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地质力学理论剖析地质灾害

12-07-11 甘肃地矿局网站  admin 4375次浏览

巨大的自然灾害一次次猝不及防地袭来,让2010年的中国承受了巨大的悲伤。但同时,因为千千万万中华儿女的奋力抗灾与英勇救死扶伤,也使这一年的中国充溢着温暖--生命、救援、爱心、坚强……无数的画面告诉人们,这是一个拥有大爱的民族,这是一个拥有英雄的时代。

  819日,中共中央、国务院和中央军委在青海省西宁市隆重举行全国抗震救灾总结表彰大会,用郑重的仪式盘点、歌咏了各行各业在玉树地震救灾工作中的奋不顾身。本次表彰,有6位国土资源系统的同志荣获"全国抗震救灾模范"称号,而他们的事迹,则成为国土资源系统玉树抗震救灾工作的缩影。

  张永双,中国地质科学院地质力学研究所研究员,博士生导师,国土资源部地质灾害应急专家,国际工程地质协会新构造与地质灾害专委会秘书长。面对这位长年奋战在地质灾害研究领域中的地质人,人们很难忘记他的话:"人类消灭不了灾难,但必须学会面对灾难。科学研究虽然不能像挖掘机那样迅速清除废墟上的瓦砾,但它能够逐渐廓清遮挡在地质灾害面前的迷雾。我会继续在地质灾害研究的路上走下去。"

玉树,企盼权威的地质解读

  2010414日清晨,7.1级强震突袭青海省玉树藏族自治州。瞬时,大地惊颤,房倾屋塌。在破坏最为严重的玉树州首府结古镇,发自庞大废墟的尘埃,混合着巨大的痛苦,吞噬了这座高原之城。

  这是当地有历史记录以来最强烈的地震,震撼人心的数字说明了这次地震的恐怖:造成2698人遇难、270人失踪。

  从灾难开始的一刻,全国人民的心便与灾区人民的心紧紧连在一起。一支支紧急救援的队伍冲向玉树,一批批专业技术人员也奔向玉树。地震当日,国土资源部部长徐绍史主持紧急会议,成立抗震救灾领导小组和玉树地震抗震救灾应急专家组,随后统一部署的抗震救灾工作火速展开,副部长汪民陪同中央领导在第一时间赶往玉树,陕西、甘肃国土资源系统和中国地质调查局的专业人员紧急出发,国家测绘局和中国地质调查局航遥中心的航遥飞机立即起航……

  "国土资源系统为这次抗震救灾整体部署实施提供了许多至关重要的信息,我只是国土资源部玉树抗震救灾队伍中的普通一员。"此言来自中国地质科学院地质力学研究所研究员张永双,他也是国土资源部玉树地震应急专家组成员。

  来自地质力学所的张永双、马寅生、胡道功三位专家是415日出发,416日下午抵达玉树灾区汇入国土资源系统救灾大军的,不过,他们所担负的是一项特殊的使命:摸清本次地震的发震断裂和地表破裂情况,藉此认识这次地震的机理和成灾规律。"这次灾后应急地质调查工作的重点有两个:一个是地质灾害排查,另一个就是地震断裂应急调查。这些应急地质调查所获得的科学信息非常重要,将直接应用于玉树地震灾区灾情快速评估、指导灾后重建规划和避让选址。"张永双介绍说。

  地表破裂是震源断层错动在地表产生的破裂和形变的总称,有时就是地震断层在地表的露头。1906年旧金山大地震的地表断裂长达430公里;1931年新疆富蕴8级地震的地表破裂150公里,1932年甘肃昌马7.5级地震的地表破裂120公里;2001年昆仑山8.1级地震的地表破裂达430公里,2008年汶川8.0级地震的地表破裂则为270公里。在地质专家眼中,地表破裂是研究地震发震机制的关键。此前,由于没有在玉树地震区域地表看到明显的"外伤",许多人认为玉树地震并没有造成地表破裂。

  玉树地震的断裂情况怎样、到底是哪条断裂惹的祸?包括多位院士在内的国土资源部会商专家组在北京等待着来自前线的第一手资料;玉树地震到底有什么规律?青海玉树抗震救灾指挥部期盼着来自地质专家对地震地质灾害的权威解读。

"失踪"的地质学家找到了宏观震中

  417日早上,张永双三人乘坐的车跟上中国地质调查局应急专家车队,向着一处重要滑坡隐患点出发了。然而,由于交通拥堵,车队不久就拉开了距离。由于通信不畅,张永双的小组在经过一段浓重的烟灰尘后与车队失去了联系。不过,很快他们就不想去寻找同伴们了,因为他们看到了远处一道"可疑"的现象,经验告诉他们,那里很像有地震断层通过。

