華北太行山前平原潛蝕型地裂縫發(fā)育特征
——以保定新鄉(xiāng)村地裂縫為例

宋 偉，王兵虎，馬學(xué)軍，呂鳳蘭

（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）

0 引言

地裂縫是一種以地面開裂破壞為主要特征的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象（王景明，2000），其具有潛在、緩變、瞬發(fā)的特點(diǎn)（王衛(wèi)東，2009）。華北平原是我國地裂縫發(fā)育較為密集的地區(qū)，具有分布廣、數(shù)量多、破壞力，相對集中的特點(diǎn)（李昌存，2003）。地裂縫具有區(qū)域的、形態(tài)的、力學(xué)的分類（王景明等，2000），特定類屬地裂縫的發(fā)育受到地形地貌、土體巖性、水體潛蝕、構(gòu)造運(yùn)動等因素的影響（李俊等，2003），根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行解釋，成因存在著3種假說，即地面沉降說、地下水抽采說、構(gòu)造成因說（李世雄等，2006）。其成因機(jī)理又分別具有各自的差異體現(xiàn)。

華北平原現(xiàn)已查明的地裂縫，均分布在廣闊的太行山與燕山山前傾斜平原與中低部平原區(qū)，發(fā)育在全新世巨厚的沖積和沖洪積相的亞砂土、亞粘土、粘土和砂層中（王景明等，2000）。而華北太行山前平原如保定、石家莊、邢臺等區(qū)域為華北平原地裂縫分布密集的區(qū)域，地裂縫多發(fā)于太行山前與平原交接地帶以及山前平原與平原交接部位，地勢相對低洼的洪積扇前各洪積扇間、各河流的河漫灘、古河道和湖沼洼地地區(qū)為地裂縫的大規(guī)模發(fā)育提供了條件（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，2011；李昌存，2003），與其他區(qū)域相比，保定徐水發(fā)育的地裂縫具有山前潛蝕型地裂縫的典型特征，潛蝕型地裂縫的形成，是淺層地下水運(yùn)移與包氣帶土體結(jié)構(gòu)之間的作用結(jié)果。它的分布受控于地形地貌，大多分布在山前平原與中部平原交接地帶、沖洪積扇前緣洼地、扇間洼地、古河道帶及現(xiàn)代河道旁側(cè)等地段（田級生，2004）。針對山前平原區(qū)域潛蝕地裂縫的發(fā)育特征研究有著重要意義。

保定市地裂縫在涿州大部、淶水縣東部、高碑店西部、徐水縣西部、滿城東部、順平東部、望都西部等山前沖洪積傾斜平原區(qū)內(nèi)分布最為密集，且以近20年新出現(xiàn)的地裂縫居多。保定第四系覆蓋層厚約200～400m，河流水系較發(fā)育，地下水埋深較淺（張宗枯，2000）。華北地區(qū)地下水位一直很高，直到20世紀(jì)80年代后期才形成大規(guī)模超采（費(fèi)宇紅等，2009），1980年前未發(fā)現(xiàn)地裂縫，1980年后隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，陸續(xù)開始發(fā)現(xiàn)地裂縫，1983年開始進(jìn)入高潮，華北平原地下水的長期超量開采, 造成區(qū)域地下水位的大幅度下降, 這與出水量的削減、漏斗范圍的擴(kuò)展、地面沉降的問題的出現(xiàn)有著直接的聯(lián)系（張宗枯等，1997），分析地下水抽采成因說，其認(rèn)為地下水位的大幅度下降，使原來的含水層被疏干，土顆粒之間失去水浮力的作用，在土層自重壓力作用下產(chǎn)生緩慢沉降（李俊等，2003）；由于平原上的土體一直處于非飽和狀態(tài)，而非飽和土體存在大量的結(jié)構(gòu)缺陷部位（孫強(qiáng)等，2008），在抽水活動影響區(qū)域易造成地層不均勻沉降，結(jié)果產(chǎn)生地裂縫。但在太行山山前傾斜平原徐水新鄉(xiāng)村地裂縫形成過程中，在潛蝕作用主導(dǎo)作用下，具有內(nèi)應(yīng)力作用背景的獨(dú)特特征，動力類型相互影響。以往單一地面調(diào)查的方式往往難以判斷地裂縫的類別和主導(dǎo)因素。因此，以保定徐水縣新鄉(xiāng)村地裂縫作為研究對象，應(yīng)用地球物理勘查技術(shù)與工程地質(zhì)調(diào)查，分析華北太行山前傾斜平原地區(qū)地裂縫成因具有特別的意義（圖1）。

