中國“采水型”地裂縫特征和成因分析

王藝偉，葉淑君*，于 軍，龔緒龍

1.南京大學地球科學與工程學院水科學系，南京210023；2.國土資源部地裂縫地質(zhì)災害重點實驗室，江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京210000

中國“采水型”地裂縫特征和成因分析

王藝偉1，葉淑君1*，于 軍2，龔緒龍2

1.南京大學地球科學與工程學院水科學系，南京210023；2.國土資源部地裂縫地質(zhì)災害重點實驗室，江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，南京210000

過量開采地下水誘發(fā)的地裂縫（“采水型”地裂縫）災害對社會造成嚴重損失，受到人們普遍關注。近幾十年來，國內(nèi)外學者對其成因機制進行了大量研究，取得了豐碩成果。本文系統(tǒng)分析了前人的研究成果，歸納出“采水型”地裂縫的差異沉降成因、拉張性水平應變成因和四種成因模式；然后針對中國三個典型的“采水型”地裂縫發(fā)育區(qū)，即汾渭盆地、華北平原、蘇錫常地區(qū)，闡述了各地地裂縫分布、發(fā)育特征和成因機理，并選擇典型地段地裂縫進行成因分析，認為汾渭盆地和華北平原地區(qū)部分地裂縫屬于“先期斷層模式”，而蘇錫常地區(qū)地裂縫總體屬于“基巖起伏模式”，并闡述了該模式下導致地裂縫發(fā)育的差異性變形、水平應變作用機理。

地裂縫；地下水開采；成因機制；汾渭盆地；華北平原；蘇錫常

1 引言

地裂縫是在內(nèi)外動力作用下，巖土層發(fā)生破裂的一種表生的地質(zhì)現(xiàn)象，是地質(zhì)災害中地面變形災害的一種（王景明，2000）。自20世紀20年代在美國德克薩斯州的Goose Creek油田發(fā)現(xiàn)第一條剪切性質(zhì)的地裂縫之后（Prattand Johnson，1926），至今已在世界多個地區(qū)發(fā)現(xiàn)了多條規(guī)模、形態(tài)、啟裂性質(zhì)各異的地裂縫（武強和陳佩佩，2003），如美國西南部的亞利桑那州（Leonard，1929；Feth，1951；Carpenter，1993）、加利福尼亞州、內(nèi)瓦達州、德克薩斯州、新墨西哥州（Holzer,1976，1984;Holzer et al.,1979;Holzer and Pampeyan, 1981）、猶他州艾恩縣（Inkenbrandtet al.，2014）等、沙特阿拉伯（Bankher and Al-Harthi，1999；Youssefetal.，2014）、墨西哥（Pacheco-Martínez et al.，2013；Chaussard etal.，2014）、土耳其的安納托利亞和利比亞薩里爾（Rothenburgetal.，彭建兵等，2007）、中國的汾渭盆地（彭建兵，1992，2012；張家明，1990；王景明，1989）、華北平原（李昌存，2003；徐繼山，2012；安海波，2011)、蘇錫常地區(qū)（于軍等，2004；劉聰?shù)龋?004；Wangetal.，2009，2010）等都為地裂縫嚴重發(fā)育區(qū)。

地裂縫作為一種地質(zhì)災害，嚴重影響人類生命、財產(chǎn)安全和社會穩(wěn)定與發(fā)展。常見的危害包括房屋坍塌、道路變形、地下管道破裂、對地鐵、高鐵等大型基礎設施造成嚴重破壞、地面開裂導致地下水污染等。在我國地裂縫發(fā)育的汾渭盆地、華北地區(qū)和蘇南地區(qū)，上述破壞現(xiàn)象普遍存在，嚴重制約了當?shù)亟?jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展。

防治地裂縫災害，必須首先查明其成因機制。美國學者關于地裂縫的研究開展較早，對地裂縫成因機制的研究也較為成熟。最早關于地裂縫成因研究的學說是Leonard（1929）提出的構(gòu)造成因?qū)W說，其認為亞利桑納州Picacho城附近的地裂縫的產(chǎn)生為附近地震活動所致。隨后，一些學者提出地下水開采成因觀點，如Flectcher等（1954）的滲透變形機理、Feth（1951）的不均勻沉降和Schumann與Poland（1970）的差異壓密變形機理、Neal等（1968）的土層失水收縮變形機理、Lofgren（1971）的滲透應力拖曳作用機理、Bouwer（1977）的剛性折裂機理等。隨著對地裂縫研究的不斷深入，又形成了構(gòu)造與地下水開采復合成因觀點。Sheng等（2003）將地質(zhì)條件和地下水開采聯(lián)系起來，提出不同地質(zhì)條件下可能產(chǎn)生地裂縫的四種成因模式。國內(nèi)地裂縫的成因研究最早始于西安地裂縫，目前該地區(qū)也是國內(nèi)地裂縫研究最為深入和系統(tǒng)的地區(qū)。張家明（1990）、王景明（1989）、彭建兵（1992）等先后就西安地裂縫成因提出多種學說，如：斷塊掀斜成因論、隱伏斷層蠕動成因論、斷裂伸展活動成因論等。他們的主要觀點為：構(gòu)造斷裂帶為地裂縫的產(chǎn)生提供地質(zhì)背景，過量抽取地下水是加速地裂縫活動并使其顯現(xiàn)于地表的直接誘發(fā)因素。2006-2011年，長安大學彭建兵教授對西安地裂縫進行了更為深入的研究，總結(jié)西安地裂縫成因機理為區(qū)域引張環(huán)境下的斷層伸展活動以及疊加抽水作用的內(nèi)外動力耦合成因模式（彭建兵，2012）。針對華北平原地裂縫成因也形成多種學說，如：古河道成因說（吳忱等，1991）、微裂隙閉鎖-開啟成因說（王景明，2000）、差異沉降說（邢忠信等，2004）、斷層蠕滑成因（李世雄等，2006）、優(yōu)勢面理論（羅國煜，2006）等。在對蘇錫常地裂縫的研究中，于軍等（2004）、伍洲云等（2003）認為蘇錫常地裂縫是特定構(gòu)造地質(zhì)背景下地下水強烈開采引發(fā)的不均勻地面沉降所致，基巖面的起伏及第四紀沉積物結(jié)構(gòu)差異是主要控制因素，長期過量開采地下水導致地面沉降與地裂縫相伴生。

