盆地圈层结构与城市地质安全

Basin Layered Structure and Urban Geological Safety

摘要

随着我国城镇化水平不断提高，城市规模持续扩大，各大城市群建设趋于发展成熟，城市发展空间与生态环境压力日益凸显，这给城市地质安全及人居环境带来了严峻挑战，因而亟需开展系统性研究以保障居民生活与社会稳定. 运用地球系统科学思维，在阐释圈层结构普遍性及其互馈作用的基础上，系统分析盆地各圈层结构与城市地质安全的内在关联，包括基底构造圈、盖层结构圈、水文循环圈、地下空间圈、地面工程圈，深入剖析各圈层动力作用下城市地质安全风险类型及其危害，最终揭示盆地各圈层相互关系及其互馈机制与城市地质安全风险的内在联系. 即：基底构造圈→易灾构造环境→区域失稳风险，盖层结构圈→易灾关键层带→局域群灾风险；水文循环圈→易灾水文条件→城域陷裂风险，地下空间圈→易灾交互地带→围岩变形风险，地面工程圈→易灾群集空间→浅表灾变风险. 上下级圈层相互关联、相互影响，圈层互馈作用研究对城市地质安全预警与防控至关重要. 上述认识为城市地质安全风险防范提供了新思路，支撑安全中国、美丽中国等国家重大战略实施.

Abstract

With the continuous improvement of urbanization levels in China and the ongoing expansion of urban scales, the construction of major city clusters is becoming more mature. However, the pressure on urban development space and ecological environment is increasingly prominent, posing severe challenges to urban geological safety and the living environment. Therefore, there is an urgent need to conduct systematic research to ensure the quality of life for residents and social stability. This paper applies earth system science thinking and, based on explaining the universality of the layered structure and its feedback interactions, systematically analyzes the intrinsic relationship between the various layered structures of basins and urban geological safety. This includes the basement structural layer, the cover layer structure, the hydrological cycle layer, the underground space layer, and the surface engineering layer. It thoroughly examines the types of urban geological safety risks and their hazards under the dynamic influences of each layer, ultimately revealing the internal link between the interrelationships and feedback mechanisms of basin layers and urban geological safety risks. Specifically: Basement structural zone→Disaster⁃prone structural environment→Regional instability risk; Cap rock structure zone→Disaster⁃prone key layer zone→Localized cluster disaster risk; Hydrological cycle zone→Disaster⁃prone hydrological conditions→Urban ground subsidence risk; Subsurface space zone→Disaster⁃prone interaction zone →Surrounding rock deformation risk; Ground engineering zone→Disaster⁃prone clustered space →Shallow surface disaster risks. The interrelation and interaction between the layers, as well as the feedback effects, are crucial for urban geological safety early warning and risk prevention and control. These insights provide new perspectives for urban geological safety risk prevention, supporting the implementation of national strategies such as Safe China and Beautiful China.

Graphical abstract

关键词

城市地质安全 / 盆地圈层结构 / 圈层互馈 / 灾害风险 / 工程地质.

Key words

urban geological safety / basin layered structure / layered feedback interactions / disaster risk / engineering geology

0 引言

我国是一个地形复杂、多山多原的国家，松散层厚积、水资源丰富的盆地成为了我国城市建设的主要承载体与集中地. 据统计（1978—2023年），我国城市数量由193个增加到691个，总建成面积约为5万km²，已形成近20多个城市群，大部分集中于盆地和平原内；同时，城镇化率也在快速提升，由1978年的17.9%上升到66.16%，城镇人口由1.7亿上升至9.3亿（国家统计局，2024；国家统计局城市社会经济调查司，2024）. 然而，城市的快速扩展与人口的高度聚集对土地利用、资源消耗、灾害防治、生态保护等方面提出了诸多挑战，使得城市地质安全风险日益凸显，越发引起人们高度关注.

