運城盆地和峨眉臺地地裂縫基本特征

趙俊彥，王海剛，盧全中，喬建偉

(1.長安大學地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054；2.中國地質環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081)

0 引言

地裂縫指地表巖土體中產生的線形(帶狀)分布的破裂現(xiàn)象，是由內、外動力作用和人類活動等引起并在地表形成破裂的一種特殊地質災害[1-2]。地裂縫按照成因一般分為構造地裂縫、非構造地裂縫和混合成因地裂縫三類[2]。世界上地裂縫廣泛分布，美國、墨西哥、印度、歐洲、非洲、澳大利亞及中國大部分地區(qū)都已相繼發(fā)現(xiàn)地裂縫[3-9]。

人類對于地裂縫的研究距今已有90年的歷史，自皮卡喬(Picacho)盆地1927年9月暴雨以后出現(xiàn)地裂縫，世界上眾多學者開展了地裂縫的研究工作[10]。研究早期由于人們對于地裂縫的認識程度有限，認為地裂縫只受某一種因素的影響，如地下水開采、地震、構造斷裂活動及濕陷性黃土等。在眾多單一因素中超采地下水誘發(fā)地裂縫的研究成果最多，成因機制卻不盡相同。Jachens和Feth等認為地裂縫的誘發(fā)因素是地下水開采致使地面沉降發(fā)生導致的差異沉降[11-12]；Jachens認為地裂縫的形成是地層壓縮量不同引起的[13]；Lofgren和Helm等認為地裂縫開啟的主要因素是水平滲透力[14-15]； Budhu、Bell和Sheng等將拉張應力、剪應力和扭應力認為是地裂縫產生的驅動力[16-18]；Budhu認為剪切和扭轉的共同作用使巖土體表層破壞產生地裂縫[19]； Burbey提出地裂縫是由于含水壓縮層的水平變形引起的[20]。

隨著對地裂縫研究的逐漸深入，人們認識到單一因素理論不能充分解釋地裂縫的成因機制，認為地裂縫是多種因素共同作用的結果，成因機制復雜多樣。AYALEW L等通過研究認為斷層蠕滑、水平滲透力和強降雨共同作用是埃塞爾比賽裂谷系地裂縫發(fā)生主要因素[21]；彭建兵等認為深部構造、斷層活動、盆地伸展、抽水作用、表水滲透和黃土介質等是西安地裂縫的主控因素，渭河盆地地裂縫是活動斷裂和人類活動共同作用的結果[22-23]；喬建偉等通過調查研究認為構造斷裂、地下水開采以及強降雨的共同作用是山西果場地裂縫形成的主要因素[24]；徐繼山等認為區(qū)域應力、活動斷裂、超采地下水和地震共同作用是河北安平地裂縫產生的原因[25]。

運城盆地屬于中國地裂縫發(fā)育較嚴重的大華北地區(qū)，介于山西斷陷帶與渭河斷陷帶之間，位于山西斷陷帶南部，渭河斷陷帶東北端，盆地走向北東，自形成以來一直以垂直斷陷運動為主[26]。盆地內部的鳴條崗斷裂、鹽池斷裂和臨猗斷裂將運城盆地分為多個次級塊體[27](圖1)。運城盆地現(xiàn)代地裂縫最早出現(xiàn)于20世紀40年代， 20世紀70年代以來，隨著經濟和人類活動的快速發(fā)展，地下水開采量增加，地裂縫發(fā)育加??；特別是20世紀90年代以后，地裂縫的規(guī)模大、延伸長且破壞性大[28]。這些地裂縫一般串珠狀裂縫、地裂溝或陷坑等形式出現(xiàn)，其活動特征以水平拉張、垂直差異變形和水平扭動為主。

圖1 運城盆地及峨眉臺地地裂縫分布與斷裂分布圖Fig.1 Distribution of ground fissures and fractures in Yuncheng Basin and Emei Platform圖中A為絳縣斷凸，B為青龍河谷地塹，C為鳴條崗斷凸，D為涑水河谷地塹，E為鹽湖——永濟斷凹

