运城盆地和峨眉台地地裂缝基本特征

赵俊彦，王海刚，卢全中，乔建伟

(1.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054；2.中国地质环境监测院，北京 100081)

0 引言

地裂缝指地表岩土体中产生的线形(带状)分布的破裂现象，是由内、外动力作用和人类活动等引起并在地表形成破裂的一种特殊地质灾害[1-2]。地裂缝按照成因一般分为构造地裂缝、非构造地裂缝和混合成因地裂缝三类[2]。世界上地裂缝广泛分布，美国、墨西哥、印度、欧洲、非洲、澳大利亚及中国大部分地区都已相继发现地裂缝[3-9]。

人类对于地裂缝的研究距今已有90年的历史，自皮卡乔(Picacho)盆地1927年9月暴雨以后出现地裂缝，世界上众多学者开展了地裂缝的研究工作[10]。研究早期由于人们对于地裂缝的认识程度有限，认为地裂缝只受某一种因素的影响，如地下水开采、地震、构造断裂活动及湿陷性黄土等。在众多单一因素中超采地下水诱发地裂缝的研究成果最多，成因机制却不尽相同。Jachens和Feth等认为地裂缝的诱发因素是地下水开采致使地面沉降发生导致的差异沉降[11-12]；Jachens认为地裂缝的形成是地层压缩量不同引起的[13]；Lofgren和Helm等认为地裂缝开启的主要因素是水平渗透力[14-15]； Budhu、Bell和Sheng等将拉张应力、剪应力和扭应力认为是地裂缝产生的驱动力[16-18]；Budhu认为剪切和扭转的共同作用使岩土体表层破坏产生地裂缝[19]； Burbey提出地裂缝是由于含水压缩层的水平变形引起的[20]。

随着对地裂缝研究的逐渐深入，人们认识到单一因素理论不能充分解释地裂缝的成因机制，认为地裂缝是多种因素共同作用的结果，成因机制复杂多样。AYALEW L等通过研究认为断层蠕滑、水平渗透力和强降雨共同作用是埃塞尔比赛裂谷系地裂缝发生主要因素[21]；彭建兵等认为深部构造、断层活动、盆地伸展、抽水作用、表水渗透和黄土介质等是西安地裂缝的主控因素，渭河盆地地裂缝是活动断裂和人类活动共同作用的结果[22-23]；乔建伟等通过调查研究认为构造断裂、地下水开采以及强降雨的共同作用是山西果场地裂缝形成的主要因素[24]；徐继山等认为区域应力、活动断裂、超采地下水和地震共同作用是河北安平地裂缝产生的原因[25]。

运城盆地属于中国地裂缝发育较严重的大华北地区，介于山西断陷带与渭河断陷带之间，位于山西断陷带南部，渭河断陷带东北端，盆地走向北东，自形成以来一直以垂直断陷运动为主[26]。盆地内部的鸣条岗断裂、盐池断裂和临猗断裂将运城盆地分为多个次级块体[27](图1)。运城盆地现代地裂缝最早出现于20世纪40年代， 20世纪70年代以来，随着经济和人类活动的快速发展，地下水开采量增加，地裂缝发育加剧；特别是20世纪90年代以后，地裂缝的规模大、延伸长且破坏性大[28]。这些地裂缝一般串珠状裂缝、地裂沟或陷坑等形式出现，其活动特征以水平拉张、垂直差异变形和水平扭动为主。

图1 运城盆地及峨眉台地地裂缝分布与断裂分布图Fig.1 Distribution of ground fissures and fractures in Yuncheng Basin and Emei Platform图中A为绛县断凸，B为青龙河谷地堑，C为鸣条岗断凸，D为涑水河谷地堑，E为盐湖——永济断凹

运城盆地地裂缝的研究，始于20世纪80年代。王绍中等研究认为运城盆地半坡地裂缝是活动断裂在地表的延伸[29]；王景明和武强等对峨眉台地及鸣条岗隆起附近的地裂缝做了专门研究[30-31]。近年来，随着国家对地裂缝研究投入力度的加大和地裂缝发育区工程建设的开展，徐继山等研究了运城盆地地裂缝的成因机理和致灾作用[32]；刘海江等研究了大西客运专线沿线地裂缝的工程地质特征、分布规律、成因以及活动性，并进行了危险性划分[33]。

