运城盆地地裂缝特征及机理分析

徐继山,庄会栋,唐东旗,李注苍

(1.长安大学地质工程与测绘学院,西安 710054;2.山东省环境保护科学研究院重点实验室,济南 250013; 3.长安大学地球科学与资源学院,西安 710054)

运城盆地地裂缝特征及机理分析

徐继山1,庄会栋2,唐东旗1,李注苍3

(1.长安大学地质工程与测绘学院,西安 710054;2.山东省环境保护科学研究院重点实验室,济南 250013; 3.长安大学地球科学与资源学院,西安 710054)

运城盆地受地质构造、地形特征、地层条件等因素的影响,地裂缝灾害较为发育。文章总结了运城盆地地裂缝的发育特点,并从地垒-地堑构造运动和断陷带基底活动两方面入手,尝试性地探讨了引发运城地区地裂缝的成因机理。研究运城盆地地裂缝的展布特征、形成机理、致灾作用,对于更好地总结和认识地裂缝等地质灾害的发生与发展的规律,以及预测与防治的方法提供了理论依据。

运城盆地;地裂缝;成因机理;地垒-地堑;山西断陷带

1 地质背景

运城盆地地处山西断陷盆地西南端,北部为峨嵋台断块台地,东侧和南侧为中条山地,西隔黄河与渭河盆地相望,总面积约600 km2。该地区出露的主要地层为太古界涑水群、元古界中条群、古生界寒武系、奥陶系、石炭系,缺失中生代地层。新生界在运城盆地广泛分布,主要为河湖相沉积、冲洪积物和风成黄土。

运城盆地在大地构造单元上位于中朝准地台次级构造单元鄂尔多斯台拗、山西断隆和豫西断隆交汇部位。受中生代燕山运动、新生代喜马拉雅运动特别是晚新生代以来的断裂活动的作用,致使该地区断裂构造发育。中条山西北麓断裂是运城盆地的主要活动断裂,也是该盆地的主控边界(盆地东、南缘边界)断裂,断裂的走向为NEE-NE向,断面倾向为NW,倾角较陡,一般为58°～75°,断层性质为右旋走滑兼正倾滑性质的断裂(图1)。此外,盆地北界为峨嵋台地南缘断裂,盆地内还有运城盐湖南岸和盐湖北岸断裂等,它们均为高角度正断层。

图1 中条山西北麓断裂及山前台地示意图(李有利等,1996)Fig.1 Section of the faults in the northwest foot of Zhongtiaoshan mountain and the tableland in the front of it

2 地裂缝分布及特征

2.1 地裂缝分布

据王景明[1]、武强等人[2]的研究,运城盆地地裂缝主要分布在盆地北部的峨嵋台地隆起和盆地东侧的鸣条岗隆起附近。

2.1.1 半坡地裂缝带

半坡地裂缝带发育于运城鸣条岗南侧,起于安邑上王,经半坡、王荣、五曹一线,基本沿鸣条岗地垒与青龙河地堑的地貌分界线断续延伸(图2),其走向NE-NEE,发育长度约10 km,地裂缝断面呈楔形,缝壁弯曲粗糙,显现张裂变形特征。

图2 半坡地裂缝分布示意图(武强等,2003)Fig.2 Distribution of ground fissures in Banpo

2.1.2 薛店地裂缝带

薛店地裂缝位于万荣县王亚乡薛店村及附近,发育于峨嵋岭第二级黄土台地Q2亚粘土层中,已发现有3条近于平行排列的地裂缝,在地表呈弧形延伸,其走向NE10°～70°。其中北端一条穿越薛店村的地裂缝,于1983年7月29日暴雨后突然显露于地表,地表自西向东由NE75°逐渐转至SEl0°延伸,长度1.5 km左右,裂缝断面为楔形,地面缝宽一般100～200 cm,最宽达5 m,地裂缝开裂深度一般3～5 m,最深处达20 m左右,沿裂缝分布有大小不等的塌陷坑,甚至出现房塌屋陷、果树直接陷入坑内的剧烈破坏情况。

