中国“采水型”地裂缝特征和成因分析

王艺伟，叶淑君*，于 军，龚绪龙

1.南京大学地球科学与工程学院水科学系，南京210023；2.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏省地质调查研究院，南京210000

中国“采水型”地裂缝特征和成因分析

王艺伟1，叶淑君1*，于 军2，龚绪龙2

1.南京大学地球科学与工程学院水科学系，南京210023；2.国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室，江苏省地质调查研究院，南京210000

过量开采地下水诱发的地裂缝（“采水型”地裂缝）灾害对社会造成严重损失，受到人们普遍关注。近几十年来，国内外学者对其成因机制进行了大量研究，取得了丰硕成果。本文系统分析了前人的研究成果，归纳出“采水型”地裂缝的差异沉降成因、拉张性水平应变成因和四种成因模式；然后针对中国三个典型的“采水型”地裂缝发育区，即汾渭盆地、华北平原、苏锡常地区，阐述了各地地裂缝分布、发育特征和成因机理，并选择典型地段地裂缝进行成因分析，认为汾渭盆地和华北平原地区部分地裂缝属于“先期断层模式”，而苏锡常地区地裂缝总体属于“基岩起伏模式”，并阐述了该模式下导致地裂缝发育的差异性变形、水平应变作用机理。

地裂缝；地下水开采；成因机制；汾渭盆地；华北平原；苏锡常

1 引言

地裂缝是在内外动力作用下，岩土层发生破裂的一种表生的地质现象，是地质灾害中地面变形灾害的一种（王景明，2000）。自20世纪20年代在美国德克萨斯州的Goose Creek油田发现第一条剪切性质的地裂缝之后（Prattand Johnson，1926），至今已在世界多个地区发现了多条规模、形态、启裂性质各异的地裂缝（武强和陈佩佩，2003），如美国西南部的亚利桑那州（Leonard，1929；Feth，1951；Carpenter，1993）、加利福尼亚州、内瓦达州、德克萨斯州、新墨西哥州（Holzer,1976，1984;Holzer et al.,1979;Holzer and Pampeyan, 1981）、犹他州艾恩县（Inkenbrandtet al.，2014）等、沙特阿拉伯（Bankher and Al-Harthi，1999；Youssefetal.，2014）、墨西哥（Pacheco-Martínez et al.，2013；Chaussard etal.，2014）、土耳其的安纳托利亚和利比亚萨里尔（Rothenburgetal.，彭建兵等，2007）、中国的汾渭盆地（彭建兵，1992，2012；张家明，1990；王景明，1989）、华北平原（李昌存，2003；徐继山，2012；安海波，2011)、苏锡常地区（于军等，2004；刘聪等，2004；Wangetal.，2009，2010）等都为地裂缝严重发育区。

地裂缝作为一种地质灾害，严重影响人类生命、财产安全和社会稳定与发展。常见的危害包括房屋坍塌、道路变形、地下管道破裂、对地铁、高铁等大型基础设施造成严重破坏、地面开裂导致地下水污染等。在我国地裂缝发育的汾渭盆地、华北地区和苏南地区，上述破坏现象普遍存在，严重制约了当地经济和社会的可持续发展。

防治地裂缝灾害，必须首先查明其成因机制。美国学者关于地裂缝的研究开展较早，对地裂缝成因机制的研究也较为成熟。最早关于地裂缝成因研究的学说是Leonard（1929）提出的构造成因学说，其认为亚利桑纳州Picacho城附近的地裂缝的产生为附近地震活动所致。随后，一些学者提出地下水开采成因观点，如Flectcher等（1954）的渗透变形机理、Feth（1951）的不均匀沉降和Schumann与Poland（1970）的差异压密变形机理、Neal等（1968）的土层失水收缩变形机理、Lofgren（1971）的渗透应力拖曳作用机理、Bouwer（1977）的刚性折裂机理等。随着对地裂缝研究的不断深入，又形成了构造与地下水开采复合成因观点。Sheng等（2003）将地质条件和地下水开采联系起来，提出不同地质条件下可能产生地裂缝的四种成因模式。国内地裂缝的成因研究最早始于西安地裂缝，目前该地区也是国内地裂缝研究最为深入和系统的地区。张家明（1990）、王景明（1989）、彭建兵（1992）等先后就西安地裂缝成因提出多种学说，如：断块掀斜成因论、隐伏断层蠕动成因论、断裂伸展活动成因论等。他们的主要观点为：构造断裂带为地裂缝的产生提供地质背景，过量抽取地下水是加速地裂缝活动并使其显现于地表的直接诱发因素。2006-2011年，长安大学彭建兵教授对西安地裂缝进行了更为深入的研究，总结西安地裂缝成因机理为区域引张环境下的断层伸展活动以及叠加抽水作用的内外动力耦合成因模式（彭建兵，2012）。针对华北平原地裂缝成因也形成多种学说，如：古河道成因说（吴忱等，1991）、微裂隙闭锁-开启成因说（王景明，2000）、差异沉降说（邢忠信等，2004）、断层蠕滑成因（李世雄等，2006）、优势面理论（罗国煜，2006）等。在对苏锡常地裂缝的研究中，于军等（2004）、伍洲云等（2003）认为苏锡常地裂缝是特定构造地质背景下地下水强烈开采引发的不均匀地面沉降所致，基岩面的起伏及第四纪沉积物结构差异是主要控制因素，长期过量开采地下水导致地面沉降与地裂缝相伴生。

