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1、第七章 区域变形监测,7-1 大地形变概述,研究目的：研讨大地的时空变化，预测预报 一、地质构造 地壳运动产生地层的变形和破坏所形成的地层（岩层和岩体）的基本形态在空间的分布。 1、地质构造运动的分类 2、地壳活动的方式及特征 3、大地形变与构造的关系 4、大地形变与地震活动的关系 5、我国地壳形变研究概况 6、大地测量与 地震背景预报,二 地震,1 地震概述 地壳形变是孕震过程中地应力集中及演化直接产生的地壳运动效应。,1、地壳：地球最外面的一层，一般厚33公里（大陆）或7公里（海洋）。 2、地幔：介于地壳和地核之间的部分，平均厚度为2870公里左右。 3、地核： 地球的中心部分，半径为34
2、73公里左右。,地震分为天然地震和人工地震 1、天然地震主要是构造地震，它是由于地下深处岩石破裂、错动把长期积累起来的能量急剧释放出来，以地震波的形式向四面八方传播出去，到地面引起的房摇地动。构造地震约占地震总数的90%以上。其次是由火山喷发引起的地震，称为火山地震，约占地震总数的7%。此外，某些特殊情况下了也会产生地震，如岩洞崩塌（陷落地震）、大陨石冲击地面（陨石冲击地震）等。 2、人工地震是由人为活动引起的地震。如工业爆破、地下核爆炸造成的振动；在深井中进行高压注水以及大水库蓄水后增加了地壳的压力，有时也会诱发地震。 地震波发源的地方，叫作震源。震源在地面上的垂直投影，叫作震中。震中到震源
3、的深度叫作震源深度。通常将震源深度小于70公里的叫浅源地震，深度在70-300公里的叫中源地震，深度大于300公里的叫深源地震。破坏性地震一般是浅源地震。如1976年的唐山地震的震源深度为12公里。,地震的产生和类型,地震破坏建筑物的原因 1、地震动的惯性效应 2、地震动间接效应 大地震前宏观异常 1、动物异常：鱼上跃、牛马不进圈、鸭不下水、鸡上树、蛇出洞、鼠外逃等 2、地下水异常：发浑、翻花、涨落、冒气泡、变味等 3、地光：奇妙的光，低空多色 4、地声：像雷声、像狂风怒吼、像炮声、像机器声、像撕布声,我国的地震监测能力,30多年后的今天，中国地震局在全国建立了415个专业地震台站、20余个包
4、含近300个站（点）的遥测地震台网、560余个地方、企业观测站（点），1200余部短波、超短波电台组成的地震数据信息通信网络。按观测类别分，专业台站（点）中：测震有近600个站（点）800套仪器，强震观测台（点）240个，形变有160个站（点）297套仪器，电磁有近150余个站（点）280余套仪器，地下流体有近110个站（点）200套仪器；地方、企业台站（点）中：测震有近220个站（点）250余套仪器，形变有60余个站（点）65套仪器，电磁有120余个站（点）125套仪器，地下流体有300余个站（点）313套仪器。,2 研究地震活动的特征 1)研究确定地震频率、强度和震源的深浅 2)研究地震的
5、周期性 3)了解地震的分区特性 4)强震震中位移状况分析 3地形变前兆观测 伴随地震的孕育、发生将产生多方面的异常现象，如地震活动、地壳形变、地下流体变动、大地电场、磁场、重力场的异常变化，以及地壳介质多种物理性质的变化等。通常把这些与地震孕育和发生过程相关联的、在正常变化背景上所出现的异常变化称之为地震前兆。,我国目前开展三大类前兆学科的几十种前兆观测，主要观测项目如下,4 大地形变观测站的设计 1)地震强度分析 2)大地与地震形变观测站的设站原则 持久性和阶段性相结合 稳定可靠的控制点 观测线垂直于构造体的走向 地质构造区加密布点 选用适宜的高斯投影带 选择可靠的形变基准,5 我国地震预报
6、研究概况 1966年邢台地震以来，我们在地震预报及其研究方面，已初步建立起5大基础： 1建立了地震预测的多学科观测系统 目前，我国约有400多个地震观测台，1700多个前兆观测台，组成了多学科的观测系统。 2取得了一批中强以上乃至大地震的震例资料 自1966年以来，已取得123个5级以上震例资料，其中6级以上震例40个，7级以上震例14个。共获得2000余条前兆异常，其中地震学科异常约占1/3，其它学科异常约占2/3。,3建立了经验性预测的方法和判据（经验预报基础） 异常类型（趋势异常和突发性异常）与阶段预报（中期预报与短临预报）； 异常的统计特征（及其参量）与未来地震关系； 震级与异常种类、
