遼寧省沈撫新區區域地殼穩定性評價

張春山張樹軒楊為民孟華君呂佳進張田田吳季寰郭 涵

1.中國地質科學院地質力學研究所,北京 100081;2.新構造運動與地質災害重點實驗室,北京 100081;3.中國核電工程有限公司,北京 100036;4.中國地質大學(北京),北京 100083 5.自然資源部陜西寶雞地質災害野外科學觀測研究站,北京 100081

0 引言

沈撫新區是按照國家 “十三五”規劃中 “加快東北老工業基地建設”的文件精神和要求設立的。目的是建設東北老工業基地改革創新的先導區和示范區,打造國家級同城化試驗區,創建遼寧新一輪振興發展的增長極。沈撫新區規劃區域受到活動斷裂、地面塌陷和地裂縫等因素困擾。因此,規劃區的區域地殼穩定性怎樣,國土安全適宜程度如何,是否會對建設場地產生不利影響等等,一些工程地質風險問題顯然是沈撫新區規劃建設需要關注的。因此,查明沈撫新區的活動構造與工程地質條件,基于ArcGIS平臺采用多因子加權疊加分析評價法及時開展區域地殼穩定性評價研究,可有效服務于其規劃建設和減災防災。依據區域地殼穩定性的定義(胡海濤, 2001),開展地殼穩定性評價時應主要考慮三方面的因素:斷裂活動性、巖土體條件穩定程度和表生外動力作用強度。區域地殼穩定性評價現今常用的評價方法主要包括:主觀經驗定性評價法、主因素判斷法、模糊評判法、半定量計算法、多因子疊加分析評價方法和基于ArcGIS平臺的柵格運算評價方法等(谷德振, 1979;胡海濤, 1983;殷躍平, 1985;陳慶宣等, 1990;劉傳正和胡海濤, 1993;杜東菊, 1994;殷躍平等, 1996;楊建軍等, 2004;楊勤業等, 2006;張樹軒等,2018)。其中后兩種方法是近年來隨著計算機應用的深入而逐步推廣采用的(相建華, 2006;張樹軒等,2018)。目前區域地殼穩定性評價仍缺乏統一標準,所選取的評價因子常常因地而異。一些學者強調根據具體工程條件進行區域地殼穩定性評價(谷德振, 1979),也有一些學者認為在選擇以內動力地質作用為主的同時還需要兼顧外動力地質作用(胡海濤, 1983;殷躍平, 1985);另外有的學者比較注重地球深部動力地質因素(彭建兵, 2001),或者更注重工程場地的地質因素(譚成軒等, 2009;張樹軒等,2018)。各種評價方法間差異比較大且各有其優缺點(杜建軍等, 2008;郭芳芳等, 2008;唐輝明等, 2009;周福彩, 2014;譚成軒等, 2014;姚鑫等, 2015)。

文章采用的多因子加權疊加分析評價法是當前國內常用的方法之一,基于ArcGIS平臺對沈撫新區進行了區域地殼穩定性評價,并為沈撫新國土規劃和建設提出相關建議,希望研究成果可為該地區的規劃建設、減災防災和地質安全風險評價等提供參考。

1 區域地質背景

沈撫新區位于沈陽市和撫順市交界地帶。西部為遼河平原,東南部山區屬于千山,東北部山區屬于吉林哈達嶺。區內山頂標高一般在100～150 m以上,總的地勢為南北高中部低,呈兩山夾一盆地貌特征。其中部為渾河河谷盆地及沖積平原,盆地及河谷兩側為低緩丘陵或臺地。該區的地層巖性相對比較簡單,主要包括第四系松散堆積,以砂、砂礫石和礫石為主;古近系的陸相碎屑巖建造和火山巖建造,以頁巖、泥巖、安山巖、玄武巖為主夾煤系地層;白堊系的陸相碎屑巖建造,以砂巖、砂礫巖為主;侏羅系的陸相碎屑巖建造和火山巖建造,為砂巖、泥巖、火山巖等地層;震旦系的海相沉積巖建造,主要為白云質灰巖、泥灰巖;太古界的變質巖建造等。

