中国地裂缝发育规律与运动特征研究*

2020-10-29乔建伟彭建兵郑建国卢全中刘争宏夏玉云孟振江王飞永赵俊彦

工程地质学报 2020年5期

乔建伟彭建兵郑建国卢全中刘争宏夏玉云孟振江王飞永赵俊彦

(①机械工业勘察设计研究院有限公司，西安 710043，中国)(②陕西省特殊岩土性质与处理重点实验室，西安 710043，中国)(③“三秦学者”岗位科研创新团队，西安 710043，中国)(④长安大学地质工程系，西安 710054，中国)(⑤长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，西安 710054，中国)

0 引言

地裂缝一种常见的地表岩土破裂现象，其几何形态、延伸长度和发育宽度变化较大，地表表现为潜蚀缝、塌陷坑、张裂纹、错断、拉断和陡坎等表生灾害(Ayalew et al.，2004；徐继山等，2012；乔建伟等，2015a)。目前已在世界上很多国家和地区出现地裂缝灾害，包括美国、中国、印度、墨西哥、意大利等国家(Leonard，1929；Rudolph et al.，1991；Ei Baruni，1994；Allis，2000；彭建兵等，2007；Gaur et al.，2015)。

地裂缝是中国的主要地质灾害之一。有文献记载的中国地裂缝最早可追溯至4400年前(古地裂缝)，但目前研究的中国地裂缝主要指新中国成立以来出露地表的现代地裂缝，其最先发现于50年代的西安市(耿大玉等，2000)。王景明(2000)调查并统计了1950～2000年期间发育在中国的4000余条地裂缝，发现其主要分布在全国的18个省市区。2000年以后，中国地裂缝发育规模和发育数量持续增加，其造成的灾害也逐年加重(乔建伟，2018)。如我国河北平原，1950～2000年间累计发现地裂缝700余条(王景明等，2000)，造成的经济损失约为6.8亿元，而至2015年，已累计发现1100余条地裂缝，造成的经济损失累计超过24亿元；1950～2000年期间，西安累计出露10条地裂缝，总长度约82ikm，影响面积约120ikm2(Lee et al.，1996)，而至2011年，西安地裂缝已增加至14条，总长度超过150ikm，影响面积达270ikm2(彭建兵等，2012)。

目前，我国学者对中国不同地区不同类型地裂缝开展了大量研究并取得了一系列重要研究成果。长安大学彭建兵教授团队系统研究了西安地区、汾渭盆地和华北平原地裂缝的分布规律、成因机理、致灾机制和防灾减灾技术，提出盆地构造、断裂活动、超采地下水、黄土湿陷和古河道坍塌等因素是西安地区、汾渭盆地和华北平原地裂缝形成的主要因素(彭建兵等，2008，2017；乔建伟等，2015b，2017；Xu et al.，2015，2019；Peng et al.，2016a，2018a，2018b，2020a，2020b；Qiao et al.，2018；Wang et al.，2019a，2019b，2020；闫钰丰等，2018；Lu et al.，2019；Zang et al.，2019)。中国地质大学(北京)及其他科研院所的研究学者详细研究了北京地区地裂缝的分布规律和成因机理，发现北京地裂缝主要分布在六大区域，提出地裂缝的影响因素主要包括基底构造、活动断裂和超采地下水(赵忠海，2006；杨涛等，2010；马超，2011；刘芳翠等，2016；赵龙等，2018)。南京大学、江苏地调院和其他地勘单位的研究学者系统研究了江苏省地裂缝的发育规律和成因机理，发现地裂缝主要分布在地面沉降边缘，提出下伏基岩起伏、超采地下水和采矿是该区地裂缝的主要影响因素(Wang et al.，2008，2009，2010，2016a；Ye et al.，2015；王艺伟等，2016；龚绪龙等，2018；李莎等，2018)。

