⑴ 地質災害防治工程中監測新技術的開發應用與展望
季偉峰
(中國地質科學院探礦工藝研究所,四川成都,610081)
【摘要】地質災害防治工程中對地質災害體的監測十分必要。本文簡要介紹了我國當前地質災害監測的主要方法及新技術在工程實踐中的應用,指出了地質災害監測工程實踐中存在的主要問題,展望了我國在本領域技術發展的趨勢。
【關鍵詞】地質災害監測技術應用展望
自然地質環境和人為活動是引發地質災害的兩大主要原因。在最近的20多年時間里,隨著我國人口的增加,經濟建設的快速發展,特別是基礎設施建設規模的擴大,建設與用地的矛盾十分突出。植被的破壞嚴重,使山體滑坡、泥石流、地面沉降等地質災害在全國許多地區頻繁發生,嚴重阻礙了災害發生地的經濟建設和社會發展。
1我國主要的地質災害形式及危害
1.1地質災害及常見形式
地質災害是指由自然地質作用和人為活動作用形成的,對人類生存和工程建設可能構成危害的各種特有的自然環境災害的總稱。
常見的地質災害形式主要有6種,它們是崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫和地面沉降,簡稱為崩、滑、流、塌、裂、沉。
1.2三峽庫區的主要地質災害
三峽水利工程建成後將產生巨大的經濟效益和社會效益。但它的建設對庫區的自然環境也帶來一定的直接或潛在影響。三峽工程的一期蓄水、二期蓄水和新城鎮的建設已經給庫區帶來了不少地質災害問題。在淹沒區的新城鎮建設中,由於在選址時考慮地質環境因素不夠,使有些新城鎮從建設一開始就與地質災害結下了「不解之緣」。主要表現形式為人為高切坡和深基坑誘發的滑坡和崩塌。湖北的巴東、秭歸,重慶的巫山、奉節、雲陽、萬縣等地在新城鎮的建設中都引發了大量的地質災害,如何趨利避害是擺在我們面前的重大課題。
1.3地質災害的主要危害
地質災害的危害是顯而易見的。我國幅員遼闊,地質構造復雜,地貌千姿百態,山地和丘陵面積占國土總面積的2/3以上。全國34個省、直轄市、自治區以及特別行政區均存在著不同形式和不同程度的地質災害,每年都要造成慘重的人員傷亡和財產損失。其中滑坡、泥石流和山洪等突發性地質災害被定為國際減災10年的主要災種,由於這些災害具有潛在性和突發性,一旦發生,來勢兇猛,常造成斷道、斷航、構築物損毀、人員傷亡和財產損失。在我國,每年喪生地質災害的總人數達800~1000人,經濟損失超過100億元人民幣。
1.4地質災害監測的特點
(1)滑坡等變形體分布通常較為分散,成因機制復雜。開展監測工作前,需有一定前期地質環境勘察、研究工作基礎;
(2)地質災害體大多位於交通、通訊十分不便地區,電源接入也很困難;
(3)目前大多數監測以手動為主,數據匯交速度相對較慢,人工勞務成本較高;
(4)與大壩、橋梁、隧道等固定建築物、構築物的安全監測相比,地質災害監測具有開放的監測邊界,條件復雜,自動化監測和遙測等監測手段、監測儀器的選擇、固定安裝、運行等須注意儀器設備的環境適應性和抗干擾性能,保證正常使用和安全運行。
2地質災害防治工程中監測的必要性
地質災害防治工程的監測根據工程所處的不同階段,可分為施工安全監測、防治效果監測和長期穩定性監測,目前一般簡單地統稱為監測。在以往的工作實踐中經常發現,除經濟原因外,在地質災害的治理過程中存在一定的盲目性。有些地質災害進行了治理,理由是認為它不穩定。有些沒有進行治理,理由是認為它是穩定的。除一些簡單粗糙的勘察資料外,幾乎沒有充分的證據證明一個變形體穩定與否,是否需要進行工程治理。如果對滑坡等變形體進行必要的監測,將會減少這種盲目性,收到事半功倍的效果。
2.1對於已採取工程措施的地質災害體
對於已採取工程措施的地質災害防治工程,在治理過程中,根據監測結果進行效果評價,指導施工,及時對設計進行修改;防治工程竣工後,隨著周圍環境條件的變化,約束條件也會發生變化。如錨索的腐蝕和鬆弛、地下水位變化、臨空面加大、工程質量不高、巨大外力(如地震和大爆破)等,都有可能使一些已經治理過、暫時處於相對穩定的滑坡變形體重新失穩,如不進行持久的監測,它們具有更大的欺騙性和危險性,並非就可以高枕無憂,仍需通過必要的監測來評判它的治理效果和長期穩定性。
2.2對於未採取工程措施的地質災害體
對於一些未經治理、而又具有潛在危害的地質災害體,監測也是十分必要的。一些暫時沒有資金進行工程整治但又對人民生命財產構成較大潛在威脅的大型滑坡變形體,以投資較小的監測工作來彌補是有效的方法和途徑。通過有效的監測既可對其穩定性進行評價,監測結果又可為是否治理和如何治理提供設計依據。用監測的手段對滑坡等變形體進行有效的監控,是一項投資少、見效快的方法,目前已逐步被一些政府官員和業主所接受並推崇。他們也意識到用工程手段進行整治後應該用監測數據來驗證,否則是盲目的。但目前仍有相當多的管理和設計部門只注重被動的治理和亡羊補牢,而不注重防患於未然。
3當前地質災害監測的主要方法
以往作為監測工作的對象,主要是對一些重要的構築物和大型建設工程的變形、位移、沉降等進行監測,如水利水電大壩、大型橋梁、重要廠房、大型地下隱蔽工程、礦山邊坡和尾礦壩等。對復雜的地質災害體進行監測,則是近些年才逐漸開始應用的,當前採用的主要監測方法有以下幾種。
3.1地面絕對位移監測
絕對位移監測是最基本的常規監測方法,測量崩滑體測點的三維坐標,從而得出測點的三維變形位移量、位移方位與變形位移速率。主要使用經緯儀、水準儀、紅外測距儀、激光準直儀、全站儀和GPS等,應用大地測量法來測得變形體上某點的三維坐標。
3.2地面相對位移監測
地面相對位移監測是量測崩滑體重點變形部位點與點之間相對位移變化(張開、閉合、下沉、抬升、錯動等)的一種常用的變形監測方法。主要用於對裂縫、崩滑帶、采空區頂底板等部位的監測、沉降觀測等,是位移監測的重要內容之一。目前常用的監測儀器有振弦位移計、電阻式位移計、裂縫計、變位計、收斂計等。
3.3鑽孔深部位移監測
對於滑坡等變形地質體來講,不僅要監測其地表位移,也要監測其深部位移,這樣才能對整體的位移進行判斷監測。方法是先在滑坡等變形體上鑽孔並穿過滑帶以下至穩定段,定向下入專用測斜管,管孔間環狀間隙用水泥砂漿(適於岩體鑽孔)或砂、土石(適於鬆散堆積體鑽孔)回填固結測斜管;下入鑽孔傾斜儀,以孔底為零位移點,向上按一定間隔(一般為0.5m或1m)測量鑽孔內各深度點相對於孔底的位移量。常用的監測儀器有鑽孔傾斜儀、鑽孔多點位移計等。
3.4應力監測
對於滑坡等變形體不僅要監測其位移的變化,還需要監測其內部應力的變化。因為在地質體變形(或稱運動)的過程中必定伴隨著變形體內部應力變化和調整,所以監測應力的變化是十分必要的。常用的儀器有錨桿應力計、錨索應力計、振弦式土壓力計等。
3.5水環境監測
對於崩滑體來講,除了自然地質條件和人為擾動外,水是對滑坡的穩定狀態起直接作用的最主要因素,所以對水環境(含過程降雨及降雨強度、地表水的流量、地下水位、滲流量、滲流壓、孔隙水壓力、地下水溫度等)進行監測十分重要。常用的監測儀器有量水堰、遙測雨量計、測鍾、電測水位計、遙測水位計、滲壓計、滲流計、電測溫度計等。
3.6地震監測
地震監測適用於所有的崩滑監測。地震力是作用於崩滑體的特殊荷載之一,因此對崩滑體的穩定性起著重要作用。當地質災害位於地震高發區時,應經常及時收集附近地震台站資料;必要且條件許可時,可採用地震儀等監測區內及外圍發生的地震強度、發震時間等。分析震中位置、震源深度、地震烈度、評價地震作用對區內的崩滑體穩定性的影響。
3.7 人類相關活動監測
人類活動如掘洞采礦、削坡取土、爆破採石、載入及水利設施的運營等,往往造成人工型地質災害或誘發產生地質災害,在出現上述情況時,應予以監測並停止某項活動。對人類活動監測,應監測對崩滑體有影響的項目,監測其范圍、強度、速度等。
3.8宏觀地質調查監測
採用常規地質調查法,定期對崩滑體出現的宏觀變形痕跡(如裂縫發生及發展、地面沉降、塌陷、坍塌、膨脹、隆起、建築物變形等)和與變形有關的異常現象(如地聲、地下水異常等)進行調查記錄。該法具有直觀性強、適應性強、可信程度高的特點,為崩滑監測的主要手段,也是群測群防的主要內容。適用於所有崩滑體,具有準確的預報功能。
4監測新技術的研究與工程實踐
4.1國外監測新技術的研究與應用
發達國家在岩土工程及地質災害監測領域不但有傳統的監測方法和儀器,近年來已將高新技術應用於地質災害預測、預警工程。美國的PDI公司、Geokon公司、義大利Sisgeo公司、瑞士Leica公司、瑞典Geotech公司、德國Zeiss公司、日本尼康公司等在監測方法的創新和新技術的應用方面都處於領先地位。紅外技術、激光技術、微波技術、光纖技術、格區式光柵技術、機電一體化、自動化技術、衛星通訊技術、計算機及人工智慧等高新技術在監測技術方法和儀器的開發研究中得到了廣泛的應用。可以這樣講,作為岩土工程監測一個分支的地質災害監測及監測儀器,已經不是傳統意義上的大地測量儀器,而是實現了傳統方法和儀器與現代高新技術的完美結合,把監測儀器的技術水平推到了一個嶄新的階段,並正在向更高層次發展。國外具有代表性的產品有 Leica公司的TCR1800全站儀、TCR2003測量機器人、Geomos系統、DNA電子水準儀、GPS,Zeiss公司的DiNi12系列電子水準儀、North America公司的鑽孔多點位移計、Sicon公司的岩土工程監測系列儀器等。
4.2國內監測新技術的研究與應用
國內水電系統和國土資源部都開展了這方面的研究,如水利科學院、中科院有關院所、國土資源部技術方法研究所等。我所伴隨著三峽工程的建設,在國土資源部的大力資助下,也開發了多種岩土工程及地質災害防治監測儀器,如鑽孔傾斜儀系列、應力測量系列、地面位移測量系列等監測儀器、多參數遙測系統等,還承擔了科技部「崩滑地質災害自動化監測系統」項目的研究,為測量儀器國產化做了大量的工作,產品在三峽庫區和國家的重大工程中得到了較好的應用。我所近幾年研究的成果並形成的產品主要有以下8項:
(1)DMY型激光隧道斷面張斂測量系統;
(2)BYT型光纖崩滑體推力監測系統;
(3)DZQX新型多功能鑽孔傾斜儀;
(4)崩塌無線自動化監測預報系統;
(5)PSD型微位移變形測量系統;
(6)MS型錨索(錨桿)測力系統;
(7)DHS型地層含水率儀;
(8)岩心定向與取心技術研究。
4.3工程監測實踐
