邢臺隆堯典型斷層蠕滑型地裂縫成因初析

宋 偉，馬學軍，賈國欣

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

邢臺隆堯典型斷層蠕滑型地裂縫成因初析

宋 偉，馬學軍，賈國欣

(中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北 保定 071051)

1966年邢臺地震發(fā)生后，震中所在地隆堯地區(qū)多次發(fā)生規(guī)模較大的地裂縫現(xiàn)象，通過實地調(diào)查工作，在隆堯縣南(經(jīng)過震中所在地白家寨村)發(fā)現(xiàn)一條斷續(xù)分布的長約17km的地裂縫，在局部伴有地層錯動現(xiàn)象。通過地球物理勘探對華北平原地質(zhì)構(gòu)造及斷層近期運動規(guī)律特征做了進一步調(diào)查，認為隆堯地裂縫的地層錯斷現(xiàn)象主要原因是由于斷層蠕滑活動形成的，表現(xiàn)為地殼構(gòu)造運動產(chǎn)生的內(nèi)應力的積累與釋放。另外，長期干旱和過量開采等自然及人類活動因素也會使地下水逐年下降引起地裂縫。

地裂縫;地球物理勘探;地下水動態(tài);成因分析;河北邢臺

0 引言

1966年發(fā)生在邢臺的里氏6．8級地震，造成了極大的破壞和損失，地震震中位于隆堯縣白家寨村附近。在1966年邢臺地震后，隆堯縣地區(qū)多次發(fā)生規(guī)模較大的地裂縫現(xiàn)象，在邢臺地震震中馬欄村、白家寨村東西兩側(cè)的延伸區(qū)域內(nèi)破壞程度尤為明顯，地裂縫總長度約為30km，總體走向為北東向60°(圖1)，是目前華北平原規(guī)模最大的地裂縫。地裂縫延伸分布的方向上所在的村莊有不同程度的破壞，虎中村、南小河等村有40余戶民房出現(xiàn)墻體開裂和道路塌陷并伴有開裂等現(xiàn)象，蓮子鎮(zhèn)西店子村發(fā)生了較為明顯的地層錯動現(xiàn)象，地層垂直位移明顯(圖2)，地表部分出露可見，已導致村中10余戶房屋不同程度的墻體開裂和地面傾斜;在裂縫影響范圍內(nèi)的道路每年雨季都發(fā)生開裂和塌陷現(xiàn)象，在西店子村村西農(nóng)田地表有明顯的出露。

圖1 邢臺隆堯地區(qū)地震構(gòu)造分布示意圖

圖2 華北地區(qū)垂直形變速率圖

我國較為典型的斷層蠕滑型地裂縫主要分布在西安地區(qū)，特征是垂直錯動量大，剖面形狀多呈鋸齒狀或階梯狀，個別有擦痕，傾角陡，地裂縫錯距隨深度增加而加大。產(chǎn)生垂直錯動的地裂縫的主要成因可歸為兩類：一是深部斷裂在統(tǒng)一區(qū)域應力場作用下，長期蠕動而成隱伏微細地裂縫，并在斷陷盆地中斷塊差異沉降作用下，應力場環(huán)境產(chǎn)生加速變化，導致垂直錯動位移;二是在地下水活動這一附加因素下，使隱伏地裂縫擴張，并發(fā)生位移(易學發(fā)，1984)。

調(diào)查工作中，通過部分物探手段及在重點裂縫位置布置探槽等工作，分析相關裂縫是否為斷層蠕滑型裂縫。

通過分析地震時間剖面，表現(xiàn)為剖面上地層節(jié)理及開啟的地裂縫地震反射波組的特點是反射相位較其兩側(cè)明顯增多，呈水平或傾斜的整體錯動，形成梳狀外貌特征，第四系原狀結(jié)構(gòu)已經(jīng)改變，出現(xiàn)更多的地層間的孔隙和間隔，從而導致應力場環(huán)境的變化，使隱伏裂縫逐步擴張，進而發(fā)生位移。

王景明(2000)研究的華北平原地裂縫分布資料顯示，1966年邢臺6．8級地震地裂縫主要分布在60km×20km的區(qū)域內(nèi)，調(diào)查的隆堯地裂縫就分布在這一區(qū)域內(nèi)，并且與這一區(qū)域內(nèi)的一條走向為北北東的隱伏斷層基本吻合(圖3)。

