隆尧地裂缝形变特征及成因分析

2015-11-27曹建玲白淑芳姜正义

华北地震科学 2015年2期

曹建玲，白淑芳，姜正义

（1.中国地震局地震预测研究所，北京 100036；2.河北省地矿局第十一地质大队，河北邢台 054000）

0 引言

隆尧地裂缝是邢台地区目前发育规模最大的地裂缝，总长约30km，共导致20个村庄上百户村民屋舍发生不同程度损毁，并造成沿线的工程设施、农田及道路损坏，严重影响当地村民的生产、生活，威胁他们的生命及财产安全。有研究表明，河北平原区地裂缝的发展与地震活动在时空上存有一定的对应关系［1］，而且隆尧曾经是1966年邢台6.8级强烈地震的震中地点。因而，人们不免担心这些地裂缝的发育与断裂活动相关，地裂缝的持续发震是否意味着不久的将来会再次发生强震。

为此，国内已有多位专家和学者对隆尧地裂缝展开了大量的调查和研究。长安大学与中国地质调查局水文地质环境地质调查中心分别对该地裂缝进行了2次调查，并对南小河村和西店子村附近地段开展了地球物理勘探和槽探等工作，对隆尧地裂缝的成因也取得了一些初步的认识。杨旭东和孙党生［2］认为断层活动是地裂缝发生、发展的主导因素，地下水超采引起的水位逐年下降，加快了地裂缝的发展速度。马润勇等［3］认为隆尧地裂缝属于构造地裂缝，是区域构造应力加强的表现，并与地震活动密切相关。宋伟等［4］认为隆尧地裂缝是断层蠕滑型构造地裂缝，表现为地壳构造运动产生的内应力的积累与释放。马学军等［5］认为隆尧地裂缝的形成发育和活动与断层活动有关，是构造地裂缝。徐继山等［6］认为隆尧地裂缝受控于隆尧断裂，断层的活动为地裂缝的形成提供了动力来源，地下水抽取和入渗是其形成的外部条件。李志明等［7］研究表明，柏乡地裂缝的形成主因是地下水超采引起断裂两侧岩性不同的地层产生不均匀沉降所致。

前人的研究多是将隆尧3段地裂缝作为一个整体进行研究和分析，缺少分段和定量的成因分析，而且未对柏舍地区的南北向房屋裂缝带开展过调查和分析。本文在已有的工作基础上，开展了野外调查、测绘和监测，结合区域地质、水文等资料，对地裂缝的形变特征及裂缝成因进行了深入分析。

1 地裂缝地质背景

地裂缝是表层岩、土体在自然或人为因素作用下，产生开裂，并在地面形成变形的地质灾害现象。人类活动、地壳活动、水的作用或是导致地面开裂的主要原因［8］。

隆尧地区处于华北地块核心部位，为宁晋断凸、南和断凸和太行山拱断束三者的交接处。隆尧地裂缝与下伏的隆尧南断裂走向基本一致，分布位置与断裂也几乎重合，地裂缝所在地区地质构造较为复杂，有多条NNE向断裂，主断裂有太行山山前大断裂、柏乡断裂带、束鹿断凹西缘断裂带和新河断裂带等。此外，还有多条次级断裂如隆尧1号断层、隆尧2号断层、柳行农场断层、景福庄断层、邢家湾断层、白家寨断层和千户营断层等，如图1。

图1 隆尧县地质构造简图（左图）；研究区内地裂缝分布图（右图）

从地层条件看，研究区属于冲洪积平原，新生界地层覆盖厚度为200～1 200m 左右，且隆尧南断裂以南新生界地层显著加厚，较其以北的地层厚度大200m 左右［9］。巨厚的覆盖层及断层两侧岩层的厚度差异为地裂缝的致裂应力集中、传递、释放提供了良好的物理场［6］。

