昌邑—大店一帶活動斷裂對地質災害影響研究

楊 帆，臧 浩

(山東省煤田地質局第一勘探隊，山東 滕州 277599)

活動斷裂對地質災害的影響一直是近年來專家學者討論的對象，也是現(xiàn)代構造地質學研究的一個新的發(fā)趨勢，基于工程建設需要，作為華北板塊魯西地塊與蘇魯造山帶東界主要邊界斷裂，昌邑—大店斷裂近年來一直受到政府和學者的關注，特別是其新生代以來的活動斷裂引發(fā)的地質災害，不但是近年來工程地質學研究的課題，也是建筑學不得不研究的前置課題。前人針對沂沭斷裂開展了大量的調查研究工作，研究內容主要包括活斷層的成因、活動方式與強度、時間與成因、新構造應力場等方面，但多數(shù)為針對區(qū)域地質背景分析，研究區(qū)域主要集中在安丘—莒縣斷裂帶附近，而對于同樣活動性較強的昌邑—大店斷裂研究較少，第四紀以來的活動性分析工作開展較少。本文選取日照段作為研究區(qū)，在了解其自然地理概況、地質背景的基礎上，通過野外面積調查、構造剖面測量、工程地質樣品分析測試、綜合研究等手段，詳細調查了研究區(qū)內活動構造的特征和活動方式以及區(qū)內的主要地質災害(地裂縫)的發(fā)育特征，在此基礎上討論了活動斷裂對地質災害影響機制，對活動構造區(qū)地質災害的識別具有一定的參考。

1 自然地理概況

研究區(qū)的地貌形態(tài)主要受地質構造控制，各種地貌類型及其特征表現(xiàn)與地質構造相一致[1]。各山地呈斷塊凸起，形成侵蝕構造地形，各谷底為斷塊凹陷地帶，一般為剝蝕堆積地形，昌邑—大店斷裂為魯中南構造侵蝕為主中低山丘陵區(qū)與魯東剝蝕構造為主中低山丘陵區(qū)的分界線，研究區(qū)屬于溫帶潮濕季風氣候區(qū)，氣候特征是冬季寒冷，夏季炎熱，四季分明，具明顯的大陸性氣候特征，平均降水量為762.6 mm，降水多集中在7月和8月，降水量一般占全年的50%～70%，研究區(qū)內分布著大小不等的水庫、塘壩，主要分布在河流中上游地區(qū)，具備防洪、灌溉、發(fā)電、水產養(yǎng)殖、供水等綜合功能[2]。

2 地質概況

研究區(qū)及周圍出露地層主要有中生代萊陽群林寺山組、馬連坡組，青山群八畝地組、方戈莊組，大盛群小店組、大土嶺組、馬朗溝組、田家樓組，王氏紅群土崖組，新生代第四系小埠嶺組、黑土湖組、山前組、臨沂組、沂河組。研究區(qū)構造活動強烈，自古生代以來，由于燕山期活動的影響區(qū)內地臺復活，巖漿活動強烈，斷裂構造發(fā)育[3]。昌邑—大店斷裂為沂沭斷裂帶東界斷裂，屬于華北板塊魯西地塊與蘇魯造山帶之間的主邊界斷裂(圖1)。

圖1 區(qū)域地質構造綱要Fig.1 Outline map of regional geological structure

斷裂帶中揉皺、扁豆體、片理發(fā)育，寬達數(shù)百米以上，由于昌邑—大店斷裂從研究區(qū)內部穿過，因此，構造斷裂在該區(qū)十分發(fā)育，主干斷裂走向為北東、北北東，性質以壓扭為主，通過野外調查，區(qū)內主要發(fā)育有NE、NW以及近SN三組斷裂構造，昌邑—大店斷裂由數(shù)條斷裂組成，主干斷裂為景芝—大店斷裂，走向北東10°～20°，以壓性、壓扭性為主，構造帶內斷層泥發(fā)育，寬0.5～10.0 m。北西向斷裂為昌邑—大店斷裂的次級構造，由數(shù)條斷裂組成，走向北西320°～350°，構造性質以張性、張扭性為主，近SN向斷裂在本區(qū)發(fā)育較少，主要集中在于里—管帥一帶，走向近SN向，斷層泥帶發(fā)育，寬約5 m，以上3組構造相互切割并發(fā)生錯位，說明研究區(qū)內地質構造活動的強烈性和復雜性，NE向斷裂：由數(shù)條平行于景芝—大店斷裂的斷裂組成，走向NE20°～30°，性質為壓扭性斷層，斷層帶寬2～50 m[4]。

