在近E-W向重力異常陡梯度帶，延慶、懷來南東存在走向NEE的明顯的重力異常陡梯度帶（圖3a），其走向和尚義-隆化大斷裂、桑干-平泉構造帶北界深大斷裂以及上黃旗-烏龍溝大斷裂基本一致（圖2）。

圖2 張家口及鄰區深部結構特征Fig.2 Features of deep structure in Zhangjiakou and its adjacent region

（2）活動斷裂特征

活動斷層為晚第四紀或距今12萬年以來有過活動，未來仍可能活動的斷層（鄧起東，1991；徐錫偉等，2002）。大量的震例表明，活動斷裂是地震的根源和元兇（徐錫偉等，1996），地震災害具有沿發震斷層呈狹窄的帶狀分布特征（徐錫偉等，2006），對于區域地殼穩定性影響頗為重要。張家口及鄰區主要活動斷裂NW-NWW向斷裂5條，NE-NEE向斷裂8條，近E-W向斷裂3條（圖4）。NE-NEE向斷裂規模較大，延伸長度長，NW-NWW向斷裂分布不連續，空間上多呈雁行排列，該地區受山西地塹活動構造帶和張家口-渤海活動構造帶的復合作用明顯。地貌上，NW-NWW向活動斷裂與NENNE向活動斷裂共同構成分割該區山脈、盆地的地貌邊界。

依據中國地質調查局技術標準DD2015-02《活動斷層與區域地殼穩定性調查評價規范（1:50000、1:250000）》中斷層活動強度的分級標準（表1），結合前人的研究成果和本研究獲得的認識，對張家口及鄰區主要斷裂進行活動性分析（圖4，表2），最終獲得斷裂穩定性圖（圖3f）。

（3）地震危險性特征

圖3 張家口及鄰區地殼穩定性評價要素Fig. 3 Influencing factor of crustal stability assessment in Zhangjiakou and its adjacent region

圖4 張家口及鄰區斷裂活動性分析Fig. 4 Activity of faults in Zhangjiakou and its adjacent region

表1 斷層活動性分級標準Tab.1 The standards of fault activity

表2 張家口及鄰區主要活動斷裂基本特征及活動性簡表Tab.2 Feature of the important active faults in Zhangjiakou and its adjacent region

破壞性地震是威脅工程設施最大因素之一，亦是影響區域地殼穩定性的重要因子之一。潛在震源區劃分主要遵循“歷史地震重演”和“構造外推”兩條原則，其主要內容包括確定潛在震源區范圍大小、展布方向和震級上限，不僅能夠代表歷史地震情況，還能反映未來地震的趨勢，因此，對分析區域地殼穩定性具有重要的作用。參考最新全國地震區劃圖成果（周本剛等，2013；潘華等，2013），結合張家口地區具體的地震發育情況，將張家口地區劃分為9個潛在震源區（圖3b）。其中，震級上限Ms7.5級的潛在震源區2個，為高危區；震級上限Ms7.0級的潛在震源區3個，為中危區；震級上限Ms6.5級的潛在震源區4個，為低危險區，其他區域地震發生概率低（圖3b）。

地震動峰值速度主要影響未來地震基本烈度，同樣也是構造穩定性評價系統里重要的因素之一，依據中華人民共和國國家標準（GB18306-2015）《中國地震動參數區劃圖》(1:400萬)，張家口地區50年超越概率10%地震動峰值加速度如圖3c。張家口地區地震動峰值加速度介于0.05g和0.2g之間，對應的地殼穩定性分級標準為：地震動峰值加速≤0.05g為穩定、0.10g為次穩定、0.15g為次不穩定、0.20g為不穩定。研究區內最大地震動峰值加速度區主要位于延懷盆地（圖3c），是京張高鐵主要穿越段，處于不穩定區，應當著重設防。

（4）區域地殼變形特征

首都圈地區精密水準復測地殼垂直形的資料（1998—2001）（楊國華等，2002）表明研究區主要垂直隆升為主，隆升速率最大位于研究區北部，張家口—張北—崇禮—赤城一帶，速率最大可達8mm/a以上，南部隆升速率3～5mm/a，而東部和西部的地殼垂直速率較低，基本上不超過2mm/a，具有四象限分布的特征（圖5a），主要是受NW向和NE向斷裂活動的影響。垂直變形的梯度變化較大的地帶位于宣化—萬全縣呈NW向展布，垂直變形速率大（圖3d），受控于張家口-渤海活動斷裂帶，為本區地殼變形異常區域。