2.1.3 荣河-里望地裂缝带

该地裂缝发育于峨嵋岭黄土台地的北缘,由万荣县荣河西南起,经里望,断续延伸至稷山县蔡村,总长达20 km左右,总体走向约NE40°。根据有关地质调查资料,该地裂缝带最早在20世纪70年代发现,主要出露于荣河-里望区间,20世纪80年代之后又向NE方向断续扩展,地裂缝地表变形显现张性特征,裂面粗糙、陡直,地表可见深度数米至数十余米不等,地表发育有大小不等的塌陷坑,沿地裂缝延伸方向呈串珠状分布。

2.2 基本特征

运城盆地地裂缝形成、发育于山西断陷盆地构造内,受其影响,运城盆地地裂缝具有以下几点特征:

2.2.1 构造性

地裂缝的构造性表现以下几个方面:一是区域内某些地裂缝的延伸方向与地貌单元界线和断裂构造线相一致或平行,例如半坡地裂缝分布在鸣条岗与运城盐湖平原的交界上,交城县城地裂缝与交城断裂相平行等。二是断陷带的格局控制了主体地裂缝系统发育的边界,受山西中部新生代断陷盆地边缘断裂控制,它们的内部又被多条次级断裂切割。

2.2.2 方向性

区域内的地裂缝整体分布具有很强的方向性,所见地裂缝绝大多数遵循NEE、NNE、NW、NNW几组方向延伸,其中以NEE向组最为发育。

2.2.3 张延性

区域内某些地裂缝具有拉张性质,沿一定方向断续延伸,长度可达10～20 km。如运城地区的里望-荣河地裂缝和薛店地裂缝,这种地裂缝的延伸不受地貌单元和地面建筑物的控制,可见地裂缝与地貌单元是一组相互促生、掣肘的关系。

2.2.4 周期性

地裂缝的局部或整体在形成过程中,会出现一定的张开-合拢现象。如半坡地裂缝于1975年被发现后,1976、1978、1983年又在原地数次重复出现,且地裂缝的延伸规模和地表开裂变形程度逐次加剧,1975年地裂缝地表开裂变形最大为30 cm,1976年原地重复开裂后裂面宽度剧增至1 m以上。在探槽剖面中,可以看到多条中断甚至闭合的地裂缝,如图3箭头所示。

图3 半坡村地裂缝探槽剖面图Fig.3 Trench p rofile of ground fissures in Banpo

2.2.5 活动强度

地裂缝生成时间大体有先后和强弱之分,其活动强度呈现出南强北弱的特点,反映出运城盆地在构造强度具有南强北弱的构造环境背景。

3 地裂缝成因机理分析

3.1 动力来源

运城盆地位于中朝准地台山西断隆的西南部,构造活动较为频繁。在地质历史早期,先后经历了太古宙阜平运动、早元古宙中期五台运动((22～23) ×108a)和早元古宙末的吕梁-中岳运动((17～18) ×108a),使原始地台固结,成为中国北方纬向大陆的一部分。自中元古宙晚期直到古生代时期,本区处于构造稳定的发展时期,主要表现为整体的升降运动。进入中、新生代后,该区处于地壳运动相对激烈活动时期。燕山运动对本区影响最为明显,不仅使山西断块及其以东的华北断块、以西的鄂尔多斯断块相继发生抬升运动,而且使这一区域的沉积盖层普遍发生强烈褶皱、断裂和强烈岩浆活动,控制本区的主要断裂带也在此时期形成,从而奠定了以NNE、NE向为主的基本构造格局。

该地区现今地壳构造运动具有明显继承性,东部太行山地区和西部鄂尔多斯地区仍继续上升,中部山西断陷带各盆地仍相对下降。盆地与山区边界断裂形变位移变化远远大于盆地内部形变,断裂大多数以张性正断层性质活动。当然各断裂活动存在明显差异,对于断裂不同地段或同一地段不同时间变化不同,表明断裂现今活动在横向上和时间纵向上是不均一的,这就为地裂缝的形成提供了动力来源。1986年以来,运城盆地发生了数百次小地震,震群主要分布于鸣条岗南端的王范一带,并有沿鸣条岗两侧分布的特点,这说明鸣条岗一带现在仍在活动。

