重大工程选址的“安全岛”多级逼近与优选理论及其应用
摘要
文章在回顾了区域地壳稳定性研究历史，分析了其现状及而临的挑战的前提下，提出了如何进行活动构造区重大工程选址的区域地壳稳定性评价理论与方法，并在黄河黑山峡地区实现了量化应用研究。
经过论证活动构造区的特点及强震区土石坝建筑的经验，结合当前工程建设要求和全球活动构造学研究现状，作者初步建立了重大工程选址的“安全岛”多级逼近与优选理论体系和工作步骤，讨论了其自然哲学和板块构造学基础，进一步发展了李四光(1965，1967)提出，胡海涛(1979，1984，1988)坚持并发展起来的“安全岛”理论、多级逼近与优选的大意是，根据边界断裂的规模、活动方式或强度与地块内部性状的基本一致性，从大到小逐级确定出一系列地块，并在每级的若干地块中优选出相对稳定者即“安全岛”，提出了用稳定度(△f)概念描述“安全岛”的稳定程度，并用模式识别方法进行量化表达。为反映“安全岛”的地质地震历史状态，提出据安全期概念建立“安全岛”的工程分类，即分为永久稳定的，相对稳定的和暂时稳定的三类。
在“安全岛”多级逼近与优选理论的指导下，以黄河黑山峡大柳树工程为例进行了应用研究。首先对全国活动断裂系统进行分区而实现一级逼近，其次根据区域地质地震资料进行二、三、四级逼近与优选，直至黑山峡区域地块。
黑山峡位于黄河中游甘肃和宁夏交界处，地质上处于中卫-同心断裂系(曾孕育M(?)71/2级地震)和南、西华山断裂系(曾孕育M(?)8.5级地震)之间，是一个受强震影响的地区，作者在进行了多次现场考查，深入的地质、地震和地球物理及活动构造分析基础上，论证了香山地块新构造期以来的东西分异。应用分数维理论(B．B．Mandclbrot，1977，1982)研究了区域活动断裂系的分段性和新构造活动强度，用水系反演方法(A．E．Scheidcgger，1977，1982)计算了新构造期应力场。随后完成了黑山峡地区“安全岛”的五级和六级逼近，并用模式识别理论中经改进的Cora-3算法实现了工程“安全岛”的量化优选，依其稳定度(△f)进行了“安全岛”稳定性分级，得出黑山峡西端的小观音坝区和东端的大柳树坝区都处于相对稳定地块上的结论。
总之，文章主要基于板块理论和岩石圈动力学提出了重大工程选址的“安全岛”多级逼近与优选理论，并以黄河黑山峡工程为例实现了量化研究，为活动构造区重大工程场址的选定、评价与决策提供了一种新的思路和应用例证。
Through looking back the history of the study on regional crust stability, and analysing the present situation and the challenge being faced in this area, the author has proposed a new theory and a new method on evaluating regional crust stability for great engineerin9 site setection in active tectonic areas. And then, it is applied quantitatively to Black Mountain Gorge Project in the Middle Reaches of Yellow River.
According to the characteristics of active tectonic areas and experiences on the construction of earth or rock-fill dams in strong earthquake regions, the author has established "Safety Island" theory system of Multil-scale approaching and optimum seeking and its working process. The bases of the theory are discussed in the plate tectonics and physical philosophy. This is a great development to " Safety Island" thought that Li Siguang proposed in 1965 and 1967, and Hu Haitao has been persisting in and studying since 1979. "Safety Island" theory of Multi-scale approaching and optimum seeking consists of several aspects. First, based on the scale, the acting pattern or strength of boundary fault systems and the similarity of the inner properties and the active state in land masses, a series of Laud masses are determined from large to small size. Second, one or several rather stable land masses can be selected out in every scale land masses. Third, a stability criterion of "Safety Island" is expressed quantitatively by a concept called stableLevel (Δf) calculated on the pattern recognition theory. Fourth, the author divides "Safety Island" into three types in the concept of safety period based on the state of geological bodies and large earthquake recurrence intervals, which are permanently, relatively, and temporarily stable "Island".
According to the "Safety Island" theory of multi-scale approachin9 and optimum seeking, the author has studied dam site selection in the Black Mountain Gorge of Yellow River. From regionalization of active fault systems in China, the first scale approaching and optimum seeking has been obtained. In the same way, second, third and fourth scales approaching and optimum seeking have been realised. And finally, Black Mountain Gorge land mass is selected out by analysing regional geological and seismological data.
Black Mountain Goroe is situated in the border area between Gan Su Province and Ning Xia Hui Nationality Autonomous Region. Geologically, it is located between Zhongwei--Tongxin (once occurring of Ms 7.5 earthquake) and South West Hua Mountain (once occurring of Ms 8.5 earthquake) active fault systems. This is an area affected by strong earthquakes. The author has done field investigations for many times and analysed geological, seismological, geophysical, and active tectonic data. It is discussed that differentiation between west and east parts of Xiang Mountain land mass has been there all neotectonic period. Fractal theory (B. B. Mandelbrot 1977, 1982) is applied to the segregative characteristics of active fault systems and the intensity of neotectonism. Water system inverse method (A. E. Scheidegger, 1977, 1982) is used to calculate principal stress field during neotectonic period. Eventually, the fifth and sixth scales " Safety Island" approaching and optimum seeking are finished, and expressed quantitatively by Cora-3 method modified from pattern recognition theory. According to the stable level (Δf), it is concluded that two dam sites of Da Liushu in the east end and Xiao Guanyin in the west end of Black Mountain Gorge are all on the relatively stable land masses.