本文以過量開采地下水誘發(fā)的地裂縫（“采水型”地裂縫）為研究對象，在總結(jié)歸納國內(nèi)外學者對地裂縫成因機制研究成果的基礎上，重點分析了我國三個主要地裂縫發(fā)育區(qū)地裂縫的特征和成因機制，為科學布設地裂縫監(jiān)測系統(tǒng)、構(gòu)建模擬地裂縫的數(shù)學模型提供必要的理論依據(jù)。

2 “采水型”地裂縫的成因機制

19世紀50年代開始，美國學者對地下水開采產(chǎn)生的地裂縫成因機制進行一系列的研究（Feth，1951；Wolff，1970；Schumann and Poland，1970；Holzer，1976，1981，1984；Bouwer，1977；Helm，1994a,b；Budhu，2008，2011，Budhu and Adiya?man，2012）。由于發(fā)生地裂縫的地區(qū)一般也伴隨著地下水位下降及地面沉降災害，因此很早就有學者提出地下水開采成因，但對其影響地裂縫產(chǎn)生的機理解釋卻不盡相同。綜合前人研究，“采水型”地裂縫成因機制主要有差異沉降機制和水平拉張應變機制。

2.1 差異沉降機制

“采水型”地裂縫成因源自于差異沉降學說，其主要觀點是：地下水過量開采導致土層的壓縮變形，而在基巖起伏、壓縮層厚度不均勻等情況下，就會產(chǎn)生差異沉降，使上覆土體受彎或受剪導致破壞，并在地表產(chǎn)生地裂縫。

差異沉降學說被許多學者的研究成果所證實。Feth（1951）對亞利桑那州Picacho盆地地裂縫進行了研究，認為由于含水層厚度變化引起不均勻沉降產(chǎn)生拉張應力，導致地裂縫產(chǎn)生，為拉張性破裂；Schumann與Poland（1970）對該地區(qū)進行了更為深入的研究，認為該地區(qū)下部可能存在隱伏斷層或是基巖面形態(tài)的突變，導致上覆土層的差異性沉降，從而在差異沉降最大部位產(chǎn)生最大的拉張應力，導致土層開裂變形產(chǎn)生地裂縫。Bouwer（1977）提出沉降盆地中的地裂縫產(chǎn)生的剛性折裂機理，由于沉降中心壓縮量大于沉降盆地邊緣，導致上覆土層在沉降盆地邊緣的斷層陡坎處可能發(fā)生整體的剛性反轉(zhuǎn)，導致盆地邊緣發(fā)生折裂而形成地裂縫。

從19世紀70年代開始，Holzer等分別對亞利桑那州東南部Picacho盆地和加里福利亞州的Fremont谷地分布的幾條主要地裂縫進行了一系列的調(diào)查研究，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)地裂縫發(fā)生在沉降盆地中，且地裂縫最活動的地區(qū)分布在基巖起伏曲率最大處，此處由于差異變形易形成拉張區(qū)（Holzer，1976,1981,1984）。此外，為了進一步研究地下水位、地面沉降與地裂縫三者之間的關系，Holzer和Jachens（1982）對亞利桑那州中南部的卡薩格蘭卡進行了較為詳細的勘察和研究，了解該地區(qū)1940-1980地下水位和地面沉降歷史變化，并利用重力測量數(shù)據(jù)反演地下空間基巖的分布情況，研究結(jié)果顯示：重力異常反映出地下基巖面的傾斜或凸起的部位與地下水位變化及地裂縫產(chǎn)生位置具有很好的匹配性。Budhu（2008）提出一種單井抽水情況下潛水含水層中地裂縫的產(chǎn)生機制，認為潛水含水層中地裂縫的形成是彎曲和剪切共存，水位漏斗形成后，將有限單元體所承受力分解為壓應力和指向沉降中心的力矩，該力矩使相鄰土體單元間形成差異沉降，利用摩爾-庫倫準則作為判定準則，在力矩存在情況下土體所受剪應力更易達到抗剪強度而發(fā)生破壞。由這種理論得出，這種類型的地裂縫既可產(chǎn)生于地表并向下發(fā)展，也可由剪切力產(chǎn)生于地層深部而向上發(fā)展，但該理論僅適用于潛水含水層。Budhu和Adiyaman（2012）通過計算得出若地下無不連續(xù)結(jié)構(gòu)的存在（如先期斷層、基巖起伏等），當沉降漏斗的沉降梯度大于8×10-5，且與沉降中心的距離大于含水層厚度的1.4倍時，地裂縫才可能形成；若存在不連續(xù)結(jié)構(gòu)，則在不連續(xù)界面處易發(fā)生地裂縫。