在研究開發的同時,我所用自己研究的成果積極參與國家重大基本建設工程的監測工作和三峽庫區地質災害防治的工程監測,取得了較好的經濟效益和社會效益。最近幾年承擔的重大監測工程有:
(1)寶成復線清江大斷面雙線長隧道變形量測;
(2)成昆鐵路電氣化改造西昌南馬鞍堡隧道變形量測;
(3)北京地鐵復八線變形量測;
(4)上海地鐵一號線人民廣場站變形量測;
(5)青島地鐵試驗段變形量測;
(6)成(都)—南(充)高速公路高陡邊坡變形及量測;
(7)內(江)—宜(賓)高速公路高邊坡變形量測;
(8)丹(東)—沈(陽)高速公路丹本(溪)段全線隧道驗收工程;
(9)318國道二郎山—康定段 K2794+860~980滑坡的地面位移、深部位移及應力監測;
(10)奉節縣、雲陽縣地質災害監測工程。
5監測技術發展展望
(1)地質災害的發生將更加頻繁,危害程度更大,監測工作將受到更多的重視,監測成果應用將產生更大的社會效益。
(2)在我們的上級主管部門——中國地質調查局的支持下,我們的監測儀器研究及運行系統軟體開發將會得到更多資助,並使我們的監測手段更加完備,登上一個新的台階,具有更強的市場競爭能力。
(3)自動化監測和遙測是地質災害監測的發展方向,但目前實施還有很多困難。
(4)地質災害具有一定區域性,是一項公益性的事業,更需要政府的引導和支持。
6結語
通過幾年的監測工程實踐,目睹了不少由於忽視地質災害的工程安全監測和失效工程而導致生命和財產的損失,也看到不少通過監測成功預報災害而避免災害發生的實例。在實行工程質量終生追究制的今天,對地質災害及相關岩土工程的安全進行長期監測顯得尤為重要和迫切。
監測工程是地質災害防治工程體系的重要組成部分,不能重治輕防,應做到治理、防範、監測並重,有時甚至重於工程治理手段。
在一定時期內對滑坡變形體實施監測工程,可以節省大量的投資。
地質災害防治工程應建立在科學監測的基礎上,以監測指導設計、施工、工程效果評價,以科學的態度面對它,應從過去的憑經驗和粗糙的勘察上升到定量階段,只有這樣,才能對滑坡變形體進行深入的認識和科學評價。
監測工作不是可有可無的,它是工程診斷的需要,是從事地質災害研究和預測必不可少的一項工作。
防範重於救災,監測勝於治理。
參考文獻
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⑵ 地震屬性裂縫預測技術
霍志周 董 寧 許 傑 周 剛
(中國石化石油勘探開發研究院,北京 100083)
摘 要 隨著石油天然氣資源的開發利用,常規孔隙型油氣藏儲量日益減少,開發難度逐漸增大,石油與天然氣勘探方向逐漸由淺部轉向深部、由常規油氣藏轉向特殊油氣藏,特別是裂縫型儲層。國內裂縫型儲集層(碳酸鹽岩、緻密砂岩)的分布十分廣泛。裂縫型油氣藏勘探、開發的最大難點,是對儲層岩體中裂縫發育程度和分布范圍的預測。地震屬性(曲率、相干)從不同角度反映了地層受構造應力擠壓時地層的變形和破裂情況。因此,通過對曲率和相干屬性的計算,可以對地層中裂縫發育情況進行預測。本文利用地震屬性(曲率、相干)對YB地區碳酸鹽岩裂縫型儲層進行了預測,精細地刻畫出研究區碳酸鹽岩儲層中的斷裂分布和展布規律,為該區裂縫的綜合描述提供了依據。
關鍵詞 裂縫預測 地震屬性 曲率屬性 相干屬性
Seismic Attribute Fracture Prediction Techniques
HUO Zhizhou,DONG Ning,XU Jie,ZHOU Gang
(Exploration and Proction Research Institute,SINOPEC,Beijing 100083,China)
Abstract With the development and utilization of oil and gas resources,reserves of oil and gas reservoirs of conventional porosity become less and less,the development becomes harder and harder,the oil and gas exploration graally turns from shallow and conventional hydrocarbon reservoirs to those which are deep and special,especially the fractured reservoirs.Fractured reservoirs(carbonates,tight sands)are widely distributed inland.The most difficult thing in fractured reservoir exploration and development,is the prediction of fracture development and distribution in the reservoir rocks.Seismic attributes(curvature,coherence)can indicate the abruption and deformation of stratum by tectonic stress squeezing from different angles.Therefore,through the calculation of the curvature and coherence properties,we can predict the development of the formation fractures. In this paper,seismic attributes(curvature,coherent)are used to forecast the fractured carbonate reservoirs in YB area,finely depicting the fracture distribution in carbonate reservoirs and the distribution rule for the area cracks,providing a basis for the comprehensive description of fractures in this area.
Key words fracture prediction;seismic attributes;curvature attributes;coherence attributes
國內外無論是陸地還是海上,都已經在砂岩、泥質岩、碳酸鹽岩和火山岩中發現了裂縫型儲集層,並獲得大量工業油氣流。據美國能源部預測:在2030年以前,美國國內一半以上的天然氣產量將來自低滲透的裂縫型儲層。國內裂縫型儲集層(碳酸鹽岩、緻密砂岩)的分布十分廣泛。據統計,我國裂縫型油氣藏的儲量占已探明油氣儲量的三分之一左右。「九五」 期間,我國四分之三的可用油氣儲量在低滲透緻密裂縫型油田中。因此,裂縫型油氣藏的勘探對我國未來石油工業的發展有著十分重要的意義[1,2]。
裂縫型儲層是指以裂縫為主要儲集空間、滲流通道的儲集層。由於缺乏有效的預測手段,人們對裂縫發育和分布規律的研究不夠准確,而使油氣井鑽探和油氣田開發方案達不到預期目的,造成的間接損失也是難以完全統計的。裂縫型油氣藏勘探、開發的最大難點,是對儲層岩體中裂縫發育程度和分布范圍的預測。傳統方法是藉助岩心露頭和井數據來進行裂縫檢測,雖然岩心露頭資料能提供直觀、可靠的裂縫資料,綜合各種測井資料能對裂縫進行准確識別,但岩心及測井資料控制點有限。通過理論研究和現場試驗已經證明:利用地震各向異性特徵和不連續性特徵來識別、表徵地下裂縫的走向、發育程度及分布范圍是可行的。三維地震數據龐大的數據量使得三維疊後地震屬性分析手段在裂縫預測方面仍然具有較為廣闊的發展空間[3~10]。與精細的裂縫識別與預測相關的三維疊後屬性分析是圍繞地震反射波型式的突變(不連續性)而開展的,傾角/方位角分析、曲率分析、相干分析、頻譜分解等技術[11~20]是近年來業界的研究亮點。
目前在斷裂解釋及裂縫預測中,曲率和相干屬性已經得到廣泛的應用。本文將詳細論述曲率和相干屬性的原理,並將該方法應用於塔里木YB地區碳酸鹽岩儲層的裂縫預測中,可以更客觀、更精細地刻畫碳酸鹽岩油氣藏的裂縫型儲集體,從而達到尋找裂縫型油氣藏的目的。
1 曲率技術原理
曲率用來描述曲線(或曲面)上任一點的彎曲程度,曲率越大麴線越彎曲。曲率的數值及其變化,不僅能夠提供一個比較清晰的地質體形態特徵,而且還對裂縫的判別有很好的指導作用。從幾何地震學的角度看,反射點集合可以視為一個時間標量場,該標量場某一反射面的梯度反映的是該反射面的起伏變化率,即單位反射時間內反射面沿不同方向的變化增量,它表示的是反射曲面沿方向矢量所在法截面截取曲線的一階導數——視傾角的大小;而該方向上的曲率定義為該曲線上密切圓半徑的倒數,亦即為該方向上該曲線的二階導數。由此可見,看似復雜的地震幾何屬性系列不過是沿不同方向計算的一階、二階導數體。但是,要准確地獲取地震數據的曲率信息也是非常困難的。
通常,地震的曲率屬性反映了地層受構造應力擠壓時層面彎曲的程度。裂縫在曲率較大的地方容易發育,裂縫方向平行於最小曲率方向。在諸多曲率屬性之中,最大正曲率和最小負曲率被認為對裂縫識別最有價值。最近幾年較為突出的進展是Marfurt、Chopra等在三維曲率體計算、構造傾角濾波、多尺度曲率分析等方面的研究成果[21~23]。
1.1 曲率的計算公式
曲率作為描述曲線(或曲面)上任一點的彎曲程度的數學參數[24,25],與曲線y=f(x)的二階導數密切相關,其數學表達式為
油氣成藏理論與勘探開發技術(五)
對於三維地震數據體的曲率計算,首先,要在選取的時窗中,在一定范圍內按一定步長同時掃描傾角和方位角,求取相應傾角和方位角的相干係數,掃描得到的相干係數形成了一個關於傾角和方位角的曲面。然後,通過曲面擬合,找出曲面上最大的相干係數所對應的傾角和方位角,則認為它是真實的傾角和方位角。在此計算地震數據傾角、方位角方法的基礎上,使用高階逼近的方式,可以比較准確地擬合出待估點附近的曲面。