研究區位于郯廬斷裂帶北段的Y字型交匯部位(圖1a),區內發育多條活動斷裂,以中更新世以來活動為主,主要包括北東向和北東東向斷裂構造,同時也有北西向斷裂構造等,已有研究顯示(鄧起東等,2002;左建等,2003;吳明大等,2004;侯治華等,2006;王聲喜等,2008;萬波等, 2010),研究區內斷裂構造大多具有繼承性(圖1b)。

圖1 沈撫新區區域構造略圖(據中國地震局官網,https://www.cea.gov.cn/cea/dzpd/zqsd-lsdz/index.html;鄧起東等,2002;左建等,2003;吳明大等,2004;侯治華等,2006;王聲喜等,2008;萬波等, 2010資料,并結合野外調查修編)Fig.1 Regional tectonic sketch of Shenfu New Area (Map is made based on the following data and modified according to field survey:https: //www.cea.gov.cn/cea/dzpd/zqsd-lsdz/index.html, China earthquake administration;> Deng et al., 2002;> Zuo et al., 2003;> Wu et al., 2004;> Hou et al., 2006;> Wang et al., 2008;> Wan et al., 2010.

2 區域地殼穩定性的主要影響因素分析

區域地殼穩定性的控制和影響因素有很多,主要有內動力因素、外動力因素和介質條件。其中內動力因素是控制和影響地殼穩定性的主要因素,由斷裂活動性特征、地震活動性強度、構造變形特征、區域構造應力場等參數反映,其中斷裂活動性和地震活動強度是最顯著影響因素;外動力因素是控制和影響地殼穩定性的重要因素,由河流侵蝕強度、地貌形態特征、人類活動強度等反映,具體主要表現為在地表發生各類地質災害的規模、頻次和密度。內動力和外動力條件都是通過一定的介質條件才能對穩定性構成影響的,這些介質條件主包括地層條件和地下水條件,其中地層巖性無疑是最主要的介質條件。因此,在區域地殼穩定性評價過程中,如何選擇評價因素和確定評價指標是非常關鍵的,也是最困難的。因為有些評價因素是相互關聯的,既要求確定相關因素對區域地殼穩定性的重要程度,還需要根據相關地質資料的詳細程度進行取舍。區域地殼穩定性評價要求選擇的因素和指標既要能夠較好地反映上述主要影響因素,又要求資料詳細豐富,同時要求資料數據通過一定方法處理后能定量化,還要盡可能地避免因素或指標之間的相互重疊,這也是地殼穩定性評價問題定量化的難點之一。因此,對區域穩定性的主要影響因素進行定性分析是選擇評價指標的關鍵。

2.1 主要活動斷裂與地震活動

研究區內發育不同時期構造作用,構造行跡縱橫錯綜,斷裂構造以北東—北東東向和北西向為主,同時還有近東西向和近南北向斷裂,這些斷裂構造活動導致巖石相對破碎。已有資料顯示(鄧起東等,2002;張培震等,2003;萬波等,2010;翁劍橋,2020),大多數斷裂現今仍在活動,斷裂活動速率＜1 mm/a,地震活動比較弱,依據中國地震動峰值加速度區劃圖(1∶4000000) (GB 18306-2015)(中國地震局,2015),研究區地震烈度均為Ⅵ～Ⅶ度。在斷裂構造方面,區內以北東東向和北東向斷裂為主,其次為北北西和北西向斷裂,同時也發育近東西向斷裂,這些斷裂共同控制了遼河盆地、撫順盆地及小型山間盆地的形成。其中北東東向和北東向活動斷裂具有明顯的逆斷兼右旋走滑特征,北北西和北西向斷裂主要為正斷張扭性特征,前者斷裂活動性相對更強,并以中更新世和晚更新世活動為主(左建等,2003;吳明大等,2004;侯治華等,2006;王聲喜等,2008;中國地震局,2012)。研究區內有歷史記載和儀器監測以來共發生2次大于4級以上的地震(圖1)。最大震級為1765年沈陽舊城區發生的5.5級地震,震中位于郯廬斷裂帶兩條主干分支斷裂(渾河斷裂與依蘭-伊通斷裂)之間(趙振,2001;鄧起東等,2002;張培震等,2003;李鐵等,2005;萬波等,2010;陳為濤等,2012),其次為2003年滿堂鎮發生的4.1級地震,震中位置為41°51′N;123°33′E。研究區內無6級以上地震。