1999—2007地殼水平運動速率（牛之俊等，2005）可見張家口的地區地殼水平變形差異明顯，東北部地殼水平變形較小，介于2mm/a和2.6mm/a之間，而西南地區的地殼水平變形明顯，地殼水平變形速率為2.6～4.2mm/a（圖3e，5b）。地殼水平運動速率差異表明NW向張家口-渤海活動斷裂現今具有明顯的左旋走滑的特征。

（5）現今構造應力場特征

圖5 張家口及鄰區現今地殼變形特征Fig.5 Features of crustal deformation in Zhangjiakou and its adjacent region

運用ANYSIS有限元數值模擬軟件，依據區域地質、活動斷裂、巖土體工程地質特性等資料，構建二維簡化地質模型，基于室內巖石力學實驗和野外原位巖土力學參數測試結果，合理確定地質模型中的介質力學參數。計算巖體破裂危險度（R），反映巖體臨近破裂的程度。體破裂危險度是區域地殼穩定性評價中應力評價指標之一，從彈性力學角度，若R≥1.0.則相當于莫爾-庫倫準則得到滿足，巖體出現破裂，巖體不穩定；若R＜1.0，則巖體未出現破裂，巖體穩定。模擬結果顯示，張家口及鄰區巖體破裂危險度R值為0～1.0，其中最大值主要分布在赤城以北大馬群山地區、延慶以南延礬盆地及軍都山地區、張北縣西北壩上地區，以及化稍營鎮西南陽原盆地等區域。其中，巖石破裂危險度R＜0.5為穩定，巖石破裂危險度0.5≤R＜0.7為次穩定，巖石破裂危險度0.7≤R＜0.9為次不穩定，巖石破裂危險度0.9≤R＜1.0為不穩定（圖3g）。

1.2 巖土體穩定性分析

巖土體是由一種或幾種巖石（土）組成，具有一定的地應力狀態和處于一定的地質環境中的地質體，巖土體穩定性評價分析就是對巖土體的巖性組合、結構特征及巖土體特征劃分其類型，且分別對其穩定性做出評價（孫葉等，1998）。一般巖土體經過變形和遭受破壞往往被結構面所分割，其形成和演化與區域地質發展史有著密切聯系，巖性和巖體結構是直接影響區域地殼穩定性的表層物質基礎（姚鑫等，2015）。巖土體穩定性研究內容，除了地質條件經行分析研究外，主要對巖石（土）的組合、結構、物理力學性質經行分析研究，同時結合地質條件、地應力狀態、地下水作用等經行綜合分析，最后對巖土體類型進行劃分和對其穩定性經行綜合評價。按照巖土體巖相特征、風化程度以及構造破碎程度劃分為4個工程巖組，具體劃分結果見圖3h。

1.3 地面穩定性分析

研究區地質災害以泥石流為主，主要分布在基巖山區及盆山交接部位，區內共有188處泥石流災害點，占災害總數的62%。區內滑坡災害規模較小、數量少，主要以崩滑破壞為主。崩塌、滑坡主要分布在基巖山區、溝谷岸坡及人類工程切坡強烈的地區，區內共有115處崩滑災害點，占災害總數的38%（圖6）。

圖6 張家口及鄰區主要地質災害分布圖Fig. 6 Geologic hazards distribution in Zhangjiakou and its adjacent region

張家口地區崩塌、滑坡、泥石流的形成，主要受地形地貌、巖性、地質構造以及降雨影響，其中降雨是主要誘發因素。泥石流多為溝谷、暴雨型泥石流，屬于高頻泥石流，每年夏季均有發生，季節性明顯，多發生在雨季7—9月份暴雨或持續降雨期間。張家口地區地質災害影響因素中，地貌上斜坡高差（圖7a）和斜坡坡度（圖7b）對地質災害影響程度高，降雨作為主要誘發因素（圖7c），影響程度較高，河流侵蝕作用（圖7d）影響程度次之（張向營等，2018）。據此，各個地質災害影響因素的權重分配分別為斜坡坡度0.35、斜坡高差0.35、年均降雨量0.20以及河流侵蝕0.10，與構造穩定性和巖土體穩定性相關因素在地面穩定性評價中不再重復累計。最后，得到張家口及鄰區地質災害發育程度圖（圖3i）。

