山西臨汾高堆地裂縫成因機制研究

郭　瑾，陳　慧，閆小兵

(1.成都理工大學(xué)，四川　成都　610059；2.山西省地震局，山西　太原　030021)

·考察報告·

山西臨汾高堆地裂縫成因機制研究

郭瑾1，陳慧1，閆小兵2

(1.成都理工大學(xué)，四川成都610059；2.山西省地震局，山西太原030021)

摘要：臨汾盆地是汾渭盆地中地裂縫較發(fā)育的地區(qū)，地裂縫類型眾多、成因復(fù)雜。在對臨汾市區(qū)西部高堆村出現(xiàn)的地裂縫進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查并采用電阻率CT方法勘察后，基本控制了該地裂縫的空間展布；從活動構(gòu)造、地下水開采、黃土濕陷及地層條件、地形地貌環(huán)境四個作用因素分析其成因機制。發(fā)現(xiàn)，高堆地裂縫深部不存在隱伏破裂面，屬非構(gòu)造成因地裂縫，而地下水超采和黃土濕陷性是其誘發(fā)因素，地表滲水使裂縫擴張、加劇，地層條件、地形地貌環(huán)境則制約、控制其發(fā)育位置。

關(guān)鍵詞：臨汾高堆地裂縫；成因機制；山西

0引言

地裂縫災(zāi)害是汾渭盆地內(nèi)分布廣泛、致災(zāi)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。自20世紀(jì)中、后期以來，汾渭盆地各次級盆地中均發(fā)育有規(guī)模不等的地裂縫[1-6]，其數(shù)目多，危害大，已成為我國乃至全世界地裂縫災(zāi)害最為發(fā)育的地區(qū)之一，嚴(yán)重影響著城市建設(shè)及國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其中，尤以大同、榆次、臨汾、運城、西安等城市最為嚴(yán)重和典型。

臨汾市城區(qū)及周邊至今已發(fā)現(xiàn)5處裂縫帶，按其發(fā)育地點分別命名為高堆地裂縫、鵝舍地裂縫、龍祠地裂縫、梁村地裂縫和城區(qū)地裂縫[7-8]。根據(jù)地裂縫的展布位置與形態(tài)的不同，成因也不盡相同。根據(jù)前人研究，汾渭盆地中發(fā)育的較大規(guī)模地裂縫成因主要受活動構(gòu)造、地下水開采、黃土濕陷及地層條件的地形、地貌環(huán)境4個因素控制[2，9-11]。該文在對高堆地裂縫地質(zhì)調(diào)查和電阻率CT探察的基礎(chǔ)上，將分別討論四者對高堆地裂縫的影響。

1地裂縫勘察

1.1　地裂縫地質(zhì)調(diào)查

本次野外調(diào)查主要涉及研究區(qū)中高堆、官場、嘉泉、南蘆和北蘆5個村的房屋和農(nóng)田中地裂縫的發(fā)育情況。農(nóng)田中的裂縫大部分已被當(dāng)?shù)鼐用裾剑o調(diào)查工作帶來了較大難度，故采用房屋裂縫現(xiàn)場調(diào)查、農(nóng)田中的據(jù)當(dāng)?shù)鼐用窕貞浂ㄎ幌嘟Y(jié)合的方法，基本掌握了地裂縫的展布情況(見第27頁圖1)。

高堆地裂縫最早于1976年雨季在地表顯露，到80年代中期沒有繼續(xù)加強的跡象。但在1990年左右，地裂縫活動明顯活躍，1995年5月到11月不足半年的時間里，房屋水平開裂、垂直形變幅度均達(dá)到1 cm左右。期間，農(nóng)田灌溉水、雨水直接流入裂縫，不知所蹤且裂縫逐漸擴張，生活深水井干枯但可聽到井底水流聲。為防止農(nóng)田灌溉使地裂縫繼續(xù)擴展，居民采用了沿裂縫開挖深2 m左右的基坑，再以隔水塑料襯底的措施。地裂縫十余年來發(fā)育呈減緩趨勢，目前仍可見的墻體開裂多是在1990年至1998年形成。