3.2 地层条件

运城盆地地裂缝集中发育区地层新生界厚度一般在1000 m以上,第四纪沉积层也多在300 m以上,松散、巨厚的沉积层构成了地裂缝发育的物质基础。地裂缝主要发育于鸣条岗地垒与青龙河地堑边界、峨嵋岭第二级黄土地台及峨嵋岭黄土地台北缘等地带上。其地层构成主要为黄土或黄土状土、粘土等坚硬或硬塑性土层,具有高强度、低形变的力学性质。由于黄土构造节理的力学特征,基底断裂发生蠕滑变形时易使此类土层发生错断作用,反映到地表上就形成了地裂缝[3]。土层的构成、结构、性质还制约着地裂缝的显现规模及发育程度。

3.3 发生机理

运城盆地地裂缝分布特点具有高度的方向性和集中成带出现的特点,其展布方向与断裂、隐伏断裂成一致或一定配套的关系,按照这种对应关系分析其形成机理如下:

3.3.1 地垒-地堑致因

盆地内的断层往往不是单个出现,具有一定的组合规律,如地堑和地垒。鸣条岗地区就是一个典型的地垒,地堑-地垒导致地裂缝的致灾机理分析如下:在地堑情况下(图4(a)),在水平拉张作用下,地壳在垂向上减薄,在上部形成两组剖面上共轭的高角度正断层,其间的地块产生平行于断层面的滑动力,该滑动力可以分解成水平向的张力和垂向的下降力,当张力的作用达到一定程度时,地表出现破裂,形成地裂缝;在地垒情况下(图4(b)),地垒是两侧被断层围限、中间上升的断块构造,其边界断层一般也是高角度正断层。位于上升断块两侧的下降断块,由于地壳拉伸力的作用,产生平行于断层面的滑动力,由滑动力分解出的水平张力累积到一定程度,从而使地表破裂,形成地裂缝,如半坡地裂缝。

图4 地垒地堑形成地裂缝Fig.4 Ho rst-graben fo rmation of ground fissures

3.3.2 断陷带基底活动致因

此类地裂缝与地垒地堑成因不同,其展布方向往往呈多字型、雁列型等多种方式,如峨嵋台地部分地裂缝。由于基底断裂活动,产生扭动力,扭动力向地表上发展,所产生的破裂面逐渐发生扭动转向,在巨厚的黄土层延伸,破裂面变得分散,从而在地表上形成了多条近似平行又带有转向、交叉的地裂缝(图5)。在统一的构造应力场作用下,山西断陷盆地各组成部分(盆地和控制盆地发育的主干断裂)几何学和运动学特征的多样性[4]。这种多样性也促成了地裂缝表现形式的复杂、多样。

图5 基底断裂扭动形成地裂缝Fig.5 Tw isting of the basement fault in the formation of ground fissures

3.4 诱发因素

地下水动态变化以及黄土自身的湿陷特征对运城盆地地裂缝的形成起着诱发作用,具体说来:

3.4.1 地下水开采

在自然条件下,地下水处于稳定的赋存状态,由于人类行为的影响,扰动了地下水固有的“平衡”状态,这种非平衡态进而会通过一定的灾害形式表现出来,比如地裂缝灾害。根据国家地震局地质研究所相关研究结果(1992年),地裂缝运动受地下水超采的影响显著。在空间关系上,地下水降落漏斗边缘地裂缝扩展明显强于其他区段,且地下水超采一侧,地裂缝垂直变形幅度较大;在时间关系上,地裂缝地表形变强化期与地下水位下降在时间上有明显对应关系,且表现有枯水期内地裂缝形变速率明显加快的特点[5]。根据结果分析,部分区段地裂缝活动性的70%受控于地下水超采。由于地下水的多年持续超采,运城市至20世纪80年代初期已形成了较大范围的封闭降落漏斗。伴随地下水开采,运城地区地裂缝活动明显加强,可见地裂缝的形成与地下水开采存在着明显的时空联系。

