瓦伦西亚市
用地質力學理論解剖地災
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編者按

巨大的自然災害一次次猝不及防地襲來,讓2010年的中國承受了巨大的悲傷。但同時,因為千千萬萬中華兒女的奮力抗災與英勇救死扶傷,也使這一年的中國充溢著溫暖--生命、救援、愛心、堅強……無數的畫面告訴人們,這是一個擁有大愛的民族,這是一個擁有英雄的時代。

  8月19日,中共中央、國務院和中央軍委在青海省西寧市隆重舉行全國抗震救災總結表彰大會,用鄭重的儀式盤點、歌詠了各行各業在玉樹地震救災工作中的奮不顧身。本次表彰,有6位國土資源系統的同志榮獲"全國抗震救災模范"稱號,而他們的事跡,則成為國土資源系統玉樹抗震救災工作的縮影。

  張永雙,中國地質科學院地質力學研究所研究員,博士生導師,國土資源部地質災害應急專家,國際工程地質協會新構造與地質災害專委會秘書長。面對這位長年奮戰在地質災害研究領域中的地質人,人們很難忘記他的話:"人類消滅不了災難,但必須學會面對災難。科學研究雖然不能像挖掘機那樣迅速清除廢墟上的瓦礫,但它能夠逐漸廓清遮擋在地質災害面前的迷霧。我會繼續在地質災害研究的路上走下去。"

玉樹,企盼權威的地質解讀

  2010年4月14日清晨,7.1級強震突襲青海省玉樹藏族自治州。瞬時,大地驚顫,房傾屋塌。在破壞最為嚴重的玉樹州首府結古鎮,發自龐大廢墟的塵埃,混合著巨大的痛苦,吞噬了這座高原之城。

  這是當地有歷史記錄以來最強烈的地震,震撼人心的數字說明了這次地震的恐怖:造成2698人遇難、270人失蹤。

  從災難開始的一刻,全國人民的心便與災區人民的心緊緊連在一起。一支支緊急救援的隊伍沖向玉樹,一批批專業技術人員也奔向玉樹。地震當日,國土資源部部長徐紹史主持緊急會議,成立抗震救災領導小組和玉樹地震抗震救災應急專家組,隨后統一部署的抗震救災工作火速展開,副部長汪民陪同中央領導在第一時間趕往玉樹,陜西、甘肅國土資源系統和中國地質調查局的專業人員緊急出發,國家測繪局和中國地質調查局航遙中心的航遙飛機立即起航……

  "國土資源系統為這次抗震救災整體部署實施提供了許多至關重要的信息,我只是國土資源部玉樹抗震救災隊伍中的普通一員。"此言來自中國地質科學院地質力學研究所研究員張永雙,他也是國土資源部玉樹地震應急專家組成員。

  來自地質力學所的張永雙、馬寅生、胡道功三位專家是4月15日出發,4月16日下午抵達玉樹災區匯入國土資源系統救災大軍的,不過,他們所擔負的是一項特殊的使命:摸清本次地震的發震斷裂和地表破裂情況,藉此認識這次地震的機理和成災規律。"這次災后應急地質調查工作的重點有兩個:一個是地質災害排查,另一個就是地震斷裂應急調查。這些應急地質調查所獲得的科學信息非常重要,將直接應用于玉樹地震災區災情快速評估、指導災后重建規劃和避讓選址。"張永雙介紹說。

  地表破裂是震源斷層錯動在地表產生的破裂和形變的總稱,有時就是地震斷層在地表的露頭。1906年舊金山大地震的地表斷裂長達430公里;1931年新疆富蘊8級地震的地表破裂150公里,1932年甘肅昌馬7.5級地震的地表破裂120公里;2001年昆侖山8.1級地震的地表破裂達430公里,2008年汶川8.0級地震的地表破裂則為270公里。在地質專家眼中,地表破裂是研究地震發震機制的關鍵。此前,由于沒有在玉樹地震區域地表看到明顯的"外傷",許多人認為玉樹地震并沒有造成地表破裂。