从以上研究可以看出人们对于地裂缝的研究多是关于某一局部地区地裂缝成因机理，而关于运城盆地地裂缝分布规律以及发育特征的研究较少。因此，本文基于大量的野外地质调查、地表测绘以及地质勘探等手段，从运城盆地地裂缝的发育时间、平面形态特征、剖面特征、空间分布以及活动特征等几个方面入手，详细分析了运城盆地地裂缝的发育特征，为以后该区地裂缝研究提供借鉴和并为土地规划提供科学指导。

1 地裂缝概况

运城盆地现代地裂缝最早出现于20世纪40年代，至2013年6月野外调查期间，共在运城盆地闻喜县、夏县、盐湖区、临猗县、永济市和万荣县6县(市)区累计发现地裂缝119条(带)(图1)、(表1)；地裂缝发育规模大，一般长度为100～2 000 m，最长达5 000 m，宽0.05～0.5 m，最宽达2 m，地裂缝所过之处，房屋墙体不同程度开裂，道路路基错断路面破坏，农田中出现串珠状的陷坑、裂缝并且下降，地裂缝灾害给人们的生产生活造成了严重威胁，制约当地的经济发展。

表1 运城盆地和峨嵋台地地裂缝统计表Table 1 Statistical of ground fissures in Yuncheng Basin and Emei Platform

2 地裂缝基本特征

2.1 地裂缝的分布特征

以往的研究表明地裂缝往往在某一地区集中发育，空间分布具有某种特殊的规律。本文通过野外地质调查和绘制图件发现，运城盆地地裂缝空间分布具有沿断裂带集中发育(图1)、顺地貌分界线展布(图2)、与地面沉降伴生(图3，图4)的特征。运城盆地地裂缝主要分布在中条山山前断裂和峨眉台地南缘-紫金山南侧断裂两侧，特别是在中条山山前断裂和鸣条岗断裂的上盘，地裂缝发育较多(图1)。

图2 青龙河谷地堑地裂缝平面展布图Fig.2 Distribution of ground fissures in Qinglong valley graben

从地裂缝与盆地内次级块体的关系分析发现，在鸣条岗断凸边缘及顶部发育大量地裂缝，峨眉台地南缘断裂两侧地裂缝分布较多，运城盆地盐湖——永济断凹中部局部地方地裂缝集中发育(图1)。地裂缝的分布又受超采地下水的控制，地裂缝发育地区的地下水抽取处于严重开采状态，地下水位下降明显。其地面沉降现象也较为严重，地裂缝多出露在地面沉降的边缘，表现为与地面沉降伴生的特征(图3)和2013年InSAR监测数据(图4)。

图3 运城盆地及峨眉台地地裂缝与地下水等水位线图Fig.3 Ground fissures and groundwater level in Yuncheng Basin and Emei Platform

图4 运城盆地地面沉降漏斗与地裂缝分布图Fig.4 Ground subsidence funnel and ground fissures distribution in Yuncheng Basin

运城盆地断裂带、地貌单元分界以及地面沉降控制着运城盆地地裂缝的分布方向，从地裂缝走向玫瑰花图可以看出NEE、NNE、NWW和NW向是其主要分布方向(图5)。NEE和NNE向地裂缝的分布与盆地边缘断裂带以及盆地内次级块体的方向一致(图1)，NWW和NW向地裂缝的分布和盆地内地下水降落漏斗边缘的方向较吻合(图3)。

运城盆地地裂缝具有良好的延伸性，以青龙河谷地堑地裂缝最为典型。该地区地裂缝最先发生在地堑西缘的陶村、半坡地区，随后裂缝向东逐渐扩展，最终出现5条NE—SW向近平行展布的地裂缝(图2)，延伸长度累计约27.6 km。从大量野外调查以及地裂缝大比例尺平面分布图可以看出运城盆地地裂缝的整体形态(宏观形态)主要有S型(青龙河谷地堑地裂缝)、V型(青龙河谷地堑地裂缝)、波浪型(鸣条岗断凸上盘塬前地裂缝)和直线型(鸣条岗断凸上盘塬前地裂缝)(图6a、图6b)。就单条地裂缝在地表的表现形式而言，地裂缝通常以裂缝沟、串珠状陷坑或陡坎的形式出露于地表(图6c，图6d)。

图5 运城盆地及峨眉台地地裂缝走向玫瑰花图Fig.5 Ground fissures rose map in Yuncheng Basin and Emei Platform

图6 地裂缝平面形态图及地裂缝灾害图Fig.6 Plane of ground fissures and geofracture hazard图a：夏县尉郭-中卫地裂缝(图2中f1);图b：夏县西董-大吕地裂缝(图2中f2);图c：夏县禹王村地裂缝图(图2中f4);图d：半坡地裂缝(图2中f5)。