2.2 區域構造變形和區域構造應力場分析

項目組2019年現場實測的撫順地區的現今最大水平地應力方向為北東東向,相關學者的研究亦表明研究區現今構造應力場主壓應力方向為北東東向,以北東東向擠壓和北北西拉伸為主要特征(萬波等, 2010)。這與相關學者的認識基本一致(馬杏垣等,1989;張培震等,2003;孫東生等,2020)。但是,依據地表的構造變形分析發現,研究區北東東—北東向斷裂由古近紀強烈的擠壓逆沖并導致白堊系和古近系煤系地層倒轉向斜已經轉變為第四紀期間的正斷活動,表明該區歷史上主壓應力方向曾發生過變化。現今構造應力場特征可能與新近紀以來印度和歐亞板塊碰撞引發的東亞塊體向東和太平洋俯沖帶的躍遷式東撤的聯合效應相關。

研究區地表形變速率觀測表明(吳明大等,2004),在不同地區的地表變形差異較大,是由構造活動、采礦活動、礦井疏干和人類大量抽取地下水等作用造成的。在西露天礦和撫順井田開采區,受采礦活動和礦井疏干等的影響,在地表形成地面沉陷區,地形變的累計最大沉降量達到1600 mm,平均沉降速率為-44 mm/a。而單純受構造活動影響區沉降速率小于1.0 mm/a。綜合分析研究區的地形變特征,主要表現為沈撫新區南北兩側基巖山區地表相對抬升,平原區或盆地區地表則相對下降,近年的平均變形速率為-44～1.0 mm/a。局部地段具有走滑現象,最大速率為1.2 mm/a。

2.3 工程地質條件

沈撫新區范圍內第四系厚度介于13～43 m之間,具有多元結構,其下伏地層主要為太古界鞍山群變質巖,地下水埋深在4～20 m之間。工程地質條件總體較好,未發現有重大工程地質問題,總體較適宜開展地下工程規劃建設(圖2)。沿規劃的地鐵9號線自東向西第四系覆蓋層厚度增大,其厚度介于13.5～29.1 m之間,地下水位埋深介于6.0～9.1 m,其施工帶埋深約在15～25 m之間,該段地層主要為卵礫石層、泥包礫層與片麻巖強風化帶等層位。根據文中野外取井水樣和地表水樣測定的結果表明,地下水對鋼筋水泥具有弱腐蝕性。

圖2 沈撫新區及鄰區工程地質與地質災害分布圖(據沈陽市地質災害隱患點排查與復核成果報告(遼寧省環境監測總站,2014);撫順市地質災害隱患點排查與復核成果報告(遼寧省第十地質大隊,2014);以及2019年野外實際調查資料編制)Fig.2 Engineering geology and distribution map of geo-hazards in Shenfu New Area and adjacent areas (Map is made based on the following data and actual survey results in 2019: Liaoning Station for Geo-environment Monitoring, 2014;> The 10thgeological team of Liaoning Province, 2014.)

2.4 主要地質災害特征

調查發現,研究區的地質災害以采空塌陷及地面沉陷、滑坡、地裂縫為主(圖2)。采空塌陷及地面沉陷是撫順市最為嚴重的地質災害,主要分布區位于西露天礦北部地區,地面沉陷帶面積約1.5 km2,北部邊界為渾河斷裂分支斷裂控制。滑坡災害在西露天礦南幫和北幫比較嚴重,南幫2012年千臺山滑坡單體規模就超過3×108m3;北幫中部2016年滑坡滑動體積達315×104m3。西露天礦及鄰區的地裂縫災害嚴重,規模較大的有12條,基本上沿著渾河斷裂的主干斷裂和分支斷裂分段分布,也是對老城區影響較大的地質災害。

從區域分布特征來看,采空塌陷主要分布在井田開采煤礦和露天采礦地區,滑坡主要分布在溝谷岸坡及人類工程切坡強烈的基巖山區,特別是在西露天礦邊坡發育多處滑坡與崩塌。泥石流主要分布在基巖山區的溝谷中(圖2)。

