评价指标的选择和量化途径

如题所述

一、评价指标的选择

区域地壳稳定性是区域地壳现代活动程度的综合反映,它受地质构造、地震活动、地形变场、地应力场、大地热流场、崩滑流地质灾害以及场地地层岩性和岩体结构等诸多因素的控制。因此,在区域地壳稳定性综合评价过程中,指标的选择既要能够较好地反映上述因素,又要做到指标尽可能定量化,还要尽可能地避免因素或指标之间的重叠,这也是地学问题定量化的难点之一。鉴于此,结合研究区特点和相关指标获取的可行性,针对上述影响因素分别选用了相应的评价指标:地质构造因素主要采用断裂级别、活动时代和活动速率3项指标来反映,地震活动采用潜在震源区及其地震震级表示,岩性和岩体结构特征采用区域工程地质岩组表示,地应力场采用地应力累积量表示,地形变场主要采用垂直应变梯度表示,大地热流场采用地温变化梯度或温泉的近地表温度表示,崩滑流地质灾害因素采用地质灾害易发程度表示。根据各类指标的特点,经过适当量化,形成研究区地壳稳定性综合评价的指标体系(表9-4)。

表9-4 地壳稳定性评价指标体系一览表

二、评价指标的量化途径

众所周知,地质要素有的是可以定量表示的,有的是描述性的,不可能用绝对的数值来定量表示,只能采用半定量的办法来反映它们在不同地段的差异。因此,目前地质研究的定量化实际上还处于半定量-定量阶段。随着研究程度的不断深化,定量程度将不断提高。按照上述指导思想,我们以滇藏铁路沿线地壳稳定性评价为目标,对影响区域地壳稳定性的各类因素(指标)进行量化,评价指标的量化和最终的评价分析在ArcGIS 9.2软件平台上完成。在量化过程中,对于能够直接量化的指标,如地应力值、垂直应变梯度、地温梯度等,先绘出等值线,然后进行不同级别的划分。对于不能直接量化的指标,采用评分比较的方法,根据平面分布特点,进行分区划分等级。

(一)活动断裂

1.断裂规模

根据断裂切割深度可以将断裂划分为岩石圈断裂、地壳断裂、基底断裂和盖层断裂4个级别,其中岩石圈断裂和地壳断裂属于深部构造,对地壳稳定性具有一定的控制作用,它们在空间上通常表现为构造缝合带。在量化过程中,断裂按切割深度划分4个等级,分别给予赋值或评分:①岩石圈断裂,赋值9~10分;②地壳断裂,赋值7~8分;③基底断裂,赋值4~5分;④盖层断裂,赋值<3分。不同断裂影响区相交区域的分值,采取就高不就低的原则,并对叠加区适当调高分值。一般地,随着与断裂带距离的增大,受到影响的程度逐渐降低,因此,沿断裂带向周围可以划分出不同影响程度的条带,划分为高、中、低3级,分别按100%、60%、30%向外围递减,条带宽度分别采用距断层线5 km、10 km、20 km;对于活动的基底断裂和盖层断裂,条带宽度可以分别取2.5 km、5 km、10 km。由此可以得到活动断裂规模的量化结果,也就是基于GIS评价中的一个图层(图9-2)。

图9-2 活动断裂稳定性综合分区

2.断裂活动时代与活动速率

断裂活动时代的量化是在活动断裂研究的基础上获得的,时代越新说明其活动性越强,其可以与断裂活动速率一起考虑。研究区范围内拥有157段规模不同的断裂,其中51段有活动速率记录,速率范围:1.5~10.5 mm/a,其中绝大多数集中在1.5~5.7 mm/a,仅有一条断层的活动速率为10.5 mm/a,因活动速率记录数据不完整,测量位置和测量方法存在差异,可靠性不是很强,在大区域的地壳稳定性评价中活动速率仅作为活动时代赋值的参考因素。因此,采用断裂活动时代为主,活动速率为辅的方式,获得断裂活动强度的指标。按断裂活动时代划分为4个等级,分别赋值:①晚更新世-全新世断裂,赋值8~10分;②早-中更新世断裂,赋值5~7分;③推测活动断裂,赋值3分。④无活动断裂,赋值0分。取前3项两侧各20 km作为活动断裂的影响区,影响区相交区域的分值取高不取低。

3.活动断裂综合量化

将断裂规模和活动强度2个指标根据空间位置按权重进行叠加,其中断裂规模权重取0.4,活动强度权重取0.6。将加权叠加的结果拉伸到0~10分范围内,分别取2.5、5、7.5作为阈值,将活动断裂对区域地壳稳定性的影响程度综合划分为4级(图9-2)。

(1)强,赋值10分; (2)较强,赋值6分;

