肯尼亞裂谷區(qū)地裂縫特征及成因分析

譚 鵬，劉 陽(yáng)，蔣富強(qiáng)，溫欣嵐，王飛永，賈智杰

（1.中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安710054；3.中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100088）

0 引言

地裂縫是一種在內(nèi)外地質(zhì)營(yíng)力作用下，地殼淺表部土層中發(fā)生的破裂以及錯(cuò)斷現(xiàn)象[1-7]，表現(xiàn)形式多種多樣，常見的有地表裂縫、連續(xù)陷坑、陡坎、緩坡、隱伏地裂縫形成的近地表破碎帶等。地裂縫在國(guó)內(nèi)外分布廣泛，對(duì)其影響范圍內(nèi)的農(nóng)田、房屋建筑、公路鐵路、油氣管道等線性工程以及地下工程可造成巨大破壞，嚴(yán)重影響了耕地以及建設(shè)用地的適宜性，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了巨大損失[8-16]。

東非大裂谷是目前地球表面最大的斷層陷落帶，具有典型的大陸裂谷特征，谷底地勢(shì)平緩，邊緣為相互平行的階梯狀斷層群。受地質(zhì)構(gòu)造影響，裂谷區(qū)歷史上火山活動(dòng)異?；钴S，斷裂極為發(fā)育，地形高低起伏，工程地質(zhì)條件異常復(fù)雜[17]。根據(jù)GPS 觀測(cè)數(shù)據(jù)，東支裂谷現(xiàn)今仍以0.5 cm/a 的速率進(jìn)行擴(kuò)張，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈[18]。巖漿侵入-地震活動(dòng)-裂谷開裂是目前認(rèn)為東非裂谷的主要活動(dòng)模式?？夏醽喠压任挥跂|非大裂谷東支的中段，構(gòu)造活動(dòng)和火山活動(dòng)強(qiáng)烈，裂谷區(qū)巖層產(chǎn)生大量隱伏破裂，為地裂縫的產(chǎn)生提供了優(yōu)勢(shì)構(gòu)造條件?？夏醽喠压鹊亓芽p常在一場(chǎng)大雨后出露地表，與降雨侵蝕存在密切的相關(guān)性。裂谷區(qū)屬于東非高原區(qū)，降雨具有短時(shí)降雨量大、頻率高且極端降雨天氣頻發(fā)的特點(diǎn)。強(qiáng)烈的降雨可為地裂縫的形成提供有利的水力條件。裂谷區(qū)淺表部覆蓋層多為第四紀(jì)火山沉積物，厚度較小，土質(zhì)疏松，耐水力侵蝕能力較差，為地裂縫的形成提供了良好的物質(zhì)條件。這種特殊孕育條件，使得該區(qū)域地裂縫較為發(fā)育，對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳钜约肮こ探ㄔO(shè)造成了不可忽視的影響，然而針對(duì)裂谷區(qū)地裂縫的基本特征以及成因機(jī)制的研究仍然很薄弱。

