肖文進，張建國，朱繼良，張忠義，蔡厚安，張普斌，賈潤幸

(1.有色金屬礦產(chǎn)地質調(diào)查中心，北京 100012；2.中國地質調(diào)查局水文地質環(huán)境地質調(diào)查中心，河北 保定 071051)

0 引言

工作區(qū)位于太原市南部，晉中斷陷盆地北部，涉及清徐縣、榆次區(qū)及太谷縣，屬太原市、晉中市管轄。地理坐標東經(jīng)112°10′～113°07′，北緯37°12′～37°51′，為太原都市圈“一核一圈三群”中“一圈”重要組成部分，總面積大約2973.23 km2，是帶動山西省經(jīng)濟發(fā)展的重要增長，在太原市“東迎西拓、南展北引”城市發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃、城市南遷擴容發(fā)揮著獨特的區(qū)位優(yōu)勢，近年已有一些院校、工業(yè)產(chǎn)業(yè)園相繼落戶。為太原都市圈經(jīng)濟發(fā)展，在重大工程場地選址、國土資源規(guī)劃、工程建設、減災防災中，提供相關地殼穩(wěn)定性分級資料，2019年開展了“太原-晉中城市群活動斷層及資源環(huán)境綜合地質調(diào)查項目”，進行了該區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價。從目前收集資料看，圍繞晉中盆地開展的構造活動與地質災害、重力異常、應力場變化特征與地震方面研究內(nèi)容比較多（劉明清等，1999；郭良遷等，2004；瞿偉等，2012；陳元明，2016；鮑小魯，2018），但開展區(qū)域穩(wěn)定性評價工作則較少。區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價理論自80年代至20世紀末區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價理論逐漸完善和系統(tǒng)化，而且呈現(xiàn)多學科發(fā)展趨勢，評價方法也由定性化轉為定量化。目前區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價主要評價方法有經(jīng)驗定性評價法、模糊評判法、主因素判斷法、半定量評價法等（胡海濤，2001）。近年來隨著計算機應用，采用專家打分法、多因子疊加分析評價方法以及基于GIS平臺的柵格運算評價方法逐漸成為一種趨勢(杜建軍等，2008；程宏超等，2018；袁星芳等，2018；張樹軒等，2018)，本次基于GIS平臺，參照《活動斷層與區(qū)域地殼穩(wěn)定性調(diào)查評價規(guī)范（1∶50000、1∶250000）》（DD2015-02）地質規(guī)范，采用多因素加權疊加分析方法，選取10個評價指標，建立了區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價模型，開展了定量化評價。將研究區(qū)分為次穩(wěn)定區(qū)、次不穩(wěn)定區(qū)和不穩(wěn)定區(qū)，介紹了各等級地質特征、防治措施、利用措施，在次穩(wěn)定區(qū)提出了“安全島”。

1 區(qū)域地質環(huán)境

工作區(qū)位于山西斷陷盆地的晉中盆地北部，地貌格局為NE—SW走向的斜長形斷陷盆地。盆地形成與發(fā)展受活動斷層控制，東南有太谷大斷裂，北西有交城大斷裂，東有東山山前斷裂、南有三泉斷裂，為北東或北北西走向的高角度正斷層。汾河從盆地中部縱貫南北，把盆地分為東、西兩部分，盆地構成由汾河及其支流堆積而成的廣闊沖積、洪積平原，地形開闊平坦，海拔700～900 m，四周為丘陵和山區(qū)環(huán)繞。地勢北高南低，向盆地內(nèi)呈階梯狀下降。地層有古生界奧陶系、二疊系、石炭系煤系以及三疊系地層。在第四紀時，盆地開始全面下沉，在此期間沉積汾河群覆蓋了盆地所有凸起和斷陷，厚度400 m左右。由下至上：下更新統(tǒng)泥河灣組、中更新統(tǒng)離石組、上更新統(tǒng)丁村組、馬蘭組、峙峪組以及全新統(tǒng)地層。

2 區(qū)域地殼穩(wěn)定性影響因素分析

2.1 區(qū)域構造穩(wěn)定性分析

2.1.1 地震的活動性

地震動峰值加速度是一個地點遭受地震作用所產(chǎn)生的地面影響的量化指標之一。晉中盆地地震峰值加速度沿北東向盆地較高，為0.2 g，以山前斷裂為界，由盆地向兩側隆起逐漸降低，為0.15 g。區(qū)域內(nèi)地震密集成帶，主要集中分布于斷陷盆地及盆地邊緣地區(qū)，呈NE或NNE向排列，歷史上晉中斷陷盆地區(qū)域內(nèi)共記錄到破壞性地震（M≥4.7）69次，其中8.0～8.9級地震1次，7.0～7.9級地震4次，6.0～6.9級地震7次，5.0～5.9級地震41次，4.7～4.9級地震16次，研究區(qū)分布有4.0～4.9級震級、5.0～5.9級震級以及6.0～6.9級震級（圖1）。

