東非肯尼亞裂谷活動(dòng)斷層型地裂縫變形特征與機(jī)理研究*

黃偉亮 盧全中 蔣富強(qiáng) 賈智杰 莊建琦 朱興華 彭建兵

(①長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054，中國(guó))

(②中交鐵道設(shè)計(jì)研究院，北京 100088，中國(guó))

0 引 言

2018年3月13日傍晚，在持續(xù)降雨的影響下，肯尼亞首都內(nèi)羅畢以西的東非裂谷區(qū)出現(xiàn)了一條數(shù)公里長(zhǎng)的巨大地裂縫，裂縫初始形成階段最大深度可達(dá)15m，平均深度7～8m，最大寬度5.5m，平均寬度2～3m，走向N20°W，長(zhǎng)約7～8km，線性良好，連續(xù)出露，裂縫直接導(dǎo)致當(dāng)?shù)匾幻麅和缢硗觯囝^牲畜掉落裂縫中，一棟房屋被裂縫一分為二。事后世界知名媒體相繼報(bào)道了這一地質(zhì)現(xiàn)象，其中美國(guó)有限電視新聞網(wǎng)(CNN)更是以東非大陸可能會(huì)一分為二的標(biāo)題(https：∥edition.cnn.com/2018/04/05/africa/crack-africa-rift-valley-continent-splitting-two/index.html)報(bào)道了此次出現(xiàn)的地裂縫災(zāi)害。而作為我國(guó)“一帶一路”倡議中非合作的重點(diǎn)項(xiàng)目“肯尼亞首都內(nèi)羅畢至馬拉巴標(biāo)準(zhǔn)軌鐵路”(簡(jiǎn)稱：內(nèi)馬鐵路)距離該裂縫僅幾公里(圖1a)，這引起肯尼亞政府和投資方對(duì)內(nèi)馬鐵路安全建設(shè)和如期交付運(yùn)營(yíng)的廣泛擔(dān)憂和高度重視，如何科學(xué)解釋東非裂谷區(qū)地裂縫災(zāi)害的形成機(jī)理，是有效應(yīng)對(duì)此類災(zāi)害的重要途徑，也是未來(lái)對(duì)裂谷區(qū)工程場(chǎng)地適宜性評(píng)價(jià)的重要參考。

地裂縫是地面裂縫的簡(jiǎn)稱，一種在地質(zhì)營(yíng)力(斷層活動(dòng))和人類活動(dòng)(抽水、灌溉、開(kāi)挖等)影響下致使松散沉積層淺表部產(chǎn)生線性破裂的地質(zhì)災(zāi)害。常表現(xiàn)出具有一定的張開(kāi)量，其長(zhǎng)度和深度不一、寬度和形態(tài)變化較大，漸進(jìn)發(fā)展、時(shí)斷時(shí)續(xù)、時(shí)隱時(shí)現(xiàn)的特征(王景明，2000；Peng et al.，2016；彭建兵等，2017)。地裂縫災(zāi)害在世界上許多國(guó)家均有出現(xiàn)，美國(guó)是對(duì)地裂縫災(zāi)害研究的最早也是最廣泛的國(guó)家之一，早在1918～1926年間，在美國(guó)得克薩斯州的GooseCreek油田發(fā)現(xiàn)了第1條地裂縫(Minor，1925)。20世紀(jì)40～70年代，在美國(guó)西部地表沉降區(qū)又陸續(xù)新發(fā)現(xiàn)許多的地裂縫，其中僅在得克薩斯州的休斯敦地區(qū)就發(fā)現(xiàn)86條地裂縫(Pampeyan et al.，1988)。而在我國(guó)的汾渭盆地、華北平原和蘇錫常地區(qū)地裂縫災(zāi)害也尤為嚴(yán)重，其中汾渭盆地和華北平原地裂縫大多以構(gòu)造性地裂縫為主(徐錫偉等，1994; 楊景春等，1999; Peng et al.，2018)，而蘇錫常地區(qū)的地裂縫大多與人類活動(dòng)(抽水差異沉降地裂縫、采坑塌陷地裂縫等)，自然重力作用(降雨沖蝕，巖溶塌陷等)，巖土特性響應(yīng)(黃土濕陷，膨脹土體積變化)有關(guān)(王光亞等，2019)。在非洲東部的埃塞俄比亞、利比亞及肯尼亞地區(qū)，地裂縫災(zāi)害也時(shí)常發(fā)生(Stacey et al.，1999; Ngecu et al.，2000)，特別是在埃塞俄比亞裂谷區(qū)，據(jù)Acocella et al.(2003)報(bào)道自1988年以來(lái)每年雨季期間都會(huì)形成幾條地裂縫帶，并認(rèn)為該地區(qū)的地裂縫的產(chǎn)生很可能與大雨期間的管涌和塌陷過(guò)程有關(guān)。

