運城盆地地裂縫特征及機理分析

徐繼山,莊會棟,唐東旗,李注蒼

(1.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院,西安 710054;2.山東省環(huán)境保護科學研究院重點實驗室,濟南 250013; 3.長安大學地球科學與資源學院,西安 710054)

運城盆地地裂縫特征及機理分析

徐繼山1,莊會棟2,唐東旗1,李注蒼3

(1.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院,西安 710054;2.山東省環(huán)境保護科學研究院重點實驗室,濟南 250013; 3.長安大學地球科學與資源學院,西安 710054)

運城盆地受地質(zhì)構(gòu)造、地形特征、地層條件等因素的影響,地裂縫災害較為發(fā)育。文章總結(jié)了運城盆地地裂縫的發(fā)育特點,并從地壘-地塹構(gòu)造運動和斷陷帶基底活動兩方面入手,嘗試性地探討了引發(fā)運城地區(qū)地裂縫的成因機理。研究運城盆地地裂縫的展布特征、形成機理、致災作用,對于更好地總結(jié)和認識地裂縫等地質(zhì)災害的發(fā)生與發(fā)展的規(guī)律,以及預測與防治的方法提供了理論依據(jù)。

運城盆地;地裂縫;成因機理;地壘-地塹;山西斷陷帶

1 地質(zhì)背景

運城盆地地處山西斷陷盆地西南端,北部為峨嵋臺斷塊臺地,東側(cè)和南側(cè)為中條山地,西隔黃河與渭河盆地相望,總面積約600 km2。該地區(qū)出露的主要地層為太古界涑水群、元古界中條群、古生界寒武系、奧陶系、石炭系,缺失中生代地層。新生界在運城盆地廣泛分布,主要為河湖相沉積、沖洪積物和風成黃土。

運城盆地在大地構(gòu)造單元上位于中朝準地臺次級構(gòu)造單元鄂爾多斯臺拗、山西斷隆和豫西斷隆交匯部位。受中生代燕山運動、新生代喜馬拉雅運動特別是晚新生代以來的斷裂活動的作用,致使該地區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育。中條山西北麓斷裂是運城盆地的主要活動斷裂,也是該盆地的主控邊界(盆地東、南緣邊界)斷裂,斷裂的走向為NEE-NE向,斷面傾向為NW,傾角較陡,一般為58°～75°,斷層性質(zhì)為右旋走滑兼正傾滑性質(zhì)的斷裂(圖1)。此外,盆地北界為峨嵋臺地南緣斷裂,盆地內(nèi)還有運城鹽湖南岸和鹽湖北岸斷裂等,它們均為高角度正斷層。

圖1 中條山西北麓斷裂及山前臺地示意圖(李有利等,1996)Fig.1 Section of the faults in the northwest foot of Zhongtiaoshan mountain and the tableland in the front of it

2 地裂縫分布及特征

2.1 地裂縫分布

據(jù)王景明[1]、武強等人[2]的研究,運城盆地地裂縫主要分布在盆地北部的峨嵋臺地隆起和盆地東側(cè)的鳴條崗隆起附近。

2.1.1 半坡地裂縫帶

半坡地裂縫帶發(fā)育于運城鳴條崗南側(cè),起于安邑上王,經(jīng)半坡、王榮、五曹一線,基本沿鳴條崗地壘與青龍河地塹的地貌分界線斷續(xù)延伸(圖2),其走向NE-NEE,發(fā)育長度約10 km,地裂縫斷面呈楔形,縫壁彎曲粗糙,顯現(xiàn)張裂變形特征。

圖2 半坡地裂縫分布示意圖(武強等,2003)Fig.2 Distribution of ground fissures in Banpo

2.1.2 薛店地裂縫帶

薛店地裂縫位于萬榮縣王亞鄉(xiāng)薛店村及附近,發(fā)育于峨嵋?guī)X第二級黃土臺地Q2亞粘土層中,已發(fā)現(xiàn)有3條近于平行排列的地裂縫,在地表呈弧形延伸,其走向NE10°～70°。其中北端一條穿越薛店村的地裂縫,于1983年7月29日暴雨后突然顯露于地表,地表自西向東由NE75°逐漸轉(zhuǎn)至SEl0°延伸,長度1.5 km左右,裂縫斷面為楔形,地面縫寬一般100～200 cm,最寬達5 m,地裂縫開裂深度一般3～5 m,最深處達20 m左右,沿裂縫分布有大小不等的塌陷坑,甚至出現(xiàn)房塌屋陷、果樹直接陷入坑內(nèi)的劇烈破壞情況。