2.1.2 新構造活動

（1）斷陷盆地質變形特征

晉中盆地在上新世以來，一直處于伸展、斷陷狀態(tài)，總的趨勢是以盆地邊界斷裂為界，邊山持續(xù)隆升，盆地急劇下降。水平形變速率場運動方向一直在不斷變化中，由汶川地震前的近SN向轉為SSW向或SW向，SE向的運動也轉為SSE向，平均形變速率由原來2 mm/a變增為4 mm/a（張淑亮等，2017）。地殼應力場以NW—NNW向水平拉張、NE—NEE向擠壓作用為主，平均應力場主壓應力方向N70°E，主張應力方向N340°W，仰角小于10°，中間應力軸直立（劉巍等，1994），變形測量表明，區(qū)域地殼垂直形變場的變化趨勢與新構造運動的格局基本一致，反映出現(xiàn)今地殼運動具有繼承性活動特點：盆地垂直形變總體是持續(xù)性相對周圍山區(qū)下沉，1986～1991年晉中盆地下降速率約4 mm/a以上，而山區(qū)和橫向隆起區(qū)持續(xù)抬升，上升速率一般以2～3 mm/a（王秀文等，2001），2001—2006年太原盆地整體以 21.8mm/a 的速率沉降，多以繼承性沉降疊加后期地下水開采引起的地表沉降的綜合效應（玄松柏等，2014），交城斷裂拉張位移速率為3.22 mm/a，太谷拉張位移速率3.72 mm/a（郭良遷等，2004），因伸展、斷陷作用，造成盆地內(nèi)地裂縫分布廣泛（瞿偉等，2012）。

（2）活動斷裂特征

活動斷裂是新構造運動的主要表現(xiàn)形式。區(qū)內(nèi)新構造活動跡象在地貌景觀、第四系建造、新構造形變、現(xiàn)代地形變、歷史及近期地震活動及某些溫泉露頭等方面均有表現(xiàn)?；顒訑嗔巡粌H控制了盆地構造演化歷史，而且控制了盆地周邊形態(tài)?；顒訑嗔阎饕蠳E向和NNW向兩組，多為正斷層性質，近山區(qū)一側上升，而近盆地一側下降，主要有交城斷裂、祁縣—東陽斷裂、平遙—太谷斷裂、洪山—范村斷裂、榆次—北田斷裂、三泉斷裂和田莊斷裂等（表1）。

表1 晉中盆地主要活動斷裂特征表

2.2 地表穩(wěn)定性分析

2.2.1 地質災害

境內(nèi)不同地貌單元內(nèi)地層巖性、地質構造、地形變化、降水量及水動力條件、人類經(jīng)濟工程活動等與地質災害形成發(fā)展密切相關的地質環(huán)境條件差異較大，清徐縣地質災害主要為采煤引起的地面塌陷、以及沿斷裂一帶地裂縫（張忠義等，2020）；太谷縣地質災害主要為地裂縫、崩塌、滑坡、泥石流、不穩(wěn)定斜坡；榆次區(qū)地質災害北部因采煤誘發(fā)的地面塌陷、地裂縫、滑坡、崩塌等，東南部基巖山區(qū)為崩塌、滑坡，太谷縣境內(nèi)地裂縫和榆次區(qū)地裂縫除與構造地裂縫有關外，還與地下水超采有關（孫曉涵等，2016）。地質災害易發(fā)分區(qū)分為四類：

（1）不易發(fā)區(qū)：包括沖洪積平原、黃土臺地、黃土丘陵、溶蝕、侵蝕中山等地貌類型，分布于清徐南部及東部，以第四系松散土體為主。

（2）弱易發(fā)區(qū)：地貌類型為沖積平原區(qū)，分布于清徐東北、榆次西部盆地范圍。主要巖性為沖洪積亞砂土、亞粘土、粘土及砂礫石層，屬松軟土體類型。地下水主要為松散巖類孔隙水，其潛層孔隙水已經(jīng)基本疏干，有供水意義的主要為中深層孔隙水。主要環(huán)境地質問題：地面沉降、活動斷裂、地下水水位超常下降、地下水水質污染等。如榆次南部地面沉降，地下水漏斗。地面沉降導致一些村莊建筑物不同程度裂縫、歪斜、倒塌，因標高降低而導致排水困難。

