隆堯地裂縫形變特征及成因分析

曹建玲，白淑芳，姜正義

（1.中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036；2.河北省地礦局第十一地質(zhì)大隊，河北 邢臺 054000）

0 引言

隆堯地裂縫是邢臺地區(qū)目前發(fā)育規(guī)模最大的地裂縫，總長約30km，共導(dǎo)致20個村莊上百戶村民屋舍發(fā)生不同程度損毀，并造成沿線的工程設(shè)施、農(nóng)田及道路損壞，嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)卮迕竦纳a(chǎn)、生活，威脅他們的生命及財產(chǎn)安全。有研究表明，河北平原區(qū)地裂縫的發(fā)展與地震活動在時空上存有一定的對應(yīng)關(guān)系［1］，而且隆堯曾經(jīng)是1966年邢臺6.8級強(qiáng)烈地震的震中地點。因而，人們不免擔(dān)心這些地裂縫的發(fā)育與斷裂活動相關(guān)，地裂縫的持續(xù)發(fā)震是否意味著不久的將來會再次發(fā)生強(qiáng)震。

為此，國內(nèi)已有多位專家和學(xué)者對隆堯地裂縫展開了大量的調(diào)查和研究。長安大學(xué)與中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心分別對該地裂縫進(jìn)行了2次調(diào)查，并對南小河村和西店子村附近地段開展了地球物理勘探和槽探等工作，對隆堯地裂縫的成因也取得了一些初步的認(rèn)識。楊旭東和孫黨生［2］認(rèn)為斷層活動是地裂縫發(fā)生、發(fā)展的主導(dǎo)因素，地下水超采引起的水位逐年下降，加快了地裂縫的發(fā)展速度。馬潤勇等［3］認(rèn)為隆堯地裂縫屬于構(gòu)造地裂縫，是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力加強(qiáng)的表現(xiàn)，并與地震活動密切相關(guān)。宋偉等［4］認(rèn)為隆堯地裂縫是斷層蠕滑型構(gòu)造地裂縫，表現(xiàn)為地殼構(gòu)造運動產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力的積累與釋放。馬學(xué)軍等［5］認(rèn)為隆堯地裂縫的形成發(fā)育和活動與斷層活動有關(guān)，是構(gòu)造地裂縫。徐繼山等［6］認(rèn)為隆堯地裂縫受控于隆堯斷裂，斷層的活動為地裂縫的形成提供了動力來源，地下水抽取和入滲是其形成的外部條件。李志明等［7］研究表明，柏鄉(xiāng)地裂縫的形成主因是地下水超采引起斷裂兩側(cè)巖性不同的地層產(chǎn)生不均勻沉降所致。

前人的研究多是將隆堯3段地裂縫作為一個整體進(jìn)行研究和分析，缺少分段和定量的成因分析，而且未對柏舍地區(qū)的南北向房屋裂縫帶開展過調(diào)查和分析。本文在已有的工作基礎(chǔ)上，開展了野外調(diào)查、測繪和監(jiān)測，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)、水文等資料，對地裂縫的形變特征及裂縫成因進(jìn)行了深入分析。

1 地裂縫地質(zhì)背景

地裂縫是表層巖、土體在自然或人為因素作用下，產(chǎn)生開裂，并在地面形成變形的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。人類活動、地殼活動、水的作用或是導(dǎo)致地面開裂的主要原因［8］。

隆堯地區(qū)處于華北地塊核心部位，為寧晉斷凸、南和斷凸和太行山拱斷束三者的交接處。隆堯地裂縫與下伏的隆堯南斷裂走向基本一致，分布位置與斷裂也幾乎重合，地裂縫所在地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，有多條NNE向斷裂，主斷裂有太行山山前大斷裂、柏鄉(xiāng)斷裂帶、束鹿斷凹西緣斷裂帶和新河斷裂帶等。此外，還有多條次級斷裂如隆堯1號斷層、隆堯2號斷層、柳行農(nóng)場斷層、景福莊斷層、邢家灣斷層、白家寨斷層和千戶營斷層等，如圖1。