運城盆地地裂縫的研究，始于20世紀80年代。王紹中等研究認為運城盆地半坡地裂縫是活動斷裂在地表的延伸[29]；王景明和武強等對峨眉臺地及鳴條崗隆起附近的地裂縫做了專門研究[30-31]。近年來，隨著國家對地裂縫研究投入力度的加大和地裂縫發(fā)育區(qū)工程建設的開展，徐繼山等研究了運城盆地地裂縫的成因機理和致災作用[32]；劉海江等研究了大西客運專線沿線地裂縫的工程地質特征、分布規(guī)律、成因以及活動性，并進行了危險性劃分[33]。

從以上研究可以看出人們對于地裂縫的研究多是關于某一局部地區(qū)地裂縫成因機理，而關于運城盆地地裂縫分布規(guī)律以及發(fā)育特征的研究較少。因此，本文基于大量的野外地質調查、地表測繪以及地質勘探等手段，從運城盆地地裂縫的發(fā)育時間、平面形態(tài)特征、剖面特征、空間分布以及活動特征等幾個方面入手，詳細分析了運城盆地地裂縫的發(fā)育特征，為以后該區(qū)地裂縫研究提供借鑒和并為土地規(guī)劃提供科學指導。

1 地裂縫概況

運城盆地現(xiàn)代地裂縫最早出現(xiàn)于20世紀40年代，至2013年6月野外調查期間，共在運城盆地聞喜縣、夏縣、鹽湖區(qū)、臨猗縣、永濟市和萬榮縣6縣(市)區(qū)累計發(fā)現(xiàn)地裂縫119條(帶)(圖1)、(表1)；地裂縫發(fā)育規(guī)模大，一般長度為100～2 000 m，最長達5 000 m，寬0.05～0.5 m，最寬達2 m，地裂縫所過之處，房屋墻體不同程度開裂，道路路基錯斷路面破壞，農田中出現(xiàn)串珠狀的陷坑、裂縫并且下降，地裂縫災害給人們的生產生活造成了嚴重威脅，制約當?shù)氐慕洕l(fā)展。

表1 運城盆地和峨嵋臺地地裂縫統(tǒng)計表Table 1 Statistical of ground fissures in Yuncheng Basin and Emei Platform

2 地裂縫基本特征

2.1 地裂縫的分布特征

以往的研究表明地裂縫往往在某一地區(qū)集中發(fā)育，空間分布具有某種特殊的規(guī)律。本文通過野外地質調查和繪制圖件發(fā)現(xiàn)，運城盆地地裂縫空間分布具有沿斷裂帶集中發(fā)育(圖1)、順地貌分界線展布(圖2)、與地面沉降伴生(圖3，圖4)的特征。運城盆地地裂縫主要分布在中條山山前斷裂和峨眉臺地南緣-紫金山南側斷裂兩側，特別是在中條山山前斷裂和鳴條崗斷裂的上盤，地裂縫發(fā)育較多(圖1)。

圖2 青龍河谷地塹地裂縫平面展布圖Fig.2 Distribution of ground fissures in Qinglong valley graben

從地裂縫與盆地內次級塊體的關系分析發(fā)現(xiàn)，在鳴條崗斷凸邊緣及頂部發(fā)育大量地裂縫，峨眉臺地南緣斷裂兩側地裂縫分布較多，運城盆地鹽湖——永濟斷凹中部局部地方地裂縫集中發(fā)育(圖1)。地裂縫的分布又受超采地下水的控制，地裂縫發(fā)育地區(qū)的地下水抽取處于嚴重開采狀態(tài)，地下水位下降明顯。其地面沉降現(xiàn)象也較為嚴重，地裂縫多出露在地面沉降的邊緣，表現(xiàn)為與地面沉降伴生的特征(圖3)和2013年InSAR監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖4)。

圖3 運城盆地及峨眉臺地地裂縫與地下水等水位線圖Fig.3 Ground fissures and groundwater level in Yuncheng Basin and Emei Platform

圖4 運城盆地地面沉降漏斗與地裂縫分布圖Fig.4 Ground subsidence funnel and ground fissures distribution in Yuncheng Basin

