活动断裂与地质灾害监测预警实验室

实验室负责人：张 鹏

实验室概况 研究方向 成果介绍 实验室成员 联系方式

一、实验室概况

“活动断裂与地质灾害监测预警实验室”始建于2008年，实验室拥有活动断裂应力应变测量与监测仪器、活动断裂探测微型钻机、地裂缝监测仪器、地应力与地质灾害监测预警平台等。近年来，实验室承担完成了京津冀协同发展区、长江经济带、泛珠三角地区等重要经济区1: 5万、1:25万、1:50万、1:100万主要活动断裂与区域地壳稳定性调查评价和编图，支撑服务国家战略、重要城镇和重大工程规划建设与运营安全，有效防控活动断裂诱发的区域性地裂缝、地面差异沉降等重大工程地质问题。基本构建形成京津冀协同发展区地应力监测台网，初步揭示该区地壳浅表层现今地应力环境和主要活动断裂的运动学与动力学特征，有效服务重大工程安全运营。

实验室有多名长期从事活动构造、地应力测量与监测、重大地质灾害与工程地质问题、地质安全风险评价研究等领域的科研人员及相关科研团队，2013年新构造与地壳稳定性研究团队入选第一批国土资源部科技创新团队，2017年获国土资源部新构造与地壳稳定性研究科技创新团队。承担了国家科技攻关、国家自然科学基金、国土资源大调查和省部级科研项目30余项，依托本实验室研究成果，先后获省部级一等奖2项、二等奖2项、中国地质调查局地质科技一等奖2项，二等奖2项，实验室成员在国内外学术期刊上发表学术论文100余篇，其中SCI、EI收录200余篇，获国家发明专利8项、实用新型专利3项，培养博士、硕士研究生20余名。

二、主要研究方向

1. 地应力测量与监测在重大工程地质问题中的应用研究

主要研究方向：活动构造区带深孔地应力测量、深孔地应力实时监测、现今构造应力场的活动研究等。

2.重大地质灾害成因机理与风险

主要研究方向：内外动力耦合作用下地质灾害形成机理与风险评估、特大型高位远程地质灾害链生动力学致灾机理与成灾模式、地质灾害风险定量评估与防控技术、地质灾害早期识别与遥感技术应用等。

3.重大工程地质安全风险防控

主要研究方向：重大工程地质问题灾变效应、重大地质安全风险评价理论与综合防控、区域地壳稳定性评价等。

三、主要成果介绍

1. 中国主要活动断裂与区域地壳稳定性研究

系统梳理、调查和编制1:400万中国主要活动断裂分布图、工程地质岩组分区图和区域地壳稳定性评价图，初步分析了中国主要活动断裂对主要高速铁路、油气管道、核电站、水电站等重大工程的影响。

图1 中国主要活动断裂分布图

针对活动断裂特征及其对工程规划建设的影响，建议工程规划建设单位加强活动断裂勘查与监测，有针对性地采取合理防范措施。对于正断或逆断性质的活动断裂，在平原区应避让100～150米，山区至少避让50米；对于走滑断裂，应至少避让20米；对于无法避让、只能采取穿越方式的重大工程，应采取控制和适应变形的综合措施，防范工程错断。在高山峡谷区，应加强地质灾害危险性评价，采取避让为主、工程治理相结合的有效措施。对于穿越活动断裂的隧道工程，应加强软弱岩体探测和地应力测量，优化设计隧道断面形状和尺寸，施工过程中实时监测围岩变形和应力变化，采取适应变形与围岩加固相结合的科学措施。在活动断裂对地裂缝具有控制作用的盆地或平原区，可采取控制采水、合理避让、适应变形、局部加固的综合防控措施。

2. 新构造与活动构造研究

（1）初步建成首都圈地区关键构造部位地应力测量与实时监测台网，揭示诱发首都国际机场地裂缝变形的内动力机制，有效服务重大工程安全运营。

完成18个关键构造部位地应力监测台站建设，开展不同深度（600～1000米）地应力测量402组，基本构建形成主要京津冀协同发展区地应力监测台网，初步揭示该区地壳浅表层现今地应力环境和主要活动断裂的运动学与动力学特征。研究表明：2011年日本9.0级大地震后，华北地区现今构造应力场最大水平主压应力方向由近EW向转变为近SN向，这一演化过程导致NNE向顺义、通县-南苑等全新世隐伏活动断裂正断活动加剧，进而诱发北京首都国际机场、通州宋庄等地表地裂缝变形破坏。

图2 首都圈地区深孔地应力测量与实时监测规划部署图

图3 首都圈地区现今地应力环境

图4 2011年日本3.11大地震后华北平原北部现今地应力实时监测曲线

3. 重要经济区活动构造与区域地壳稳定性研究

（1）通过京津冀协同发展区、长江经济带、泛珠三角地区等重要经济区1: 5万、1:25万、1:50万、1:100万主要活动断裂与区域地壳稳定性调查评价和编图，支撑服务国家战略、重要城镇和重大工程规划建设与运营安全，有效防控活动断裂诱发的区域性地裂缝、地面差异沉降等重大工程地质问题。

通过京津冀协同发展区关键构造部位主要活动断裂、深孔地应力测量与实时监测、工程地质、地质灾害等调查研究，完成京津冀协同发展区地壳稳定性评价分区表明：稳定地区面积40.39%，次稳定地区面积39.31%，次不稳定地区面积15.66%，不稳定地区面积4.64%，总体地壳稳定性较好，利于重大工程规划建设。