圖1 隆堯縣地質(zhì)構(gòu)造簡圖（左圖）；研究區(qū)內(nèi)地裂縫分布圖（右圖）

從地層條件看，研究區(qū)屬于沖洪積平原，新生界地層覆蓋厚度為200～1 200m 左右，且隆堯南斷裂以南新生界地層顯著加厚，較其以北的地層厚度大200m 左右［9］。巨厚的覆蓋層及斷層兩側(cè)巖層的厚度差異為地裂縫的致裂應(yīng)力集中、傳遞、釋放提供了良好的物理場［6］。

地裂縫發(fā)育區(qū)地下水類型主要為第四系孔隙水，地下水天然流向是自西向東，但是現(xiàn)在形成的開采型地下水流場為自堯山流向北、東、南3個方向。根據(jù)水位統(tǒng)測資料可知，周張莊村附近水位年內(nèi)變幅為4.42 m，東店馬村附近水位年內(nèi)變幅為3.77 m，枯水期地下水流場由北向南，豐水期地下水流場變?yōu)镹W－SE方向。

2 地裂縫概況

據(jù)2013年對隆堯地裂縫進(jìn)行的野外實地調(diào)查走訪及查閱相關(guān)資料可知，隆堯地裂縫出露于隆堯縣南部，直到2006年左右地裂縫造成村民房屋損毀、鄉(xiāng)道開裂才逐漸受到關(guān)注［10］。隆堯地裂縫共有3段EW 向裂縫和1個NS向的裂縫帶，EW 向裂縫長約30km，NS 向裂縫帶寬度約500 m，長約1.8 km。凡地裂縫經(jīng)過的村莊，房屋、道路、耕田等均受到不同程度的損壞。

因地裂縫出現(xiàn)于地表的時間有先后，表現(xiàn)形式不同，具有一定的分段性。根據(jù)其展布特征和發(fā)生時間的不同，總體上分為3段EW 向裂縫和1個NS向的房屋裂縫帶，各段基本特征如下：

1）第1 段是北寺莊村—虎中村段地裂縫（西段）。該段裂縫位于隆堯縣城南約2.5km，長約8.5km。自20 世紀(jì)80年代起澆地時以串珠狀塌陷坑形式出現(xiàn)，于2006年開始加重，目前塌陷坑寬度0.3～1.5m，最大可見深度1.2m。地裂縫南側(cè)一盤下降，而且每年澆地或雨季時地裂縫均有出現(xiàn)，沉降量也逐年增加，至今沉降量最大處已超過50cm。此外，地裂縫還造成建筑物墻體出現(xiàn)水平錯動，迄今為止最大錯動距離達(dá)6cm 左右。地裂縫經(jīng)過周張莊村、南小河村及虎中村村民居住區(qū)，共造成90戶村民房屋不同程度損毀。

2）第2段是永興村—任村西地裂縫（中段）。該段裂縫長約8.3km，呈折線狀，最早發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，每年在雨季或灌溉期比較明顯。除造成所經(jīng)過村莊莊稼地出現(xiàn)較大范圍的連續(xù)或串珠狀塌陷坑外，還出現(xiàn)明顯的垂直錯動現(xiàn)象。塌陷坑寬度0.3～1.5m，最大可見深度0.8m。地裂縫南側(cè)相對下降，高差逐年增長，目前最大變形處高差已超過50cm。墻體出現(xiàn)水平錯動，截止目前，最大錯動距離超過10cm。地裂縫共造成西店子村18 戶村民房屋及小學(xué)教學(xué)樓和廠房損毀。