高堆地裂縫南端起始于高堆村村南，呈帶狀在地表斷續(xù)出露，最長單條裂縫可見長度達(dá)640 m，向NEE延伸至高堆村東農(nóng)田轉(zhuǎn)為NNE向，止于官場村東農(nóng)田。NNE向裂縫基本沿汾河西岸Ⅱ級階地和Ⅲ級階地的交界線展布，總長1.5 km。地裂縫在地表的開裂寬度一般在10 cm左右，局部可達(dá)60 cm(見第27頁圖2)，對民居的破壞性多表現(xiàn)為墻體開裂或地基不均勻沉降，其幅度多在2~5 cm。

1.2　電阻率CT探測

1.2.1電阻率CT測線布設(shè)

由于農(nóng)田中已看不到地裂縫形跡，為探明地裂縫的延伸方向、埋深、影響寬度及規(guī)模大小，研究工作選用電阻率CT勘察的物探方法，共布設(shè)高密度電阻率測線4條，布線原則是測線布置在與地裂縫的走向線垂直的方向上，用于控制可能出現(xiàn)的隱伏次級地裂縫，測線位置如第27頁圖1所示。測線主要技術(shù)指標(biāo)如第27頁表1所示。

圖1　高堆地裂縫展布及測線位置Fig.1　Spatial distribution of ground fissure in Gaodui Village and position of the prospecting line

圖2　高堆村典型地裂縫觀察點Fig.2　Observation points of typical ground fissure in Gaodui Village

測線名稱長度/m極距/m電極/個測點/個方向A-A'295560570E-WB-B'118260570E-WC-C'118260570N-SD-D'118260570N-S

1.2.2電阻率CT探測結(jié)果分析

測線A-A′和B-B′布置在已知的NNE向地裂縫上，為試驗性測線，電極距分別為5 m和2 m，根據(jù)電阻率CT剖面(見圖3、第28頁圖4)，地裂縫的出露位置高阻率曲線普遍上拱，電阻率曲線不連續(xù)，表現(xiàn)為東高西低的特征，顯示出地裂縫異常。圖3剖面顯示，160余米處，在20~30 m深處地裂東側(cè)同值的電阻率曲線較南側(cè)高約5 m；在50 m深處高10余米。圖4剖面顯示，60 m處上部曲線被拉短，形成下部曲線上拱，這與地質(zhì)調(diào)查中該地裂縫的性質(zhì)吻合較好，顯示了上部地裂縫異常的影響寬度為8 m。經(jīng)上述2條電阻率CT測線對地裂縫測試，發(fā)現(xiàn)5 m和2 m極距均有地裂縫異常存在，但2 m極距剖面中異常反應(yīng)較佳。試驗證明，采用2 m極距進(jìn)行地裂縫的電阻率CT勘察方法科學(xué)、可靠。

圖3　測線A-A′電阻率CT剖面圖Fig.3　Profile of resistivity CT of Line A-A′

圖4　測線B-B′電阻率CT剖面圖Fig.4　Profile of resistivity CT of Line B-B′

測線C-C′位于北東東段地裂縫上，已知地裂縫位于78 m處，地裂縫在電阻率CT剖面上，顯示了與試驗測線A-A′和B-B′同樣的電阻特性，地裂縫處下部高阻曲線上拱，電阻率曲線表現(xiàn)為北部抬升。地表地裂縫帶異常的影響寬度為10 m(見圖5)。

圖5　測線C-C′電阻率CT剖面圖Fig.5　Profile of resistivity CT of Line C-C′

地裂縫在展布上由NEE轉(zhuǎn)為NNE向，為查明該地裂縫是否有繼續(xù)沿NEE方向延伸的可能，工作中布設(shè)了測線D-D′。電阻率CT剖面顯示電阻率CT曲線連續(xù)，不存在異常(見圖6)，表明地裂縫未繼續(xù)向該方向延伸。