本文以東非肯尼亞裂谷區(qū)地裂縫為研究對(duì)象，利用高分辨率數(shù)值高程模型(DEM)對(duì)地裂縫所在地表出露的空間展布特征進(jìn)行詳細(xì)解譯，并通過(guò)野外調(diào)查，對(duì)地裂縫區(qū)淺部地層組成物質(zhì)及其物理特性，裂縫所處構(gòu)造環(huán)境及斷裂活動(dòng)性，裂谷區(qū)地表地下水循環(huán)特點(diǎn)進(jìn)行研究，最終結(jié)合淺表部特殊地層結(jié)構(gòu)，基巖破裂通道及地下水補(bǔ)徑排特征探討了東非肯尼亞裂谷區(qū)地裂縫形成過(guò)程和發(fā)生機(jī)理。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于東非裂谷東支肯尼亞段，位于赤道以南100km處。研究區(qū)具有典型裂谷區(qū)地貌特點(diǎn)，從橫跨裂谷的地質(zhì)剖面中可看出，裂谷東西兩側(cè)地勢(shì)較高，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，在靠近裂谷邊界局部區(qū)域覆蓋有第四紀(jì)火山巖，新構(gòu)造活動(dòng)主要表現(xiàn)為整體性隆升(圖1b)。而位于中部的裂谷帶可分為東西邊界斷裂帶和中央帶，東西邊界斷裂帶由一系列近于平行的雁列式斷裂組成，自西向東呈現(xiàn)階梯狀斷陷的特點(diǎn)，遙感影像中表現(xiàn)出明顯的線性特征。裂谷中央帶總體地貌為一谷地，南北兩段差別顯著，北段第四紀(jì)火山活動(dòng)強(qiáng)烈，發(fā)育有Hell Gate火山，Longonot火山、Suswa火山、Margaret火山以及多個(gè)不知名的火山錐及火山管道，其中Longonot火山在公元1863年有一次顯著的噴發(fā)事件(Rogers et al.，2004)。南段第四紀(jì)火山活動(dòng)弱，無(wú)規(guī)模性火山口，但地表斷裂極為發(fā)育，主要由北北東和北北西向兩組斷裂形成 X 型網(wǎng)格狀構(gòu)造，在裂谷中央帶南段形成線性明顯的條帶狀臺(tái)階地貌(圖1a)。

本次地裂縫主要出露在裂谷東邊界斷裂帶內(nèi)，裂谷東邊界斷裂在納瓦沙湖(Naivasha.Lake)東側(cè)主要表現(xiàn)為4條西傾的正斷層(F1～F4，見(jiàn)圖1b)，呈現(xiàn)出右階雁列的特點(diǎn)，在地貌上自東向西分別構(gòu)成了一系列基巖斷崖。Baker et al.(1971)通過(guò)對(duì)東邊界斷裂斷錯(cuò)地層情況的調(diào)查，認(rèn)為東邊界斷裂形成于新近紀(jì)，中更世起活動(dòng)加劇，并且一直持續(xù)至今。其中：1928年1月6日F3斷層(Laikipiaa-Marmanet fault)在Bogoria湖附近發(fā)生ML=7地震，這也是東非裂谷東支所發(fā)生過(guò)最大的歷史地震。Zielke et al.(2009)針對(duì)該地震研究發(fā)現(xiàn)該地震導(dǎo)致F3斷層發(fā)生最大2.4m的垂向位錯(cuò)，平均位錯(cuò)量為1m，自晚更新世以來(lái)至少發(fā)生過(guò)6次地震。F4斷裂為最靠近裂谷中心附近的一條走向北北西的斷裂，該斷裂北段地貌表現(xiàn)明顯，在納瓦沙湖東形成近70m高的基巖陡坎，南段斷層延伸至裂谷內(nèi)部，行跡被全新世火山灰所覆蓋，地貌表現(xiàn)不如北段清晰，因此也是本次研究的重點(diǎn)調(diào)查段落。