地质安全是指人居环境与工程活动免受各种地质作用威胁的状态，其中城市地质安全是其重要组成部分（彭建兵等，2022）. 城市工程建设根基于地质，城市生活开展依存于地质，地质安全对于城市建设运营与可持续发展至关重要. 本文重点探讨盆地城市地质安全与圈层结构的关系，包括传统意义上的盆地，如汾渭盆地、四川盆地等；也包括在断陷盆地基础上沉积发展的平原地区，如华北平原、松嫩平原等. 其松散平坦的岩土为城市建设创造了便利施工条件，赋存易采的水资源为城市生活提供了需求保障；然而，值得注意的是自人类世以来，人类营力在利用与改造自然方面日渐加强，尤其是城市建设运营是人类营力最为常见也是强度较大的一种（刘学等，2014；彭建兵等，2022），在多重营力耦合与多圈层互馈作用下城市建设运营与人居环境面临严峻的地质安全风险，主要体现在以下几个方面：

（1）城市地质灾害类型多样、分布广泛、影响严重，严重威胁城市人居安全. 发生在城市区域的崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、地面塌陷、地裂缝等灾害严重危及着城市建设及人们生命财产安全（图1）. 据不完全统计，全国有236个城市发生了崩滑流等地质灾害共计14 700余处；160个城市发生各类地面塌陷，129个城市发生地面沉降地裂缝灾害，100多个城市位于较高的地震灾害影响区域内（中国地质调查局，2015）. 除此之外，近年来由于极端气候造成的极端降雨给北方城市带来严重的山洪泥石流地质灾害，如2021年郑州“7.20”特大暴雨（刘传正和黄帅，2022）、2022年兰州“7.26”暴雨、2023年西安“9.11”大暴雨、2023年北京“7.31”特大暴雨等（刘媛媛等，2021）. 因此可见，在我国城市化进程中城市建设发展受阻于突出的地质灾害问题，面临着严峻的地质安全风险，亟需开展城市地质安全系统性研究，奠定城市地质安全风险防控理论基础.

（2）城市建设规模不断扩大、营力复杂、作用强烈，使得地质安全风险陡增. 近些年，我国城市规模不断扩大，尤其是大规模的城市群日渐成熟，如京津冀城市群、成渝城市群、关中城市群、兰西城市群等（刘媛媛等，2021），城市群的人口与资源聚集效应显著，城市建设引起的地质安全问题日益突出. 与此同时，城市工程建设正在朝向更大、更广、更高、更深的方向发展，加大了地质灾害发生的频率与强度；相对密集和有限的城市空间使得诸多致灾因子叠加在一起，呈现出多因、复发、放大、链生的灾害特点（董昕等，2024）. 对于山间盆地内或山前城市，其物理发展空间有限，出现了大规模“占山、占坡、占沟”的“三占”现象，如兰州市地质灾害达700多处，灾害围城境况触目惊心. 因而，城市建设过程中的人类营力方式复杂多样，如侵占、置换、开挖、堆载、充填等，作用范围与强度日益加大，这使得城市地质安全风险增强.

（3）盆地内外营力积存叠加、层级互馈、多源耦合，城市灾害风险防控严峻. 盆地因其得天独厚的天然物理空间条件和物质基础，成为了世界上大中型城市的重要集中地. 然而，盆地一般是在较为复杂构造背景下形成演化的，其内部有着复杂多变的内外地质营力，如区域构造、深部构造、断裂活动（包含地震）、水动力作用、人类活动等；这些内外营力积存在同一空间，其作用强度叠加累积，层级间互馈放大，多源动力关联耦合，这使得城市地质灾害易发、灾重、难防，城市灾害风险防控形势严峻. 如我国的汾渭盆地，其成为孕育和承载人类文明的“聚宝盆”，建有西安、大同等重要城市；然而，汾渭盆地由于受到青藏高原隆升与多个地块协调变形的区域构造影响，其沉积盖层破碎分块、断裂发育，加之人类大规模的地下水开采，致使汾渭盆地成为我国乃至世界上地裂缝灾害最为集中的区域（彭建兵等，2017），其中西安市发育14条地裂缝，横穿城区，造成了重大经济损失，严重制约城市建设运营（彭建兵，2012）.