（3）中等易發(fā)區(qū)：地貌類型為侵蝕、剝蝕構造中低山區(qū)及山間盆地。分布于太谷東部、榆次區(qū)東部，巖性為三疊系砂巖、砂頁巖及第四系上更新統(tǒng)黃土，堅硬-半堅硬及松軟型巖土體。山區(qū)含水層為中細砂巖風化裂隙、層間裂隙，水量貧乏-中等。榆次山間盆地含水巖性為第四系砂卵礫石，水量中等，滑坡、崩塌發(fā)育，規(guī)模小，數(shù)量較多，損失較嚴重，危害性一般。

（4）強易發(fā)區(qū)：出露巖性有石炭系、二疊系砂、泥巖及第四系黃土、煤層發(fā)育。分布于清徐西北部、榆次區(qū)西側，屬堅硬-半堅硬巖體類型及松軟土體類型。地下水為碎屑巖類裂隙水，水量不大，以泉水形式出露。主要環(huán)境地質問題：滑坡、崩塌、采煤造成的地面塌陷、地裂縫和礦坑突水，規(guī)模大，危害嚴重。滑坡以基巖滑坡為主，分布廣，危害大。崩塌多發(fā)生于山間谷地，規(guī)模不大，卻經(jīng)常造成損失，采煤造成的地面塌陷、地裂縫，危害程度極大。

2.2.2 巖土體類型特征

該區(qū)巖土體類型為四類：①堅硬厚層、巨厚層砂巖、碎屑巖體，夾有軟、較堅硬薄層、厚層泥砂巖互層碎屑巖體；②半堅硬軟弱互層狀砂巖、泥巖、粉砂巖巖體、軟弱夾堅硬薄層夾厚層長石砂巖巖體、煤層；③松散土體-均一粘性土體：軟薄層狀粘性土、粘性土單層土體、砂土粉土、砂礫石多層土體，分布于Q3地層；④碎石類土體，黃土類土體：砂土層、砂、砂礫石單層土體、亞砂土夾古土壤、粘性土、砂礫卵石多層土體、斷層破碎巖，分布于Q3、Q4地層。

2.2.3 構造地貌特征

工作區(qū)地貌由盆地向兩側地勢逐漸變高，由外側向盆地，大致分（剝蝕）中低山區(qū)、洪積扇區(qū)、沖積平原區(qū)三大地貌單元，沖積平原區(qū)向山區(qū)間夾丘陵區(qū)和河谷區(qū)。按構造地貌特征分為3個級別：①沖積平原、黃土梁、峁，山間凹地，分布于清徐南及太谷縣西；②丘陵，剝蝕殘丘，洪積扇，坡積裙，階地，多分布盆山過渡地段、沖積平原中的丘陵、殘丘；③剝蝕山地、丘陵，河床，河間地塊、河漫灘，分布在清徐北山區(qū)、太谷東南山區(qū)、榆次區(qū)東部。

3 區(qū)域穩(wěn)定性評價

3.1 區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價指標選取與評價步驟

3.1.1 評價思路

根據(jù)收集的地質資料，采用指標評價法、專家經(jīng)驗打分法權值分配，參照相關地質規(guī)范，開展本次區(qū)域穩(wěn)定性評價。在評價指標權重分配中，要對收集的各要素資料進行綜合分析，合理劃定權重分配原則：①重要程度大?。簩Ψ€(wěn)定性貢獻大者其權值相應大；②評價因子相關性：主動因素權值大，受制約的因素權值?。虎圪Y料可靠性：可靠程度高者權值大，比例尺大的要素適當提高權重，比例尺小的要素適當降低權重，以增加最終評價結果的合理性和區(qū)分度；④各權數(shù)集應滿足歸一性和非負性。

構造穩(wěn)定性選取地震動峰值加速度、地震震級、地塊特征、活動斷裂、地表變形、布格重力異常、地熱流異常等指標進行評價（表2）；地表穩(wěn)定性選取活動斷層展布特征、地質災害、巖土體類型、構造地貌指標進行地表穩(wěn)定性評價（表3）；活動斷裂根據(jù)評價規(guī)范分四類，并分別進行賦值。獲取各評價指標在GIS軟件平臺上進行相應數(shù)字化、格式轉換、投影糾正、分層及屬性編碼，建立研究對象的空間數(shù)據(jù)庫，編制各單指標分類評價圖件。在構造及地表穩(wěn)定性評價的基礎上，進一步賦值判別疊加分解，對區(qū)域穩(wěn)定性結果進行判別評價、圖件編制，最后按研究區(qū)，完成圖件裁剪重分類，最終得到研究區(qū)地殼穩(wěn)定性評價圖。