肯尼亞裂谷地區(qū)氣候受熱帶季風(fēng)主導(dǎo)，氣候有明顯的雨季和旱季之分(Kassie et al.，2014)。每年3～6月和10～12月是雨季，其余月份是旱季。其中3～6月是全年降雨最為集中的時(shí)間，且經(jīng)常出現(xiàn)短時(shí)間強(qiáng)降雨，導(dǎo)致裂谷區(qū)原本干涸河谷出現(xiàn)猛然的水位上漲。然而，河流中大部分水會(huì)在流動(dòng)過(guò)程中快速?gòu)牡乇硭D(zhuǎn)換到地下水，出現(xiàn)雨季期間河流上游有水但下游干涸的現(xiàn)象。Ngecu et al.(2000)指出地表水到地下水的快速轉(zhuǎn)變是由于裂谷區(qū)沉積物主要以高孔隙度疏松的火山碎屑物為主，其次裂谷區(qū)底部廣泛分布有大量裂隙也進(jìn)一步加速了地表水下滲的過(guò)程。裂谷內(nèi)的河流受地形和斷層走向的控制，基本呈自北向南線性展布，且最終會(huì)流入裂谷內(nèi)低洼的淺湖中，致使裂谷內(nèi)湖泊水位在雨季和旱季期間出現(xiàn)明顯的波動(dòng)(Ayalew et al.，2004)。

2 B3公路地裂縫野外特征及研究方法

2018年地裂縫初始出現(xiàn)時(shí)，毀壞了連接肯尼亞?wèn)|西地區(qū)的主干公路B3(圖2a)，致使該條B3公路中斷數(shù)小時(shí)(下文均將該地裂縫稱為“B3公路地裂縫”)。后經(jīng)中國(guó)路橋工程人員搶修，B3公路恢復(fù)通行(圖2b)。至2018年7月中旬再次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)，僅經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的雨水沖刷淤積，地裂縫大部分地段基本淤平，裂縫深度已經(jīng)大大縮減至1～2m之內(nèi)，地貌形態(tài)已從裂縫充填為淺溝。2019年12月最新一次考察，裂縫形態(tài)已與沖溝無(wú)異，野外僅能從其線性展布和充填物質(zhì)判斷原始裂縫位置(圖2c)。

B3公路地裂縫兩側(cè)地面未見(jiàn)明顯垂向位錯(cuò)，整體以裂縫內(nèi)的物質(zhì)垂向塌落為主，野外裂縫側(cè)壁所揭示出地層產(chǎn)狀近乎水平，地層組合與該區(qū)域地層結(jié)構(gòu)類似(圖2a)，從上至下分別為：灰黃色粉土層多夾有火山凝灰?guī)r小礫石(圖2d中①)；粉細(xì)砂層含有少量的凝灰?guī)r質(zhì)顆粒(圖2d中②)；棕紅色粉質(zhì)黏土層偶夾砂礫石(圖2d中③)；灰白色浮石(多孔流紋質(zhì)火山碎屑巖)層(圖2d中④)；黃褐色中粗礫砂層(圖2d中⑤)。裂縫開(kāi)裂之處深部未見(jiàn)有基巖出露，裂縫兩端地貌表現(xiàn)為淺溝(南側(cè))或多個(gè)串珠狀落水洞(北側(cè))，最終消失在兩側(cè)的農(nóng)田中(圖2c)。