3 新構造運動

3.1 區(qū)域新構造運動特征

昌邑—大店斷裂是晚中生代時期沂沭斷裂帶東地塹的東邊界，其活動性地質特征明顯，是一條活動性強的斷裂，主要在第四紀時期早、中期活動，僅局部地段(如五蓮縣汪湖莫家崖頭村和郯城縣桃林村)可見白堊系王氏組紫紅色砂頁巖逆沖到上更新統(tǒng)紫紅色粉土夾砂層之上，為晚更新世活動斷裂，其余段落為早中更新世段[5]。

第四紀以來壓扭性構造活動仍是沂沭斷裂帶的基本特征，區(qū)域斷裂的活動對研究區(qū)內濰河、沭河流域的第四紀沉積有著明顯的控制作用，區(qū)內新構造演化可以劃分為3個階段：①第1階段以差異性升降為主，控制著研究區(qū)內早中更新世的沉積；②第2階段以水平擠壓為主，沂沭斷裂帶表現(xiàn)明顯，強烈的構造活動使基巖與第四紀之間呈斷裂接觸，并可見王氏群地層逆掩于第四系之上；③第3階段以差異升降為主，控制著研究區(qū)內河流流向及晚更新世以來的沉積作用。

3.2 區(qū)內主要活動構造的特征

研究區(qū)主要活動斷裂為景芝—大店斷裂，為復活斷裂，自北汪湖鎮(zhèn)至南小店鎮(zhèn)均發(fā)育活動構造，共發(fā)育主要的活動構造7條(圖2)，其他為伴生斷裂，活動構造點12處，主要分布在汪湖、于里、嶠山以及長嶺附近，根據(jù)本次實地調查，可以看出活動構造最新切割第四系，由此判斷本區(qū)域新生代活動構造主要集中在晚更新世至全新世[6]。

圖2 活動構造點分布Fig.2 Distribution of active structural points

此次在景芝—大店斷裂自北向南發(fā)育活動13處構造點布置了觀測剖面，斷層性質以逆右行平移斷層為主，走向5°～65°，傾角35°～65°，白堊系地層逆沖到第四系地層之上?，F(xiàn)選取比較典型的D151(北部)、D100(中部)、D136三處構造觀測點的剖面進行介紹。

(1)D151號剖面(圖3)。黑澗嶺逆斷層，位于于里鎮(zhèn)黑澗嶺村西200 m，小店組紫紅色砂礫巖逆沖到第四系黑土湖組之上，中間夾50 cm破碎帶，斷層帶內可見斷層泥，為紫紅色、黃綠色斷層泥，混雜巖石碎塊，斷面接觸面產狀為305°∠55°。

(2)D136號剖面(圖4)。西北嶺逆斷層，莒縣長嶺鎮(zhèn)西北嶺村西300 m，位于斷裂破碎帶內，附近地層巖性為小店組紫灰色厚層狀礫巖，見斷層泥出露，左側地層產狀270°∠35°，巖性為灰紫色厚層狀礫巖夾薄層細砂巖，破碎帶寬約3 m，灰紫色、灰白色斷層泥發(fā)育，斷層面產狀280°∠60°，沿斷層面見上升泉一個，斷層帶導水，取水樣點，東側為斷層面切割第四系山前組，第四系為黃褐色含礫砂質黏土，無明顯層理，為坡積相，斷層面明顯，產狀270°∠50°，斷層泥為紫灰色夾黃褐色[7]。

圖4 D136號點活動層剖面Fig.4 Section D136 active layer

(3)D100號剖面(圖5)。莒縣嶠山鎮(zhèn)田家峪西500 m，點北為黃褐色粉砂巖，點南為破碎帶，破碎帶內巖性為灰紫色泥頁巖，含礫泥巖，巖性混雜，極破碎，上部覆蓋第四系山前組礫石砂土層，破碎帶寬10 m，第四系現(xiàn)錯斷，斷層面產狀200°∠80°，南部斷層面產狀0°∠75°。