圖1 徐水縣地裂縫分布及易發(fā)程度分區(qū)圖Fig.1 Distribution of ground fissure and subarea of prone degree in Xushui

1 地質(zhì)背景

保定徐水新鄉(xiāng)村第四系厚度為20～40m，上部以黃土狀粉土為主，局部為粉質(zhì)粘土，底部為碎石類粉質(zhì)粘土。第四系下覆蓋為震旦系鐵嶺組白云巖。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造對地裂縫產(chǎn)生影響的有兩條（圖2），一條為定興-石家莊斷裂，整體走向北東40°，傾向南東，傾角30°～60°。徐水段走向北東40°，傾向南東，傾角20°左右；長40km，為一正斷層?？刂浦焖枷荩摂嗔阎饕顒悠跒槭夹率?，斷裂下盤在元古界之上覆蓋了第三系和第四系，斷裂兩側(cè)上第三系和第四系厚度差異很小，該斷裂晚第三系活動微弱。一條為徐水?dāng)嗔?，通過徐水，呈近東西向展布，長約50km。其北盤為徐水凹陷和容城凸起，南盤為保定凹陷，斷裂傾向東，傾角60°，正斷層，斷層活動到上新世早期，該斷裂錯斷了定興-石家莊斷裂。斷裂帶內(nèi)有角礫石、礫石呈棱角狀，大小不等，局部可見鏡面擦痕（李祥根，2003；劉傳虎，2003）。該斷裂帶穿村而過。徐水新鄉(xiāng)村區(qū)域正處于兩條斷層的交匯部位。區(qū)內(nèi)第四系黃土狀土中，垂直裂隙較發(fā)育，沒有規(guī)律性、規(guī)模小，一般寬0.1～1cm，是地表水滲灌的主要通道。鐵嶺組白云巖中裂隙十分發(fā)育，裂隙近于垂直，上寬下窄呈漏斗形狀，其延伸與寬度成正比，最寬1～1.5m，窄的1～2cm。沿裂隙充填有碎石及黃土。沿裂隙面有溶蝕呈犬牙狀，個別形成溶洞。這些裂隙及溶洞是地下水活動的通道。

圖2 保定市構(gòu)造單元圖Fig.2 Structure unit in Baoding

保定水系主要由拒馬河、唐河、潴龍河沖洪積扇以及扇間洼地構(gòu)成。地下水徑流方向與各水系流向大體一致，從西、北、南3 個方向匯集于白洋淀，但是由于長時間地下水超采等已導(dǎo)致地下水動力場發(fā)生了變化。含水層巖性自山前至扇間洼地，由卵礫石層逐漸變?yōu)橹写稚啊屑?xì)砂—細(xì)粉砂（郭春艷等，2014）。區(qū)內(nèi)地下水劃分為松散巖類裂隙孔隙水，碎屑巖類裂隙水和碳酸巖類裂隙巖溶水三大類型(張兆吉等，2009)。淺層地下水補(bǔ)給以入滲與側(cè)向補(bǔ)給為主，包氣帶巖性是決定入滲條件的主導(dǎo)因素，本區(qū)包氣帶一般較厚，最厚達(dá)30m左右。山前地帶，第四系堆積物接受山區(qū)地下水補(bǔ)給，在河流出山口處、古河道及沖洪積扇頂部，砂卵礫石與基巖直接接觸，接受補(bǔ)給條件較好（圖3）。第四系松散層分布地帶未見砂層，也沒有古河道反映，斷裂構(gòu)造的發(fā)育為基巖地下水的賦存創(chuàng)造了有利條件，碎屑巖構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙比較發(fā)育，其地下水賦存于裂隙中（丁國瑜，1991）。碳酸鹽巖類地下水主要賦存于斷裂破碎帶、裂隙和溶洞內(nèi)。