本次主要野外調(diào)查集中在B3公路地裂縫兩側(cè)，試圖闡明B3公路地裂縫空間展布特點(diǎn)，剖面幾何結(jié)構(gòu)，形成過(guò)程和成因機(jī)理。通過(guò)利用Google衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，對(duì)地裂縫沿線地貌進(jìn)行了詳細(xì)填圖工作，利用歷史影像數(shù)據(jù)，對(duì)有遙感影像以來(lái)所發(fā)生的地裂縫進(jìn)行了詳細(xì)的標(biāo)繪和圈定。為了更為準(zhǔn)確地得到地裂縫及相關(guān)斷層活動(dòng)參數(shù)的定量化信息，利用小型無(wú)人機(jī)航拍建立了B3公路地裂縫沿線高分辨率地形數(shù)據(jù)。具體步驟為首先利用小型航拍無(wú)人飛行器(DJI-phantom-4pro)對(duì)測(cè)量區(qū)域進(jìn)行高覆蓋率(航片重合率>80%)航拍飛行，并通過(guò)利用Trimble R8差分GPS測(cè)繪地面相控點(diǎn)并對(duì)航拍影像進(jìn)行校準(zhǔn)；而后利用三維地形重建軟件建立亞米級(jí)分辨率DEM數(shù)據(jù)，并最終輸出分辨率為0.25m的地形數(shù)據(jù)(DEM)及厘米級(jí)分辨率的正射多光譜影像數(shù)據(jù)。在所獲得航拍影像數(shù)據(jù)和三維地形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行精細(xì)的活動(dòng)構(gòu)造和地裂縫空間解譯，并對(duì)斷錯(cuò)地貌標(biāo)志進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)量。通過(guò)2018年和2019年兩次前往研究區(qū)，對(duì)遙感所揭示的地裂縫及相關(guān)活動(dòng)斷層進(jìn)行了野外實(shí)地考察，對(duì)地裂縫所造成的變形和破壞進(jìn)行了詳細(xì)的野外測(cè)量，以下分別從北至南詳細(xì)描述B3公路地裂縫沿線地表變形破壞情況。

3 B3公路地裂縫沿線地表變形特點(diǎn)

B3公路地裂縫處于裂谷東邊界斷裂帶，裂縫沿走向方向的延伸線可大致與斷裂帶內(nèi)西緣斷層(F4)相連(圖1a)。東部邊界斷裂帶由一系列近于平行的斷層組成，自西向東呈現(xiàn)階梯狀斷陷的特點(diǎn)，寬度可達(dá)10～20km，地表表現(xiàn)為一系列陡坎地貌，坎高逐漸向裂谷底部降低，垂向總落差為600～700m。根據(jù)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所所編《肯尼亞內(nèi)羅畢-馬拉巴鐵路 CK0-CK120段地震危險(xiǎn)性分析報(bào)告》所述(陸鳴等，2016)，東邊界斷裂帶內(nèi)均為全新世活動(dòng)斷裂，具有明顯地表斷錯(cuò)特征。

裂谷東邊界斷裂帶西緣F4斷層靠近裂谷中心附近，是一條走向NNW傾向南西西的正斷層，據(jù)前期研究該斷層北段斷錯(cuò)地貌表現(xiàn)明顯，南段行跡被全新世沖洪積物及火山碎屑物所覆蓋，地貌表現(xiàn)不如北段(陸鳴等，2016)(圖3a)。但通過(guò)利用航拍高分辨率DEM數(shù)據(jù)及野外調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，該斷裂南段部分地段具有明顯線性陡坎地貌，且在陡坎下緣出露有多條地裂縫，部分地裂縫斷續(xù)相連直至與B3公路地裂縫相交。

在F4基巖斷層陡坎向南延伸20km處，在利用無(wú)人機(jī)航拍建立的高分辨率DEM圖像中可見(jiàn)有一條走向與F4斷層相一致的地貌陡坎(圖3c)，陡坎線性良好，其中最大坎高25m，平均坎高為18m，陡坎下方出露有多條地裂縫(圖3b，圖3c中黑色箭頭所指)，地裂縫長(zhǎng)度5～10m不等，走向均為NNW，與地貌陡坎走向一致。大多地裂縫寬度在2～3m之間，深2～4m，絕大部分地裂縫遭后期雨水沖刷淤積，現(xiàn)存深度已比發(fā)生之時(shí)大大減小。通過(guò)與Google earth歷史衛(wèi)星影像對(duì)比，該處所有地裂縫均形成于B3公路地裂縫之前。

這些裂縫可根據(jù)距陡坎的距離分為兩類，第1類：出露在陡坎下方的地裂縫(圖3b，圖3c中黑色箭頭所指)，該型地裂縫普遍開(kāi)裂寬度3～4m，估計(jì)初始開(kāi)裂深度在4m以上，且裂縫兩側(cè)地貌有一定的垂向落差，裂縫開(kāi)裂的地層剖面可觀察到不同地層有垂向斷錯(cuò)現(xiàn)象，此類地裂縫是本次重點(diǎn)研究目標(biāo)；第2類：地裂縫分布位置與陡坎關(guān)系并不密切，普遍裂縫開(kāi)裂寬度1～2m，線性筆直，裂縫兩側(cè)地貌沒(méi)有垂向位錯(cuò)現(xiàn)象，且開(kāi)裂地層剖面結(jié)構(gòu)完整，地層水平且連續(xù)。這類型地裂縫在裂谷區(qū)底部廣泛發(fā)育，據(jù)研究分析該類型地裂縫往往與人工修建的道路，田埂有關(guān)，后期遭雨水或地表水沖蝕，塌陷成縫(王德文等，2019)，因此此類地裂縫并非本文研究的重點(diǎn)。下面對(duì)第1類地裂縫沿走向不同部位的表現(xiàn)特征進(jìn)行分點(diǎn)描述。