7、数量、密度的关系； 震级与异常（趋势异常）持续时间、展布范围关系； 震中与异常分布范围、异常集中区关系。 异常群体的时空动态演化与未来地震发震地点、时间的关系； 4建立了地震分析预报技术系统（技术基础） 地震数据自动采集、传输系统； 数据处理和资料分析系统； 震情分析和演示系统。 5初步探索了地震孕育的理论和模型（初步的理论基础） 单个震源：组合模型、膨胀蠕动模型、坚固体孕震模型等； 成组地震：多应力集中点场、构造块体成组孕震模型、活动地块动力学模型等。,目前地震预测的最大困难 1、震源在地下，不能直接观测 2、异常变化与地震关系的不唯一性 3、各局部地区异常变化关系的复杂性 4、地震可能性前
8、前兆表现的差异性 5、各种观测方法在预报中的局限性 6、各种临震异常的短暂性 7、各种统计、类比、外推方法的局限性,7-2 城市地表变形观测,一 城市地表沉降概况 1 地面沉降严重 长三角在经济发展城市沉陷间抉择 在长三角(长江以南)10万平方公里的范围内，因为长期超采地下水，引起了区域性地面沉降与地裂缝等地质灾害，区内三分之一范围内累计沉降已超200毫米，面积近1万平方公里。其中上海市是我国发生地面沉降现象最早、影响最大、危害最严重的城市；江苏省的苏、锡、常地区，浙江省的杭、嘉、湖等地已经形成三个区域性沉降中心，最大累计沉降量分别达到2.63米、1.08米和0.82米，形成了三个大“漏斗”。
9、“长三角地区因地面沉降造成的经济损失共计为3150亿元”。,2 北京启动地面沉降预警 首都正在加速下沉 据市地勘局水文地质大队负责人介绍，北京供水三分之二来自地下水。近年来，由于地下水的超量开采，北京平原地面沉降呈快速增加趋势。到目前为止，在东郊八里庄大郊亭、东北郊来广营、昌平沙河八仙庄、大兴榆垡礼贤、顺义平各庄等地已经形成了五个较大的沉降区，沉降中心累计沉降量分别达到722毫米、565毫米、688毫米、661毫米、250毫米。最严重的地方，地表还在以每年20至30毫米的速度下沉。 由于地面沉降，北京城市基础设施受到一定程度的损害。在部分沉降区发现工厂、居民区楼房墙壁开裂、地基下沉、地下管道工
10、程损坏等50余处险情，一些建筑物的抗震能力和使用寿命也受到影响。,3 西安市区地面沉降 西安市的地面沉降主要发生在城区和近郊区。从1959年开始大范围的水准测量以来，截止1995年，累积沉降量超过200mm的范围。西起鱼化寨，东到纺织城，南抵三爻村，北至辛家庙，面积为145.5km2。 在西安沉降区内，11条地裂缝呈NNE向展布，把沉降区分割成同走向的条块体，使地面沉降水平方向的发展受到了制约。地面沉降区总体形态呈椭圆形，所形成的各个沉降漏斗水平扩展多限于两条地裂缝之间，形成了一系列NNE走向平面形态呈狭长的椭圆形沉降槽，其长轴方向与地裂缝走向基本一致。沉降槽一般是北深南浅，地裂缝南侧沉降量大
11、，形成地形变陡变带，地形上多呈陡坎或陡坡。 地面沉降的强度表现在累积沉降量与沉降速率大小上。 多年监测资料表明，地面沉降的空间分布极不均匀，总体规律是：累计沉降量在西安市东南郊较大，西北郊较小。沉降区内形成了7个沉降槽，中心分别位于北郊的辛家庙、西安交通大学、沙坡村、南郊的大雁塔什字、东八里村和西北工业大学。西安城郊大部分地区（除城区西北角外）累积沉降量均超过了600 mm ，有41 km2的地区超过了1000mm,东八里村、大雁塔什字、沙坡村、胡家庙沉降中心超过了2000 mm，其中东八里村地段达到2322 mm。 地面沉降强度的另一个指标是沉降速率。沉降速率超过100 mm/a的地区大约8
12、.5km2，分布在东八里村、省军区、大雁塔什字、沙坡村、胡家庙附近，与沉降中心基本吻合。沉降速率在50100 mm/a的地区约42.5km2,主要分布在西安市南郊、东郊及城区范围内，而西安市北郊、西郊及东郊纺织城地区沉降速率均小于50 mm/a。,西安市区地面沉降主要特征如下： 1、地面沉降中心与承压水降落漏斗基本一致 受水文地质条件及井群分布等因素的影响，地面沉降中心与承压水降落漏斗基本对应，二者的平面分布范围总体上呈NE向椭圆形，承压水水位下降大的地区，地面沉降量也相应的较大。 2、地面沉降速率的年内变化 由于一年内承压水各季度开采量不同，水位下降速率也不相同，因而导致了地面沉降速率年内的
