基于GIS平台的太原南部区域地壳稳定性评价

肖文进，张建国，朱继良，张忠义，蔡厚安，张普斌，贾润幸

(1.有色金属矿产地质调查中心，北京 100012；2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

0 引言

工作区位于太原市南部，晋中断陷盆地北部，涉及清徐县、榆次区及太谷县，属太原市、晋中市管辖。地理坐标东经112°10′～113°07′，北纬37°12′～37°51′，为太原都市圈“一核一圈三群”中“一圈”重要组成部分，总面积大约2973.23 km2，是带动山西省经济发展的重要增长，在太原市“东迎西拓、南展北引”城市发展战略规划、城市南迁扩容发挥着独特的区位优势，近年已有一些院校、工业产业园相继落户。为太原都市圈经济发展，在重大工程场地选址、国土资源规划、工程建设、减灾防灾中，提供相关地壳稳定性分级资料，2019年开展了“太原-晋中城市群活动断层及资源环境综合地质调查项目”，进行了该区域地壳稳定性评价。从目前收集资料看，围绕晋中盆地开展的构造活动与地质灾害、重力异常、应力场变化特征与地震方面研究内容比较多（刘明清等，1999；郭良迁等，2004；瞿伟等，2012；陈元明，2016；鲍小鲁，2018），但开展区域稳定性评价工作则较少。区域地壳稳定性评价理论自80年代至20世纪末区域地壳稳定性评价理论逐渐完善和系统化，而且呈现多学科发展趋势，评价方法也由定性化转为定量化。目前区域地壳稳定性评价主要评价方法有经验定性评价法、模糊评判法、主因素判断法、半定量评价法等（胡海涛，2001）。近年来随着计算机应用，采用专家打分法、多因子叠加分析评价方法以及基于GIS平台的栅格运算评价方法逐渐成为一种趋势(杜建军等，2008；程宏超等，2018；袁星芳等，2018；张树轩等，2018)，本次基于GIS平台，参照《活动断层与区域地壳稳定性调查评价规范（1∶50000、1∶250000）》（DD2015-02）地质规范，采用多因素加权叠加分析方法，选取10个评价指标，建立了区域地壳稳定性评价模型，开展了定量化评价。将研究区分为次稳定区、次不稳定区和不稳定区，介绍了各等级地质特征、防治措施、利用措施，在次稳定区提出了“安全岛”。

1 区域地质环境

工作区位于山西断陷盆地的晋中盆地北部，地貌格局为NE—SW走向的斜长形断陷盆地。盆地形成与发展受活动断层控制，东南有太谷大断裂，北西有交城大断裂，东有东山山前断裂、南有三泉断裂，为北东或北北西走向的高角度正断层。汾河从盆地中部纵贯南北，把盆地分为东、西两部分，盆地构成由汾河及其支流堆积而成的广阔冲积、洪积平原，地形开阔平坦，海拔700～900 m，四周为丘陵和山区环绕。地势北高南低，向盆地内呈阶梯状下降。地层有古生界奥陶系、二叠系、石炭系煤系以及三叠系地层。在第四纪时，盆地开始全面下沉，在此期间沉积汾河群覆盖了盆地所有凸起和断陷，厚度400 m左右。由下至上：下更新统泥河湾组、中更新统离石组、上更新统丁村组、马兰组、峙峪组以及全新统地层。

2 区域地壳稳定性影响因素分析

2.1 区域构造稳定性分析

2.1.1 地震的活动性

地震动峰值加速度是一个地点遭受地震作用所产生的地面影响的量化指标之一。晋中盆地地震峰值加速度沿北东向盆地较高，为0.2 g，以山前断裂为界，由盆地向两侧隆起逐渐降低，为0.15 g。区域内地震密集成带，主要集中分布于断陷盆地及盆地边缘地区，呈NE或NNE向排列，历史上晋中断陷盆地区域内共记录到破坏性地震（M≥4.7）69次，其中8.0～8.9级地震1次，7.0～7.9级地震4次，6.0～6.9级地震7次，5.0～5.9级地震41次，4.7～4.9级地震16次，研究区分布有4.0～4.9级震级、5.0～5.9级震级以及6.0～6.9级震级（图1）。