圖3 保定市包氣帶綜合巖性分布圖Fig.3 The lithologic distribution of aeration zone in Baoding

2 保定新鄉(xiāng)村地裂縫概況

保定地裂縫一般集中在山區(qū)與平原的交接地帶，多為地下水潛蝕型地裂縫，常發(fā)育于地勢相對低洼及地勢相對低緩區(qū)。地裂縫主要沿山前大斷裂呈條帶狀分布，但在局部又呈現(xiàn)聚集性。地裂縫多分布在山前沖洪積扇上的徐水?dāng)嗔雅c安新斷裂交叉、東壘子-淶水?dāng)嗔押晚樍x良鄉(xiāng)斷裂及大興-夏墊斷裂帶的交叉復(fù)合部位的十幾公里范圍內(nèi)（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，2011；鄧起東等，2002；徐繼山，2012）。

保定徐水縣新鄉(xiāng)村地處太行山東麓低山丘陵與山前傾斜平原結(jié)合部位。東有孤山，東坡腳下緊臨瀑河，河?xùn)|為傾斜平原，東北緊連瀑河水庫大壩。西及西南為低山丘陵，山頂高程80～150m，由主級和次級分水嶺構(gòu)成。丘間開闊低地，新鄉(xiāng)村居于此地中部。村南存在一條近東西伸展的不很明顯的地表分水嶺，使地表水及地下水淺層潛水南北分流，形成較復(fù)雜的水文地質(zhì)條件。自1980年以來，新鄉(xiāng)村在雨季沿北東方向發(fā)生塌陷和地裂縫，2000年逐漸日趨嚴(yán)重。地面地裂縫走向NE15°和SE105°，以及NE15°為主要發(fā)育方向。

3 槽探方法

通過工程地質(zhì)調(diào)查，選擇了新鄉(xiāng)村地裂縫開裂位置布置探槽，探槽編錄揭露表明，新鄉(xiāng)村地裂縫近于直立，傾向不明顯，兩盤縱向上也沒有明顯的相對錯動，裂縫具有上部寬，向深部逐漸變窄并趨于一條小的縫隙，一直向下延伸。在探槽剖面上還可以明顯看到，地裂縫的兩盤并沒有明顯的相對錯動，且裂縫面跡線并非直線，而是呈現(xiàn)凹凸不平的彎曲狀，由此進(jìn)一步表明，土層自重壓力作用下產(chǎn)生緩慢的壓縮沉降，由于地層結(jié)構(gòu)的不均一性，而產(chǎn)生了不均勻沉降，其結(jié)果產(chǎn)生了隱蔽地下裂縫。在降雨滲入地下或農(nóng)田灌溉的過程中，裂縫處的滲透速度比在土層中大得多，致使裂縫處發(fā)生土壤潛蝕作用，通過土層沖刷、浸潤、淘蝕，在新鄉(xiāng)村所處地貌條件配合下產(chǎn)生潛蝕作用，有利于地下水挾帶的細(xì)粒砂土向下游和深部運(yùn)移，使小縫擴(kuò)展為大縫，逐漸加深、延長，直至形成張性裂開，或使隱伏在地表以下的地裂縫顯露到地表。除此之外，裂縫中的充填物中可以看到，在早期的裂縫中后期再次發(fā)生開裂，并填充有新的物質(zhì)，從而顯示出地裂縫有多次開裂、反復(fù)活動的現(xiàn)象，說明潛蝕作用在新鄉(xiāng)村裂縫發(fā)育區(qū)域具有持續(xù)性與反復(fù)性的作用與影響（圖4）。

圖4 新鄉(xiāng)村地裂縫探槽剖面圖Fig.4 Trench profile of ground fissures in Xinxiang

4 地球物理勘查方法

地球物理勘查的方法主要是縱波反射波法地震勘探。通過查明第四系分布、地層結(jié)構(gòu)變化、地層界面形態(tài)特征，研究地裂縫的縱向延伸、發(fā)育趨勢和動力類型等方面潛蝕作用對地裂縫發(fā)育的影響。