圖6　測線D-D′電阻率CT剖面圖Fig.6　Profile of resistivity CT of Line D-D′

2高堆地裂縫成因探討

2.1　活動構(gòu)造

就汾渭盆地中的較大規(guī)模、集中成帶的地裂縫而言，其構(gòu)造成因的特征是比較明顯的。新構(gòu)造運動使地質(zhì)歷史上強烈構(gòu)造運動形成的地層斷裂面復(fù)活，對地裂縫的活動產(chǎn)生激化作用，斷裂構(gòu)造首先控制地裂縫的產(chǎn)生，其次控制地裂縫的發(fā)展。作為斷裂的次生構(gòu)造，斷裂的平面延伸以及位錯都會在根本上引起上覆地裂縫的發(fā)展，故而斷裂活動強烈的地區(qū)，其上部地裂縫活動性也相應(yīng)較強。臨汾城區(qū)周邊發(fā)育的構(gòu)造成因地裂縫中，最具代表性的是龍祠地裂縫[12]。

與龍祠地裂縫特征明顯不同的是，此次野外地質(zhì)調(diào)查以及電阻率CT勘察均顯示，高堆地裂縫地表及深部均沒有對應(yīng)的斷裂構(gòu)造，即不存在隱伏的構(gòu)造破裂面，且地裂縫延伸距離較短，線性特征不明顯。在高堆村東，地裂縫由NEE向突然轉(zhuǎn)為NNE向，與臨汾盆地中的活動斷裂走向不一致。由此判斷，高堆地裂縫是非構(gòu)造成因的地裂縫。

2.2　地下水開采

地下水超采在時間和空間上都與地裂縫的發(fā)生發(fā)展有必然的聯(lián)系。隨著生活水平的提高，居民生活用水量大增，地下水開采可引起土層中潛水面下降，出現(xiàn)降水漏斗。而深井工程過量開采就會加劇以降水漏斗為中心的地面沉降與地下水水力梯度增大，沉降拉張應(yīng)力和滲流動水壓力這兩者都有助于上覆張應(yīng)力相對集中，導(dǎo)致土層結(jié)構(gòu)松弛，誘發(fā)、加劇地裂縫活動。當(dāng)潛水面穩(wěn)定后，地面沉降的速率也隨之降低。高堆村附近地面沉降在1978年至1986年期間，呈明顯加速趨勢，沉降盆地中心的沉降速度為30 mm/a，1986年至1995年期間雖有減緩，但也達(dá)到了10 mm/a[13]。從地理位置上看，高堆村正位于沉降中心附近，村中地裂縫發(fā)育的高峰時期是1990年至1998年，表明地裂縫活動時間稍晚于地面沉降，二者在時間和空間上均有良好的同步性。所以，地下水開采是地裂縫發(fā)育的主要誘因。

2.3　黃土濕陷及地層條件

在汾渭盆地內(nèi)，黃土地層分布廣泛，黃土濕陷誘發(fā)地裂縫在雨水較豐富的盆地南段更為常見。黃土具有強—中等濕陷性和高強度、低形變的力學(xué)性質(zhì)，因此浸水后土層形成較強的濕陷變形，加之黃土常發(fā)育垂直節(jié)理構(gòu)造，更易誘發(fā)地裂縫的出現(xiàn)或激化其活動。高堆地裂縫具有的特點是：地裂縫的活動性與雨季顯示較好同步性，尤其是在暴雨后集中形成，部分地裂縫在灌溉及雨季表現(xiàn)為重復(fù)顯現(xiàn)和持續(xù)擴張。所以，黃土本身的濕陷性也是地裂縫發(fā)育的誘因。