2.1.2 新构造活动

（1）断陷盆地质变形特征

晋中盆地在上新世以来，一直处于伸展、断陷状态，总的趋势是以盆地边界断裂为界，边山持续隆升，盆地急剧下降。水平形变速率场运动方向一直在不断变化中，由汶川地震前的近SN向转为SSW向或SW向，SE向的运动也转为SSE向，平均形变速率由原来2 mm/a变增为4 mm/a（张淑亮等，2017）。地壳应力场以NW—NNW向水平拉张、NE—NEE向挤压作用为主，平均应力场主压应力方向N70°E，主张应力方向N340°W，仰角小于10°，中间应力轴直立（刘巍等，1994），变形测量表明，区域地壳垂直形变场的变化趋势与新构造运动的格局基本一致，反映出现今地壳运动具有继承性活动特点：盆地垂直形变总体是持续性相对周围山区下沉，1986～1991年晋中盆地下降速率约4 mm/a以上，而山区和横向隆起区持续抬升，上升速率一般以2～3 mm/a（王秀文等，2001），2001—2006年太原盆地整体以 21.8mm/a 的速率沉降，多以继承性沉降叠加后期地下水开采引起的地表沉降的综合效应（玄松柏等，2014），交城断裂拉张位移速率为3.22 mm/a，太谷拉张位移速率3.72 mm/a（郭良迁等，2004），因伸展、断陷作用，造成盆地内地裂缝分布广泛（瞿伟等，2012）。

（2）活动断裂特征

活动断裂是新构造运动的主要表现形式。区内新构造活动迹象在地貌景观、第四系建造、新构造形变、现代地形变、历史及近期地震活动及某些温泉露头等方面均有表现。活动断裂不仅控制了盆地构造演化历史，而且控制了盆地周边形态。活动断裂主要有NE向和NNW向两组，多为正断层性质，近山区一侧上升，而近盆地一侧下降，主要有交城断裂、祁县—东阳断裂、平遥—太谷断裂、洪山—范村断裂、榆次—北田断裂、三泉断裂和田庄断裂等（表1）。

表1 晋中盆地主要活动断裂特征表

2.2 地表稳定性分析

2.2.1 地质灾害

境内不同地貌单元内地层岩性、地质构造、地形变化、降水量及水动力条件、人类经济工程活动等与地质灾害形成发展密切相关的地质环境条件差异较大，清徐县地质灾害主要为采煤引起的地面塌陷、以及沿断裂一带地裂缝（张忠义等，2020）；太谷县地质灾害主要为地裂缝、崩塌、滑坡、泥石流、不稳定斜坡；榆次区地质灾害北部因采煤诱发的地面塌陷、地裂缝、滑坡、崩塌等，东南部基岩山区为崩塌、滑坡，太谷县境内地裂缝和榆次区地裂缝除与构造地裂缝有关外，还与地下水超采有关（孙晓涵等，2016）。地质灾害易发分区分为四类：

（1）不易发区：包括冲洪积平原、黄土台地、黄土丘陵、溶蚀、侵蚀中山等地貌类型，分布于清徐南部及东部，以第四系松散土体为主。

（2）弱易发区：地貌类型为冲积平原区，分布于清徐东北、榆次西部盆地范围。主要岩性为冲洪积亚砂土、亚粘土、粘土及砂砾石层，属松软土体类型。地下水主要为松散岩类孔隙水，其潜层孔隙水已经基本疏干，有供水意义的主要为中深层孔隙水。主要环境地质问题：地面沉降、活动断裂、地下水水位超常下降、地下水水质污染等。如榆次南部地面沉降，地下水漏斗。地面沉降导致一些村庄建筑物不同程度裂缝、歪斜、倒塌，因标高降低而导致排水困难。

（3）中等易发区：地貌类型为侵蚀、剥蚀构造中低山区及山间盆地。分布于太谷东部、榆次区东部，岩性为三叠系砂岩、砂页岩及第四系上更新统黄土，坚硬-半坚硬及松软型岩土体。山区含水层为中细砂岩风化裂隙、层间裂隙，水量贫乏-中等。榆次山间盆地含水岩性为第四系砂卵砾石，水量中等，滑坡、崩塌发育，规模小，数量较多，损失较严重，危害性一般。

（4）强易发区：出露岩性有石炭系、二叠系砂、泥岩及第四系黄土、煤层发育。分布于清徐西北部、榆次区西侧，属坚硬-半坚硬岩体类型及松软土体类型。地下水为碎屑岩类裂隙水，水量不大，以泉水形式出露。主要环境地质问题：滑坡、崩塌、采煤造成的地面塌陷、地裂缝和矿坑突水，规模大，危害严重。滑坡以基岩滑坡为主，分布广，危害大。崩塌多发生于山间谷地，规模不大，却经常造成损失，采煤造成的地面塌陷、地裂缝，危害程度极大。

2.2.2 岩土体类型特征

该区岩土体类型为四类：①坚硬厚层、巨厚层砂岩、碎屑岩体，夹有软、较坚硬薄层、厚层泥砂岩互层碎屑岩体；②半坚硬软弱互层状砂岩、泥岩、粉砂岩岩体、软弱夹坚硬薄层夹厚层长石砂岩岩体、煤层；③松散土体-均一粘性土体：软薄层状粘性土、粘性土单层土体、砂土粉土、砂砾石多层土体，分布于Q3地层；④碎石类土体，黄土类土体：砂土层、砂、砂砾石单层土体、亚砂土夹古土壤、粘性土、砂砾卵石多层土体、断层破碎岩，分布于Q3、Q4地层。

