平邑縣萬莊塌陷地震現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及其成因

許洪泰， 王冬雷， 王華林， 劉 霞

(山東省地震工程研究院，濟(jì)南 250014)

平邑縣萬莊塌陷地震現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及其成因

許洪泰， 王冬雷， 王華林， 劉 霞

(山東省地震工程研究院，濟(jì)南 250014)

通過對(duì)平邑3.1級(jí)地震現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)情調(diào)查，分析了塌陷成因機(jī)制，并結(jié)合地層情況和構(gòu)造背景，探討了其與地震構(gòu)造的關(guān)系，進(jìn)而提出防治措施，即采空區(qū)上方附近居民村莊整體搬遷、采空區(qū)回填、采空區(qū)人為放空、禁止既成規(guī)模的采空區(qū)礦區(qū)繼續(xù)生產(chǎn)。

萬莊塌陷；石膏礦采空區(qū)；成因；防治措施

0 引言

平邑縣是石膏礦的主要產(chǎn)區(qū)，也是礦區(qū)塌陷事件的頻發(fā)區(qū)。2015年12月25日平邑東曾發(fā)生過一次4.0級(jí)塌陷地震(震中位置：35.5°N，117.7°E)，并引發(fā)了轟動(dòng)全國(guó)的礦難救援事件。2016年3月27日平邑萬莊村又發(fā)生3.1級(jí)塌陷地震(震中位置：35.56°N，117.68°E)，本文在介紹塌陷造成的破壞現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，對(duì)塌陷成因進(jìn)行了分析，并探討其與地震構(gòu)造的關(guān)系，給出防治該種災(zāi)害的舉措。

1 地面、建筑物破壞情況及特點(diǎn)

2016年3月27日平邑3.1級(jí)塌陷地震震中位置位于平邑縣萬莊西側(cè)，在塌陷區(qū)外圍及中心設(shè)置典型災(zāi)害調(diào)查點(diǎn)(圖1)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，塌陷區(qū)外圍和塌陷區(qū)中心的破壞情況具有不同的表現(xiàn)形式(表1，圖2～3)。

圖1 調(diào)查點(diǎn)平面分布圖(點(diǎn)5為塌陷區(qū)中心)

表1 塌陷區(qū)外圍和中心調(diào)查點(diǎn)破壞情況

續(xù)表1

從表1所列的破壞情況分析，塌陷造成的破壞范圍并不大，塌陷區(qū)中心外圍大約500 m造成的破壞最嚴(yán)重。在塌陷區(qū)外圍，路面明顯由于受到拉張作用，水泥路面因其整體的板結(jié)性，拉張斷裂后，斷裂前方的路面由于靠近塌陷中心發(fā)生下沉，斷裂后方的路面由于慣性而逆沖到前方路面之上，形成“鱷魚嘴式”錯(cuò)裂。在靠近塌陷區(qū)中心的位置，地面則因?yàn)橄孪菘s短而受到擠壓力的作用，致使柏油路面形成一系列的鼓包；同時(shí)，在土質(zhì)松軟的區(qū)域，由于下陷，也形成了陷落坑現(xiàn)象。總之，在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，塌陷區(qū)的中心位置，地面呈擠壓狀態(tài)，而外圍地面則以拉張狀態(tài)為主。

圖2 塌陷區(qū)外圍各點(diǎn)破壞照片

圖3 靠近塌陷區(qū)中心位置破壞照片

2 塌陷及災(zāi)害成因探討

地面塌陷是由于地下巖(土)層大面積采空引起上覆巖層失去支撐而變形崩落最后導(dǎo)致地面沉降的一種危害很大的地質(zhì)災(zāi)害，其基本過程是當(dāng)?shù)叵麻_采面積足夠大時(shí)，將引起上覆巖層移動(dòng)、破壞，當(dāng)上覆巖層移動(dòng)、破壞的面積達(dá)到一定值時(shí)，這種破壞將到達(dá)地表，對(duì)地表和地表建筑物產(chǎn)生影響[1]。除了石膏礦開采的特殊性之外，本次塌陷造成的破壞也與當(dāng)?shù)厮幍牡刭|(zhì)條件有著很大的關(guān)系。

萬莊石膏礦區(qū)位于山東省平邑縣北東約9 km處，大地構(gòu)造位置處于沂沭斷裂帶以西魯西斷塊內(nèi)的汶泗凹陷東部，屬平邑?cái)嘞菖璧匚鞑浚眰?cè)以蒙山山前斷裂為界與蒙山山脈相鄰(圖4)。石膏礦床賦存于凹陷盆地內(nèi)古近系官莊群卞橋組第二巖性段第三巖性帶陸源湖相沉積地層中，走向約320°，傾向NE，傾角22°～33°，礦層頂板圍巖為紫紅色、雜色泥巖、膏質(zhì)泥巖及粉砂巖等軟質(zhì)巖石，底板為泥巖、泥灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r(圖5)等，地表大部被第四系松散沉積物所覆蓋，屬隱伏盲礦床[2-3]。

