隆堯地裂縫活動(dòng)特征的定量分析*

常 江 馬潤(rùn)勇 潘愛(ài)芳 王林清 萬(wàn) 陽(yáng) 王志浩 孫長(zhǎng)明

尚合欣①

(①長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 西安 710054， 中國(guó))(②長(zhǎng)安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院， 西安 710054， 中國(guó))

0 引 言

地裂縫作為一種表生的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象，相較于普通裂隙，具有發(fā)育規(guī)模大、形成時(shí)間短的特點(diǎn)(Carpenter， 1980)。在其形成和擴(kuò)展過(guò)程中，破壞土體天然結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)致上覆建筑物開(kāi)裂、道路變形、管道破壞等災(zāi)害，嚴(yán)重危及人居日常生活。隨著20世紀(jì)90年代中國(guó)的經(jīng)濟(jì)與人類活動(dòng)的快速發(fā)展，地下水開(kāi)采量迅猛增加，汾渭盆地、華北平原、蘇錫常地區(qū)相繼出現(xiàn)區(qū)域性群發(fā)地裂縫(鄧亞虹等， 2013； 李莎等， 2018； 趙龍等， 2018)。隆堯地裂縫是目前華北平原中發(fā)育規(guī)模大、活動(dòng)強(qiáng)度高的地裂縫之一。早在20世紀(jì)60年代，隆堯地裂縫就在縣城周?chē)拇彐?zhèn)中零星分布(徐繼山等， 2012)。2003年7月暴雨后，隆堯西店子村一帶出現(xiàn)地面連續(xù)的地裂縫，其規(guī)模在隨后幾年隨著降雨不斷延伸擴(kuò)大，至今已導(dǎo)致6個(gè)村子近300戶村民不同程度受災(zāi)，地裂縫活動(dòng)甚至導(dǎo)致部分房屋傾倒坍塌，路面損毀(圖1)，其中西店子小學(xué)由于地面差異沉降甚至全部廢棄。

圖1 隆堯地裂縫災(zāi)害Fig.1 Disasters caused by Longyao ground fissure

隆堯地裂縫發(fā)展態(tài)勢(shì)逐年增強(qiáng)，并受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。許多專家和學(xué)者對(duì)隆堯地裂縫的成因機(jī)制進(jìn)行了一系列研究，以期為當(dāng)?shù)氐姆罏?zāi)減災(zāi)工作提供建議。孫黨升等(2008)認(rèn)為隆堯地裂縫是由于斷裂活動(dòng)導(dǎo)致隱伏地裂縫發(fā)育，在地表水誘導(dǎo)下開(kāi)裂； 馬潤(rùn)勇(2009)通過(guò)對(duì)隆堯地裂縫進(jìn)行構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬，得出隆堯地裂縫為隆堯斷裂活動(dòng)為主的最新地表響應(yīng)，屬于構(gòu)造型地裂縫； 宋偉等(2011)也認(rèn)為地裂縫是由斷層蠕滑活動(dòng)形成； Peng et al.(2016)結(jié)合地調(diào)、鉆探、探槽和地震勘探等多種手段，提出了在區(qū)域拉張環(huán)境下受地震控制并最終由地下水過(guò)量抽取誘發(fā)的成因機(jī)制。Yang et al.(2018)借助遙感技術(shù)對(duì)隆堯地裂縫及其周?chē)h(huán)境展開(kāi)了評(píng)估，并指出了地下水超采在地裂縫形成中起到至關(guān)重要的作用。以上雖然對(duì)隆堯地裂縫成因機(jī)制的定性研究取得不菲成果，但是缺少針對(duì)隆堯地裂縫的活動(dòng)規(guī)律尤其是水平拉張、走滑剪切和垂直位錯(cuò)的活動(dòng)速率的定量分析，且這項(xiàng)研究可以給地裂縫沿線建筑工程的災(zāi)害防治提供更實(shí)際的依據(jù)。

