山西临汾高堆地裂缝成因机制研究

郭　瑾，陈　慧，闫小兵

(1.成都理工大学，四川　成都　610059；2.山西省地震局，山西　太原　030021)

·考察报告·

山西临汾高堆地裂缝成因机制研究

郭瑾1，陈慧1，闫小兵2

(1.成都理工大学，四川成都610059；2.山西省地震局，山西太原030021)

摘要：临汾盆地是汾渭盆地中地裂缝较发育的地区，地裂缝类型众多、成因复杂。在对临汾市区西部高堆村出现的地裂缝进行地质调查并采用电阻率CT方法勘察后，基本控制了该地裂缝的空间展布；从活动构造、地下水开采、黄土湿陷及地层条件、地形地貌环境四个作用因素分析其成因机制。发现，高堆地裂缝深部不存在隐伏破裂面，属非构造成因地裂缝，而地下水超采和黄土湿陷性是其诱发因素，地表渗水使裂缝扩张、加剧，地层条件、地形地貌环境则制约、控制其发育位置。

关键词：临汾高堆地裂缝；成因机制；山西

0引言

地裂缝灾害是汾渭盆地内分布广泛、致灾严重的地质灾害。自20世纪中、后期以来，汾渭盆地各次级盆地中均发育有规模不等的地裂缝[1-6]，其数目多，危害大，已成为我国乃至全世界地裂缝灾害最为发育的地区之一，严重影响着城市建设及国民经济的发展，其中，尤以大同、榆次、临汾、运城、西安等城市最为严重和典型。

临汾市城区及周边至今已发现5处裂缝带，按其发育地点分别命名为高堆地裂缝、鹅舍地裂缝、龙祠地裂缝、梁村地裂缝和城区地裂缝[7-8]。根据地裂缝的展布位置与形态的不同，成因也不尽相同。根据前人研究，汾渭盆地中发育的较大规模地裂缝成因主要受活动构造、地下水开采、黄土湿陷及地层条件的地形、地貌环境4个因素控制[2，9-11]。该文在对高堆地裂缝地质调查和电阻率CT探察的基础上，将分别讨论四者对高堆地裂缝的影响。

1地裂缝勘察

1.1　地裂缝地质调查

本次野外调查主要涉及研究区中高堆、官场、嘉泉、南芦和北芦5个村的房屋和农田中地裂缝的发育情况。农田中的裂缝大部分已被当地居民整平，给调查工作带来了较大难度，故采用房屋裂缝现场调查、农田中的据当地居民回忆定位相结合的方法，基本掌握了地裂缝的展布情况(见第27页图1)。

高堆地裂缝最早于1976年雨季在地表显露，到80年代中期没有继续加强的迹象。但在1990年左右，地裂缝活动明显活跃，1995年5月到11月不足半年的时间里，房屋水平开裂、垂直形变幅度均达到1 cm左右。期间，农田灌溉水、雨水直接流入裂缝，不知所踪且裂缝逐渐扩张，生活深水井干枯但可听到井底水流声。为防止农田灌溉使地裂缝继续扩展，居民采用了沿裂缝开挖深2 m左右的基坑，再以隔水塑料衬底的措施。地裂缝十余年来发育呈减缓趋势，目前仍可见的墙体开裂多是在1990年至1998年形成。

高堆地裂缝南端起始于高堆村村南，呈带状在地表断续出露，最长单条裂缝可见长度达640 m，向NEE延伸至高堆村东农田转为NNE向，止于官场村东农田。NNE向裂缝基本沿汾河西岸Ⅱ级阶地和Ⅲ级阶地的交界线展布，总长1.5 km。地裂缝在地表的开裂宽度一般在10 cm左右，局部可达60 cm(见第27页图2)，对民居的破坏性多表现为墙体开裂或地基不均匀沉降，其幅度多在2~5 cm。

1.2　电阻率CT探测

1.2.1电阻率CT测线布设

由于农田中已看不到地裂缝形迹，为探明地裂缝的延伸方向、埋深、影响宽度及规模大小，研究工作选用电阻率CT勘察的物探方法，共布设高密度电阻率测线4条，布线原则是测线布置在与地裂缝的走向线垂直的方向上，用于控制可能出现的隐伏次级地裂缝，测线位置如第27页图1所示。测线主要技术指标如第27页表1所示。

图1　高堆地裂缝展布及测线位置Fig.1　Spatial distribution of ground fissure in Gaodui Village and position of the prospecting line