目前對(duì)于地裂縫成因機(jī)理的研究已經(jīng)形成了一套較為完整的理論，主要有以下三種觀點(diǎn)，即構(gòu)造成因、地下資源開采成因、構(gòu)造和地下資源開采復(fù)合成因[19-24]。彭建兵等[25]通過(guò)對(duì)西安地裂縫的系統(tǒng)研究，將地裂縫的成因機(jī)制進(jìn)一步細(xì)化為:深部構(gòu)造孕育地裂縫、盆地伸展萌生地裂縫、黃土介質(zhì)響應(yīng)地裂縫、斷層活動(dòng)伴生地裂縫、應(yīng)力作用群發(fā)地裂縫、抽水作用加劇地裂縫、表水滲透開啟地裂縫。在形成地裂縫的眾多影響因素中，構(gòu)造因素往往是地裂縫形成的內(nèi)因，其控制了地裂縫的活動(dòng)方式，其次不容忽視的是水的作用，其加劇了地裂縫的活動(dòng)速率，縮短了其出露地表的進(jìn)程[26]。地裂縫與表水入滲的關(guān)系非常密切，已有學(xué)者針對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了探索研究。LU 等[27]對(duì)陜西三原縣雙槐樹地裂縫的成因進(jìn)行了研究，并對(duì)地裂縫帶土的滲透特性進(jìn)行了大型原位浸水試驗(yàn)。研究認(rèn)為該地裂縫與隱伏斷裂相連，其對(duì)地裂縫的形成具有控制作用，強(qiáng)降雨的滲透侵蝕作用使得地裂縫出露地表。喬建偉等[28]將臨汾盆地果場(chǎng)地裂縫的成因機(jī)理概化為構(gòu)造孕縫、抽水誘縫和降雨擴(kuò)縫。AYALEW 等[29]對(duì)埃塞俄比亞裂谷的Muleti 小鎮(zhèn)降雨后出現(xiàn)的地裂縫進(jìn)行了研究，作者認(rèn)為該地裂縫與含水層的壓縮和水平滲流應(yīng)力沒(méi)有確切的關(guān)系，地裂縫的產(chǎn)生與大雨期間的管涌和塌陷過(guò)程有關(guān)。NGECU[30]研究了位于Menengai 火山與Nakuru 湖之間的小鎮(zhèn)出現(xiàn)的帶狀地面塌陷。作者認(rèn)為在水的滲透侵蝕作用下松散堆積層形成了連續(xù)的地下空洞，最終由于車輛或火車交通引起的振動(dòng)或者暴雨的情況下，喪失穩(wěn)定性從而導(dǎo)致地下坍塌，最終到達(dá)地表形成塌陷。

本文以肯尼亞裂谷段地裂縫為研究對(duì)象，通過(guò)資料收集、野外調(diào)查、槽探、鉆探和室內(nèi)土工試驗(yàn)等研究手段，對(duì)該區(qū)域地裂縫的基本特征以及成因機(jī)制進(jìn)行了研究，研究成果可為該區(qū)域的工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)，并為裂谷火山區(qū)地裂縫的研究提供借鑒。

1 自然地理以及地質(zhì)背景

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于東非大裂谷東支，肯尼亞裂谷的中部，屬于東非高原區(qū)，地面高程1 650～1 820m，地跨東經(jīng)36°17′30″～36°35′45″，南緯0°56′～1°09′（圖1）。谷底區(qū)為兩側(cè)隆起區(qū)相夾而形成的“地塹”地貌。裂谷底部地勢(shì)平坦開闊，植被覆蓋率高，零星散布著多個(gè)火山，其中規(guī)模較大的為研究區(qū)北側(cè)的Lognot 火山和南側(cè)的Suswa 火山。Longonot 火山為復(fù)式火山，火山口現(xiàn)已被茂密森林所覆蓋，是一座休眠火山。Suswa火山為一雙層盾形火山，里層為一圈深塹，外層形成大大小小的三十余個(gè)火山洞穴，屬于休眠火山。研究區(qū)沖蝕作用強(qiáng)烈，分布有多條深切的沖溝，溝內(nèi)無(wú)常年流水，在降雨后會(huì)形成短時(shí)匯流。在研究區(qū)發(fā)現(xiàn)多處地?zé)釟怏w逸出點(diǎn)，說(shuō)明研究區(qū)地球內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用仍然很活躍。