2.2 地裂缝剖面结构特征

研究地裂缝的剖面特征往往可以直接反应地裂缝成因机制，因此本文以该区典型地裂缝为案例，详细研究了地裂缝的剖面结构特征。为确定地裂缝的剖面结构特征，在夏县尉郭村地裂缝和夏县西董村地裂缝开挖了槽探，并在夏县尉郭村布置工程地质钻探，很好的揭示了典型地裂缝的剖面结构特征。

(1)地裂缝探槽剖面

夏县尉郭村探槽(位于图2中f1地裂缝)共揭示7层地层，揭露出7条地裂缝(图7a)。f1为主裂缝，倾向SE，倾角较陡近于直立，裂缝上宽下窄，地表裂缝宽约50 cm，向下延伸至第7层砂土中(深9 m处)尖灭；f2为隐伏裂缝，与f1近平行，向上延伸至第5层粉质黏土层。f4～f7和f9为次级裂缝，f3～f6位于主裂缝北侧(上盘)，与主裂缝相距1.5 m，f9位于主裂缝南侧(下盘)，距主裂缝10.5 m，次级裂缝主要发育在第1 层耕植土层下部、第2层砂土和第3层粉质黏土层顶部，均未出露地表。尉郭地裂缝剖面上总体表现为倾角陡、裂缝开启性好、次级裂缝发育的特征，地裂缝破碎带宽度14.3 m。

夏县西董村探槽(位于图2中f2地裂缝)共揭示7层地层，揭露出2条地裂缝(图7b)。f1为主裂缝，倾向NW，裂缝上部倾角在第4层钙质结合层发生变化，上部倾角约87°，下部倾角约80°，地表宽约1 m，向下延伸至9 m处裂缝宽约5 cm；f2为次级裂缝，位于主缝南侧(上盘)，与主缝相距10 m，倾向SE，倾角约80°，发育于第3层粉质黏土层，向上 延伸至地表，地表宽约0.75 m，向下延伸过程中裂缝宽度逐渐减小，至5.5 m深处尖灭。西董地裂缝剖面上总体表现出上宽下窄，次级裂缝发育，且次级裂缝倾向与主裂缝相反，地裂缝影响带宽约11.75 m。

图7 探槽剖面图Fig.7 Profile map of trial trench

(2)地裂缝的钻探剖面

工程钻探显示，运城盆地地裂缝表现出同沉积断层性质，表明地裂缝是下伏断层的延伸。如f1地裂缝(位于青龙河谷，图2)共揭示15套地层，揭示两条地裂缝f1和f11(图8a)，f1为主裂缝，倾向南东，两侧地层错断明显，上部错距小，下部错距大，地表位错25 cm，第12层灰黄色砂层位错18.5 m， f11为f1次级断裂，发育在主裂缝的上盘，倾向南东，向下延伸与f1相交。又如f5地裂缝(位于鸣条岗断凸上盘，图2)共揭示8套地层，揭示两条裂缝f5和f51(图8b)，f5为主裂缝，倾向NS，两侧地层错断明显，上部错距小，下部错距大，其中地表位错30 cm，第1层古土壤位错1.7 m，第2层古土壤位错2.7 m，第3层古土壤位错2.9m，砂层顶界位错3.3 m，表现为同沉积断层性质，表明地裂缝是下伏断层的延伸。主裂缝的下盘发育次级裂缝f51，次级裂缝错断第2层黄土底界，未延伸到顶界，向下延伸的过程中依次错断第二层古土壤、第三层古土壤和砂层顶界，错距都为1.3 m。

图8 尉郭村地裂缝工程地质剖面图Fig.8 Engineering geological profile of ground fissures in Weiguo

(3)小结

分析尉郭探槽剖面和西董探槽剖面可以发现，探槽上盘远离主缝处均发育与主缝倾向相反的次级裂缝，发育层位与主缝相比较浅。地裂缝的剖面结构特征与地裂缝的成因及发育过程密切相关，运城盆地地裂缝受地质构造、地下水开采以及黄土湿陷等综合因素的影响[31,33]。地裂缝形成过程中上盘下降，浅部地层先沿垂向拉裂产生主裂缝，上层土体较松散，且容易受到雨水和自重等营力的影响，裂缝易开启，在剖面上呈上宽下窄，随着沉降的继续进行，拉裂缝向下逐渐扩展。随着主裂缝两侧上下盘的位错加大，致使下盘靠近主裂缝发育同倾向次级裂缝、上盘远离主裂缝发育反倾裂缝。地裂缝向深部延伸，位错量显著增加，具有明显的生长断层性质。因此，可以推测该地裂缝与隐伏断裂相连，是隐伏断裂延伸至地表的露头。