具體的做法是,以待估點為中心,其所在的小面元可近似地看成是一個二維曲面,曲面方程可以由下式表示:
油氣成藏理論與勘探開發技術(五)
式(2)中的系數可由以下表達式求得:
油氣成藏理論與勘探開發技術(五)
1.2 各種曲率的定義
根據式(2)中的系數,可以算出地震層位的各種曲率屬性[19,21,24~26]。
1.2.1 平均曲率km
平均曲率是空間曲面上某一點任意兩個相互垂直的正交法向曲率的平均值。如果一組相互垂直的正交法向曲率可表示為k1、k2,那麼平均曲率km表示為
油氣成藏理論與勘探開發技術(五)
1.2.2 最大麴率kmax和最小曲率kmin
過曲面上某一點的無窮多個正交法向曲率中存在一條曲線,使得該曲線的曲率絕對值為最大,這個曲率稱為該曲面的最大麴率kmax,垂直於最大麴率的曲率稱為最小曲率kmin,這兩個曲率屬性為主曲率,計算表達式為
油氣成藏理論與勘探開發技術(五)
1.2.3 高斯曲率kg
兩個主曲率的乘積即為高斯曲率,又稱總曲率,反映某點總的彎曲程度。高斯曲率kg被定義為主曲率的乘積
油氣成藏理論與勘探開發技術(五)
1.2.4 最大正曲率kpos和最小負曲率kneg
在所有法向曲率中的最大正值和最小負值即分別為最大正曲率kpos和最小負曲率kneg,其計算表達式為
油氣成藏理論與勘探開發技術(五)
1.2.5 傾向曲率kd與走向曲率ks
在最大傾角方向求取的曲率定義為傾向曲率,在走向上求取的曲率叫做走向曲率。傾向與走向曲率的計算公式分別為
油氣成藏理論與勘探開發技術(五)
1.3 曲率屬性的解釋[21,25,26]
曲率用來反映幾何體的彎曲程度。在構造解釋中,如果我們根據層位的解釋數據計算曲率,自然就可以定量來描述其構造特徵,圖1給出了背斜、單斜、向斜、平層和斷層的曲率描述。其中,背斜的曲率為正,向斜的曲率為負,而且褶皺越厲害,曲率值越大;平層和單斜層的曲率為零;斷層在平滑後可近似認為其曲率有由正到負或由負到正的變化。顯然,上述曲率對於單斜和水平地層的區分是無能為力的,對於平行斷層、水平面上或沿層面上有方向變化的復雜構造,也是無能為力的,必須要藉助於以二維曲面分析為基礎的曲率屬性。在刻畫斷裂、地質體方面,最大正曲率、最大負曲率是最容易計算也是最常用的曲率屬性[2,21,25,26]。
圖1 2D曲率屬性示意圖[27]
2 相干技術原理
相干分析技術主要用於描述地震數據的空間連續性,通過對地震波形縱向和橫向相似性的判別,得到地震相乾性的估計值。相似地震道有較高的相干係數,對應於連續性較好的地質體,而較低的相干係數對應於連續性較差的地質體,如斷層、褶皺等[28,29]。
Bahorich和Farmer在1995年首次提出了地震相干體技術,其方法是在經典的歸一化互相關基礎上建立的,演算法效率高,但抗噪能力較差,適用於高信噪比的地震數據,稱為第一代相干演算法[30,31](簡稱C1演算法)。Marfurt等在1998年提出了沿傾角(方位角)、基於多道相似性的第二代相干演算法[32](簡稱C2演算法),該演算法提高了抗噪能力和計算結果的垂向解析度,但是計算道數的增加降低了側向解析度和計算時間。1999年,Gersztenkorn和Marfurt提出了基於本徵結構的第三代相干演算法[33](簡稱C3演算法),是通過計算協方差矩陣的特徵值來得到相干屬性的方法。該演算法克服了第一代、第二代演算法的一些缺點,雖然具有最佳的橫向解析度,但對大傾角敏感性稍差,而且計算耗時較大。
此後又有一些新的、改進的第三代相干演算法,如Randen等[34]提出的幾何結構張量方法,這種幾何結構張量演算法包含了反射界面的傾角和方位角信息,可以穩健地估算時窗內分析點的反射界面的傾角和方位角。張軍華等[35]將小波多解析度分析應用到本徵值結構的相干計算中,提高了相干體的解析度,增強了抗雜訊的能力。宋維琪[36]等在本徵值結構的基礎上,提出了地震多矢量屬性相干數據體的計算方法。該演算法在屬性提取方面,既考慮了方位,又考慮了傾向,即計算地震矢量屬性。通過計算綜合相干值,提高了地質體邊界的檢測能力。
2.1 第三代相干演算法的計算公式
假設在一個分析窗口中有j道地震數據,N個采樣點,用矩陣D表示三維地震數據體:
油氣成藏理論與勘探開發技術(五)
式中:dnj為第j道的第n個采樣點值。
矩陣D中的第n行向量 表示數據體的第n個采樣點的集合。假設每個計算窗口中數據的平均值為零,則第n個采樣點的協方差矩陣為
油氣成藏理論與勘探開發技術(五)
如果dn是個非零向量,則協方差矩陣 是一個秩的半正定對陣矩陣,有一個不為零的特徵值。整個數據體的協方差矩陣為
油氣成藏理論與勘探開發技術(五)
油氣成藏理論與勘探開發技術(五)
協方差矩陣C的秩可以表示分析窗口中地震數據的自由度,而特徵值的大小可以定量地描述數據體的變化程度。通常,對於J×J的協方差矩陣,如果有J個獨立的本徵值,那麼J表示空間分析時窗內地震道的道數。另一方面,矩陣的本徵值是按降階排列的,本徵向量之間是斯密史正交的,任何2個本徵向量的內積為零,第一本徵值和第一本徵值向量代表了矩陣的主要變化量,其他的依次類推,所起的作用逐漸降低。一般地只需少數幾個本徵值和本徵向量就能代表整個數據體95%的信息量。事實上,本徵值結構的相干體估算只用了第一本徵值,即
油氣成藏理論與勘探開發技術(五)
式中:分母代表了分析時窗內的所有能量;λ1表示協方差矩陣的第一本徵值。如果分析時窗內的所有道的波形都一致,則本徵值相干係數Ec等於1。
第三代相干技術的最大優點是抗噪能力和解析度更高,但需要消除地層傾角的影響,首先需要求出各道之間的傾角和方位角值,擬合成一個光滑的曲面,由此構建地震子體矩陣D,從而提高了該演算法的精度。
2.2 相干屬性的解釋
相干屬性是基於局部地震波的不連續性,運用相關性原理突出相鄰道之間地震信號的不連續性,進而達到檢測斷層和反映地質異常特徵展布的目的。根據相關值高低的空間變化,能快速識別出斷層與裂縫的發育帶。地層不連續性越強,相鄰地震數據道的相關程度越低,對應的相關值也就越小。
由於地震反射不連續性特徵相應於地質異常具有多尺度性。Partyka等[37]提出了譜分解方法,利用不同頻帶的地震數據識別不同尺度的地質體。Zeng等[38]利用分頻地震數據研究地質沉積體時發現,某些單頻數據體對地質體邊界、范圍的刻畫比常規有限帶寬的地震數據體更清楚,反映的地質細節也更豐富,從而為頻率域的地震地質解釋提供了一條很好的思路。通過生成不同頻率數據體,利用縱橫向上時頻點或時頻段上的頻譜差、頻譜比、頻譜下降率等描述不同尺度的地震波衰減特徵,可以識別斷層和裂縫,揭示裂縫發育帶,乃至對其含油氣性進行檢測[39]。
3 應用效果分析
塔里木盆地YB地區奧陶系碳酸鹽岩儲層受多期構造運動、岩相、成岩、古地貌等多重因素控制,儲層空間非均質性強。鑽探表明,該區奧陶系碳酸鹽岩膠結作用強烈,原生孔隙幾乎消失殆盡,宏觀儲集空間以裂縫與溶洞為主。本區儲集層多位於斷裂帶裂縫發育區,表明裂縫對本區的岩溶儲集層發育具有重要的建設性作用。岩心與薄片分析表明,本區奧陶系鷹山組風化殼裂縫開啟程度高,裂縫不僅大大提高了儲集層的滲流性能,而且沿裂縫溶蝕作用普遍發育,甚至形成溶蝕縫洞體。因此該區的斷裂對油氣的富集起重要作用,裂縫發育的強度與方向等要素對有效儲層分布有重要的意義。
對該區三維地震數據分別進行了曲率屬性和相干屬性計算,主要研究的儲層為奧陶系鷹山組的碳酸鹽岩。圖2為YB地區奧陶系儲層的曲率屬性裂縫檢測結果,可以看出該區的斷裂及與之伴生的微裂縫發育區在曲率屬性上表現為線條狀或網團狀的異常。圖2(a)中的最大正曲率屬性對界定斷裂和斷裂的幾何形態非常有效,以該屬性表示的斷裂表現為正曲率值。圖2(b)中的最大負曲率同最大正曲率具有非常相似的特徵。圖2(c)中的高斯曲率雖然表現出與裂縫有關系,但它卻沒有顯示出分散的斷層。圖2(d)中的平均曲率為最小和最大麴率的平均值,並且受最大麴率的制約。平均曲率表示出形態的高與低,給人以斷層落差的感覺,通過顏色的變化可以判別出斷層的落差。
圖2 曲率屬性檢測裂縫分布
為了比較曲率屬性與相干屬性在裂縫檢測方面的差異,沿目的層提取了相干屬性。在提取相干屬性時,首先對地震數據進行了譜分解,分成不同頻帶范圍的單頻數據體,然後對這些單頻數據體分別計算相干屬性。圖3和圖4分別展示了全頻相干數據和40Hz單頻相干數據在目的層的剖面和平面特徵。對比分析發現,40Hz高頻體對小斷層的反映更為清晰和准確。圖3和圖4表明,利用分頻相干數據體的多尺度解析度特性可以識別一些常規數據難以發現的小斷裂和裂縫發育帶。
對比曲率屬性和相干屬性可以看到,曲率屬性包含了更多的有關地層的不連續性信息,且其顯示的斷層更清晰、更容易識別,搭接關系明朗,更適合斷層的快速解釋和目標評價。但是曲率是一種基於二階導數的方法,對地層中的任何雜訊污染都很敏感。因此在計算曲率時,研究對象的尺度是需要重點考慮的另一個因素。同時在對曲率屬性進行裂縫分析時要與相干屬性等相結合,這樣才能更為准確地得到裂縫空間的分布信息。
為了在一張圖上反映更豐富的裂縫信息,在上述研究的基礎上,選擇對研究區斷裂及裂縫發育特徵敏感的各種屬性體進行數據融合、重構,可以得到更為豐富的斷層及裂縫發育帶信息(圖5)。
4 結論
本文利用YB地區的三維地震資料,分別計算了各種曲率屬性、不同頻率的相干屬性,通過多屬性的綜合分析和研究,較好地揭示了該區奧陶系碳酸鹽岩儲層的裂縫分布和發育情況。通過研究可以看出:
圖3 全頻帶相干數據剖面(a)和40Hz相干數據剖面(b)
圖4 沿層全頻帶相干切片(a)和40Hz相干切片(b)
圖5 裂縫綜合預測成果圖
1)曲率屬性對地層的彎曲程度非常敏感,而地層的非塑性彎曲程度又與裂縫發育狀況高度相關,因此曲率屬性可以比較有效地識別裂縫發育帶。
2)高頻的相干數據體可以識別一些全頻帶數據難以發現的小斷裂和裂縫發育帶,可以得到更為豐富的斷層及裂縫發育帶信息。
3)針對越來越復雜的地質情況,採用單一的屬性已不能很好地解決地質問題,同樣不能單獨判斷裂縫發育帶,應結合多種屬性分析才能提高預測成果的精度。多種方法相互結合、相互驗證,可以減少預測結果的多解性。
所有地震屬性的計算都受地震資料的頻帶寬度和信噪比所限,對於更小尺度裂縫的預測,還需在拓展頻帶、提高地震解析度等方面開展進一步研究工作。