目前對(duì)地裂縫活動(dòng)特征主要依靠跨地裂縫上覆建筑的變形破壞特征與地面形變監(jiān)測(cè)來(lái)確定(趙超英等， 2011； 徐繼山等， 2012； 曹建玲等， 2015)。由于隆堯地裂縫具有三維運(yùn)動(dòng)特征，加之地基和淺地表土層的聯(lián)合作用，并存在人工修補(bǔ)或支擋等各種因素影響，因此建筑物的破壞形式并不一定能真實(shí)反映出地裂縫實(shí)際的運(yùn)動(dòng)特征及活動(dòng)量參數(shù)。因此，本文通過(guò)調(diào)查工作中開(kāi)挖的大型探槽剖面，確定隆堯地裂縫的三維活動(dòng)量，并結(jié)合光釋光測(cè)年數(shù)據(jù)分別對(duì)該地裂縫水平走滑、拉張、垂直3個(gè)方向的活動(dòng)速率進(jìn)行詳細(xì)的定量分析。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

隆堯地處太行山前沖洪堆積平原。受太平洋板塊的影響，該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的主壓應(yīng)力方向?yàn)镹72°E； 同時(shí)在太平洋板塊擠壓作用下，地幔內(nèi)高溫、低波速的熔融或半熔融物質(zhì)上涌至地殼，導(dǎo)致地殼受拉變薄，并表現(xiàn)出北西—南東向的拉張應(yīng)力場(chǎng)特征，為隆堯斷裂的活動(dòng)和上部地裂縫的形成提供了區(qū)域拉張的環(huán)境。隆堯在大地構(gòu)造單元上處于臨清坳陷和寧晉—衡水?dāng)喟冀唤犹?，該區(qū)構(gòu)造單元均呈北東向展布，為中生代與新生代復(fù)合型盆地(徐常芳， 2003)。

研究區(qū)內(nèi)新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，發(fā)育隆堯南斷裂、南王店斷裂、永福莊斷裂、牛家橋—邢家灣斷裂、毛兒寨—漢口斷裂等第四系活動(dòng)斷裂，以及少數(shù)第三系活動(dòng)斷裂如大寧鋪斷裂(楊理華等， 1980)。其中：隆堯地裂縫的發(fā)育受控于隆堯南斷裂(EW)和牛家橋—邢家灣(N20°E)斷裂，斷裂在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的作用下處于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)斷裂走向小于主壓應(yīng)力方向(N72°E)時(shí)為順扭，大于這個(gè)方位時(shí)為反扭(圖2)。

圖2 隆堯區(qū)域構(gòu)造及地裂縫分布圖Fig.2 Geological setting of Longyao

從地層條件分析，平原內(nèi)第四系地層厚度可達(dá)250～500m，土體以砂土和輕亞黏土為主，約占研究區(qū)的3/5(陳望和等， 1987)。這類較厚且較軟弱的第四系蓋層，為其下隱伏斷裂的致裂應(yīng)力傳遞、釋放提供了良好的條件，因此該區(qū)地裂縫能很好地繼承其下隱伏斷裂的活動(dòng)特征。

2 隆堯地裂縫發(fā)育特征

2.1 平面發(fā)育分布特征

隆堯地裂縫西起周張莊，向東依此經(jīng)南小河、虎中、柏舍、西店子、東店馬、開(kāi)河、馬蘭、西清灣至毛爾寨，橫跨澧河、小漳河，平面上呈折線狀分布，總長(zhǎng)約35km并分為東西兩段(圖3)。

圖3 隆堯地裂縫平面發(fā)育分布圖Fig.3 Distribution of the Longyao ground fissure

西段地裂縫全長(zhǎng)約17.7km，走向與隆堯南斷裂基本一致。該段地裂縫自1966年邢臺(tái)地震后持續(xù)活動(dòng)，導(dǎo)致村民房屋和公路破壞嚴(yán)重。其中：周村房屋墻體最大開(kāi)裂寬度可達(dá)10cm，水平走向位錯(cuò)可達(dá)5cm，垂向錯(cuò)距可達(dá)8cm； 西店子村受災(zāi)房屋達(dá)30余戶，墻體最大開(kāi)裂寬度20cm，最大水平走向位錯(cuò)10cm，垂直錯(cuò)距達(dá)20cm。該段地裂縫房屋破裂和路面錯(cuò)斷的水平錯(cuò)動(dòng)方向以左旋運(yùn)動(dòng)為主。