  穿过一段崎岖的山路,越过水流湍急的巴曲河,许多细节愈发清晰。在山谷间巴曲河的阶地上一片废墟旁,出现了明显的地震地表破裂。随身携带的地形图告诉他们,这里叫禅古村。兴奋中,他们沿着骇人的破裂向东南追去。在倒塌的禅古小学附近,破裂消失。此处东距地震局公布的震中约70公里。

  17日晚上1030分,远在北京的多位地质力学所领导收到了张永双的短信:今天活动断裂小组对禅古村发现的地震地表破裂进行了较精细的测量,地表破裂连续延伸长度477米,呈典型的左旋逆冲特征,可见最大垂向位移62厘米,水平位移30厘米,发育斜交张裂缝,河流跌水明显,地表破裂附近的禅古村变为废墟。该处地表破裂的发现,扭转了前期人们认为玉树地震没有地表破裂的看法。

  第二日上午,当大家还在为来自前线的好消息而欣喜时,张永双小组已到达了国家地震信息网公布的震中所在地。然而,这里几乎看不到地震的迹象,不仅房子没有破损,连老乡家垒的砖堆都没倒。张永双等人立即向禅古村方向回溯,仔细搜索断裂的踪迹……

  接下来的两天,在结古镇搭建的国土资源部专家组帐篷里不见了张永双等三人的身影。原来,为了节省时间,具有丰富高原作业经验的他们决定就在野外扎营,"这样避免了来回跑路,一天至少能多干5个小时的活"

  调查发现,地震造成的地表破裂主要分布在山体的中部,如果经验不足从山下根本无法发现,必须爬到跟前才能看清。"我们从海拔3800米处往上走,别看山腰距山脚垂直高差只有300多米,但由于山坡平缓,至少需要2个小时才能上去。在高原地区工作不比在平原,多多少少都会有些反应,特别是马寅生研究员,当时还患有严重的感冒。好在我们都有长期高原工作的经验,在海拔4000多米是可以正常工作的。地质工作不仅是技术活、体力活,更是良心活!"张永双说。

  420日傍晚,张永双等人回到结古镇,立即向指挥部相关领导汇报了本次地震断裂的初步调查结果。

  次日,国土资源部玉树一线抗震救灾专家组宣布,通过现场追踪调查玉树地震地表破裂,基本确定距离县城西北方向约16公里的隆宝镇郭央烟宋多为宏观震中,位于国家地震信息网公布的仪器震中东约30公里,坐标为北纬330311秒、东经965126秒。初步确定,地震地表破裂在玉树县城附近较连续分布的长度约23公里。据介绍,后经调查证实,西部隆宝湿地一带也有地表破裂发育,但其地表位移量较小。201084日至12日,地质力学所龙长兴所长带队再次对玉树地震破裂进行现场调查,进一步查明了地震发震断裂地表宏观展布、力学性质、位移特征,证实并深化了前期宏观地震震中位置确定的合理性。

  在宏观震中区域,变形破坏现象比其他地段都要强烈:沿断裂带鼓胀出一个个"小帐篷",一条小溪被破裂错断,形成小型断塞塘。幸好,这里属于山谷地带,人烟稀少。

  张永双特别说明了何为宏观震中:"宏观震中是根据地震后地表变形强度和对地表建(构)筑物的破坏程度确定的地震中心,是地震最高烈度的反映,仪器震中则是通过对地震监测台站获得的信息的计算得到的地震中心,两者获取方式不同,位置不同很正常。但从对灾情掌控、救灾部署和灾后重建避让选址等实际应用来说,宏观震中的确定具有更为重要的意义。"

  422日,地质力学所领导的手机上再次出现了一条信息:通过几天的现场调查,可以确定玉树地震的发震断裂是甘孜-玉树断裂的玉树段,地震造成的地表破裂在玉树县城两侧较为连续,长度约23公里,走向北西西-北西,总体表现为左旋走滑特征,进一步可分为3段:西段呈左旋走滑,长度约12.3公里,带宽1520米,最大水平位移1.75米,垂直位移30厘米;中段由多条右阶斜列的地裂缝组成,长约4.8公里,单条裂缝长近百米,走向近东西,间距一般几十米;东段表现为逆冲兼左旋走滑,长约5.9公里,走向北西,宽度一般510米,最大垂直位移60厘米,水平位移30厘米。玉树地震除了产生地表破裂和大量房屋破坏外,地震地质灾害类型主要有崩塌、滑坡、泥石流(隐患)和不稳定斜坡等。此外,地震诱发的砂土液化、水渠溃决等加剧了局部山体地质灾害。