3 區域地殼穩定性評價因素的選取與數據處理

在綜合分析研究區及周邊地區控制和影響區域地殼穩定性主要因素的基礎上,依據研究區地質構造、地震活動、地表形變、地球物理、地形地貌、水系分布、巖土體特征和地表地質災害的孕災條件等,共選取12種因素作為區域地殼穩定性評價因素(表1)。所選取的因素即有表征內動力影響的評價因素,也有表征外動力影響的評價因素和表征巖體介質影響的評價因素,同時還有表征內動力和人類活動共同控制的評價因素。選取的評價因素主要包括活動斷裂、地震動峰值加速度、工程巖組、重力異常、地震活動強度、地形變、水系、地形坡度、地形高差和地質災害點密度等(表1)。這些選取的評價因素能夠比較準確地反映區域地殼穩定性程度,同時又能實現經過數據處理后的指標量化和快速完成定量化評價。

表1 穩定性評價因素數據處理的分類賦值規則及權重表Table 1 Rule of value assignment and weighted table for stability assessment factors in processing data

評價采用多因素加權疊加分析方法,在ArcGIS平臺進行計算獲得評價結果。首先需要分析各評價因素對區域地殼穩定性的影響大小,再結合專家評判法確定各因素的權值并對各評價因素進行賦值,為了方便在ArcGIS平臺上進行計算需要對各因素數據進行處理。具體數據來源、處理過程和數據處理方法如下。

首先確定計算單元的大小,由于研究區總面積為899.08×104km2,范圍相當于兩個1∶50000標準圖幅面積稍多,因此計算單元依據經驗按50 m×50 m選取,計算結果基本達到1∶50000精度。其次是對評價因素的數據資料進行處理:活動斷裂數據來源于1∶200000地質圖和現場調查成果,在ArcGIS平臺對其進行歐式距離緩沖處理,得到距斷裂的垂直距離大小分級賦值;地震動峰值加速度值數據來源于《1∶4000000中國地震動峰值加速度區劃圖》(GB 18306-2015)(中國地震局,2015),在ArcGIS平臺進行量化后得到并進行分類賦值;工程巖組數據來源于1∶50000工程地質調查成果,按照巖土體的組合特征和物理力學性質對其進行分類后賦值;斜坡高差和斜坡坡度數據都來源于1∶50000 DEM圖,在ArcGIS平臺進行空間分析得到,然后按斜坡高差值和坡度值大小分組賦值;河流水系來源于1∶50000 DEM圖,對其進行歐式距離緩沖處理,按距水系的垂直距離大小分級賦值;地表地質災害點密度主要來源于收集的資料和1∶50000調查結果,在ArcGIS平臺進行點密度計算后進行分類賦值;布格重力數據來源于2011年中國地震局編制的全國1∶4000000布格重力異常圖,結合收集西露天礦及鄰區資料在ArcGIS平臺進行插值分析并進行量化,然后進行分類賦值;地形變數據來源于2011年中國地震局編制的全國地形變速率圖(1∶4000000)和遼寧省地形變監測結果(吳明大等,2004),在ArcGIS平臺進行插值分析并進行量化,然后進行分類賦值。各種評價因素的賦值方法是,首先將各評價因素劃分為5級,并分別進行分類賦值1、2、4、7、10,賦值規則遵循穩定性越好賦值越低,反之穩定性越差賦值越高(表1)。需要說明的是,此分類賦值主要依據評價因素的關聯度分析和重要性進行分類賦值,如果按照數據歸一化處理的賦值方法,各因子的數據均應介于0～1之間,但因在ArcGIS中進行分類賦值時只能輸入整數,因此各類評價因素參考層次分析法按五類分別進行分類賦值1、2、4、7、10。