3.1 觀察點(diǎn)1

該點(diǎn)位于陡坎下方地貌轉(zhuǎn)折處，地表出露有兩條裂縫，平面呈右階排列。裂縫整體長(zhǎng)120m，寬10m，最大深度5m。裂縫平面并非呈現(xiàn)筆直開(kāi)裂特點(diǎn)，表現(xiàn)為多個(gè)塌陷坑相連(圖3c)，最終貫通塌陷成縫。裂縫兩側(cè)地貌表現(xiàn)出少許垂向落差，高度為0.7±0.1m(圖4b)。

裂縫北端側(cè)壁揭露了裂縫上部的剖面結(jié)構(gòu)，剖面顯示裂縫東側(cè)火山碎屑巖被明顯斷錯(cuò)，垂向斷距為1.4m，表現(xiàn)出典型正斷層特點(diǎn)，斷層產(chǎn)狀267°∠70°。且斷層還分別斷錯(cuò)了火山碎屑巖頂部的棕色粉質(zhì)黏土層，灰黃色粉土層夾有火山凝灰?guī)r小礫石，以及對(duì)灰色粉砂層產(chǎn)生了擾動(dòng)，僅有地表黑色腐殖土未受斷層的影響(圖4a)，但受斷層活動(dòng)影響，土層剖面中發(fā)育有多條無(wú)明顯垂向位移的破裂結(jié)構(gòu)面，部分破裂面可貫通至底部火山碎屑巖處(圖4a，紅線所示(見(jiàn)電子版文章))。值得注意的是，在地層剖面上出現(xiàn)有多個(gè)大小不一的孔洞(圖4a)，直徑從幾厘米到幾十厘米不等，這些孔洞相互連接，成為土壤侵蝕的重要管道。

3.2 觀察點(diǎn)2

該點(diǎn)位于觀察點(diǎn)1東南800m處，同樣在陡坎下緣出露有一條長(zhǎng)20m 地裂縫，裂縫寬1.8m，由于后期雨水淤積，無(wú)法獲得真實(shí)深度，但至少應(yīng)大于1.5m(圖5a)。該地裂縫兩側(cè)壁也表現(xiàn)出了不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)，靠近陡坎一側(cè)可明顯觀察到剖面下部有基巖出露(火山碎屑巖)(圖5d)，而在裂縫的另一側(cè)，卻未見(jiàn)有基巖地層(圖5c)。因此推測(cè)，此處地裂縫應(yīng)處于F4斷層破碎帶內(nèi)，地裂縫的空間位置應(yīng)于F4斷層的展布有關(guān)。此外，在該裂縫以東僅6m處，地表出露有一條小型地貌陡坎，坎高30cm，線性延伸約500m左右，推測(cè)該地貌陡坎可能為最新一次斷層活動(dòng)所致(圖5a，白色箭頭所示)。

3.3 觀察點(diǎn) 3

該點(diǎn)位于B3公路以南Margaret火山西南側(cè)，地貌表現(xiàn)出一條走向近南北的火山凝灰?guī)r的陡坎，沿陡坎分布有多條地裂縫，形成一條帶狀破裂通道(圖6a紅色區(qū)域(見(jiàn)電子版文章)及圖6d)。陡坎坎高5～10m不等，其中在裂縫較為發(fā)育部位所測(cè)得坎高為7±0.2m(圖6b)，沿裂縫帶分布有多個(gè)采石場(chǎng)，采石場(chǎng)所開(kāi)鑿的新鮮剖面中可見(jiàn)有多條高角度正斷層，其中主斷層面產(chǎn)狀240°∠81°，斷層造成火山凝灰?guī)r垂向斷距至少2.6m，致使斷層上盤全新統(tǒng)沖洪積礫石層直接與火山凝灰?guī)r接觸。同時(shí)，全新統(tǒng)地層內(nèi)也發(fā)育有多條破裂面，導(dǎo)致地層內(nèi)礫石顆粒定向排列(圖6c)