圖1 研究區(qū)地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 活動(dòng)斷裂

調(diào)查區(qū)內(nèi)活動(dòng)斷裂較少，主要分布于裂谷的肩部。區(qū)域上晚更新世-全新世斷裂發(fā)育，沿東西隆起區(qū)和裂谷區(qū)分界線正斷裂發(fā)育（圖2）。在研究區(qū)南部裂谷區(qū)順著裂谷延伸的方向也發(fā)育著眾多全新世斷裂。東部隆起區(qū)與裂谷中央?yún)^(qū)的邊界發(fā)育一系列近于平行的正斷層，臺(tái)階式斷陷，整體斷裂帶影響寬度約15 km。北部斷裂構(gòu)造簡(jiǎn)單，為典型的地塹式正斷層，走向NNW，由平行于裂谷方向的若干斷裂組成，1928年1月6日曾發(fā)生里氏7.0 級(jí)地震；西部隆起區(qū)斷裂較少，走向基本和裂谷走向一致，主要由活動(dòng)性較弱的晚更新世斷裂組成，表現(xiàn)為斷續(xù)延伸的線性。研究區(qū)內(nèi)的活動(dòng)斷裂發(fā)育相對(duì)較少，因而地裂縫的形成與活動(dòng)斷裂相關(guān)性較小。

圖2 研究區(qū)活動(dòng)斷裂分布圖(據(jù)中國(guó)地震局修改)Fig.2 Distribution map of active faults in the study area (modified according to China Earthquake Administration)

1.3 地層結(jié)構(gòu)以及巖土體特性

研究區(qū)內(nèi)主要發(fā)育新生界地層，特別是第四紀(jì)以來(lái)的地層，以第四系火山碎屑沉積及沖、洪積層為主，第四系和新近系火山巖亦分布較廣。第四系覆蓋層厚度分布不均，具體表現(xiàn)為谷底區(qū)及兩翼溝谷內(nèi)分布較厚，其他地段則普遍較薄。新近系巖層則主要分布于裂谷及兩翼火山熔巖流區(qū)。通過(guò)研究區(qū)布設(shè)多個(gè)勘探鉆孔，揭露出研究區(qū)具有特殊的“軟硬軟”地層結(jié)構(gòu)（圖3）。圖中①-④為上部軟層，主要以粉砂為主，為巖層上部的覆蓋層，厚度5-15 m。中部硬層為厚層凝灰?guī)r，厚度約40 m，上部和下部風(fēng)化程度較高，中部為弱風(fēng)化，且該層存在較多的巖體裂隙。凝灰?guī)r下部又是一層粉土、粉砂為主的軟質(zhì)巖層。

圖3 地層柱狀圖Fig.3 Stratigraphic histogram

上部覆蓋層土體主要為粉砂，其孔隙比較大，密度很小，容易受到水力侵蝕。通過(guò)顆粒分析實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土中含有較多的火山浮石顆粒。浮石的容重小，是一種多孔、輕質(zhì)的玻璃質(zhì)酸性火山噴出巖，可在水中浮起，且本身強(qiáng)度不高，風(fēng)化后可形成不同大小的浮石顆粒，吸水能力很強(qiáng)。浮石土在工程上是一種不良的土質(zhì)材料，其具低密度、多孔隙、結(jié)構(gòu)較松散、弱膠結(jié)、吸水率高、承載力較低、難以碾密、抗沖蝕能力差的特性，容易引起地基不均勻沉降，在雨水作用下容易誘發(fā)滑坡等不良地質(zhì)災(zāi)害[31]。

研究區(qū)淺表部覆蓋層較薄且抗水力侵蝕能力較差，其下部巖層中存在較多的貫通裂隙，因而這種地層結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期的水力侵蝕作用下易于發(fā)生潛蝕破壞。

1.4 巖體破裂

研究區(qū)的巖層埋深較淺，存在多個(gè)天然巖體露頭，其主要位于河道、采石場(chǎng)以及鄰近裂谷肩部區(qū)域。通過(guò)巖體出露區(qū)節(jié)理的統(tǒng)計(jì)以及多個(gè)勘探鉆孔的資料分析，獲得研究區(qū)巖體破裂的基本發(fā)育特征。

