地球内外动力耦合作用与重大地质灾害的成因初探.pdf

1004 9665 2002 10 02 0115 03Journal of Engineering Geology工程地质学报 地球内外动力耦合作用与重大地质灾害的成因初探 王思敬 中国科学院地质与地球物理研究所北京100029 摘要提出了用以解释若干重大地质灾害的成因的地球内外动力耦合作用理论 在以往的自然灾害分类及研究中 常将 内动力地质灾害和外动力地质灾害区分为两种类型 而注意两者的联系显然不够 本文则论证了在我国大部分地壳运动活 跃地区内外动力耦合作用常是重大地质灾害的总体成因 同时指出 重大地质灾害的内外动力耦合作用研究对其评价和预 测甚为重要 关键词内外动力耦合作用重大地质灾害地质灾害成因 中图分类号 X43文献标识码 A COUPLING OF EARTH S ENDOGENIC AND EXOGENIC GEOLOGICAL PRO CESSES AND ORIGINS ON SERIOUS GEOLOGICAL DISASTERS WANG Sijing Institure of Geology and Geophysics CAS Beijing100029 AbstractA theory on coupIing of earthfs endogenic and exogenic geoIogicaI processes is proporced to interpret origins serious geoIogicaI dissters In previous cIassifications and studies of naturaI disasters the endogenic geoIogicaI disaster area and exogenic geoIogicaI disaster area were distinguished but no enough attention was paid to their counnections In this paper it is argued that coupIing of endogenic and exogenic geoIogicaI processes is offen the overaII origin of serious geoIogicaI disasters in most of the active crustaI movement area of China It is aIso pointed out that study of the coupIing of endogenic and exogenic geoIogicaI processes reIated to serious geoIogicaI disasters is important for their evaIuation and prediction Key wordsEndogenic and exogenic geoIogicaI processes CoupIing Serious geoIogicaI disasters Origin 地球的动力系统一般分为内动力作用和外动力 作用两类 通常将地震 火山等定义内动力地质灾 害 山崩 滑坡 泥石流和地面破坏等则归为外动力 地质灾害 即认为一类地质灾害的成因为内动力作 用结果的 而另一类则是地球外动力作用所造成的 在这种理论的指导下 地质灾害研究常常侧重 于单成因的分析和预测 但是随着对重大地质灾害 研究的深入 人们发现对灾害发生的频度和规模有 时从单纯的外动力或内动力作用来解释似乎不够 在区域地壳稳定性评价时 曾将滑坡 泥石流 地面变形等地质灾害的发育程度亦作为评价的标志 之一 2 这本身表明滑坡 泥石流 地面破坏等典型 的外动力地质灾害也和内动力作用有一定联系 本文作者在研究我国西部地区的边坡地质灾害 的过程中加深了这一认识 同时回顾了东部地区的 区域性地面变形问题 明确地提出内外动力耦合作 收稿日期 2002 05 10 王思敬 1934 男 研究员 院士 本刊主编 工程地质专业 EmaiI wangsijing hotmaiI com 用理论为重大地质灾害的成因分析提供依据 l地震滑坡显而易见的内外动力 耦合作用下的地质灾害 人们研究地质灾害时 在山区常常发现地震所 涉及的山崩及滑坡造成重大的人员伤亡及财产损 失 这类山体塌滑灾害被称为地震的次级灾害 显然 这种山体塌滑时其荷载体系包括山体重 力荷载和地震振动的耦合作用 在前者的重力作用 下 若山体是稳定的或是比较稳定的 但在后者的 参与下 山体可能发生失稳 在进行山体的稳定分析时 其初始静载状态比 较容易界定 但对地震引起的振动荷载同静态荷载 