東段地裂縫全長(zhǎng)約15.3km，走向與牛家橋—邢家灣斷裂(N20°E)一致。該段地裂縫活動(dòng)性較弱且主要發(fā)育在田地間，裂縫途徑地段的路面破壞較為明顯，路面水平走向錯(cuò)距可達(dá)2cm，路面差異沉降的高差達(dá)8cm，路面破碎帶寬度可達(dá)2m，此段地裂縫對(duì)應(yīng)的路面破裂的水平錯(cuò)動(dòng)方向以右旋為主。

隆堯地裂縫平面分布特征表現(xiàn)為：(1)分段性。各段裂縫活動(dòng)強(qiáng)度、延伸方向、影響范圍、致災(zāi)規(guī)模均不同； (2)三維運(yùn)動(dòng)。地面破壞兼具拉張、水平位錯(cuò)、垂直沉降； (3)活動(dòng)強(qiáng)度的間歇性。其中地裂縫在2000年以后最為活躍，遇強(qiáng)降雨或地下水大量抽取后活動(dòng)加劇(Peng et al.， 2016)。

2.2 剖面結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)西段地裂縫探槽(TC1)剖面圖顯示(圖4)，主裂縫(f1)的下盤(pán)發(fā)育一條次級(jí)裂縫(f2)，兩者間距2～3m。主裂縫近地表2 m深處被雜填土充填，且拉張量可達(dá)1m； 次級(jí)裂縫填充較少且近地表拉張量?jī)H0.3m。主裂縫垂直錯(cuò)動(dòng)最大可達(dá)0.5m，且錯(cuò)動(dòng)量隨深度增加而增大，次級(jí)裂縫錯(cuò)距可達(dá)0.2m。

圖4 隆堯地裂縫探槽揭露剖面圖Fig.4 Trench of Longyao ground fissure

而TC2探槽剖面顯示，東段地裂縫近地表鉛直、曲折縱向向下延伸，裂縫填充物以雜填土和粉土為主，近地表拉張寬度為0.3m，上盤(pán)分布羽狀次級(jí)裂縫，錯(cuò)動(dòng)量小且未貫通至地表。主裂縫垂直錯(cuò)距隨深度增加而增大，最大可達(dá)0.4m。

隆堯地裂縫剖面結(jié)構(gòu)具有以下特性：(1)錯(cuò)距上小下大。地裂縫各向活動(dòng)量隨深度增加，說(shuō)明隱伏斷裂對(duì)地裂縫的發(fā)育起到控制作用； (2)東西段活動(dòng)具差異性。西段裂縫活動(dòng)量大于東段，且次級(jí)裂縫發(fā)育明顯，甚至貫通至地面； (3)地層沉積均勻，隆堯地裂縫處于中生代和新生代大型湖盆中，沉積物厚度從盆地內(nèi)向邊緣逐漸減薄(徐繼山等， 2012)。因此宏觀沉積厚度具有一定差異，但在局部地段，同一層位地層厚度變化具有相對(duì)線性穩(wěn)定性變化特征，產(chǎn)狀也具有同一性。因此裂縫兩側(cè)地層厚度的差異與地裂縫的運(yùn)動(dòng)特征有著密切的關(guān)系。