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⑶ 中國西部科學院疊溪地震調查及其著述《四川疊溪地震調查記》
歐陽輝 侯江 張鋒
(重慶自然博物館)
1933年8月25日下午,四川茂縣松潘等地發生強烈地震。15時50分30秒,地震中心在北緯30°、東經103.7°的疊溪的震級為7.5級。國內,北京鷲峰、南京地震台幾乎同時記錄到震波。國外,馬尼拉、大阪、棉蘭、孟買、哥本哈根、漢堡、檀香山、巴黎、突尼西亞、悉尼、多倫多、威林頓、渥太華、拉巴斯等世界百多家地震台都測收到了這次震波。
此次地震發生之時,岩石飛崩,擊死居民,村舍沉沒,岷江上游因之隔斷,餘波續震四五日不絕,疊溪一帶,正當地震中心,罹禍尤為慘重,地震造成6945人死亡,傷1萬人以上,疊溪全鎮陷沒,岷江江水被山體崩塌物堵塞斷流,形成中國地震史上較為突出的地震堰塞湖,其壩高有的甚至高達百餘米。之後決口造成的次生洪災又奪走數千人生命,震區傷亡慘重,共計死亡人數近萬人。自1900~1950年,據不完全統計,中國7級以上地震59次。[1]這是民國時期四川最大的地震,也是民國時期中國最強烈的地震之一。
一、關於1933年疊溪地震的調查
地震為人類最為慘烈的災害,疊溪地震發生後,地方政府及中央相關部門派人深入災區進行調查。
震後近1個月後,四川善後督辦劉湘派成都水利知事公署技術主任全晴川率四川大學學生諸有彬等10餘人前往調查,重點是岷江地震堰塞湖的積水情況,調查時間9月至10月9日。12月7日善後督辦劉湘再派即任的成都水利知事周郁如同督署上校參謀郭雨中帶30餘人再次調查,歷時5天,提出了疏導疊溪地震堰塞湖的具體工程方案。[2]
學術機構的調查有受北平地質調查所委託的中國西部科學院地質研究所,另外還有四川大學等。
四川大學的疊溪震區野外考察,由該校生物系(開設了地質學與古生物學課程)師生組成12人地質考察團,教師周曉和帶隊,於1933年12月21日出發,次年1月14日回到成都,歷時25天。考察以了解灌縣至疊溪一帶的地質、地史、古生物和疊溪地震的震災情況為主。
另外,以個人身份進行考察的有地理學家徐近之。1933年秋,徐近之在青海地區考察,聞疊溪地震消息,立即於10月21日至11月29日,對疊溪震區乃至整個岷江上游進行歷時40天的實地考察。[3]
中國西部科學院的疊溪地震考察。為研究此次松茂地震來源狀況及原因等,1933年10月,該院地質研究所主任常隆慶(北京大學地質系畢業後即在北平實業部地質調查所工作,1932年9月由所長翁文灝推薦,受盧作孚邀請到重慶北碚中國西部科學院任地質研究所主任)、羅西伊(即羅正遠,字君平)奉實業部地質調查所之命,前往疊溪實地調查松茂地震,所有一切費用概由北平地質調查所負擔。考察歷時兩個月。
由於地震區域遼闊,人力有限,在實地考察中輔以信函調查。由中國西部科學院致函各縣政府及文化機關,請其告以當地情況,同時又發出通啟,致各界人士公啟、致各報館函,徵求各地關心科學之人士予以援助,賜以資料。調查過程中,擬就表格一張,油印分寄川中各縣教育局、建設局以及中級以上學校,發出地震調查表,以便調查參考和將來繪制地震區域強度圖。[4]
地震強度調查表[5]
(此表共分十度,請將所在地的地震強度與此表相當之度數註明,寄回巴縣北碚場中國西部科學院地質研究所為禱)
一、人不能覺。
二、甚少數靜坐者覺之,樓上較易。
三、少數人覺之,不恐慌,經他處報告始確信地震。
四、屋內覺者多數,屋外少數,器物微動,地板或響懸物稍動。
五、屋內人皆覺之,屋外人多覺之,睡者驚醒,少數人驚逸,搖鈴鳴,時鍾停,懸物搖。
六、人人皆覺恐慌,爭出,器物墜落,不堅固之房舍稍有損傷。
七、鍾鳴,煙囪倒,屋瓦落,多數房屋稍有損傷。
八、少數房屋毀壞,多數重損,少數人受傷,無死者。
九、少數房屋全毀,多數重損,不能復居,人煙稠密之處,死人頗多。
十、多數房屋毀壞,人口多數死亡,地裂山崩。
附註:
甲、地震發生於民國 年 月 日午 時 分
乙、震時間共
丙、以後又震動若干次,在何月何日何時發生震力相當上表何度。
填表機關
填表人
民國 年 月 日寄
調查途中,常隆慶給地質調查所所長翁文灝致函報告地震現場考察情況,翁文灝附記數言。1934年,常隆慶基於收集、拍攝的大量地震資料,對調查情況進行分析,寫成《四川疊溪地震調查記》。在近代,由於戰爭、交通、經費等原因,對地震的調查也有採取函調的方式,給所在地區及相關單位發函收集資料,再分析匯編成冊。而現場的科學考察就顯得尤為可貴和難得了,能夠在第一時間掌握第一手資料。採用現代科學方法對大震現場進行科學考察,在我國西南地區還是第一次,在國內也僅次於1920年寧夏海原大地震後的現場科學考察(震後次年,內務、教育、農商三部曾派翁文灝、謝家榮等六委員赴災區調查,這是我國地震史上第一次對大地震所作的詳細的科學調查)[6]。在中國近代地震地質調查研究中,中國西部科學院的疊溪地震調查是這一時期重要的實地地震調查活動。
二、關於1933年疊溪地震的研究著述
疊溪地震1933年8月25日發生後幾個月,翔實的地震報告就刊行出來。
中國西部科學院地質研究所常隆慶連續刊發幾篇調查記,有《疊溪地震調查記》,刊發於1934年5月的《中國西部科學院地質研究所叢刊》第一卷第三號;《四川疊溪地震區調查記》,刊發於《國立北平研究院院務匯報》1934年第5卷第1期上[7];《疊溪地震調查記略》,刊發於《新世界》1934年第38期。[8]
除此之外,徐近之的《西寧松潘間之草地旅行》和《岷江峽谷》刊發在《地理學報》1934年第1期(創刊號)上。(《岷江峽谷》中「地震後峽谷實察紀要」,對疊溪地震災害和水患作了真實的記述和分析,並提出震後建議對策:預防地震災害、疏導堰塞湖積水、建築物抗震、交通及通信對策、保護岷江河谷生態環境、發展山區經濟等)[9];四川大學編著《疊溪地質調查特刊》1934年7月出版(國立四川大學秘書處出版課,1934年7月出版,54頁32開,有圖、表、照片)。內收調查報告6篇,調查地質情況,並有考察日記,疊溪地震損失統計表及羌人風俗等,其中最珍貴的資料是細致到村寨的地貌改變、房屋垮塌、人員傷亡的考察記錄[10];地質調查所李善邦著《四川疊溪地震記錄簡報》發表在《國立北平研究院院務匯報》1934年第5卷第3期[11](當時,世界地震學還處於相當初級的階段,沒有「震級」的概念和定義)。李善邦採用巧妙演算法分析計算此次地震的發震時刻和震源深度,測定疊溪地震參數,所確定的震中坐標相當准確,與宏觀震中疊溪的位置非常相近,至今基本採用這一數值[12]。在常隆慶到四川地質調查所後,著《四川疊溪地震調查記》,刊發在《地質論評》1938年第3卷第3期上。
這之後二三十年,尤其到了20世紀70~80年代,關於四川疊溪地震的調查、記錄和報告又才陸續增多。有「疊溪地震瑣記和對地震的初步認識」(周郁如,1958年手稿)、「1933年四川疊溪地震補充調查報告」(國家地震局西南烈度隊,1973年11月列印稿。另一資料記為「疊溪地震補充調查報告」國家地震局西南烈度隊影響場組,1973,未出版)、「1933年疊溪地震宏觀調查表」(地震地質隊松潘大組,1977年8月手稿本)、「1933年疊溪地震調查報告」(成都地震大隊地震地質隊,1977年11月復寫稿。另一資料記為「1933年疊溪地震調查報告」四川省地震局地震地質隊,1977,未出版)、「四川省歷史地震資料匯編 1933年疊溪地震」(討論稿)(王元海,1977,未出版)、「疊溪1933年地震調查材料」(阿壩州地震史料小組,1978年5月復寫稿)、《四川地震資料匯編(第一卷)》(《四川地震資料匯編》編輯組,1980,四川人民出版社)[13]、《疊溪大地震親歷記》(張雪岩,《四川文史資料選輯.第二十七集》四川人民出版社,1982)、《疊溪7.5級地震的地質構造背景及其對發震構造條件的認識》(唐榮昌、蔣能強、劉盛利,《地震研究》1983年第6卷第3期)[14]、《1933年疊溪地震》(四川省地震局著,成都:四川科學技術出版社,1983)[15]、《徐近之實察疊溪地震及對震後的建議對策》(江在雄,《山西地震》1994第3期)。
常隆慶所著一系列關於四川疊溪地震的調查報告,在後來的疊溪地震研究中一直起到重要的參考作用。1983年由四川省地震局編著的對疊溪震區現場考察、研究總結的著作《1933年疊溪地震》參考了常隆慶的著述,尤其對於分布在不同經緯度的各地點的地震烈度、場地條件、震害情況等提供了直接而翔實的參考,一些照片,如常隆慶1933年所拍攝的「較場東側檯面地震時被斷成階梯狀」被採用。[16]其著述被引用和參考還見於諸如《四川地震資料匯編(第一卷)》[17]、《中國岩石圈動力學概論〈中國岩石圈動力學地圖集〉說明書》[18]、《四川省岩石地層》[19]、《中國水利網路全書——水利工程勘測分冊》[20]、《中國典型災難性滑坡》[21]等。
而1934年常隆慶所寫的約2.6萬字的《四川疊溪地震調查記》,將疊溪地震情形及前後事實,旁徵博引,附以照片、圖件和統計表格,對地震各災區,尤其以疊溪為中心的疊溪南路、西路、北路的具體情況,作了翔實的記錄。記述了疊溪震中區各村寨房屋建築破壞、人畜傷亡、山崩地陷等地震破壞狀況,並對地震成因作了初步分析,說明當地地震地質特點。這是中國近代地震地質研究的重要著述,對疊溪及其周邊震區的崩塌滑坡、交通阻斷、人員傷亡、水災過程以及震中區的地質地貌特徵、餘震序列等情況的詳細敘述,成為我國以科學方法記載疊溪地震的第一篇詳細而確實的學術報告。
三、結語
中國是地震活動頻繁的國家,對於地震學的研究,近代中國學者從現代科學的角度多加著力,政府也視為重要事業而加以注意。對於民國時期中國最強烈的地震之一、同時也是民國時期四川最大的地震——疊溪地震,中國西部科學院作為第一個專業學術機構進行調查,並寫下第一篇專門學術報告《四川疊溪地震調查記》。中國西部科學院的疊溪地震調查及其著述,其詳細的現場考察和研究,對地震前兆、震後效應、地震現象、地震後的破壞現象、社會影響,地震發生類型與序列特徵等的描述,為當時和今後的疊溪地震研究。例如,區域地震研究、地震地質研究、歷史地震研究等多方面,提供可靠的科學數據和研究的可比性,是重要的科學考察和學術文獻。
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[9]陳顒,陳凌.分形幾何學[M].北京:地震出版社,2005.