運城盆地斷裂帶、地貌單元分界以及地面沉降控制著運城盆地地裂縫的分布方向，從地裂縫走向玫瑰花圖可以看出NEE、NNE、NWW和NW向是其主要分布方向(圖5)。NEE和NNE向地裂縫的分布與盆地邊緣斷裂帶以及盆地內次級塊體的方向一致(圖1)，NWW和NW向地裂縫的分布和盆地內地下水降落漏斗邊緣的方向較吻合(圖3)。

運城盆地地裂縫具有良好的延伸性，以青龍河谷地塹地裂縫最為典型。該地區(qū)地裂縫最先發(fā)生在地塹西緣的陶村、半坡地區(qū)，隨后裂縫向東逐漸擴展，最終出現(xiàn)5條NE—SW向近平行展布的地裂縫(圖2)，延伸長度累計約27.6 km。從大量野外調查以及地裂縫大比例尺平面分布圖可以看出運城盆地地裂縫的整體形態(tài)(宏觀形態(tài))主要有S型(青龍河谷地塹地裂縫)、V型(青龍河谷地塹地裂縫)、波浪型(鳴條崗斷凸上盤塬前地裂縫)和直線型(鳴條崗斷凸上盤塬前地裂縫)(圖6a、圖6b)。就單條地裂縫在地表的表現(xiàn)形式而言，地裂縫通常以裂縫溝、串珠狀陷坑或陡坎的形式出露于地表(圖6c，圖6d)。

圖5 運城盆地及峨眉臺地地裂縫走向玫瑰花圖Fig.5 Ground fissures rose map in Yuncheng Basin and Emei Platform

圖6 地裂縫平面形態(tài)圖及地裂縫災害圖Fig.6 Plane of ground fissures and geofracture hazard圖a：夏縣尉郭-中衛(wèi)地裂縫(圖2中f1);圖b：夏縣西董-大呂地裂縫(圖2中f2);圖c：夏縣禹王村地裂縫圖(圖2中f4);圖d：半坡地裂縫(圖2中f5)。

2.2 地裂縫剖面結構特征

研究地裂縫的剖面特征往往可以直接反應地裂縫成因機制，因此本文以該區(qū)典型地裂縫為案例，詳細研究了地裂縫的剖面結構特征。為確定地裂縫的剖面結構特征，在夏縣尉郭村地裂縫和夏縣西董村地裂縫開挖了槽探，并在夏縣尉郭村布置工程地質鉆探，很好的揭示了典型地裂縫的剖面結構特征。

(1)地裂縫探槽剖面

夏縣尉郭村探槽(位于圖2中f1地裂縫)共揭示7層地層，揭露出7條地裂縫(圖7a)。f1為主裂縫，傾向SE，傾角較陡近于直立，裂縫上寬下窄，地表裂縫寬約50 cm，向下延伸至第7層砂土中(深9 m處)尖滅；f2為隱伏裂縫，與f1近平行，向上延伸至第5層粉質黏土層。f4～f7和f9為次級裂縫，f3～f6位于主裂縫北側(上盤)，與主裂縫相距1.5 m，f9位于主裂縫南側(下盤)，距主裂縫10.5 m，次級裂縫主要發(fā)育在第1 層耕植土層下部、第2層砂土和第3層粉質黏土層頂部，均未出露地表。尉郭地裂縫剖面上總體表現(xiàn)為傾角陡、裂縫開啟性好、次級裂縫發(fā)育的特征，地裂縫破碎帶寬度14.3 m。

夏縣西董村探槽(位于圖2中f2地裂縫)共揭示7層地層，揭露出2條地裂縫(圖7b)。f1為主裂縫，傾向NW，裂縫上部傾角在第4層鈣質結合層發(fā)生變化，上部傾角約87°，下部傾角約80°，地表寬約1 m，向下延伸至9 m處裂縫寬約5 cm；f2為次級裂縫，位于主縫南側(上盤)，與主縫相距10 m，傾向SE，傾角約80°，發(fā)育于第3層粉質黏土層，向上 延伸至地表，地表寬約0.75 m，向下延伸過程中裂縫寬度逐漸減小，至5.5 m深處尖滅。西董地裂縫剖面上總體表現(xiàn)出上寬下窄，次級裂縫發(fā)育，且次級裂縫傾向與主裂縫相反，地裂縫影響帶寬約11.75 m。