图5 京津冀协同发展区主要第四纪断裂与重大工程分布图

图6 京津冀协同发展区区域地壳稳定性评价

（2） 探索研究东部平原区隐伏活动断裂诱发高铁路基地面差异沉降重大工程地质问题和风险防控技术。

在高铁循环动荷载作用下，由于不同地段活动断裂、工程地质条件、地下水开采等差异，在东部已出现严重的差异地面沉降问题，成为高铁安全运营急需解决的重大工程地质问题。考虑断层活动和高铁动荷载多普勒效应，基于野外调查和三维数值模拟，研究表明：列车动荷载主要影响50m以浅土体，垂直高铁线路影响宽度约60m，沿高铁线路断层的影响宽度约60m；5年后，由高铁动荷载和断层正断活动诱发的最大沉降量可达14mm，断层上、下盘最大差异沉降可达5mm；随运营时间累积，断层正断活动成为地面沉降主控因素；探索形成可供推广的高铁路基地面差异沉降调查评价技术方法，初步厘定高铁动荷载多普勒效应与正断活动共同作用下导致的最大差异沉降量（D）与车速(v)、运营年限(a)的关系（D=-0.000711v+0.9177a+0.371），服务高铁规划建设、安全运营和风险防控。

 

图7 基于弱化参数表征断层的三维数学模型

 

图8 高铁动荷载与正断活动共同作用竖向位移分布立体图

 

图9 高铁动荷载与正断活动共同作用下导致的最大差异沉降量与车速、运营年限的关系

（3）揭示顺义隐伏活动断裂诱发首都某机场地裂缝发育和致灾效应的机制和模式，基于大型物理模型试验提出断裂安全避让距离建议。

综合地球物理探测和工程地质钻探联孔剖面，基本查明顺义活动断裂的深部结构构造特征和活动性，平面展布走向NE、倾向SE，总体表现为张性正断效应，为全新世活动断裂。首都国际机场地裂缝主要受控于顺义隐伏活动断裂，而第四系工程地质特性、地下水开采、地表动荷载等则诱发加剧了地裂缝扩展，地裂缝分布与断裂展布具有明显的空间相关性，其变形过程与地应力实时监测反映的华北地区现今构造应力场动态演化、断裂活动特征具有明显的时序一致性。大型物理模型试验表明：顺义断裂在基岩正断错动50cm时，可诱发地表产生30cm正断效应地裂缝；极端条件下（如1679年三河马坊8级大地震）错动350cm时，可诱发产生85cm的地裂缝；在断裂上盘容易形成凹坑、拉裂缝，在断裂下盘易形成挤压隆起；根据地裂缝变形沿断裂上下盘方向的强度差异及衰减特征，提出下盘避让15m、上盘避让35m的地裂缝安全避让距离建议，为地裂缝防治提供量化数据。

图10 首都国际机场沿顺义活动断裂地裂缝分布

图11 中跑道及滑行道盖板变形破坏大型物理模型试验

图12 首都国际机场顺义活动断裂地裂缝安全避让距离

3.西部复杂山区重大地质灾害成灾机理与风险防控研究

围绕岩溶山区特大地质灾害的孕灾条件和演化机理开展深入研究，提出有效指导灾害预测和防控的系统理论和方法，形成崩滑灾害启动后高速远程成灾评价方法，为岩溶山区城镇减灾防灾提供了重要的理论与技术支撑。

 

图13 典型岩溶山区大型崩滑灾害模式示意图

 

图14 西南山区高位远程地质灾害动力学过程

 

图15 高速远程滑坡动力学数值模拟平台

4. 地应力测量与实时监测技术在地震地质中的应用

通过在青藏高原东构造结地区关键段地应力测量与地应力实时监测，获得青藏高原东构造结地区（山南、林芝）地应力特征，认为拉萨块体内部现今主要为以近NS-NNE向水平构造应力为主的逆断型应力场，填补了该区地应力测量研究空白。建设了西藏林芝和乃东等2处地应力实时监测台站，其中林芝地应力台站获取了尼泊尔2015年Ms 8.1级强震1100千米外的远场应力变化特征。

图16 川藏铁路雅安-林芝段现今最大水平主应力方向分布图

四、实验室成员

目前，本实验室共有科研与技术人员13人，其中研究员3人，副研究员3人，高级工程师3人；其中博士生导师2人，硕士生导师3人。主要成员有：

张鹏，博士，副研究员，负责运行与管理；

谭成轩，博士，研究员，实验室科学顾问，工程地质和地质灾害首席科学家；

李滨，博士，研究员，实验室科学顾问，主要学术带头人；

郭长宝，博士，研究员，实验室科学顾问；

丰成君，博士，副研究员，负责构造应力场三维数值模拟分析与评价；

高杨，博士，副研究员，负责地质灾害监测与分析；

戚帮申，博士，高级工程师，负责区域地壳稳定性分析；

孙明乾，博士，高级工程师，负责地应力绝对测量与地应力实时监测；

孟静，硕士，高级工程师，负责地质灾害监测与工程地质分析；

王惠卿，在读博士研究生，参加构造应力场三维数值模拟分析与评价；

万佳威，在读博士研究生，参加地质灾害监测与分析；

范玉璐，在读博士研究生，参加活动断裂应力应变测量与监测；

朱思雨，在读硕士研究生，参加构造应力场数值模拟分析与评价。

五、联系方式

联系人：张鹏，丰成君

电话：010-88815023，010-88815156

邮箱：zhangpeng0713@163.com，feng2010618@aliyun.com

地址：北京市海淀区民族大学南路11号，地质力学研究所。

实验室位置：地质力学研究所北实验楼二楼