華北平原地裂縫影響因素分析

馬學(xué)軍，呂鳳蘭，宋 偉，楊旭東（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）

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華北平原地裂縫影響因素分析

馬學(xué)軍，呂鳳蘭，宋 偉，楊旭東
（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）

摘 要：華北平原地裂縫近年來呈快速發(fā)展趨勢，給人民的生產(chǎn)生活造成很大威脅。本文對(duì)地裂縫的影響因素進(jìn)行分析，認(rèn)為基底構(gòu)造單元是地裂縫發(fā)育的控制因素、全新世地質(zhì)環(huán)境控制非構(gòu)造地裂縫的分布、基底斷裂構(gòu)造蠕滑控制地裂縫的規(guī)模。地形地貌、巖性結(jié)構(gòu)、地表水、地下水、地震、地面不均勻沉降、持續(xù)干旱、地下巖溶和人類工程活動(dòng)等因素影響地裂縫的發(fā)展。地裂縫的形成非單一因素造成，而是多種因素復(fù)合作用而導(dǎo)致。探討地裂縫的影響因素對(duì)研究華北平原地裂縫形成機(jī)理與災(zāi)害防治具有重要意義。

關(guān)鍵詞：華北平原；地裂縫；影響因素；地質(zhì)災(zāi)害防治

地裂縫是指地表在自然或人為因素作用下產(chǎn)生開裂，并在地面形成一定長度和寬度的裂縫的一種地質(zhì)現(xiàn)象。

華北平原地裂縫最早發(fā)生于1963年3月的邯鄲市。1966年邢臺(tái)地震和1976年唐山地震后，地裂縫迅猛發(fā)展。進(jìn)入80年代以來，京津冀平原普遍發(fā)現(xiàn)地裂縫，至1996年共發(fā)現(xiàn)地裂縫273處，達(dá)700多條[1]。

通過2009～2014年的實(shí)地調(diào)查，華北平原地裂縫已有1000多條，分布在96個(gè)縣市[2]。地裂縫延伸幾米到幾十千米，部分地裂縫造成建筑物和道路破壞、農(nóng)田開裂漏水。

華北平原地裂縫仍呈發(fā)展趨勢，而其研究程度相對(duì)較低，嚴(yán)重滯后于防災(zāi)減災(zāi)的需要。本文依托華北平原地裂縫調(diào)查與防治研究項(xiàng)目，在大量區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、槽探和物探資料基礎(chǔ)上，對(duì)華北平原地裂縫的影響因素進(jìn)行分析。

1　地裂縫主控因素

1.1 基底構(gòu)造單元是地裂縫發(fā)育的控制因素

通過調(diào)查及分析，華北平原地裂縫發(fā)育區(qū)與基底構(gòu)造單元相一致[3～5]。華北平原斷陷盆地位于華北地塊東部，是受NNE、NE、NW、EW四組斷裂控制的一個(gè)結(jié)構(gòu)破碎的復(fù)合型斷陷盆地。凹陷與隆起交接部位新生界半固結(jié)和松散地層厚度變化較大，是基底活動(dòng)構(gòu)造分布集中部位[6]，因而地裂縫易發(fā)區(qū)多位于凹陷與凸起、凹陷與斜坡、凹陷與隆起相交的邊界附近。

冀中拗陷、東濮拗陷、臨清拗陷和開封拗陷等均為地裂縫易發(fā)區(qū)。冀中拗陷區(qū)域作為京津冀一體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移重要承接區(qū)和交通樞紐匯集區(qū)地裂縫最為發(fā)育，成為華北平原地裂縫災(zāi)害最嚴(yán)重地區(qū)之一，也再次證明基底構(gòu)造控制著地質(zhì)環(huán)境的演化，進(jìn)而控制著第四系地層厚度、結(jié)構(gòu)和巖性，成為影響地裂縫災(zāi)害發(fā)生的重要因素。