（1）物探測線布置

地震測線自西向東近垂直地裂縫走向在新鄉(xiāng)村南側(cè)布置兩條，測線編號為01和02線，在村北側(cè)布置兩條，測線編號為03線和04線（圖5）。

（2）物探地質(zhì)解釋

地震時間剖面上劃分1組地震反射標(biāo)準(zhǔn)層“T”，是第四系以下震旦系白云巖層的反射界面。

①測線01剖面地質(zhì)解釋

地震反射標(biāo)準(zhǔn)層反映的震旦系白云巖頂界面的深度為31～48m，局部反射層連續(xù)性不好，反映松散、破碎的裂隙現(xiàn)象。在地質(zhì)剖面535m位置，顯示地層錯動的斷層現(xiàn)象。斷層為正斷層，斷面東傾，傾角78°，命名為F1斷層。地質(zhì)剖面447～462m位置，反射層波組第二相位顯示空洞現(xiàn)象。地質(zhì)剖面555m位置，反射層顯示波組相位分叉，強(qiáng)相位轉(zhuǎn)換的斷層現(xiàn)象。斷層為正斷層，斷面東傾，傾角75°，命名為F2斷層。剖面顯示這一測線區(qū)段顯示有著明顯的破碎裂隙分布，同時伴有空洞的形成，土體潛蝕作用較強(qiáng)，地表局部也相應(yīng)出現(xiàn)塌陷坑(圖6)。

圖5 新鄉(xiāng)村物探測線布置圖Fig.5 The geophysical survey line layout in Xinxiang

②測線02剖面地質(zhì)解釋

地震反射標(biāo)準(zhǔn)層反映的震旦系白云巖頂界面的深度為25～48m，地質(zhì)剖面60～67.5m位置，反射層中斷、出現(xiàn)空白段，反映了白云巖溶蝕空洞現(xiàn)象。地質(zhì)剖面250.5m位置，反射層顯示裂隙現(xiàn)象。地質(zhì)剖面325.5m位置，反射層反映白云巖裂隙現(xiàn)象。地質(zhì)剖面463.5～466.5m位置，反射層顯示白云巖結(jié)構(gòu)不太好，有空洞現(xiàn)象。地質(zhì)剖面498～510m位置，出現(xiàn)白云巖斷層現(xiàn)象。斷層為正斷層，斷面東傾，傾角80°，命名為F1斷層。地質(zhì)剖面537～555m位置，反射層反映白云巖斷層現(xiàn)象。斷層為正斷層，斷面東傾，傾角80°，命名為F2斷層。測線剖面顯示潛蝕作用較為明顯，土體中出現(xiàn)空洞及裂隙現(xiàn)象（圖7）。

圖6 新鄉(xiāng)村物探測線01剖面地質(zhì)解釋圖Fig.6 Geological interpretation of geophysical survey line 01 section in Xinxiang

圖7 新鄉(xiāng)村物探測線02剖面地質(zhì)解釋圖Fig.7 Geological interpretation of geophysical survey line 02 section in Xinxiang

③測線03剖面地質(zhì)解釋

地震反射標(biāo)準(zhǔn)層反映的震旦系白云巖頂界面的深度為26～57m，地質(zhì)剖面25.5～34.5m位置，反射層波組中斷，反映了白云巖破碎空洞現(xiàn)象。地質(zhì)剖面265.5～273m位置，反射層中斷，反映白云巖破裂空洞現(xiàn)象。地質(zhì)剖面301.5～322.5m位置，反射層中斷，反映白云巖破裂、裂隙發(fā)育的現(xiàn)象。地質(zhì)剖面388～412m位置，反射層反映白云巖結(jié)構(gòu)破裂現(xiàn)象。地質(zhì)剖面523.5～538.5m位置，反射層反映白云巖斷層現(xiàn)象。斷面東傾，為正斷層，傾角70°，命名為F1斷層。地質(zhì)剖面669～473.5m位置，反射層反映白云巖斷層現(xiàn)象。斷面東傾，為正斷層，傾角70°，命名為F2斷層（圖8）。