2.1.3 榮河-里望地裂縫帶

該地裂縫發(fā)育于峨嵋?guī)X黃土臺地的北緣,由萬榮縣榮河西南起,經(jīng)里望,斷續(xù)延伸至稷山縣蔡村,總長達20 km左右,總體走向約NE40°。根據(jù)有關地質(zhì)調(diào)查資料,該地裂縫帶最早在20世紀70年代發(fā)現(xiàn),主要出露于榮河-里望區(qū)間,20世紀80年代之后又向NE方向斷續(xù)擴展,地裂縫地表變形顯現(xiàn)張性特征,裂面粗糙、陡直,地表可見深度數(shù)米至數(shù)十余米不等,地表發(fā)育有大小不等的塌陷坑,沿地裂縫延伸方向呈串珠狀分布。

2.2 基本特征

運城盆地地裂縫形成、發(fā)育于山西斷陷盆地構(gòu)造內(nèi),受其影響,運城盆地地裂縫具有以下幾點特征:

2.2.1 構(gòu)造性

地裂縫的構(gòu)造性表現(xiàn)以下幾個方面:一是區(qū)域內(nèi)某些地裂縫的延伸方向與地貌單元界線和斷裂構(gòu)造線相一致或平行,例如半坡地裂縫分布在鳴條崗與運城鹽湖平原的交界上,交城縣城地裂縫與交城斷裂相平行等。二是斷陷帶的格局控制了主體地裂縫系統(tǒng)發(fā)育的邊界,受山西中部新生代斷陷盆地邊緣斷裂控制,它們的內(nèi)部又被多條次級斷裂切割。

2.2.2 方向性

區(qū)域內(nèi)的地裂縫整體分布具有很強的方向性,所見地裂縫絕大多數(shù)遵循NEE、NNE、NW、NNW幾組方向延伸,其中以NEE向組最為發(fā)育。

2.2.3 張延性

區(qū)域內(nèi)某些地裂縫具有拉張性質(zhì),沿一定方向斷續(xù)延伸,長度可達10～20 km。如運城地區(qū)的里望-榮河地裂縫和薛店地裂縫,這種地裂縫的延伸不受地貌單元和地面建筑物的控制,可見地裂縫與地貌單元是一組相互促生、掣肘的關系。

2.2.4 周期性

地裂縫的局部或整體在形成過程中,會出現(xiàn)一定的張開-合攏現(xiàn)象。如半坡地裂縫于1975年被發(fā)現(xiàn)后,1976、1978、1983年又在原地數(shù)次重復出現(xiàn),且地裂縫的延伸規(guī)模和地表開裂變形程度逐次加劇,1975年地裂縫地表開裂變形最大為30 cm,1976年原地重復開裂后裂面寬度劇增至1 m以上。在探槽剖面中,可以看到多條中斷甚至閉合的地裂縫,如圖3箭頭所示。

圖3 半坡村地裂縫探槽剖面圖Fig.3 Trench p rofile of ground fissures in Banpo

2.2.5 活動強度

地裂縫生成時間大體有先后和強弱之分,其活動強度呈現(xiàn)出南強北弱的特點,反映出運城盆地在構(gòu)造強度具有南強北弱的構(gòu)造環(huán)境背景。

3 地裂縫成因機理分析

3.1 動力來源

運城盆地位于中朝準地臺山西斷隆的西南部,構(gòu)造活動較為頻繁。在地質(zhì)歷史早期,先后經(jīng)歷了太古宙阜平運動、早元古宙中期五臺運動((22～23) ×108a)和早元古宙末的呂梁-中岳運動((17～18) ×108a),使原始地臺固結(jié),成為中國北方緯向大陸的一部分。自中元古宙晚期直到古生代時期,本區(qū)處于構(gòu)造穩(wěn)定的發(fā)展時期,主要表現(xiàn)為整體的升降運動。進入中、新生代后,該區(qū)處于地殼運動相對激烈活動時期。燕山運動對本區(qū)影響最為明顯,不僅使山西斷塊及其以東的華北斷塊、以西的鄂爾多斯斷塊相繼發(fā)生抬升運動,而且使這一區(qū)域的沉積蓋層普遍發(fā)生強烈褶皺、斷裂和強烈?guī)r漿活動,控制本區(qū)的主要斷裂帶也在此時期形成,從而奠定了以NNE、NE向為主的基本構(gòu)造格局。

該地區(qū)現(xiàn)今地殼構(gòu)造運動具有明顯繼承性,東部太行山地區(qū)和西部鄂爾多斯地區(qū)仍繼續(xù)上升,中部山西斷陷帶各盆地仍相對下降。盆地與山區(qū)邊界斷裂形變位移變化遠遠大于盆地內(nèi)部形變,斷裂大多數(shù)以張性正斷層性質(zhì)活動。當然各斷裂活動存在明顯差異,對于斷裂不同地段或同一地段不同時間變化不同,表明斷裂現(xiàn)今活動在橫向上和時間縱向上是不均一的,這就為地裂縫的形成提供了動力來源。1986年以來,運城盆地發(fā)生了數(shù)百次小地震,震群主要分布于鳴條崗南端的王范一帶,并有沿鳴條崗兩側(cè)分布的特點,這說明鳴條崗一帶現(xiàn)在仍在活動。