3）第3段地裂縫是任村—毛爾寨段地裂縫（東段）。該裂縫西端位于滏陽河以東任村莊稼地，東端位于毛爾寨北東方向莊稼地，長度約12.3km。1966年3月8日的隆堯地震，震中就處于目前的地裂縫研究區(qū)內(nèi)，當(dāng)時的地震曾造成地表出現(xiàn)大量的地裂縫和砂土液化。據(jù)資料顯示，當(dāng)時的地裂縫分布范圍是：北至束鹿大車城，南至任縣邢家灣，東至新河縣城以東，西界隆堯舊城附近，大致循NNESSW 方向延伸［11］。據(jù)村民介紹，這次地震以后，裂縫在雨季或灌溉期以塌陷坑形式顯現(xiàn)，目前程度雖大幅減弱，但局部仍會在雨季或灌溉期顯現(xiàn)，未發(fā)現(xiàn)地表有明顯高差及水平錯動。

4）柏舍裂縫帶，位于西段和中段的中間地帶，寬度約500m，長約1.8km，整體走向NE14°。從北至南有顯化寺村、北柏舍村、西柏舍村、南柏舍村的共28戶村民房屋出現(xiàn)不同程度開裂，開裂最早發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，但每年變動輕微，目前房屋裂縫最寬約0.5cm。除此之外，在顯化寺村南東柏舍莊稼地發(fā)現(xiàn)1條長約60m，走向NE71°的地裂縫。該裂縫最早發(fā)現(xiàn)于2006年，與西段地裂縫走向大體一致，雨季以塌陷坑形式出現(xiàn)，未見明顯高差。

3 隆堯地裂縫特征分析

3.1 水準(zhǔn)監(jiān)測顯示的垂向變形

為監(jiān)測地裂縫的沉降變化，在地裂縫最發(fā)育的位置布設(shè)了4條橫跨地裂縫的測線（南小河村2條、西店子村2條），每條測線400 m，以地裂縫為中心南北各200 m。監(jiān)測剖面設(shè)置水準(zhǔn)標(biāo)石（共計40個），地面沉降監(jiān)測實施采用幾何水準(zhǔn)的方法，以二等水準(zhǔn)作為測量標(biāo)準(zhǔn)，觀測時間為12個月，每3個月監(jiān)測1次，共監(jiān)測4次。

4條水準(zhǔn)剖面的測量結(jié)果顯示，地裂縫兩側(cè)的地面整體呈下降趨勢；地裂縫兩側(cè)垂向運動差異顯著，4期觀測結(jié)果都反映出地裂縫南盤沉降量較北盤大，沉降量最大值出現(xiàn)在南小河剖面南端，1年內(nèi)沉降量累計38mm（圖2）。正是這種不均勻的沉降造成張應(yīng)力集中而在地表形成地裂縫。除周張莊村外的3條測線各測點數(shù)值均小于第1期測量數(shù)值，周張莊村的剖面顯示北盤各點數(shù)值都較第1期偏高，但是第3和第4期的結(jié)果仍然顯示下降趨勢，與其他剖面一致。隆堯3段地裂縫仍有持續(xù)發(fā)展的趨勢，今后仍然需要關(guān)注和研究。

圖2 4條跨地裂縫的水準(zhǔn)監(jiān)測剖面反映的地面垂向變化曲線

3.2 固定監(jiān)測點反映的地表垂向和水平向變形

為了能看出地裂縫的變化特征，我們在地裂縫經(jīng)過的隆堯縣周張莊村、南小河村、西店子村變形最大的幾處共設(shè)立4 個地面變形監(jiān)測點。方法為取3m長的槽鋼，從中間截成齒狀開口，槽鋼2端固定在地面磚混樁內(nèi)且離地面高約15cm（圖3），磚混樁基坑長度×寬度×深度為60cm×50cm×50cm。采用千分表監(jiān)測4 個監(jiān)測設(shè)施的變形量，精度為0.02mm，監(jiān)測時間為12個月，每3個月觀測1次，監(jiān)測的地面變形累積值見表1。