图2　高堆村典型地裂缝观察点Fig.2　Observation points of typical ground fissure in Gaodui Village

测线名称长度/m极距/m电极/个测点/个方向A-A'295560570E-WB-B'118260570E-WC-C'118260570N-SD-D'118260570N-S

1.2.2电阻率CT探测结果分析

测线A-A′和B-B′布置在已知的NNE向地裂缝上，为试验性测线，电极距分别为5 m和2 m，根据电阻率CT剖面(见图3、第28页图4)，地裂缝的出露位置高阻率曲线普遍上拱，电阻率曲线不连续，表现为东高西低的特征，显示出地裂缝异常。图3剖面显示，160余米处，在20~30 m深处地裂东侧同值的电阻率曲线较南侧高约5 m；在50 m深处高10余米。图4剖面显示，60 m处上部曲线被拉短，形成下部曲线上拱，这与地质调查中该地裂缝的性质吻合较好，显示了上部地裂缝异常的影响宽度为8 m。经上述2条电阻率CT测线对地裂缝测试，发现5 m和2 m极距均有地裂缝异常存在，但2 m极距剖面中异常反应较佳。试验证明，采用2 m极距进行地裂缝的电阻率CT勘察方法科学、可靠。

图3　测线A-A′电阻率CT剖面图Fig.3　Profile of resistivity CT of Line A-A′

图4　测线B-B′电阻率CT剖面图Fig.4　Profile of resistivity CT of Line B-B′

测线C-C′位于北东东段地裂缝上，已知地裂缝位于78 m处，地裂缝在电阻率CT剖面上，显示了与试验测线A-A′和B-B′同样的电阻特性，地裂缝处下部高阻曲线上拱，电阻率曲线表现为北部抬升。地表地裂缝带异常的影响宽度为10 m(见图5)。

图5　测线C-C′电阻率CT剖面图Fig.5　Profile of resistivity CT of Line C-C′

地裂缝在展布上由NEE转为NNE向，为查明该地裂缝是否有继续沿NEE方向延伸的可能，工作中布设了测线D-D′。电阻率CT剖面显示电阻率CT曲线连续，不存在异常(见图6)，表明地裂缝未继续向该方向延伸。

图6　测线D-D′电阻率CT剖面图Fig.6　Profile of resistivity CT of Line D-D′

2高堆地裂缝成因探讨

2.1　活动构造

就汾渭盆地中的较大规模、集中成带的地裂缝而言，其构造成因的特征是比较明显的。新构造运动使地质历史上强烈构造运动形成的地层断裂面复活，对地裂缝的活动产生激化作用，断裂构造首先控制地裂缝的产生，其次控制地裂缝的发展。作为断裂的次生构造，断裂的平面延伸以及位错都会在根本上引起上覆地裂缝的发展，故而断裂活动强烈的地区，其上部地裂缝活动性也相应较强。临汾城区周边发育的构造成因地裂缝中，最具代表性的是龙祠地裂缝[12]。

与龙祠地裂缝特征明显不同的是，此次野外地质调查以及电阻率CT勘察均显示，高堆地裂缝地表及深部均没有对应的断裂构造，即不存在隐伏的构造破裂面，且地裂缝延伸距离较短，线性特征不明显。在高堆村东，地裂缝由NEE向突然转为NNE向，与临汾盆地中的活动断裂走向不一致。由此判断，高堆地裂缝是非构造成因的地裂缝。

2.2　地下水开采

地下水超采在时间和空间上都与地裂缝的发生发展有必然的联系。随着生活水平的提高，居民生活用水量大增，地下水开采可引起土层中潜水面下降，出现降水漏斗。而深井工程过量开采就会加剧以降水漏斗为中心的地面沉降与地下水水力梯度增大，沉降拉张应力和渗流动水压力这两者都有助于上覆张应力相对集中，导致土层结构松弛，诱发、加剧地裂缝活动。当潜水面稳定后，地面沉降的速率也随之降低。高堆村附近地面沉降在1978年至1986年期间，呈明显加速趋势，沉降盆地中心的沉降速度为30 mm/a，1986年至1995年期间虽有减缓，但也达到了10 mm/a[13]。从地理位置上看，高堆村正位于沉降中心附近，村中地裂缝发育的高峰时期是1990年至1998年，表明地裂缝活动时间稍晚于地面沉降，二者在时间和空间上均有良好的同步性。所以，地下水开采是地裂缝发育的主要诱因。