2.2.3 构造地貌特征

工作区地貌由盆地向两侧地势逐渐变高，由外侧向盆地，大致分（剥蚀）中低山区、洪积扇区、冲积平原区三大地貌单元，冲积平原区向山区间夹丘陵区和河谷区。按构造地貌特征分为3个级别：①冲积平原、黄土梁、峁，山间凹地，分布于清徐南及太谷县西；②丘陵，剥蚀残丘，洪积扇，坡积裙，阶地，多分布盆山过渡地段、冲积平原中的丘陵、残丘；③剥蚀山地、丘陵，河床，河间地块、河漫滩，分布在清徐北山区、太谷东南山区、榆次区东部。

3 区域稳定性评价

3.1 区域地壳稳定性评价指标选取与评价步骤

3.1.1 评价思路

根据收集的地质资料，采用指标评价法、专家经验打分法权值分配，参照相关地质规范，开展本次区域稳定性评价。在评价指标权重分配中，要对收集的各要素资料进行综合分析，合理划定权重分配原则：①重要程度大小：对稳定性贡献大者其权值相应大；②评价因子相关性：主动因素权值大，受制约的因素权值小；③资料可靠性：可靠程度高者权值大，比例尺大的要素适当提高权重，比例尺小的要素适当降低权重，以增加最终评价结果的合理性和区分度；④各权数集应满足归一性和非负性。

构造稳定性选取地震动峰值加速度、地震震级、地块特征、活动断裂、地表变形、布格重力异常、地热流异常等指标进行评价（表2）；地表稳定性选取活动断层展布特征、地质灾害、岩土体类型、构造地貌指标进行地表稳定性评价（表3）；活动断裂根据评价规范分四类，并分别进行赋值。获取各评价指标在GIS软件平台上进行相应数字化、格式转换、投影纠正、分层及属性编码，建立研究对象的空间数据库，编制各单指标分类评价图件。在构造及地表稳定性评价的基础上，进一步赋值判别叠加分解，对区域稳定性结果进行判别评价、图件编制，最后按研究区，完成图件裁剪重分类，最终得到研究区地壳稳定性评价图。

表2 构造稳定性评价基本指标及分级标准

表3 地表稳定性评价指标及分级标准

3.1.2 评价步骤

对各指标数据进行处理，数据来源和数据处理方法：研究区总面积 0.30×104km2，范围较大，故计算单元按 50 m×50 m 选取，可基本达到 1∶10万精度。其中点要素地震震级分布，采用反距离权重空间插值法进行分析，栅格化后重分类；线要素为活动断裂，采用专家分析法，进行断裂活动性强弱分类后，按影响半径进行环状缓冲分析，各图层与工作区进行交集运算后，进行联合分析，除去重合部分，进行合理分界，转栅格重分类。其它线要素：如地热流异常图件矢量化后，采用线转面、栅格化后重分类；面要素包括地质灾害、岩土体特征、地貌分布特征、地块分布特征、地震峰值加速度、重力布格梯度异常、地热流异常，在矢量化的基础上，面转栅格重分类。对各指标通过代数计算器，对其结果赋值重分类后，得到评价图件。

3.2 区域地壳稳定性评价结果

依据以上各评价指标的权值，采用多指标加权叠加法，建立如下稳定性评价计算模型。

构造稳定性（GZ）=“fengjia”×0.18 +“dizhen”×0.13+“dikuai”×0.17+“fault”×0.25 +“bianxing”×0.08+“gravity”×0.09+“reliu”×0.10；地表稳定性（DB）=“fault”×0.40+“dizai”× 0.25 +“yantu”×0.20+“dimao”×0.15；地壳稳定性（DQ）=“GZ”+“DB”。

根据数据处理的结果，使分区的区域稳定性评价结果，符合以构造稳定性为主导，以地表稳定性为辅助，按单元格的ID号进行叠加，依据地表稳定性和构造稳定性划分的区域地壳稳定性对应关系，进行以构造为主的分类，进行判别，为稳定性等级赋值，选取稳定性等级，进行重分类，得到太原南部地壳稳定性定量评价结果（图2），共三个稳定性级别。研究区次稳定区面积为1200.77 km2，占总面积的40.39%；次不稳定区面积1009.20 km2，占总面积的33.94%；不稳定区面积为763.26 km2，占总面积的25.67%。各分区地质特征概述如下：