的耦合作用的评价则很困难 所谓的准静态分析利 用振动加速度值所确定相当于静荷载的地震力即拟 静力是把作用短暂瞬间的荷载同长期作用的荷载等 效起来 这样往往夸大了动态力的作用 但是 地 震时振动荷载可引起山体的重复加载和松弛变形 也不是拟静力法 所能完全模拟的 无论如何 需要 研究一种耦合的力学模型来模拟这种实际可能发生 的耦合动力系统 2边坡灾害过程的内外动力耦合作用 在上面讨论的山体地震塌滑问题中 由于地震 的显现性而易於理解 但是在地壳缓慢运动的条件 下则很难透析 在西部工程开发中 已经遇到一些在地壳构造 活动平稳地区所未曾见的山体变形现象 它们很难 用单纯的外动力作用结果来解释 2 3 在金沙江向家坝址 雅砻江锦屏坝址等峡谷地 段 在谷坡深达 200300m 处岩体内仍然发现张开裂 缝 认为是岸坡卸荷裂缝 则感到发育深度太深 认 为是构造成因 又嫌构造形迹不清 笔者试从这些 峡谷下切与山体上升同步性来分析 由于河谷下切 岩石中水平应力的释放产生拉张应变 但受到谷底 约束 仅在谷坡产生拉张裂缝 并受地表生作用而张 开 但是 地壳隆升导致地壳山体上升 这时产生水 平方向拉应变 在某些条件甚至产生拉应力 而当 两种拉应变达迭加时则张裂范围自然会大为增加 图 l 同样 在地壳运动的触发下 重大地质灾害的频 度可显著增加 例如 易贡的亿方滑坡的活动周期仅 l00 年 云南东川蒋家沟泥石流年年发生 每年竞 达 l020 次之多 3地面变形灾害的内外动力耦合作用 在地壳发生拉张变形而产生地壳下沉的地区 地面变形加剧 产生延续性地面裂缝 西安地区地面沉降和地裂缝的发育 是典型的 实例 当地壳产生伸展变形时 在散松覆盖层中侧 向水平应变压应力下降 甚至拉应力 这种水平应 力的释放也可造成铅直方向应变的增长而出现区域 性下沉和区域性破裂 这时 破裂具有明显的构造 方向性 如西安地裂缝 走向 NNE 延伸达 l0l5km 间距约 l2km 如图 2 所示 在地壳稳定或平缓下沉的条件下 沉积覆盖层中的变形 主要自重作用的影响固结或 失水固结 但是 当基底出现拉张变形时 沉积覆盖 层中诱发出侧向变形及应力释放 这时出现土体的 应力状态由三级压缩状态向单轴 或双轴 应力状态 转化 在这种条件下 诱发竖向的应变从而导致大幅 度的地面沉降或地裂 计算分析表明 这种内动力 诱发的 200m 厚沉积覆盖层的沉降可达到 l0mm a l 或更大的量级 图 l 谷坡内拉应变 t 与水平深度 Dh 关系 Fig lReIationship between the internaI tension strain and horizontaI depth of the vaIIey sIope a 单纯卸荷曲线 b 地壳隆升与卸荷耦合曲线 c 岩体开裂拉应变极限值 A 卸荷开裂深度 B 耦合开裂深度 4我国地球内动力系统与内外动力耦 合作用机制 我国大陆地壳存在不同类型的边界 受载和约 2Journal of Engineering Geology 工程地质学报2002l0 2 图 2 表层沉积物中应力状态与应变 Fig 2Stress and strain in surficiaI sediments a 基岩稳定条件 初始情况 b 基岩拉张条件 束条件不同 东部大陆边缘在北方主要是太平洋板块向欧亚 大陆的俯冲 而在东南方向大陆板块和菲律宾板块 产生局部的冲撞 因此 华北 东北地区地壳上部伸 展变形造成一些拉张盆地 而东南地区较为稳定 西部地区受到印度洋板块和欧亚板块在喜马拉 雅地区的强烈碰撞 形成一系列挤压山脉和山间盆 地 因此 作为内动力系统来说东部地壳呈现低压 应力及拉张变形 而西部则为挤压应力和压缩变形 状态 地球内动力作用驱动地壳运动 并导致地球表 层山体或松散覆盖层的变形 在其影响下外动力作 用往往得到增强 包括规模增大和频度的增加 外动力作用的基本规律是夷平作用 是内能的 释放 从地质灾害角度来看 外动力作用是促使山体 解体和剥蚀 造成岩土的运移并在低洼地区堆积 水和风的作用是外动力作用下地表物质运动的重要 驱动力 当内动力作用在深部拉张时 可造成地表沉积 物的水平地应力释放 结果是促进地面沉降 并可产 生地面塌陷和地面裂缝 这些是我国东部沉降区及 拉张盆地中重要的环境灾害 当内动力作用在深部是挤压作用时 地壳上隆 地表山体中出现侧向拉张应变 促进地壳初始高压 应力的释放 造成结构松弛 自然有利于山体的解体 和山崩 滑坡 泥石流的频繁发生 这些则是我国西 部 高山峡谷地区的主要地质灾害 综上所述 地球内动力作用在地表山体中或沉 积覆盖层中产生的力学效应是结构应力释放和结构 松弛 和外动力作用的剥蚀 搬运和沉积的作用方式 是相互促进的 这种内外动力作用的耦合可称为同 向耦合 5小结 内外动力耦合作用应在重大地质灾害 