本文以过量开采地下水诱发的地裂缝（“采水型”地裂缝）为研究对象，在总结归纳国内外学者对地裂缝成因机制研究成果的基础上，重点分析了我国三个主要地裂缝发育区地裂缝的特征和成因机制，为科学布设地裂缝监测系统、构建模拟地裂缝的数学模型提供必要的理论依据。

2 “采水型”地裂缝的成因机制

19世纪50年代开始，美国学者对地下水开采产生的地裂缝成因机制进行一系列的研究（Feth，1951；Wolff，1970；Schumann and Poland，1970；Holzer，1976，1981，1984；Bouwer，1977；Helm，1994a,b；Budhu，2008，2011，Budhu and Adiya⁃man，2012）。由于发生地裂缝的地区一般也伴随着地下水位下降及地面沉降灾害，因此很早就有学者提出地下水开采成因，但对其影响地裂缝产生的机理解释却不尽相同。综合前人研究，“采水型”地裂缝成因机制主要有差异沉降机制和水平拉张应变机制。

2.1 差异沉降机制

“采水型”地裂缝成因源自于差异沉降学说，其主要观点是：地下水过量开采导致土层的压缩变形，而在基岩起伏、压缩层厚度不均匀等情况下，就会产生差异沉降，使上覆土体受弯或受剪导致破坏，并在地表产生地裂缝。

差异沉降学说被许多学者的研究成果所证实。Feth（1951）对亚利桑那州Picacho盆地地裂缝进行了研究，认为由于含水层厚度变化引起不均匀沉降产生拉张应力，导致地裂缝产生，为拉张性破裂；Schumann与Poland（1970）对该地区进行了更为深入的研究，认为该地区下部可能存在隐伏断层或是基岩面形态的突变，导致上覆土层的差异性沉降，从而在差异沉降最大部位产生最大的拉张应力，导致土层开裂变形产生地裂缝。Bouwer（1977）提出沉降盆地中的地裂缝产生的刚性折裂机理，由于沉降中心压缩量大于沉降盆地边缘，导致上覆土层在沉降盆地边缘的断层陡坎处可能发生整体的刚性反转，导致盆地边缘发生折裂而形成地裂缝。

从19世纪70年代开始，Holzer等分别对亚利桑那州东南部Picacho盆地和加里福利亚州的Fremont谷地分布的几条主要地裂缝进行了一系列的调查研究，发现大多数地裂缝发生在沉降盆地中，且地裂缝最活动的地区分布在基岩起伏曲率最大处，此处由于差异变形易形成拉张区（Holzer，1976,1981,1984）。此外，为了进一步研究地下水位、地面沉降与地裂缝三者之间的关系，Holzer和Jachens（1982）对亚利桑那州中南部的卡萨格兰卡进行了较为详细的勘察和研究，了解该地区1940-1980地下水位和地面沉降历史变化，并利用重力测量数据反演地下空间基岩的分布情况，研究结果显示：重力异常反映出地下基岩面的倾斜或凸起的部位与地下水位变化及地裂缝产生位置具有很好的匹配性。Budhu（2008）提出一种单井抽水情况下潜水含水层中地裂缝的产生机制，认为潜水含水层中地裂缝的形成是弯曲和剪切共存，水位漏斗形成后，将有限单元体所承受力分解为压应力和指向沉降中心的力矩，该力矩使相邻土体单元间形成差异沉降，利用摩尔-库伦准则作为判定准则，在力矩存在情况下土体所受剪应力更易达到抗剪强度而发生破坏。由这种理论得出，这种类型的地裂缝既可产生于地表并向下发展，也可由剪切力产生于地层深部而向上发展，但该理论仅适用于潜水含水层。Budhu和Adiyaman（2012）通过计算得出若地下无不连续结构的存在（如先期断层、基岩起伏等），当沉降漏斗的沉降梯度大于8×10-5，且与沉降中心的距离大于含水层厚度的1.4倍时，地裂缝才可能形成；若存在不连续结构，则在不连续界面处易发生地裂缝。