地裂缝发育区地下水类型主要为第四系孔隙水，地下水天然流向是自西向东，但是现在形成的开采型地下水流场为自尧山流向北、东、南3个方向。根据水位统测资料可知，周张庄村附近水位年内变幅为4.42 m，东店马村附近水位年内变幅为3.77 m，枯水期地下水流场由北向南，丰水期地下水流场变为NW－SE方向。

2 地裂缝概况

据2013年对隆尧地裂缝进行的野外实地调查走访及查阅相关资料可知，隆尧地裂缝出露于隆尧县南部，直到2006年左右地裂缝造成村民房屋损毁、乡道开裂才逐渐受到关注［10］。隆尧地裂缝共有3段EW 向裂缝和1个NS向的裂缝带，EW 向裂缝长约30km，NS 向裂缝带宽度约500 m，长约1.8 km。凡地裂缝经过的村庄，房屋、道路、耕田等均受到不同程度的损坏。

因地裂缝出现于地表的时间有先后，表现形式不同，具有一定的分段性。根据其展布特征和发生时间的不同，总体上分为3段EW 向裂缝和1个NS向的房屋裂缝带，各段基本特征如下：

1）第1 段是北寺庄村—虎中村段地裂缝（西段）。该段裂缝位于隆尧县城南约2.5km，长约8.5km。自20 世纪80年代起浇地时以串珠状塌陷坑形式出现，于2006年开始加重，目前塌陷坑宽度0.3～1.5m，最大可见深度1.2m。地裂缝南侧一盘下降，而且每年浇地或雨季时地裂缝均有出现，沉降量也逐年增加，至今沉降量最大处已超过50cm。此外，地裂缝还造成建筑物墙体出现水平错动，迄今为止最大错动距离达6cm 左右。地裂缝经过周张庄村、南小河村及虎中村村民居住区，共造成90户村民房屋不同程度损毁。

2）第2段是永兴村—任村西地裂缝（中段）。该段裂缝长约8.3km，呈折线状，最早发现于20世纪80年代，每年在雨季或灌溉期比较明显。除造成所经过村庄庄稼地出现较大范围的连续或串珠状塌陷坑外，还出现明显的垂直错动现象。塌陷坑宽度0.3～1.5m，最大可见深度0.8m。地裂缝南侧相对下降，高差逐年增长，目前最大变形处高差已超过50cm。墙体出现水平错动，截止目前，最大错动距离超过10cm。地裂缝共造成西店子村18 户村民房屋及小学教学楼和厂房损毁。

3）第3段地裂缝是任村—毛尔寨段地裂缝（东段）。该裂缝西端位于滏阳河以东任村庄稼地，东端位于毛尔寨北东方向庄稼地，长度约12.3km。1966年3月8日的隆尧地震，震中就处于目前的地裂缝研究区内，当时的地震曾造成地表出现大量的地裂缝和砂土液化。据资料显示，当时的地裂缝分布范围是：北至束鹿大车城，南至任县邢家湾，东至新河县城以东，西界隆尧旧城附近，大致循NNESSW 方向延伸［11］。据村民介绍，这次地震以后，裂缝在雨季或灌溉期以塌陷坑形式显现，目前程度虽大幅减弱，但局部仍会在雨季或灌溉期显现，未发现地表有明显高差及水平错动。

4）柏舍裂缝带，位于西段和中段的中间地带，宽度约500m，长约1.8km，整体走向NE14°。从北至南有显化寺村、北柏舍村、西柏舍村、南柏舍村的共28户村民房屋出现不同程度开裂，开裂最早发现于20世纪80年代，但每年变动轻微，目前房屋裂缝最宽约0.5cm。除此之外，在显化寺村南东柏舍庄稼地发现1条长约60m，走向NE71°的地裂缝。该裂缝最早发现于2006年，与西段地裂缝走向大体一致，雨季以塌陷坑形式出现，未见明显高差。