1.2 全新世地質(zhì)環(huán)境控制非構(gòu)造地裂縫的分布

華北平原北部全新世地層主要由海河淤積而成，與黃河泛平原地層結(jié)構(gòu)、地層巖性有較大區(qū)別。因此，地裂縫災(zāi)害總體發(fā)展趨勢是由北部燕山山前平原向南部豫北平原逐漸減弱，由西部太行山山前平原向東部瀕海平原逐漸減弱。地裂縫的總體分布與全新世以來華北平原沉積環(huán)境有關(guān)，尤其是其中的大清河水系，由于其發(fā)育于西北太行山，落差大、距離近，形成以沖洪積為主的地層，顆粒較粗，多為卵石、礫石、粗砂、粉土和黏土互層，且多呈透鏡體狀，連續(xù)性和分選性較差，容易導(dǎo)致地面不均勻沉降和地下水的潛蝕，因此集中發(fā)生潛蝕地裂縫和地面不均勻沉降地裂縫等非構(gòu)造斷裂。而華北平原東部瀕海和南部黃泛平原，多為沖積淤積細(xì)顆粒物質(zhì)組成的地層，形成粉土和黏土互層，偶見細(xì)砂，地層連續(xù)性和分選性較好，地面沉降較均勻，從而不易發(fā)生地裂縫災(zāi)害，偶爾在湖相沉積邊緣有地面不均勻沉降地裂縫發(fā)生。

1.3 基底斷裂構(gòu)造蠕滑控制地裂縫的規(guī)模

華北平原構(gòu)造型地裂縫以隆堯縣周村—毛爾寨村地裂縫、文安鎮(zhèn)呂公務(wù)地裂縫和涿州長安城村地裂縫最為典型，其特征為延伸長、深度大；延伸方向單一，與其下蠕滑斷層相同，呈條帶狀或線狀分布；常呈雁列和斜列形式，偶具多級(jí)性，后期多演化成鋸齒形地裂縫；一般長而寬，可出現(xiàn)水平扭錯(cuò)、垂直落差和張裂三向位移；常與地下水活動(dòng)和小震有關(guān)，其活動(dòng)與季節(jié)、氣候無關(guān)，經(jīng)常反復(fù)活動(dòng)。地震使基底斷裂構(gòu)造蠕滑加速，破壞巖體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致該類地裂縫集中產(chǎn)生并大量發(fā)育。

2　地裂縫發(fā)育的影響因素

2.1 地形地貌

地裂縫主要分布在太行山與平原交接地帶以及山前平原與中部平原交接部位，地勢相對(duì)低洼的洪積扇前、各洪積扇間，各條河流的河漫灘、古河道及湖沼洼地地區(qū)。

在山前一線涿州—淶水—徐水—滿城—順平—望都地裂縫分布帶，地貌形態(tài)為沖洪積平原的傾斜地小區(qū)、坡平地小區(qū)，是山前地形坡度變緩、地勢相對(duì)平坦的地區(qū)，也是古河道、河漫灘較發(fā)育地區(qū)，該區(qū)域地裂縫分布相對(duì)較集中。霸州—文安—大城一帶地裂縫集中分布區(qū)，地貌上為沖洪積平原亞區(qū)與沖積平原亞區(qū)交接地帶，多分布在泛濫坡地小區(qū)及泛濫洼地小區(qū)及河漫灘地小區(qū)。斷層蠕滑型地裂縫則一般不受地貌類型影響。

2.2 巖性及地層結(jié)構(gòu)

地層巖性對(duì)地裂縫的發(fā)生發(fā)展的影響主要反映在三個(gè)方面：一是地層巖性結(jié)構(gòu)因素，上細(xì)下粗的二元結(jié)構(gòu)在地層長期處于干縮狀態(tài)下易產(chǎn)生地裂縫，土層顆粒越粗，地裂縫越易潛蝕，縫壁坍塌而加寬。二是作為傳遞構(gòu)造應(yīng)力、應(yīng)變的介質(zhì)，不同的應(yīng)力條件發(fā)生地裂縫的可能性強(qiáng)度和規(guī)模，在很大程度上取決于場地的地層。三是不同性質(zhì)的土層對(duì)誘發(fā)地裂縫的響應(yīng)程度存在明顯差異。具有濕陷性的黃土層受水的滲透發(fā)生濕陷變形，形成應(yīng)變的集中場導(dǎo)致較強(qiáng)的附加應(yīng)力，在此應(yīng)力的作用下，已貫通黃土層的裂縫出現(xiàn)明顯的附加變形，使隱伏裂縫直通地表開裂成縫。