圖3 冀中坳陷區(qū)域斷裂構(gòu)造圖

根據(jù)王景明(1992)的研究表明，20世紀50年代初以來，大華北區(qū)地殼活動逐步增強加速，尤其在1966年地震后，地殼運動加速過程中，變動以彈性、塑性和破裂等變形形式來釋放應變，應變表現(xiàn)為非線性變形，表現(xiàn)形式是微裂隙發(fā)育，從而引起地殼破裂開啟形成地裂縫。近40年來，華北平原地塹系在大華北地區(qū)變動明顯的構(gòu)造帶中活動尤其明顯，并形成了地裂縫密集帶分布。

依托華北平原地裂縫調(diào)查與評價項目，在野外工作和大量區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、槽探和物探資料的基礎上，對隆堯縣斷層蠕滑地裂縫的分布、延伸特征、形成機制進行了簡單分析，并主要對西店子村出現(xiàn)的斷層蠕滑型地裂縫的垂直地層錯斷現(xiàn)象進行了初步研究。

1 隆堯地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造概況及其與隆堯地裂縫的成因關系

隆堯縣地處于滹沱河沖積扇的西南緣，太行山山前洪積—沖積傾斜平原的前緣，古寧晉泊湖積—沖積洼地及沖積平原之間，滏陽河自西南向東北流經(jīng)1966年震區(qū)中部。

構(gòu)造上，屬于邢臺地塹區(qū)，東鄰滄縣隆起，北接冀中坳陷，西界太行隆起，南鄰內(nèi)黃隆起(車兆宏等，1992)。

邢臺地塹的總體構(gòu)造以北北東向為主，內(nèi)部發(fā)育有一系列較大的北北東—北東向斷裂帶，局部尚發(fā)育有北西—北西西向斷裂。根據(jù)物探資料，地塹的凸起和凹陷之間有兩條隱伏斷層：一條在南部，方向為由兩端的北西西向轉(zhuǎn)為東端的北東向;另一條在北部，方向為北北東，前者的東北端點與后者的西南端點相距20km。而此次發(fā)現(xiàn)的地層錯斷地裂縫就位于兩條隱伏斷層之間。

1966年，邢臺地震震中位于新河斷裂的上盤，地面形成長50余km的密集地裂縫帶，它們基本沿新河斷裂分布。地震的內(nèi)圈等烈度線近于橢圓形，長軸約為18km，短軸約為12km，走向為北北東，與新河斷裂走向相符(圖4)。震源機制解表明，震源斷層面走向與新河斷裂大體吻合，所以，發(fā)震斷裂在平面上與新河斷裂基本一致(徐杰等，1988)。

圖4 1966年邢臺地震區(qū)域斷裂構(gòu)造圖

通過邢臺地震區(qū)域斷裂構(gòu)造圖分析，隆堯地裂縫與隆堯南構(gòu)造斷裂帶走向大體相吻合。其中，新河斷裂是束鹿斷陷盆地的斷陷主斷裂，為正斷層，控制了中生界和古近系地層的分布，向上延入新近系和第四系。因此，隆堯地裂縫可能為活動斷裂錯斷了第四系地層之后，直接出露于地表之后的繼續(xù)活動。

無論從地表垂直向錯斷(最大42cm)還是從對建筑物的破壞來看，隆堯地裂縫的活動強度都與其他小型地裂縫有明顯的區(qū)別。顯然，對于如此大活動強度的地裂縫的開啟能量，只有區(qū)域構(gòu)造應力場和深部的活動斷裂才能提供。

垂向錯動距離自上而下逐步增大(圖5)，該地裂縫發(fā)育過程具有自下而上逐步擴展發(fā)育的基本特征。因此，這可能反映了深部斷裂活動過程中，由于在斷層面兩側(cè)介質(zhì)體相對運動過程中，上部土層受到牽引作用而發(fā)生開裂，并逐步向上作遞進式擴展的基本發(fā)育特征。