④測線04剖面地質(zhì)解釋

地震反射標(biāo)準(zhǔn)層反映的震旦系白云巖頂界面深度為26～48m，地質(zhì)剖面133.5m位置，反射層反映白云巖斷層現(xiàn)象，斷層為正斷層，斷面東傾，傾角76°，命名為F3斷層。地質(zhì)剖面178～223m位置，反射層反映白云巖結(jié)構(gòu)破碎現(xiàn)象。地質(zhì)剖面330～333m位置，反射層反映白云巖裂隙現(xiàn)象，有梳狀擾動特征。地質(zhì)剖面501m位置，反射層顯示白云巖斷層現(xiàn)象。斷層為正斷層，斷面東傾，傾角78°，命名為F1斷層。地質(zhì)剖面606m位置，反射層反映白云巖斷層現(xiàn)象。斷層為正斷層，斷面東傾，傾角80°，命名為F2斷層。地質(zhì)剖面643.5～648m位置，反射層反映白云巖裂隙現(xiàn)象（圖9）。

圖8 新鄉(xiāng)村測線03剖面地質(zhì)解釋圖Fig.8 Geological interpretation of geophysical survey line 03 section in Xinxiang

圖9 新鄉(xiāng)村物探測線04剖面地質(zhì)解釋圖Fig.9 Geological interpretation of geophysical survey line 04 section in Xinxiang

通過4條測線剖面反映了新鄉(xiāng)村所處區(qū)域第四系下部震旦系白云巖裂隙、溶洞發(fā)育，局部地層結(jié)構(gòu)較破碎不完整。說明了水的溶蝕潛蝕作用較強(qiáng)。同時F1、F2斷層為地下水提供了徑流通道。形成的溶洞、裂隙構(gòu)成地下水的暢流空間。

5 新鄉(xiāng)村地裂縫綜合成因分析

太行山前平原區(qū)淺層地下水位下降幅度和速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中東部沉積平原及濱海平原區(qū)。由此可知該區(qū)域淺層水位變化為持續(xù)下降，這是區(qū)域開采使地下水呈負(fù)均衡的結(jié)果。淺層水開采引起地下水位波動式大幅度持續(xù)下降，造成淺層土體潛蝕、掏空，形成隱伏土洞和地裂縫。保定地區(qū)地裂縫的出現(xiàn)與地下水位變化在時空上有明顯的對應(yīng)關(guān)系，即地裂縫的分布區(qū)與淺層地下水位變幅較大的降落漏斗及地下水位強(qiáng)烈下降的時段相吻合，如保定地區(qū)地裂縫高發(fā)期的20世紀(jì)80年代，尤其是1982—1988年期間，地下水位的急劇下降與這一時期出現(xiàn)裂縫的數(shù)量與規(guī)模有著明顯的對應(yīng)關(guān)系（圖10）。從地裂縫的空間分布可以看出地裂縫多分布于淺層地下水降落漏斗及其影響范圍內(nèi)。長期超量開采淺層地下水造成水位急劇下降對地裂縫的產(chǎn)生起一定的主導(dǎo)作用和加速作用。

圖10 保定承壓水位變化與地裂縫發(fā)育頻度對比圖Fig.10 Comparison of the variation of pressure water level and the frequency of ground fissure development in Baoding

（1）地下孔洞發(fā)育為地裂縫發(fā)育形成的基礎(chǔ)條件

新鄉(xiāng)村處于山間匯水盆地，沉積物為坡積和洪積物。沉積速度和沉積物受降水量控制，沉積時間集中，固結(jié)和壓實程度低，土質(zhì)松散。松散型黃土狀土孔隙大，上部具有自重濕陷性和高壓縮性。由于地處干旱山區(qū)，雨季山地瀉水瞬時飽和，之后長期處于蒸發(fā)干燥期，垂直節(jié)理發(fā)育，有的裂隙達(dá)5cm，加之土粒度成分、連結(jié)性、不溶性物質(zhì)含量、水理性質(zhì)都有利于在潛蝕作用下形成地表水向下滲灌的良好通道，下伏震旦系鐵嶺組白云巖可溶性強(qiáng)，裂隙發(fā)育易產(chǎn)生溶孔和溶洞，而且十分發(fā)育，沿裂隙有溶蝕現(xiàn)象，這些孔洞構(gòu)成地下水易流通道。