以上研究者从不同方向证实抽取地下水引起的差异沉降是引发地裂缝活动和发展的重要机制。

2.2 水平拉张应变机制

随着对地裂缝研究的进一步深入，人们发现有些地区的地裂缝发生在地表以下，并向上扩展，而根据差异沉降机理，地裂缝一般在地表发生张性破裂并自上而下发展。由此人们便得出差异沉降不可能是地裂缝的唯一诱发因素。随着地面沉降由垂向一维变形向三维变形的研究进展，人们开始关注含水层在水平方向上的压缩变形，由此提出水平拉张应变机制。据研究，这种水平方向上的拉张应变机制可能来自于两个方面：一种是含水层中的水平渗流力对固体颗粒的拖拽作用（Lofgren,1971;Wolff,1970;Holzer&Jachens, 1982），另一种是含水层在水平方向上的压缩释水，引发水平应变所致（Burbey,1999）

Lofgren指出：含水层中的水平渗流力可以提供足够的水平应变以产生地裂缝，即抽水过程中沿着渗流方向产生的渗流力对固体颗粒产生牵引拖拽作用，该作用在含水层中逐渐积累并导致上覆土层发生张裂变形（Lofgren,1971）。Wolff（1970）在未固结含水层单井定流量抽水条件下，在抽水井附近利用测量装置测量地面的径向应变和切向应变，指出抽水所产生的渗流力可在近距离范围内对应变具有重要影响，且在抽水井附近径向应变为压缩应变，随着距离抽水井位置的逐渐变远，径向应变由压缩变为拉张，此观点在后来的研究中得到证实。

Holzer与Jachens（1982）在对卡萨格兰卡地裂缝进行研究时，估算出发生地裂缝的拉张应变的范围为0.02%～0.2%。Rothenburg（1995）通过对利比亚萨里尔农业区的水位下降历史、地面沉降状况及地裂缝特征进行分析，发现该地区地下水位下降和地面沉降量并不大，然而水平渗流力的存在使含水层产生较大的拉张应变，据他估算，每1×10-5数量级的拉张应变足以产生地裂缝。Helm也提出含水层径向水平拉张应变可能是地裂缝产生的一种机理，并以Darcy-Gersevanov理论为基础，假定水和固体颗粒均不可压缩，结合含水层质量守恒方程，推导出承压含水层中径向位移和径向应变的解析解表达式，解释了Wolff（1970）提出的未固结含水层中抽水井附近出现压缩应变而远离抽水井区域出现拉张应变的现象（Helm，1994a，b）。王庆良和刘玉海（2002）估算抽水所引起的含水层水平拉张应变可以达到10-6量级，推测抽水活动引起的含水层拉张应变可能是地裂缝活动的诱发因素之一，并通过大同机车工厂现场抽水实验证实这一观点。

Burbey（1999，2001，2008）指出含水层压缩产生的水平应变在地裂缝的形成中发挥着重要作用。含水层的释水压缩在垂直方向和水平方向均有体现，将仅考虑垂向应变的一维数值模型和考虑水平应变的二维模型作比较发现，随着时间推移，水平方向上的释水比例高达70%，由此产生的水平应力应变在盆地边缘、断层或基岩凸起附近易发生累积，容易诱发地裂缝形成。

2.3 “采水型地裂缝”的成因模式

通过对不同地区采水型地裂缝形成机制的研究发现，抽取地下水引发地面沉降灾害的地区，如果没有构造作用形成的隐伏断层，或下伏基岩面起伏等地质背景，单纯的地面沉降很难产生地裂缝。据此，Sheng等（2003）综合分析国内外各处地裂缝产生的各种地质条件，提出不同地质条件下产生地裂缝的四种成因模式：

“薄弱水平面模式”，含水层存在薄弱水平层面。在含水层中，层与层之间的接触面相对比较薄弱，当抽取地下水时，由于水平渗流力在接触面处产生剪切应力而发生剪切位移，当达到抗剪强度时便产生剪切破坏并使其差异变形，导致深部地裂缝产生。

“先期断层模式”，含水层中存在具有压性结构面的断层（逆断层）。当不透水性断层通过含水层时，由抽水引起含水层的水平压缩和垂直压缩，断盘两侧产生差异性位移，并导致先期隐伏断层复活或在断层附近形成新的垂向裂隙构造，若断层位于抽水形成的拉张区域内，则更容易形成裂缝例如：美国拉斯维加斯谷地、Picacho盆地和中国的西安地区，这些地区地裂缝明显受到断裂带的制约。