研究區(qū)內(nèi)巖體裂隙較為發(fā)育，主要表現(xiàn)為平行以及X 型展布的特征。在多個(gè)河道中觀測(cè)到的巖體裂隙大多呈平行展布，節(jié)理面近垂直，部分節(jié)理尾部出現(xiàn)分叉，形態(tài)上彎曲粗糙呈現(xiàn)樹枝狀，表現(xiàn)為張節(jié)理的特征。在地裂縫帶內(nèi)巖體裂隙尤為發(fā)育，其發(fā)育的優(yōu)勢(shì)方向約為320°，與裂谷展布方向一致（圖4）。在鄰近裂谷肩部區(qū)域的天然巖石露頭處，觀測(cè)到巖體裂隙表現(xiàn)為X 型共軛剪節(jié)理的特征，節(jié)理平直且相互切割形成網(wǎng)狀形態(tài)（圖5），兩組優(yōu)勢(shì)節(jié)理走向分別為110°和203°。

圖4 平行巖體裂隙Fig.4 Parallel rock stratum fissures

圖5 X 型巖體裂隙Fig.5 X-type rock stratum fissure

通過(guò)鉆探揭露發(fā)現(xiàn)鉆探巖芯中多次出現(xiàn)豎向、斜向的裂縫，多為張裂縫，部分裂縫斷面含有鐵銹，個(gè)別張裂縫中有泥質(zhì)填充。在勘探孔Z-73-120 鉆進(jìn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)巖芯出現(xiàn)裂縫。該勘探孔深度62.2 m，裂縫出現(xiàn)在39～44.7 m 段，呈不連續(xù)的豎向裂隙將巖芯剖分為兩半，其中39～40.0 m 裂縫寬度約10 mm，豎向長(zhǎng)度約1 m，無(wú)充填（圖6）；40.8 m～44.7 m 裂縫寬度約為25 mm，豎向長(zhǎng)度3.9 m，裂縫為黏土充填，黏土手摸有細(xì)膩滑感。兩處裂縫巖芯斷面處均未發(fā)現(xiàn)擦痕，應(yīng)為張裂縫。

圖6 鉆孔Z-73-120 深度40～45 m 巖芯（巖芯被張裂縫一分為二，泥質(zhì)充填）Fig.6 Core of borehole z-73-120 with depth of 40-45 m (the core is divided into two parts by tensile fracture and filled with mud)

研究區(qū)的巖體受張性和剪性巖體裂隙切割，巖體較為破碎。淺部巖體裂縫與地表分布的第四系覆蓋層貫通性較好，是有利的地表水、地下水下滲、排泄通道。埋深較深的巖體裂縫與地表貫通性較好，特別是裂縫中含有黏土夾層的裂縫。淺表黏土顆粒，隨地表水下滲至巖體裂縫處滯留，形成泥質(zhì)夾層。此類裂縫與地表貫通性好，形成良好的地表水、地下水滲透、潛蝕、排泄通道，易于在上覆土層內(nèi)形成自下而上的地裂縫。

1.5 降雨

研究區(qū)位于東非高原，以熱帶草原氣候區(qū)為主，每年的3—6月和10—12月是雨季，其余月份是旱季，其中3—6月是大雨季、10—12月是小雨季。年平均降水量600～1 400 mm，年均蒸發(fā)量為1 450～2 200 mm[32]。

研究區(qū)西北約8.5 km 處的納庫(kù)魯氣象站是距研究區(qū)最近的一個(gè)氣象站。對(duì)其1980年到2019年40年的日降雨量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在1981年4月26日出現(xiàn)了最大日降雨量329.95 mm，該數(shù)據(jù)為40年來(lái)最大日降雨量，且在2007年到2013年，極端降雨出現(xiàn)的頻率有所增加（圖7）。

圖7 肯尼亞裂谷日均降雨量（Nakuru 臺(tái)站，1980—2019年）Fig.7 Daily average rainfall in the Rift Valley of Kenya (Nakuru Station,1980—2019)