2.3 地裂缝的运动特征与活动特征

(1)运动特征

运城盆地和峨嵋台地地裂缝具有显著的三维运动特征：垂直差异运动特征、水平拉张运动特征和水平剪切运动特征。分析发现运城盆地地裂缝以垂直差异运动为主，水平拉张较少，地裂缝两侧差异沉降明显，表现为正断层式运动，上盘下滑，最大差异沉降达30 cm(图6b，图6c)；地裂缝的位错量随着裂缝深度的增加逐渐增加，表现出生长断层的特点(图8)；峨嵋台地地裂缝以水平拉张和水平剪切运动为主，无明显位错，水平拉张运动特征主要表现在湿陷性黄土受降雨等的影响，自重湿陷产生拉张作用，水平剪切运动特征主要表现在次级块体边缘，由于受到水平方向的挤压而产生的左旋(或右旋)性质的运动(图9)。

图9 地层水平错动致使建筑物错动(峨嵋台地)Fig.9 Building dislocstion caused by horizontal movement of strata

(2)活动特征

运城盆地地裂缝的出现时间具有明显的分段性，即地裂缝在某一时间段发育较少且地裂缝活动性较弱，而在另一时间段地裂缝发展迅速其活动性强，根据这一特征可将运城盆地地裂缝的出现时间划分为两个阶段。即从20世纪40年代到70年代末为第一个阶段，这一阶段地裂缝开始出现，但活动性较弱。20世纪80年代至2013年为第二个阶段，这一阶段地裂缝集中暴发且活动性强。此外，地裂缝的发育时间又可以细为1980年前、1981-1995年、1996-2005年和2006-2013年四个时间点。

表2 运城盆地地裂缝发生时间表Table 2 Occurrence of ground fissures in Yuncheng Basin

从表2中可以看出，运城盆地地裂缝大量发生在2005年以前，集中暴发在1981年到2005年之间，发育的地裂缝数量占总数的78.9%。如夏县的白张村南西地裂缝开始发生于1990年，西董村、禹王村地裂缝，开始发生于1995年。已有研究表明，运城盆地地裂缝的发生与超采地下水有密切的联系，且该地区地下水开采历史悠久，自20世纪80年代起超采地下水严重，地下水位急剧下降，降落漏斗所在的运城市年平均水位下降约3.25 m/a，降落漏斗逐年增大，使得地裂缝大量暴发[28,34](图10)，自此，地裂缝进入了快速发育期，表现为已有地裂缝的持续快速活动和新地裂缝的不断出现，如运城盆地青龙河谷地裂缝的f1和f2地裂缝开始出现于2000年左右，2013年调查时地裂缝造成的地表位错已达30 cm，平均活动速率达2.3 cm/a，最大活动速率达3～4 cm/a。

图10 运城盆地地下水降落漏斗与时间关系图Fig.10 Relationship between groundwater depression funnel and time in Yuncheng Basin

2.4 地裂缝的灾害特征

运城盆地地裂缝规模大、延伸长，地裂缝沿线农田、道路和房屋均不同程度的遭到了破坏，但是，对不同的对象，地裂缝造成的灾害类型却各不相同，本文选择地表土体、房屋建筑、水渠和道路等不同对象，具体分析地裂缝造成的各种灾害类型。

2.4.1地表土体的破坏特征

地表土体的破坏特征主要有剪切破坏、拉张破坏和水平错动破坏三种形式。

(1)剪切性质的破坏。这种破坏的特点是地面变形明显，裂缝开启，有明显位错，位错最大达30 cm(图6b，图6c)，地表裂缝窄，一般为1～5 cm。这种地裂缝在盆地边缘分布较多，裂缝的分布以及成因机理与盆地构造活动有显著关系，盆地受拉致使基底断裂形成正断层，诱使上覆土层在自重作用下逐渐变形破裂，在地表形成地裂缝。这种形式可以认为是受到剪切作用而产生的破坏。

(2)拉张性质的破坏。这种破坏地表主变形不明显，无明显位错，裂缝较宽，一般为0.5～50 cm。这种地裂缝大多分布在盆地内部，裂缝的形成受构造作用影响较小，其形成的力学机理为抽取地下水致使地下隐伏裂缝土体两侧产生差异沉降，且土体在自身重力的影响下产生沉降使得地表开裂(图7b)。