  玉樹地震的斷裂情況怎樣、到底是哪條斷裂惹的禍?包括多位院士在內的國土資源部會商專家組在北京等待著來自前線的第一手資料;玉樹地震到底有什么規律?青海玉樹抗震救災指揮部期盼著來自地質專家對地震地質災害的權威解讀。

"失蹤"的地質學家找到了宏觀震中

  4月17日早上,張永雙三人乘坐的車跟上中國地質調查局應急專家車隊,向著一處重要滑坡隱患點出發了。然而,由于交通擁堵,車隊不久就拉開了距離。由于通信不暢,張永雙的小組在經過一段濃重的煙灰塵后與車隊失去了聯系。不過,很快他們就不想去尋找同伴們了,因為他們看到了遠處一道"可疑"的現象,經驗告訴他們,那里很像有地震斷層通過。

  穿過一段崎嶇的山路,越過水流湍急的巴曲河,許多細節愈發清晰。在山谷間巴曲河的階地上一片廢墟旁,出現了明顯的地震地表破裂。隨身攜帶的地形圖告訴他們,這里叫禪古村。興奮中,他們沿著駭人的破裂向東南追去。在倒塌的禪古小學附近,破裂消失。此處東距地震局公布的震中約70公里。

  17日晚上10時30分,遠在北京的多位地質力學所領導收到了張永雙的短信:今天活動斷裂小組對禪古村發現的地震地表破裂進行了較精細的測量,地表破裂連續延伸長度477米,呈典型的左旋逆沖特征,可見最大垂向位移62厘米,水平位移30厘米,發育斜交張裂縫,河流跌水明顯,地表破裂附近的禪古村變為廢墟。該處地表破裂的發現,扭轉了前期人們認為玉樹地震沒有地表破裂的看法。

  第二日上午,當大家還在為來自前線的好消息而欣喜時,張永雙小組已到達了國家地震信息網公布的震中所在地。然而,這里幾乎看不到地震的跡象,不僅房子沒有破損,連老鄉家壘的磚堆都沒倒。張永雙等人立即向禪古村方向回溯,仔細搜索斷裂的蹤跡……

  接下來的兩天,在結古鎮搭建的國土資源部專家組帳篷里不見了張永雙等三人的身影。原來,為了節省時間,具有豐富高原作業經驗的他們決定就在野外扎營,"這樣避免了來回跑路,一天至少能多干5個小時的活"。

  調查發現,地震造成的地表破裂主要分布在山體的中部,如果經驗不足從山下根本無法發現,必須爬到跟前才能看清。"我們從海拔3800米處往上走,別看山腰距山腳垂直高差只有300多米,但由于山坡平緩,至少需要2個小時才能上去。在高原地區工作不比在平原,多多少少都會有些反應,特別是馬寅生研究員,當時還患有嚴重的感冒。好在我們都有長期高原工作的經驗,在海拔4000多米是可以正常工作的。地質工作不僅是技術活、體力活,更是良心活!"張永雙說。

  4月20日傍晚,張永雙等人回到結古鎮,立即向指揮部相關領導匯報了本次地震斷裂的初步調查結果。

  次日,國土資源部玉樹一線抗震救災專家組宣布,通過現場追蹤調查玉樹地震地表破裂,基本確定距離縣城西北方向約16公里的隆寶鎮郭央煙宋多為宏觀震中,位于國家地震信息網公布的儀器震中東約30公里,坐標為北緯33度03分11秒、東經96度51分26秒。初步確定,地震地表破裂在玉樹縣城附近較連續分布的長度約23公里。據介紹,后經調查證實,西部隆寶濕地一帶也有地表破裂發育,但其地表位移量較小。2010年8月4日至12日,地質力學所龍長興所長帶隊再次對玉樹地震破裂進行現場調查,進一步查明了地震發震斷裂地表宏觀展布、力學性質、位移特征,證實并深化了前期宏觀地震震中位置確定的合理性。