此外，凝灰?guī)r內(nèi)部出現(xiàn)有至少兩條破裂面(圖6c)該破裂面與斷層位置吻合，應(yīng)為斷層錯(cuò)動(dòng)所致，這類與斷層活動(dòng)相關(guān)的基巖破裂面(或破裂通道)是B3公路地裂縫形成的重要因素之一。

4 裂谷邊界斷裂活動(dòng)性分析及地裂縫成因動(dòng)力條件

4.1 裂谷邊界斷裂活動(dòng)性分析

4.2 B3地裂縫成因機(jī)理及過(guò)程

自然界中有各種各樣的機(jī)制，可以形成地面裂縫，但總的來(lái)說(shuō)導(dǎo)致地裂縫的形成的機(jī)理往往被分為兩類，一類是淺層機(jī)制，另一類是深層機(jī)制(Ayalew et al.，2004)。淺層機(jī)制包括淺表層土壤內(nèi)的管涌、土層的壓實(shí)、有機(jī)物的溶解以及由于溶解或吸水而引起的土體體積的變化等，另一方面，深層機(jī)制包括裂縫下方斷層的位錯(cuò)(可能是蠕滑也可能是黏滑過(guò)程)、深部含水層的壓縮以及水平滲透應(yīng)力的變化等，而往往地裂縫的形成是多種過(guò)程相互作用的結(jié)果。例如研究最為廣泛的美國(guó)亞利桑那地區(qū)的地裂縫就是先存構(gòu)造破裂沿線管涌和地表塌陷造成的結(jié)果(Conway，2016)。還有汾渭盆地地裂縫被認(rèn)為是盆地伸展變形導(dǎo)致土體產(chǎn)生張剪性斷層破裂，后期超采地下水導(dǎo)致含水層的壓縮進(jìn)一步加速了地裂縫的活動(dòng)(彭建兵等，2017)。

針對(duì)B3公路地裂縫這一明顯的事實(shí)——地裂縫空間出露位置與F4活動(dòng)斷裂空間基本展布一致。這與我國(guó)汾渭盆地地裂縫受斷裂構(gòu)造控制的現(xiàn)象類似，但卻也存在很多不同的現(xiàn)象。汾渭地裂縫大多在剖面結(jié)構(gòu)中可發(fā)現(xiàn)有明顯垂向位錯(cuò)現(xiàn)象，不同時(shí)代的地層具有不同位錯(cuò)量，而作為2018年發(fā)生的B3公路地裂縫兩側(cè)卻未發(fā)現(xiàn)有直接的垂向位移的證據(jù)，尤其通過(guò)對(duì)跨越地裂縫的管道以及樹(shù)木的根系來(lái)判斷，裂縫發(fā)生時(shí)兩側(cè)地貌并沒(méi)有發(fā)生垂向位錯(cuò)。盡管上述觀察點(diǎn)發(fā)現(xiàn)在F4斷層陡坎下方的地裂縫兩側(cè)地貌有一定的垂向落差且地層被明顯斷錯(cuò)，但作者認(rèn)為該落差是由于裂縫下方的斷層晚第四紀(jì)活動(dòng)所致，而非地裂縫開(kāi)裂時(shí)形成。同時(shí)裂縫兩壁也沒(méi)有觀察到有明顯方向性的滑動(dòng)發(fā)生，因此作者認(rèn)為B3公路地裂縫應(yīng)該以整體垂向垮塌為主要破壞方式。其次，超采地下水所導(dǎo)致含水層壓縮使得現(xiàn)今汾渭盆地單條地裂縫每年出現(xiàn)十幾甚至幾十厘米水平運(yùn)動(dòng)(喬建偉等，2020)，這與東非裂谷地裂縫突然坍塌開(kāi)裂的變形方式不同，盡管肯尼亞裂谷區(qū)也生活著一定規(guī)模的人口，但是作為發(fā)展中國(guó)家裂谷區(qū)的人民用水依然是主要依靠地表水或者降雨，一些地方的農(nóng)戶會(huì)挖一些淺洞人工抽取地下水，但無(wú)論是規(guī)模還是深度都不足以影響深層區(qū)域含水層的變化，因此作者認(rèn)為人類活動(dòng)對(duì)此處B3公路地裂縫的形成和發(fā)展的影響可以忽略。