“基岩起伏模式”，含水层中存在基岩面起伏的情况。这种模型下有两种可能产生地裂缝的机理：一是基岩起伏导致上覆粘土层发生弯曲而在隆起两侧产生差异性垂向压缩，引起含水层出现水平拉伸并在含水层的最薄处形成拉伸带，当拉伸强度达到一定极限强度时便发生张性破裂。二是基岩起伏导致含水层水平位移受到阻碍，从而发生深部土体破坏。这种破裂可能出现在毗邻抽水井一方的基岩起伏附近，如果有两个抽水中心，破裂也可能出现在基岩起伏的上部，当这些破裂向上扩展到地表就产生地裂缝。例如美国亚利桑那州的卡萨格兰卡地区和中国的苏锡常地区，地裂缝的发生地区都位于基岩起伏曲率较大部位的上方。

“结构突变模式”，含水层结构突变。该模型中，含水层结构突变指的是含水层介质厚度在某处发生突然变化，该变化可能会引起含水层深部产生不同程度的垂直剪切或水平拉伸，并产生裂缝。一般来说，先期断裂和基岩起伏的存在也会引起含水层结构的非均一性。

Sheng等（2003）通过数值模拟对上述模型中影响地裂缝产生的因素进行敏感性分析得出，在不同的地质环境中影响地裂缝的形成因素是不同的。在模式一中，土层周围压力和含水层的埋深是影响地裂缝形成的两个重要因素。当含水层应力状态为拉张时，易产生张性断裂构造；在相同的抽水条件下，浅部含水层比深部含水层更容易发生拉张破坏。在模式二中，土层周围压力、断层的摩擦角和断层倾角成为引发地裂缝的重要因素。模拟计算证实，断层倾角为60°，断层的摩擦临界角为18°时，有利于地裂缝形成；若摩擦角增大可能会阻碍上覆地层产生拉张破坏，因此，低摩擦角有利于地裂缝的形成。在模式三中，含水层深度是影响地裂缝形成的重要因素。在其假定的模式条件下，当含水层深度大于200米时，地裂缝很难产生。在模式四中，土层周围压力和含水层的深度发挥重要作用，由于含水层的临界深度在不同的地质环境和水力条件下是不同的，因此深部含水层相对浅部含水层来说，不易产生地裂缝。

图1 中国地面沉降状况和地裂缝发育分布（徐继山，2012）Fig.1 Land subsidence and earth fissure distribution in China

3 中国“采水型”地裂缝的特征与成因分析

地裂缝在中国自古就有且分布范围甚广，早在几千年前就有关于地裂缝的记载，这些裂缝记载均为自然因素所致（陈立伟，2007）。1958年，中国第一条采水型地裂缝在西北大学校园内被发现（李永善，1986），其产生与当地大量抽取地下水有关。由于发育的地裂缝数量少，不具有区域性特征，因而未引起足够重视。随着社会经济不断发展，一些地区开始大量开采地下水来满足经济发展需求，导致地面沉降灾害的发生，并在地质结构中存在先期断裂、基岩凸起、含水层介质岩性突变的地区引发地裂缝灾害。目前在我国的山西、陕西、河北、河南、山东、安徽、江苏和北京等十余省市均有发育（图1），分布广泛。汾渭盆地、华北平原、苏锡常三个地区是地裂缝灾害较为严重的地区，同时也是地面沉降现象最为严重的地区。

3.1 汾渭盆地

3.1.1 地裂缝分布

汾渭盆地位于青藏、鄂尔多斯、华南、华北四大块体之间，总体呈NE-SW向的“S”型，由一系列新生代断陷盆地组成，是中国地裂缝发育最为强烈地区。自20世纪中、后期以来，汾渭盆地已有50余个县市，180处发现地裂缝，总计约500余条（彭建兵等，2007），其中尤以西安、大同、榆次、临汾、运城、三原、清徐等城市最为典型，同时也是由过量开采地下水引起地面沉降的严重地区。

西安市是汾渭盆地乃至全国范围内地裂缝灾害最为严重的地区之一。自1958年西安市发现第一条地裂缝以来，长安大学及西安市地调局等单位在地裂缝方面做了大量的地质研究工作。目前在西安市发现的地裂缝达14条，地表出露总长度约70 km，面积约155 km2，均近东西向横穿西安市区和郊区（图2）（彭建兵，2012），且地裂缝带在沉降区内几个较大沉降槽边缘的陡变地带显现，其发育过程与地下水开采密切相关。