以上研究者從不同方向證實抽取地下水引起的差異沉降是引發(fā)地裂縫活動和發(fā)展的重要機制。

2.2 水平拉張應變機制

隨著對地裂縫研究的進一步深入，人們發(fā)現(xiàn)有些地區(qū)的地裂縫發(fā)生在地表以下，并向上擴展，而根據(jù)差異沉降機理，地裂縫一般在地表發(fā)生張性破裂并自上而下發(fā)展。由此人們便得出差異沉降不可能是地裂縫的唯一誘發(fā)因素。隨著地面沉降由垂向一維變形向三維變形的研究進展，人們開始關注含水層在水平方向上的壓縮變形，由此提出水平拉張應變機制。據(jù)研究，這種水平方向上的拉張應變機制可能來自于兩個方面：一種是含水層中的水平滲流力對固體顆粒的拖拽作用（Lofgren,1971;Wolff,1970;Holzer&Jachens, 1982），另一種是含水層在水平方向上的壓縮釋水，引發(fā)水平應變所致（Burbey,1999）

Lofgren指出：含水層中的水平滲流力可以提供足夠的水平應變以產(chǎn)生地裂縫，即抽水過程中沿著滲流方向產(chǎn)生的滲流力對固體顆粒產(chǎn)生牽引拖拽作用，該作用在含水層中逐漸積累并導致上覆土層發(fā)生張裂變形（Lofgren,1971）。Wolff（1970）在未固結(jié)含水層單井定流量抽水條件下，在抽水井附近利用測量裝置測量地面的徑向應變和切向應變，指出抽水所產(chǎn)生的滲流力可在近距離范圍內(nèi)對應變具有重要影響，且在抽水井附近徑向應變?yōu)閴嚎s應變，隨著距離抽水井位置的逐漸變遠，徑向應變由壓縮變?yōu)槔瓘?，此觀點在后來的研究中得到證實。

Holzer與Jachens（1982）在對卡薩格蘭卡地裂縫進行研究時，估算出發(fā)生地裂縫的拉張應變的范圍為0.02%～0.2%。Rothenburg（1995）通過對利比亞薩里爾農(nóng)業(yè)區(qū)的水位下降歷史、地面沉降狀況及地裂縫特征進行分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)地下水位下降和地面沉降量并不大，然而水平滲流力的存在使含水層產(chǎn)生較大的拉張應變，據(jù)他估算，每1×10-5數(shù)量級的拉張應變足以產(chǎn)生地裂縫。Helm也提出含水層徑向水平拉張應變可能是地裂縫產(chǎn)生的一種機理，并以Darcy-Gersevanov理論為基礎，假定水和固體顆粒均不可壓縮，結(jié)合含水層質(zhì)量守恒方程，推導出承壓含水層中徑向位移和徑向應變的解析解表達式，解釋了Wolff（1970）提出的未固結(jié)含水層中抽水井附近出現(xiàn)壓縮應變而遠離抽水井區(qū)域出現(xiàn)拉張應變的現(xiàn)象（Helm，1994a，b）。王慶良和劉玉海（2002）估算抽水所引起的含水層水平拉張應變可以達到10-6量級，推測抽水活動引起的含水層拉張應變可能是地裂縫活動的誘發(fā)因素之一，并通過大同機車工廠現(xiàn)場抽水實驗證實這一觀點。

Burbey（1999，2001，2008）指出含水層壓縮產(chǎn)生的水平應變在地裂縫的形成中發(fā)揮著重要作用。含水層的釋水壓縮在垂直方向和水平方向均有體現(xiàn)，將僅考慮垂向應變的一維數(shù)值模型和考慮水平應變的二維模型作比較發(fā)現(xiàn)，隨著時間推移，水平方向上的釋水比例高達70%，由此產(chǎn)生的水平應力應變在盆地邊緣、斷層或基巖凸起附近易發(fā)生累積，容易誘發(fā)地裂縫形成。

2.3 “采水型地裂縫”的成因模式

通過對不同地區(qū)采水型地裂縫形成機制的研究發(fā)現(xiàn)，抽取地下水引發(fā)地面沉降災害的地區(qū)，如果沒有構(gòu)造作用形成的隱伏斷層，或下伏基巖面起伏等地質(zhì)背景，單純的地面沉降很難產(chǎn)生地裂縫。據(jù)此，Sheng等（2003）綜合分析國內(nèi)外各處地裂縫產(chǎn)生的各種地質(zhì)條件，提出不同地質(zhì)條件下產(chǎn)生地裂縫的四種成因模式：

“薄弱水平面模式”，含水層存在薄弱水平層面。在含水層中，層與層之間的接觸面相對比較薄弱，當抽取地下水時，由于水平滲流力在接觸面處產(chǎn)生剪切應力而發(fā)生剪切位移，當達到抗剪強度時便產(chǎn)生剪切破壞并使其差異變形，導致深部地裂縫產(chǎn)生。

“先期斷層模式”，含水層中存在具有壓性結(jié)構(gòu)面的斷層（逆斷層）。當不透水性斷層通過含水層時，由抽水引起含水層的水平壓縮和垂直壓縮，斷盤兩側(cè)產(chǎn)生差異性位移，并導致先期隱伏斷層復活或在斷層附近形成新的垂向裂隙構(gòu)造，若斷層位于抽水形成的拉張區(qū)域內(nèi)，則更容易形成裂縫例如：美國拉斯維加斯谷地、Picacho盆地和中國的西安地區(qū)，這些地區(qū)地裂縫明顯受到斷裂帶的制約。