那么造成B3公路地裂縫形成的機(jī)理，作者認(rèn)為最主要由深部和淺部?jī)煞N機(jī)理共同作用而成。其中深部因素包括受活動(dòng)斷裂控制的裂谷區(qū)地下水補(bǔ)徑排系統(tǒng)，淺部因素包括裂谷區(qū)特殊的地層結(jié)構(gòu)和淺部土層的破裂及潛蝕和管涌滲流過(guò)程(圖7)。

肯尼亞裂谷區(qū)地下水主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水和部分地表流水沿?cái)嗔淹ǖ兰尤氲降叵滤到y(tǒng)中。地下水徑流方向與地表水基本一致，即從裂谷兩側(cè)山丘區(qū)向盆地運(yùn)移，最終流入裂谷中部低洼的湖泊之中，而裂谷區(qū)發(fā)育的南北向斷層系統(tǒng)成為了雨季期間地下水流動(dòng)的主要通道，尤其在短時(shí)強(qiáng)降雨時(shí)，這一作用顯得格外明顯。Zewde et al.(1999)在研究區(qū)以北的埃塞俄比亞裂谷通過(guò)大量長(zhǎng)剖面的電阻率測(cè)量發(fā)現(xiàn)裂谷區(qū)沉積物中存在局部的飽和自流條件，地下水的流動(dòng)方向與現(xiàn)有河流平行。Ngecu et al.(2000)在對(duì)研究區(qū)以北80km的納庫(kù)魯鎮(zhèn)的地裂縫調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，裂谷內(nèi)的斷裂帶在雨季會(huì)形成張開(kāi)的裂縫系統(tǒng)，成為地下水流動(dòng)的管道。而裂谷內(nèi)地下水最終會(huì)排泄至裂谷中部地區(qū)海拔低洼的湖泊之中。以本研究區(qū)為例，裂谷內(nèi)的地下水均會(huì)注入到肯尼亞裂谷南部的馬加迪湖(Lake Magadi)中，同時(shí)也會(huì)將攜帶的侵蝕物質(zhì)源源不斷地搬運(yùn)到該湖之中。因此，作者推測(cè)雨季期間，裂谷區(qū)地下水由于大量降雨的補(bǔ)給，使得地下水位上漲并且沿近南北向斷層通道流向裂谷南部海拔較低的湖泊中，而地下水在流動(dòng)過(guò)程中通過(guò)滲流形成的動(dòng)水壓力對(duì)土層產(chǎn)生潛蝕作用，并逐步在土層之下的地層發(fā)展出與斷層走向一致的地下渠道(圖7b)，這些地下渠道最終發(fā)展成災(zāi)難性的規(guī)模，并失去其穩(wěn)定性，造成地表大規(guī)模開(kāi)裂和塌陷(圖7c，圖7d)。在作者調(diào)查中，據(jù)一戶居住在B3公路地裂縫沿線的居民所稱，下暴雨時(shí)可以聽(tīng)到裂縫內(nèi)有明顯的水流聲，這也說(shuō)明裂谷內(nèi)的活動(dòng)斷裂可能是暴雨期間地下水徑流的主要通道。同時(shí)，裂縫形成后會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)淤積填滿(例如B3公路地裂縫后期由于雨水的淤積作用，目前裂縫深度已經(jīng)大大減小)，但由于斷層所控制的地下水徑流在雨季時(shí)期會(huì)不斷地潛蝕下部的土層，并將其帶入到南部低洼處的湖泊中沉積，從而會(huì)使淤積的物質(zhì)在雨季不斷的被侵蝕帶走，導(dǎo)致地表裂縫反復(fù)在斷裂帶的位置開(kāi)裂，造成裂谷區(qū)地裂縫總是原地復(fù)發(fā)，且與斷層相伴而生的特點(diǎn)，這也與作者通過(guò)比對(duì)多年歷史遙感影像獲得的結(jié)論一致(圖8)。