3 地裂縫活動(dòng)特征的定量分析

隆堯地裂縫活動(dòng)強(qiáng)烈，且具拉張、水平走滑及垂直運(yùn)動(dòng)三維運(yùn)動(dòng)。準(zhǔn)確判斷各向活動(dòng)分量可以為地裂縫及其影響范圍內(nèi)構(gòu)建筑物的防災(zāi)減災(zāi)提供合理建議。對(duì)于地裂縫兩側(cè)近乎水平沉積的地層，探槽剖面所揭露的垂直錯(cuò)距即為地裂縫真實(shí)的垂直活動(dòng)量。但實(shí)際中，地層不會(huì)完全水平，地裂縫兩側(cè)地層運(yùn)動(dòng)后在剖面上顯示的錯(cuò)動(dòng)量并非真實(shí)錯(cuò)距。如圖5所示，地裂縫兩側(cè)具有一定傾角的土體在垂直位錯(cuò)和水平走滑的共同作用下，其剖面顯示的垂直位錯(cuò)量y并不能反應(yīng)地裂縫的真實(shí)活動(dòng)，而考慮了水平活動(dòng)導(dǎo)致的厚度變化量的x為地裂縫活動(dòng)的實(shí)際垂直位錯(cuò)。

圖5 地裂縫兩側(cè)地層活動(dòng)示意圖Fig.5 Movements of strata of both sides of ground fissure

實(shí)地探槽開(kāi)挖的剖面顯示，隆堯地區(qū)地層沉積均勻，探槽兩壁多數(shù)地層厚度有明顯差異。可以借助傾斜地層的錯(cuò)動(dòng)量，通過(guò)探槽剖面揭露的地層厚度差異分析，明確地裂縫在發(fā)育活動(dòng)過(guò)程中各分量的具體數(shù)值，并根據(jù)光釋光測(cè)年結(jié)果推算地裂縫在一段時(shí)期內(nèi)的幾何分量活動(dòng)速率，為地裂縫的發(fā)育和成因分析提供更為可靠的支持。

3.1 地裂縫各向活動(dòng)分量分析

地裂縫在活動(dòng)過(guò)程中，水平錯(cuò)動(dòng)和垂直沉降同時(shí)發(fā)生，剖面上同一地層在裂縫兩側(cè)的高差包含了垂直錯(cuò)動(dòng)和水平錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致的豎向地層厚度變化兩個(gè)部分。如圖6所示，以向水平面以下傾斜的地層為例展開(kāi)分析。假定在探槽范圍內(nèi)地層原始層厚為b、a，探槽寬度H這一局部范圍內(nèi)局部地層傾角為θ，當(dāng)水平、垂直位錯(cuò)同時(shí)發(fā)生時(shí)，地裂縫活動(dòng)前地層厚度為b，錯(cuò)動(dòng)后揭露厚度為c，探槽剖面上顯示的地層錯(cuò)距為Δ2。

圖6 地裂縫兩側(cè)地層錯(cuò)動(dòng)示意圖Fig.6 Stratum dislocation on both sides of ground fissure

地層沉積傾角可以由兩側(cè)地層厚度表示：

(1)

此時(shí)探槽剖面揭露的錯(cuò)距Δ2由垂直差異沉降Dh和傾斜地層走滑剪切時(shí)所導(dǎo)致的豎向位錯(cuò)Δ1兩部分組成，地裂縫活動(dòng)時(shí)實(shí)際垂直差異沉降量為：

Dh=Δ2-Δ1

(2)

走滑剪切的水平位移由地層傾角和豎向位錯(cuò)Δ1計(jì)算出：

(3)

當(dāng)?shù)貙由舷陆缑婢鶅A斜而不能直接依靠探槽兩側(cè)寬度計(jì)算出傾角時(shí)，可以借助水平儀等設(shè)備直接測(cè)量出所計(jì)算地層斜面的傾角θ； 而對(duì)于向水平面以上傾斜的地層而言，由于方向不同，計(jì)算地裂縫兩側(cè)地層實(shí)際垂向錯(cuò)距為探槽剖面揭露的錯(cuò)距Δ2和傾斜地層走滑剪切時(shí)所導(dǎo)致的豎向位錯(cuò)Δ1之和，即

Dh=Δ2+Δ1

(4)

(5)