尤其是 区域性地质灾害的研究中受到重视 在内动力系统 活跃地区 外动力作用地质灾害皆在不同程度上受 到内动力作用的影响 需要研究内外动力作用耦合 程度和耦合机理 在内动力系统活跃地区 地质灾 害的评价和预测模型应考虑内外动力作用的耦合并 建立统一的地质灾害动力学模型 4 本文所提出的科学命题还有待进一步的科学研 究和探讨 参考文献 1 王思敬 我国西部活动构造地区工程建设的岩石力学问题 A 新世纪岩石力学与工程开拓和发展 C 北京 中国科技 出版社 2000 1113 Wang Sijing Rock mechanicaI probIems on engineering construction in active tectonic areas of Western China Iniation and deveIopment of new century s rock mechanics and engineering Bijing China Science and TechnoIogy Press 2000 1113 2 Wang Sijing Li Xiangtang and C F Lee GeomechanicaI EvaIuation of CrustaI StabiIity A Proceedings of 7thInternationaI Congress on Rock Mechanics C Aachen 1991 17851790 3 Wang Sijing Li Guohe Zhang Oiang and Lan ChaoIi Engineering Ge oIogicaI Study ofthe Active Tectonic Region for Hydropower DeveIop ment on the Jinsha River Upstream of the Yangtze River J Acta GeoIogica Sinica 2000 2 353361 4 Wang Sijing Engineering GeoIogy and GeoenvironmentaI Study for Western China DeveIopment Program A Proceedings of 9thInterna tionaI Congress on Engineering GeoIogy IAEG C Durban 2002 in printing 3 王思敬 地球内外动力耦合作用与重大地质灾害的成因初探 地球内外动力耦合作用与重大地质灾害的成因初探地球内外动力耦合作用与重大地质灾害的成因初探 作者 王思敬 作者单位 中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029 刊名 工程地质学报 英文刊名 JOURNAL OF ENGINEERING GEOLOGY 年 卷 期 2002 10 2 被引用次数 43次 参考文献 4条 参考文献 4条 1 Wang Sijing Engineering Geology and Geoenvironmental Study for Western China Development Program 2002 2 Wang Sijing Li Guohe Zhang Qiang Lan Chaoli Engineering Geological Study ofthe Active Tectonic Region for Hydropower Development on the Jinsha River Upstream of the Yangtze River 期刊论文 地质学 报 英文版 2000 02 3 Wang Sijing Li Xiangtang CFLee Geomechanical Evaluation of Crustal Stability 1991 4 王思敬 我国西部活动构造地区工程建设的岩石力学问题 2000 引证文献 43条 引证文献 43条 1 邓成进 王孔伟 王乐华 邓华锋 楞古水电站中坝线下游右岸雨日堆积体滑坡形成机理研究 期刊论文 水电能源科 学 2010 3 2 殷志强 程国明 胡贵寿 魏刚 王运青 晚更新世以来黄河上游巨型滑坡特征及形成机理初步研究 期刊论文 工程 地质学报 2010 1 3 殷志强 程国明 李小林 王立朝 胡贵寿 魏刚 中更新世早中期以来黄河上游与三峡库区滑坡形成机理与气候变化 关系研究 期刊论文 第四纪研究 2010 1 4 李欣 王宝亮 三峡库区云阳故陵滑坡形成机制与防治对策 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