2 區域地殼穩定性評價方法

2.1 評價方法

地殼穩定性是指地殼塊體現今的相對穩定程度，穩定性分級以及分區評價是一個由眾多因素（變量）綜合影響的模糊概念。因此，采用模糊數學方法進行區域地殼穩定性研究是切實可行。

根據中國地質調查局地質調查技術標準《活動斷層與區域地殼穩定性調查評價規范（1:50 000、1:250 000）》（DD2015-02）以及國家專業標準ZBD14002-89相關分級指標的要求，綜合區域穩定性級別評判集為：

V={不穩定，次不穩定，次穩定，穩定}

用各指標進行評判，分別得到各指標Xi在V上的模糊評判子集，記為：

n個指標構成的模糊關系子集為：

在眾多評判指標中，其重要程度各不相同，用指標權重表示，則構成指標權重模糊子集為：

則綜合評判的結果為：

將其應用到區域上每個單元，得到4個穩定性級別的隸屬度，按最大隸屬度原則確定其分為不穩定、次不穩定、次穩定和穩定級別。

2.2 評價指標

為了避免因選取評價指標過多而帶來的人為數值化影響偏大的弊端，本文在定性解析的基礎上，選取8個評價指標進行定量分析計算，其中，構造穩定性評價指標分別為深部地球物理、地震活動、地震動峰值加速度、現今地殼變形（垂直變形和水平變形）、斷裂帶穩定性（活動時代、斷裂切割深度、活動速率等）以及現代構造應力場；巖土體評價指標1個，為工程巖組特巖土體結構及特征；地面穩定性評價指標1個，分析研究區地質災害發育特征，并確定斜坡坡度、斜坡高差、年均降水量、河流沖蝕4個二級指標。

依據區域地殼穩定性相關理論和規范，結合張家口地區的特點，確定要素重要性由大到小的順序宜為斷裂帶穩定性、地震、外動力地災條件、巖土體結構及特征、構造應力場、深部地球物理場、地殼變形。個別指標存在空間上的加強重疊作用，適當降低其權重，如活動斷裂影響帶與潛在震源區劃分上部分區域往往重合，因此適當降低二者的權重。考慮評價指標數據的準確性，可將具體資料分為實測數據（如現今地殼變形、地面高程梯度差、年均降雨量、河流沖蝕位置等）、調查數據（如巖土體、斷裂）、綜合編繪數據（如潛在震源區、地震動峰值加速度、地球物理場）和模擬分析數據（如構造應力場）4類，準確性由好及差，準確性低的數據適當降低權重，避免資料的不準確給地殼穩定性評價分析結果產生的負面影響（姚鑫等，2015）。

本文采用構造穩定性評價分析因素的比例尺小于1:500 000，巖土體穩定性評價分析因素地比例尺為1:250 000，地面穩定性評價分析因素的比例尺相對較高，可達1:200 000。因此，由于評價要素資料來源的比例尺精度不一，在各評價分析指標的權重分配上比例尺小的要素適當降低權重，比例尺大的要素適當提高權重，以增加最終評價結果的合理性和區分度，評價指標權重的確定性分析結果見表3。

表3 評價指標權重Tab.3 Weight assignment of influencing factors

（1）構造穩定性評價分析具體包含內容和權重分配如下：

①深部地球物理場（f1）：主要以布格重力異常反映研究區的深部構造差異，權重分配0.10。

②地震活動（f2）：主要考慮地震活動情況，包括地震活動的強度和頻度，劃分潛在震源區及設置震級上限，權重分配0.15。

③地震動峰值加速度（f3）：主要考慮影響未來地震的基本烈度，權重分配0.10。

④現今地殼變形（f4）：包括研究區地殼垂直和水平變形速率，主要考慮沉降量、地殼變形異常區、梯度帶或拐點分布，由于該地區以垂直運動顯著，并表現為隆升狀態，垂直變形速率差異明顯，現今地殼變形評價中，垂直變形速率分配內部權重0.8，水平變形速率分配內部權重0.2，綜合權重分配0.10。