4 區域地殼穩定性評價

首先采用專家經驗打分法獲得各評價因子的權值(表1),建立如下穩定性評價計算模型。

公式中:WD為區域地殼穩定性指數;其他代碼含義見表1。

其次,根據數據處理后并進行重分類賦值的數據,在ArcGIS平臺轉化為柵格數據,按照上式的穩定性評價計算模型得到研究區的定量評價指數結果。定量化計算數值結果處于1.08～6.33,按照自然斷點法將評價結果分成四個穩定性級別,即穩定區、次穩定區、次不穩定區、不穩定區,最后得到區域地殼穩定性定量化評價結果(圖3),利用ArcGIS平臺統計得到各穩定性級別的分區面積(表2)。

圖3 沈撫新區區域地殼穩定性定量評價結果圖Fig.3 Results of quantitative assessment for regional crustal stability in Shenfu New area

表2 沈撫新區區域地殼穩定性定量評價分區結果統計表Table 2 Zoning results of the quantitative assessment of the regional crustal stability in Shenfu New area

定量化評價結果表明,沈撫新區以穩定區和次穩定區為主,總體穩定性較好。研究區總面積為899.08 km2。其中穩定地區面積為454.74 km2,約占總面積的50.58%;次不穩定地區面積為274.16 km2,約占總面積的30.49%;次穩定地區面積為154.82 km2,約占總面積的17.22%;不穩定地區面積為15.36 km2,約占總面積的1.71%。

穩定區和次穩定區主要分布在平原區、東北部和東南部堅硬基巖山區與平原區活動斷裂帶所圍限的地塊等區域,其總面積為728.9 km2,占總面積的81.07%,涵蓋了生態城市示范區大部、復合功能示范區大部、創新合作產業功能區、復合功能示范區、高新技術產業功能區大部、高端制造產業功能區大部、特色產業功能區等主要區域。該區的主要工程地質問題以河岸崩塌、地下水弱腐蝕和局部發育地裂縫為主,屬低風險災害特征,在采取適當工程措施后適宜進行工程建筑,屬工程建筑條件較好的地區。不穩定區和次不穩定區主要分布在活動斷裂帶內及其周邊、西露天礦四周和其他地形陡變帶,合計面積為170.18 km2,占總面積的18.93%,涵蓋了生態城市示范區局部、復合功能示范區局部、綜合服務中心大部、高新技術產業功能區局部、高端制造產業功能區局部和特色產業功能區零星區域。該區的工程地質問題以相對發育的河岸崩塌、滑坡、地面沉陷和地裂縫等為主,不適宜建設重大工程建筑,屬工程地質條件相對較差區域。但并不是所有工程都不可以建設,其中次不穩定區在采取工程防治措施和設計高強度抗震設防措施后可進行一般工程建筑施工,而不穩定區則不宜開展工程建筑,建議考慮作為旅游休閑區或綠化園林等功能區進行開發。

5 結論與建議

(1)選取包括活動斷裂、地震動峰值加速度、工程巖組、重力異常、地震活動強度、地形變、水系、地形坡度、地形高差和三類地質災害點密度等12個因素作為沈撫新區區域地殼穩定性評價因子,將區域地殼穩定性劃分為四級,評價結果表明研究區以穩定和次穩定區為主,面積為728.9 km2,占總面積的81.07%。

(2)沈撫新區不同規劃區的區域地殼穩定性不同,主要受到距離斷裂活動帶的垂直距離的影響,在斷裂活動帶內及其影響區穩定性較差,在離斷裂活動帶較遠的區域穩定性較好。建議在不穩定區和次不穩定區進行工程建設時,要采取必要的工程措施和設計較強的抗震強度,確保基礎和邊坡的穩定性,特別是規劃的地鐵等地下工程開挖隧道時,要采用高強度的支護措施,保施工安全和工程運營安全。

(3)規劃的地鐵9號線主要穿越次不穩定區和次穩定區。施工帶在埋深15～25 m之間,該段地層主要為卵礫石堆積層、泥包礫堆積層與變質片麻巖強風化帶及其交接部位。其洞室開挖施工難度比較大,支護比較困難,建議盡早確定合理的施工方案,保障施工順利和安全。施工帶處于地下水浸沒帶或變動帶,還需要進行一定降水防腐措施。

(4)沈撫新區規劃建設過程中應盡量避開活動斷裂,建議將不穩定區和次不穩定區規劃為綠化帶或公園等用地,有效減少工程預算和經費投入。