图2 太原南部地壳稳定性分区图

（1）次稳定分区（Ⅱ）：分7个小区，远离盆地强、较强活动断裂带，地貌为冲积平原、倾斜平原或分布基岩的中低山区，榆次区为冲积平原、黄土台源、梁峁，其北部见崩塌、滑坡地质灾害，属地质灾害低发区和不易发区，工程地质条件比较好，在采取一定的工程措施后，适宜工程建筑，榆次南部应注意控制地下水过量开采，预防诱发地面沉降，开展地面观察、变形测量。该分区是政府建设规划用地的“安全岛”，可以规划公共服务用地，开展教育产业基地、工业产业园、大型社区建设。其中6个小区的Ⅱ2分区，面积469.94 km2。具有明显地理优势，为冲积（倾斜）平原区，地势平坦，地质构造不发育，为研究区“安全岛”首选之地。

（2）次不稳定分区（Ⅲ）：分5小区，处于较强、中等或弱断裂带旁侧。北东向、北西向次一级断裂发育，地貌为中低山区、洪积扇、冲积平原或山间盆地，太谷东南部中低山区存在不稳定斜坡、崩塌、滑坡现象，榆次东南存在滑坡，榆次区岩土体以粘性土、黄土多层或单层土体体为主，属地质灾害中发区。该区临近断裂的公路、道路，应开展地质灾害日常监测，及时处理和预防滑坡、提高斜坡稳定程度。该区可进行工业产业园建设，扶持农业和种植业，促进地方林特产规模产业化，服务于地方建设，中低山区宜发展养殖业、中药材种植，打造“农家乐、森林公园”特色观光旅游，推进地热温泉、民俗休闲产业发展，多聚道促进地方经济发展。

（3）不稳定分区（Ⅳ）：分3小区，分布于盆山过渡带，处于强活动北东向交城断裂带及两侧，强―较强的北东向太谷断裂、东阳―祁县断裂带以及北北西向鸣谦北田断裂断裂带，地貌为低中山、或低中山向洪积扇过渡区、河谷沟谷，西北部、东南部地形起伏较大，岩土体为碎石土、较硬长石砂岩、薄弱层泥页岩煤层互层，滑坡、泥石流、地裂缝发育，靠近中低山区不稳定斜坡、滑坡发育，清徐西北部、榆次北部因采煤活动，造成严重地面塌陷、地裂缝，因地下水开采，太谷一带地裂缝近年有扩大局势。属地质灾害易发区或高易发区。该区建筑选址应远离断裂带，选择合理避让距离，做好居民迁移和搬迁，清徐北和榆次南应科学采煤，开展矿山生态修复，断裂带适宜开展绿化带建设，开展葡萄园、枣树园规模化，京昆高速、S316省道、县村级道路，做好地质灾害监测，修建灾害防治工程，阻止坡体滑动，提高斜坡稳定程度。

4 结论与建议

（1）工作区域地壳稳定性影响因素包括活动断裂、地震动峰值加速度、地震震级、地块、重力异常、大地地热流、地质灾害、工程岩组、构造地貌等。对评价指标采用多因素加权叠加法、专家经验打分法，进行地壳稳定性评价，划分了次稳定区、次不稳定区及不稳定区3个等级。研究区以次稳定和次不稳定区为主，总面积为2209.97 km2，约占总面积的74.33%。

（2）断裂活动性与稳定性评价关系最为密切，一般远离活动断裂，地壳稳定性偏向稳定。次稳定区多分布在远离盆地强、较强活动断裂带的区域；不稳定区分布于盆山过渡带、结合部，处于北东向强活动交城断裂带两侧或交汇部位，强―较强的活动东阳―祁县断裂、太谷断裂、或北北西向鸣谦北田断裂断裂带或附近；而次不稳定区处于较强、中等或弱断裂带旁侧。

（3）不同地壳稳定性分区，应选取不同的防治措施和合理的利用规划。次不稳定区应注意地质滑坡体滑动、崩塌、不稳定斜坡的发生，可进行产业园建设，扶持农业、林特产发展，中低山区发展养殖业、药材种植、特色旅游；不稳定分区建筑选址远离断裂带，对地裂缝发育地段做好居民迁移和搬迁，控制地面塌陷和地裂缝诱发，断裂带开展绿化带建设和林特产种植，对京昆高速等做好地质灾害监测，采取抗滑垛、抗滑桩、抗滑墙等措施，防患于未然。

（4）次稳定区可作为政府建设规划用地的“安全岛”，分布于清徐县次稳定区的Ⅱ2分区为首选之地，山西省重点建设工程—萧河产业园就处于该位置，多为冲积（倾斜）平原区、地势平坦，可作为公共服务用地、开展教育产业基地、工业产业园、住宅建设、大型社区建设。