云南小江断裂东支活动性分析及工程场地稳定性评价

王迎法,曲亚明,牟儒,赵鑫,许汉华,吴中海

1) 云南省交通规划设计研究院有限公司,云南省数字交通重点实验室,昆明,650041;2) 云南大学国际河流与生态安全研究院,昆明,650500;3) 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司,云南省岩土工程与地质灾害重点实验室,昆明,610059;4) 自然资源部活动构造与地质安全重点实验室,中国地质科学院地质力学研究所,北京,100081

内容提要：小江断裂延伸长、次生断裂交错分布多,使得区域内重大工程难以避免活动断裂带的影响,因此活动断裂的活动强弱以及场地稳定性是区域重大工程建设面临的主要工程稳定性问题。为了查清活动断裂对公路工程场地的影响,笔者等基于小江断裂地质构造背景,充分利用既有研究成果资料,重点研究区域构造环境和断裂特征,通过地质调绘、物理探测、年代学测试,结合对前人资料的系统梳理,计算分析了小江断裂中段东支活动速率,初步判定断裂活动程度;并综合考虑断裂活动性、地震烈度、岩体特性等因素,对工程场地稳定性进行分级。结果表明,小江断裂东支平均水平位移速率为6.6 mm/a,判定为强活动断裂,区域工程场地稳定性划分为极不稳定区;认为强烈活动性断裂两侧各10 km区域内对工程的影响最为严重,为公路工程场地选址和抗震设计提供了理论和数据支持。

活动断裂带工程地质问题一直是工程地质界关注的难点,也是影响工程建设可行性的重要因素(张永双等,2019)。云南山区公路多受地质构造影响,活动断裂发育,地质条件极为复杂,场地稳定性差;尤其是跨越活动断裂的公路常常因地震及其次生地质灾害造成构筑物的破坏,给建设单位和养护部门带来极大的麻烦。公路安全关系着生命线工程的运输安全,其稳定性不仅表现为构筑物设计的稳定性,还取决于场区地壳活动程度(周春景等,2016);因此查明工程场地断裂构造特征及活动性,并评价区内公路工程场地稳定性是公路勘察的重要任务。

笔者等以云南功山至嵩明高速公路为工程背景,以小江活动断裂为主线,采用区域地质调绘、活动断裂14C测年、物探测线等综合勘察手段,精准勘察活动断裂边界位置及影响范围,分析研究了断裂的活动程度及其构造体系特征,并综合断裂活动性、地震烈度、岩性特征等对工程场地稳定性进行分级(肖盼盼等,2019),同时评价了活动断裂对区内公路工程的影响程度。

1 项目概况

2 区域构造环境

2.1 区域新构造运动

研究区域地处云贵高原中部,属扬子亚板块之滇东拗陷带,其新构造的发展演化主要受印度板块与欧亚板块在碰撞过程中藏南和藏北壳幔物质流向南南东方向的推挤作用,表现为强烈的垂直差异运动和断块的侧向滑移,及以近南北向断裂左旋位移和北西向右旋位移为代表的断裂活动(刘峡等,2016;张星宇等,2023)。根据新构造运动发育历史、类型、运动性质、方式及其造成的构造变形特征,以及地形地貌、地震活动的差异(钟宁等,2022),研究区划分为2个一级区,3个二级区和5个三级区(图1)。自燕山运动后期至始新世晚期,测区基本处于稳定的大面积隆起的剥蚀夷平时期,因而地形上有一级古夷平面形成,上升幅度一般小于200m,地貌上显示为宽平的喀斯特旷原。

图1 云南中部新构造运动分区图Fig. 1 Neotectonics zoning map in central Yunnan新构造分区名称:Ⅰ—青藏高原新构造区:Ⅰ1—川滇菱形断块差异掀斜隆起区:Ⅰ1.1—会理—玉溪断隆;Ⅰ1.2—渡口—姚安断隆;Ⅰ2—三江强烈挤压隆起区:Ⅰ2.1—无量山掀斜断隆; Ⅱ—华南新构造区: Ⅱ1—滇黔桂稳定隆起区;Ⅱ1.1—滇东北中强掀斜断隆;Ⅱ1.2—滇东穹隆式断隆;Ⅱ1.3—滇东南平缓断隆;Ⅱ1.4—黔中断隆Name of the neotectonics zoning: Ⅰ—Tibetan Plateau neotectonic region: Ⅰ1—Sichuan—Yunnan rhomboidal fault block differential tilted uplift area: Ⅰ1.1—Huili—Yuxi fault uplift; Ⅰ1.2—Dukou— Yao’an fault uplift; Ⅰ2—Sanjiang strong compressive uplift area: Ⅰ2.1—Wuliang Mountain tilting fault uplift; Ⅱ—South China neotectonic region: Ⅱ1—Yunnan—Guizhou—Guangxi stable uplift area; Ⅱ1.1—Medium—strong tilting fault uplift in sortheast Yunnan; Ⅱ1.2—Dome-type uplift in eastern Yunnan; Ⅱ1.3—Gentle uplift in southeast Yunnan; Ⅱ1.4—Fault uplift in central Guizhou