圖3 地面監(jiān)測裝置

表1 監(jiān)測點地面變形累計值

1）堯北寺莊村—虎中村段地裂縫的最明顯的張裂和扭轉(zhuǎn)形態(tài)可通過周張莊村（圖4）和南小河村（圖5）的監(jiān)測點表現(xiàn)出來。2013年3月至2014年3月，地裂縫垂向最大變形量為53.34 mm，NS向為17.41mm，EW 向為11.60mm。由監(jiān)測點變化特征我們可知，北寺莊村—虎中村段地裂縫具有張裂性、垂直錯動、右旋走滑特征和隨區(qū)域的變化變形量不一致的特點，即地裂縫南北2盤的間隔距離在不斷地拉張，北盤相對上升南盤相對下降的同時，北盤向東錯動南盤向西錯動。并且根據(jù)記錄的數(shù)值可以看出，周張莊地裂縫水平錯動的規(guī)模大于南小河，而南小河垂直錯動的規(guī)模則大于周張莊。

2）隆堯永興村—任村西段地裂縫的變化特征可通過西店子村的監(jiān)測點（圖6）及房屋的錯動（圖7）表現(xiàn)出來。由地面監(jiān)測點的變化特征可知，永興村—任村西段地裂縫除了具有和北寺莊村—虎中村段地裂縫一樣的張裂性、垂直錯動特征外，還具有與之相反的左旋走滑特征，即地裂縫南北兩盤的間隔距離在不斷地拉張，北盤相對上升、南盤相對下降的同時，北盤向西錯動、南盤向東錯動。

圖4 周張莊村地面變形監(jiān)測點

圖5 南小河村地面變形監(jiān)測點

圖6 西店子村變形監(jiān)測點

圖7 西店子村房屋錯動表現(xiàn)

3）隆堯任村—毛兒寨地裂縫，本段裂縫只是在農(nóng)田等非居住區(qū)穿過，未布置監(jiān)測點，所以用觀察的方法很難確定其是否具有走滑特征。通過走訪調(diào)查發(fā)現(xiàn)，本段裂縫垂直變形很小，只有明顯的張裂性。

3.3 地裂縫的活動性

隆堯3段地裂縫的活動時間并不完全相同。

1）經(jīng)實地調(diào)查及查閱資料，可以判斷任村—毛兒寨段（東段）的地裂縫為1966年邢臺7.2級地震后出現(xiàn)的［12］。部分裂縫在震后曾經(jīng)彌合，到1990年左右又開始顯現(xiàn)；部分裂縫從1966年至今一直在雨季顯現(xiàn)，到現(xiàn)在有些地段裂縫又有減輕趨勢。

2）北寺莊村—虎中村段地裂縫最早發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，最初只在農(nóng)田顯現(xiàn)，到了2001年左右，村民居住的房屋開始出現(xiàn)裂縫，而后陸續(xù)有20余戶村民房屋開裂。直到2013年，地裂縫中心線南約40m 處出現(xiàn)一條長約80m，寬0.8m，可見深度約1.2m 的伴生裂縫，導(dǎo)致處于裂縫上的房屋西墻出現(xiàn)裂縫，目前房屋裂縫寬度1～2mm。

3）永興村—任村西段地裂縫首先于2000年顯現(xiàn)于開河村、南無疃，東店馬、西店子莊稼地。2006年一場大雨過后，地裂縫突然加大，開始影響西店子村民房屋，2009年左右出現(xiàn)在堯家莊、永興村莊稼地。該段裂縫是由東逐漸向西發(fā)展的，呈NWW 方向展布。

4）柏舍裂縫帶最早發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)80年代，影響輕微，只在房屋墻體上出現(xiàn)不影響居住的細(xì)微裂縫。但是，2006年左右在多家房屋橫縱墻交接處出現(xiàn)垂直裂縫，承重墻門洞上方出現(xiàn)倒八字裂縫。最近幾年出現(xiàn)裂縫房屋增多，裂縫數(shù)量和規(guī)模有加重趨勢。