圖7 探槽剖面圖Fig.7 Profile map of trial trench

(2)地裂縫的鉆探剖面

工程鉆探顯示，運城盆地地裂縫表現(xiàn)出同沉積斷層性質，表明地裂縫是下伏斷層的延伸。如f1地裂縫(位于青龍河谷，圖2)共揭示15套地層，揭示兩條地裂縫f1和f11(圖8a)，f1為主裂縫，傾向南東，兩側地層錯斷明顯，上部錯距小，下部錯距大，地表位錯25 cm，第12層灰黃色砂層位錯18.5 m， f11為f1次級斷裂，發(fā)育在主裂縫的上盤，傾向南東，向下延伸與f1相交。又如f5地裂縫(位于鳴條崗斷凸上盤，圖2)共揭示8套地層，揭示兩條裂縫f5和f51(圖8b)，f5為主裂縫，傾向NS，兩側地層錯斷明顯，上部錯距小，下部錯距大，其中地表位錯30 cm，第1層古土壤位錯1.7 m，第2層古土壤位錯2.7 m，第3層古土壤位錯2.9m，砂層頂界位錯3.3 m，表現(xiàn)為同沉積斷層性質，表明地裂縫是下伏斷層的延伸。主裂縫的下盤發(fā)育次級裂縫f51，次級裂縫錯斷第2層黃土底界，未延伸到頂界，向下延伸的過程中依次錯斷第二層古土壤、第三層古土壤和砂層頂界，錯距都為1.3 m。

圖8 尉郭村地裂縫工程地質剖面圖Fig.8 Engineering geological profile of ground fissures in Weiguo

(3)小結

分析尉郭探槽剖面和西董探槽剖面可以發(fā)現(xiàn)，探槽上盤遠離主縫處均發(fā)育與主縫傾向相反的次級裂縫，發(fā)育層位與主縫相比較淺。地裂縫的剖面結構特征與地裂縫的成因及發(fā)育過程密切相關，運城盆地地裂縫受地質構造、地下水開采以及黃土濕陷等綜合因素的影響[31,33]。地裂縫形成過程中上盤下降，淺部地層先沿垂向拉裂產生主裂縫，上層土體較松散，且容易受到雨水和自重等營力的影響，裂縫易開啟，在剖面上呈上寬下窄，隨著沉降的繼續(xù)進行，拉裂縫向下逐漸擴展。隨著主裂縫兩側上下盤的位錯加大，致使下盤靠近主裂縫發(fā)育同傾向次級裂縫、上盤遠離主裂縫發(fā)育反傾裂縫。地裂縫向深部延伸，位錯量顯著增加，具有明顯的生長斷層性質。因此，可以推測該地裂縫與隱伏斷裂相連，是隱伏斷裂延伸至地表的露頭。

2.3 地裂縫的運動特征與活動特征

(1)運動特征

運城盆地和峨嵋臺地地裂縫具有顯著的三維運動特征：垂直差異運動特征、水平拉張運動特征和水平剪切運動特征。分析發(fā)現(xiàn)運城盆地地裂縫以垂直差異運動為主，水平拉張較少，地裂縫兩側差異沉降明顯，表現(xiàn)為正斷層式運動，上盤下滑，最大差異沉降達30 cm(圖6b，圖6c)；地裂縫的位錯量隨著裂縫深度的增加逐漸增加，表現(xiàn)出生長斷層的特點(圖8)；峨嵋臺地地裂縫以水平拉張和水平剪切運動為主，無明顯位錯，水平拉張運動特征主要表現(xiàn)在濕陷性黃土受降雨等的影響，自重濕陷產生拉張作用，水平剪切運動特征主要表現(xiàn)在次級塊體邊緣，由于受到水平方向的擠壓而產生的左旋(或右旋)性質的運動(圖9)。

圖9 地層水平錯動致使建筑物錯動(峨嵋臺地)Fig.9 Building dislocstion caused by horizontal movement of strata