表2 構造穩(wěn)定性評價基本指標及分級標準

表3 地表穩(wěn)定性評價指標及分級標準

3.1.2 評價步驟

對各指標數(shù)據(jù)進行處理，數(shù)據(jù)來源和數(shù)據(jù)處理方法：研究區(qū)總面積 0.30×104km2，范圍較大，故計算單元按 50 m×50 m 選取，可基本達到 1∶10萬精度。其中點要素地震震級分布，采用反距離權重空間插值法進行分析，柵格化后重分類；線要素為活動斷裂，采用專家分析法，進行斷裂活動性強弱分類后，按影響半徑進行環(huán)狀緩沖分析，各圖層與工作區(qū)進行交集運算后，進行聯(lián)合分析，除去重合部分，進行合理分界，轉柵格重分類。其它線要素：如地熱流異常圖件矢量化后，采用線轉面、柵格化后重分類；面要素包括地質災害、巖土體特征、地貌分布特征、地塊分布特征、地震峰值加速度、重力布格梯度異常、地熱流異常，在矢量化的基礎上，面轉柵格重分類。對各指標通過代數(shù)計算器，對其結果賦值重分類后，得到評價圖件。

3.2 區(qū)域地殼穩(wěn)定性評價結果

依據(jù)以上各評價指標的權值，采用多指標加權疊加法，建立如下穩(wěn)定性評價計算模型。

構造穩(wěn)定性（GZ）=“fengjia”×0.18 +“dizhen”×0.13+“dikuai”×0.17+“fault”×0.25 +“bianxing”×0.08+“gravity”×0.09+“reliu”×0.10；地表穩(wěn)定性（DB）=“fault”×0.40+“dizai”× 0.25 +“yantu”×0.20+“dimao”×0.15；地殼穩(wěn)定性（DQ）=“GZ”+“DB”。

根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結果，使分區(qū)的區(qū)域穩(wěn)定性評價結果，符合以構造穩(wěn)定性為主導，以地表穩(wěn)定性為輔助，按單元格的ID號進行疊加，依據(jù)地表穩(wěn)定性和構造穩(wěn)定性劃分的區(qū)域地殼穩(wěn)定性對應關系，進行以構造為主的分類，進行判別，為穩(wěn)定性等級賦值，選取穩(wěn)定性等級，進行重分類，得到太原南部地殼穩(wěn)定性定量評價結果（圖2），共三個穩(wěn)定性級別。研究區(qū)次穩(wěn)定區(qū)面積為1200.77 km2，占總面積的40.39%；次不穩(wěn)定區(qū)面積1009.20 km2，占總面積的33.94%；不穩(wěn)定區(qū)面積為763.26 km2，占總面積的25.67%。各分區(qū)地質特征概述如下：

圖2 太原南部地殼穩(wěn)定性分區(qū)圖

（1）次穩(wěn)定分區(qū)（Ⅱ）：分7個小區(qū)，遠離盆地強、較強活動斷裂帶，地貌為沖積平原、傾斜平原或分布基巖的中低山區(qū)，榆次區(qū)為沖積平原、黃土臺源、梁峁，其北部見崩塌、滑坡地質災害，屬地質災害低發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)，工程地質條件比較好，在采取一定的工程措施后，適宜工程建筑，榆次南部應注意控制地下水過量開采，預防誘發(fā)地面沉降，開展地面觀察、變形測量。該分區(qū)是政府建設規(guī)劃用地的“安全島”，可以規(guī)劃公共服務用地，開展教育產(chǎn)業(yè)基地、工業(yè)產(chǎn)業(yè)園、大型社區(qū)建設。其中6個小區(qū)的Ⅱ2分區(qū)，面積469.94 km2。具有明顯地理優(yōu)勢，為沖積（傾斜）平原區(qū)，地勢平坦，地質構造不發(fā)育，為研究區(qū)“安全島”首選之地。

（2）次不穩(wěn)定分區(qū)（Ⅲ）：分5小區(qū)，處于較強、中等或弱斷裂帶旁側。北東向、北西向次一級斷裂發(fā)育，地貌為中低山區(qū)、洪積扇、沖積平原或山間盆地，太谷東南部中低山區(qū)存在不穩(wěn)定斜坡、崩塌、滑坡現(xiàn)象，榆次東南存在滑坡，榆次區(qū)巖土體以粘性土、黃土多層或單層土體體為主，屬地質災害中發(fā)區(qū)。該區(qū)臨近斷裂的公路、道路，應開展地質災害日常監(jiān)測，及時處理和預防滑坡、提高斜坡穩(wěn)定程度。該區(qū)可進行工業(yè)產(chǎn)業(yè)園建設，扶持農(nóng)業(yè)和種植業(yè)，促進地方林特產(chǎn)規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，服務于地方建設，中低山區(qū)宜發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)、中藥材種植，打造“農(nóng)家樂、森林公園”特色觀光旅游，推進地熱溫泉、民俗休閑產(chǎn)業(yè)發(fā)展，多聚道促進地方經(jīng)濟發(fā)展。