3.4.2 黄土湿陷

运城盆地位于山西断陷带内,黄土地层分布广泛,尤其在山前冲洪积平原、黄土台地区域的地表浅层普遍分布有Q1～Q4期黄土或黄土状土。此类黄土具有强-中等湿陷性,湿陷系数一般大于0.07,且表现为自重湿陷性特点,因此浸水后形成较强的湿陷变形,诱发隐伏地裂缝的重现或激化地裂缝的活动。黄土湿陷诱发形成的构造地裂缝在断陷带南段比较常见,其明显特点是地裂缝的活动性在雨季明显强化,有的地裂缝在雨季重复显现和持续扩展,也有的是在暴雨后集中形成,如发育于峨嵋岭上的薛店地裂缝就是在1983年7月底的一次暴雨后形成的,与单纯的黄土湿陷性地裂缝相比,黄土湿陷诱发成因的构造地裂缝具有规模大、发育深度大,且常表现在雨季重新复活的特点。

4 结论

为科学分析运城地区地裂缝的发育特征和致灾机理,本次地质灾害勘查工作结合运城盆地地质灾害现状,从发育特征和致灾作用两方面入手,尝试性地探讨引发运城地区地裂缝的致灾机理。文章总结分析了运城盆地地裂缝呈现出延伸方向一致性、周期活动性、展布受控于断陷格局等特点,初步认为运城盆地地垒-地堑构造运动以及断陷带基底活动是形成地裂缝的根本原因,地下水开采和黄土湿陷作用是形成地裂缝的诱因。研究运城盆地地裂缝的展布特征及形成机理,对于更好地总结和认识运城盆地地裂缝地质灾害发生与发展的规律,为预测与防治提供了理论依据。

[1]王景明,等.地裂缝及具灾害的理论与应用[M].西安:陕西科学技术出版社,2000.

[2]武强,姜振泉,李云龙.山西断陷盆地地裂缝灾害研究[M].北京:地质出版社,2003.

[3]王景明,王君.冀中南黄土潜蚀地貌与黄土构造节理[J].地理研究,1994,13(1):90-92

[4]孟宪梁,闫风忠,侯庭爱.山西断陷带主要活动断裂特征[A].见:马宗晋,山西临汾地震研究与系统减灾[C].北京:地震出版社,1993.

[5]姜振泉,王晓波.山西断陷带地裂缝的成因及其发育条件[J].中国矿业大学学报,1997,26(3):74-78.

CHARACTERISTIC AND M ECHANISM ANALYSISOF GROUND FISSURES IN YUNCHENG BASIN

XU Ji-shan1,ZHUANG Hui-dong2,TANGDong-qi1,L IZhu-cang3
(1.College of Geology Engineering and Geomatics,Chang'an University,Xi'an 710054,China; 2.Key Labo ratory,Shandong Research Academy of Environmental Sciences,Ji'nan 250013,China; 3.College of Earth Science and Resources,Chang'an University,Xi'an 710054,China)

Affected by the geological structure,topographical features,fo rmation conditions and other facto rs,ground fissures are well developed in Yuncheng basin.The paper summarized the characteristicsof the development of ground fissures in Yuncheng basin,and app roach to exp lore the genetic mechanism of ground fissures in two p ronged from horst-graben and fault dep ression tectonic movement.It has the theoretical significance of understanding the developmentof ground fissures and other geological disasters,as well as p roviding p rediction and p revention app roaches to research into the characteristics,the genetic mechanism and the causing of ground fissures in Yuncheng basin.

Yuncheng basin;ground fissures;genetic mechanism;horst-graben;Shanxi fault dep ression zone

P642.26

:A

1006-4362(2010)02-0097-04

徐继山(1982- ),男,汉族,山东枣庄人,在读博士研究生,长安大学地质工程专业,主要从事地质灾害研究工作。

2010-03-01改回日期:2010-04-02