“基巖起伏模式”，含水層中存在基巖面起伏的情況。這種模型下有兩種可能產(chǎn)生地裂縫的機理：一是基巖起伏導致上覆粘土層發(fā)生彎曲而在隆起兩側(cè)產(chǎn)生差異性垂向壓縮，引起含水層出現(xiàn)水平拉伸并在含水層的最薄處形成拉伸帶，當拉伸強度達到一定極限強度時便發(fā)生張性破裂。二是基巖起伏導致含水層水平位移受到阻礙，從而發(fā)生深部土體破壞。這種破裂可能出現(xiàn)在毗鄰抽水井一方的基巖起伏附近，如果有兩個抽水中心，破裂也可能出現(xiàn)在基巖起伏的上部，當這些破裂向上擴展到地表就產(chǎn)生地裂縫。例如美國亞利桑那州的卡薩格蘭卡地區(qū)和中國的蘇錫常地區(qū)，地裂縫的發(fā)生地區(qū)都位于基巖起伏曲率較大部位的上方。

“結(jié)構(gòu)突變模式”，含水層結(jié)構(gòu)突變。該模型中，含水層結(jié)構(gòu)突變指的是含水層介質(zhì)厚度在某處發(fā)生突然變化，該變化可能會引起含水層深部產(chǎn)生不同程度的垂直剪切或水平拉伸，并產(chǎn)生裂縫。一般來說，先期斷裂和基巖起伏的存在也會引起含水層結(jié)構(gòu)的非均一性。

Sheng等（2003）通過數(shù)值模擬對上述模型中影響地裂縫產(chǎn)生的因素進行敏感性分析得出，在不同的地質(zhì)環(huán)境中影響地裂縫的形成因素是不同的。在模式一中，土層周圍壓力和含水層的埋深是影響地裂縫形成的兩個重要因素。當含水層應力狀態(tài)為拉張時，易產(chǎn)生張性斷裂構(gòu)造；在相同的抽水條件下，淺部含水層比深部含水層更容易發(fā)生拉張破壞。在模式二中，土層周圍壓力、斷層的摩擦角和斷層傾角成為引發(fā)地裂縫的重要因素。模擬計算證實，斷層傾角為60°，斷層的摩擦臨界角為18°時，有利于地裂縫形成；若摩擦角增大可能會阻礙上覆地層產(chǎn)生拉張破壞，因此，低摩擦角有利于地裂縫的形成。在模式三中，含水層深度是影響地裂縫形成的重要因素。在其假定的模式條件下，當含水層深度大于200米時，地裂縫很難產(chǎn)生。在模式四中，土層周圍壓力和含水層的深度發(fā)揮重要作用，由于含水層的臨界深度在不同的地質(zhì)環(huán)境和水力條件下是不同的，因此深部含水層相對淺部含水層來說，不易產(chǎn)生地裂縫。

圖1 中國地面沉降狀況和地裂縫發(fā)育分布（徐繼山，2012）Fig.1 Land subsidence and earth fissure distribution in China

3 中國“采水型”地裂縫的特征與成因分析

地裂縫在中國自古就有且分布范圍甚廣，早在幾千年前就有關于地裂縫的記載，這些裂縫記載均為自然因素所致（陳立偉，2007）。1958年，中國第一條采水型地裂縫在西北大學校園內(nèi)被發(fā)現(xiàn)（李永善，1986），其產(chǎn)生與當?shù)卮罅砍槿〉叵滤嘘P。由于發(fā)育的地裂縫數(shù)量少，不具有區(qū)域性特征，因而未引起足夠重視。隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，一些地區(qū)開始大量開采地下水來滿足經(jīng)濟發(fā)展需求，導致地面沉降災害的發(fā)生，并在地質(zhì)結(jié)構(gòu)中存在先期斷裂、基巖凸起、含水層介質(zhì)巖性突變的地區(qū)引發(fā)地裂縫災害。目前在我國的山西、陜西、河北、河南、山東、安徽、江蘇和北京等十余省市均有發(fā)育（圖1），分布廣泛。汾渭盆地、華北平原、蘇錫常三個地區(qū)是地裂縫災害較為嚴重的地區(qū)，同時也是地面沉降現(xiàn)象最為嚴重的地區(qū)。

3.1 汾渭盆地

3.1.1 地裂縫分布

汾渭盆地位于青藏、鄂爾多斯、華南、華北四大塊體之間，總體呈NE-SW向的“S”型，由一系列新生代斷陷盆地組成，是中國地裂縫發(fā)育最為強烈地區(qū)。自20世紀中、后期以來，汾渭盆地已有50余個縣市，180處發(fā)現(xiàn)地裂縫，總計約500余條（彭建兵等，2007），其中尤以西安、大同、榆次、臨汾、運城、三原、清徐等城市最為典型，同時也是由過量開采地下水引起地面沉降的嚴重地區(qū)。

西安市是汾渭盆地乃至全國范圍內(nèi)地裂縫災害最為嚴重的地區(qū)之一。自1958年西安市發(fā)現(xiàn)第一條地裂縫以來，長安大學及西安市地調(diào)局等單位在地裂縫方面做了大量的地質(zhì)研究工作。目前在西安市發(fā)現(xiàn)的地裂縫達14條，地表出露總長度約70 km，面積約155 km2，均近東西向橫穿西安市區(qū)和郊區(qū)（圖2）（彭建兵，2012），且地裂縫帶在沉降區(qū)內(nèi)幾個較大沉降槽邊緣的陡變地帶顯現(xiàn)，其發(fā)育過程與地下水開采密切相關。