圖5 D100號活動構造點剖面Fig.5 Section D100 active structural point

3.3 活動斷層活動方式討論

(1)斷裂的圍巖與活動年代。研究區(qū)內斷裂構造為較典型的逆斷層，斷層上盤為遭受強烈風化的白堊系青山群火成巖，下盤為晚更新統(tǒng)—全新統(tǒng)黃土狀堆積物，表明自晚更新世以來斷層有過大規(guī)模的活動；沿斷裂帶形成多處斷層陡坎，控制著第四系的沉積，地貌上顯示的快速運動標志明顯[8]。嶠山西坡存在宏觀的東高西低的地形，東側出露白堊系砂礫巖和安山巖，西側為第四系覆蓋區(qū)，此次調查工作在此布設并施工了探槽，發(fā)現(xiàn)此處斷裂為通天斷層，剖面中第四系共有4層，沿斷層面發(fā)育灰—淺灰綠色斷層泥，厚0.5～1.0 cm。斷層面為近代的含礫砂土所覆蓋，斷層錯斷了所有地層，說明該斷層為現(xiàn)今仍活動的斷層。

(2)斷層泥厚度。沿斷裂帶附近共發(fā)育3條斷層泥帶，斷層泥厚度大，一般為幾米到近20 m，這是斷層長期活動的結果，由于斷裂帶內存在著較大厚度的黏土層，容易發(fā)生韌性變形，尤其在高溫下更有利于蠕滑運動。

(3)斷面結構。斷裂帶內不僅斷層泥厚度大，而且斷層破碎帶很寬，如于里李家坡附近破碎帶寬近200 m，店子集鎮(zhèn)東溝頭村斷層泥帶寬約50 m，石井附近破碎帶寬度可達到90 m左右，斷層泥及斷層破碎帶內夾有許多老巖層的碎塊及透鏡體，揉皺變形明顯；另外，斷層泥黏土質地疏松，水分大，這可能是由于斷層長期蠕滑造成地下水流滲入的緣故。

(4)地殼結構特征。深地震測深資料圖表明(圖6)，研究區(qū)內地殼破碎程度較高，顯而易見，破碎的地殼不易積累大的應力，為斷層的蠕動提供了條件。

圖6 沂沭斷裂帶非縱反射剖面Fig.6 Non-longitudinal reflection section of Yishu fault zone

(5)地震活動性。斷層的蠕滑在地震上的反應是微震活動密集，而大地震發(fā)生較少。公元1668年郯城發(fā)生8.5級地震，無中強地震發(fā)生，地震活動具有強度大、頻度低的特點，因此研究區(qū)內斷層的滑動方式以蠕滑為主，所以微震較多。通過分析，研究區(qū)斷層滑動方式可能以蠕滑為主，并一直長期活動。斷層泥SEM的判別結果表明，晚更新世以前，活斷層以強烈的黏滑錯動為主，而宏觀調查及斷層泥黏土礦物的分析顯示出斷層自晚更新世中晚期以來，其滑動方式可能由黏滑向蠕滑轉變。

4 地質災害發(fā)育特征

根據(jù)野外實地調查，研究區(qū)內發(fā)育的地質災害類型上主要為地裂縫，本文著重對研究區(qū)的地裂縫進行討論。

4.1 地裂縫發(fā)育特征

研究區(qū)內已查明地裂縫28處(圖7)，主要體現(xiàn)在建筑物墻壁、水泥地或室內夯實地面上，呈鋸齒狀、樹枝狀、不規(guī)則弧線、直線狀等，長3～700 m，橫斷面上寬下窄多為“V”字形，縫寬1～2 cm，最寬5 cm，小者見裂痕。地面開裂常產生錯動現(xiàn)象，最大錯距1～4 cm，嚴重者可將墻體磚塊或石條錯斷。根據(jù)地裂縫地質災害野外調查結果，可知研究區(qū)內28處地裂縫均為小型地裂縫。地裂縫在本區(qū)的分布主要受昌邑—大店斷裂帶的控制，空間展布主要與昌邑—大店斷裂走向一致，主要分布于汪湖—于里、嶠山—店子集—陵陽一帶[9]。

圖7 研究區(qū)內各鄉(xiāng)(鎮(zhèn))地質災害(已發(fā))分布Fig.7 Geological disasters (distributed) distribution map of each township (town) in the study area

在地裂縫較發(fā)育區(qū)域店子集、李家窯、黑澗嶺3個村房屋裂縫寬度采用游標卡尺進行定期測量(圖8)，變化規(guī)律顯著，地裂縫主要在降水量較大的7—8月份較大，表現(xiàn)出明顯的周期性特點，其活動高潮期與該區(qū)昌邑—大店斷裂及地震活動的活躍期呈正相關，即當?shù)卣鸷蜆嬙旎顒宇l次增多或強度增大時，地裂縫的發(fā)育程度隨之增強。