通過(guò)野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)地裂縫出露地表多發(fā)生于雨季，地裂縫的產(chǎn)生與降雨的相關(guān)性較高。研究區(qū)降雨具有短時(shí)降雨量大、頻率高且極端降雨天氣頻發(fā)的特點(diǎn)。強(qiáng)烈的降雨可為地裂縫的形成提供有利的水力條件。

2 地裂縫基本特征

研究區(qū)地裂縫研究基礎(chǔ)較為薄弱，沒(méi)有地裂縫活動(dòng)的歷史記錄，多數(shù)地裂縫的形成歷史已無(wú)從考證。通過(guò)對(duì)研究區(qū)多期Google 衛(wèi)星影像的解譯以及地裂縫現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查工作，研究現(xiàn)階段地裂縫的平面分布規(guī)律，通過(guò)對(duì)典型地裂縫探槽揭露，研究該區(qū)域地裂縫的剖面結(jié)構(gòu)特征。

2.1 平面分布特征

研究區(qū)共發(fā)育有21 條地裂縫，大多分布在地勢(shì)平坦開闊的裂谷中心區(qū)兩個(gè)火山之間，靠近谷肩區(qū)域的地裂縫較少（圖8）。

圖8 地裂縫平面分布圖Fig.8 Plane distribution map of ground fissures

研究區(qū)地裂縫大多呈平行分布且直線延伸，地表可見延伸長(zhǎng)度174～5000 m（表1）。對(duì)地裂縫的走向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制地裂縫走向玫瑰圖（圖9）。該區(qū)域地裂縫的走向集中于34°～360°和20°～30°這兩個(gè)區(qū)間，具有明顯的定向性?？夏醽喠压仍谠摱蔚淖呦蚣s為353°，Logonot 火山與Suswa 火山連線走向約為25°，分別與地裂縫的優(yōu)勢(shì)走向重合。由此可見，該區(qū)域地裂縫的形成與裂谷水平拉張以及火山活動(dòng)密切相關(guān)，且裂谷拉張作用為主導(dǎo)因素。

圖9 地裂縫走向玫瑰圖（藍(lán)線為裂谷走向，紅線為火山連線方向）Fig.9 Rose flower diagram of ground fissure strike (blue line is rift strike,red line is the direction of volcano connection)

表1 地裂縫分布狀況Table 1 Distribution of ground fissures

地裂縫平面形態(tài)為直線型，多表現(xiàn)為帶狀地面塌陷，部分為串珠狀落水洞。平面組合形式為雁列狀、平行狀分布。直線型地裂縫的形成多受隱伏斷裂所控制，而該區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，巖層埋深較淺。根據(jù)野外巖體露頭觀測(cè)以及工程鉆探資料，該區(qū)域巖體破裂較為發(fā)育，因此隱伏巖體破裂對(duì)該區(qū)域地裂縫的形成具有控制作用。地裂縫的平面組合特征，反映了區(qū)域地應(yīng)力的特征。平行分布的地裂縫常為拉張應(yīng)力環(huán)境的產(chǎn)物[25]?？夏醽喠压葹橹鲃?dòng)性裂谷，地下熱點(diǎn)的巖漿上涌，到巖石圈后被阻擋，向四周水平流動(dòng)，牽引巖石圈水平拉張破裂，斷陷而形成裂谷[33]。因此，該區(qū)域水平拉張應(yīng)力為該區(qū)域的主應(yīng)力狀態(tài)。雁列式分布的地裂縫常形成于剪切應(yīng)力狀態(tài)。該區(qū)域分布有多處火山，因火山活動(dòng)的影響，在某一時(shí)期，該區(qū)域存在局部剪切應(yīng)力，從而形成雁列式的巖體破裂形態(tài)，進(jìn)而可形成雁列式的地裂縫。