3.1.2 地裂缝成因研究

在西安地裂缝研究的基础上，提出了多种成因学说，主要有隐伏断层蠕动成因（王景明，1989）、基底断裂活动成因（李永善，1986）、断块掀斜成因（张家明，1990）、主断裂伸展活动成因（彭建兵，1992）、内外动力耦合成因论（彭建兵，2012）和构造重力扩展成因（赵其华和王兰生，1995）等。上述学说中大多以构造作用作为背景来探索地裂缝的成因，其基本论点为：地裂缝形成于基底伸展构造的横向拉张应力场作用下，过量开采地下水为其重要的诱发因素。

图2 西安地裂缝分布图Fig.2 Earth fissure distribution in Xi’an

通过对西安地裂缝进行的大量野外调查、槽探以及浅层钻探等一系列地质工作，发现西安地裂缝与基底隐伏断层紧密相连（陈立伟，2007，王景明，1989），因此西安地裂缝的成因符合Sheng等（2003）提出的“先期断层模式”。但是控制西安地裂缝的基底隐伏断层具有一定的活动性，这与第四纪地层中发现的断层，其产状（走向NE-NEE，倾角70°）一致得到印证。王启耀等（2013）认为抽水作用下，先期断层倾角在50°～60°区间时，上盘岩土体稳定系数最低，最容易发生滑移，从而加剧了地裂缝的活动。在大量抽取深层地下水之前，西安基底隐伏断层的活动速率很小，不足以引起地裂缝。但过量开采地下水之后，水位快速下降，逐步出现沉降漏斗区，基底隐伏断层重新复活，导致地裂缝开始出现并呈现持续加速活动状态。

位于西安交警总队的F11地裂缝走向NE60°，倾角为80°，是西安地区活动最为强烈的地裂缝之一（彭建兵，2012）。根据GPS监测数据，2005-2008年，该地裂缝南北两侧的平均沉降速率分别为63mm/a和32mm/a，地裂缝两侧的差异沉降达到31mm/a，并分别以17.0 mm/a和8.4mm/a的年平均速率向西南、西北方向扩展。F11地裂缝的快速发展与地下水开采具有密切的关系，是地裂缝扩展的外动力因素。根据有效应力原理，抽水导致的有效应力的增加使含水层产生垂向和横向变形，由于先期断层的存在使断层两侧地层产生差异性位移，这些位移会导致先期隐伏断层重新复活，并在断层处形成新的垂向裂隙，并且向地表发展；若断层位于抽水形成的拉张区域内，则土体更容易产生破坏。

3.2 华北平原

3.2.1 地裂缝分布

华北平原由北部的河北平原与南部的黄淮平原组成，是中国地裂缝分布数量最多的地区（王景明，2000）。华北平原地裂缝分布具有区域上的成带性、局部的相对丛集性、扩展的方向性等特征，规模较大的地裂缝主要分布在近EW向（NWW向或NEE向）断裂带附近，地裂缝的发育受到构造断裂带的控制（徐继山，2012）。据调查显示，截止到2013年，仅北部的河北平原就有9市共出现裂缝839条（图3）（吕凤兰等，2014），主要分布在北京、保定、沧州、衡水、廊坊、邯郸、邢台、石家庄、河间等市，这些地区都是地面沉降的重灾区，具有多个大型水位降落漏斗，也是采水型地裂缝主要分布区。

图3 华北平原地裂缝分布图（据中国地调局内部资料，2013）Fig.3 Earth fissure distribution in North China Plain

3.2.2 地裂缝成因研究

针对华北平原“采水型”地裂缝成因问题，曾提出两种假说：古河道成因说（吴忱等，1991）与差异沉降成因说（邢忠信等，2004）。近几年，一些研究者对河北平原几处典型地裂缝进行详细的勘察，研究发现，由于断层长期缓慢活动形成与诸多断层相连的隐伏裂缝，过量地下水开采等人类活动使隐伏裂缝活动性增强并逐渐扩展至地表（李志明等，2010；徐继山，2012a，b）。李俊等（2003）、吕凤兰等（2014）、李世雄等（2006）等认为河北平原地裂缝形成与地震活动、断层蠕滑、地下水开采、岩溶塌陷等几种主要因素密切相关。邵长庆（2015）则从坳陷伸展构造环境出发，认为其为地裂缝发育提供了有利的拉张应力场条件，长期大量抽取地下水等工程活动为外部因素。综合来说，华北平原“采水型”地裂缝的成因属于断裂构造与地下水开采共同作用，即断裂构造为地裂缝的发育提供孕裂背景，一些地区大规模的抽取地下水改变土层中的应力应变状态，在拉张应力或剪切应力超过最大极限后沿断层面发生开裂。