(2)活動特征

運城盆地地裂縫的出現(xiàn)時間具有明顯的分段性，即地裂縫在某一時間段發(fā)育較少且地裂縫活動性較弱，而在另一時間段地裂縫發(fā)展迅速其活動性強，根據(jù)這一特征可將運城盆地地裂縫的出現(xiàn)時間劃分為兩個階段。即從20世紀40年代到70年代末為第一個階段，這一階段地裂縫開始出現(xiàn)，但活動性較弱。20世紀80年代至2013年為第二個階段，這一階段地裂縫集中暴發(fā)且活動性強。此外，地裂縫的發(fā)育時間又可以細為1980年前、1981-1995年、1996-2005年和2006-2013年四個時間點。

表2 運城盆地地裂縫發(fā)生時間表Table 2 Occurrence of ground fissures in Yuncheng Basin

從表2中可以看出，運城盆地地裂縫大量發(fā)生在2005年以前，集中暴發(fā)在1981年到2005年之間，發(fā)育的地裂縫數(shù)量占總數(shù)的78.9%。如夏縣的白張村南西地裂縫開始發(fā)生于1990年，西董村、禹王村地裂縫，開始發(fā)生于1995年。已有研究表明，運城盆地地裂縫的發(fā)生與超采地下水有密切的聯(lián)系，且該地區(qū)地下水開采歷史悠久，自20世紀80年代起超采地下水嚴重，地下水位急劇下降，降落漏斗所在的運城市年平均水位下降約3.25 m/a，降落漏斗逐年增大，使得地裂縫大量暴發(fā)[28,34](圖10)，自此，地裂縫進入了快速發(fā)育期，表現(xiàn)為已有地裂縫的持續(xù)快速活動和新地裂縫的不斷出現(xiàn)，如運城盆地青龍河谷地裂縫的f1和f2地裂縫開始出現(xiàn)于2000年左右，2013年調查時地裂縫造成的地表位錯已達30 cm，平均活動速率達2.3 cm/a，最大活動速率達3～4 cm/a。

圖10 運城盆地地下水降落漏斗與時間關系圖Fig.10 Relationship between groundwater depression funnel and time in Yuncheng Basin

2.4 地裂縫的災害特征

運城盆地地裂縫規(guī)模大、延伸長，地裂縫沿線農田、道路和房屋均不同程度的遭到了破壞，但是，對不同的對象，地裂縫造成的災害類型卻各不相同，本文選擇地表土體、房屋建筑、水渠和道路等不同對象，具體分析地裂縫造成的各種災害類型。

2.4.1地表土體的破壞特征

地表土體的破壞特征主要有剪切破壞、拉張破壞和水平錯動破壞三種形式。

(1)剪切性質的破壞。這種破壞的特點是地面變形明顯，裂縫開啟，有明顯位錯，位錯最大達30 cm(圖6b，圖6c)，地表裂縫窄，一般為1～5 cm。這種地裂縫在盆地邊緣分布較多，裂縫的分布以及成因機理與盆地構造活動有顯著關系，盆地受拉致使基底斷裂形成正斷層，誘使上覆土層在自重作用下逐漸變形破裂，在地表形成地裂縫。這種形式可以認為是受到剪切作用而產生的破壞。

(2)拉張性質的破壞。這種破壞地表主變形不明顯，無明顯位錯，裂縫較寬，一般為0.5～50 cm。這種地裂縫大多分布在盆地內部，裂縫的形成受構造作用影響較小，其形成的力學機理為抽取地下水致使地下隱伏裂縫土體兩側產生差異沉降，且土體在自身重力的影響下產生沉降使得地表開裂(圖7b)。

(3)擠壓產生水平錯動和隆起(圖9b，圖11)。這種地裂縫常分布在盆地或者塊體邊緣，其形成的力學機理是盆地或者塊體受到水平擠壓，隱伏斷裂受水平擠壓剪切作用，發(fā)生左旋(或者右旋)運動，致使隱伏斷裂上覆土體發(fā)生同性質的運動，進而表層土體破裂產生裂縫。

圖11 地面隆起Fig.11 Ground uplift

2.4.2房屋建筑物的破壞特征

地裂縫對房屋建筑物的破壞特征和建筑物與地裂縫的接觸關系有密切聯(lián)系，已有研究發(fā)現(xiàn)，地裂縫對地表破壞的影響范圍可劃分為上盤微變形區(qū)、主變形區(qū)和下盤微變形區(qū)等三個區(qū)域(圖12)[35]。當房屋建筑物位于這三個不同的區(qū)域時，房屋建筑物的破壞特征也不相同。調查發(fā)現(xiàn)，運城盆地地裂縫對房屋建筑物的破壞特征多是以下幾種模式。