而新鄉(xiāng)村又處于近南北向和近東西向斷裂交匯部位，基巖破碎范圍大，基底巖石形成大小不等，縱橫交錯的巖溶裂隙構(gòu)成地下水暢流通道。這些孔洞、巖溶裂隙的形成為地裂縫的發(fā)育構(gòu)成基礎(chǔ)條件。

（2）地下徑流產(chǎn)生的孔洞及通道加劇地裂縫發(fā)育

通過物探地震工作顯示，在4條測線的地震時間剖面上均有斷面東傾的正斷層F1和F2，傾角70°～80°。04剖面西端劃分了F3斷層。4條時間剖面均反映了第四系下部震旦系白云巖裂隙、溶洞發(fā)育，局部地層結(jié)構(gòu)較破碎，不完整。說明水的溶蝕作用較強(qiáng)。

由于斷裂交匯處基巖破碎，裂隙和溶洞發(fā)育，使地下水活動暢通。地下水隨白云巖裂隙、溶洞斷裂帶流經(jīng)區(qū)內(nèi)，同時將水中的泥沙帶出，以上是地裂縫和塌陷在地層淺部形成孔洞的主要原因。加之新鄉(xiāng)村處于相對低洼地區(qū)，雨季地表水流向村內(nèi)方向，在滲灌沖刷過程中，下伏孔洞節(jié)理裂隙成為地表滲透和流入的良好通道，在地表水（降雨、澆地）作用下，裂縫附近的土層被滲漏的水沖蝕、潛蝕、搬運(yùn)，造成土層裂縫裂隙逐步擴(kuò)大并將可溶性物質(zhì)帶走形成孔洞。

（3）地下水快速下降及人類活動促使地裂縫地表出露

華北平原區(qū)近年地下水超采情況嚴(yán)重，造成地下水位的大幅下降，使包氣帶加厚，改變了原來土體結(jié)構(gòu)與應(yīng)力狀態(tài)，包氣帶土體因失水收縮產(chǎn)生裂隙，在有地表水滲透參與下，沿土體裂隙、節(jié)理及孔洞不斷對上覆土層進(jìn)行潛蝕，而后將潛蝕的物資帶入下伏漂石、卵礫石和粗砂地層空隙當(dāng)中或隨地下水流搬運(yùn)到其它地方，不斷的侵蝕，不斷的搬運(yùn)，從而導(dǎo)致地下空洞并進(jìn)一步加寬和空洞上覆地層逐漸變薄，當(dāng)侵蝕洞穴加寬到上覆地層不能承受其自重或荷載時，導(dǎo)致地面塌陷、地裂縫的發(fā)生（圖11）。同時隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人類工程活動如工程建設(shè)，水利工程修建擴(kuò)建及地下水的超量開采使地下水位快速下降都加劇了地裂縫在地表與地層淺部加速發(fā)育出露的過程，也是地裂縫近年來呈現(xiàn)大規(guī)模、大面積出現(xiàn)的主要原因。

圖11 新鄉(xiāng)村地裂縫形成模型示意圖Fig.11 The formation model of the ground fissures in Xinxiang

6 結(jié)論

（1）保定徐水新鄉(xiāng)村區(qū)域的地層巖性與構(gòu)造條件有利于下伏地層中地下孔洞的發(fā)育，為此區(qū)域地裂縫地面塌陷的發(fā)育、發(fā)展及地表形成出露提供了的基礎(chǔ)地質(zhì)條件。

（2）山前傾斜平原特有的水文地質(zhì)條件加劇了下伏地層中孔洞的規(guī)模，地下徑流通道發(fā)育，使大規(guī)模分布的孔洞連通，為地裂縫提供出露條件。

（3）隨著淺層地下水超量開采，引起地下水位波動式大幅度持續(xù)下降淺部土層疏干、收縮，脫水干裂，土層內(nèi)形成裂隙，造成淺層土體潛蝕、掏空，形成隱伏土洞和地裂縫。