3.1.2 地裂縫成因研究

在西安地裂縫研究的基礎上，提出了多種成因?qū)W說，主要有隱伏斷層蠕動成因（王景明，1989）、基底斷裂活動成因（李永善，1986）、斷塊掀斜成因（張家明，1990）、主斷裂伸展活動成因（彭建兵，1992）、內(nèi)外動力耦合成因論（彭建兵，2012）和構(gòu)造重力擴展成因（趙其華和王蘭生，1995）等。上述學說中大多以構(gòu)造作用作為背景來探索地裂縫的成因，其基本論點為：地裂縫形成于基底伸展構(gòu)造的橫向拉張應力場作用下，過量開采地下水為其重要的誘發(fā)因素。

圖2 西安地裂縫分布圖Fig.2 Earth fissure distribution in Xi’an

通過對西安地裂縫進行的大量野外調(diào)查、槽探以及淺層鉆探等一系列地質(zhì)工作，發(fā)現(xiàn)西安地裂縫與基底隱伏斷層緊密相連（陳立偉，2007，王景明，1989），因此西安地裂縫的成因符合Sheng等（2003）提出的“先期斷層模式”。但是控制西安地裂縫的基底隱伏斷層具有一定的活動性，這與第四紀地層中發(fā)現(xiàn)的斷層，其產(chǎn)狀（走向NE-NEE，傾角70°）一致得到印證。王啟耀等（2013）認為抽水作用下，先期斷層傾角在50°～60°區(qū)間時，上盤巖土體穩(wěn)定系數(shù)最低，最容易發(fā)生滑移，從而加劇了地裂縫的活動。在大量抽取深層地下水之前，西安基底隱伏斷層的活動速率很小，不足以引起地裂縫。但過量開采地下水之后，水位快速下降，逐步出現(xiàn)沉降漏斗區(qū)，基底隱伏斷層重新復活，導致地裂縫開始出現(xiàn)并呈現(xiàn)持續(xù)加速活動狀態(tài)。

位于西安交警總隊的F11地裂縫走向NE60°，傾角為80°，是西安地區(qū)活動最為強烈的地裂縫之一（彭建兵，2012）。根據(jù)GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)，2005-2008年，該地裂縫南北兩側(cè)的平均沉降速率分別為63mm/a和32mm/a，地裂縫兩側(cè)的差異沉降達到31mm/a，并分別以17.0 mm/a和8.4mm/a的年平均速率向西南、西北方向擴展。F11地裂縫的快速發(fā)展與地下水開采具有密切的關系，是地裂縫擴展的外動力因素。根據(jù)有效應力原理，抽水導致的有效應力的增加使含水層產(chǎn)生垂向和橫向變形，由于先期斷層的存在使斷層兩側(cè)地層產(chǎn)生差異性位移，這些位移會導致先期隱伏斷層重新復活，并在斷層處形成新的垂向裂隙，并且向地表發(fā)展；若斷層位于抽水形成的拉張區(qū)域內(nèi)，則土體更容易產(chǎn)生破壞。

3.2 華北平原

3.2.1 地裂縫分布

華北平原由北部的河北平原與南部的黃淮平原組成，是中國地裂縫分布數(shù)量最多的地區(qū)（王景明，2000）。華北平原地裂縫分布具有區(qū)域上的成帶性、局部的相對叢集性、擴展的方向性等特征，規(guī)模較大的地裂縫主要分布在近EW向（NWW向或NEE向）斷裂帶附近，地裂縫的發(fā)育受到構(gòu)造斷裂帶的控制（徐繼山，2012）。據(jù)調(diào)查顯示，截止到2013年，僅北部的河北平原就有9市共出現(xiàn)裂縫839條（圖3）（呂鳳蘭等，2014），主要分布在北京、保定、滄州、衡水、廊坊、邯鄲、邢臺、石家莊、河間等市，這些地區(qū)都是地面沉降的重災區(qū)，具有多個大型水位降落漏斗，也是采水型地裂縫主要分布區(qū)。

圖3 華北平原地裂縫分布圖（據(jù)中國地調(diào)局內(nèi)部資料，2013）Fig.3 Earth fissure distribution in North China Plain

3.2.2 地裂縫成因研究

針對華北平原“采水型”地裂縫成因問題，曾提出兩種假說：古河道成因說（吳忱等，1991）與差異沉降成因說（邢忠信等，2004）。近幾年，一些研究者對河北平原幾處典型地裂縫進行詳細的勘察，研究發(fā)現(xiàn)，由于斷層長期緩慢活動形成與諸多斷層相連的隱伏裂縫，過量地下水開采等人類活動使隱伏裂縫活動性增強并逐漸擴展至地表（李志明等，2010；徐繼山，2012a，b）。李俊等（2003）、呂鳳蘭等（2014）、李世雄等（2006）等認為河北平原地裂縫形成與地震活動、斷層蠕滑、地下水開采、巖溶塌陷等幾種主要因素密切相關。邵長慶（2015）則從坳陷伸展構(gòu)造環(huán)境出發(fā)，認為其為地裂縫發(fā)育提供了有利的拉張應力場條件，長期大量抽取地下水等工程活動為外部因素。綜合來說，華北平原“采水型”地裂縫的成因?qū)儆跀嗔褬?gòu)造與地下水開采共同作用，即斷裂構(gòu)造為地裂縫的發(fā)育提供孕裂背景，一些地區(qū)大規(guī)模的抽取地下水改變土層中的應力應變狀態(tài)，在拉張應力或剪切應力超過最大極限后沿斷層面發(fā)生開裂。