2.2 地质构造

根据区域地质构造轮廓及构造形迹的空间展布和性质,区内主要受经向构造体系、新华夏构造体系和向西南凸出的“入”字型构造体系构造带作用控制。研究区内断裂构造十分发育,主要有南北向、北西向、北东向3组;现有的GPS观测结果(申重阳等,2002)和地质资料表明,小江断裂是青藏高原东南缘最活跃的一条断裂带,它与哀牢山—红河断裂带构成了川滇地块的东、南边界,该地块主动向SSE方向的运动是印度与欧亚板块碰撞的远场效应(唐文清等2006)。根据研究区遥感影像资料的解译显示,小江断裂为控制路线区域的主要断裂,总体走向近南北,分为东、西两支,由一组大体相互平行的断层组成(图2)。

2.3 区域构造应力

从应力场分布来看,研究区主要分属我国西南地区2个大构造应力场分区:① 金沙江—红河断裂带以东、小江断裂带以西的川滇菱形断块中南部,区域现代构造应力场主压应力优势方位为NNW—NW,以水平作用为主(万永魁等,2021);② 小江断裂带及其以东,向东直到贵州中部,向南可延伸至越南北部,区域地震构造应力场主压应力方位应为NW—NWW向(Shen Zhengkang et al., 2005 ),以水平作用为主的压应力场。

研究区主要涉及滇中和滇东地区,云南省地震工程勘察院利用1965年～2021年M≥4.0级的震源机制解资料,对区内24个震源机制解、2个节面倾角和3个应力主轴仰角作统计分析,结果表明研究区地震构造应力场以水平作用为主。

2.4 区域地震活动

小江断裂带是一条强震活动带,属于地壳中上层的浅源地震区域,地震活动强度大、频度高,属于云南地区最显著的强震控震构造带,最大地震烈度为Ⅸ度。自1494年以来,在本区共记载M≥8级地震1次、7.0≤M≤7.9级地震6次、6.0≤M≤6.9级地震21次,其中嵩明大地震(8级)是云南地区历史上记载的最大震级地震;这些地震的地表破裂带已完全覆盖了整条断裂带,近场内都具备发生7级以上地震的条件。

依据新一代中国地震动参数区划图对潜在震源区划分方案基础上,笔者等结合本工作区地震活动和地震地质构造的研究成果,对近场区的潜在震源区边界及震级上限进行了校核(毛玉平等,2003),划分了小江断裂中段近场区潜在震源区(图3)。有图可见,小江断裂带东支潜在震源区(V3-2a-09/10)发生潜源震级上限为8.0级,区内进行工程建设时应加强防震减灾措施。

图3 近场区潜在震源区划分图Fig. 3 Regional potential source area division map

3 小江断裂活动性研究

小江断裂带按结构特征及新活动程度差异,大致可分成北、中、南三大段,中段主要由东、西两支断裂构成,断裂内部结构十分复杂,断裂之间还发育一系列近于平行展布的北东向羽状次级断裂(图2),这种结构类似于剪切带内部的羽状破裂,其中单条破裂与主断层之间的夹角一般为35°～40°。此次研究主要先从宏观的地形地貌、地质构造调查开始(图4),再结合公路工程的物理探测、断层测年和前期勘探成果,对小江断裂东支活动性特征进行全面分析(卢玉东等,2010)。