因此，城市安全的基础在于地质安全，城市地质安全的关键在于盆地圈层作用. 以地球系统科学为指导，深入研究盆地圈层结构与城市地质安全间的内在联系，对于科学评估城市地质灾害风险、合理规划城市布局、提高城市地质灾害防治水平具有重要意义，可有力保障城市人居环境安全与国家重大战略实施.

1 盆地圈层组成及结构

在地球圈层系统的内部有着很多子系统，如地表圈层系统、盆地圈层系统、山地圈层系统、生态圈层系统、工程圈层系统等（彭建兵和兰恒星，2022；彭建兵等，2023a，2023b）；其中盆地圈层系统自下而上分为基底构造圈、盖层结构圈、水文循环圈、地下空间圈、地面工程圈5个圈层，这些圈层之间相互关联、相互影响、绝非孤立（图2）. 基地构造圈特点主要是构造强烈、深部断裂发育，盖层结构圈主要是发育断块构造与断裂构造，水文循环圈包含了地表水、上层滞水、潜水、承压水，地下空间圈指的是城市地下工程主要建设范围，包括建筑基础、地铁、地下商场、地下实验室、防空洞等，地面工程圈指的是地面以上的城市工程建设，如楼、路、桥、坝、渠、田、矿等.

盆地圈层结构系统是开放的、关联的和动态平衡的，因而盆地五个圈层之间具有较好的动力机制联系. 盆地各圈层相互关系及其互馈机制与城市地质安全风险存在密切的内在联系. 即：基底构造圈→易灾构造环境→区域失稳风险，盖层结构圈→易灾关键层带→局域群灾风险；水文循环圈→易灾水文条件→城域陷裂风险，地下空间圈→易灾交互地带→围岩变形风险，地面工程圈→易灾群集空间→浅表灾变风险（图3）. 圈层相互作用研究旨在于揭示某个圈层上的地质现象或地质问题是如何与更深或更浅层圈层的物理机制相关联，这对于城市地质安全风险防控意义深远而重大.

2 盆地各圈层动力与城市地质安全风险

2.1　基底构造圈与区域失稳风险

基底作为盖层之下古老岩石单元，主要组成物质为经受强烈构造作用的变质岩或结晶岩，其构造特性对盆地区域稳定性及城市地质安全影响深远. 深大断裂可将盆地基底分割成地块，地块间的相对运动促使断裂活动，深部构造应力控制着盆地的形成与演化，致使盆地下降沉积与不断扩展. 因此，基地构造动力产生的构造活动与变形的主要体现有构造应力活动、盆地伸展沉积、地块差异运动、块间断层错动等，对应地也会产生城市地质安全风险，包括地震活动风险、区域变形风险、断块活动风险、构造沉陷风险（图4）. 可以说，基地构造圈是城市地质安全的“构造基石”，影响着区域地质体稳定性，可带来区域失稳风险.

基底构造圈由古老地质时代形成的、相对稳固的广厚结晶岩石构成，一般后期要受到多类型、多期次强烈的构造作用而呈现为一定的区块构造（朱日祥和徐义刚，2019）. 在基底构造动力作用下，地块运动表现有挤压作用、拉张作用、隆起作用、拗陷作用、层滑作用等（张文佑，1984）. 尽管这些构造作用相对微缓，但不可忽略其对上部岩土的长期累积效应所带来的区域风险（Zhang et al.， 2024），如盆地持续拗陷作用带来大规模的构造沉陷风险，会产生断隆效应、断陷效应、断斜效应等（图5a）. 随着印度板块俯冲、太平洋板块阻挡、深部物质上涌，城市区域构造稳定性在稳定态与活跃态之间转换，而地震正是一种常见的转换方式，深部地震对盖层、地下、地面各个圈层带来骤变灾难风险（Xia et al.， 2004）. 据统计，我国及邻区地震带有多条分布在盆地边缘及内部，比如，1303年临汾盆地的洪洞地震（震级8.0级；徐岳仁等，2018a）、1556年关中盆地的华县地震（震级8.3级；图5c；徐岳仁等，2018b）、1668年华北盆地的郯城地震（震级8.5级；李康等，2019）、1739年银川盆地的平罗地震（震级8.0级；图5b；雷启云等，2015）、1966年邢台地震（震级7.2级；于贵华等，2000）、1976年唐山地震（7.8级；图5d；万永革等，2017），1679年北京三河-平谷地震（8.0级；李占飞等，2022），这些地震与深部构造及断块活动有着深刻联系.

