青藏铁路沿线活动断层调查与地应力测量(吴珍汉-2006)

I项目背景青藏铁路是国家西部大开发的标志性工程，具有重要的社会、经济和战略意义。但青藏铁路横穿平均海拔4500米的青藏高原，属世界上海拔最高的铁路工程，面临冻土、活动断层、地震与地质灾害的长期威胁，减灾防灾任务十分繁重。国家和有关部门为修建青藏铁路作了大量前期准备工作。1975-1977年，国家组织铁道部第一勘察设计院、地质部地质力学研究所与水文地质工程地质研究所、中国科学院兰州冻土研究所、青海省地质局第一水文地质大队等单位，联合开展青藏公路格尔木—那曲段沿线1:20万水文地质与工程地质普查、冻土与冻胀灾害调查研究及青藏铁路初步选线工作。20世纪80-90年代，铁道部第一勘察设计院、铁道科学院西北分院、交通部和中国科学院寒区与旱区研究所分别对青藏高原冻土分布及冻土灾害开展了系统调查，积累了高寒冻土保护和冻土灾害防治的宝贵经验；西藏自治区科委和国家地震局组织专家，对青藏公路沿线7.5-8级历史地震和重要活动断层进行了调查研究，编制了小比例尺地震烈度分布图。在国家做出修建青藏铁路重大决策后，铁道部委托铁道第一勘察设计院，于2001-2002年先后组织实施了青藏铁路线路初测、全线定测、补充勘测、线路方案比较研究和野外现场实验研究，完成了青藏铁路沿线工程地质勘察、冻土区划与工程稳定性分析、地震安全评价等任务，为青藏铁路设计奠定了重要基础。为了攻克技术难题，完善设计施工方案，确保青藏铁路施工质量和工程安全，铁道部组织国内相关部门的专家队伍，开展了大量技术攻关和专题研究工作。高原寒区活动断裂（层）及伴生地质灾害在我国乃至世界范围内研究比较薄弱。为保障青藏铁路建设的顺利完成及安全运营，中国地质调查局受铁道第一勘察设计院委托，地质力学研究所于2001-2002年承担了青藏铁路沿线地质灾害评估、活动断层勘测、隧道地应力测量及工程应用项目。国土资源部、中国地质调查局、中国地质科学院对青藏铁路沿线活动断层与地质灾害调查研究十分重视，将青藏铁路沿线活动断层研究、地质灾害调查与地应力测量列为国土资源大调查重要内容，并对相关工作给予了长期稳定的经费支持和必要的条件保障。国土资源大调查于2001-2003年部署青藏铁路沿线活动断层调查与地应力测量实施项目，2004年部署青藏铁路沿线地质灾害监测试验工作内容，2005-2007年部署青藏铁路活动断裂调查与监测工作项目。中国地质调查局委托中国地质科学院地质力学研究所，组织精干的技术力量，承担青藏铁路沿线活动断层与地质灾害调查、监测及地应力测量任务，从而有效地发挥了部门技术优势，支援了青藏铁路建设工程。中国地质调查局水环部组织专家考察青藏铁路沿线活动断层与地质灾害第一章项目简介青藏铁路沿线活动断层调查与地应力测量属中国地质调查局实施项目，工作内容包括青藏铁路沿线活动断层调查、地应力测量、隧道稳定性分析和地壳稳定性评价，起止时间为2001年1月—2003年12月，工作性质属综合研究，组织实施单位为中国地质科学院地质力学研究所，归口管理部门为中国地质调查局水文地质环境地质部。项目工作得到铁道部的经费支持和铁道第一勘察设计院的业务指导，中国地质科学院为项目组织实施提供了多方面的帮助。目标任务：开展青藏铁路格尔木—拉萨段沿线活动断裂勘测、地质灾害调查、隧道地应力测量与工程稳定性评价，为青藏铁路设计、合理施工和“病害”诊治提供大比例尺工程地质资料，为青藏铁路建设和安全运营服务。总体思路：紧密围绕青藏铁路建设和“病害”防治需要，瞄准关键工程地质问题，开展青藏铁路格尔木—唐古拉—拉萨段沿线大比例尺活动断层勘测与地质灾害调查、浅层地球物理勘探、隧道地应力测量和工程稳定性分析、年代学测试及综合研究，为青藏铁路优化设计施工方案和地质灾害防治提供可靠的地质依据与合理化建议。工作内容和技术方案：（1）活动断层调查与勘测：通过遥感解译、1:2000野外调查与探槽工程揭露，查明青藏铁路沿线活动断层的空间位置、分布产状、活动期次、力学性质、运动方向及序次关系；通过第四纪地质观测、热释光测年、光释光测年、U系等值线测年、14C测年，测定重要活动断层的活动时代与运动速度，判别断层现今活动强度及工程影响。