3.2 地層條件

運城盆地地裂縫集中發(fā)育區(qū)地層新生界厚度一般在1000 m以上,第四紀沉積層也多在300 m以上,松散、巨厚的沉積層構(gòu)成了地裂縫發(fā)育的物質(zhì)基礎。地裂縫主要發(fā)育于鳴條崗地壘與青龍河地塹邊界、峨嵋?guī)X第二級黃土地臺及峨嵋?guī)X黃土地臺北緣等地帶上。其地層構(gòu)成主要為黃土或黃土狀土、粘土等堅硬或硬塑性土層,具有高強度、低形變的力學性質(zhì)。由于黃土構(gòu)造節(jié)理的力學特征,基底斷裂發(fā)生蠕滑變形時易使此類土層發(fā)生錯斷作用,反映到地表上就形成了地裂縫[3]。土層的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)還制約著地裂縫的顯現(xiàn)規(guī)模及發(fā)育程度。

3.3 發(fā)生機理

運城盆地地裂縫分布特點具有高度的方向性和集中成帶出現(xiàn)的特點,其展布方向與斷裂、隱伏斷裂成一致或一定配套的關系,按照這種對應關系分析其形成機理如下:

3.3.1 地壘-地塹致因

盆地內(nèi)的斷層往往不是單個出現(xiàn),具有一定的組合規(guī)律,如地塹和地壘。鳴條崗地區(qū)就是一個典型的地壘,地塹-地壘導致地裂縫的致災機理分析如下:在地塹情況下(圖4(a)),在水平拉張作用下,地殼在垂向上減薄,在上部形成兩組剖面上共軛的高角度正斷層,其間的地塊產(chǎn)生平行于斷層面的滑動力,該滑動力可以分解成水平向的張力和垂向的下降力,當張力的作用達到一定程度時,地表出現(xiàn)破裂,形成地裂縫;在地壘情況下(圖4(b)),地壘是兩側(cè)被斷層圍限、中間上升的斷塊構(gòu)造,其邊界斷層一般也是高角度正斷層。位于上升斷塊兩側(cè)的下降斷塊,由于地殼拉伸力的作用,產(chǎn)生平行于斷層面的滑動力,由滑動力分解出的水平張力累積到一定程度,從而使地表破裂,形成地裂縫,如半坡地裂縫。

圖4 地壘地塹形成地裂縫Fig.4 Ho rst-graben fo rmation of ground fissures

3.3.2 斷陷帶基底活動致因

此類地裂縫與地壘地塹成因不同,其展布方向往往呈多字型、雁列型等多種方式,如峨嵋臺地部分地裂縫。由于基底斷裂活動,產(chǎn)生扭動力,扭動力向地表上發(fā)展,所產(chǎn)生的破裂面逐漸發(fā)生扭動轉(zhuǎn)向,在巨厚的黃土層延伸,破裂面變得分散,從而在地表上形成了多條近似平行又帶有轉(zhuǎn)向、交叉的地裂縫(圖5)。在統(tǒng)一的構(gòu)造應力場作用下,山西斷陷盆地各組成部分(盆地和控制盆地發(fā)育的主干斷裂)幾何學和運動學特征的多樣性[4]。這種多樣性也促成了地裂縫表現(xiàn)形式的復雜、多樣。

圖5 基底斷裂扭動形成地裂縫Fig.5 Tw isting of the basement fault in the formation of ground fissures

3.4 誘發(fā)因素

地下水動態(tài)變化以及黃土自身的濕陷特征對運城盆地地裂縫的形成起著誘發(fā)作用,具體說來:

3.4.1 地下水開采

在自然條件下,地下水處于穩(wěn)定的賦存狀態(tài),由于人類行為的影響,擾動了地下水固有的“平衡”狀態(tài),這種非平衡態(tài)進而會通過一定的災害形式表現(xiàn)出來,比如地裂縫災害。根據(jù)國家地震局地質(zhì)研究所相關研究結(jié)果(1992年),地裂縫運動受地下水超采的影響顯著。在空間關系上,地下水降落漏斗邊緣地裂縫擴展明顯強于其他區(qū)段,且地下水超采一側(cè),地裂縫垂直變形幅度較大;在時間關系上,地裂縫地表形變強化期與地下水位下降在時間上有明顯對應關系,且表現(xiàn)有枯水期內(nèi)地裂縫形變速率明顯加快的特點[5]。根據(jù)結(jié)果分析,部分區(qū)段地裂縫活動性的70%受控于地下水超采。由于地下水的多年持續(xù)超采,運城市至20世紀80年代初期已形成了較大范圍的封閉降落漏斗。伴隨地下水開采,運城地區(qū)地裂縫活動明顯加強,可見地裂縫的形成與地下水開采存在著明顯的時空聯(lián)系。