2.2　盖层结构圈与局域群灾风险

盖层是地球沉积岩土物质，这些物质是经过了侵蚀、搬运和沉积等地质作用形成的；然而浅表松散物质是一把“双刃剑”，其给城市建设带来了诸多便利，同时也给城市发展带来诸多地质安全风险. 盖层构造动力产生的构造活动与变形的主要体现有盆地伸展变形、断裂伸展蠕滑、构造应力变动、岩土牵引破裂等，对应地也会产生相应城市地质安全风险，分别为差异沉降风险、断裂错动风险、应力集中风险、塌陷破裂风险（图6）. 可以说，盖层结构圈是城市地质安全的“物质基础”，影响着工程地质体稳定性，可带来局域群灾风险.

盖层结构圈即由中后期堆积的沉积岩土层所构成的圈层，覆盖于基底之上，包括沉积岩和松散层（Li et al.， 2020）. 从沉积盖层尺度来看，盖层拗陷结构往往由一系列断陷、断隆、断凸、断凹等组合构成，它们是次级断块间差异运动所致，这种差异运动在深层上左右了区域性地面沉降和地裂缝的发生. 盆地伸展变形的不均布、不连续、不协调性会导致沉积盖层内部产生应力集中，尤其是在次级断块接触部位. 当应力积累到一定程度时，盖层边界及内部断裂产生三维活动，以蠕滑或黏滑形式进行能量释放，这使得城市地区产生应力集中风险与断裂错动风险. 以鄂尔多斯周缘盆地为例，包括了汾渭盆地、河套盆地、银川盆地等，在青藏高原隆升动力作用下，甘青地块东挤使得鄂尔多斯地块向北东方向运动并伴随着逆时针旋转，加之华北、华南地块的不协调牵引，造就了鄂尔多斯周缘盆地右旋剪切与伸展拉张的构造应力场（图7a），致使盆地内断层生长、断层复活、断层成缝、断层发震等现象（彭建兵等，2007；高源等，2021）；盆地内部城市出现了大规模的地裂缝灾害（图7b），如西安市（彭建兵，2012）、大同市（Wang et al.， 2020）等，地裂缝横穿城区，对城市建设运营带来了严重威胁，造成了巨大经济损失.

2.3　水文循环圈与城域陷裂风险

地球上的水可以分为3类：天上水、地表水和地下水，三水循环，关联紧密，组成了水文循环圈. 水是输送物质与能量的良好介质，同时水也是地质灾害的重要诱发因素. 水文循环圈贯穿盆地圈层的多个部位，其循环范围、强度、状态等特征与城市地质安全内在关联密切. 水文循环动力产生的水循环作用的主要体现有暴雨洪涝、蓄水积水、管道渗漏、超采地下水、人工灌溉等，对应地也会产生相应城市地质安全风险，分别为斜坡失稳风险、地面沉降风险、地面塌陷风险、地表破裂风险、渗透变形风险（图8）. 可以说，水文循环圈是城市地质安全的“重要媒介”，影响着工程岩土体稳定性，可带来城域陷裂风险.

