京津冀结合部区域地壳稳定性评价

2020-11-09杜东王国明

华北地质 2020年3期

杜东，王国明

（1. 中国地质调查局天津地质调查中心，天津300170；2. 华北地质科技创新中心，天津300170；3. 中国地质调查局泥质海岸带地质环境重点实验室，天津300170）

区域地壳稳定性评价研究，是区域性地质综合评估和防治各种地质灾害的工程地质学分支学科[1]，区域地壳稳定性评价是考虑内外动力地质作用、岩土体介质及人类活动诱发或叠加的地质灾害等对工程建设的相互作用和影响下，现今地壳及表层的相对稳定程度，以地球内外动力地质灾害为研究对象;其研究目标是避开地震活动带、断层活动带及地质灾害多发带，减轻诱发地质灾害，寻找相对稳定区作为工程建设场地[2-7]。京津冀结合部随着非首都功能疏解战略的提出，已成为北京非首都功能产业转移升级的重要承接区，同时这些地区面临的地质问题与地壳稳定性制约了城市发展规模和重大工程建设，因此对上述地区进行区域地壳稳定性评价具有重要意义。

1 研究区概况

研究区地处京津冀结合部，主要包括北京通州区、天津武清区、宝坻区、蓟州区及河北廊坊地区，为北京非首都功能疏解产业转移升级的重要承接区，总面积约9 817 km2（图1）。

研究区北侧、西北侧被燕山、太行山环绕，东南部为平原，地势最高的地方位于平谷县山区，高程最高可达400 m。除平谷县山区外，其余地区地表高程低于66 m。地势平缓，仅在北侧顺义、平谷地区有明显的河谷切割痕迹。绝大部分地区坡度小于6°，潮白河河谷是坡度相对高值区（图2）。

2 研究区地质构造背景

在地质历史发展过程中，研究区经历了多次构造变动和多阶段多旋回地质构造演化，形成了多期褶皱构造、断陷盆地和断裂构造[8]。从中元古代到晚古生代，经历了稳定盖层形成时期，也标志了刚性古陆的最终形成时间为晚古生代，中、新生代的断块活动形成了工作区的地质构造格架，其中在北京平原区形成京西隆起、大兴隆起和北京断陷的主体构架[9-10]。在喜马拉雅构造期，北京平原区一系列北东向和北西向断裂的持续活动，使得其两隆一凹的构造格架解体，形成了一系列新生代断陷盆地，如平谷凹陷，南口-沙河凹陷，琉璃河断陷盆地，丰台断陷盆地等[11]。在研究区东南部平原区以宝坻-蓟运河断裂为界，北跨燕山台褶带的南西边缘，涉及马兰峪复背斜（Ⅲ级构造单元），主构造线大致呈EW向，其断裂以EW向为主导；南属华北断坳的北部，涉及冀中坳陷（Ⅲ级构造单元），主构造线延伸方向呈NNE 向。在河北廊坊北三县及固安一带，增加了大厂断陷和廊固断陷[12]。

图2 研究区高程地势图Fig.2 Elevation topographic map of the study area

图3 研究区构造单元分区图Fig.3 Structural unit zoning map of the study area

3 区域地壳稳定性评价

3.1 评价指标体系的确定

评价指标体系遵循“潜在风险高、影响范围大、资料可获取”三项原则对指标进行筛选[13]。本次评价工作在反映本区特殊的地质环境，成果资料的研究程度和全面、科学、合理实用的基础上构建了评价指标体系。主要为地表稳定性和构造稳定性两大类指标，其中地表稳定性指标包括地面沉降和工程地质条件，构造稳定性指标包括断层活动性、地震活动以及重力布格异常梯度值。研究区地处冲洪积平原，属第四系深覆盖区，工程地质条件是影响本区地基及地表稳定性的重要指标；地面沉降是由人类工程活动所引起的主要地质灾害，也是影响本区地面稳定性的主要指标。构造稳定性指标是本区主要的内动力地质作用，由其所反映的构造活动性和构造块体稳定状态是本区地壳稳定性评价的主体；因此对研究区地壳稳定性影响因素的分析，结合研究区实际和资料收集情况，分别选取断层活动性因子、历史地震因子、重力布格异常梯度值、工程地质条件因子、地面沉降因子来对本区的地壳稳定性进行评价。其中断层活动性因子、地震因子又可分为多个评价要素或评价子要素（表1）。