（2）高寒环境断层诱发地质灾害调查：通过探槽工程揭露和跨年度、跨季节的对比观测，系统调查断层诱发移动冰丘、构造裂缝、不均匀融冻变形等地质灾害的结构组成、形成条件、演化过程、活动规律、控制因素及工程危害，为地质灾害的工程防治提供科学依据。（3）重要活动断层的综合地球物理勘探：对青藏铁路沿线重要活动断层，开展浅层地震反射、电法勘探与氡气测量，分析断层结构组成和深部延展情况。（4）隧道地应力测量：对昆仑山隧道、风火山隧道、羊八井隧道及邻近地区，应用压磁法地应力测量技术，测定隧道及邻区的现今地表应力状态，为隧道工程安全评价和确定隧道施工方案提供相关依据。（5）隧道工程稳定性分析：在活动断层勘测、地应力测量、岩石力学实验的基础上，建立合理的工程地质模型，确定边界条件，对昆仑山隧道、风火山隧道、羊八井隧道分别进行三维有限元数值模拟，计算分析不同形态隧道不同部位的应力分布与受力状态，综合判别隧道施工过程岩爆发生的可能性，客观评价隧道工程稳定性，为安全施工和隧道支护提供合理化建议。（6）地壳稳定性评价：在活动断层勘测、断层位移观测、地应力测量、地质灾害调查和构造应力场数值模拟的基础上，综合考虑多种不同地质因素，定量计算、合理分析、客观评价青藏铁路沿线区域地壳稳定性，编制现今构造活动性等值线图和工程稳定性区划图。应用推广情况：（1）分期向铁道第一勘察设计院提交隧道地应力测量与工程稳定性分析报告、1:2000活动断层与地质灾害分布图、1:10万卫星遥感影像图与活动断层分布图及青藏铁路沿线活动断裂勘测成果报告；铁道第一勘察设计院对项目提交的成果资料在组织专家评审验收后，提供给设计人员和施工单位参考使用，为青藏铁路优化设计施工方案提供了重要依据。（2）先后将85道班移动冰丘、83道班移动冰丘、雅玛尔南移动冰丘及牦牛成群穿越路基产生的灾害隐患，报送铁道部有关管理部门与铁道第一勘察设计院；铁路设计部门和施工单位根据项目提供的资料和建议，采取了必要的工程防治措施，有效地消除了相关灾害隐患，为保障青藏铁路工程质量和运营安全作出了重要贡献。第二章报告内容简介报告简要介绍了青藏高原的自然地理条件、野外工作环境及项目总体目标、技术路线、工作进展、社会经济效益和学术影响，以图文并茂的形式良好地展示了青藏铁路沿线活动断层调查与地应力测量的重要成果、主要认识和关键资料，对青藏高原区域地质调查、大陆动力学研究与减灾防灾部署具有参考价值。青藏铁路横穿青藏高原，是世界上海拔最高的铁路，处于高寒气候环境和强构造活动背景，面临冻土、活动断层、地震与地质灾害的威胁，减灾防灾任务繁重。地质力学研究所发挥专业优势，组织精干的技术力量，本着严谨、求实的科学态度，克服高寒缺氧各种困难，连续多年在青藏高原冬季恶劣气候环境开展各类野外观测，圆满完成各项勘测与研究任务，取得多方面重要成果，及时向铁道第一勘察设计院提交了高质量的地质资料和灾害隐患报告，为青藏铁路优化设计施工方案和地质灾害防治提供了重要依据。通过长期观测、系统勘测和重点解剖，重新建立青藏铁路沿线第四纪地质年代学框架，测编青藏铁路沿线活动断层与地质灾害系列图件，详细调查典型活动断层的地质特征、空间展布、活动时代、力学性质、运动速度及工程影响，首次发现断层诱发移动冰丘与灾害隐患；系统测定青藏铁路沿线重要断层的活动时代、运动速率和古地震事件，首次获得青藏高原原地应力测量资料和昆仑山口西8.1强烈地震前后地应力变化的对比观测数据；采用有限元数值模拟方法，计算分析了昆仑山隧道、风火山隧道、羊八井隧道的应力分布和工程稳定性；应用统计分析和神经网络方法，定量分析了青藏铁路沿线现今构造活动强度和区域地壳稳定性。国内外对青藏高原活动构造的研究，以前主要集中在少数几条边界活动断裂。