圖5 西店子村西探槽素描圖

2 隆堯西店子村地裂縫分布概況

據(jù)訪問了解和有關調(diào)查資料，本區(qū)域內(nèi)的地裂縫開始發(fā)生于2000年左右，為雨季后地表出露，部分裂縫伴有垂直向錯動位移。1966年地震時，伴有翻砂和冒黑水現(xiàn)象，并有轟隆的聲音從地下發(fā)出，部分村民家中井水出現(xiàn)污濁現(xiàn)象。

根據(jù)實地調(diào)查的資料，裂縫自西向東貫穿西店子村—東店馬村邊的河道中(已干枯)，局部地面有明顯出露，據(jù)布置的探槽的編錄數(shù)據(jù)可知，錯動量呈西高東低，約為10cm～35cm。

2006年春至2010年10月下旬的4年時間，西店子村內(nèi)房屋垂直開裂錯動最大達20cm，水平錯動最大達6cm(圖6)。據(jù)此初步計算，該地裂縫的平均垂直錯動速率約為5cm/a，水平錯動速率約為1.25cm/a。隆堯地裂縫運動特征與華北平原北西西向的斷裂普遍存在的左旋滑移特征相吻合。

圖6 隆堯地裂縫左旋走滑錯動特征

圖7 西店子村地層剖面斷裂錯動示意圖

圖8 探槽剖面地層錯動示意圖

3 隆堯西店子村淺層地震勘探分析

3．1 隆堯西店子村淺層地震勘探時間剖面解譯

從圖9上看，剖面存在4個反射波組(T1、T2、T3、T5)。T1反射波組在時間210ms左右，反射波組連續(xù)，且T1反射波組平直，埋藏深度在140m左右。T2反射波組在時間260ms左右，反射波組連續(xù)，且T2反射波組平直，埋藏深度在200m左右。T3反射波組在時間410ms左右，反射波組較連續(xù)，且反射波組平直，埋藏深度在360m左右。T4反射波組缺失。T5反射波組在時間610ms左右，且反射波組不連續(xù)，在CMP250處反射波組缺失，推測為斷層，埋藏深度在670m左右。

3．2 隆堯西店子村淺層地震勘探時間剖面解譯

從圖10上看，剖面存在5個反射波組(T1、T2、T3、T4、T5)。在CMP224和CMP233兩處，反射波組T1、T2和T3錯斷，推斷為斷層。T1反射波組在時間200ms左右，且T1反射波組平直，埋藏深度在140m左右。T2反射波組在時間260ms左右，且T2反射波組較平直，埋藏深度在200m左右。T3反射波組在時間400ms左右，且反射波組較平直，埋藏深度在 360m左右。T4反射波組在 CMP152—CMP205地段缺失(圖7橢圓部分)，且T4反射波組在時間500ms左右變化，埋藏深度在500m左右。T5反射波組在時間600ms左右，且反射波組不連續(xù)，埋藏深度在660m左右。地面上地裂縫對應(圖7)CMP152點位置。

3．3 隆堯西店子村淺層地震勘探時間剖面解譯

從圖11上看，剖面存在5個反射波組(T1、T2、T3、T4、T5)。T1反射波組在時間200ms左右，反射波組連續(xù)，且T1反射波組較平直，埋藏深度在140m左右。T2反射波組在時間260ms左右，反射波組連續(xù)，且T2反射波組平直，埋藏深度在200m左右。在CMP320處，反射波組T3、T4和T5錯斷，推斷為斷層。在 CMP360—CMP550地段，T3、T4、T5反射波組缺失(圖8中橢圓部分)，推測為破碎帶。T3反射波組在時間390ms左右，埋藏深度在350m左右。T4反射波組在時間480ms左右，埋藏深度在480m左右。T5反射波組在時間550ms左右，埋藏深度在605m左右。

3．4 隆堯西店子村淺層地震勘探時間剖面解譯

從圖12上看，剖面存在5個反射波組(T1、T2、T3、T4、T5)。T1反射波組在時間180ms左右，反射波組連續(xù)，且T1反射波組較平直，埋藏深度在126m左右。T2反射波組在時間210ms左右，反射波組連續(xù)，且T2反射波組平直，埋藏深度在168m左右。T3反射波組在時間380ms左右，反射波組連續(xù)，且T2反射波組平直，埋藏深度在342m左右。在CMP144—CMP155地段，反射波組T4缺失，推斷為斷層。T4反射波組在時間500ms左右，埋藏深度在500m左右。T5反射波組在時間580ms左右，埋藏深度在638m左右。