3 隆尧地裂缝特征分析

3.1 水准监测显示的垂向变形

为监测地裂缝的沉降变化，在地裂缝最发育的位置布设了4条横跨地裂缝的测线（南小河村2条、西店子村2条），每条测线400 m，以地裂缝为中心南北各200 m。监测剖面设置水准标石（共计40个），地面沉降监测实施采用几何水准的方法，以二等水准作为测量标准，观测时间为12个月，每3个月监测1次，共监测4次。

4条水准剖面的测量结果显示，地裂缝两侧的地面整体呈下降趋势；地裂缝两侧垂向运动差异显著，4期观测结果都反映出地裂缝南盘沉降量较北盘大，沉降量最大值出现在南小河剖面南端，1年内沉降量累计38mm（图2）。正是这种不均匀的沉降造成张应力集中而在地表形成地裂缝。除周张庄村外的3条测线各测点数值均小于第1期测量数值，周张庄村的剖面显示北盘各点数值都较第1期偏高，但是第3和第4期的结果仍然显示下降趋势，与其他剖面一致。隆尧3段地裂缝仍有持续发展的趋势，今后仍然需要关注和研究。

图2 4条跨地裂缝的水准监测剖面反映的地面垂向变化曲线

3.2 固定监测点反映的地表垂向和水平向变形

为了能看出地裂缝的变化特征，我们在地裂缝经过的隆尧县周张庄村、南小河村、西店子村变形最大的几处共设立4 个地面变形监测点。方法为取3m长的槽钢，从中间截成齿状开口，槽钢2端固定在地面砖混桩内且离地面高约15cm（图3），砖混桩基坑长度×宽度×深度为60cm×50cm×50cm。采用千分表监测4 个监测设施的变形量，精度为0.02mm，监测时间为12个月，每3个月观测1次，监测的地面变形累积值见表1。

图3 地面监测装置

表1 监测点地面变形累计值

1）尧北寺庄村—虎中村段地裂缝的最明显的张裂和扭转形态可通过周张庄村（图4）和南小河村（图5）的监测点表现出来。2013年3月至2014年3月，地裂缝垂向最大变形量为53.34 mm，NS向为17.41mm，EW 向为11.60mm。由监测点变化特征我们可知，北寺庄村—虎中村段地裂缝具有张裂性、垂直错动、右旋走滑特征和随区域的变化变形量不一致的特点，即地裂缝南北2盘的间隔距离在不断地拉张，北盘相对上升南盘相对下降的同时，北盘向东错动南盘向西错动。并且根据记录的数值可以看出，周张庄地裂缝水平错动的规模大于南小河，而南小河垂直错动的规模则大于周张庄。

2）隆尧永兴村—任村西段地裂缝的变化特征可通过西店子村的监测点（图6）及房屋的错动（图7）表现出来。由地面监测点的变化特征可知，永兴村—任村西段地裂缝除了具有和北寺庄村—虎中村段地裂缝一样的张裂性、垂直错动特征外，还具有与之相反的左旋走滑特征，即地裂缝南北两盘的间隔距离在不断地拉张，北盘相对上升、南盘相对下降的同时，北盘向西错动、南盘向东错动。

图4 周张庄村地面变形监测点

图5 南小河村地面变形监测点

图6 西店子村变形监测点

图7 西店子村房屋错动表现

3）隆尧任村—毛儿寨地裂缝，本段裂缝只是在农田等非居住区穿过，未布置监测点，所以用观察的方法很难确定其是否具有走滑特征。通过走访调查发现，本段裂缝垂直变形很小，只有明显的张裂性。

3.3 地裂缝的活动性

隆尧3段地裂缝的活动时间并不完全相同。

1）经实地调查及查阅资料，可以判断任村—毛儿寨段（东段）的地裂缝为1966年邢台7.2级地震后出现的［12］。部分裂缝在震后曾经弥合，到1990年左右又开始显现；部分裂缝从1966年至今一直在雨季显现，到现在有些地段裂缝又有减轻趋势。