圖4 塌陷區(qū)附近地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖

圖5 本次塌陷采空區(qū)所在的地層及構(gòu)造位置示意圖

平邑縣的石膏礦山基本都是用礦柱采礦法，礦柱留設(shè)有的采用連續(xù)礦柱(或稱礦墻)，有的采用間隔式礦柱[2]。在未開采之前或開采的最初期，采空區(qū)還沒有形成或者規(guī)模還不大，石膏礦床所在的巖層和礦柱仍然可以支撐上部圍巖和土層的重力 (圖6a)；石膏礦井經(jīng)過長(zhǎng)期的開采，逐漸形成大面積的采空區(qū)，其上部的圍巖由于重力作用下沉(礦柱只能對(duì)局部進(jìn)行支撐)，形成“碗型”變形(圖6b)；當(dāng)?shù)撞渴ブ位蚓马斨蛔阋灾紊喜繃鷰r的壓力時(shí)，便形成了“漏斗型”沉降(圖6c)，進(jìn)而形成塌陷。頂部圍巖之上的土層及地表受到連帶作用，在塌陷頂部中央位置便會(huì)縮短擠壓，表現(xiàn)在地表的破壞上即是地面呈擠壓狀態(tài)，路面形成鼓包；而外圍則會(huì)因中央的縮短擠壓而拉張，表現(xiàn)在地面上的破壞即是拉張撕裂(圖6d)。同時(shí)，在圖4中可以看到，礦區(qū)西側(cè)有浚河流過，對(duì)第四系孔隙水有充足的補(bǔ)充，孔隙水同樣會(huì)向下沉的地勢(shì)較低的地區(qū)匯聚，在采空區(qū)上部不斷聚集下滲，使得頂部圍巖軟質(zhì)巖石更易垮塌，也加劇了災(zāi)害的發(fā)生。圖6展示了這一過程的理想模型。正是因?yàn)槠渌輽C(jī)理的特殊性，形成了前述的地表破壞特征。

圖6 石膏礦塌陷形成的機(jī)理示意圖

3 塌陷與地震構(gòu)造關(guān)系

如前所述，塌陷區(qū)位于平邑?cái)嘞菖璧貎?nèi)，該盆地是蒙山山前斷裂多期活動(dòng)的產(chǎn)物。蒙山山前斷裂為區(qū)域性高角度正斷層，傾向SW，是平邑?cái)嘞菖璧氐臇|北邊緣。斷裂東北側(cè)為古老的泰山群變質(zhì)巖系，西南側(cè)為官莊群礫巖、泥質(zhì)灰?guī)r及青山群火山碎屑巖(圖4～5)。根據(jù)堆積歷史推測(cè)該斷裂于早白堊紀(jì)開始活動(dòng)，沿?cái)嗔寻l(fā)生裂隙式火山噴發(fā)，晚白堊紀(jì)活動(dòng)停止；古近紀(jì)再度發(fā)生強(qiáng)烈正斷活動(dòng)，控制了官莊群的沉積，并可見有青山群的火山巖碎裂現(xiàn)象，到新近紀(jì)時(shí)期趨于活動(dòng)減弱狀態(tài)，形成了平邑盆地現(xiàn)在的地層及構(gòu)造格局。蒙山山前斷裂在第四紀(jì)時(shí)期仍有一定的活動(dòng)，為晚更新世活動(dòng)斷裂[4-6]。

如第1小節(jié)所述，本次塌陷破壞影響范圍僅限于塌陷區(qū)外圍較小的區(qū)域內(nèi)。而根據(jù)目前針對(duì)構(gòu)造型地震的實(shí)例研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造型地震往往沿發(fā)震構(gòu)造形成一系列典型破壞，范圍廣、強(qiáng)度大。從前述的本次塌陷的破壞特點(diǎn)來看，本次塌陷沒有構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響的跡象，因此應(yīng)與蒙山山前斷裂的活動(dòng)沒有關(guān)系。

4 防御措施

根據(jù)前述塌陷造成的破壞情況來看，如果在采空區(qū)上部為民居建筑，則建筑物極易在塌陷瞬間產(chǎn)生搖震而造成局部開裂甚至坍塌，對(duì)居民的人身財(cái)產(chǎn)安全造成極大威脅；如果采空區(qū)頂部為耕田，由于塌陷使采空區(qū)頂部地表下沉，地表水匯聚，勢(shì)必導(dǎo)致對(duì)耕田的破壞。所以在排查清楚采空區(qū)確切位置及規(guī)模的基礎(chǔ)上，亟需作出合理的防御措施，以避免和減少塌陷事件造成的破壞。作者認(rèn)為需要采取以下幾種措施：