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高堆地裂縫主干裂縫呈波浪式展布，次級裂縫不發(fā)育，地裂縫主要表現(xiàn)為水平開裂，垂直位移不甚明顯。圖7[12]為高堆地裂縫形態(tài)剖面圖，裂縫裂面粗糙、陡直，略微向南傾，影響深度在1.6~1.8 m之間。據(jù)山西省地震工程勘察研究院2009年在《臨汾新高中項目工程場地地震安全性評價報告》(臨汾新高中工程場地和本工程場地緊鄰)中的鉆孔資料顯示(見第30頁圖8)：地表1.8~2.3 m以內(nèi)為褐黃色粉土，粉土以下為厚約3.0 m的褐黃色細(xì)砂。地表粉土中的易溶成分被地表滲水溶解沿粉土節(jié)理滲透，并順粉土底面的細(xì)砂層流失，粉土中會形成一個抗變形的薄弱面，加之地表水不斷沖刷，粉土不斷流失，最終在粉土中形成一條連通地表和粉土以下砂層的通道。這就解釋了農(nóng)田灌溉時水順地裂縫流失的原因。因此，地表水滲透和地層巖性的綜合作用對地裂縫發(fā)展起到了一定的加劇作用。

圖7　高堆地裂縫形態(tài)剖面圖[12]Fig.7　Profile of ground fissure in Gaodui Village

2.4　地形、地貌環(huán)境

地形、地貌環(huán)境是諸多方面的綜合反映。在濕陷性黃土分布區(qū)域，地裂縫的發(fā)育往往受地形、地勢制約，多分布于地勢低洼地帶[14]，而且地裂縫在穿越不同地貌單元時，由于巖體或土層本身性質(zhì)及抗張應(yīng)力強度不同，地裂縫往往沿地貌單元界線產(chǎn)生“折射”現(xiàn)象。

高堆地裂縫距離西部羅云山山前斷裂較遠(yuǎn)，受到盆山過渡帶垂向差異運動作用較弱。其位置恰好在汾河西岸的Ⅱ、Ⅲ級階地交接地帶，可以確定地裂縫在高堆村東發(fā)生的轉(zhuǎn)向正是受到了地貌單元的影響，所以，特殊的地貌位置對高堆地裂縫的形成和發(fā)展具有定位及控制作用。

3結(jié)論

高堆地裂縫地表線性特征不明顯且深部不存在隱伏破裂面，應(yīng)屬非構(gòu)造成因地裂縫。地裂縫的活動與當(dāng)?shù)赜昙疽约暗叵滤梢鸬牡孛娉两蹈叻迤陲@示了較好的同步性，所以，地下水過量開采和黃土本身的濕陷性是形成地裂縫的2個主要誘因。降雨、灌溉等地表滲水使裂縫進(jìn)一步擴張及加劇。作為地裂縫發(fā)育的介質(zhì)，一定的地層巖性條件也是其發(fā)展的重要制約因素，而所處的特殊地形與地貌環(huán)境嚴(yán)格控制了高堆地裂縫的發(fā)育位置。

圖8　臨近工程場地鉆孔剖面圖Fig.8　Profile of adjacent borehole

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(英文摘要

Formation Mechanism of Ground Fissure in Gaodui Village, Linfen City, Shanxi

GUO Jin1, CHEN Hui1, YAN Xiao-bing2

(1.Chendu University of Technology, Chendu, Sichuan 610059, China;2.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China)

Abstract:Linfen Basin is the area developed with ground fissures in Fen-wei Fault Basin Zone. The ground fissures have various types and complex origin. Spatial distribution of the ground fissure in Gaodui Village is figured out by field investigation and resistivity CT survey. The formation mechanism is analyzed from aspects of active tectonics, groundwater exploitation, the loess collapsibility and formation condition and landform environment. It is found that the ground fissures are caused mainly by over exploitation of groundwater and loess collapsibility rather than tectonic activities, because there is no concealed rupture surface in deep earth, The fissure is expanded and intensified by seepage of surface water and controlled by formation and landform environment.

Key words:Ground fissure in Gaodui Village, Linfen City; Formation mechanism; Shanxi

作者簡介：第一郭瑾(1987—)，男，山西省臨猗人。成都理工大學(xué)在讀碩士研究生。

收稿日期：2014-10-20

中圖分類號：P316

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-6265(2015)01-0026-05