2）北寺庄村—虎中村段地裂缝最早发现于20世纪80年代，最初只在农田显现，到了2001年左右，村民居住的房屋开始出现裂缝，而后陆续有20余户村民房屋开裂。直到2013年，地裂缝中心线南约40m 处出现一条长约80m，宽0.8m，可见深度约1.2m 的伴生裂缝，导致处于裂缝上的房屋西墙出现裂缝，目前房屋裂缝宽度1～2mm。

3）永兴村—任村西段地裂缝首先于2000年显现于开河村、南无疃，东店马、西店子庄稼地。2006年一场大雨过后，地裂缝突然加大，开始影响西店子村民房屋，2009年左右出现在尧家庄、永兴村庄稼地。该段裂缝是由东逐渐向西发展的，呈NWW 方向展布。

4）柏舍裂缝带最早发现于20世纪80年代，影响轻微，只在房屋墙体上出现不影响居住的细微裂缝。但是，2006年左右在多家房屋横纵墙交接处出现垂直裂缝，承重墙门洞上方出现倒八字裂缝。最近几年出现裂缝房屋增多，裂缝数量和规模有加重趋势。

3.4 地裂缝的方向性和间断性

1）从整体延展趋向来看，隆尧地裂缝有一定的方向性。其在大部分地段只有1条地裂缝组成，仅在周张庄村西和西店子村西庄稼地发现有旁生裂缝，且旁生裂缝与地裂缝中心线平行展布。地裂缝中心线贯穿始终，旁生裂缝则较短。2）与断裂带方向一致。地裂缝沿着隆尧断裂分别向NWW、SEE、NNE方向做不同程度的延伸，除在柏舍和任村西地区断开外，展布方向与断裂带的发展方向一致。

隆尧地裂缝处于隆尧南断裂之上，但是却在柏舍和任村附近断开，且柏舍附近出现NS向的房屋裂缝带，这些房屋裂缝以NNE 向排列，但在某些破坏的房屋上出现EW 方向的裂缝；东段裂缝只能看到塌陷坑和裂缝痕迹，却看不到裂缝两侧有明显的垂直变形差异。

4 隆尧地裂缝成因探讨

国内外的研究将地裂缝的形成主要归因于2个方面：其一是构造因素，认为断裂带的活动造成地表出现水平和垂直的变形；其二是地下水开采导致，例如含水层厚度及基底基岩面起伏情况下，抽水引起地表不均匀沉降而产生地裂缝［13］。

在对区域地质构造调查基础上，本研究监测了2013年地裂缝的变形情况，基于地裂缝地质背景和各段变形特征，综合前人的研究成果，认为隆尧3段地裂缝和柏舍房屋裂缝带均是人为抽水活动及地下水位快速下降所致。主要有以下几点证据：

1）华北平原区现今水平运动速率平均每年大约1～3mm［14］，断层活动速率小于0.1mm／a［15］。同时，由于地下水的过量开采，形成天津、石家庄等大型城市降落漏斗区，漏斗中心沉降量超过80mm／a［16］。本研究在2013年开展的隆尧地区水平和垂向运动监测显示，水平运动最大年变化为24.86mm，而垂向沉降量最大年变化为53.34mm，2倍于水平运动还要多，说明研究区的现今地表变形以地面沉降为主。而河北平原地区本身有存在整体下沉的趋势，这种趋势早在上新世就开始了［17］。现今的地下水过量开采系造成地面加速沉降的主因［16］，由此引发地表不均匀沉降形成地裂缝［18］。

2）通过对照不同时期地下水位资料，可以看出：1959—1992年，周张庄村的地下水位埋深由4m 降至20m，平均每年下降0.45m；西店子村地下水位埋深由2m 降至20m，平均每年下降0.54m。1992—2013年间，周张庄村的地下水位埋深降至59m，平均每年下降1.86m；西店子村地下水位埋深降至52m，平均每年下降1.52m。换句话说，最近20年地下水位埋深的下降速度较过去翻了3倍。在1992年肖庄、任村附近就存在地下水降落漏斗，现在2处漏斗区已经连通，说明地下水超采加速了地表的沉降。