華北平原隆堯地裂縫長度約36 km，是該地區(qū)規(guī)模較大的地裂縫之一，地裂縫走向主要為EW和NEE向，這與隆堯斷裂構(gòu)造走向基本吻合（圖4）。宋偉等（2011）認為邢臺斷裂的長期蠕滑活動，以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。在構(gòu)造上，隆堯地裂縫受控于下覆斷裂帶，其緩慢的長期的構(gòu)造活動導致在一定深度范圍內(nèi)產(chǎn)生附加的伸展變形，這是一定的物質(zhì)基礎，隨著地下水不斷被開采，先期斷層兩側(cè)產(chǎn)生不均勻沉降，造成深部斷層附近拉張應力集中，當拉張應力超過一定極限便形成隱伏裂縫，隨著抽水活動持續(xù)進行，不均勻沉降進一步發(fā)育，隱伏地裂縫向上延伸，最終出露于地表。據(jù)資料顯示，隆堯地裂縫具有分段性特征，每段發(fā)生的時間點不同。東段出現(xiàn)在1966年邢臺7.2級地震后，部分地裂縫曾經(jīng)閉合，至今有些地段裂縫正逐漸趨于閉合狀態(tài)，其影響并未持續(xù)到近期。中段、柏舍裂縫帶20世紀80年代后出現(xiàn)，西段裂縫2000年顯現(xiàn)，這三段地裂縫的的產(chǎn)生時間處于水位快速下降期（曹建玲等，2015）。據(jù)資料，20世紀70年代后至2010年，降落漏斗的地下水水位埋深已經(jīng)從3～5m下降到60m左右（馬學軍等，2011），且地裂縫發(fā)生地位于地下水降落漏斗的邊緣。駱祖江等（2013）通過全耦合模型模擬土體水平位移發(fā)現(xiàn)，在地面沉降漏斗的邊緣區(qū)水平位移較大，屬于地裂縫的高發(fā)區(qū)。綜上所述，隆堯中段、柏舍裂縫帶和西段地裂縫的發(fā)育主要由地下水的過量開采誘發(fā)，可以歸為“先期斷層模式”。

圖5 蘇錫常地裂縫分布圖（劉聰?shù)龋?004）Fig.5 Earth fissure distribution in Su-Xi-Chang

3.3 蘇錫常平原

3.3.1 地裂縫分布及成因研究

20世紀70年代后，蘇錫常地區(qū)開始過量開采地下水，從而引發(fā)了嚴重的地面沉降災害，造成嚴重經(jīng)濟損失。隨著地面沉降的發(fā)展，于1989年在常州武進區(qū)發(fā)生第一條地裂縫，90年代地裂縫進入高發(fā)期，共發(fā)育20處，2000年以后又發(fā)生4處。截止到目前，蘇錫常共發(fā)育地裂縫25處（圖5），主要分布在常州武進區(qū)、無錫錫山區(qū)、江陰市及蘇州張家港等地區(qū)。區(qū)內(nèi)的地裂縫在地表的展布方向不一致，主要有NE（NNE）向，近EW、NW向三組方向，并呈密集的帶狀展布，同一組地裂縫帶表現(xiàn)出平行斷續(xù)延伸。17處NE向地裂縫與下覆基巖凸起走向基本一致，約占總數(shù)的68%。地裂縫帶的寬度一般在30～100m，長度可達200～600 m，個別達1000 m以上（劉聰?shù)龋?004）。

蘇錫常地區(qū)發(fā)育較厚的松散、高壓縮性粘土層，由于受長期超量開采地下水的影響，第II承壓含水層已形成較大范圍的降落漏斗，漏斗中心水位埋深由20m（二十世紀六十年代）降至80m左右（1994年），最大沉降量已接近2000 mm（2000年）（Zhang etal.，2010）。1995年，政府開始實施地下水限采措施，之后水位下降速率變緩，地面沉降現(xiàn)象得到明顯控制，最大沉降速率由1994年的110 mm/a逐漸降至2006年的10～20 mm/a，局部地裂縫活動速率減緩，地裂縫數(shù)目不再增多，但部分地裂縫仍處于活動之中。曾經(jīng)有過強烈活動的江陰河塘地裂縫及石塘灣因果岸地裂縫現(xiàn)已基本得到控制，目前活動最強且持續(xù)擴張的地裂縫位于無錫市錫山區(qū)光明村楊墅里一帶。

劉聰?shù)龋?004）將優(yōu)勢面理論結(jié)合地質(zhì)統(tǒng)計分析法應用到蘇錫常地裂縫成因機理研究中，查明了該地區(qū)地裂縫發(fā)生的影響因素后，采用聚類分析方法進行成因分類，將該地區(qū)分為基巖潛山、埋藏階地、巖溶塌陷、土層結(jié)構(gòu)差異、地下水綜合開采五種類型。Wang等（2010）認為江陰河塘地裂縫的形成是基巖面起伏不平與長期過量開采地下水共同作用所致。Yu等（2006）利用三維地震勘探技術對因果岸地裂縫發(fā)生區(qū)進行地質(zhì)勘探，運用地震數(shù)據(jù)反演地層結(jié)構(gòu)及基巖面形態(tài)，查明粘彈性地層、基巖面起伏形態(tài)、含水層空間分布差異是地裂縫產(chǎn)生的地質(zhì)條件，而人為過量開采地下水則是外部因素。第四紀海侵海退影響使該地區(qū)海陸過渡相沉積的硬塑-可塑狀粘土層分布較厚，構(gòu)造背景控制著地裂縫的發(fā)育。