根據(jù)兩段地裂縫開(kāi)挖探槽剖面所得地層在裂縫兩側(cè)及兩壁厚度，計(jì)算各典型地層的水平(Dx)、垂直(Dh)以及拉張(Dz)活動(dòng)量。西段裂縫錯(cuò)動(dòng)距離見(jiàn)表1，經(jīng)過(guò)分解后的豎向位錯(cuò)小于剖面上的層間錯(cuò)動(dòng)Δ2。其中：拉張量在近地表2 m范圍內(nèi)最大， 5m深處拉張距離增大為11.5cm，其余深度拉張不明顯； 水平錯(cuò)動(dòng)量較小， 4.5m深粉土層有相比較明顯的錯(cuò)動(dòng)； 垂直錯(cuò)動(dòng)量在3～4m間的粉砂和黏土層較大，可達(dá)50cm，其余地層垂直錯(cuò)距均在20～40cm間。

表1 TC1探槽各層各向錯(cuò)動(dòng)距離Table1 Displacement distance of Trench 1

表2 TC2探槽各層各向錯(cuò)動(dòng)距離Table2 Displacement distance of Trench 2

東段地裂縫錯(cuò)距如表2。其中：近地表粉土層拉張20cm，水平位錯(cuò)2.66cm，豎向錯(cuò)動(dòng)32.32cm； 深度1.8m粉質(zhì)黏土層各向錯(cuò)動(dòng)量均較小，拉張8cm，水平位移0.87cm，豎向錯(cuò)動(dòng)20.13cm，深度3.5m的粉質(zhì)黏土層活動(dòng)量均大于淺層粉質(zhì)黏土； 而5m的深層黏土錯(cuò)動(dòng)量均較小，拉張量9cm，水平位錯(cuò)0.99cm，豎向錯(cuò)動(dòng)僅13.66cm。

隆堯地裂縫東、西兩段活動(dòng)量特征基本一致，豎向錯(cuò)動(dòng)量較大，伴有水平位錯(cuò)和拉張位移。在淺地表5m范圍以內(nèi)地裂縫活動(dòng)量受灌溉入滲導(dǎo)致的沉降作用影響下，各向錯(cuò)距反而明顯較大。

3.2 地裂縫活動(dòng)速率

為了分析地裂縫的活動(dòng)速率，在東、西兩個(gè)探槽中對(duì)完整性好的代表地層的頂部進(jìn)行取樣。在室內(nèi)進(jìn)行光釋光測(cè)年以確定沉積物上一次曝光事件年代，其測(cè)年范圍在萬(wàn)年以上，精度5%～10%。以光束照射礦物顆粒使累積的輻射能以光的形式被激發(fā)出來(lái)，累積的等效劑量除以年劑量率，即是礦物顆粒最后一次曝光之后接受輻照的時(shí)間長(zhǎng)度，也即埋藏至今的年代。(賴忠平等， 2013)。

兩個(gè)探槽的代表性地層進(jìn)行光釋光測(cè)年結(jié)果如表3。以兩個(gè)相鄰地層頂部取樣點(diǎn)之間的年代差作為該地層沉積總時(shí)長(zhǎng)，并根據(jù)剪切走滑、垂直位錯(cuò)及水平拉張量估算地裂縫在不同深度的平均活動(dòng)速率(圖7a、圖7b)，可以分析隆堯兩段地裂縫在不同時(shí)段的活動(dòng)速率特征，結(jié)果如下。

圖7 隆堯地裂縫地層各向錯(cuò)動(dòng)活動(dòng)速率圖Fig.7 Slip rates of Longyao ground fissurea.西段裂縫TC01； b.東段地裂縫TC02； c.活動(dòng)速率與地層年齡變化