該區(qū)域地裂縫平面形態(tài)主要為直線型，表現(xiàn)為構(gòu)造地裂縫的特征，受隱伏巖體破裂控制。該區(qū)域地裂縫走向的定向性以及平面組合形式顯示裂谷的水平拉張作用和火山活動(dòng)與地裂縫的形成密切相關(guān)。

2.2 剖面結(jié)構(gòu)特征

為研究該區(qū)域地裂縫的剖面結(jié)構(gòu)特征，對(duì)鐵路北側(cè)約2.2 km 的地裂縫進(jìn)行了探槽揭露。通過(guò)Google Earth 時(shí)間軸觀測(cè)，該地裂縫形成于2010年至2013年期間，該時(shí)間段也為該區(qū)域極端降雨天氣頻發(fā)的階段（圖7）。該地裂縫現(xiàn)狀表現(xiàn)為地表陷坑及沖溝，溝寬2～7 m，深1～2 m，從北向南逐漸變淺，溝兩側(cè)侵蝕減弱。全長(zhǎng)398 m，走向?yàn)?97°，中部斷開，呈斷續(xù)出露。探槽開挖位置位于該地裂縫的北端（圖10a 和圖10b）。

探槽長(zhǎng)約22 m，寬12 m，深6.5 m，垂直地裂縫走向開挖。探槽底部為弱風(fēng)化的火山角礫巖(圖10f)，施工機(jī)械開挖至該層后已很難向下挖掘，該層上部為砂土和浮石的互層。火山角礫巖存在兩條巖層裂縫，裂縫向上延伸直至地表形成兩條地裂縫，主裂縫f1 和次級(jí)裂縫f2。裂縫兩側(cè)地層連續(xù)性較好，地層水平，無(wú)垂直位錯(cuò)，兩條裂縫近似呈平行分布。

f1 裂縫剖面形態(tài)呈上大下小的楔形體，巖層面以上部分以及巖體裂縫均已被粉砂填充(圖10e)。裂縫頂部最寬處約2.8 m，底部最窄處0.7 m，對(duì)應(yīng)于地表沖溝的位置。裂縫長(zhǎng)期受表水入滲的影響，裂縫處土呈黑棕色，有機(jī)質(zhì)含量較高。f2 裂縫寬度較小約5～10 cm，走向215°，巖層面以上部分已被填充，巖體裂縫仍處于張開狀態(tài)，未被填充，且在開挖后有涼氣逸出，持續(xù)半天后，氣體逐漸消失(圖10g 和圖10h)。裂縫在剖面呈近直立形態(tài)，在地表未形成明顯的地表裂縫，表現(xiàn)為串珠狀落水洞。

圖10 探槽剖面圖Fig.10 Sectional view of the trench

探槽揭露出的兩條地裂縫，下部均與巖體裂縫相連接，地層無(wú)垂直位錯(cuò)，裂縫處土體水力侵蝕現(xiàn)象明顯，剖面形態(tài)上呈現(xiàn)上大下小的楔形體。巖體裂縫的存在是地裂縫形成的前提條件，強(qiáng)烈的水力侵蝕以及松散易侵蝕的土體是裂縫出露地表的決定性因素。

3 機(jī)理分析

研究區(qū)地裂縫的形成與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力、降雨、淺表部土體性質(zhì)以及地層結(jié)構(gòu)均密切關(guān)系。

研究區(qū)位于主動(dòng)型裂谷的谷底區(qū)，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力主要為拉張應(yīng)力。該區(qū)域散布有多個(gè)大大小小的火山，在火山活動(dòng)作用的影響下，存在局部的剪應(yīng)力區(qū)域。在水平拉張以及火山活動(dòng)作用下，巖體形成不同寬度以及延伸長(zhǎng)度的巖體裂縫，在平面上表現(xiàn)為直線型平行和雁列狀分布的地裂縫。根據(jù)研究區(qū)地裂縫走向統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)地裂縫的走向與裂谷走向以及兩個(gè)主要火山的走向具有明顯的相關(guān)性，且與裂谷走向的相關(guān)性更高。