[10]李後強,汪富泉.分形理論及其在分子科學中的應用[M].北京:科學出版社,1993.
[11]謝和平.分形-岩石力學導論[M].北京:科學出版社,1996.
[12]凌復華譯.災變理論入門[M].上海:上海科學技術文獻出版社,1983.
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[15]丑紀范,劉式達,劉式適.非線性動力學[M].北京:氣象出版社,1994.
[16]劉秉正.非線性動力學與混沌基礎[M].沈陽:東邊師范大學出版社,1994.
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[19]E.N.洛倫茲,劉式達,劉式適,嚴中偉譯.混沌的本質[M].北京:氣象出版社,1997.
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[47]高國瑞.黃土濕陷變形的結構理論[J].岩土工程學報,1990,12(4):1~10.
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[51]劉鈞.順層邊坡彎曲破壞的力學分析[J].工程地質學報,1997,5(4):326~329.
[52]芮孝芳,劉方貴,邢貞相.水文學的發展及其所面臨的若干前沿科學問題[J].水利水電科技進展,2007,27(1):75~79.
[53]李天斌.滑坡實時跟蹤預報概論[J].中國地質災害與防治學報,2002,13(4):17~22.
[54]李天斌.滑坡預報的幾個基本問題[J].工程地質學報,1999,7(3):200~206.
[55]余宏明,胡艷欣.滑坡位移動實時跟蹤預測[J].地質科技情報,2001,20(2):83~86.
[56]秦四清,張倬元,黃潤秋.滑坡災害預報的非線性動力學方法[J].水文地質與工程地質,1993,20(5):1~4.
[57]廖小平.滑坡破壞時間預報新理論探討[J].地質災害與環境保護,1994,5(3):25~29.
[58]徐峻齡,廖小平.黃茨大型滑坡的預報及其理論和方法[J].中國地質災害與防治學報,1996,7(3):18~25.
[59]桂立銘,廖小平.滑坡位移動態遙測系統在滑坡預報中的應用[J].路基工程,1997,(4):1~5.
[60]文寶萍.滑坡預測預報研究現狀與發展趨勢[J].地學前緣,1996,3(1):89~92.
[61]黃潤秋,許強.斜坡失穩時間的協同預測模型[J].山地研究,1997,15(1):7~12.
[62]許強,黃潤秋.斜坡演化的自組織特徵初探[J].中國地質災害與防治學報,1997,8(1):7~11.
⑸ 李四光地質科學獎的歷屆獲獎情況
附:歷屆李四光地質科學獎獲得者名單 李四光地質科學獎野外地質工作者獎獲得者:
劉鐵鑄 上海市地質礦產局,教授級高級工程師
張良臣 新疆地質礦產局,教授級高級工程師
陸忠驥 山東煤田地質勘探公司,高級工程師
周世泰 冶金部東北地質勘探公司,教授級高級工程師
胡惠民 湖北省地質礦產局,教授級高級工程師
梁珍廷 廣西有色地質勘探公司,教授級高級工程師
蔣興泉 核工業華北地質勘探公司,高級工程師
李四光地質科學獎地質科技研究者獎獲得者:
馬宗晉 國家地震局地質研究所,研究員(1991年當選中國科學院院士)
田在藝北京石油勘探開發研究院,研究員(1997年當選中國科學院院士)
劉寶珺 地質礦產部成都地質研究所,教授(1991年當選中國科學院院士)
杜樂天核工業北京地質研究所,研究員
汪仲英 地質礦產部探礦工程研究所,高級工程師
李四光地質教師獎獲得者:
丁中一北京大學地質系,副教授
張本仁 中國地質大學(武漢),教授(1999年當選中國科學院院士) 李四光地質科學獎野外地質工作者獎獲得者:
王文傑 煤炭部福建煤田地質勘探公司,教授級高級工程師
李宏驥 地礦部山東省地礦局第六地質隊,教授級高級工程師
李崇佑 地礦部江西省地礦局調研大隊,教授級高級工程師
王集磊 有色甘肅地質勘探局,教授級高級工程師
劉廣潤 地礦部湖北省地礦局,教授級高級工程師
(1999年當選中國工程院院士)
楊兆宇 上海海洋地質調查局,教授級高級工程師
鞏志根 核工業華南地勘局293大隊,教授級高級工程師
龔茂清 冶金部西南地勘局,高級工程師
李四光地質科學獎地質科技研究者獎獲得者:
鄧起東 國家地震局地質研究所,研究員(2003年當選中國科學院院士)
鄭綿平 地礦部礦床地質研究所,研究員(1995年當選中國工程院院士)
於崇文 中國地質大學(武漢),教授(1995年當選中國科學院院士)
許志琴 地礦部地質研究所,研究員(1995年當選中國科學院院士)
安芷生 中國科學院西安分院,研究員(1991年當選中國科學院院士)
李四光地質教師獎獲得者:
趙澄林 石油大學(北京),教授
游振東 中國地質大學(北京),教授 李四光地質科學榮譽獎獲得者:
張宗祜 地礦部水工地質研究所,研究員,中國科學院、中國工程院院士
劉光鼎 中國科學院地球物理所,研究員,中國科學院、中國工程院院士
肖序常地質礦產部地質研究所,研究員,中國科學院院士
李四光地質科學獎野外地質工作者獎獲得者:
袁秉衡 中國石油天然氣總公司石油物探局,教授級高級工程師
康玉柱 地質礦產部西北石油地質局,教授級高級工程師(2005年當選中國工程院院士)
王光宇 地質礦產部廣州海洋地質調查局,教授級高級工程師
楊明桂地質礦產部江西省地質礦產局,教授級高級工程師
錢佐國 化工部地質礦山局雲南地質大隊,教授級高級工程師
何伯墀 有色西北地質勘探局,教授級高級工程師
許惠龍 煤田地質總局山西煤田地質局,教授級高級工程師
祝延修 武警部隊黃金指揮部九支隊,教授級高級工程師
李四光地質科學獎地質科技研究者獎獲得者:
殷鴻福中國地質大學(武漢),教授(1993年當選中國科學院院士)
劉國棟 國家地震局地質研究所,研究員
夏林圻地質礦產部西安地礦所,研究員
張文堂 中國科學院南京地質古生物研究所,研究員
江天壽 地質礦產部探礦工藝研究所
李四光地質教師獎獲得者:
何繼善 中南工業大學,教授(1994年當選中國工程院院士)
王維襄 中國地質大學(北京),教授 李四光地質科學特別獎獲得者(只頒發了這一次):
程裕淇地質礦產部,研究員,中國科學院院士 王鴻禎 中國地質大學(北京),教授,中國科學院院士
李四光地質科學榮譽獎獲得者:
孫殿卿地質礦產部地質力學所,研究員,中國科學院院士
劉東生 中國科學院地質所,研究員,中國科學院院士
馬杏垣國家地震局地質所,教授,中國科學院院士
董申保北京大學,教授,中國科學院院士
李四光地質科學獎野外地質工作者獎獲得者:
張雲湘 地質礦產部四川省地質礦產局,教授級高級工程師
王金琪 地質礦產部西南石油地質局,教授級高級工程師
馮志強 地質礦產部廣州海洋地質調查局,教授級高級工程師
楊俊傑 中國石油天然氣總公司長慶石油勘探局,教授級高級工程師
李萬程 中國煤田地質總局河南煤田地質局,高級工程師
王世忠 中國人民武裝警察部隊黃金第14支隊,高級工程師
李四光地質科學獎地質科技研究者獎獲得者:
陳光遠中國地質大學(北京),教授
裴榮富 地礦部礦床地質研究所,研究員(1999年當選中國工程院院士)
任紀舜 地質礦產部地質研究所,研究員(1997年當選中國科學院院士)
馮增昭石油大學(北京),教授
李四光地質教師獎獲得者:
郝石生 石油大學(北京),教授
張卓元 成都理工學院,教授 李四光地質科學榮譽獎獲得者:
楊遵儀 中國地質大學(北京),教授,中國科學院院士
韓德馨 中國礦業大學,教授,中國工程院院士
胡海濤地礦部水文地質工程地質勘查院,研究員,中國工程院院士
湯中立 地礦部甘肅省地礦局,教授級高級工程師,中國工程院院士
李四光地質科學獎野外地質工作者獎獲得者:
王永基 冶金部中南地質勘查局,教授級高級工程師
包家寶 地礦部江西省地質礦產局,教授級高級工程師
石禮炎 地礦部福建地質礦產勘查開發局,教授級高級工程師
丁貴明 石油天然氣總公司大慶石油管理局,教授級高級工程師
李文恆 煤田地質總局江西煤田地質局,教授級高級工程師
金慶煥地礦部廣州海洋地質局,教授級高級工程師(1997年當選中國工程院院士)
李學仁 化工部四川化工地質勘查院,高級工程師
王秋華 中國石油天然氣總公司遼河石油勘探局,教授級高級工程師
李四光地質科學獎地質科技研究者獎獲得者:
熊光楚 有色北京地質研究所,教授級高級工程師
陳毓川中國地質科學院,研究員(1997年當選中國工程院院士)
胡見義 北京石油勘探開發院,教授級高工(1997年當選中國工程院院士)
王鶴齡 淮南理工學院,教授
李四光地質教師獎獲得者:
翟裕生 中國地質大學,教授(1999年當選中國科學院院士)
金景福 成都理工大學,教授 李四光地質科學榮譽獎獲得者:
郝詒純 中國地質大學(北京),教授,中國科學院院士
郭令智 南京大學,教授,中國科學院院士
李廷棟 國土資源部,研究員,中國科學院院士
盧耀如 中國地質科學院水工所,研究員,中國工程院院士
李四光地質科學獎野外地質工作者獎獲得者:
管海晏 中國煤田地質總局航測遙感局,教授級高級工程師
楊雲嶺 勝利石油管理局,教授級高級工程師
楊繼良 大慶石油管理局,教授級高級工程師
殷先明 甘肅省地勘局,教授級高級工程師
黃兆洪 化工遼寧地質勘察院,教授級高級工程師
呂國安 甘肅有色地質勘查局,教授級高級工程師
覃慕陶 廣東省地礦局,教授級高級工程師