1)采空區(qū)附近居民整體搬遷。結(jié)合新農(nóng)村建設(shè)工程，統(tǒng)籌規(guī)劃、科學(xué)選址，將采空區(qū)上方的居民、村莊整體搬遷至地質(zhì)條件良好的位置。

2)回填采空區(qū)。根據(jù)上述塌陷機(jī)理分析，塌陷的根本原因是地表之下中空，所以將空區(qū)填實(shí)，即可防止塌陷的發(fā)生。該方法適用于規(guī)模較小、深度較淺的采空區(qū)，可采取挖掘填充、鉆孔灌注水泥砂漿回填等方式。

3)放空處置。只要采空區(qū)存在，塌陷必然會(huì)產(chǎn)生。與其等待其發(fā)生，不如主動(dòng)人工去放空。該方法適用于規(guī)模巨大的采空區(qū)，其弊端是地表會(huì)形成巨大的下陷坑。

4)達(dá)到一定規(guī)模采空區(qū)的礦區(qū)禁止繼續(xù)開采，并合理采取上述3種方式進(jìn)行預(yù)防塌陷措施。

5 結(jié)論

1)平邑萬莊塌陷破壞特點(diǎn)為：塌陷區(qū)中心位置，地面呈擠壓縮短狀態(tài)，而外圍地面則表現(xiàn)為拉張撕裂。

2)本次塌陷事件與蒙山山前斷裂的活動(dòng)無關(guān)。

3)從防災(zāi)減災(zāi)出發(fā)，需要采取采空區(qū)附近居民整體搬遷、回填采空區(qū)、放空處置，達(dá)到一定規(guī)模的采空區(qū)的礦區(qū)禁止繼續(xù)開采等措施預(yù)防塌陷事件造成大范圍的破壞和損失。

[1] 劉德成, 張榮隋, 梁棟彬. 山東省兗州市采煤區(qū)地面塌陷的原因及其對(duì)策[J]. 水土保持研究, 2005, 12(4): 67-69.

[2] 王祥永. 平邑石膏礦山地質(zhì)災(zāi)害類型成因探討與防治對(duì)策[J]. 山東地質(zhì), 2001, 17(5): 48-53.

[3] 王祥永, 竇連波, 李學(xué)智. 平邑縣左莊石膏礦區(qū)塌陷機(jī)理探析與防治措施[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù), 2006, 17(4): 75-79.

[4] 王華林, 崔昭文, 王立軍. 益都斷裂、蒙山斷裂的新活動(dòng)[J]. 地震地質(zhì), 1989, 11(3): 64.

[5] 王志才, 晁洪太, 崔昭文, 等. 青島及鄰區(qū)NE向斷裂的第四紀(jì)活動(dòng)性及控震意義[J]. 地震地質(zhì), 2002, 24(2): 167-176.

[6] 晁洪太, 李家靈, 崔昭文, 等. 山東中部一條明顯的北西向中強(qiáng)地震帶[J]. 華北地震科學(xué), 1998, 16(2): 23-29.

Field Investigation and Cause Analysis of the Wanzhuang Collapse Earthquake in Pingyi County

XU Hong-tai, WANG Dong-lei, WANG Hua-lin, LIU Xia

(Shandong Institute of Earthquake Engineering, Ji’nan 250014, China)

Through investigation on the disaster of the PingyiM3.1 earthquake (collapse), we analyzed the causes of the collapse mechanism, discussed the seismic tectonic significance combining with the tectonic background, and then put forward the prevention measures, including relocating the vicinity and village above the mined out area, backfilling the mined out area, prohibiting ready-made size of the the mined out area to continue production.

Wanzhuang collapse; gypsum mined-out area; mode of origin; prevention measures

2017-02-03

十二五科技支撐項(xiàng)目子專題(2012BAK19B04-01)；山東省地震局活動(dòng)構(gòu)造研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)研究任務(wù)。

許洪泰(1980—)，男，山東聊城人，工程師，主要從事地震安評(píng)、地震地質(zhì)、災(zāi)害調(diào)查與評(píng)估等研究工作.E-mail：xuhongtai@126.com

P315.9

A

1003-1375(2017)03-0079-05

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.03.014

許洪泰，王冬雷，王華林，等. 平邑縣萬莊塌陷地震現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及其成因[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(3):79-83.