综上所述，虽然我国对不同地区地裂缝取得了很多研究成果，但还未开展中国整体地裂缝发育规律和成因机理的系统研究。为此，本文基于大量的野外调查和地质测量，讨论并概述了中国地裂缝的空间分布和发育规律；在此基础上选择典型地裂缝开展地质勘探研究，划分了中国地裂缝的运动特征，可为后期分析中国地裂缝成因机理提供参考。

1 中国地裂缝的空间分布

21世纪以来，中国地裂缝的发展趋势持续增加，表现为已有地裂缝的不断延伸和新地裂缝的不断出现。至2015年，已在全国25个省和3个直辖市的4000余处累计发现地裂缝5000余条(图1)。从图1可以看出中国地裂缝主要分布在华北地区和华南地区的长江三角洲，其发育数量和造成的经济损失比例分别约为81%和98%(表1)。根据地貌类型不同，华北地区地裂缝又可分为汾渭盆地地裂缝和河北平原地裂缝。因此，我国地裂缝主要分布在汾渭盆地、河北平原和长江三角洲，其地裂缝灾害也最为严重，造成的经济损失约占总经济损失的80%。此外，我国的巨型地裂缝(长度大于1ikm)主要分布在华北地区的汾渭盆地和河北平原(表1)。其中单条延伸最长地裂缝、发育最长地裂缝带和影响面积最大地裂缝群均发育在汾渭盆地和河北平原。如延伸最长的隆尧地裂缝，累计长度39ikm，连续穿越河北平原的13个村庄(Peng et al.，2016c)；发育地裂缝最长的交城断裂带，位于太原盆地西侧，其沿线断续发育地裂缝累计长度46ikm(孟振江，2012)；发育在西安的14条近平行展布的地裂缝影响面积约270ikm2(Peng et al.，2016b)。

图1 中国地裂缝分布图

表1 中国地裂缝统计表(据乔建伟(2018)修改)

1.1 汾渭盆地地裂缝

汾渭盆地位于华北地块的中西部地区，其南倚秦岭山脉，北接阴山—燕山山脉，西靠鄂尔多斯台地，东侧以太行山—中条山为界与华北平原相连，总体呈NNE向，且平面上呈“S”型展布；其有5个次级盆地包括渭河、运城、临汾、太原和大同盆地串联而成，北起大同市，南至宝鸡市，全长1200ikm，宽30～60ikm。汾渭盆地是中国大陆内一条重要的拉张断陷带和地震构造带，其盆地构造活动具有以下特征：(1)盆地带基底形态复杂，(2)盆地带结构复杂，(3)盆地构造活动十分强烈，(4)各次级盆地自上新世持续沉陷至今。汾渭盆地8级以上地震发生2次，7～7.9级地震发生6次。新中国成立以来发现的首例现代地裂缝即出现在汾渭盆地南端的西安市西北大学校内，随后扩散至整个汾渭盆地并持续活动至今(Li et al.，2000)，截止至2015年野外调查累计发现地裂缝总数612条，其分布在汾渭盆地60余个县市的400余处(图2)。这些地裂缝导致沿线农田开裂、公路错断、房屋破坏，造成了大量的经济损失。该区地裂缝主要发育在地面沉降较为严重的断裂沿线，常与地面沉降相伴生，平行于断裂走向，延伸较长，规模大，两侧差异沉降明显(彭建兵等，2017)。

图2 汾渭盆地地裂缝平面分布图

1.2 河北平原地裂缝

河北平原位于华北地区东侧，夹于太行山和鲁西隆起之间，是中国的腹地，包括京津冀的全部平原区。河北平原现今地震活动性强且发生频率高，已发生过多次破坏性地震，如1966年邢台7.2级大地震和1976年唐山7.8级大地震不仅造成了大量的人员伤亡，还产生了大量的地面裂缝(徐煜坚等，1985)。河北平原现代地裂缝最早于1963年出现在邯郸市(李世雄等，2006)，随后扩展至华北平原京津冀地区并持续活动，至2015年调查累计发现地裂缝1110条(图3)。因此河北平原也是我国地裂缝发育条数较多、灾害较为严重的地区之一。与汾渭盆地地裂缝相比，河北平原地裂缝的影响因素和发育类别多且活动差异性大，地裂缝分区明显，主要分布在太行山前、冀中坳陷、沧县隆起和临清坳陷4个区域，其他地区零散分布(徐继山，2012，骆祖江等，2018)。