图4 近场区DEM影像图Fig. 4 DEM image of near field region

3.1 地形地貌调查

小江断裂东支北起蒙姑,向南东经东川、寻甸、小新街至宜良,从寻甸盆地向南逐步分散展宽为多条呈辫状交织分布的次级断裂(郑立龙等,2019),基本上由10条大致呈斜列式排列的断裂组成,测区段走向近SN—N10°E,倾向西,倾角40°～80°。在野外调查过程中发现,沿小江断裂东支存在破碎带、角砾岩、片理化、次玄武岩侵入等,一般宽达数百米,地貌上表现为断层三角面、断层槽地和断层谷等,在功山北附近可见清晰的断层槽谷(图5a),槽谷延伸约12 km,地表断裂密集,沟内分布黏土层及砂砾层褶皱并被错断,东盘玄武岩、角砾岩冲覆在西盘的砂砾之上,断面上岩石破碎,部分位置可见宽达20～30 cm的断层泥(图5b),证明断层晚近活动性十分明显。此外断层西侧的北东向压性分支断裂及褶曲构成了寻甸—功山入字型构造,同时在该断层北延的东川市梭山一带,断面出现水平方向的擦痕,表明该断层以压性为主,兼具扭性(左行扭动),断裂左旋错动以三叠—侏罗系地层为核部,二叠系地层为两翼,长轴呈北东向的向斜构造。

调查发现,在功山南的王家村附近由于当地修筑公路开挖出宽达160 m以上的横切层状地貌面的新鲜剖面(图6a),剖面方向近东西,剖面中可见发育有17条横向断裂面,断面走向NNW—NNE,倾向东,倾角陡。在实测剖面(图6b)顶部(YHZ-1/2)、中部(YHZ-5)和底部(YHZ-3/4)的位置依次采集了14C年代样品进行测年,测年结果分别为6.98±0.59 ka BP、6.99±0.11 ka BP、9.30±0.79 ka BP、12.24±0.12 ka BP、16.20±0.38 ka BP(表1);测试结果显示这5个年代样品的地层埋藏深度越大,年代越老,这也从侧面证实了年代样品测试结果的合理性,反应了小江断裂东支活动的多期性。

图6 王家村附近小江断裂中段地质剖面(镜向N)Fig. 6 A geological profile, neare Wangjia village, in the central section of the Xiaojiang fault (Mirror Direction N)① 棕红色残积黏土;② 灰白色粉细砂;③ 灰白含砾洪积物;④ 灰褐色黏土;⑤ 含砾粗砂;⑥ 中砂;⑦ 灰黑色砾石;⑧ 含砾黏土;⑨ 灰黑色粉砂① brown red residual clay;② gray-white pale silty sand;③ gray-white gritty diluvium;④ peige clay;⑤ sand with gravel;⑥ medium sand;⑦gray-black gravel;⑧ gravel clay layer;⑨ gray-black silty layer

3.2 年代学测试

14C测年法广泛应用于第四纪地层定年,以分析活动断裂最新活动时代(杨顺虎等,2012);本次对功山北至寻甸南之间的小江断裂带进行了详细的地表调查,在构造破碎带附近统计了几组左旋位移数据,并采集了相应样品进行14C法测年,随后将本此结果及前人获得的阶地年龄进行气候曲线校正(胡萌萌等,2023),取得了相关的年代测试成果(表1),进而计算路线附近断层的滑动速率。

经野外实测,在调查位置统计的水平位移断错量为29～136 m,垂直位错量为0.7～2.8 m。通过计算分析,小江断裂东支在晚更新世～全新世以来的水平走滑速率集中在4.8～8.4 mm/a,平均水平速率为6.6 mm/a,垂直滑动速率集中在0.2～0.9 mm/a,平均为0.55 mm/a,与Shen Zhengkang等(2005)利用GPS观测数据获得小江断裂中段7.0 mm/a的平均左旋走滑速率具有较好的一致性。

3.3 物理探测

研究区地层以灰岩和半成岩(N)为主,由于断裂活动造成了下部基岩的错动或明显破碎,破碎带和不同岩石之间导电性能存在较大差异,从而引起了不同岩层密度、电阻率等特性的不均匀变化,电阻率的差异在一定程度上可以表征岩体的岩性及其结构特征。为了查明小江断裂的运动性质,本次采用高密度电法进行探测;在功山南小江断裂带上布设了A—A'和B—B'测线(图2),点距5 m,通过数据质量优化、地形校正及数据软件处理得到了2条测线剖面的反演图像(图7)。

图7 功山南附近断层A—A′测线(a)和B—B′测线(b)高密度电法层析反演图像Fig. 7 High density tomography inversion image of line A—A′(a)and line B—B′(b)of the fault near the south of Gongshan