2.3 地表水、地下水

為滿足社會(huì)需要，華北平原地下水嚴(yán)重持續(xù)超采，導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降[7]，至今造成第四系近地表幾十米厚松散地層長期處于失水狀態(tài)。地下水的抽取造成原飽和帶土體顆粒之間有效接觸力增加，同時(shí)造成地下隱裂隙和空洞的形成。農(nóng)業(yè)灌溉用水的入滲引起非飽和帶土體含水量增加，改變了顆粒的受力狀況，導(dǎo)致顆粒間連接剛度降低，致使微結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[8]。

華北平原降水量時(shí)空分布不均，變差大，年降水量多集中在七八九月份。調(diào)查表明有一半以上地裂縫災(zāi)害發(fā)生在強(qiáng)降雨以后，即七八九3個(gè)月，地裂縫多發(fā)時(shí)期基本與汛期相符，說明降雨加速了地裂縫的形成。這種地裂縫與地表水的伴生性也說明地表積水、排水不暢和強(qiáng)滲透性徑流條件是誘發(fā)地裂縫的主要因素之一。

2.4 地震因素

地震導(dǎo)致土層顆粒間連接剛度降低，致使結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。這些變化是在瞬間發(fā)生和完成的，造成在地震發(fā)生時(shí)總是伴隨著大量的裂縫和塌陷的出現(xiàn)[9]。

華北平原地裂縫各活動(dòng)高潮分別滯后地震活動(dòng)高潮1～2年。在邢臺(tái)7.2級(jí)地震和唐山7.8級(jí)地震的1966～1976年間，地裂縫活動(dòng)在地震活動(dòng)高潮之后兩年出現(xiàn)。進(jìn)而說明華北平原地裂縫與地震活動(dòng)高潮呈一種對(duì)應(yīng)關(guān)系。

近40年來，出現(xiàn)7個(gè)地裂縫與地震活動(dòng)小周期，它們都直接受到活動(dòng)的地應(yīng)力驅(qū)動(dòng)。地震與地裂縫的先后出現(xiàn)相伴而生，是在同一區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用下產(chǎn)生的不同微破裂和構(gòu)造活動(dòng)現(xiàn)象。它們組成區(qū)域地應(yīng)力增強(qiáng)的效應(yīng)系列，同是河北平原區(qū)域應(yīng)力場不斷加強(qiáng)的信息[10]。

地震發(fā)生后，使土層深處密閉的構(gòu)造節(jié)理開啟，但沒有連通到地表。在經(jīng)過強(qiáng)降雨或澆地形成積水滲透，將已開啟的節(jié)理縫與地表連通形成地裂縫。

2.5 地面不均勻沉降

地面不均勻沉降反映在兩個(gè)方面：一是水位下降量不同。由于水壓力變化差異產(chǎn)生的沉降量不同，這主要反映在不同的漏斗區(qū)或同一漏斗的不同部位。另一個(gè)是水位變化幅度差別不大，而因地層結(jié)構(gòu)不同引起沉降量差異。這種差異給其連結(jié)部位提供了拉張力，在拉張力的作用下，連接薄弱部位最先開裂成縫。

華北平原是地面沉降多發(fā)地區(qū)，由于第四系地層巖性、地層結(jié)構(gòu)、地層厚度、地下水位變化等地貌單元迥異，因而導(dǎo)致不同地貌單元垂直形變速率差異，即地面沉降梯度較大[11,12]。地裂縫經(jīng)常在地面沉降梯度較大地帶發(fā)生，如滄州地裂縫[13]。

2.6 氣候持續(xù)干旱

近年來，華北平原降雨持續(xù)偏少，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)河流全部干枯斷流，使地下水成為華北平原唯一生活、生產(chǎn)用水，進(jìn)一步加大了地下水開采量，使地下水持續(xù)嚴(yán)重超采，從而導(dǎo)致地下水位持續(xù)急劇下降，使淺層土體長期處于失水干縮狀態(tài)，進(jìn)而使淺層土體節(jié)理裂隙發(fā)育，為地裂縫災(zāi)害的發(fā)生提供了條件。