3.3.3 光明村楊墅里地裂縫研究

（1）地裂縫分布

光明村楊墅里地裂縫最初發(fā)現(xiàn)于1998年，2000年后在水渠巷、湯家里、徐家住基、基家壩4個村相繼發(fā)現(xiàn)地裂縫。2007年前后，地裂縫災害處于最嚴重時期，原有的地裂縫進一步變寬。楊墅里地裂縫呈北東向貫穿于楊墅里村的南部和東部，在村南的41號住宅和村東的25號住宅附近，地裂縫破壞最為嚴重（圖6，7）。位于村南的楊墅里村41～44號是主地裂縫區(qū)，該處地裂縫走向48°，長度100m，影響寬度達20m，地面呈凹槽狀，裂縫帶西側(cè)比東側(cè)下沉近0.3m，造成多處房屋墻體出現(xiàn)裂縫，部分房屋傾斜，門窗變形，造成了大量的危房。

圖6 光明村楊墅里地裂縫分布及水準線示意圖Fig.6 The distribution ofearth fissureand leveling survey line in Yang Shuli,Guangming Village

圖7 光明村楊墅里地裂縫形跡及房屋破壞現(xiàn)象（左：41號和右：43號）Fig.7 Earth fissuresand damaged houses in Yang Shuli,Guangm ing Village

（2）地裂縫動態(tài)

為獲取地裂縫活動的定量數(shù)據(jù)，江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院自2009年6月開始對楊墅里地裂縫進行定期監(jiān)測，并在橫跨地裂縫方向上布置了3條水準測量剖面（圖6）。由楊墅里A-A’剖面水準測量結(jié)果顯示（圖8），楊墅里43號西側(cè)（圖6，DL4點）地面沉降速率最大，可達5mm/a，2009年6月至2013年12月累積沉降量約20mm，而相鄰的DL2點僅有微量沉降，兩點間差異沉降達16mm（圖8）。此外，DL4和DL6點之間也存在約7mm的差異沉降。水準測量成果充分反映地面沉降由東向西具有明顯的差異分布規(guī)律。由于本地沒有絕對穩(wěn)定的沉降參考點，上述觀測到的沉降量只是相對值，實際沉降量應更大。

圖8 光明村楊墅里地裂縫形變A-A’剖面Fig.8 The deformation of A-A'crosssection in Yang Shuli, Guangming Village

4 地裂縫成因分析

通過對無錫光明村歷史地下水位，基巖面起伏及地裂縫的發(fā)生及發(fā)展進行研究，發(fā)現(xiàn)三者具有較好的時空相關性（Wang et al.，2009，2010，武健強等，2013，劉聰?shù)龋?004）。根據(jù)地層剖面資料（圖9），光明村基底巖性為石英砂巖，基巖面埋深在70～160m間，起伏較大。楊墅里所在位置是基巖隆起區(qū)，山脊最淺埋深70m左右。光明村基底分別向NWW和SEE方向傾斜，地裂縫發(fā)育的走向NE，與下伏基巖山脊走向一致。受基底起伏影響，含水層厚度分布不均，楊墅里以西一帶第Ⅱ承壓含水層相對發(fā)育，楊墅里淺部地下含水層系統(tǒng)（微承壓層）相對發(fā)育，第II承壓含水層（埋深70～160m）在基巖凸起附近發(fā)生尖滅乃至消失，含水層空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較大的差異性，這為差異性沉降的形成奠定了基礎。

學術期刊是發(fā)布和傳播科研成果的重要平臺和媒介，以推動社會進步為己任，對傳播科研成果、促進科學技術發(fā)展發(fā)揮了重要作用。

光明村地下水位下降受到周圍地下水開采的影響，光明村以北的河塘鎮(zhèn)一帶第Ⅱ承壓含水層超采導致水位降落漏斗不斷擴大，逐漸影響到光明村境內(nèi)。1998年，光明村地表發(fā)生第一條地裂縫，此時正處地下水位快速下降期（下降速率為10m/a）（圖10），同時還受含水層厚度分布的差異性以及基底起伏影響，三重因素共同作用下導致了差異性沉降，從而誘發(fā)地裂縫產(chǎn)生，之后水位下降速率變緩，地裂縫也處于緩慢活動中。地裂縫的產(chǎn)生受到基巖起伏等地質(zhì)背景條件的控制，再加上土層的沉積條件復雜，含水層本身結(jié)構(gòu)存在很大的空間差異性，含水層的厚度和富水性的不同，導致人類開采活動特征及強度時空差異性。在含水層富水性好的區(qū)域，相應的開采強度也較大，水位下降速度快，進而出現(xiàn)應力應變分布的空間差異性，導致垂向或水平方向的差異性變形，進而誘發(fā)地裂縫形成。

圖10 光明村附近觀測孔地下水位變化Fig.10 Groundwater level changeswith time in Guangm ing Village

關于光明村地裂縫成因機理主要有兩種：其一，基巖起伏導致上覆土層結(jié)構(gòu)和厚度突變，過量開采地下水導致基巖凸起兩側(cè)產(chǎn)生明顯的差異性垂向壓縮，而差異性垂向壓縮引起土層產(chǎn)生水平拉伸并在土層最薄處形成拉伸帶，當拉伸達到破壞強度時便會發(fā)生土層破裂。其二，當開采地下水后，含水層產(chǎn)生壓縮釋水，包括水平方向上和垂直方向上的壓縮釋水，隨著開采時間的推移，含水層的水平方向的釋水量逐漸增大，由此產(chǎn)生的水平應變力傳播到基巖隆起處而受阻，為地裂縫的產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件。從光明村地裂縫的形成和發(fā)展過程，可以充分說明該區(qū)地裂縫受控于基底巖層的起伏并與水位動態(tài)變化密切相關，屬于典型的采水型地裂縫。