水文循环圈是地球上赋存在各部位的水及其所赋存、流经、影响岩土介质所构成的圈层. 水循环是地球地质地表过程的重要组成部分，它对地形地貌塑造、气候变迁、灾害演化、资源利用、生态环境保护等方面有着深远影响. 水循环既包括海陆间的巨循环，也包括海上、陆上的大循环，还有更次一级的子循环和小循环；水在循环过程中不仅自身状态会发生变化，也会造成其赋存介质或流经介质的状态变化. 大量调查、试验研究表明，斜坡变形地质灾害往往与水有关，比如强降雨、库水位变动、河流侵蚀、地下水升降、农业灌溉等（Fan et al.， 2021； Xu et al.， 2024）. 据不完全统计，暴雨所诱发的滑坡占滑坡总数的90%，所诱发的崩塌占崩塌总数的81%，而泥石流主要受暴雨控制（孟晖等，2004），这在黄土高原与西南山地尤为显著（王念秦和张倬元，2005；崔鹏和郭剑，2021）. 值得注意的是，近些年受全球气候变化影响（安芷生等，1995），我国降雨线出现北移现象，北方城市地区极端降雨事件频发，若不能及时排泄，易引发洪涝灾害（Lan et al.， 2024），如2021年郑州“7.20”特大暴雨（刘传正和黄帅，2022）、2023年北京“7.31”特大暴雨等（刘媛媛，2021）. 另外，早些年人类超采地下水诱发了大面积的地面沉降与地裂缝灾害，尤以华北平原和汾渭盆地最为严重，出现了沉降漏斗连片、地裂缝群集的灾害现象（图9；薛禹群，2012；Peng et al.， 2020；郭海朋等，2021）. 据统计，我国地面沉降易发区面积达 117.7万km²，其中，高易发区21.5万km²，中易发区 12.2万km²，有50多个城市发生显著地面沉降（薛禹群，2012）；地裂缝与地面沉降具有较强的伴生关系，发育地裂缝5 000多条（Peng et al.， 2020），两者具有很强的伴生关系，共同构成了城市的慢性病，如北京、西安、大同、衡水、邢台等. 此外，城市地面塌陷多与管道渗漏有关，渗漏水流会对周围土体进行侵蚀并形成空洞，空洞逐渐扩大，当上部土体无法承受自身重量时，就会发生塌陷.

2.4　地下空间圈与围岩变形风险

随着城市化进程的加快推进，致使地表空间日益紧张，使得地下空间开发利用在全球范围内迅速发展. 城市地下空间建设涵盖地铁、地下商场、地下停车场、综合管廊、地下仓库、地下人防工程等多种形式，其发展显著提高了城市功能与效率，但也带来了诸多地质安全风险. 地下岩土动力产生的工程作用的主要体现有工程-工程相互作用、工程-土相互作用、水-土相互作用、超深大跨开挖等，产生的城市地质安全风险有基础滑移风险、基坑坍塌风险、围岩变形风险、突水突泥风险、沉降塌陷风险（图10）. 可以说，地下空间圈是城市地质安全的“具体体现”，影响着地下工程结构体稳定性，可带来围岩变形风险.

地下空间圈是由地下工程，以及相关联的、在地表以下一定深度内的岩土介质所构成的. 城市地下工程包括地铁隧道、地下商场、地下停车场、地下综合管廊、地下仓库、地下能源资源开采等；向地下进军，不仅能拓展有限的地上空间，还能够获取地下资源，缓解甚至化解城市综合症. 自19世纪工业革命以来，人类对地下空间的开发经历了4次浪潮（钱七虎，2000），尤其是进入21世纪以来，中国在地下空间开发和利用方面取得了突飞猛进的成就（谢和平等，2017），据统计，中国共有55个城市开通运营轨道交通线路306条，城市轨道交通已突破1万km，其中地铁累计里程占七成以上（中国政府网，2024）. 然而地下工程建设往往涉及到降水、开挖、支护等施工过程，地下水位下降可造成地面不均匀沉降，甚至开裂风险（图11a）. 尤其是基坑开挖在城市地下工程中最为常见，可影响场地工程与土、水之间的相互作用，不恰当的工程介入势必打破“土-水-工”之间的平衡；有时由于勘察不清或施工不当，可造成，甚至基坑坍塌、滑移等工程灾变事件（图11b），如2008年“11.15”杭州地铁地面塌陷事故等. 值得注意的是，近些年地下空间开发向着超深、大跨度、高效联通方向发展（朱合华等，2019；陈湘生等，2022），往往要穿越多个地质单元，有时通过不良地质体，如断层带、岩溶裂隙等，这使得工程-工程相互作用、工程-土相互作用以及水-土相互作用更加强烈，致使变形围岩变形、突水突泥风险激增（李术才等，2018）.