李四光地質科學獎地質科技研究者獎獲得者:
黃第藩 中國石油天然氣總公司北京開發院,教授級高級工程師
李思田中國地質大學,教授
袁學誠 中國地質勘查技術院,教授級高級工程師
陳旭 中國科學院南京古生物研究所(2003年當選為中國科學院院士)
李四光地質教師獎獲得者:
張一偉石油大學(北京),教授
盧良兆 長春科技大學,教授 李四光地質科學榮譽獎獲得者:
葉連俊 中國科學院地質與地球物理研究所研究員,中國科學院院士
楊 起 中國地質大學(北京)教授,中國科學院院士
張彭熹 中國科學院鹽湖研究所研究員,中國科學院院士
李四光地質科學獎野外地質工作者獎獲得者:
潘元林 中國石油化工集團公司勝利石油管理局教授級高級工程師
蔣炳南 中國石油化工集團公司新星公司西北石油局教授級高級工程師
潘龍駒 中國有色金屬礦產地質勘查中心地質資料館教授級高級工程師
王啟民 中石油大慶油田有限責任公司教授級高級工程師
吳奇之 中國石油天然氣集團公司地球物理勘探局教授級高級工程師
駱耀南 國土資源部四川省地質礦產勘查開發局教授級高級工程師
姜劍虹 中國煤田地質總局黑龍江煤田地質局教授級高級工程師
王福同 國土資源部新疆地質礦產局教授級高級工程師
李四光地質科學獎地質科技研究者獎獲得者:
王鐵冠中國石油大學(北京)教授(2005年當選中國科學院院士)
龔再升 中國海洋石油總公司教授級高級工程師
廖椿庭 中國地質科學院地質力學研究所研究員
蔣 志 中國人民武裝警察部隊黃金指揮部教授級高級工程師
李四光地質教師獎獲得者:
杜汝霖 石家莊經濟學院(原河北地質學院)教授
何國琦 北京大學地質學系教授 李四光地質科學榮譽獎獲得者:
汪集暘中科院地質與地球物理研究所研究員、中國科學院院士
鍾大賚 中科院地質與地球物理研究所研究員、中國科學院院士
石耀霖 中科院研究生院教授、中國科學院院士
多 吉, 西藏地勘局地熱地質大隊教授級高工、中國工程院院士
李四光地質科學獎野外地質工作者獎獲得者:
王保群 核工業地質局二一六大隊,教授級高級工程師
王培君中化地質礦山總局地質研究院,研究員
倪斌 中國煤炭地質總局,教授級高級工程師
秦震 四川省地質礦產勘查開發局,教授級高級工程師
姚伯初 國土資源部廣州海洋地質調查局,教授級高級工程師
何自新 中石油長慶油田分公司,教授級高級工程師
陳正輔 中石化石油勘探開發研究院,教授級高級工程師
李四光地質科學獎地質科技研究者獎獲得者:
趙文智 中石油中國石油勘探開發研究院,教授級高級工程師(2013年當選中國工程院院士)
季強, 中國地質科學院地質研究所,研究員
李陽,中石化勝利油田有限公司,教授級高級工程師(2013年當選中國工程院院士)
何漢漪 中國海洋石油總公司,教授級高級工程師
王成善 成都理工大學,教授(2013年當選中國科學院院士)
李四光地質教師獎獲得者:
劉本培 中國地質大學(武漢),教授 李四光地質科學獎榮譽獎:
趙文津 中國地質科學院研究員、中國工程院院士
李四光獎野外地質工作者獎:
夏代祥 西藏地質礦產勘查開發局,教授級高級工程師
葉天竺 中國地質調查局,教授級高級工程師
童曉光 中國石油天然氣勘探開發公司,教授級高級工程師(2005年當選中國工程院院士)
王雙明 陝西省煤田地質局,教授級高級工程師
李丕龍 中石化西部新區勘探指揮部,教授級高級工程師
王錫友 中國冶金地質勘查工程總局山東局,教授級高級工程師
黃永樣 廣州海洋地質調查局,教授級高級工程師
李文昌 雲南省地質礦產勘查開發局,教授級高級工程師
李四光地質科技研究者獎:
崔盛芹 中國地質科學院地質力學研究所,教授
張培震 中國地震局地質研究所,教授級高級工程師(2013年當選中國科學院院士)
蔡希源 中石化股份有限公司,教授級高級工程師
丁悌平 中國地質科學院礦產資源研究所,研究員
孫革 吉林大學,教授
李四光地質教師獎:
曾勇 中國礦業大學(徐州),教授
鄭亞東 北京大學,教授 李四光地質科學獎榮譽獎:
傅家謨,中科院廣州地球化學研究所
李四光獎野外地質工作者獎:
李惠, 中國冶金地質總局地球物理勘查院
劉敬黨 ,中國化工地質礦山總局遼寧化工地質勘查院
朱偉林 ,中國海洋石油總公司中海油有限公司科技委
張金帶,中國核工業地質局
周海民,中國石油天然氣股份有限公司冀東油田公司
李干生 ,中國石油化工股份有限公司科技開發部
徐水師,中國煤炭地質總局
劉玉書 ,四川省地質礦產勘查開發局106地質隊
李四光地質科技研究者獎:
陳均遠,中國科學院南京地質古生物研究所
馬永生,中國石油化工股份有限公司勘探分公司(2009年當選中國工程院院士)
王弭力,中國地質科學院
劉敦一 ,中國地質科學院地質研究所
周新源, 中國石油天然氣股份有限公司塔里木油田分公司
李四光地質教師獎:
郝守剛 ,北京大學地球與空間科學學院
黃潤秋,成都理工大學 李四光野外地質工作者獎:
張善文, 中國石化股份勝利油田分公司 教授級高級工程師
閻鳳增 ,中國武警黃金指揮部 教授級高級工程師
李占游, 核工業二O三研究所 教授級高級工程師
鄧運華, 中國海洋石油總公司 高級地質師(2015年當選中國工程院院士 )
陳才金,四川省地質礦產勘查開發局108地質隊 教授級高級工程師
王京彬,有色金屬礦產地質調查中心 教授級高級工程師
張 宏 ,內蒙古自治區地質調查院 教授級高級工程師
杜金虎 ,中國石油天然氣股份有限公司 教授級高級工程師
李四光地質科技研究者獎:
楊經綏,中國地質科學院地質研究所 研究員
洪友崇, 北京自然博物館 研究員
彭善池,中國科學院南京地質古生物研究所 研究員
金之鈞,中國石化股份石油勘探開發研究院 教授(2013年當選中國科學院院士)
李四光地質教師獎:
王世稱, 吉林大學 教授
朱筱敏,中國石油大學(北京) 教授 李四光地質科學獎野外地質工作者獎獲得者:
楊克明, 中國石化西南油氣分公司教授級高工
楊華, 中國石油長慶油田分公司教授級高工
董連慧,新疆維吾爾自治區地質礦產勘查開發局教授級高工
廖香俊, 海南省地質局(海南省海洋地質調查局)研究員教授級高工
王宇, 雲南省地質調查局省地質環境監測院教授級高工(二級)
熊盛青 ,中國國土資源航空物探遙感中心教授級高工
謝玉洪,中海石油(中國)有限公司湛江分公司高級工程師
朱恆銀,安徽省地質礦產勘查局313地質隊教授級高工
李四光地質科學獎地質科技研究者獎獲得者:
鄒才能, 中國石油勘探開發研究院教授級高工
李子穎 ,核工業北京地質研究院研究員
汪嘯風, 武漢地質礦產研究所(原宜昌地質礦產研究所)研究員
宋國奇, 中國石化勝利油田分公司教授級高工
毛景文,中國地質科學院礦產資源研究所研究員
李四光地質科學獎教師獎獲得者:
武強,中國礦業大學(北京)教授(2015年當選中國工程院院士 )
唐輝明,中國地質大學(武漢)教授 李四光地質科學獎野外地質工作者獎獲得者:
夏慶龍 ,中海石油(中國)有限公司天津分公司
郭旭升, 中石化股份有限公司勘探南方分公司
趙賢正 ,中國石油華北油田公司
夏毓亮,核工業北京地質研究院
王香增,陝西延長石油(集團)有限責任公司
丁俊,中國地質調查局成都地質調查中心
張訓華,青島海洋地質研究所
王佟,中國煤炭地質總局
李四光地質科學獎地質科技研究者獎獲得者:
宋岩,中國石油大學(北京)非常規天然氣研究院
徐義剛,中國科學院廣州地球化學所
杜時貴, 紹興文理學院
殷躍平,中國地質環境監測院
李四光地質科學獎地質教師獎獲得者:
舒良樹,南京大學地球科學與工程學院
顏丹平,中國地質大學(北京) 李四光野外地質工作者獎:
付鎖堂, 中國石油青海油田分公司 教授級高級工程師
王來明,山東省地質調查院教授級高級工程師
王振峰, 中海油湛江分公司 教授級高級工程師
郝蜀民,中國石化華北分公司 教授級高級工程師
燕長海,河南省地質調查院 教授級高級工程師
劉鴻飛, 西藏自治區地質調查院 高級工程師
范立民,陝西省地質環境監測總站 教授級高級工程師
潘彤,青海省地質礦產勘查開發局 教授級高級工程師
李四光地質科技研究者獎:
沈樹忠,中國科學院南京地質古生物研究所 教授(2015年當選中國科學院院士 )
潘桂棠,中國地質調查局成都地質調查中心 研究員
侯增謙, 中國地質科學院地質研究所 研究員
蔣少涌,中國地質大學(武漢)教授
李四光地質教師獎:
彭建兵, 長安大學 教授
賴紹聰, 西北大學 教授
⑹ 地震與火山災害
地震特別是強震會對一定范圍內的地質環境造成強烈沖擊,造成災區范圍內地表開裂、山體鬆弛、斜坡失穩、碎屑堆積[40]。震後,在內外地質營力共同作用下,災區地質環境變遷加快,並伴隨著大量的崩塌、滑坡和泥石流地質災害,對災區災後重建構成了極大的威脅。黃潤秋通過對汶川地震災區地震前後地質災害發生規律進行研究,發現地質災害的數量較震前有顯著增加,地質災害數量正常年是震前的4~5倍;震後災區地質災害主要以群發性泥石流為主,崩滑地質災害次之;震後災區地質災害高發期預計將持續約20~25a,持續方式可能以暴雨峰年(4~5a)為周期的震盪方式衰減,並最終恢復到震前水平(圖1–14)[41]。