华北平原隆尧地裂缝长度约36 km，是该地区规模较大的地裂缝之一，地裂缝走向主要为EW和NEE向，这与隆尧断裂构造走向基本吻合（图4）。宋伟等（2011）认为邢台断裂的长期蠕滑活动，以及人类对地下水的开采利用是形成隆尧地裂缝的主要原因。在构造上，隆尧地裂缝受控于下覆断裂带，其缓慢的长期的构造活动导致在一定深度范围内产生附加的伸展变形，这是一定的物质基础，随着地下水不断被开采，先期断层两侧产生不均匀沉降，造成深部断层附近拉张应力集中，当拉张应力超过一定极限便形成隐伏裂缝，随着抽水活动持续进行，不均匀沉降进一步发育，隐伏地裂缝向上延伸，最终出露于地表。据资料显示，隆尧地裂缝具有分段性特征，每段发生的时间点不同。东段出现在1966年邢台7.2级地震后，部分地裂缝曾经闭合，至今有些地段裂缝正逐渐趋于闭合状态，其影响并未持续到近期。中段、柏舍裂缝带20世纪80年代后出现，西段裂缝2000年显现，这三段地裂缝的的产生时间处于水位快速下降期（曹建玲等，2015）。据资料，20世纪70年代后至2010年，降落漏斗的地下水水位埋深已经从3～5m下降到60m左右（马学军等，2011），且地裂缝发生地位于地下水降落漏斗的边缘。骆祖江等（2013）通过全耦合模型模拟土体水平位移发现，在地面沉降漏斗的边缘区水平位移较大，属于地裂缝的高发区。综上所述，隆尧中段、柏舍裂缝带和西段地裂缝的发育主要由地下水的过量开采诱发，可以归为“先期断层模式”。

图5 苏锡常地裂缝分布图（刘聪等，2004）Fig.5 Earth fissure distribution in Su-Xi-Chang

3.3 苏锡常平原

3.3.1 地裂缝分布及成因研究

20世纪70年代后，苏锡常地区开始过量开采地下水，从而引发了严重的地面沉降灾害，造成严重经济损失。随着地面沉降的发展，于1989年在常州武进区发生第一条地裂缝，90年代地裂缝进入高发期，共发育20处，2000年以后又发生4处。截止到目前，苏锡常共发育地裂缝25处（图5），主要分布在常州武进区、无锡锡山区、江阴市及苏州张家港等地区。区内的地裂缝在地表的展布方向不一致，主要有NE（NNE）向，近EW、NW向三组方向，并呈密集的带状展布，同一组地裂缝带表现出平行断续延伸。17处NE向地裂缝与下覆基岩凸起走向基本一致，约占总数的68%。地裂缝带的宽度一般在30～100m，长度可达200～600 m，个别达1000 m以上（刘聪等，2004）。

苏锡常地区发育较厚的松散、高压缩性粘土层，由于受长期超量开采地下水的影响，第II承压含水层已形成较大范围的降落漏斗，漏斗中心水位埋深由20m（二十世纪六十年代）降至80m左右（1994年），最大沉降量已接近2000 mm（2000年）（Zhang etal.，2010）。1995年，政府开始实施地下水限采措施，之后水位下降速率变缓，地面沉降现象得到明显控制，最大沉降速率由1994年的110 mm/a逐渐降至2006年的10～20 mm/a，局部地裂缝活动速率减缓，地裂缝数目不再增多，但部分地裂缝仍处于活动之中。曾经有过强烈活动的江阴河塘地裂缝及石塘湾因果岸地裂缝现已基本得到控制，目前活动最强且持续扩张的地裂缝位于无锡市锡山区光明村杨墅里一带。

刘聪等（2004）将优势面理论结合地质统计分析法应用到苏锡常地裂缝成因机理研究中，查明了该地区地裂缝发生的影响因素后，采用聚类分析方法进行成因分类，将该地区分为基岩潜山、埋藏阶地、岩溶塌陷、土层结构差异、地下水综合开采五种类型。Wang等（2010）认为江阴河塘地裂缝的形成是基岩面起伏不平与长期过量开采地下水共同作用所致。Yu等（2006）利用三维地震勘探技术对因果岸地裂缝发生区进行地质勘探，运用地震数据反演地层结构及基岩面形态，查明粘弹性地层、基岩面起伏形态、含水层空间分布差异是地裂缝产生的地质条件，而人为过量开采地下水则是外部因素。第四纪海侵海退影响使该地区海陆过渡相沉积的硬塑-可塑状粘土层分布较厚，构造背景控制着地裂缝的发育。