5 結(jié)論

中國“采水型”地裂縫的成因可歸納為由隱伏斷層、或基底基巖起伏與過量開采地下水共同作用的結(jié)果，兩種因素缺一不可。其中先期斷層或基底基巖起伏對地裂縫的發(fā)育和分布起著控制作用，而過量開采地下水是地裂縫產(chǎn)生的直接誘發(fā)因素。但不同地區(qū)地裂縫特征和成因又存在明顯的差異性，總體來說遵循兩種成因模式，即“先期斷層模式”和“基巖起伏模式”。

汾渭盆地和華北地區(qū)采水型地裂縫分布與先期斷層的分布在空間上具有高度一致性，抽水引起地裂縫可能由兩種機理分別或共同作用導致：一是斷層的不透水性使含水層系統(tǒng)的水平壓縮量和垂直壓縮量在斷層兩側(cè)產(chǎn)生差異，差異位移會導致先期隱伏斷層重新復活或在斷層處形成新的裂隙構(gòu)造，隨著抽水繼續(xù)，這些裂隙向上發(fā)展，一般在暴雨過后裸露于地表形成地裂縫。二是含水層的釋水壓縮更趨向于水平方向的壓縮，過量開采地下水產(chǎn)生的水平應力應變在遇到阻礙其傳播的斷層邊界條件時，便會發(fā)生應變累積導致地裂縫形成。

蘇錫常地區(qū)采水型地裂縫成因總體屬于“基巖起伏模式”，可能存在兩種機理分別或共同作用導致地裂縫的發(fā)生：一是基巖起伏導致上覆土層結(jié)構(gòu)和厚度突變，過量開采地下水導致基巖凸起兩側(cè)產(chǎn)生明顯的差異性垂向壓縮所致；二是過量開采地下水產(chǎn)生的水平應力應變在遇到阻礙其傳播的基巖凸起時，便會在此發(fā)生累積導致形成地裂縫萌發(fā)的有利條件所致。此外，水平滲流力土體顆粒的拖拽作用也可能在土層深部形成拉張性應力區(qū)，在上述兩種情況下，會進一步加劇地裂縫的形成。

“采水型”地裂縫的成因機制是非常復雜的，不論受控于先期斷層、還是基底起伏，都還包含了受控于含水層系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的空間差異性，進而控制了人類采水活動特征及強度的時空差異性，地裂縫的形成受到多重因素的制約。本文綜合前人研究結(jié)果對中國采水型地裂縫的特征和成因進行了定性分析，這將為科學布設地裂縫監(jiān)測系統(tǒng)、構(gòu)建模擬地裂縫的數(shù)學模型提供必要的理論依據(jù)。

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Featuresand M echanism sof Earth Fissures Induced GroundwaterW ithdrawalin China

WANG Yiwei1，YE Shujun1*，YU Jun2，GONG Xulong2
1.Departmentof Hydrosciences,Schoolof Earth Science and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023，Chian; 2.Key Laboratory of Earth FissureGeologicalGazard of Land and Resources,instituteofgeologicalsurvey in Jiangsu,Nanjing 210000，China

Excessive exploitation of groundwater in China has induced serious earth fissure hazards,which can cause significant damage and heavy economic losses,and has received significant attention.In recent decades,mechanisms of earth fissures induced by groundwaterwithdrawalhave been studied by researchersworldwide andmany remarkableachievementshave been accomplished.The results of previous studies were analyzed in this article firstly and then the mechanisms of earth fissure induced by excessive exploitation of groundwater were summarized and categorized as differential subsidence,horizontal tensile strain,and Four Earth Fissure Formation ConceptualModels.Then the distribution ofearth fissures,development featuresandmechanismsof earth fissures in three regions(i.e.,the Fenwei Basin,North China Plain and Su-Xi-Chang in China)where typical“groundwater-withdraw-induced”fissures developed,were elaborated,and a typical earth fissurewas chosen to analyze its cause.Results indicate that earth fissures in the FenweiBasin and North China Plain weremainly caused by pre-existing faultsand excessively ground water exploitation,while the fissures in the Su-Xi-Chang region were generally induced by a“bedrock ridge”below the aquifer and excessively ground water exploitation.Differentialcompactionand horizontalstrainmechanismscausingthedevelopmentofsuchearth fissureswere thenexplained.

earth fissure;groundwaterwithdrawal;mechanism;FenweiBasin;North China Plain;Su-Xi-Changarea

YEShujun,Professor;E-mail:sjye@nju.edu.cn

P641

A文獻標識碼：1006-7493（2016）04-0741-12

10.16108/j.issn1006-7493.2015259

2016-01-08；

2016-07-27

本文為國土資源部地裂縫地質(zhì)災害重點實驗室開放課題（2014003）；國土資源部公益項目（201411096）；江蘇省自然科學基金（批BK2012730）；國家自然科學基金項目（41272259）聯(lián)合資助

王藝偉，女，1991年生，碩士研究生，主要從事地下水和地面沉降數(shù)值模擬的研究；E-mail：wangyiwei1005@126.com

*通訊作者：葉淑君，教授；E-mail：sjye@nju.edu.cn