3.4.2 黃土濕陷

運城盆地位于山西斷陷帶內(nèi),黃土地層分布廣泛,尤其在山前沖洪積平原、黃土臺地區(qū)域的地表淺層普遍分布有Q1～Q4期黃土或黃土狀土。此類黃土具有強-中等濕陷性,濕陷系數(shù)一般大于0.07,且表現(xiàn)為自重濕陷性特點,因此浸水后形成較強的濕陷變形,誘發(fā)隱伏地裂縫的重現(xiàn)或激化地裂縫的活動。黃土濕陷誘發(fā)形成的構(gòu)造地裂縫在斷陷帶南段比較常見,其明顯特點是地裂縫的活動性在雨季明顯強化,有的地裂縫在雨季重復顯現(xiàn)和持續(xù)擴展,也有的是在暴雨后集中形成,如發(fā)育于峨嵋?guī)X上的薛店地裂縫就是在1983年7月底的一次暴雨后形成的,與單純的黃土濕陷性地裂縫相比,黃土濕陷誘發(fā)成因的構(gòu)造地裂縫具有規(guī)模大、發(fā)育深度大,且常表現(xiàn)在雨季重新復活的特點。

4 結(jié)論

為科學分析運城地區(qū)地裂縫的發(fā)育特征和致災機理,本次地質(zhì)災害勘查工作結(jié)合運城盆地地質(zhì)災害現(xiàn)狀,從發(fā)育特征和致災作用兩方面入手,嘗試性地探討引發(fā)運城地區(qū)地裂縫的致災機理。文章總結(jié)分析了運城盆地地裂縫呈現(xiàn)出延伸方向一致性、周期活動性、展布受控于斷陷格局等特點,初步認為運城盆地地壘-地塹構(gòu)造運動以及斷陷帶基底活動是形成地裂縫的根本原因,地下水開采和黃土濕陷作用是形成地裂縫的誘因。研究運城盆地地裂縫的展布特征及形成機理,對于更好地總結(jié)和認識運城盆地地裂縫地質(zhì)災害發(fā)生與發(fā)展的規(guī)律,為預測與防治提供了理論依據(jù)。

[1]王景明,等.地裂縫及具災害的理論與應用[M].西安:陜西科學技術出版社,2000.

[2]武強,姜振泉,李云龍.山西斷陷盆地地裂縫災害研究[M].北京:地質(zhì)出版社,2003.

[3]王景明,王君.冀中南黃土潛蝕地貌與黃土構(gòu)造節(jié)理[J].地理研究,1994,13(1):90-92

[4]孟憲梁,閆風忠,侯庭愛.山西斷陷帶主要活動斷裂特征[A].見:馬宗晉,山西臨汾地震研究與系統(tǒng)減災[C].北京:地震出版社,1993.

[5]姜振泉,王曉波.山西斷陷帶地裂縫的成因及其發(fā)育條件[J].中國礦業(yè)大學學報,1997,26(3):74-78.

CHARACTERISTIC AND M ECHANISM ANALYSISOF GROUND FISSURES IN YUNCHENG BASIN

XU Ji-shan1,ZHUANG Hui-dong2,TANGDong-qi1,L IZhu-cang3
(1.College of Geology Engineering and Geomatics,Chang'an University,Xi'an 710054,China; 2.Key Labo ratory,Shandong Research Academy of Environmental Sciences,Ji'nan 250013,China; 3.College of Earth Science and Resources,Chang'an University,Xi'an 710054,China)

Affected by the geological structure,topographical features,fo rmation conditions and other facto rs,ground fissures are well developed in Yuncheng basin.The paper summarized the characteristicsof the development of ground fissures in Yuncheng basin,and app roach to exp lore the genetic mechanism of ground fissures in two p ronged from horst-graben and fault dep ression tectonic movement.It has the theoretical significance of understanding the developmentof ground fissures and other geological disasters,as well as p roviding p rediction and p revention app roaches to research into the characteristics,the genetic mechanism and the causing of ground fissures in Yuncheng basin.

Yuncheng basin;ground fissures;genetic mechanism;horst-graben;Shanxi fault dep ression zone

P642.26

:A

1006-4362(2010)02-0097-04

徐繼山(1982- ),男,漢族,山東棗莊人,在讀博士研究生,長安大學地質(zhì)工程專業(yè),主要從事地質(zhì)災害研究工作。

2010-03-01改回日期:2010-04-02