由于断层附近岩石破碎且富水,总体电阻率偏低(朱裕振等,2023),高密度电法解疑主要依据断层破碎带与不同岩性地层电阻率差异进行分析。由A—A′剖面反演图像(图7a)显示,A—A′测线里程880～960出现从上而下贯通的低阻条带,低阻条带的两侧电性为连续的相对高阻,推测为断裂异常带,断层倾向西,倾角陡,破碎带宽度约50～80 m;B—B′剖面反演图像(图7b)显示,在电阻率测线上出现南北贯通的低阻条带,低阻率等值线有所起伏,且有下凹趋势,推测断层为近南北延伸的左旋走滑断层,破碎带内有富水现象。综合地质调查和勘探成果,推断小江断裂东支在工程区附近为一近南北向的走滑断层,倾向西、倾角陡,断层破碎带影响范围约为80 m;受断层影响,工程区内岩体破碎,节理裂隙发育,破碎带内富水性强。

3.4 断层活动性分析

为进一步细化全新世活动断裂的活动强度,更好地评估断裂的工程影响,笔者结合断裂活动继承性和新生性2方面特征以及当地工程经验,对工程场地的断裂活动性强弱进行分级;断裂活动强度分级主要依据活动速率大小,并考虑断裂所处的构造部位、地震活动强度等因素进行。

周春景等 (2016)通过对滇中地区活动断裂的系统梳理,结合断裂活动的潜在工程影响,根据速率大小将活动断裂分成如下4个等级;活动速率≥5.0 mm/a为强烈活动断裂;活动速率2.0～5.0 mm/a为中强活动断裂;活动速率0.5～2.0 mm/a为中等活动断裂,活动速率<0.5 mm/a为弱活动断裂。

笔者等计算所得小江断裂东支近场区水平平均滑动速率为6.6 mm/a,与前人关于小江断裂带走滑速率的研究成果(沈军等,1999;张培震等,2008;韩竹军等,2017)基本吻合;由此判定,小江断裂东支是一条全新世以来的强烈活动断裂,未来百年内断裂具有发生8级地震的可能性。

4 区域场地稳定性分析

由于区内活动断裂延伸长、次生断裂交错分布多,使得区域内重大工程难以避免活动断裂带的影响,因此活动断裂的活动强弱以及断裂控制的地震强度是区域重大工程建设面临的主要工程稳定性问题;此外断裂活动及地震诱发的次生灾害也是工程稳定性需要考虑的重要因素。

区域场地稳定性具体评价工作主要从区域地壳稳定性影响因素和各因素之间关系的权重选择两方面开展(周春景等,2016)。本文在前人研究成果(胡海涛,2001;吴中海等,2016)的基础上,综合考虑小江断裂带内的构造地震活动、岩土体工程特性和表生地质灾害等因素,并结合构造稳定性评价、岩土体稳定性评价和地面稳定性评价,对小江断裂东支影响区域的场地稳定性进行评价分区。为了更好的获得影响场地稳定性的评价指标,笔者等主要从断裂活动性、场地抗震地段类别和地震地质灾害3个方面解析了活动断裂对公路场地稳定性评价的影响程度。

(1)考虑到区内的场地稳定性主要表现为地壳稳定性(刘国昌等,1993),而地壳稳定性的主要影响因素为活动断裂的活动强度(程佳等,2012),故本次评价首先考虑断裂活动性作为场地稳定性评价的主控因素。

(2)根据公路勘察资料及现场波速测试,场地覆盖层厚度大于5 m,等效剪切波速介于274.41～322.08 m/s,场地地基土卓越周期为0.1933～0.2981 s;判定公路场地地基土类型为中硬土,建筑场地类别属Ⅱ类,区域地震峰值加速度为0.40 g,地震设防烈度分别为Ⅸ度(9度)。小江断裂近场内具备发生7级以上地震的条件,划分为对建筑抗震不利地段,需考虑抗震影响。

(3)地震地质灾害评价主要是评价工程场地易发生滑坡、崩塌、泥石流、砂土液化、地震塌陷等地质灾害的可能性;这些地质灾害与区内岩土体性质密切相关,实际上也是属于岩土体本身的稳定性问题,其中岩土体的岩性、倾向、倾角等因素为主要的影响因素。