（3）不穩(wěn)定分區(qū)（Ⅳ）：分3小區(qū)，分布于盆山過渡帶，處于強活動北東向交城斷裂帶及兩側，強―較強的北東向太谷斷裂、東陽―祁縣斷裂帶以及北北西向鳴謙北田斷裂斷裂帶，地貌為低中山、或低中山向洪積扇過渡區(qū)、河谷溝谷，西北部、東南部地形起伏較大，巖土體為碎石土、較硬長石砂巖、薄弱層泥頁巖煤層互層，滑坡、泥石流、地裂縫發(fā)育，靠近中低山區(qū)不穩(wěn)定斜坡、滑坡發(fā)育，清徐西北部、榆次北部因采煤活動，造成嚴重地面塌陷、地裂縫，因地下水開采，太谷一帶地裂縫近年有擴大局勢。屬地質災害易發(fā)區(qū)或高易發(fā)區(qū)。該區(qū)建筑選址應遠離斷裂帶，選擇合理避讓距離，做好居民遷移和搬遷，清徐北和榆次南應科學采煤，開展礦山生態(tài)修復，斷裂帶適宜開展綠化帶建設，開展葡萄園、棗樹園規(guī)模化，京昆高速、S316省道、縣村級道路，做好地質災害監(jiān)測，修建災害防治工程，阻止坡體滑動，提高斜坡穩(wěn)定程度。

4 結論與建議

（1）工作區(qū)域地殼穩(wěn)定性影響因素包括活動斷裂、地震動峰值加速度、地震震級、地塊、重力異常、大地地熱流、地質災害、工程巖組、構造地貌等。對評價指標采用多因素加權疊加法、專家經(jīng)驗打分法，進行地殼穩(wěn)定性評價，劃分了次穩(wěn)定區(qū)、次不穩(wěn)定區(qū)及不穩(wěn)定區(qū)3個等級。研究區(qū)以次穩(wěn)定和次不穩(wěn)定區(qū)為主，總面積為2209.97 km2，約占總面積的74.33%。

（2）斷裂活動性與穩(wěn)定性評價關系最為密切，一般遠離活動斷裂，地殼穩(wěn)定性偏向穩(wěn)定。次穩(wěn)定區(qū)多分布在遠離盆地強、較強活動斷裂帶的區(qū)域；不穩(wěn)定區(qū)分布于盆山過渡帶、結合部，處于北東向強活動交城斷裂帶兩側或交匯部位，強―較強的活動東陽―祁縣斷裂、太谷斷裂、或北北西向鳴謙北田斷裂斷裂帶或附近；而次不穩(wěn)定區(qū)處于較強、中等或弱斷裂帶旁側。

（3）不同地殼穩(wěn)定性分區(qū)，應選取不同的防治措施和合理的利用規(guī)劃。次不穩(wěn)定區(qū)應注意地質滑坡體滑動、崩塌、不穩(wěn)定斜坡的發(fā)生，可進行產(chǎn)業(yè)園建設，扶持農(nóng)業(yè)、林特產(chǎn)發(fā)展，中低山區(qū)發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)、藥材種植、特色旅游；不穩(wěn)定分區(qū)建筑選址遠離斷裂帶，對地裂縫發(fā)育地段做好居民遷移和搬遷，控制地面塌陷和地裂縫誘發(fā)，斷裂帶開展綠化帶建設和林特產(chǎn)種植，對京昆高速等做好地質災害監(jiān)測，采取抗滑垛、抗滑樁、抗滑墻等措施，防患于未然。

（4）次穩(wěn)定區(qū)可作為政府建設規(guī)劃用地的“安全島”，分布于清徐縣次穩(wěn)定區(qū)的Ⅱ2分區(qū)為首選之地，山西省重點建設工程—蕭河產(chǎn)業(yè)園就處于該位置，多為沖積（傾斜）平原區(qū)、地勢平坦，可作為公共服務用地、開展教育產(chǎn)業(yè)基地、工業(yè)產(chǎn)業(yè)園、住宅建設、大型社區(qū)建設。