  在宏觀震中區域,變形破壞現象比其他地段都要強烈:沿斷裂帶鼓脹出一個個"小帳篷",一條小溪被破裂錯斷,形成小型斷塞塘。幸好,這里屬于山谷地帶,人煙稀少。

  張永雙特別說明了何為宏觀震中:"宏觀震中是根據地震后地表變形強度和對地表建(構)筑物的破壞程度確定的地震中心,是地震最高烈度的反映,儀器震中則是通過對地震監測臺站獲得的信息的計算得到的地震中心,兩者獲取方式不同,位置不同很正常。但從對災情掌控、救災部署和災后重建避讓選址等實際應用來說,宏觀震中的確定具有更為重要的意義。"

  4月22日,地質力學所領導的手機上再次出現了一條信息:通過幾天的現場調查,可以確定玉樹地震的發震斷裂是甘孜-玉樹斷裂的玉樹段,地震造成的地表破裂在玉樹縣城兩側較為連續,長度約23公里,走向北西西-北西,總體表現為左旋走滑特征,進一步可分為3段:西段呈左旋走滑,長度約12.3公里,帶寬15到20米,最大水平位移1.75米,垂直位移30厘米;中段由多條右階斜列的地裂縫組成,長約4.8公里,單條裂縫長近百米,走向近東西,間距一般幾十米;東段表現為逆沖兼左旋走滑,長約5.9公里,走向北西,寬度一般5到10米,最大垂直位移60厘米,水平位移30厘米。玉樹地震除了產生地表破裂和大量房屋破壞外,地震地質災害類型主要有崩塌、滑坡、泥石流(隱患)和不穩定斜坡等。此外,地震誘發的砂土液化、水渠潰決等加劇了局部山體地質災害。

  年輕地質學家與三次大地震

  張永雙是2000年進入地質力學所做博士后研究的,10年內,他趕上了兩次8級以上的大地震,并都在第一時間走近了它們。

  第一次是2001年11月14日的昆侖山大地震,震級高達8.1級,僅次于1950年8月15日西藏墨脫8.5級地震,是新中國成立以來我國大陸內部發生的第二大地震。地震將連綿起伏的昆侖山撕裂,造成青藏公路路基開裂,光纜被切斷,油管被毀。所幸的是,由于發生地點人跡罕至,這次強震沒有造成人員傷亡。

  2001年11月16日,33歲的張永雙隨隊趕至昆侖山大地震現場,參與地震破裂特征及其工程危害性考察。至今,那東西綿延400多公里的地表破裂仍讓他震撼:"地震發生在昆侖山活動斷裂帶上。地震破裂帶由北西西向的左旋走滑主破裂、北東東向張扭性分支破裂、地震鼓包、張扭性裂陷等規律性組合而成,形成的地裂縫寬可達7米,水平位移可達6.4米,非常壯觀。"

  當時,青藏鐵路正在規劃當中,施工在即。此前,鐵路設計部門并未重視地震地質災害對工程的威脅,昆侖山大地震無疑為青藏鐵路的安全敲響了警鐘。很快,鐵路部門將青藏鐵路沿線活動斷裂調查項目交由地質力學所承擔。"由于時間緊迫,我們20多人打破了冬季不進青藏高原開展地質工作的慣例,用了1個多月時間完成了該項目的野外調查工作,為青藏鐵路優化設計提供了非常重要的資料,野外工作期間適逢2002年春節,大家都沒回家。此后,鐵路部門對活動斷裂和地殼穩定性評價越來越重視。"張永雙回憶道。

  巧合的是,8月26日--記者采訪他的這天,張永雙所參加的地質力學所青藏鐵路沿線活動斷裂調查項目組,在拉薩召開的全國國土資源系統援藏工作座談會上獲得"先進集體"殊榮。