國際地震中心對全球歷史與現代發生的地震數據進行了收集與整理。從地震時間序列來看,地震發生沒有明顯的規律,全球平均每年發生5.5級以上地震335次,其中6.25級以上地震71次,7.5級以上地震不足4次(圖1–15)。從地震死亡人數來看,死亡人數與強震的發生密切相關,每次死亡人數的大幅度增加都是強烈地震發生的結果,地震造成的年死亡人數隨時間沒有明顯的趨勢。但是,地震造成的經濟損失隨時間快速增加,特別是20世紀90年代以來增加顯著,由20世紀80年代的62億美元/a增至近10年的460億美元/a,增加了7倍多(圖1–16)。這是由於隨著全球經濟特別是新興市場國家經濟的持續發展,以建築、道路、水庫、光纜等形式存在的社會財富存量快速增加,地震災害發生後造成的社會財富存量損失亦隨之快速增長。因此,聯合國呼籲採取更協調一致和更全面的戰略,降低自然災害風險,提高經濟社會抗災能力[42]。
圖1-14 汶川地震災區2000年以來地質災害數量變化及預測
(據文獻[41])
圖1-15 1960~2009年全球5.5級以上地震頻次變化
(數據來源:全球地震模型行動計劃(GEM)和國際地震中心,2013)
圖1-16 1940~2012年全球地震死亡人數與經濟損失變化
(數據來源:聯合國國際減災戰略機構(UN/ISDR)EM-DAT資料庫,2013)
火山爆發是比強震活動更稀少的事件,全球分布主要集中於東南亞、中美洲、中非等少數幾個地區。火山災害產生的火山灰、熔岩流、火山碎屑流、火山泥石流等極大地改變了災區地質環境,對周邊居民構成了重大威脅。聯合國國際減災戰略機構(UN/ISDR)統計,1940~2012年,全球共發生226次火山爆發,導致3.7萬人死亡,造成直接經濟損失約30.2億美元。
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⑻ 泥石流成因機理的非飽和土力學理論研究
本項研究受國家自然科學基金重大研究計劃項目資助(項目編號:90102002)。
戚國慶黃潤秋
(成都理工大學環境與土木工程學院,四川成都,610059)
【摘要】泥石流是一種具有較強破壞力的自然山地災害。對於它的預報研究歷來為人們所重視,並建立了很多雨量預報模型。然而,這些雨量預報模型的預報時間很短,往往只能在災害發生前幾十分鍾作出預報。本文應用非飽和土強度理論對降雨型泥石流的成因機理進行了研究,提出降雨型泥石流的形成過程可以劃分為兩個階段,第一個階段與前期實效降雨量有關,第二個階段與短歷時強降雨有關。並對各個階段降雨作用機理以及固體鬆散物質的力學性質變化特徵進行探討。為預先判斷在降雨條件下發生泥石流以及所需要的降雨條件和雨型提供依據。
【關鍵詞】泥石流非飽和土基質吸力
1引言
泥石流是一種攜帶大量泥土和碎屑物質的間歇性洪流[1]。與一般的挾沙水流相比,泥石流中固體物質含量高,顆粒粒徑分布范圍廣,可能有從幾微米直至幾米的變化范圍。一般挾沙水流中的顆粒粒徑分布呈單峰型,且符合正態分布;而對固體含量較高的泥石流,粒徑分布多為雙峰型[2]。
誘發泥石流的外界因素有降雨、融雪、潰壩、地震等。其中以降雨引起的泥石流(稱降雨型泥石流)分布最廣,活動最頻繁,因此是泥石流研究的主要對象[3]。
泥石流是降雨、地形地貌、固體鬆散堆積物等因素共同作用的結果。當除降雨以外的其他因素達到某種程度時,一旦有足夠大的降雨量,就可能發生災害性的泥石流[4]。降雨為這類泥石流形成的主要誘發因素,而其他因素則是形成降雨型泥石流必不可少的基本條件,為基本因素。
泥石流是常見的一種自然山地災害,以其突發性和破壞力強為人們所重視。泥石流災害的防治首先要對其進行准確預報,而泥石流災害的准確預報,則必須建立在對其形成機理深入研究的基礎之上。運用非飽和土強度理論,將降雨型泥石流的形成過程劃分為兩個階段,即:降雨型泥石流的固體鬆散物質中由基質吸力引起的抗剪強度喪失階段和孔隙水壓力增大引起的抗剪強度降低、發生泥石流階段。文章以此為基礎,對降雨型泥石流的形成機理進行探討。
2從非飽和土力學理論認識泥石流物質的強度特徵
2.1泥石流物質的抗剪強度
泥石流的固體鬆散物質在泥石流形成之前,往往處於非飽和狀態。依據(Fredlund等,1978)非飽和土抗剪強度公式[5],其抗剪強度可以表示為:
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式中:C′為Mohr-Coulomb破壞包線的延伸與剪應力軸的截距,在剪應力軸處的凈法向應力和基質吸力均為零,C′也稱為有效粘聚力。由於固體鬆散物質無膠結,有效粘聚力 C′很低;σf為破壞時在破壞面上的法向總應力;ua為破壞時在破壞面上的孔隙氣壓力;uw為破壞時在破壞面上的孔隙水壓力;(σf-ua)f為破壞時在破壞面上的凈法向應力狀態;(ua-uw)f為破壞時破壞面上的基質吸力;φ′為與凈法向應力狀態變數(σf-ua)f有關的內摩擦角;φb為表示抗剪強度隨基質吸力(ua-uw)f而增加的速率;(ua-uw)ftgφb為基質吸力(ua-uw)f引起的抗剪強度。
關於由基質吸力(ua-uw)f引起的抗剪強度,在第一屆非飽和土國際會議上,許多學者建議了非飽和土抗剪強度的非線性表達式。沈珠江認為用雙曲線公式表達基質吸力對抗剪強度的貢獻可能更為實用[6]:
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式中:d為實驗常數。
2.2降雨過程中固體鬆散物質的基質吸力變化
降雨過程中形成泥石流的固體鬆散物料的基質吸力變化,實際上就是非飽和土基質吸力隨含水量的變化關系。也被稱為土—水特徵曲線。包承綱等建議以對數方程來表徵土—水特徵曲線[7],為:
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式中:(ua-uw)r為殘余含水量θr所對應的基質吸力,(ua-uw)b為土的進氣值,(ua-uw)為非飽和土基質吸力,θ為體積含水量,θs為飽和體積含水量。
若將公式(3)化為:
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由公式(4)可以看出,當θ=θr時,(ua-uw)=(ua-uw)r,即非飽和土含水量為殘余含水量θr時,基質吸力(ua-uw)為(ua-uw)r;當θ=θs時,(ua-uw)=(ua-uw)b,即非飽和土含水量為飽和含水量θs時,基質吸力(ua-uw)為(ua-uw)b;當非飽和土含水量在殘余含水量θr與飽和含水量θs之間變化時,基質吸力(ua-uw)便在(ua-uw)r與(ua-uw)b之間變化。也就是說,在邊坡降雨入滲的過程中,邊坡非飽和區物質的基質吸力隨著含水量的變化而變化。
2.3降雨過程中非飽和固體鬆散物質的抗剪強度變化
2.3.1由基質吸力引起的抗剪強度變化
在降雨過程中,處於非飽和狀態的固體鬆散物質的含水量θ不斷增加,使得其基質吸力(ua-uw)下降,進而導致非飽和固體鬆散物質由基質吸力引起的抗剪強度不斷降低。
依據Fredlund(1978)非飽和土抗剪強度公式[公式(1)],非飽和固體鬆散物質由基質吸力引起的抗剪強度隨含水量的變化規律為:
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依據沈珠江雙曲線公式[式(2)],非飽和固體鬆散物質由基質吸力引起的抗剪強度隨含水量的變化規律為:
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由公式(5)、公式(6)可以看出,非飽和固體鬆散物質由基質吸力引起的抗剪強度隨含水量的變化關系為負指數關系。
2.3.2固體鬆散物質飽和後的抗剪強度變化
降雨具有一定歷時後,非飽和固體鬆散物質含水量增加,並達到飽和後,含水量繼續增加,將在固體鬆散物質中產生孔隙水壓力 uw,降雨滲入邊坡的水量越多,孔隙水壓力 uw越大。因此,非飽和固體鬆散物質的抗剪強度隨孔隙水壓力的變化關系為:
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式中:C為飽和固體鬆散物質的粘聚力,φ為飽和固體鬆散物質的內摩擦角。
在達到飽和狀態後,固體鬆散物質中的水量越多,孔隙水壓力 uw越大,其抗剪強度也就越低。
3泥石流的形成機理分析及其預測評價
降雨型泥石流的形成可分為兩個階段:第一個階段,非飽和固體鬆散物質由於含水量持續增加,達到飽和狀態,基質吸力引起的抗剪強度喪失;第二個階段,飽和的固體鬆散物質由於含水量持續增加,水壓力增大,有效應力減小,發生泥石流。
3.1固體鬆散物質由基質吸力引起的抗剪強度喪失
降雨型泥石流形成的第一階段,固體鬆散物質含水量的增加與前期實效降雨量關系密切。前期實效降雨量[8]Pa由當日降雨量H24以及之前若干日降雨量Pt(賦存於固體物質中)的剩餘部分組成。
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式中:R為遞減系數,n為前期降雨影響期。
遞減系數和前期降雨影響期,應依據當地氣候條件和固體鬆散物質的組成岩性、含水量、孔隙率、滲透系數、基質吸力來確定。
依據公式(4),固體鬆散物質含水量θ的增加,將使得其基質吸力降低。公式(5)、公式(6)顯示了固體鬆散物質由基質吸力引起的抗剪強度的喪失規律。基質吸力引起的抗剪強度的喪失與前期實效降雨量有關。
前期實效降雨量的作用主要是使固體鬆散物質達到飽和狀態。在這一階段,由於沒有足夠的含水量,不會發生泥石流。但有可能發生固體鬆散物質構成的斜坡的位移變形,以及斜坡穩定性降低、滑坡。
3.2固體鬆散物質孔隙水壓力增大引起的抗剪強度降低,發生流動
降雨型泥石流的發生是前期實效降雨量和短歷時雨強共同作用的結果。當前期實效降雨使固體鬆散物質達到飽和狀態後,就進入了降雨型泥石流形成的第二階段。此時,飽和的固體鬆散物質啟動與否的判別式[9]為:
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式中:A為固體鬆散物質與溝床的接觸面積;G為固體鬆散物質重量;T為水流推力,其值較小,為次要影響因素;β為溝床底坡坡度;K為固體鬆散物質穩定性系數,當 K=1時,飽和固體鬆散物質處於極限狀態,當 K>1時,飽和固體鬆散物質處於穩定狀態,不會發生泥石流,當K<1時,飽和固體鬆散物質處於不穩定狀態,將會發生泥石流。
公式(9)反映了降雨型泥石流啟動與否的力學機制,在這一階段,短時間具有一定強度的降雨使得滲入固體鬆散物質中的水量來不及排出,加上周圍降雨匯流的作用,固體鬆散物質將啟動,形成泥石流。因此,在降雨型泥石流預報模型中應考慮短期強降雨的影響。如蔣家溝模型[10]:
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式中:R10為10分鍾降雨量(mm);實效降雨量Pa為20天內的有效降雨量,遞減系數R=0.8。
公式(10)預報提前時間為17~20分鍾,報准率為86%,錯報3%,漏報為11%。
由成昆鐵路甘洛試驗區64次觀測資料確定的泥石流形成降雨量組合指標[11]為:
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式中:K為前期降雨修正系數,K≥1,在甘洛試驗區K=1;H24、H1、H1/6分別為24小時、1小時、10分鍾最大降雨量(mm),H24(D)、H1(D)、H1/6(D)分別為24小時、1小時、10分鍾單因子臨界雨量閾值,隨溝谷和地區而不同,在甘洛試驗區,它們分別為60mm、20mm和10mm;R為降雨量綜合指標,當R<2.8時,不會發生泥石流;R≥3.6時,發生泥石流的幾率約佔85%;R=2.8~3.6時,有可能發生泥石流。
4結論
當形成泥石流的物質條件(按一定坡度堆積的固體鬆散物質、一定的匯水面積等條件)具備時,泥石流的發生是前期實效降雨量和短歷時強降雨共同作用的結果。依據非飽和土強度理論,可將降雨型泥石流的形成劃分為兩個階段:第一個階段,非飽和固體鬆散物質由於含水量持續增加,達到飽和狀態,基質吸力引起的抗剪強度喪失階段。該階段與前期實效降雨量有關,前期實效降雨量的作用使固體鬆散物質達到飽和狀態。在這一階段,由於沒有足夠的水量,不會發生泥石流,但有可能發生固體鬆散物質構成的斜坡的位移變形,以及斜坡穩定性降低、滑坡。第二個階段,飽和的固體鬆散物質由於含水量持續增加,水壓力增大,有效應力減小,發生泥石流。這與短歷時強降雨有關。短時間、具有一定強度的降雨使得固體鬆散物質中滲入的水量來不及排出,加上周圍降雨匯流的作用,固體鬆散物質將啟動,形成泥石流。
應用非飽和土力學原理研究降雨型泥石流形成機理的優點是:可以通過對可能形成泥石流的固體鬆散物質的非飽和物理力學性質的研究,來預先判斷在降雨條件下,會不會發生泥石流以及所需要的降雨條件和雨型,從而為泥石流的准確預報提供更強有力的理論依據。作者將在今後的研究中進一步加強這一理論在泥石流領域的應用研究。
參考文獻
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⑼ 黃潤秋的人物著作
1、層狀岩體斜坡強震動力響應的振動台試驗,岩石力學與工程學報,2013(5)2、4·20蘆山Ms7.0級地震地質災害特徵,西南交通大學學報,2013(5)3、高圍壓卸荷條件下大理岩破碎塊度分形特徵及其與能量相關性研究,岩石力學與工程學報,2012(7)4、高應力卸荷條件下大理岩破裂面細微觀形態特徵及其與卸荷岩體強度的相關性研究,岩土力學,2012(S2)5、顆粒離散元法的顆粒碎裂研究進展,工程地質學報,2012(3)6、高應力強卸荷條件下大理岩損傷破裂的應變能轉化過程機制研究,岩石力學與工程學報,2012(12)7、高應力下脆性岩石卸荷力學特性及數值模擬,重慶大學學報,2012(6)8、錦屏Ⅰ級水電站地下廠房施工期圍岩變形開裂特徵及地質力學機制研究, 岩石力學與工程學報,2011(1)9、錦屏Ⅰ級水電站壩基岩體塊度指數量化取值分析,岩石力學與工程學報,2011(3)10、高地應力條件下卸荷速率對錦屏大理岩力學特性影響規律試驗研究,岩石力學與工程學報,2010(1)
⑽ 地質災害研究新進展
我國地質災害研究工作一直是圍繞著重大工程和重大建設需要而展開的,並且直到解放後才得以迅速發展。50~60年代,重點開展了西南及西北交通干線和三峽等水利樞紐的地質災害調查(重點崩滑流),以及上海地面沉降的勘察工作。70年代,上海地面沉降研究在預測和防治方面取得突破性進展,樹立了我國地面沉降控制規范。進入80年代以來,我國地質災害研究得到了空前的發展,並逐步開展了重點地區的地質災害調查工作,編制了一系列地區性和全國性專門圖件;對海城地震、新灘滑坡、元陽滑坡等進行了成功的預報、對東川和寧南泥石流和天津市區地面沉降實施了有效控制。特別是90年代以來,我國政府積極響應「國際減災十年計劃」,地質災害研究得到進一步重視,開展了如「地震、地質災害及城市減災重大技術方法研究」等一批國家及省部級重點科技攻關項目的研究工作。這些都極大地推動了我國地質災害研究工作的進一步開展。使得我國的地質災害研究在勘察技術、預測預報水平、減災防災手段等方面逐步接近或達到了世界發達國家水平。總結近20年來我國地質災害研究的成果,比較突出的有以下幾個方面:
1.編制了一系列大型地質災害圖件
根據國家經濟建設的需求,由原地礦部組織編制了一些全國性大比例尺的地質災害調查圖件,如1991出版的《中國地質災害類型圖》(1:500萬)(葛中遠主編),1992年出版的《中國地質環境圖系》(中國水文地質工程地質勘察院主持編制),1996年出版的《中國分省地質災害圖集》(1∶60萬~1∶500萬)(段永侯主編)。這些圖件從宏觀上反映了我國地質災害類型、區域分布特點及發生規律。是我國目前部署地質災害勘察研究及制定防災、減災、環境保護政策和規劃的主要科學依據。作為重要成果,在國內外也得到了廣泛交流,在學術界有著重要的影響。
2.地面沉降防治工作取得突破性進展
進入80年代後,我國的地面沉降研究得到了空前的發展,其中以上海、天津的地面沉降研究卓見成效。在動態監測、沉降機理研究、預報模型以及降低地下水開采量和人工回灌等技術方面都取得了顯著成績,特別是在預測預報技術方面,地礦部水文地質工程地質研究所、岩溶地質研究所、上海地礦局和天津地礦局等單位,通過建立擬三維水流和一維地層壓密的耦合模型,模擬地下水的水平垂直運動、含水層內外水量交換、弱透水層中水的壓力變化以及動態過程中的一維固結壓縮。計算評價在最優環境影響狀態下,最大安全可采水資源及優化控制調度方案。對含水層在各種采灌條件下的變化規律及地面沉降幅度進行中長期預報。這些技術的研究與應用使我國地面沉降防治水平跨上了一個新的台階,擠身於世界先進水平之列。
3.地質災害信息系統建設空前繁榮
隨著「3S」技術(地理信息系統、遙感技術和全球定位系統)的發展與成熟,以此為支撐技術的地質災害信息系統和防災決策支持系統建設取得長足進展。一大批各具特色的系統軟體相繼開發出來,使地質災害的研究上升到一個新的水平。其中以由原地礦部水文地質工程地質研究所開發研製的「地質災害預測防治智能決策系統」最具代表性,該系統以地質災害預測防治為目標,將相關的資料庫、圖型庫、模型庫和知識庫融為一個「四庫一體」的耦聯整體,實現了四者技術的有機集成,使系統具有空間數據管理、分析處理、空間建模與知識推理的分析功能。可對地質災害進行時空演化預測、危險性區劃、災害經濟評價以及減災防災對策選擇的任務。在理論和技術上都取得了突破性進展,開創了建設大型地質災害決策支持系統的先例。
4.地質災害防治工程領域得到飛速發展
從1994年以來,國家每年投入了5000萬元專項基金用於地質災害治理,從而掀起了地質災害治理工作的熱潮,相繼實施了對鏈子崖危岩體、黃臘石滑坡、豆芽棚滑坡、雞冠嶺崩塌等專項治理工程,形成了一支集勘察、設計、施工為一體的地質工程隊伍,同時也使地質災害防治工程作為專門的工程技術領域逐漸發展起來,形成了一套相對成熟的技術方法,尤其是由中國水文地質工程地質勘察院開發的「地質災害防治工程設計支持系統」成功地應用於鏈子崖滑坡治理中,切實起到了災害治理的示範作用。
5.一些新理論新方法的發展與應用
隨著地質災害研究工作的不斷深入,一些新的理論與方法不斷涌現,並逐步得到了學術界的認可,比較有代表性的有:
(1)滑坡過程模擬與過程式控制制理論技術。成都理工學院的黃潤秋教授在岩土應力分析的基礎上,對滑坡從其孕育、發展演化、激發成災或防治控制進行全過程的計算機動態模擬。通過將現代數學-力學、非線性科學和計算機圖形圖像技術結合起來,對滑坡系統的全過程模擬模擬,直觀地理性的分析災害發生影響因素及其強度,再現災害發生的全過程。從而將滑坡災害定量化研究向前推進一步。
(2)地質災害風險性評價理論與方法。在我國將風險性評價引入地質災害研究工作中是從90年代開始的。到目前為止,地質災害風險性評價作為一個相對獨立的研究領域不斷地發展和深化。其基本思想是在評價災害自然危險性的同時,還考慮地區人口經濟密度和抗災性能等,即災害區易損性分析,將地質災害自然屬性和社會屬性結合起來,綜合評價災區地質災害發展狀況。經研院張梁等以崩塌滑坡、泥石流和岩溶塌陷為典型災種進行了研究,建立了一套評價指標體系和模型方法,為該領域研究的深入開展提供了範例。