2.3　黄土湿陷及地层条件

在汾渭盆地内，黄土地层分布广泛，黄土湿陷诱发地裂缝在雨水较丰富的盆地南段更为常见。黄土具有强—中等湿陷性和高强度、低形变的力学性质，因此浸水后土层形成较强的湿陷变形，加之黄土常发育垂直节理构造，更易诱发地裂缝的出现或激化其活动。高堆地裂缝具有的特点是：地裂缝的活动性与雨季显示较好同步性，尤其是在暴雨后集中形成，部分地裂缝在灌溉及雨季表现为重复显现和持续扩张。所以，黄土本身的湿陷性也是地裂缝发育的诱因。

野外调查发现，高堆地裂缝主干裂缝呈波浪式展布，次级裂缝不发育，地裂缝主要表现为水平开裂，垂直位移不甚明显。图7[12]为高堆地裂缝形态剖面图，裂缝裂面粗糙、陡直，略微向南倾，影响深度在1.6~1.8 m之间。据山西省地震工程勘察研究院2009年在《临汾新高中项目工程场地地震安全性评价报告》(临汾新高中工程场地和本工程场地紧邻)中的钻孔资料显示(见第30页图8)：地表1.8~2.3 m以内为褐黄色粉土，粉土以下为厚约3.0 m的褐黄色细砂。地表粉土中的易溶成分被地表渗水溶解沿粉土节理渗透，并顺粉土底面的细砂层流失，粉土中会形成一个抗变形的薄弱面，加之地表水不断冲刷，粉土不断流失，最终在粉土中形成一条连通地表和粉土以下砂层的通道。这就解释了农田灌溉时水顺地裂缝流失的原因。因此，地表水渗透和地层岩性的综合作用对地裂缝发展起到了一定的加剧作用。

图7　高堆地裂缝形态剖面图[12]Fig.7　Profile of ground fissure in Gaodui Village

2.4　地形、地貌环境

地形、地貌环境是诸多方面的综合反映。在湿陷性黄土分布区域，地裂缝的发育往往受地形、地势制约，多分布于地势低洼地带[14]，而且地裂缝在穿越不同地貌单元时，由于岩体或土层本身性质及抗张应力强度不同，地裂缝往往沿地貌单元界线产生“折射”现象。

高堆地裂缝距离西部罗云山山前断裂较远，受到盆山过渡带垂向差异运动作用较弱。其位置恰好在汾河西岸的Ⅱ、Ⅲ级阶地交接地带，可以确定地裂缝在高堆村东发生的转向正是受到了地貌单元的影响，所以，特殊的地貌位置对高堆地裂缝的形成和发展具有定位及控制作用。

3结论

高堆地裂缝地表线性特征不明显且深部不存在隐伏破裂面，应属非构造成因地裂缝。地裂缝的活动与当地雨季以及地下水超采引起的地面沉降高峰期显示了较好的同步性，所以，地下水过量开采和黄土本身的湿陷性是形成地裂缝的2个主要诱因。降雨、灌溉等地表渗水使裂缝进一步扩张及加剧。作为地裂缝发育的介质，一定的地层岩性条件也是其发展的重要制约因素，而所处的特殊地形与地貌环境严格控制了高堆地裂缝的发育位置。

图8　临近工程场地钻孔剖面图Fig.8　Profile of adjacent borehole

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(英文摘要

Formation Mechanism of Ground Fissure in Gaodui Village, Linfen City, Shanxi

GUO Jin1, CHEN Hui1, YAN Xiao-bing2

(1.Chendu University of Technology, Chendu, Sichuan 610059, China;2.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China)

Abstract:Linfen Basin is the area developed with ground fissures in Fen-wei Fault Basin Zone. The ground fissures have various types and complex origin. Spatial distribution of the ground fissure in Gaodui Village is figured out by field investigation and resistivity CT survey. The formation mechanism is analyzed from aspects of active tectonics, groundwater exploitation, the loess collapsibility and formation condition and landform environment. It is found that the ground fissures are caused mainly by over exploitation of groundwater and loess collapsibility rather than tectonic activities, because there is no concealed rupture surface in deep earth, The fissure is expanded and intensified by seepage of surface water and controlled by formation and landform environment.

Key words:Ground fissure in Gaodui Village, Linfen City; Formation mechanism; Shanxi

作者简介：第一郭瑾(1987—)，男，山西省临猗人。成都理工大学在读硕士研究生。

收稿日期：2014-10-20

中图分类号：P316

文献标志码：A

文章编号：1000-6265(2015)01-0026-05