3.4 地裂縫的方向性和間斷性

1）從整體延展趨向來看，隆堯地裂縫有一定的方向性。其在大部分地段只有1條地裂縫組成，僅在周張莊村西和西店子村西莊稼地發(fā)現(xiàn)有旁生裂縫，且旁生裂縫與地裂縫中心線平行展布。地裂縫中心線貫穿始終，旁生裂縫則較短。2）與斷裂帶方向一致。地裂縫沿著隆堯斷裂分別向NWW、SEE、NNE方向做不同程度的延伸，除在柏舍和任村西地區(qū)斷開外，展布方向與斷裂帶的發(fā)展方向一致。

隆堯地裂縫處于隆堯南斷裂之上，但是卻在柏舍和任村附近斷開，且柏舍附近出現(xiàn)NS向的房屋裂縫帶，這些房屋裂縫以NNE 向排列，但在某些破壞的房屋上出現(xiàn)EW 方向的裂縫；東段裂縫只能看到塌陷坑和裂縫痕跡，卻看不到裂縫兩側(cè)有明顯的垂直變形差異。

4 隆堯地裂縫成因探討

國內(nèi)外的研究將地裂縫的形成主要歸因于2個方面：其一是構(gòu)造因素，認(rèn)為斷裂帶的活動造成地表出現(xiàn)水平和垂直的變形；其二是地下水開采導(dǎo)致，例如含水層厚度及基底基巖面起伏情況下，抽水引起地表不均勻沉降而產(chǎn)生地裂縫［13］。

在對區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查基礎(chǔ)上，本研究監(jiān)測了2013年地裂縫的變形情況，基于地裂縫地質(zhì)背景和各段變形特征，綜合前人的研究成果，認(rèn)為隆堯3段地裂縫和柏舍房屋裂縫帶均是人為抽水活動及地下水位快速下降所致。主要有以下幾點證據(jù)：

1）華北平原區(qū)現(xiàn)今水平運動速率平均每年大約1～3mm［14］，斷層活動速率小于0.1mm／a［15］。同時，由于地下水的過量開采，形成天津、石家莊等大型城市降落漏斗區(qū)，漏斗中心沉降量超過80mm／a［16］。本研 究 在2013年 開 展 的 隆 堯 地 區(qū) 水平和垂向運動監(jiān)測顯示，水平運動最大年變化為24.86mm，而垂向沉降量最大年變化為53.34mm，2倍于水平運動還要多，說明研究區(qū)的現(xiàn)今地表變形以地面沉降為主。而河北平原地區(qū)本身有存在整體下沉的趨勢，這種趨勢早在上新世就開始了［17］?，F(xiàn)今的地下水過量開采系造成地面加速沉降的主因［16］，由此引發(fā)地表不均勻沉降形成地裂縫［18］。

2）通過對照不同時期地下水位資料，可以看出：1959—1992年，周張莊村的地下水位埋深由4m 降至20m，平均每年下降0.45m；西店子村地下水位埋深由2m 降至20m，平均每年下降0.54m。1992—2013年間，周張莊村的地下水位埋深降至59m，平均每年下降1.86m；西店子村地下水位埋深降至52m，平均每年下降1.52m。換句話說，最近20年地下水位埋深的下降速度較過去翻了3倍。在1992年肖莊、任村附近就存在地下水降落漏斗，現(xiàn)在2處漏斗區(qū)已經(jīng)連通，說明地下水超采加速了地表的沉降。

圖8 隆堯縣歷史年均降雨量

華北平原降水并不充沛，在1956—2012年期間隆堯的多年平均降雨量為480mm（圖8）。雖然年平均降雨量沒有大幅趨勢變化，但是2001—2012年的平均降雨量為449 mm，近年來降雨量還是有明顯地減少，相應(yīng)地對地下水補(bǔ)給減少，也是造成地下水下降的一個重要因素。