图8 隆尧县历史年均降雨量

华北平原降水并不充沛，在1956—2012年期间隆尧的多年平均降雨量为480mm（图8）。虽然年平均降雨量没有大幅趋势变化，但是2001—2012年的平均降雨量为449 mm，近年来降雨量还是有明显地减少，相应地对地下水补给减少，也是造成地下水下降的一个重要因素。

5 结论与讨论

本研究调查了隆尧地裂缝的分布范围，并对地裂缝的变形进行了为期1年的观测，结果显示：在隆尧3段近EW 向的地裂缝中，西段和中段的地裂缝影响范围和变形量最大。其中，地表沉降量累积超过50cm，水准测量则显示沉降最大值为53mm／a，出现于西段的南小河村。对3段地裂缝的监测显示出拉张的水平形变，最大水平拉张量可以达到25mm／a，出现于中段的西店子村，相当于是同期最大沉降量的1／2。此外，还监测到西段和中段地裂缝的水平扭动变形，一年大约几个毫米，最大水平扭动出现在西段的周张庄村，为11 mm，仅相当于同期最大沉降量的1／5。西段和中段地裂缝的水平扭动方式不同，以柏舍为界，西段为右旋错动，东段为左旋错动，而中间的柏舍村又出现了长约2km 的NS向裂缝带，变形很小但影响宽度较大。

华北平原在新生代早期经历过强烈拉张和陷裂作用，但进入上新世以后，裂陷作用就结束了，华北平原开始了整体下沉［17］。从几米深的探槽结果也可以看到，地层错动量由深到浅逐渐减小，说明沉降变形是从深部向地表逐渐传递的［19］。不论是地质上还是现有的形变观测都显示，沉降变形由来已久且仍然持续，沉降的原因既可能是构造的运动，也可能是地下水位的下降。如前文所述，最近20年地下水位下降速度成倍增加，而且隆尧地裂缝带处于地下水降落漏斗区的边缘，地面的沉降和张裂变形量与水位下降密不可分。

从空间上看，隆尧3段近EW 向的地裂缝与下伏的隆尧南断裂在走向和位置上高度一致。利用InSAR反演获得的华北平原现今沉降空间分布图也显示最大沉降带沿大型断裂展布［20］，说明断裂带的存在可能会影响地下水运移，从而影响到地表的沉降。数值实验结果表明，已有的断裂带由于力学强度较弱，抽水引起的沉降使得土层容易沿着断裂带滑移和拉裂［21］，所以隆尧南断裂的存在是有利于沉降和地裂缝发育的。

众所周知，在强烈地震发生之后，地表会产生破裂，甚至产生一些地裂缝。关于地震之前是否会发育地裂缝，也就是说地裂缝与地震之间的关系，目前没有太多的震例分析。本研究区内3条地裂缝中的东段地裂缝1966年邢台7.2级地震之后为人所知，但没有文字记载显示这条地裂缝在此次地震之前就已经存在，也就无法确定这条地裂缝与地震直接的因果关系。本研究目前开展的观测也可以为隆尧地区地裂缝与下次地震的相关性研究积累资料。

本文为进一步分析地裂缝的发展趋势、圈定其影响范围、对隆尧地裂缝地质灾害的防治及当地新农村建设规划提供依据。笔者建议当地居民尽量不要继续使用开裂严重的房屋，避免次生灾害造成人员伤亡，在今后建设民宅时避开地裂缝发育区；同时，相关机构应对隆尧地裂缝活动进行进一步地调查与监测工作，分析其运动规律，为有效控制地裂缝的发展制定更有针对性的措施。

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