圖8 黑澗嶺地裂縫監(jiān)測變化情況Fig.8 Monitoring changes of ground fissures in Heijianling

4.2 斷層泥及脹縮土分布特征

1976年7月28日唐山大地震后，昌邑—大店裂帶附近地裂縫有較為集中的出現(xiàn)，可以作為地裂縫的首現(xiàn)時間，此后地裂縫主要表現(xiàn)在房屋墻體裂縫上，在斷裂帶附近脹縮土分布區(qū)，每年雨季、旱季的交替，使得脹縮土形成吸水膨脹、失水收縮交替，從而形成脹縮裂縫。研究區(qū)內斷層泥帶寬幾米至幾十米，斷層泥的脹縮性很大程度上影響著區(qū)域地殼的穩(wěn)定性。此次工作對斷層泥以及地裂縫分布區(qū)巖土體進行了取樣試驗，所有試樣的自由膨脹率都大于40%，結合野外取樣時的巖土性狀，可初步判定為膨脹性土。該區(qū)脹縮土自由膨脹率主要為弱—中脹縮土，脹縮土主要分布在斷裂帶內及其附近山間平原，分布范圍與昌邑—大店斷裂帶走向基本一致。

5 地質災害與活動構造

區(qū)域內主要活動斷裂為昌邑—大店斷裂及次級斷裂，地裂縫的區(qū)域分布特征主要呈條帶狀沿NE30°方向延伸，與昌邑—大店構造展布方向一致。

以研究區(qū)內的重要工程嶠山水庫東側的D114構造觀測剖面為例來闡述昌邑—大店斷裂及次級斷裂對地裂縫的控制，該活斷層處于青山群小店組地層逆推到第四系山前組之上，活動構造特征明顯，西側地層產狀為350°∠50°，斷層傾向320°、傾角55°，為昌邑—大店斷裂伴生斷層。斷層面發(fā)育0.50 m的灰紫色斷層泥帶，斷層泥可見鏡面構造，未見角礫帶和碎裂帶。在距離D114號點150 m處的嶠山水庫大壩處，發(fā)現(xiàn)壩體出現(xiàn)多處裂縫，延伸方向與活動斷層一致，推測此處受活動斷層影響，壩體出現(xiàn)明顯裂縫。根據(jù)歷史地震資料，距離活動構造西南500 m處于1975年發(fā)生M2.0級地震。從歷史地震以及活動構造的分布位置可以看出，嶠山水庫附近嶠山斷裂構造活動特征明顯。水庫建成蓄水后，由于靜水壓力以及庫水沿斷裂面下滲，降低了斷裂面的摩擦阻力，增大了斷裂的蠕滑速度，導致大壩地裂縫。

6 地質災害成因類型及發(fā)育機制分析

受昌邑—大店構造的影響，區(qū)域地裂縫分布主要沿構造帶分布，結合區(qū)域脹縮土分布范圍，將區(qū)域地裂縫分為構造地裂縫和非構造地裂縫兩大類。

受昌邑—大店斷裂的控制，研究區(qū)內地裂縫主要沿斷裂帶呈條帶狀分布，分布于昌邑—大店斷裂之上及兩側，另外昌邑—大店斷裂(日照段)由數(shù)條NE向斷裂構造組成，斷層泥帶、破碎帶等寬度達數(shù)米到數(shù)十米，沿斷裂帶零星分布著斷層泥帶或脹縮土帶[10]。由于活動構造的長期蠕動，使巖體或土層逐漸開裂，并顯露于地表而成；再者該區(qū)域氣候的干、濕變化，尤其是區(qū)域性淺層地下水水位下降時，使脹縮土或淤泥質軟土產生脹縮，從而形成脹縮裂縫。雖然地裂縫在地表不易觀察，但可從該區(qū)域房屋開裂、變形情況反映。因此，研究區(qū)內地裂縫成因可以歸結為活動構造與脹縮土共同作用下形成的。

7 結語

活動斷裂引發(fā)的地災災害是近年來地質災害學科研究的重要方向，本文以新構造運動強烈的昌邑—大店一帶活動斷裂帶為例，形成了以下認識。

(1)受昌邑—大店構造的影響，區(qū)域地裂縫分布主要沿構造帶分布，可分為構造地裂縫和非構造地裂縫兩大類。

(2)受昌邑—大店斷裂的控制，地裂縫主要沿斷裂帶呈條帶狀分布，分布于昌邑—大店斷裂之上及兩側。

(3)研究區(qū)內地裂縫成因可以歸結為活動構造與脹縮土共同作用下形成的。