  第二次是2008年5月12日汶川8.0級特大地震,8萬多人因此殞命。

  災難在前,萬眾一心。2008年5月16日,張永雙作為國土資源部地震活動斷裂和地質災害科學考察組成員到達重災區。在汶川災區,地震次生災害比地震本身還要恐怖。張永雙記得,當他們趕到安縣時,聽說高川鄉至茶坪的公路被地震滑坡堰塞湖堵塞,已經好幾天沒有里邊的災情消息,便主動請纓前去排查。沿途到處都是大型滑坡、崩塌,飛石隨時傾瀉而下,隨時有被吞沒的危險,許多人不敢進去,"要想了解災情、進行地質災害排查,我們地質工作者就必須要進入現場,別人不敢進,我們進。我們就學的這個,現在國家和人民需要我們,我們義不容辭!"同年6月,張永雙再入汶川,參加了國土資源部汶川強震活動斷裂調查與災區重建場址安全性評價調查組,為汶川的災后重建等工作提供了有力的技術支持。

  "僅從科研角度來說,能第一時間、近距離地研究這兩次特大地震,是我的幸運。"張永雙說。

  張永雙告訴記者,今年的玉樹地震與昆侖山大地震的發震機理和活動方式非常相似,都是走滑斷裂型地震。而汶川地震則不同,是一次地質塊體間的正面碰撞,這也是汶川地震破壞更為強烈的原因。"這就好比車禍,前者是'平行剮蹭',后者是對一輛靜止車的'追尾'。"張永雙的比喻十分形象。很顯然,正是有了前兩次考察研究特大地震的經驗,他們對玉樹地震斷裂情況和地震機理的調查和判斷才做到了快速而準確。

  經過這三次地震地質災害研究,張永雙等人還發現了一些規律:地震破壞程度與地震斷裂關系密切,滑坡等次生災害主要集中在斷裂的上盤;距發震斷層越遠,對于地震的敏感性越小,5公里范圍以內最為敏感,其災害點約占總災害點的70%,5~10公里范圍內敏感性減小,大于10公里區域發震斷裂距離已不是地質災害發生的主導因素。

  采訪中張永雙提到了一個巧合,這三次地震他到達現場的日期都是16日。這讓他感到自己與地震地質災害研究有著一份難以名狀的緣分。

  地質力學大步走在防災減災的路上

  現為地質災害研究室副主任的張永雙所學專業是工程地質,但他對地質力學理論有著濃厚的興趣,經過多年在地質災害調查、成災機理研究中對地質力學的實際應用,他有一個特別強烈的體會:"這種方法非常好用!"

  "地質災害的成因比較復雜,其誘因總的來說可分為內力和外力。其他學科比較關注外動力作用,我們的特點則是內外動力都做,尤其重視二者的結合。在地災研究領域,我們地質力學所的優勢就是對新構造運動(活動斷裂與地殼穩定性)與地質災害的成災機理進行綜合系統研究。"

  張永雙告訴記者,中國在新構造和地質災害領域是具有很強優勢的。上世紀50年代,李四光等老一輩地質學家提出了"安全島"的概念,即在地質不穩定地區可以尋找出適應建設的穩定地塊,在此基礎上,我國在上世紀中后期非常重視重大工程和經濟區的地殼穩定性評價。然而,上世紀90年代以來,地質力學及應用地質力學進行的區域地殼穩定性評價被嚴重弱化,甚至整個地學界廣泛漠視。除了地質力學所仍然保留外,地殼穩定性研究和應用幾乎在國內銷聲匿跡。而現實中,無數事實卻在提醒人們,在構造活動強烈區,僅憑借地震動參數開展選址、建設是遠遠不夠的,必須研究區域地殼穩定性、山體穩定性,加強斷裂活動性的調查與探測,開展城鎮與重大工程區活動斷裂的地震工程地質評價,進行地震地質災害的防范,否則,工程在地質環境不清楚的情況下盲目實施,只能是地質災難性問題不斷。

