华北平原地裂缝影响因素分析

马学军，吕凤兰，宋 伟，杨旭东（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北·保定 071051）



华北平原地裂缝影响因素分析

马学军，吕凤兰，宋 伟，杨旭东
（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北·保定 071051）

摘 要：华北平原地裂缝近年来呈快速发展趋势，给人民的生产生活造成很大威胁。本文对地裂缝的影响因素进行分析，认为基底构造单元是地裂缝发育的控制因素、全新世地质环境控制非构造地裂缝的分布、基底断裂构造蠕滑控制地裂缝的规模。地形地貌、岩性结构、地表水、地下水、地震、地面不均匀沉降、持续干旱、地下岩溶和人类工程活动等因素影响地裂缝的发展。地裂缝的形成非单一因素造成，而是多种因素复合作用而导致。探讨地裂缝的影响因素对研究华北平原地裂缝形成机理与灾害防治具有重要意义。

关键词：华北平原；地裂缝；影响因素；地质灾害防治

地裂缝是指地表在自然或人为因素作用下产生开裂，并在地面形成一定长度和宽度的裂缝的一种地质现象。

华北平原地裂缝最早发生于1963年3月的邯郸市。1966年邢台地震和1976年唐山地震后，地裂缝迅猛发展。进入80年代以来，京津冀平原普遍发现地裂缝，至1996年共发现地裂缝273处，达700多条[1]。

通过2009～2014年的实地调查，华北平原地裂缝已有1000多条，分布在96个县市[2]。地裂缝延伸几米到几十千米，部分地裂缝造成建筑物和道路破坏、农田开裂漏水。

华北平原地裂缝仍呈发展趋势，而其研究程度相对较低，严重滞后于防灾减灾的需要。本文依托华北平原地裂缝调查与防治研究项目，在大量区域地质、水文地质、槽探和物探资料基础上，对华北平原地裂缝的影响因素进行分析。

1　地裂缝主控因素

1.1 基底构造单元是地裂缝发育的控制因素

通过调查及分析，华北平原地裂缝发育区与基底构造单元相一致[3～5]。华北平原断陷盆地位于华北地块东部，是受NNE、NE、NW、EW四组断裂控制的一个结构破碎的复合型断陷盆地。凹陷与隆起交接部位新生界半固结和松散地层厚度变化较大，是基底活动构造分布集中部位[6]，因而地裂缝易发区多位于凹陷与凸起、凹陷与斜坡、凹陷与隆起相交的边界附近。

冀中拗陷、东濮拗陷、临清拗陷和开封拗陷等均为地裂缝易发区。冀中拗陷区域作为京津冀一体产业转移重要承接区和交通枢纽汇集区地裂缝最为发育，成为华北平原地裂缝灾害最严重地区之一，也再次证明基底构造控制着地质环境的演化，进而控制着第四系地层厚度、结构和岩性，成为影响地裂缝灾害发生的重要因素。

1.2 全新世地质环境控制非构造地裂缝的分布

华北平原北部全新世地层主要由海河淤积而成，与黄河泛平原地层结构、地层岩性有较大区别。因此，地裂缝灾害总体发展趋势是由北部燕山山前平原向南部豫北平原逐渐减弱，由西部太行山山前平原向东部濒海平原逐渐减弱。地裂缝的总体分布与全新世以来华北平原沉积环境有关，尤其是其中的大清河水系，由于其发育于西北太行山，落差大、距离近，形成以冲洪积为主的地层，颗粒较粗，多为卵石、砾石、粗砂、粉土和黏土互层，且多呈透镜体状，连续性和分选性较差，容易导致地面不均匀沉降和地下水的潜蚀，因此集中发生潜蚀地裂缝和地面不均匀沉降地裂缝等非构造断裂。而华北平原东部濒海和南部黄泛平原，多为冲积淤积细颗粒物质组成的地层，形成粉土和黏土互层，偶见细砂，地层连续性和分选性较好，地面沉降较均匀，从而不易发生地裂缝灾害，偶尔在湖相沉积边缘有地面不均匀沉降地裂缝发生。