⑤斷裂穩定性（f5）：主要考慮斷裂的活動時代、斷裂切割深度、活動速率，三者內部權重分配分別為0.4、0.3、0.3，綜合權重分配0.20。

⑥現代構造應力場（f6）：主要考慮現今構造應力作用方向、大小、集中程度，用巖體破裂危險度表示其對地殼穩定性的影響程度，權重分配0.15。

（2）巖土體穩定性評價分析具體包含內容和權重分配如下：

工程巖組特巖土體結構及特征（f7）：主要根據巖土體工程地質特性，巖土體的組合類型、巖體結構、強度等，權重分配0.10。

（3）地面穩定性評價分析具體包含內容和權重分配如下：

地質災害條件（f8）：主要考慮斜坡坡度、地形高差、年均降雨量、河流侵蝕特征等，內部權重分配分別為0.35、0.35、0.20、0.10，綜合權重分配0.10。

表4 地殼穩定性評價指標分級Tab.4 Classification for influencing factors of crustal stability

3 結果

基于ArcGIS平臺的空間分析功能，取柵格大小為100m×100m進行計算，共分為2614331個計算單元。根據各評價要素的分級標準（表4），將Ⅰ—Ⅳ級別分別賦值1～4（圖3）。再按表3中分配的權重值分別計算各單元的地殼穩定性指數S，計算公式如下：

計算出的穩定性指數值S位于1.1～4.0之間，歸一化處理后得到0～1之間的計算結果（圖3j）。采用自然聚類裂點法將區域地殼穩定性分為穩定、次穩定、次不穩定和不穩定4個級別。穩定區的指數范圍為0.0～0.15，面積5920.35km2，占總面積比例22.6%；次穩定區指數范圍為0.15～0.30，面積14417.07km2，占總面積比例55.0%；次不穩定區指數范圍為0.30～0.48，面積4994.10km2，占總面積比例19.1%；不穩定區指數范圍為0.48～1.00，面積871.27km2，占總面積比例3.3%（圖3j）。

參考定量計算結果（圖3j），依據地質構造與地貌特征，將全區劃分為8個一級穩定性分區，分別為張北壩上分區、懷安盆地分區、張宣盆地分區、大馬群山分區、陽原盆地分區、懷涿盆地分區、延礬盆地分區、軍都山分區（圖8）。同時考慮地域特征、構造線方向、地殼穩定性定量計算結果等資料，以地名和構造帶組合的命名不同地殼穩定性地區，劃分為19二級分區，進一步解析二級分區內地殼穩定程度，劃分為42個三級分區，最后根據各個三級分區的特征，進行區域地殼穩定性綜合分區（圖8），各分區特征見表5。

圖8 張家口及鄰區地殼穩定性綜合分區圖Fig. 8 Zonation of regional crustal stability assessment in Zhangjiakou and its adjacent region

4 討論與結論

（1）以構造穩定性為主，配合巖土體穩定性和地面穩定性分析，對張家口地區及鄰區地殼穩定性進行綜合定量評價和分區，依據地質構造、地貌特征，將全區劃分為8個一級穩定性分區，以地名和構造帶組合的命名不同地殼穩定性地帶，劃分為19個二級分區，最后進一步解析不同穩定性的地段，劃分為42個三級分區。

（2）張家口及鄰區地殼穩定程度整體以穩定和次穩定區為主，少量次不穩定或不穩定區，不穩定區主要分布于延礬盆地北緣和懷涿盆地北緣，應為京張高鐵重點設防地段（圖5）；崇禮2022年冬奧會場區位于赤城—龍關變質巖類相對較穩定區（），延慶冬奧會場區位于涿鹿—懷來NEE向盆地相對較穩定區（）（圖5），二者的地殼穩定性為穩定—次穩定級，具有很好的安全保障，為2022年冬奧會規劃建設提供了地質科技支撐。

致謝：中國地質科學院地質力學研究所牛琳琳博士，中國地質大學（北京）任思起碩士、范玉璐碩士、王鵬碩士等參與活動斷裂野外調查工作，活動斷裂地球物理探測與解譯成果由北京市地質勘察技術院關偉高工、李晨高工、何祎工程師、韓宇達工程師、李巧靈博士、劉歡工程師、孫杰夫工程師、王建工程師、郗彩霞工程師、尤志鑫工程師、趙玉工程師協助完成，謹表感謝。

表5 張家口及鄰區地殼穩定性分區表Tab.5 Features of zones of regional crustal stability in Zhangjiakou and its adjacent region