同時(shí)根據(jù)近40年來華北平原的降雨量曲線與地裂縫發(fā)生的年份對(duì)比發(fā)現(xiàn)地裂縫多發(fā)生在干旱年份的6～8三個(gè)月。

2.7 地下巖溶發(fā)育

華北平原由于地下巖溶發(fā)育而產(chǎn)生的地裂縫較少，主要分布在太行山、燕山山前第四系地層厚度較?。ㄒ话愕谒南档貙雍穸刃∮?0m），下覆易溶巖地區(qū)。如唐山市巖溶塌陷20處，最有代表性的為唐山市體育場巖溶塌陷，上覆土層厚度30m左右，直接覆蓋在碳酸鹽巖上。由于地下水不斷潛蝕上覆土層，從而導(dǎo)致地面塌陷。再有保定徐水新鄉(xiāng)村地裂縫是由于第四系地層?。?0～30m），下覆白云巖發(fā)育構(gòu)造巖溶，溶洞上方的第四系地層不斷塌落直至地表，從而導(dǎo)致地裂縫災(zāi)害發(fā)生。

2.8 人類工程活動(dòng)

近年來，華北平原生活、生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)用水快速增加，進(jìn)一步加大了地下水開采量，導(dǎo)致地下水位持續(xù)急劇下降，使整個(gè)華北平原形成了地下水位復(fù)合型區(qū)域大漏斗，尤其是農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井林立，成井質(zhì)量良莠不齊，致使灌溉井跑砂漏砂，逐漸掏空抽水井附近含水層，形成負(fù)壓，隨著負(fù)壓進(jìn)一步加劇，擴(kuò)散致地表，進(jìn)而使淺層土體節(jié)理裂隙發(fā)育，形成弧形地裂縫。

另外，石油、煤、石膏等礦產(chǎn)的開發(fā)，尤其是掠奪性開采破壞原有的地應(yīng)力場和力學(xué)平衡，在導(dǎo)致礦區(qū)地面沉降的同時(shí)，往往伴有地裂縫災(zāi)害的發(fā)生。

3　結(jié)語

華北平原是地裂縫多發(fā)區(qū)，其危害的嚴(yán)重性日益引起各方面重視。本區(qū)地裂縫的主控因素為基底構(gòu)造、全新世地質(zhì)環(huán)境和基底構(gòu)造蠕滑。地形地貌、巖性結(jié)構(gòu)、地表水、地下水、地震、地面不均勻沉降、持續(xù)干旱、地下巖溶和人力工程活動(dòng)等因素影響了地裂縫的發(fā)展。本地區(qū)地裂縫的形成不是一種因素造成的，而是多種因素復(fù)合作用而成。探討地裂縫的影響因素對(duì)研究華北平原地裂縫形成機(jī)理與災(zāi)害防治具有現(xiàn)實(shí)意義。

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Major influence factors of ground fissure in the North China Plain

MA Xue-Jun,Lü Feng-Lan,SONG Wei,YANG Xu-Dong
(Center for Hydrogeology and Enνironmental Geology of China Geological Surνey,Hebei Baoding 071051,China)

Abstract:In recent years,the ground fissures in the North China Plain have been rapidly deteriorating and are threatening local living conditions and production.This study analyzes the major factors influencing the ground fissure.The main controlling factors include the basement structure,the Holocene geological environment and the basement structure creep.Topography,geomorphology,lithology,surface water,ground water,earthquakes,ground surface subsidence,continuous drought,underground karst and human engineering activities are the factors that affect the development of ground fissures.It is considered that a single factor is not solely responsible for the formation of ground fissures in North China but rather a combination of related factors.It is significant to study the formation mechanism and hazard control of ground fissures in the North China Plain.

Key words:North China Plain;ground fissure;influence factors;prevention and control of geological hazard

基金項(xiàng)目:中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“華北平原地裂縫調(diào)查與防治研究”(1212011220183)

作者簡介:馬學(xué)軍(1977-),男,學(xué)士,高級(jí)工程師,主要從事水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究.

修訂日期:2016-01-22

收稿日期:2015-12-07

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.017

中圖分類號(hào)：P642.26

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1329(2016)01-0074-03

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