5 結(jié)論與討論

本研究調(diào)查了隆堯地裂縫的分布范圍，并對地裂縫的變形進(jìn)行了為期1年的觀測，結(jié)果顯示：在隆堯3段近EW 向的地裂縫中，西段和中段的地裂縫影響范圍和變形量最大。其中，地表沉降量累積超過50cm，水準(zhǔn)測量則顯示沉降最大值為53mm／a，出現(xiàn)于西段的南小河村。對3段地裂縫的監(jiān)測顯示出拉張的水平形變，最大水平拉張量可以達(dá)到25mm／a，出現(xiàn)于中段的西店子村，相當(dāng)于是同期最大沉降量的1／2。此外，還監(jiān)測到西段和中段地裂縫的水平扭動變形，一年大約幾個毫米，最大水平扭動出現(xiàn)在西段的周張莊村，為11 mm，僅相當(dāng)于同期最大沉降量的1／5。西段和中段地裂縫的水平扭動方式不同，以柏舍為界，西段為右旋錯動，東段為左旋錯動，而中間的柏舍村又出現(xiàn)了長約2km 的NS向裂縫帶，變形很小但影響寬度較大。

華北平原在新生代早期經(jīng)歷過強(qiáng)烈拉張和陷裂作用，但進(jìn)入上新世以后，裂陷作用就結(jié)束了，華北平原開始了整體下沉［17］。從幾米深的探槽結(jié)果也可以看到，地層錯動量由深到淺逐漸減小，說明沉降變形是從深部向地表逐漸傳遞的［19］。不論是地質(zhì)上還是現(xiàn)有的形變觀測都顯示，沉降變形由來已久且仍然持續(xù)，沉降的原因既可能是構(gòu)造的運動，也可能是地下水位的下降。如前文所述，最近20年地下水位下降速度成倍增加，而且隆堯地裂縫帶處于地下水降落漏斗區(qū)的邊緣，地面的沉降和張裂變形量與水位下降密不可分。

從空間上看，隆堯3段近EW 向的地裂縫與下伏的隆堯南斷裂在走向和位置上高度一致。利用InSAR反演獲得的華北平原現(xiàn)今沉降空間分布圖也顯示最大沉降帶沿大型斷裂展布［20］，說明斷裂帶的存在可能會影響地下水運移，從而影響到地表的沉降。數(shù)值實驗結(jié)果表明，已有的斷裂帶由于力學(xué)強(qiáng)度較弱，抽水引起的沉降使得土層容易沿著斷裂帶滑移和拉裂［21］，所以隆堯南斷裂的存在是有利于沉降和地裂縫發(fā)育的。

眾所周知，在強(qiáng)烈地震發(fā)生之后，地表會產(chǎn)生破裂，甚至產(chǎn)生一些地裂縫。關(guān)于地震之前是否會發(fā)育地裂縫，也就是說地裂縫與地震之間的關(guān)系，目前沒有太多的震例分析。本研究區(qū)內(nèi)3條地裂縫中的東段地裂縫1966年邢臺7.2級地震之后為人所知，但沒有文字記載顯示這條地裂縫在此次地震之前就已經(jīng)存在，也就無法確定這條地裂縫與地震直接的因果關(guān)系。本研究目前開展的觀測也可以為隆堯地區(qū)地裂縫與下次地震的相關(guān)性研究積累資料。

本文為進(jìn)一步分析地裂縫的發(fā)展趨勢、圈定其影響范圍、對隆堯地裂縫地質(zhì)災(zāi)害的防治及當(dāng)?shù)匦罗r(nóng)村建設(shè)規(guī)劃提供依據(jù)。筆者建議當(dāng)?shù)鼐用癖M量不要繼續(xù)使用開裂嚴(yán)重的房屋，避免次生災(zāi)害造成人員傷亡，在今后建設(shè)民宅時避開地裂縫發(fā)育區(qū)；同時，相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)對隆堯地裂縫活動進(jìn)行進(jìn)一步地調(diào)查與監(jiān)測工作，分析其運動規(guī)律，為有效控制地裂縫的發(fā)展制定更有針對性的措施。

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