表3 探槽地層光釋光測(cè)年結(jié)果Table3 Stratigraphic photoluminescence dating results

對(duì)比隆堯地裂縫東西兩段各自活動(dòng)速率發(fā)現(xiàn)，西段地裂縫各時(shí)期各向活動(dòng)速率均大于東段，符合目前隆堯西段地裂縫活動(dòng)性較高的特點(diǎn)； 3個(gè)方向活動(dòng)速率大小關(guān)系為：垂直差異沉降速率最大，剪切走滑速率次之，拉張開(kāi)裂速率最??； 近地表范圍錯(cuò)動(dòng)破裂明顯，活動(dòng)速率遠(yuǎn)大于深層土層； 根據(jù)活動(dòng)速率隨年齡變化趨勢(shì)(圖7c)，自8kaiB.P.至今，地裂縫活動(dòng)速率逐漸增高； 且有多個(gè)加速活動(dòng)期，與歷史記載的地震有關(guān)。根據(jù)中國(guó)地震歷史資料，推測(cè)0.5 kaiB.P.的突變與1966年邢臺(tái)7.2地震有關(guān)； 1kaiB.P.的速率驟升是不僅與1882年深縣6級(jí)地震有關(guān)，還與1883～1898年間華北地區(qū)長(zhǎng)期處于降水豐沛階段有關(guān)(張慶云， 1999); 而3.5～3.8 kaiB.P.也出現(xiàn)活動(dòng)速率抬升，則推測(cè)與未記錄的古地震等因素有關(guān)。

4 結(jié)論與討論

為了查明河北隆堯地裂縫活動(dòng)特征，本文結(jié)合探槽和光釋光實(shí)驗(yàn)，取得以下主要結(jié)論：

(1)隆堯地裂縫平面展布特征為：東西分段且發(fā)育規(guī)模差異，剪切走滑、垂直錯(cuò)動(dòng)、水平拉張三維運(yùn)動(dòng)特征明顯，隨強(qiáng)降雨地下水活動(dòng)呈間歇性發(fā)育。剖面結(jié)構(gòu)特征：活動(dòng)量隨深度增加，活動(dòng)強(qiáng)度東弱西強(qiáng)，地層沉積較均勻。

(2)由于隆堯平原地區(qū)地層沉積均勻，再自身具有傾斜角度的局部范圍內(nèi)，地裂縫剖面上的豎向錯(cuò)距由垂直差異沉降和走滑剪切導(dǎo)致豎向厚度變化兩個(gè)分量組成，因此根據(jù)地層錯(cuò)動(dòng)關(guān)系，計(jì)算隆堯地裂縫活動(dòng)時(shí)垂直沉降量、剪切走滑量及水平拉張量，得到最接近地裂縫活動(dòng)的真實(shí)參數(shù)，以反映地裂縫的三維運(yùn)動(dòng)特征。

(3)結(jié)合光釋光測(cè)年計(jì)算各時(shí)期地層各分量的活動(dòng)速率，其特征為：隆堯西段地裂縫活動(dòng)速率明顯大于東段地裂縫； 地裂縫各時(shí)期垂直差異沉降速率最大，走滑剪切速率次之，拉張活動(dòng)速率最??； 從8ka B.P.至今，隆堯地裂縫各向錯(cuò)動(dòng)速率不斷上升，表明自全新世以來(lái)地裂縫持續(xù)活動(dòng)且強(qiáng)度不斷增高，并且多次出現(xiàn)活動(dòng)速率的驟升期。表明隱伏的全新世隆堯南斷裂和牛家橋—刑家灣斷裂一直控制著地裂縫的發(fā)育。

這種借助探槽剖面來(lái)計(jì)算地裂縫兩盤(pán)土體各向位移分量的方法可以為實(shí)際工程提供一定幫助。尤其對(duì)隆堯地裂縫這一條各向活動(dòng)量均突出的典型大規(guī)模地裂縫而言，活動(dòng)特征的準(zhǔn)確定量分析是防災(zāi)減災(zāi)的基礎(chǔ)。本文受測(cè)年工作量的限制僅初步估算了隆堯地裂縫各時(shí)期的平均活動(dòng)速率，更高密度的采樣分析可以獲得更精確的地裂縫活動(dòng)速率。