  年轻地质学家与三次大地震

  张永双是2000年进入地质力学所做博士后研究的,10年内,他赶上了两次8级以上的大地震,并都在第一时间走近了它们。

  第一次是20011114日的昆仑山大地震,震级高达8.1级,仅次于1950815日西藏墨脱8.5级地震,是新中国成立以来我国大陆内部发生的第二大地震。地震将连绵起伏的昆仑山撕裂,造成青藏公路路基开裂,光缆被切断,油管被毁。所幸的是,由于发生地点人迹罕至,这次强震没有造成人员伤亡。

  20011116日,33岁的张永双随队赶至昆仑山大地震现场,参与地震破裂特征及其工程危害性考察。至今,那东西绵延400多公里的地表破裂仍让他震撼:"地震发生在昆仑山活动断裂带上。地震破裂带由北西西向的左旋走滑主破裂、北东东向张扭性分支破裂、地震鼓包、张扭性裂陷等规律性组合而成,形成的地裂缝宽可达7米,水平位移可达6.4米,非常壮观。"

  当时,青藏铁路正在规划当中,施工在即。此前,铁路设计部门并未重视地震地质灾害对工程的威胁,昆仑山大地震无疑为青藏铁路的安全敲响了警钟。很快,铁路部门将青藏铁路沿线活动断裂调查项目交由地质力学所承担。"由于时间紧迫,我们20多人打破了冬季不进青藏高原开展地质工作的惯例,用了1个多月时间完成了该项目的野外调查工作,为青藏铁路优化设计提供了非常重要的资料,野外工作期间适逢2002年春节,大家都没回家。此后,铁路部门对活动断裂和地壳稳定性评价越来越重视。"张永双回忆道。

  巧合的是,826--记者采访他的这天,张永双所参加的地质力学所青藏铁路沿线活动断裂调查项目组,在拉萨召开的全国国土资源系统援藏工作座谈会上获得"先进集体"殊荣。

  第二次是2008512日汶川8.0级特大地震,8万多人因此殒命。

  灾难在前,万众一心。2008516日,张永双作为国土资源部地震活动断裂和地质灾害科学考察组成员到达重灾区。在汶川灾区,地震次生灾害比地震本身还要恐怖。张永双记得,当他们赶到安县时,听说高川乡至茶坪的公路被地震滑坡堰塞湖堵塞,已经好几天没有里边的灾情消息,便主动请缨前去排查。沿途到处都是大型滑坡、崩塌,飞石随时倾泻而下,随时有被吞没的危险,许多人不敢进去,"要想了解灾情、进行地质灾害排查,我们地质工作者就必须要进入现场,别人不敢进,我们进。我们就学的这个,现在国家和人民需要我们,我们义不容辞!"同年6月,张永双再入汶川,参加了国土资源部汶川强震活动断裂调查与灾区重建场址安全性评价调查组,为汶川的灾后重建等工作提供了有力的技术支持。

  "仅从科研角度来说,能第一时间、近距离地研究这两次特大地震,是我的幸运。"张永双说。

  张永双告诉记者,今年的玉树地震与昆仑山大地震的发震机理和活动方式非常相似,都是走滑断裂型地震。而汶川地震则不同,是一次地质块体间的正面碰撞,这也是汶川地震破坏更为强烈的原因。"这就好比车祸,前者是''''''''平行剐蹭'''''''',后者是对一辆静止车的''''''''追尾''''''''"张永双的比喻十分形象。很显然,正是有了前两次考察研究特大地震的经验,他们对玉树地震断裂情况和地震机理的调查和判断才做到了快速而准确。

  经过这三次地震地质灾害研究,张永双等人还发现了一些规律:地震破坏程度与地震断裂关系密切,滑坡等次生灾害主要集中在断裂的上盘;距发震断层越远,对于地震的敏感性越小,5公里范围以内最为敏感,其灾害点约占总灾害点的70%510公里范围内敏感性减小,大于10公里区域发震断裂距离已不是地质灾害发生的主导因素。

  采访中张永双提到了一个巧合,这三次地震他到达现场的日期都是16日。这让他感到自己与地震地质灾害研究有着一份难以名状的缘分。

  地质力学大步走在防灾减灾的路上

  现为地质灾害研究室副主任的张永双所学专业是工程地质,但他对地质力学理论有着浓厚的兴趣,经过多年在地质灾害调查、成灾机理研究中对地质力学的实际应用,他有一个特别强烈的体会:"这种方法非常好用!"