1.3 基底断裂构造蠕滑控制地裂缝的规模

华北平原构造型地裂缝以隆尧县周村—毛尔寨村地裂缝、文安镇吕公务地裂缝和涿州长安城村地裂缝最为典型，其特征为延伸长、深度大；延伸方向单一，与其下蠕滑断层相同，呈条带状或线状分布；常呈雁列和斜列形式，偶具多级性，后期多演化成锯齿形地裂缝；一般长而宽，可出现水平扭错、垂直落差和张裂三向位移；常与地下水活动和小震有关，其活动与季节、气候无关，经常反复活动。地震使基底断裂构造蠕滑加速，破坏岩体结构，导致该类地裂缝集中产生并大量发育。

2　地裂缝发育的影响因素

2.1 地形地貌

地裂缝主要分布在太行山与平原交接地带以及山前平原与中部平原交接部位，地势相对低洼的洪积扇前、各洪积扇间，各条河流的河漫滩、古河道及湖沼洼地地区。

在山前一线涿州—涞水—徐水—满城—顺平—望都地裂缝分布带，地貌形态为冲洪积平原的倾斜地小区、坡平地小区，是山前地形坡度变缓、地势相对平坦的地区，也是古河道、河漫滩较发育地区，该区域地裂缝分布相对较集中。霸州—文安—大城一带地裂缝集中分布区，地貌上为冲洪积平原亚区与冲积平原亚区交接地带，多分布在泛滥坡地小区及泛滥洼地小区及河漫滩地小区。断层蠕滑型地裂缝则一般不受地貌类型影响。

2.2 岩性及地层结构

地层岩性对地裂缝的发生发展的影响主要反映在三个方面：一是地层岩性结构因素，上细下粗的二元结构在地层长期处于干缩状态下易产生地裂缝，土层颗粒越粗，地裂缝越易潜蚀，缝壁坍塌而加宽。二是作为传递构造应力、应变的介质，不同的应力条件发生地裂缝的可能性强度和规模，在很大程度上取决于场地的地层。三是不同性质的土层对诱发地裂缝的响应程度存在明显差异。具有湿陷性的黄土层受水的渗透发生湿陷变形，形成应变的集中场导致较强的附加应力，在此应力的作用下，已贯通黄土层的裂缝出现明显的附加变形，使隐伏裂缝直通地表开裂成缝。

2.3 地表水、地下水

为满足社会需要，华北平原地下水严重持续超采，导致地下水位持续下降[7]，至今造成第四系近地表几十米厚松散地层长期处于失水状态。地下水的抽取造成原饱和带土体颗粒之间有效接触力增加，同时造成地下隐裂隙和空洞的形成。农业灌溉用水的入渗引起非饱和带土体含水量增加，改变了颗粒的受力状况，导致颗粒间连接刚度降低，致使微结构失稳[8]。

华北平原降水量时空分布不均，变差大，年降水量多集中在七八九月份。调查表明有一半以上地裂缝灾害发生在强降雨以后，即七八九3个月，地裂缝多发时期基本与汛期相符，说明降雨加速了地裂缝的形成。这种地裂缝与地表水的伴生性也说明地表积水、排水不畅和强渗透性径流条件是诱发地裂缝的主要因素之一。

2.4 地震因素

地震导致土层颗粒间连接刚度降低，致使结构失稳。这些变化是在瞬间发生和完成的，造成在地震发生时总是伴随着大量的裂缝和塌陷的出现[9]。

华北平原地裂缝各活动高潮分别滞后地震活动高潮1～2年。在邢台7.2级地震和唐山7.8级地震的1966～1976年间，地裂缝活动在地震活动高潮之后两年出现。进而说明华北平原地裂缝与地震活动高潮呈一种对应关系。

近40年来，出现7个地裂缝与地震活动小周期，它们都直接受到活动的地应力驱动。地震与地裂缝的先后出现相伴而生，是在同一区域构造应力场作用下产生的不同微破裂和构造活动现象。它们组成区域地应力增强的效应系列，同是河北平原区域应力场不断加强的信息[10]。

地震发生后，使土层深处密闭的构造节理开启，但没有连通到地表。在经过强降雨或浇地形成积水渗透，将已开启的节理缝与地表连通形成地裂缝。

2.5 地面不均匀沉降

地面不均匀沉降反映在两个方面：一是水位下降量不同。由于水压力变化差异产生的沉降量不同，这主要反映在不同的漏斗区或同一漏斗的不同部位。另一个是水位变化幅度差别不大，而因地层结构不同引起沉降量差异。这种差异给其连结部位提供了拉张力，在拉张力的作用下，连接薄弱部位最先开裂成缝。