圖12 地裂縫變形區(qū)(據(jù)黃強兵)Fig.13 Deformation zone of ground fissure (According to Huang Qiangbing)

(1)構造活動或抽水致使地面沉降產生的地裂縫穿越建筑物。地裂縫主變形區(qū)的沉降量比為變形區(qū)大，微變形區(qū)上盤的沉降量比下盤的大。房屋建筑物跨越地裂縫時中間沉降量比兩側沉降量大，致使建筑物墻體由于受到豎向拉張作用產生斜裂縫甚至傾倒(圖6a，圖6b)。

(2)土層水平錯動產生的地裂縫穿越建筑物。由于地表土體水平錯動，地表建筑物受到水平向的張扭作用發(fā)生錯動，致使井蓋錯斷、電桿傾斜，最典型的時墻體會隨土體水平運動方向發(fā)生傾斜，墻體上部的水平位錯量大于下部，并且也會造成墻體上拱(圖9a、圖13)。

圖13 墻體上拱Fig.13 Wall upwarp

(3)地裂縫未穿越建筑物，但建筑物在地裂縫影響帶內。建筑物地基一側在沉降區(qū)內發(fā)生沉降，一側正常，致使建筑物墻體拉列、傾倒(圖14)。

圖14 未跨越地裂縫建筑物破壞示意圖Fig.14 Buildings do not cross ground fissures are damaged

2.4.3道路以及水渠的破壞特征

道路與水渠屬于線性工程，其破壞特征與地表土體破壞特征相似，其破壞主要是伴隨地表土體的破壞模式而產生錯斷與拉裂(圖15)。

圖15 地裂縫致使道路、水渠發(fā)生破壞Fig.15 Road and drainage damage caused by ground fissures

3 結論與建議

本文通過詳細的野外地質調查、測繪與制圖總結了地裂縫的空間分布特征和平面展布特征，利用槽探和鉆探等勘探手段揭示了地裂縫的剖面結構特征，運用GPS和InSAR監(jiān)測手段分析了地裂縫的活動特征和運動特征，最后總結歸納了地裂縫對不同災害體的破壞特征，最終得出的主要結論如下：

(1)運城盆地地裂縫災害嚴重，據(jù)調查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，運城盆地和峨眉臺地共發(fā)育119條地裂縫，這些地裂縫沿斷裂帶集中發(fā)育，順地貌分界線展布，與地面沉降伴生；地裂縫發(fā)育在時間上具有集中爆發(fā)性。

(2)地裂縫的平面展布特征具有定向性、成帶性和延伸性，平面形態(tài)多以串珠狀的陷坑、洞穴、地裂溝和裂縫等形式出現(xiàn)；地裂縫的剖面結構傾角較陡，下盤靠近主裂縫發(fā)育同傾向次級裂縫、上盤遠離主裂縫發(fā)育反傾裂縫。

(3)地裂縫的運動特征主要以垂直差異運動、水平拉張運動和水平剪切運動三種形式。地裂縫的現(xiàn)今活動速率遠遠大于中條山的活動速率，地裂縫活動速率最大為3～4 cm/a，中條山斷裂活動速率為0.9 mm/a[36]，表明地裂縫的現(xiàn)今活動受地下水超采影響明顯。

(4)受地裂縫運動特征的影響，地裂縫對地表的破壞主要有垂直剪切型、水平剪切型和拉張型三種，地裂縫對地表的這三種破壞形式使得建筑物墻體開裂傾倒、道路開裂錯斷、農田出現(xiàn)陷坑等。

運城盆地地裂縫具有時間和空間上的分布特征，在空間上其平面特征和剖面結構特征又與其成因有密切關系，目前對于運城盆地地裂縫的成因研究已經做了大量工作，建議后面將地裂縫的運動特征與活動特征作為重點研究對象，重點區(qū)分正在活動的地裂縫和不再活動的地裂縫，在地裂縫的設防寬度以及減災技術上多做研究。