圖12 西店子村淺層地震時間剖面4

3．5 反射波速度表

/ms T1 T2 T3 T4 T5速度/(m/s)層位1 400 1 600 1 800 2 000 2 200

3．6 α杯觀測曲線圖解譯

從以下6幅α杯觀測曲線圖線可以清楚地看到在200m地裂縫位置，大多數(shù)脈沖值都處于峰值、其兩側(cè)明顯下降。其中隆堯wab-e線跨多條地裂縫。依此可以認為地裂縫位置正是氡氣從地下深部沿斷裂層面運移到地表的出口，地裂縫影響帶寬30m左右。對于峰值比較大的區(qū)域，依此可以推斷為隱伏地裂縫。

圖13 隆堯wab-a線α杯曲線圖

圖14 隆堯wab-b線α杯曲線圖

圖15 隆堯wab-c線α杯曲線圖

4 總述

通過華北平原地裂縫的成因和構(gòu)造關系可知，華北平原地裂縫一般發(fā)生在山前與平原交接部位。主要地裂縫分布在太行山東側(cè)斷裂帶，邢臺—唐山斷裂帶(涉縣—盧龍斷裂)，晉縣—邢臺—安陽斷裂帶，大別山北麓鄭州—商丘—徐州、盧氏—確山—固始、桐柏—信陽—商城、淮河斷裂帶和郯城—廬江斷裂帶附近。大多與區(qū)域構(gòu)造線的方向一致。反映了構(gòu)造運動的動力及控制因素。

圖16 隆堯wab-d線α杯曲線圖

圖17 隆堯wab-e線α杯曲線圖

圖18 隆堯wab-f線α杯曲線圖

結(jié)合本次淺層地震勘探分析的結(jié)果，隆堯區(qū)域的地表出露的地裂縫符合邢臺地區(qū)的基底構(gòu)造分布延伸，具有位于凹陷與隆起相交的邊界附近的特點。

華北平原基底深度在3 000m以下，基底構(gòu)造形態(tài)一般不會對第四系地裂縫有直接影響，但由于新生代以來，華北構(gòu)造區(qū)是一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜、斷裂活動強烈的地區(qū)。新華夏系NNE向斷裂是發(fā)生過多次強震的活動斷裂。因此，在華北盆地內(nèi)控制拗陷與隆起，凹陷與凸起的活動斷層對地裂縫的發(fā)生具有重要的成生關系(楊旭東等，2008)。

另外，根據(jù)2007年河北省水資源公報，“寧(晉)柏(鄉(xiāng))隆(堯)”降落漏斗面積達1 956km2，中心地區(qū)地下水埋深 64.20m，比2006年降低了3.57m。流經(jīng)西店子村的澧河，從20世紀70年代干涸后，西店子村開始掀起打井熱，如今，該村約3 500人、面積3km2，120口機井。據(jù)調(diào)查，在1980年以前，生產(chǎn)隊集體挖土井5m～6m深即可取水，之后逐漸已挖不出水，便開始打機井。最初，一般打25m左右出水，到2010年，機井一般要打120多m深，水位約60m。所以，過量開采地下水引起的地面沉降也進一步加劇了地裂縫活動。

綜上所述，1966年邢臺地震誘發(fā)的地震斷裂的震后長期蠕滑活動及人類對地下水的開采利用是形成隆堯地裂縫的主要原因。

5 結(jié)語

斷層蠕滑型地裂縫的特征是垂直錯動量大，剖面形狀多呈鋸齒狀或階梯狀，個別有擦痕，傾角陡，地裂縫錯距隨深度增加而加大。通過對重點區(qū)域的調(diào)查走訪、相關探槽的布置及相關的物探工作布置，結(jié)合調(diào)查所整理和相關構(gòu)造資料的分析，邢臺隆堯地區(qū)的地裂縫，特別是出現(xiàn)錯斷的裂縫現(xiàn)象應屬于斷層蠕滑型地裂縫，原因有以下3點。