此外，裂谷區(qū)特殊的地層結(jié)構(gòu)和淺部土層的破裂及潛蝕和管涌滲流過(guò)程也在裂谷區(qū)地裂縫形成過(guò)程中起到重要作用。據(jù)《肯尼亞內(nèi)馬鐵路地裂縫工程地質(zhì)勘察報(bào)告》及作者現(xiàn)場(chǎng)考察所見(jiàn)，研究區(qū)地層組成有典型的“三明治”地層結(jié)構(gòu)(圖7)，上部覆蓋層以湖相沉積的黏土、砂粉薄透鏡體、浮石碎屑和其他火山沉積物等非均質(zhì)地層組成，具有孔隙比大、結(jié)構(gòu)松散、級(jí)配較差、透水性強(qiáng)等特點(diǎn)；中部巖體以熔結(jié)火山碎屑巖為主，巖質(zhì)堅(jiān)硬，具有隱伏構(gòu)造裂縫；下部巖體成巖差，斷裂構(gòu)造發(fā)育，分布有張性裂隙及空腔，成為地下水的徑流通道。而利用高密度電法所呈剖面上電阻率值一般呈低-高-低的規(guī)律，與地層“三明治”結(jié)構(gòu)特征基本吻合(韓文明等，2019)。而位于斷層帶上部的裂谷區(qū)地層，還受到斷裂全新世活動(dòng)的影響，導(dǎo)致上覆巖土層出現(xiàn)張裂和錯(cuò)動(dòng)，并在土層中形成構(gòu)造破裂面(圖4a)。

地表土層的大孔隙比、強(qiáng)透水性，易沖刷導(dǎo)致在降雨期間水會(huì)沿著原生孔隙和次生孔隙快速流動(dòng)而帶走孔隙間的土壤，同時(shí)上覆土層中的構(gòu)造破裂面，成為加速地表水下滲和侵蝕的重要因素，而中部基巖在斷層作用下普遍出現(xiàn)拉張裂隙，為地表水向深部垂直滲透提供了良好的通道，進(jìn)而引起淺表部的松散沉積物向深部運(yùn)移，并進(jìn)入下部地層的空腔和裂隙中，最終由地下水徑流帶走，使得在雨季期間在地面上形成帶狀連續(xù)的地裂縫災(zāi)害。

綜上所述，肯尼亞裂谷地裂縫的形成受到深部和淺部?jī)煞N機(jī)制的相互作用，其中受斷層控制的裂谷區(qū)地下水徑流系統(tǒng)在水平方向上控制了裂縫的空間分布以及塌陷物質(zhì)的搬運(yùn)過(guò)程，而特殊的地層結(jié)構(gòu)及淺部土層的破裂及潛蝕和管涌滲流過(guò)程導(dǎo)致了裂縫在垂向上的開(kāi)裂及裂縫帶物質(zhì)的向下的運(yùn)移過(guò)程。因此可以說(shuō)裂谷區(qū)的斷層分布控制了裂縫的空間展布，而土體結(jié)構(gòu)和降雨過(guò)程影響地裂縫的發(fā)生時(shí)間、地段和發(fā)育程度。實(shí)踐表明，許多地裂縫并不是單一成因的，而是以一種原因?yàn)橹鳎瑫r(shí)又受其他因素影響的綜合作用的結(jié)果。

5 結(jié) 論

東非肯尼亞裂谷區(qū)B3公路地裂縫空間分布受裂谷東邊界活動(dòng)斷層F4控制，沿F4斷層斷續(xù)發(fā)育，裂縫垂向剖面有明顯地層斷錯(cuò)現(xiàn)象，且斷層活動(dòng)還造成表部松散層發(fā)育有多條破裂結(jié)構(gòu)面以及下部火山碎屑巖層出現(xiàn)有拉張裂隙，這成為雨季期間地表水垂向下滲的通道，使淺表部松散沉積物向下運(yùn)移。同時(shí)，裂谷區(qū)發(fā)育的南北向斷層系統(tǒng)是雨季期間地下水橫向流動(dòng)的主要通道，地下水徑流在雨季期間會(huì)不斷潛蝕下部的土層，致使地表物質(zhì)不斷向下搬運(yùn)，從而造成地表大規(guī)模開(kāi)裂和塌陷，形成裂谷區(qū)受斷層空間分布的構(gòu)造型地裂縫。

致謝：匿名審稿人對(duì)本文提出了詳細(xì)意見(jiàn)并幫助完善了文章內(nèi)容；中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司肯尼亞辦事處為野外工作的開(kāi)展提供了良好條件；編輯部老師耐心而細(xì)致地修改了文中諸多錯(cuò)誤，在此一并表示感謝。