研究區(qū)降雨具有短時(shí)降雨量大，頻率高、極端降雨天氣頻發(fā)的特點(diǎn)，從而使得研究區(qū)水力侵蝕特別強(qiáng)烈。研究區(qū)多條地裂縫均是在一場(chǎng)大雨后出露地表的，與降雨存在較高相關(guān)性。從多期谷歌影像解譯出的地裂縫，其出現(xiàn)時(shí)間也多位于2007年到2013年極端降雨頻發(fā)的時(shí)間段。因而該區(qū)地裂縫的形成與降雨入滲存在密切關(guān)系。當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)降雨并導(dǎo)致地面大量積水時(shí)，由于巖體裂縫形成的過(guò)程中破壞了土層結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了上、下土層之間的連通，增強(qiáng)了土體的滲透性，使得雨水較容易沿地裂縫帶下滲到土層深部，導(dǎo)致裂縫帶土體強(qiáng)度降低并發(fā)生滲透或侵蝕變形，同時(shí)地表積水還會(huì)增大裂縫帶土體的上部荷載[24]。在表水下滲的影響下，可能會(huì)觸發(fā)地裂縫重新開裂和活動(dòng)。

該區(qū)域淺表部土體主要為粉砂以及浮石的互層，土質(zhì)疏松，孔隙比較大，密度較小，且其在浸水飽和后，抗剪強(qiáng)度衰減幅度很大，因而其抗水力侵蝕能力較差。土體中含有較多的浮石顆粒，具有較強(qiáng)的吸水能力，從而使得土體浸水飽和后，其飽和重度相對(duì)于天然重度變化較大，在重力作用下更容易發(fā)生坍塌。在巖體裂縫形成的過(guò)程中，淺表部土體也被一定程度的擾動(dòng)，在裂縫上部可形成一個(gè)破碎帶。表水沿著該破碎帶優(yōu)勢(shì)入滲，巖體裂縫上部逐漸在滲流的作用下由下而上發(fā)生垮塌，最終出露地表形成地裂縫。

該區(qū)域典型的隱伏巖體破裂以及 “軟硬軟”地層結(jié)構(gòu)為水流裹挾上部軟層物質(zhì)提供了堆積場(chǎng)所。巖體的構(gòu)造裂縫是上部松散沉積物在水力侵蝕作用下的堆積場(chǎng)所，裂縫的寬度、破裂巖層的厚度以及裂縫的連通性，決定了其儲(chǔ)存物質(zhì)的能力的大小。裂縫越寬，破裂巖層越厚，連通性越好，其儲(chǔ)存物質(zhì)的能力也就越強(qiáng)。當(dāng)充填物質(zhì)填滿巖體裂縫時(shí)，淺表部地裂縫的發(fā)展也就結(jié)束了。該區(qū)域鉆孔揭露的巖層厚度為40～50 m 左右，上部軟層厚度較小5～15 m 左右。巖層裂縫處具有足夠的儲(chǔ)存空間可以容納上部軟層的水力侵蝕物質(zhì)。軟硬巖交界處也是水力侵蝕最強(qiáng)的位置，因而與中部硬層相接的下部軟層的水力侵蝕也會(huì)比較強(qiáng)烈，可形成潛蝕空腔，擴(kuò)大了容納物質(zhì)的能力。這種地層結(jié)構(gòu)的形成與火山多期次噴發(fā)有關(guān)，在深部可能存在多套這種結(jié)構(gòu)地層，從而使得上部土體在滲流作用可下進(jìn)入深部地層。