2.5　地面工程圈与浅表灾变风险

城市规模的直观体现在于地面工程建设，它是城市建设发展最重要的方面. 地面工程建设包括城市道路、桥梁、高层建筑、城市绿化及其他基础设施等. 这些工程大幅度改善了城市生活环境，提升了居民生活质量和城市综合竞争力；尽管城市地面工程建设带来了诸多经济和社会效益，但也对城市地质安全产生了一定的影响. 地面工程动力产生的工程作用的主要体现有超高建筑加载、工程边坡深切、道面工程隔断、水电油气输送等，产生的城市地质安全风险有地面边坡失稳风险、地面沉陷风险、地基失效风险、工程灾变风险（图12）. 可以说，地面工程圈是城市地质安全的“具体体现”，影响着地面工程结构体稳定性，可带来浅表灾变风险.

地面工程圈是以建筑在地面的人造工程物（建筑物、构筑物）及其所关联的岩土介质为要素而构成的一套圈层. 截至2022年底，我国城市建成区面积达6.37万km²，城市地面工程附着在地球表层或浅表层，集中体现了人类营力对地球表层的改造作用，同时，这些工程物也接受着岩土介质产生的或传递的最直接的反馈作用（Tang et al.， 2024）. 因而，人类工程活动与地质环境之间是一种双向的、互馈的作用，这种相互作用并不是一次性的，而是长期的、动态的变化过程（王思敬，1997；Shi et al.， 2022）. 需要注意的是，随着城市土地资源的日益紧张，超高建筑在世界各大城市中大量涌现，超高建筑物重力荷载通过基础传递到地基土层，产生高应力集中，引起土层压缩变形，导致地基沉降与地面沉陷风险. 另外，切坡开路、切坡建城、填沟造城可诱致城市边坡失稳滑移，导致工程结构损毁（Qi et al.， 2024）. 城区大规模的道面工程改变了地表的天然形态和结构，形成了地表水文阻断或隔断效应，渗流面大大降低，排洪道过于集中，从而大大增加了城市外洪内涝的风险. 同时，水电工程通过改变水文环境、地质结构和工程条件，会产生库岸边坡与坝基失稳、堤坝渗漏管涌等风险（唐辉明等，2022；殷跃平等，2022），从而对城市地质安全产生显著影响.

3 盆地圈层互馈与城市地质安全关联机制

盆地圈层系统是基于地球系统科学思维建立起来的，符合系统论的基本特征：开放的、关联的和动态平衡的. 因此，盆地圈层之间并非彼此独立，而是相互关联、相互影响、相互制约（王飞永，2016；申艳军等，2024）. 基底构造圈通过断块作用控制着盖层结构圈的稳定性， 通过应力作用影响着地下空间圈的安全性，可对地面工程圈产生应力加荷与场地失稳；盖层结构圈承载着水文循环圈的位态，控制着地下空间圈的稳定性，可诱发工程灾变，影响着地面工程圈的安全性，如地表差异沉降诱发的工程失稳；水文循环圈构成了盆地水文载动系统，通过潜蚀作用影响着盖层结构圈的稳定性，通过渗透作用制约着地下空间圈的安全性，可对地面工程圈产生潜蚀软化与渗透破坏；地下空间圈制约着水文循环圈的动态，通过工程活动向下扰动着盖层结构圈的稳定性， 且其影响各类地下工程结构体的安全性，可对地面工程圈产生变形互馈与地基失稳；地面工程圈构成各类地面工程结构体的载体， 其安全性受控于下伏各类圈层（图13）. 总之，盆地各圈层结构对城市地质安全有着复杂而深刻的影响，盆地圈层互馈与城市地质安全关联机制关乎人居安全与社会稳定.