In brief, this paper has propoesd "Safety Island" theory of Multi-scale approaching and optimum seeking, and has applied it to the selection of dam site in Black Mountain Gorge of Yellow River. It offers a new thought and an practical example for selecting, evaluating, and making a strategic decision to greal engineering slte in active tectonic regions.
经过论证活动构造区的特点及强震区土石坝建筑的经验，结合当前工程建设要求和全球活动构造学研究现状，作者初步建立了重大工程选址的“安全岛”多级逼近与优选理论体系和工作步骤，讨论了其自然哲学和板块构造学基础，进一步发展了李四光(1965，1967)提出，胡海涛(1979，1984，1988)坚持并发展起来的“安全岛”理论、多级逼近与优选的大意是，根据边界断裂的规模、活动方式或强度与地块内部性状的基本一致性，从大到小逐级确定出一系列地块，并在每级的若干地块中优选出相对稳定者即“安全岛”，提出了用稳定度(△f)概念描述“安全岛”的稳定程度，并用模式识别方法进行量化表达。为反映“安全岛”的地质地震历史状态，提出据安全期概念建立“安全岛”的工程分类，即分为永久稳定的，相对稳定的和暂时稳定的三类。
在“安全岛”多级逼近与优选理论的指导下，以黄河黑山峡大柳树工程为例进行了应用研究。首先对全国活动断裂系统进行分区而实现一级逼近，其次根据区域地质地震资料进行二、三、四级逼近与优选，直至黑山峡区域地块。
黑山峡位于黄河中游甘肃和宁夏交界处，地质上处于中卫-同心断裂系(曾孕育M(?)71/2级地震)和南、西华山断裂系(曾孕育M(?)8.5级地震)之间，是一个受强震影响的地区，作者在进行了多次现场考查，深入的地质、地震和地球物理及活动构造分析基础上，论证了香山地块新构造期以来的东西分异。应用分数维理论(B．B．Mandclbrot，1977，1982)研究了区域活动断裂系的分段性和新构造活动强度，用水系反演方法(A．E．Scheidcgger，1977，1982)计算了新构造期应力场。随后完成了黑山峡地区“安全岛”的五级和六级逼近，并用模式识别理论中经改进的Cora-3算法实现了工程“安全岛”的量化优选，依其稳定度(△f)进行了“安全岛”稳定性分级，得出黑山峡西端的小观音坝区和东端的大柳树坝区都处于相对稳定地块上的结论。
总之，文章主要基于板块理论和岩石圈动力学提出了重大工程选址的“安全岛”多级逼近与优选理论，并以黄河黑山峡工程为例实现了量化研究，为活动构造区重大工程场址的选定、评价与决策提供了一种新的思路和应用例证。
Through looking back the history of the study on regional crust stability, and analysing the present situation and the challenge being faced in this area, the author has proposed a new theory and a new method on evaluating regional crust stability for great engineerin9 site setection in active tectonic areas. And then, it is applied quantitatively to Black Mountain Gorge Project in the Middle Reaches of Yellow River.
According to the characteristics of active tectonic areas and experiences on the construction of earth or rock-fill dams in strong earthquake regions, the author has established "Safety Island" theory system of Multil-scale approaching and optimum seeking and its working process. The bases of the theory are discussed in the plate tectonics and physical philosophy. This is a great development to " Safety Island" thought that Li Siguang proposed in 1965 and 1967, and Hu Haitao has been persisting in and studying since 1979. "Safety Island" theory of Multi-scale approaching and optimum seeking consists of several aspects. First, based on the scale, the acting pattern or strength of boundary fault systems and the similarity of the inner properties and the active state in land masses, a series of Laud masses are determined from large to small size. Second, one or several rather stable land masses can be selected out in every scale land masses. Third, a stability criterion of "Safety Island" is expressed quantitatively by a concept called stableLevel (Δf) calculated on the pattern recognition theory. Fourth, the author divides "Safety Island" into three types in the concept of safety period based on the state of geological bodies and large earthquake recurrence intervals, which are permanently, relatively, and temporarily stable "Island".
According to the "Safety Island" theory of multi-scale approachin9 and optimum seeking, the author has studied dam site selection in the Black Mountain Gorge of Yellow River. From regionalization of active fault systems in China, the first scale approaching and optimum seeking has been obtained. In the same way, second, third and fourth scales approaching and optimum seeking have been realised. And finally, Black Mountain Gorge land mass is selected out by analysing regional geological and seismological data.
Black Mountain Goroe is situated in the border area between Gan Su Province and Ning Xia Hui Nationality Autonomous Region. Geologically, it is located between Zhongwei--Tongxin (once occurring of Ms 7.5 earthquake) and South West Hua Mountain (once occurring of Ms 8.5 earthquake) active fault systems. This is an area affected by strong earthquakes. The author has done field investigations for many times and analysed geological, seismological, geophysical, and active tectonic data. It is discussed that differentiation between west and east parts of Xiang Mountain land mass has been there all neotectonic period. Fractal theory (B. B. Mandelbrot 1977, 1982) is applied to the segregative characteristics of active fault systems and the intensity of neotectonism. Water system inverse method (A. E. Scheidegger, 1977, 1982) is used to calculate principal stress field during neotectonic period. Eventually, the fifth and sixth scales " Safety Island" approaching and optimum seeking are finished, and expressed quantitatively by Cora-3 method modified from pattern recognition theory. According to the stable level (Δf), it is concluded that two dam sites of Da Liushu in the east end and Xiao Guanyin in the west end of Black Mountain Gorge are all on the relatively stable land masses.
In brief, this paper has propoesd "Safety Island" theory of Multi-scale approaching and optimum seeking, and has applied it to the selection of dam site in Black Mountain Gorge of Yellow River. It offers a new thought and an practical example for selecting, evaluating, and making a strategic decision to greal engineering slte in active tectonic regions.
引文
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