(1)隆堯地裂縫其地表走向有較為明顯規(guī)律特征(東西西向)，對應其展布方向與此區(qū)域的構(gòu)造有緊密聯(lián)系。通過實地物探反射波剖面上反應的相位的錯斷、扭曲，可判斷是從隱伏的斷層蠕滑型地裂逐步發(fā)展成為地表地裂縫，特別是不同地層結(jié)構(gòu)差別大的地區(qū)產(chǎn)生地面的不均勻沉降而形成地裂縫。主控因素為動力類型斷層蠕滑、斷層速滑和區(qū)域微破裂形成第四系地層節(jié)理開啟，表現(xiàn)為地殼構(gòu)造運動產(chǎn)生的內(nèi)應力的積累與釋放(圖19)。

圖19 東店馬村探槽揭露的主裂縫擦痕

(2)通過對當?shù)氐木唧w調(diào)查和布置探槽所得出的數(shù)據(jù)分析，隆堯地區(qū)地裂縫的成因是區(qū)域構(gòu)造應力場的作用下形成的第四系地層節(jié)理以及地下水水位下降。由于這個地區(qū)地表水的滲漏、沖刷、潛蝕和地面沉降幅度以及附近工廠大量開采地下水(隆堯蓮子鎮(zhèn)為華龍集團所在地，是其下屬的今麥郎純凈水的取水范圍)，導致地面沉降引發(fā)地層節(jié)理延及地表開裂，這是地裂不可忽略因素。

(3)隆堯地區(qū)地裂縫及地層節(jié)理在相關地震時間剖面上的特點(主要針對1966年邢臺地震)是反射相位較其兩側(cè)明顯增多，呈水平或傾斜的整體錯動，形成梳狀擾動的反射震相外貌特征，表明第四系地層原狀結(jié)構(gòu)已被改變。所以，為初步推斷此區(qū)域發(fā)生地裂縫為斷層蠕滑型地裂縫提供了特征標志和依據(jù)。

車兆宏，范燕．1992．華北地區(qū)斷層現(xiàn)今活動速率與特征［J］．地震地質(zhì)，21(1)：69 －76．

王景明．1992．華北區(qū)地裂縫與地震活動周期性分析［J］．地震研究，15(1)：53 －62．

王景明．2000．地裂縫及其災害的理論與應用［M］．西安：陜西科學技術出版社．

徐杰，方仲景，楊理華．1988．1966年邢臺7．2級地震的地震背景和發(fā)震構(gòu)造［J］．地震地質(zhì)，10(4)：51－59．

楊旭東，孫黨生，彭成，等．2008．華北平原地裂縫地球物理勘查項目成果報告［R］．保定：中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心．

易學法．1984．西安市地面沉降及地裂縫成因的討論［J］．地震，(6)：46 －60．

Cause analysis of creep type ground fissures for Longyao typical faults in Xingtai

SONG Wei，MA Xue-jun，JIA Guo-xin

(Center for Hydrogeolog and Environmental Geology，CGS，Baoding 071051，Hebei)

When Xingtai Earthquake occurred in 1966，many occasions of ground fissures took place in the epicenter location around Longyao area．Through field investigation，the authors found that a discontinuous distribution of ground fissure about 17km long in south Longyao(through the epicenter location of the Baijiazhai Village)，locally associated with the phenomenon of formation dislocation．By geophysical investigations on the geological structures in North China Plain and the recent fault movement research and analysis，the authors found that the stratigraphic fault phenomenon for Longyao ground fissure was resulted from fault creep activities，showing the accumulation and release of internal stress occurred by crustal tectonic movement．In addition，some natural and human activities like long-terms of drought and excessive exploitation of groundwater were the affecting factors of ground water level decrease year by year．

Ground fissures;Geophysical exploration;Groundwater movement;Cause analysis;Xingtai，Hebei

P694

A

1674－3636(2011)04－0405－08

10．3969/j．issn．1674-3636．2011．04．405

2011－05－06;

2011－07－17;編輯：侯鵬飛

宋偉(1985—)，男，工程師，主要從事水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查與研究，E-mail：sw262914595@126．com