3.3.3 光明村杨墅里地裂缝研究

（1）地裂缝分布

光明村杨墅里地裂缝最初发现于1998年，2000年后在水渠巷、汤家里、徐家住基、基家坝4个村相继发现地裂缝。2007年前后，地裂缝灾害处于最严重时期，原有的地裂缝进一步变宽。杨墅里地裂缝呈北东向贯穿于杨墅里村的南部和东部，在村南的41号住宅和村东的25号住宅附近，地裂缝破坏最为严重（图6，7）。位于村南的杨墅里村41～44号是主地裂缝区，该处地裂缝走向48°，长度100m，影响宽度达20m，地面呈凹槽状，裂缝带西侧比东侧下沉近0.3m，造成多处房屋墙体出现裂缝，部分房屋倾斜，门窗变形，造成了大量的危房。

图6 光明村杨墅里地裂缝分布及水准线示意图Fig.6 The distribution ofearth fissureand leveling survey line in Yang Shuli,Guangming Village

图7 光明村杨墅里地裂缝形迹及房屋破坏现象（左：41号和右：43号）Fig.7 Earth fissuresand damaged houses in Yang Shuli,Guangm ing Village

（2）地裂缝动态

为获取地裂缝活动的定量数据，江苏省地质调查研究院自2009年6月开始对杨墅里地裂缝进行定期监测，并在横跨地裂缝方向上布置了3条水准测量剖面（图6）。由杨墅里A-A’剖面水准测量结果显示（图8），杨墅里43号西侧（图6，DL4点）地面沉降速率最大，可达5mm/a，2009年6月至2013年12月累积沉降量约20mm，而相邻的DL2点仅有微量沉降，两点间差异沉降达16mm（图8）。此外，DL4和DL6点之间也存在约7mm的差异沉降。水准测量成果充分反映地面沉降由东向西具有明显的差异分布规律。由于本地没有绝对稳定的沉降参考点，上述观测到的沉降量只是相对值，实际沉降量应更大。

图8 光明村杨墅里地裂缝形变A-A’剖面Fig.8 The deformation of A-A'crosssection in Yang Shuli, Guangming Village

4 地裂缝成因分析

通过对无锡光明村历史地下水位，基岩面起伏及地裂缝的发生及发展进行研究，发现三者具有较好的时空相关性（Wang et al.，2009，2010，武健强等，2013，刘聪等，2004）。根据地层剖面资料（图9），光明村基底岩性为石英砂岩，基岩面埋深在70～160m间，起伏较大。杨墅里所在位置是基岩隆起区，山脊最浅埋深70m左右。光明村基底分别向NWW和SEE方向倾斜，地裂缝发育的走向NE，与下伏基岩山脊走向一致。受基底起伏影响，含水层厚度分布不均，杨墅里以西一带第Ⅱ承压含水层相对发育，杨墅里浅部地下含水层系统（微承压层）相对发育，第II承压含水层（埋深70～160m）在基岩凸起附近发生尖灭乃至消失，含水层空间结构表现出较大的差异性，这为差异性沉降的形成奠定了基础。

学术期刊是发布和传播科研成果的重要平台和媒介，以推动社会进步为己任，对传播科研成果、促进科学技术发展发挥了重要作用。

光明村地下水位下降受到周围地下水开采的影响，光明村以北的河塘镇一带第Ⅱ承压含水层超采导致水位降落漏斗不断扩大，逐渐影响到光明村境内。1998年，光明村地表发生第一条地裂缝，此时正处地下水位快速下降期（下降速率为10m/a）（图10），同时还受含水层厚度分布的差异性以及基底起伏影响，三重因素共同作用下导致了差异性沉降，从而诱发地裂缝产生，之后水位下降速率变缓，地裂缝也处于缓慢活动中。地裂缝的产生受到基岩起伏等地质背景条件的控制，再加上土层的沉积条件复杂，含水层本身结构存在很大的空间差异性，含水层的厚度和富水性的不同，导致人类开采活动特征及强度时空差异性。在含水层富水性好的区域，相应的开采强度也较大，水位下降速度快，进而出现应力应变分布的空间差异性，导致垂向或水平方向的差异性变形，进而诱发地裂缝形成。

图10 光明村附近观测孔地下水位变化Fig.10 Groundwater level changeswith time in Guangm ing Village

关于光明村地裂缝成因机理主要有两种：其一，基岩起伏导致上覆土层结构和厚度突变，过量开采地下水导致基岩凸起两侧产生明显的差异性垂向压缩，而差异性垂向压缩引起土层产生水平拉伸并在土层最薄处形成拉伸带，当拉伸达到破坏强度时便会发生土层破裂。其二，当开采地下水后，含水层产生压缩释水，包括水平方向上和垂直方向上的压缩释水，随着开采时间的推移，含水层的水平方向的释水量逐渐增大，由此产生的水平应变力传播到基岩隆起处而受阻，为地裂缝的产生创造了有利条件。从光明村地裂缝的形成和发展过程，可以充分说明该区地裂缝受控于基底岩层的起伏并与水位动态变化密切相关，属于典型的采水型地裂缝。