(3)较弱,赋值3分; (4)弱,赋值1分。

(二)地震活动

地震活动可以用不同的方式进行表述,通过历史地震分析和地震构造研究,我们编制了滇藏铁路沿线潜在震源区划分图,在此基础上,将研究区地震活动强度划分为4个等级(图9-3)。

图9-3 研究区地震活动强度分区图

(1)地震震级Ms>7.0或地震烈度I≥X度区,赋值9~10分,包含研究区范围内的7.5级,8级地震区,分别赋值9分和10分;

(2)地震震级6.0≤Ms≤7.0或地震烈度I=Ⅷ,IX度区,赋值6~8分;包含研究区范围内的6级,6.5级,7级地震区,分别赋值6分、7分和8分;

(3)地震震级5.0≤Ms<6.0或地震烈度I=Ⅶ度区,赋值5分;

(4)地震震级Ms<5.0或地震烈度I≤VI度区,赋值1分。

(三)地应力积聚强度分级

现今地应力集中程度主要按照有限元数值模拟结果,选择最大剪应力作为评价指标,将其分为4级,分别给予赋值(图9-4)。

(1)高值区,最大剪应力值大于15MPa,赋值8~10分;

(2)较高值区,最大剪应力值大于10~15MPa,赋值6~7分;

(3)中等区,最大剪应力值大于5.0~10MPa,赋值3~5分;

(4)低值区,最大剪应力值小于5.0MPa,赋值<3分。

图9-4 研究区最大剪应力场分区图

(四)地应变梯度分级

由于活动断裂主要考虑了水平位移,为尽可能避免指标间的重叠,主要选取垂直应变梯度指标来反映地应变的变化(图9-5),按照垂直应变梯度大致可以划分为4级,分别给予赋值。

图9-5 研究区垂直应变梯度等级分区图

(1)高值区,垂直应变梯度>0.06 mm/km,赋值9~10分;

(2)中值区,垂直应变梯度0.04~0.05 mm/km,赋值7~8分;

(3)低值区,垂直应变梯度0.02~0.03 mm/km,赋值4~6分;

(4)极低值区,垂直应变梯度<0.02 mm/km,赋值1~3分。

(五)大地热流场

地温变化梯度可以反映大地热流场,但由于研究区可以获得的地温参数不统一,且通过对比分析,研究区温泉的近地表温度等值线与地温变化梯度变化基本一致,因此可以采用温泉的近地表温度等值线替代地温变化梯度,生成地温分区图(图9-6),然后根据温泉近地表温度划分级别,并分别给予赋值。

图9-6 研究区地温场分区图

(1)高值区,温泉近地表温度75~100℃,赋值10分;

(2)中值区,温泉近地表温度50~75℃,赋值8分;

(3)低值区,温泉近地表温度25~50℃,赋值6分;

(4)极低值区,温泉近地表温度<25℃,赋值4分。

(六)岩性特征

根据研究区工程地质岩组分布特征,将其分为4个级别(图9-7),并按照不同岩类给予赋值(表9-5)。

表9-5 主要岩性特征及分级评分表

图9-7 研究区地质体工程地质性质分级图

(1)极差,赋值8~10分,包括断层带、蛇绿岩、碎屑杂岩、各类特殊岩体以及新近纪(N)地层;

(2)差,赋值5~7分,包括古近纪(E)碎屑岩、以泥岩为主的软硬相间岩层,白垩系(K)、侏罗系(J)、三叠系(T)中有煤的软弱地层、坡度陡峭地带的第四系(Q);

(3)中等,赋值2~4分,包括碳酸盐岩、片麻岩、火山岩、厚层砂岩为主的岩性分布区,二叠系(P)和三叠系(T)分布的大部分地区,平缓地带的第四系(Q)地区等;

(4)好,赋值1分,主要包括各种花岗岩岩体,沉积岩中的侵入体,如闪长岩脉(γ)、花岗岩脉(δ)等。

(七)地质灾害易发程度

研究区崩塌、滑坡和泥石流等地质灾害非常发育,是影响地面建筑物稳定性的重要因素。在前人资料分析和地质灾害调查的基础上,将崩塌、滑坡、泥石流地质灾害易发程度作为评价因素之一,并尽可能考虑其与内动力作用的相关性,也按照4个等级分别给予赋值(图9-8)。

(1)高易发区,主要位于山区及强烈差异升降带,发育有大规模滑坡、崩塌和泥石流等地质灾害,赋值10分;

(2)较高易发区,发育较小-中等规模的滑坡、崩塌、地裂缝、泥石流,赋值8分;

(3)中等易发区,主要发育各种小型地质灾害,赋值6分;

(4)低易发区,基本无地质灾害但属于山区,赋值4分。

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