綜上，裂谷拉張和火山活動(dòng)等內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用是該區(qū)域地裂縫形成的控制因素；淺表部松散易潛蝕的土體是地裂縫形成的物質(zhì)基礎(chǔ)；強(qiáng)降雨為地裂縫的形成提供了水力條件，是地裂縫出露地表的動(dòng)力源；具有巖體裂縫的“軟硬軟”的特殊地層結(jié)構(gòu)為水力侵蝕物質(zhì)提供了有利的堆積場(chǎng)所。構(gòu)造作用產(chǎn)生了早期的巖體破裂，其控制了該區(qū)域地裂縫的基本格局，是該區(qū)域地裂縫形成的主控因素。強(qiáng)降雨是后期地裂縫出露地表的一個(gè)重要誘發(fā)因素和動(dòng)力源。

可將裂谷區(qū)地裂縫的形成過(guò)程分為以下3 個(gè)階段，如圖11所示。

圖11 肯尼亞裂谷地裂縫成因機(jī)理Fig.11 The genetic mechanism of ground fissures in the Kenya Rift Valley

孕育階段：在東非大裂谷區(qū)域拉張應(yīng)力、深部熱運(yùn)動(dòng)以及火山的周期性活動(dòng)的頂托作用下導(dǎo)致松散層下部巖層產(chǎn)生拉裂破壞，形成隱伏巖體破裂。巖體破裂形成的過(guò)程中，對(duì)裂縫上部一定范圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，使得其土體強(qiáng)度降低，孔隙度增大，易于被水流沖刷。在自重下作用下，土體產(chǎn)生一定程度塌落，最終形成初始狀態(tài)的塌落空腔，空腔頂部形成塌落拱。

擴(kuò)展階段：降雨入滲作用下，在土體內(nèi)部形成滲流。塌落空腔頂部與側(cè)面土體發(fā)生潛蝕作用，水裹挾土體顆粒通過(guò)隱伏巖體裂縫進(jìn)入巖層下部土體。隨著潛蝕作用的持續(xù)進(jìn)行，塌落拱逐漸向上延伸，上覆土層厚度逐漸減小，而其跨度逐漸增大，當(dāng)跨度剛好等于極限跨度時(shí)，則上覆土體處于極限平衡狀態(tài)。這一階段是極其漫長(zhǎng)的過(guò)程，地表并沒(méi)有明顯的破壞跡象。

成災(zāi)階段：地表則逐漸出現(xiàn)微弱沉降變形或是細(xì)小裂縫，一般不容易被觀測(cè)到。當(dāng)遇到一場(chǎng)大雨時(shí)，上覆土體容重增大的同時(shí)強(qiáng)度降低，且作用有滲流的拖曳力，當(dāng)達(dá)到土體極限破壞強(qiáng)度時(shí)，上覆土體發(fā)生坍塌或開裂，使得地裂縫出露地表。破壞過(guò)程一般較快且具有突發(fā)性的特點(diǎn)，很難提前監(jiān)測(cè)到。

4 結(jié)論

（1）肯尼亞裂谷區(qū)地裂縫是典型的構(gòu)造型地裂縫，地裂縫裂面陡直，以水平拉裂和垂直塌陷為主；

（2）裂谷區(qū)地裂縫的走向與裂谷走向以及區(qū)域內(nèi)兩個(gè)主要火山的連線方向具有明顯的相關(guān)性，在剖面上表現(xiàn)為上大下小的楔形體，填充物水力侵蝕現(xiàn)象明顯，裂縫兩側(cè)無(wú)垂直位錯(cuò)；

（3）裂谷拉張和火山活動(dòng)等內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)作用是該區(qū)域地裂縫形成的控制因素；淺表部松散易潛蝕的土體是地裂縫形成的物質(zhì)基礎(chǔ)；強(qiáng)降雨為地裂縫的形成提供了水力條件，是地裂縫出露地表的動(dòng)力源；“軟硬軟”的地層結(jié)構(gòu)為水力侵蝕物質(zhì)提供了有利的堆積場(chǎng)所；

（4）裂谷區(qū)地裂縫的形成可分為3 個(gè)階段：孕育階段、擴(kuò)展階段和成災(zāi)階段。