(3)挤压产生水平错动和隆起(图9b，图11)。这种地裂缝常分布在盆地或者块体边缘，其形成的力学机理是盆地或者块体受到水平挤压，隐伏断裂受水平挤压剪切作用，发生左旋(或者右旋)运动，致使隐伏断裂上覆土体发生同性质的运动，进而表层土体破裂产生裂缝。

图11 地面隆起Fig.11 Ground uplift

2.4.2房屋建筑物的破坏特征

地裂缝对房屋建筑物的破坏特征和建筑物与地裂缝的接触关系有密切联系，已有研究发现，地裂缝对地表破坏的影响范围可划分为上盘微变形区、主变形区和下盘微变形区等三个区域(图12)[35]。当房屋建筑物位于这三个不同的区域时，房屋建筑物的破坏特征也不相同。调查发现，运城盆地地裂缝对房屋建筑物的破坏特征多是以下几种模式。

图12 地裂缝变形区(据黄强兵)Fig.13 Deformation zone of ground fissure (According to Huang Qiangbing)

(1)构造活动或抽水致使地面沉降产生的地裂缝穿越建筑物。地裂缝主变形区的沉降量比为变形区大，微变形区上盘的沉降量比下盘的大。房屋建筑物跨越地裂缝时中间沉降量比两侧沉降量大，致使建筑物墙体由于受到竖向拉张作用产生斜裂缝甚至倾倒(图6a，图6b)。

(2)土层水平错动产生的地裂缝穿越建筑物。由于地表土体水平错动，地表建筑物受到水平向的张扭作用发生错动，致使井盖错断、电杆倾斜，最典型的时墙体会随土体水平运动方向发生倾斜，墙体上部的水平位错量大于下部，并且也会造成墙体上拱(图9a、图13)。

图13 墙体上拱Fig.13 Wall upwarp

(3)地裂缝未穿越建筑物，但建筑物在地裂缝影响带内。建筑物地基一侧在沉降区内发生沉降，一侧正常，致使建筑物墙体拉列、倾倒(图14)。

图14 未跨越地裂缝建筑物破坏示意图Fig.14 Buildings do not cross ground fissures are damaged

2.4.3道路以及水渠的破坏特征

道路与水渠属于线性工程，其破坏特征与地表土体破坏特征相似，其破坏主要是伴随地表土体的破坏模式而产生错断与拉裂(图15)。

图15 地裂缝致使道路、水渠发生破坏Fig.15 Road and drainage damage caused by ground fissures

3 结论与建议

本文通过详细的野外地质调查、测绘与制图总结了地裂缝的空间分布特征和平面展布特征，利用槽探和钻探等勘探手段揭示了地裂缝的剖面结构特征，运用GPS和InSAR监测手段分析了地裂缝的活动特征和运动特征，最后总结归纳了地裂缝对不同灾害体的破坏特征，最终得出的主要结论如下：

(1)运城盆地地裂缝灾害严重，据调查统计发现，运城盆地和峨眉台地共发育119条地裂缝，这些地裂缝沿断裂带集中发育，顺地貌分界线展布，与地面沉降伴生；地裂缝发育在时间上具有集中爆发性。

(2)地裂缝的平面展布特征具有定向性、成带性和延伸性，平面形态多以串珠状的陷坑、洞穴、地裂沟和裂缝等形式出现；地裂缝的剖面结构倾角较陡，下盘靠近主裂缝发育同倾向次级裂缝、上盘远离主裂缝发育反倾裂缝。

(3)地裂缝的运动特征主要以垂直差异运动、水平拉张运动和水平剪切运动三种形式。地裂缝的现今活动速率远远大于中条山的活动速率，地裂缝活动速率最大为3～4 cm/a，中条山断裂活动速率为0.9 mm/a[36]，表明地裂缝的现今活动受地下水超采影响明显。

(4)受地裂缝运动特征的影响，地裂缝对地表的破坏主要有垂直剪切型、水平剪切型和拉张型三种，地裂缝对地表的这三种破坏形式使得建筑物墙体开裂倾倒、道路开裂错断、农田出现陷坑等。

运城盆地地裂缝具有时间和空间上的分布特征，在空间上其平面特征和剖面结构特征又与其成因有密切关系，目前对于运城盆地地裂缝的成因研究已经做了大量工作，建议后面将地裂缝的运动特征与活动特征作为重点研究对象，重点区分正在活动的地裂缝和不再活动的地裂缝，在地裂缝的设防宽度以及减灾技术上多做研究。