华北平原是地面沉降多发地区，由于第四系地层岩性、地层结构、地层厚度、地下水位变化等地貌单元迥异，因而导致不同地貌单元垂直形变速率差异，即地面沉降梯度较大[11,12]。地裂缝经常在地面沉降梯度较大地带发生，如沧州地裂缝[13]。

2.6 气候持续干旱

近年来，华北平原降雨持续偏少，导致区内河流全部干枯断流，使地下水成为华北平原唯一生活、生产用水，进一步加大了地下水开采量，使地下水持续严重超采，从而导致地下水位持续急剧下降，使浅层土体长期处于失水干缩状态，进而使浅层土体节理裂隙发育，为地裂缝灾害的发生提供了条件。

同时根据近40年来华北平原的降雨量曲线与地裂缝发生的年份对比发现地裂缝多发生在干旱年份的6～8三个月。

2.7 地下岩溶发育

华北平原由于地下岩溶发育而产生的地裂缝较少，主要分布在太行山、燕山山前第四系地层厚度较小（一般第四系地层厚度小于50m），下覆易溶岩地区。如唐山市岩溶塌陷20处，最有代表性的为唐山市体育场岩溶塌陷，上覆土层厚度30m左右，直接覆盖在碳酸盐岩上。由于地下水不断潜蚀上覆土层，从而导致地面塌陷。再有保定徐水新乡村地裂缝是由于第四系地层薄（10～30m），下覆白云岩发育构造岩溶，溶洞上方的第四系地层不断塌落直至地表，从而导致地裂缝灾害发生。

2.8 人类工程活动

近年来，华北平原生活、生产和农业用水快速增加，进一步加大了地下水开采量，导致地下水位持续急剧下降，使整个华北平原形成了地下水位复合型区域大漏斗，尤其是农业灌溉机井林立，成井质量良莠不齐，致使灌溉井跑砂漏砂，逐渐掏空抽水井附近含水层，形成负压，随着负压进一步加剧，扩散致地表，进而使浅层土体节理裂隙发育，形成弧形地裂缝。

另外，石油、煤、石膏等矿产的开发，尤其是掠夺性开采破坏原有的地应力场和力学平衡，在导致矿区地面沉降的同时，往往伴有地裂缝灾害的发生。

3　结语

华北平原是地裂缝多发区，其危害的严重性日益引起各方面重视。本区地裂缝的主控因素为基底构造、全新世地质环境和基底构造蠕滑。地形地貌、岩性结构、地表水、地下水、地震、地面不均匀沉降、持续干旱、地下岩溶和人力工程活动等因素影响了地裂缝的发展。本地区地裂缝的形成不是一种因素造成的，而是多种因素复合作用而成。探讨地裂缝的影响因素对研究华北平原地裂缝形成机理与灾害防治具有现实意义。

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Major influence factors of ground fissure in the North China Plain

MA Xue-Jun,LÜ Feng-Lan,SONG Wei,YANG Xu-Dong
(Center for Hydrogeology and Enνironmental Geology of China Geological Surνey,Hebei Baoding 071051,China)

Abstract:In recent years,the ground fissures in the North China Plain have been rapidly deteriorating and are threatening local living conditions and production.This study analyzes the major factors influencing the ground fissure.The main controlling factors include the basement structure,the Holocene geological environment and the basement structure creep.Topography,geomorphology,lithology,surface water,ground water,earthquakes,ground surface subsidence,continuous drought,underground karst and human engineering activities are the factors that affect the development of ground fissures.It is considered that a single factor is not solely responsible for the formation of ground fissures in North China but rather a combination of related factors.It is significant to study the formation mechanism and hazard control of ground fissures in the North China Plain.

Key words:North China Plain;ground fissure;influence factors;prevention and control of geological hazard

基金项目:中国地质调查局地质调查项目“华北平原地裂缝调查与防治研究”(1212011220183)

作者简介:马学军(1977-),男,学士,高级工程师,主要从事水文地质环境地质研究.

修订日期:2016-01-22

收稿日期:2015-12-07

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.017

中图分类号：P642.26

文献标志码：A

文章编号：2095-1329(2016)01-0074-03

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