13、变化，一般第三季度沉降量大，可占年内沉降量的30%50%。 3、地面沉降中心发展具有继承性 自1959年西安发生地面沉降以来，形成了小寨、沙坡、西工大及胡家庙等沉降中心，直到现在，这些沉降中心仍在发展，它们在时空上的分布与发展具有继承性。 4、地面沉降具有垂向发展迅速，水平扩展缓慢的特点 在井群分布基本不变而地下水持续超采的情况下，地面沉降范围水平扩展较缓慢，而垂向沉降发展迅速。,二 地面沉降概念,地面沉降是由多种因素引起的地表海拔缓慢降低的现象，是一种缓变的地质灾害，既会造成市政基础设施、道路桥梁、港区码头、地下管线和深井等直接损失，也会造成运力下降、挡潮和排水等间接损失。在美国50个州中，
14、大约有24个州由于开采地下水、石油和可燃性天然气而产生不同程度的地面沉降。意大利的威尼斯，素有“水都”之称，地面沉降非常严重，著名的市政府大楼罗内丹宫已下沉了3.18米。,三 城市地表沉陷观测 1 观测精度与周期 精度指标主要根据需要和年平均沉陷量大小、沉陷地区的面积选用国家二、三或四等水准进行。 城市观测周期,2 城市地表沉陷观测水准网布设 3 观测要求 1)闭合环路线尽量短 2)仪器、标尺和季节相对固定 3)水准路线在同一年观测时且同期进行 4)沉陷观测应从沉陷量大的地区向沉陷量小的地区推进 5)注间总结经验，掌握地表沉陷观测的规律，以便提高观测的精度,7-3 矿山地表移动监测,一 地表移
15、动规律 1 地下采动是变形破坏的根源 2 采动变形破坏边界的划分 3 常用的基本概念(地表移动盆地，非充分采动，充分采动，地表移动盆地主断面) 4 地表移动规律的特征 a 移动盆地位于采区正上方，盆地形状与采空区成对称分布 b 地表移动盆地的平底部分位于采空区中央的正上方 c 下沉曲线的拐点(即二分之一之处)位于采区边界线正上方或偏向采空区一侧一段距离,二 地表移动参数的观测 1 观测目的： a 确定地表移动边界角，断裂角，下沉系数，水平移动系数，拐点偏移距和时间系数 b 确定地表移动与变形分布状况 c 了解地表移动和变形与地质采矿条件的关系,2 地表观测站的设计 地表移动设计书内容： 1)
16、设置观测站的目的 2)地质和水文地质说明 3)采矿技术条件，管理方法，采区大小及布置 4)观测线的设计：平面位置，长度，工作测点和控制点的数量，点的间距 5)观测点的结构及埋设方法 6)观测项目，方法，精度，时间及仪器 7)观测资料的整 理方法 8)观测站的材料消耗及费用概算 地表移动观测站设计书应绘制的图纸：观测站平面图和观测线剖面图,3 观测站的布置 1) 确定观测位置 2)确定观测线长度和测点位置 4观测工作 1)观测内容：连接测量，全面测量，巡视测量，加密水准测量 2)观测方法及精度要求,5 观测成果整理 1) 观测成果的计算 野外观测记录的检查 各点高程计算 计算各测点间沿线方向的水
17、平距离 工作点移动值的计算 变形值的计算 计算横向水平移动 2) 绘制各种成果图 观测站平面图和测线剖面图 地表移动和变形曲线图 3) 地表移动变形参数的确定,7-4 滑坡观测,一 滑坡变形概念：指的是地表斜坡上的岩土层在重力作用下，以一个较大整体，沿着某一滑面向下滑动的现象。 二 滑坡变形的力学机理 1 下滑力：由岩体自身重力产生 2 滑动条件：指各种促使岩体滑动的外部因素 三 滑坡变形的影响因素 1斜坡表土土石性质因素 2 地质构造条件因素 3 水的影响作用 4 人为因素的影响,四 滑坡变形的类型 1 均匀滑坡 2 顺层滑坡 3 切层滑坡 五 滑坡观测 1 观测点的布置 2 观测周期 六 滑坡观测成果 1成果计算 2表 3滑坡变形图,七 滑坡变形预防 滑坡变形观测的目的是研究滑坡变形规律，为防治滑坡提供依据。 1 增强岩体的搞滑能力措施 2 改变岩石物理性质的防滑措施 3 消除或减弱滑坡产生的措施 指保护脚免受地表水流的冲刷，禁止人为破坏坡脚，以及修筑导流堤、防护堤。,7-5 大地形变监测系统,中国大陆地壳形变监测系统 区域地壳形变监测系统 断层形变系统 固体潮汐形变监测系统,