  "所幸的是,昆侖山大地震后,特別是2004年蘇門答臘大地震以來,人們逐漸重新認識了地質力學的'能量'。2007年,依托中國地質科學院地質力學研究所的科研力量,國土資源部設立了新構造運動與地質災害重點實驗室,重點進行地殼變形及其環境效應、地殼穩定性評價及地質災害調查評價,近期,我們的主要任務就是開展國家重大工程與重要經濟區帶地應力測量與地殼穩定性評價、重大突發性地質災害調查和地質環境研究。"張永雙介紹說。

  翻開張永雙近年來主持或承擔的項目名單,國家對重大工程地殼穩定性評價的重視已可見一斑:西氣東輸工程、哈中油氣管道工程、俄中原油管道工程、青藏鐵路、滇藏鐵路、大瑞鐵路、三峽水庫引水工程、水電站、高速公路……

  "地質力學所從2002年開始,逐步加強了地質災害研究方面的科研力量,并圍繞一系列國家重大工程建設中遇到的疑難工程地質問題和地質災害的研究,如三峽庫區地質災害調查、滇藏鐵路沿線地殼穩定性及重大工程地質問題研究、西氣東輸工程黃土滑塌形成機理研究、大瑞鐵路復雜艱險山區重大工程地質問題研究等,提高了這個專業方向在國內的競爭力。此外,我們還承擔了許多工程建設項目地質災害危險性評估方面的研究工作,可以說,地質災害危險性評估已經成為地質力學所的一大優勢領域。"張永雙說。就在記者采訪他的當天上午,張永雙還接到通知,他的第三個國家自然科學基金項目--《活動構造帶大型滑坡形成機理研究》獲得了批準。

  接踵而來的項目讓張永雙快步走在地質災害研究的科學之路上,地質力學作為源于中國本土的原創性學科理論,也正在為研究我國重大工程地質問題和減災防災發揮著巨大的作用。在他看來,能夠把地質力學所的牌子豎起來,把新構造和地質災害學科領域做大、做出特色,能夠應用地質力學幫助國家和人民減少地質災害帶來的災難,本身就是一種幸福。

  話題不可避免地涉及了這次全國抗震救災總結表彰大會。"能夠參加這次隆重的會議我很自豪,因為這是對我們地質工作的認可、對地質力學學科的認可!"張永雙一再強調,工作小組有三位成員,所有的工作都是大家一起完成的,還有各級領導的支持,"應該說,這項榮譽是屬于地質力學研究所的。"

  地質力學研究所副書記何長虹對這個獎項也很看重,他想的是,通過一個個大項目和有影響的成績,讓地質力學所的名氣更加響亮。"地質力學研究所的主要任務就是出成果、出人才。張永雙是我們所一位有才華、有干勁、有激情的年輕專家。其實,地質力學所擁有一支扎實、肯干的科研隊伍,在170多名職工中,正副研究員達90多人,博士及以上學歷者66人,可以說,我們這支隊伍做了許多非常重要的工作,只是我們宣傳工作做得不夠。現在我們知道了,'木匠活'好'油漆工'差也不行,服務社會必須先讓社會了解我們、了解地質力學!"

  "李四光先生用畢生心血創立的地質力學,主要就是用構造體系的思想來研究地球、研究地質問題,其應用范圍相當廣。李四光先生在世的時候,把國家的需要作為首要重視的問題來加以研究和解決,使地質力學在礦產、能源、工程、災害防治等領域都作出了突出貢獻。由于種種原因,如今的地質力學還未走出低谷,還需要在新的歷史條件下創新和發展。我們現在的目標就是,在新的歷史條件下緊跟國家需求,瞄準主要領域,形成拳頭,最終實現'地質力學再創輝煌'。"何長虹說。

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