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地面沉降是一种由自然和人为因素引起的地面标高缓慢降低的环境地质现象。自1891年中美洲墨西哥城发现地面沉降以来,目前世界上已有50多个国家和地区发生了不同程度的地面沉降。1921年我国在上海最早发现地面沉降,到目前已有96个城市和地区出现了严重的地面沉降问题。地面沉降已成为一个全球性、威胁人类生存环境的重大环境地质问题。现代黄河三角洲(后仅称黄河三角洲或三角洲)是国内少有的资源富集区,但是到目前为止,虽然对该区做了很多黄河水沙的研究,但对地面沉降的研究还不够精细。地面沉降已给三角洲的开发建设和人民群众的安居乐业带来了一系列的危害,严重制约着本地经济的可持续发展。因此,开展黄河三角洲地面沉降研究对于减轻当地沉降危害、改善居民生存环境有着重要的实际意义。
本文以黄河三角洲作为研究对象,在借鉴前人研究的基础上,通过对研究区新近系沉积特征、构造特征和地面沉降分布特征对比研究,揭示地面沉降的时空变化规律和引发地面沉降的主导因素,探究地面沉降机理,分析地质环境对沉降分布的影响,预测地面沉降趋势,进而为提出有效控制地面沉降的措施和方案提供科学依据。
论文取得主要成果如下:
1.沉积物发育特征对地面沉降空间分布的影响。
通过对研究区新近系沉积物的岩性和岩相分布与地面沉降分布的对比研究,发现地面沉降漏斗与砂层空间分布有对应关系。从黄河三角洲特殊的地质条件出发,通过粘性土层累计厚度分布、粘性土层与粗颗粒土层的组合特征、不同分区各深度土的力学特征值与地面沉降资料的对比分析,认为黄河三角洲新近系地层的空间异质性影响着地面沉降的分布。通过剖面对比分析得知,砂层增厚区处在不同时期的叶瓣的河口沙坝位置,并且不同时期的三角洲叶瓣的侧缘沉积.互相叠置也是砂层增厚的原因之一;因此河口沙坝及叶瓣侧缘叠置区属于非沉降区。通过沉积物对比可得,陆上三角洲的泛滥平原的沉积物粒度最小,含砂量相对较小,粘土成分增多;泛滥平原多是黄河三角洲地面沉降高发区。通过地层对比可知,垦利组颗粒明显细于其它两组,出现上粗下细的逆粒序结构,且粘土含量减少,造成前三角洲沉积物密度低于上部,出现密度倒挂现象。因此三角洲沉积的垂向序列是一种不稳定结构。地面沉降总量与地层中粘性土的累计厚度成正相关。单层粘性土厚度越大,其压密沉降对水位降落的滞后和延迟效应越明显,造成相同水位降落情况下,单层粘性土较厚、粘土土层数较少的区域沉降量偏小或无法形成沉降漏斗。
2.构造发育特征对地面沉降空间分布的影响。
黄河三角洲地面沉降的展布方向和发展趋势明显地受到基底构造的制约。通过对比地面沉降和构造的空间分布特征发现:该区地面沉降中心均位于三角洲断裂线附近;沉降中心的主轴线几乎与相应的断裂带中心轴线重合。构造运动对地面沉降有三方面的控制性作用:一是为地面沉降的产生提供了物质环境;二是直接引起差异沉降或地面垂直下沉;三是限制了地面沉降向周围的扩展。可以说黄河三角洲的基底构造分布和新构造运动控制着地面沉降漏斗的展布规律、空间展布及发展趋势。 3.地面沉降成因分析。
近几十年来(1956-),黄河三角洲地面沉降的主导因素是自然沉降。由于新生代巨厚的沉积物和海相的淤泥(淤泥质的软土层),特别是粘土或粉质粘土厚度较大地区的上部沉积物形成年代较新,自重固结过程尚未完成,自然沉降不可避免。通过沉积物的工程地质特性对比,软土的稳定性最差,压缩性最大,因此软土覆盖区域的沉降量相对于其它粘性土的沉降量更大。在自重固结过程完成之后,构造活动的作用就凸现出来。据预测,地面沉降进入微沉降阶段,构造对沉降的影响将不可忽视。黄河三角洲地区地面沉降机理复杂,由多种因素引起,但人类因素在地面沉降中已经起了不可忽视的作用。从沉降区域图中可知,沉降区域大多分布在人口密集区,未来地面沉降区也将集中在人类活动集中地,人类经济活动的影响将使本区沉降速率加快。