5 结论

中国“采水型”地裂缝的成因可归纳为由隐伏断层、或基底基岩起伏与过量开采地下水共同作用的结果，两种因素缺一不可。其中先期断层或基底基岩起伏对地裂缝的发育和分布起着控制作用，而过量开采地下水是地裂缝产生的直接诱发因素。但不同地区地裂缝特征和成因又存在明显的差异性，总体来说遵循两种成因模式，即“先期断层模式”和“基岩起伏模式”。

汾渭盆地和华北地区采水型地裂缝分布与先期断层的分布在空间上具有高度一致性，抽水引起地裂缝可能由两种机理分别或共同作用导致：一是断层的不透水性使含水层系统的水平压缩量和垂直压缩量在断层两侧产生差异，差异位移会导致先期隐伏断层重新复活或在断层处形成新的裂隙构造，随着抽水继续，这些裂隙向上发展，一般在暴雨过后裸露于地表形成地裂缝。二是含水层的释水压缩更趋向于水平方向的压缩，过量开采地下水产生的水平应力应变在遇到阻碍其传播的断层边界条件时，便会发生应变累积导致地裂缝形成。

苏锡常地区采水型地裂缝成因总体属于“基岩起伏模式”，可能存在两种机理分别或共同作用导致地裂缝的发生：一是基岩起伏导致上覆土层结构和厚度突变，过量开采地下水导致基岩凸起两侧产生明显的差异性垂向压缩所致；二是过量开采地下水产生的水平应力应变在遇到阻碍其传播的基岩凸起时，便会在此发生累积导致形成地裂缝萌发的有利条件所致。此外，水平渗流力土体颗粒的拖拽作用也可能在土层深部形成拉张性应力区，在上述两种情况下，会进一步加剧地裂缝的形成。

“采水型”地裂缝的成因机制是非常复杂的，不论受控于先期断层、还是基底起伏，都还包含了受控于含水层系统结构的空间差异性，进而控制了人类采水活动特征及强度的时空差异性，地裂缝的形成受到多重因素的制约。本文综合前人研究结果对中国采水型地裂缝的特征和成因进行了定性分析，这将为科学布设地裂缝监测系统、构建模拟地裂缝的数学模型提供必要的理论依据。

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Featuresand M echanism sof Earth Fissures Induced GroundwaterW ithdrawalin China

WANG Yiwei1，YE Shujun1*，YU Jun2，GONG Xulong2
1.Departmentof Hydrosciences,Schoolof Earth Science and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210023，Chian; 2.Key Laboratory of Earth FissureGeologicalGazard of Land and Resources,instituteofgeologicalsurvey in Jiangsu,Nanjing 210000，China

Excessive exploitation of groundwater in China has induced serious earth fissure hazards,which can cause significant damage and heavy economic losses,and has received significant attention.In recent decades,mechanisms of earth fissures induced by groundwaterwithdrawalhave been studied by researchersworldwide andmany remarkableachievementshave been accomplished.The results of previous studies were analyzed in this article firstly and then the mechanisms of earth fissure induced by excessive exploitation of groundwater were summarized and categorized as differential subsidence,horizontal tensile strain,and Four Earth Fissure Formation ConceptualModels.Then the distribution ofearth fissures,development featuresandmechanismsof earth fissures in three regions(i.e.,the Fenwei Basin,North China Plain and Su-Xi-Chang in China)where typical“groundwater-withdraw-induced”fissures developed,were elaborated,and a typical earth fissurewas chosen to analyze its cause.Results indicate that earth fissures in the FenweiBasin and North China Plain weremainly caused by pre-existing faultsand excessively ground water exploitation,while the fissures in the Su-Xi-Chang region were generally induced by a“bedrock ridge”below the aquifer and excessively ground water exploitation.Differentialcompactionand horizontalstrainmechanismscausingthedevelopmentofsuchearth fissureswere thenexplained.

earth fissure;groundwaterwithdrawal;mechanism;FenweiBasin;North China Plain;Su-Xi-Changarea

YEShujun,Professor;E-mail:sjye@nju.edu.cn

P641

A文献标识码：1006-7493（2016）04-0741-12

10.16108/j.issn1006-7493.2015259

2016-01-08；

2016-07-27

本文为国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室开放课题（2014003）；国土资源部公益项目（201411096）；江苏省自然科学基金（批BK2012730）；国家自然科学基金项目（41272259）联合资助

王艺伟，女，1991年生，硕士研究生，主要从事地下水和地面沉降数值模拟的研究；E-mail：wangyiwei1005@126.com

*通讯作者：叶淑君，教授；E-mail：sjye@nju.edu.cn