4 结论与展望

盆地圈层相互作用和稳定性严重影响城市安全， 城市地质安全风险预警与防控，是城市建设发展的重要保障. 自下而上，基地构造圈是城市地质安全的构造基石，影响着区域地质体稳定性；盖层结构圈是城市地质安全的物质基础，影响着工程地质体稳定性；水文循环圈是城市地质安全的重要媒介，影响着工程岩土体稳定性；地面工程圈和地下空间圈是城市地质安全的具体体现，影响着工程结构体稳定性. 地面工程圈-地下空间圈-水文循环圈-盖层结构圈-基底构造圈5个圈层相互作用基础研究对城市建设运营与国家重大战略实施至关重要.

通过深入研究盆地圈层结构与城市地质安全之间的内在联系：发展工程地质-创建城市安全场所，推进岩土工程-减轻城市工程病害，控制灾害风险-建立城市安全体系，保护地质环境-营造城市安居氛围，把握人地和谐-延长城市安居寿命. 具体而言，有以下3点展望：

4.1　盆地多圈层跨尺度互馈作用的超大城市群地质安全响应机制及灾变效应研究

多圈层跨尺度互馈作用是近年来地学界关注的热点，其核心是地质作用过程在浅表响应的孕灾和致灾机制. 近年来，我国超大城市群日渐形成，规模日益扩大，开展盆地多圈层跨尺度互馈作用研究是保障城市地质安全与可持续发展的重要前提. 然而，目前这方面的研究还非常欠缺，仍存在很多未能很好阐明的问题. 例如，关乎城市地质安全的圈层内在要素与结构仍需细化，圈层间的内在联系尚未进行量化表征与模型构建；城市生产生活对于地质过程的反馈作用机制研究不足，这是研究超大城市群建设与地质环境互馈，开展灾害韧性防控，保障资源与生态安全的关键所在.

4.2　盆地圈层间物质循环、应力循环、水循环对于城市地质安全的影响机制研究

城市地质安全关乎多个圈层，物质与能量循环是圈层互馈作用过程的重要体现，其中最为重要的环节是物质循环、应力循环、水循环. 然而，研究圈层间物质与能量循环对城市地质安全的影响同样非常欠缺，但该方面研究是圈层互馈与城市安全关联机制定量化分析的重要基础. 例如，在城市地质安全研究方面，圈层间的物质循环主要体现在地下工程圈与地面工程圈的挖填、堆放与置换；应力循环较为复杂，贯穿整个圈层，深部构造应力可以通过圈层接触面与内在界面进行传递，如活动断裂、构造节理等，进而在地表以沉陷与开裂等方式进行能量释放；水循环包括了大气水、地表水与地下水，城市水利建设、地下水开采、地热利用等都涉及到水循环过程，广泛影响着盖层结构圈、地下空间圈与地面工程圈. 因而，开展盆地圈层间物质循环、应力循环、水循环研究具有深远意义.

4.3　基于盆地多圈层稳定态、临界态、失稳态的城市地质安全动态评价方法研究

工程地质与灾害地质学科的灵魂是“稳定性”，基于此提出盆地圈层的“三态”概念，即稳定态、临界态与失稳态. 城市工程建设必须符合人与自然协调发展规律，盆地圈层处于稳定态可实现城市可持续发展，可保障环境安全与生态平衡. 盆地多圈层的稳定态、临界态、失稳态精准判识是前提，可构建物理与数据双驱动的多尺度风险分析评估模型，结合智能分析技术进行准确判别，这需要系统性长期性监测作为支撑. 同时，“三态”中的关键是临界态，一旦达到临界态，城市地质安全已然面临重大威胁，但对于临界态驱动条件及其临界阈值研究较少. 采用系统论方法可深化对于盆地圈层的“三态”的理解与认识，城市地质安全的盆地圈层系统是否稳定取决于3个方面的平衡性，即外在物质与能量输入、系统本身的自吸收与自修复、系统内物质与能量的输出. 例如，近年来我国北方频发的极端降雨事件，其输入量远超城市输排能力，进而引发严重的城市洪涝灾害. 因而，基于盆地多圈层稳定态、临界态、失稳态，为城市地质安全动态评价方法与体系构建提供了新思路.

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基金资助

国家自然科学基金项目：太原盆地交城地裂缝带成因机理研究(42207202)

华北平原典型断控型地裂缝及其“深-表”破裂过程(42177123)