3.2 评价原则及方法

以断裂活动性、地震活动和重力布格异常梯度为构造稳定性的因子重点评价本区地壳稳定性分区特征，再结合工程地质条件和地面沉降两个地面稳定性因子进行区域地壳稳定性综合评价。地壳稳定性划分为：相对稳定、相对较稳定、相对较不稳定和相对不稳定4 个级别[14]。采用综合评判法（也称为综合指数法）进行评价，一般分为两层，第一层为因子层，第二层为要素层[15]。有些要素比较复杂，可进一步细分为子要素层。从子要素层开始，给出归一化指标，将各要素层指标值按权重进行叠加，得到要素层的总评价指标；再将各要素层进行归一化处理，指标值按权重进行叠加，得到因子层的评价总指标；最后将各因子层指标值按权重进行叠加，得出每个评价单元的综合评价指数。

3.2.1 评价单元划分

本次评价区主要为平原区，采用网格评价单元的划分比较适宜，网格为正方形，网格间距为2 km[16]。首先建立研究区范围左下角的正方形单元格大小为2 000×2 000 m，然后向上、向右阵列复制单元格，形成标准栅格。将标准栅格与工区范围进行判别分析，获取评价区的基础栅格，得到总数2 665个单元格。

表1 研究区区域稳定性综合评价指标一览表Tab.1 List of comprehensive evaluation indexes of regional stability in the study area

3.2.2 指标权重的确定

评价因子的权重或分数线的划定主要根据对本区稳定性实际影响大小和以往研究人员对研究区地壳稳定性分析的基础上进行类比估计的，存在一定的不确定性，主要是参照地质条件类似地区已有的统计资料和以往评价经验综合确定[17-21]（表2）。

3.3 区域地壳稳定性综合评价

将各个因子评价图层根据权系数加权叠加进行综合评分，分别计算每个单元的最终评分，并对所有单元的评分进行归一化处理，归一化计算方法：归一化后的数值=（单元值－最小值）/（最大值－最小值）。经过分级形成综合评价图（图4）。共分为四级，即相对稳定区（综合指数＜0.2、相对较稳定区（综合指数0.2～0.5）、相对较不稳定区（综合指数0.5～0.6）、相对不稳定区（综合指数＞0.6）。

表2 区域地壳稳定性评价要素权重一览表Tab.2 Weight list of regional crustal stability evaluation elements

4 评价结果

结果显示，相对稳定、相对较稳定、相对较不稳定和相对不稳定区分别占研究区总面积的35.0%、49.6%、10.6%和4.8%。相对不稳定区主要分布在顺义县南部通州区北部、三河马坊一带夏垫断裂两侧、香河县西南部宝坻断裂与香河断裂交汇部，该地区地处顺义断裂和南苑-通县断裂、南口-孙河断裂的交汇地区，是地震活动较强烈，地面沉降相对较严重的地方，也是晚更新世及全新世活动断裂较发育的地区。其中顺义断裂与南口-孙河断裂交汇处还分布有较多构造地裂缝及砂土液化，这说明内动力地质作用和人类工程活动叠加是造成本区地壳不稳定的主要因素。

5 结论与建议

本次评价建立了一个层层分级，以地表稳定性和构造稳定性为核心选取的评价指标体系。其构造稳定性下所选取的新增1/5万高精度重力布格异常梯度带指标，清晰的反映出研究区基底构造和地质构造背景，让区域地壳稳定性的评价结果更符合实际情况。评价结果能为城市总体规划建设，保障城市安全和维护新时期重大工程建设成果提供参考依据。在相对不稳定区顺义县南部通州区北部、三河马坊一带夏垫断裂两侧和香河县西南部宝坻断裂与香河断裂交汇部布局重大工程建设时建议采取避让或工程处理措施。