  "地质灾害的成因比较复杂,其诱因总的来说可分为内力和外力。其他学科比较关注外动力作用,我们的特点则是内外动力都做,尤其重视二者的结合。在地灾研究领域,我们地质力学所的优势就是对新构造运动(活动断裂与地壳稳定性)与地质灾害的成灾机理进行综合系统研究。"

  张永双告诉记者,中国在新构造和地质灾害领域是具有很强优势的。上世纪50年代,李四光等老一辈地质学家提出了"安全岛"的概念,即在地质不稳定地区可以寻找出适应建设的稳定地块,在此基础上,我国在上世纪中后期非常重视重大工程和经济区的地壳稳定性评价。然而,上世纪90年代以来,地质力学及应用地质力学进行的区域地壳稳定性评价被严重弱化,甚至整个地学界广泛漠视。除了地质力学所仍然保留外,地壳稳定性研究和应用几乎在国内销声匿迹。而现实中,无数事实却在提醒人们,在构造活动强烈区,仅凭借地震动参数开展选址、建设是远远不够的,必须研究区域地壳稳定性、山体稳定性,加强断裂活动性的调查与探测,开展城镇与重大工程区活动断裂的地震工程地质评价,进行地震地质灾害的防范,否则,工程在地质环境不清楚的情况下盲目实施,只能是地质灾难性问题不断。

  "所幸的是,昆仑山大地震后,特别是2004年苏门答腊大地震以来,人们逐渐重新认识了地质力学的''''''''能量''''''''2007年,依托中国地质科学院地质力学研究所的科研力量,国土资源部设立了新构造运动与地质灾害重点实验室,重点进行地壳变形及其环境效应、地壳稳定性评价及地质灾害调查评价,近期,我们的主要任务就是开展国家重大工程与重要经济区带地应力测量与地壳稳定性评价、重大突发性地质灾害调查和地质环境研究。"张永双介绍说。

  翻开张永双近年来主持或承担的项目名单,国家对重大工程地壳稳定性评价的重视已可见一斑:西气东输工程、哈中油气管道工程、俄中原油管道工程、青藏铁路、滇藏铁路、大瑞铁路、三峡水库引水工程、水电站、高速公路……

  "地质力学所从2002年开始,逐步加强了地质灾害研究方面的科研力量,并围绕一系列国家重大工程建设中遇到的疑难工程地质问题和地质灾害的研究,如三峡库区地质灾害调查、滇藏铁路沿线地壳稳定性及重大工程地质问题研究、西气东输工程黄土滑塌形成机理研究、大瑞铁路复杂艰险山区重大工程地质问题研究等,提高了这个专业方向在国内的竞争力。此外,我们还承担了许多工程建设项目地质灾害危险性评估方面的研究工作,可以说,地质灾害危险性评估已经成为地质力学所的一大优势领域。"张永双说。就在记者采访他的当天上午,张永双还接到通知,他的第三个国家自然科学基金项目--《活动构造带大型滑坡形成机理研究》获得了批准。

  接踵而来的项目让张永双快步走在地质灾害研究的科学之路上,地质力学作为源于中国本土的原创性学科理论,也正在为研究我国重大工程地质问题和减灾防灾发挥着巨大的作用。在他看来,能够把地质力学所的牌子竖起来,把新构造和地质灾害学科领域做大、做出特色,能够应用地质力学帮助国家和人民减少地质灾害带来的灾难,本身就是一种幸福。

  话题不可避免地涉及了这次全国抗震救灾总结表彰大会。"能够参加这次隆重的会议我很自豪,因为这是对我们地质工作的认可、对地质力学学科的认可!"张永双一再强调,工作小组有三位成员,所有的工作都是大家一起完成的,还有各级领导的支持,"应该说,这项荣誉是属于地质力学研究所的。"

  地质力学研究所副书记何长虹对这个奖项也很看重,他想的是,通过一个个大项目和有影响的成绩,让地质力学所的名气更加响亮。"地质力学研究所的主要任务就是出成果、出人才。张永双是我们所一位有才华、有干劲、有激情的年轻专家。其实,地质力学所拥有一支扎实、肯干的科研队伍,在170多名职工中,正副研究员达90多人,博士及以上学历者66人,可以说,我们这支队伍做了许多非常重要的工作,只是我们宣传工作做得不够。现在我们知道了,''''''''木匠活''''''''''''''''油漆工''''''''差也不行,服务社会必须先让社会了解我们、了解地质力学!"

  "李四光先生用毕生心血创立的地质力学,主要就是用构造体系的思想来研究地球、研究地质问题,其应用范围相当广。李四光先生在世的时候,把国家的需要作为首要重视的问题来加以研究和解决,使地质力学在矿产、能源、工程、灾害防治等领域都作出了突出贡献。由于种种原因,如今的地质力学还未走出低谷,还需要在新的历史条件下创新和发展。我们现在的目标就是,在新的历史条件下紧跟国家需求,瞄准主要领域,形成拳头,最终实现''''''''地质力学再创辉煌''''''''"何长虹说。

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