通过大比例尺活动断层填图与综合勘测，在青藏铁路沿线可可西里、二道沟、通天河、雁石坪、唐古拉山、错那湖等地新发现不同性质的活动断层，详细观测地堑盆地边界断层与重要走滑断层的活动时代、运动速率和古地震事件，积累了大量新的宝贵观测资料，大幅度提高了对青藏高原活动断裂的研究程度和认识深度。青藏高原断层活动与冻土融冻相互耦合，产生多种高寒环境特有的地质灾害。在青藏高原常年冻土区沿活动断层首次发现移动冰丘，详细观测不冻泉、楚玛尔河、雅玛尔河南、83道班、85道班、86道班移动冰丘的形成条件、演化过程与灾害效应，提出不同成因移动冰丘的工程防治建议，受到国际同行专家与青藏铁路设计施工单位的高度重视，为青藏铁路沿线地质灾害防治提供了重要依据，相关成果于2005年4月在国际工程地质EngineeringGeology公开发表。青藏高原是国际地球科学领域公认的大陆动力学野外实验室。前人开展对青藏高原典型地质构造进行了详细观测，对青藏高原地壳结构进行了深部综合探测；但青藏高原没有开展过原地应力测量工作，长期缺乏原地应力测量资料。项目采用压磁法地应力测量技术，通过西大滩、羊八井、风火山和雪水河、可可西里、拉萨6个地点的原地应力测量，首次获得青藏高原内部比较系统的地应力实测数据，为分析青藏高原现今地壳运动机理、评价青藏铁路工程安全提供了重要的观测资料。在世界范围内首次获得8级左右强烈地震前后应力变化的实际观测资料。理论分析和模拟实验都表明，地震过程与应力变化存在动力学成因联系，但以前没有获得过8级以上强烈地震前后应力变化的实测资料。通过压磁法原地应力测量，在昆仑山南部首次获得8.1级地震前后地表应力变化的对比观测数据，发现震前（2001年8月）地应力高达6.8-12.9MPa，震后（2002年7月）地应力减小至2.2-3.5MPa。该项观测成果对分析2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震机理具有重要意义，受到国际同行专家的高度重视，于2003年在国际核心学术期刊GeophysicalResearchLetters公开发表。第三章主要结论1、建立了青藏铁路沿线第四纪地质年代学框架：系统开展青藏铁路沿线第四纪地质调查与古环境研究，划分第四纪沉积类型，对第四纪湖相沉积、河流沉积和冰川沉积进行了比较系统的剖面观测和大量年代学测试分析，对典型地区第四纪冰川沉积进行了冰期划分、冰碛测年和地层对比，重新建立青藏铁路沿线区域第四纪地层划分与对比表，为活动断层调查、勘测、活动时代鉴别和运动速度研究建立了可靠的第四纪年代学框架。2、测编青藏铁路沿线活动断层与地质灾害分布图：通过实地调查、详细勘测、遥感解译和综合研究，测编了青藏铁路望昆—唐古拉—拉萨段沿线1:2000活动断层及地质灾害分布图，编制了青藏铁路格尔木—唐古拉段沿线1:10万ETM遥感影像图和活动断层分布图、青藏高原中段1:100万活动断裂分布图及青藏铁路沿线现今构造活动强度1:100万等值线图，为青藏铁路部分修改和完善设计提供了可靠的实测地质资料。3、系统勘测青藏铁路沿线活动断层：通过路线地质观测、ETM遥感解译、综合地球物理勘探、探槽工程揭露，结合年代学测试分析和数值模拟等工作，系统勘测青藏铁路沿线活动断裂；鉴别出114条全新世不同规模、不同级别、不同序次、不同性质的活动断层，对重要活动断裂的地质特征、空间展布、活动时代、力学性质、运动速度及工程影响进行了详细分析和综合研究，提高了对青藏高原活动断裂的研究程度和认识水平。4、测定盆地边界断裂活动时代与运动速率：详细观测青藏铁路沿线当雄—羊八井盆地、谷露—桑雄盆地、安多盆地、温泉盆地主要边界断裂的活动时代和滑动位移，系统测算主要活动断裂在第四纪不同时期的运动速率；在当雄—羊八井盆地鉴别出4次全新世古地震事件，估算谷露—桑雄盆地7级以上强烈地震的重复周期为1900±300a，在温泉盆地鉴别出晚更新世—全新世3次古地震事件，详细调查1411年羊八井8级地震和1952年九子拉7.5级地震的地表破裂和同震位移。5、测定走滑断裂的活动时代与运动速率：在青藏铁路沿线新发现多条走滑活动断裂，详细观测昆仑山、可可西里、崩错等走