综上,本文的工程区域场地稳定性评价综合选取了断裂活动性、地震活动性和岩土体类型共3个影响因素评价指标。

梁明川(1987)在云南区域稳定性图件的编制中,提出建立研究区数值模型、将数量化理论引入区域稳定性评价中;胡海涛(2001)、易明初等(1997)在中国区域地壳稳定性图编制中总结出区域稳定性分析评价的系统内容和方法,建立了判别模型,给出指导函数型式。笔者等依附于前人研究理论的基础上,结合滇中地区重大项目工程经验,应用了殷跃平等(1992)开发的“智能型”区域地壳稳定性专家系统(CRUSTAB),归纳出适合本区域的稳定性分析评价方法,根据各因素对地壳稳定性的实际影响情况与专家经验打分法相结合的原则获得各评价因子的权值(胡海涛,2001),依据多因子加权叠加分析初步建立了本区场地稳定性评价计算模型,其函数表达式为:

α(i)=k1×x1+k2×x2+k3×x3

(1)

式中:x1为活动断裂影响因子原始分值,x2为地震烈度响因子原始分值,x3为岩土体影响因子原始分值;k1、k2、k3分别为活动断裂、地震烈度和岩土体性质的权重值;α(i)为场地稳定程度。

指标权重的分配依据场地稳定性的主要影响因素分析和评价结果与实际稳定性分析的契合度综合确定。通过反复综合分析和计算,3个主要影响因素评价指标的分值和权重值赋予原则如下:

(1)活动断裂影响因子:小江断裂东支综合判定为强烈活动断裂,对区内工程影响较大;按照工程场地与断裂的距离分别赋予不同的分值(王爱国等,2005),权重取值为0.6。根据云南省地区工程经验将强烈活动断裂两侧各50km以内的区域分为3个区,取值标准及对应的权重分值详见表2。

表2 活动断裂影响区域的分值取值标准一览表Table 2 Assignment in different regions along the different active faults

(2)地震烈度影响因子: 小江地震带地震活动强烈,对工程场地稳定性影响大,工程构造物需考虑抗断问题;按照按地震烈度等级分别赋予不同的分值,权重取值为0.3。取值标准及对应的权重分值详见表3。

表3 不同地震烈度的分值取值标准一览表Table 3 Assignment for the different areas with different earthquake intensities

(3)岩土体影响因子: 岩土体类型是影响地震地质灾害和场地稳定性的基础因素;岩土体按其力学强度大致分为第四系覆盖层土体(Qh)、新近世以来成岩度不高的半成岩 (N)和完整基岩等3类,权重取值为0.1。取值标准及对应的权重分值详见表4。

表4 不同岩土体的分值取值标准一览表Table 4 Assignment for different rocks

根据以上取值标准,按照稳定性定量评价计算模型,得到功山至嵩明高速公路场地稳定性程度计算值介于0.93～1.0之间。依据区域场地稳定性程度α(i)的分值,按0.2的间隔值将其分为5个档次,得到5种不同的工程场地稳定程度区域: ①0.8<α(i)≤1.0为极不稳定区; ②0.6<α(i)≤0.8 为不稳定区; ③0.4<α(i)≤0.6为次不稳定区; ④0.2<α(i)≤0.4 为次稳定区; ⑤α(i)≤0.2为稳定区。参照这个划分标准,功山至嵩明高速公路工程场地属于极不稳定区;强烈活动性断裂两侧各10 km区域内对公路工程的影响最为严重,评价结果相比野外勘察结果来说还是比较可靠的。

5 结论与建议

笔者等依据小江断裂的地质构造环境,通过地质调绘、高密度电法探测等勘察方法,结合年代学测试,对小江断裂东支进行研究得出:小江断裂东支为全新统断裂,全新世以来的平均水平位移速率为6.6 mm/a;平均垂直滑动速率为0.55 mm/a。综合对活动断裂特征、地震强度、岩体特性的分析研究,初步判定小江断裂东支为强活动断裂,断裂区域工程场地为“极不稳定区”;认为强烈活动性断裂两侧各10 km区域内对公路工程的影响最为严重,从而为公路工程的选址和设计提供了科学的理论依据。

建议:在活动断裂场地进行工程建设时,应结合活动断裂的活动特征、场地地质条件和建设工程的重要性,加强断裂活动的监测力度,采取安全的避让距离和合适的结构加强措施。

致谢：野外工作得到了云南交发项目管理有限公司和云南安鉴地震工程有限公司的大力帮助。感谢审稿专家及责任编辑提出的宝贵意见和建议,使本文得到进一步提升。