图3 河北平原地裂缝分布图

1.3 长江三角洲苏锡常地裂缝

长江三角洲苏锡常地区是指环绕太湖的苏州、无锡和常州组成的平原区。有记载的长江三角洲地裂缝最早于1989年出现在常州市(刘聪等，2004)，至2015年已发展至25条(图4)。该区地裂缝主要伴随地面沉降而出露地表，一般延伸长度和差异位错均较小，活动强度也较汾渭盆地和华北平原要小的多；但该区全区经济发达，是我国最富饶的都市圈之一，因此该区地裂缝造成的经济损失也较严重，关于该区地裂缝的研究程度也相对较高(Zhang et al.，2010；Ye et al.，2015；王艺伟等，2016)。地质调查与勘探结果表明该区地裂缝发育长度基本小于1ikm，地裂缝与地面沉降伴生，主要分布在地面沉降边缘，地裂缝走向平行于地面沉降等值线，地表活动以水平拉张变形为主，也会表现出一定的竖向位错，但地裂缝发育深度较浅，向下延伸一定深度即尖灭。

图4 (a)长江三角洲苏锡常地裂缝与地面沉降分布图(据Ye et al.，2015修改)和(b)无锡市光明村地裂缝错断地面

2 中国地裂缝的分布规律

通过对225幅地裂缝分布图和102幅地裂缝灾害图分析，发现这些地裂缝尽管在展布特征、发育规模、运动特征和灾害特征等方面有很大差异，但其分布具有明显的群集性和区带性。中国地裂缝的分布表现出以下明显的规律性：即沿断裂带集中发育、顺地貌变异带展布、与地面沉降相伴生、在黄土湿陷区散布和大中城市群发。

2.1 地裂缝沿断裂带集中发育

中国地裂缝沿活动断裂带集中发育主要表现为地裂缝主要分布在断裂带两侧一定范围内，特别是断裂带上盘1ikm以内地裂缝发生频率高。如目前中国地裂缝密度最大的区域即位于渭河盆地北缘口镇断裂带上盘，受口镇—关山断裂影响，该断裂带上盘断续发育69条地裂缝，这些地裂缝均位于断裂上盘4ikm以内，其中35条地裂缝走向平行于断裂走向(图5a)，34条地裂缝与断裂斜交。太原盆地西缘交城断裂带上盘断续发育43条地裂缝，这些地裂缝均位于交城断裂上盘5ikm以内，地裂缝均平行于断裂走向，断续延伸46ikm(图5b)。此外，中国最长的单条地裂缝——隆尧地裂缝，发育在内巨断裂上盘；运城盆地东缘5条近似平行的地裂缝，均发育在中条山断裂上盘。

图5 地裂缝沿断裂带集中发育图

2.2 地裂缝顺地貌分界线展布

中国地裂缝顺地貌分界线展布表现为地裂缝发育在地貌分界线两侧一定范围内，且地裂缝走向平行于地貌分界线走向。如西安地裂缝群，全部发育在黄土梁与黄土洼地之间，地裂缝走向平行于黄土梁与黄土洼地分界线走向且地裂缝始终与黄土梁相伴随(图6a)。大荔县安仁镇80条地裂缝均发育在渭河阶地分界线两侧500im以内，地裂缝走向与地貌分界线平行(图6b)，这些地裂缝均破坏沿线大量的基础设施。此外，内蒙古河套盆地地裂缝均沿河流阶地前缘展布(He et al.，2017)，运城盆地半坡地裂缝沿青龙河谷地堑后缘展布(Qiao，2018)。

图6 地裂缝顺地貌分界线展布图

2.3 地裂缝与地面沉降伴生

如图1所示，中国地裂缝发育的地区其地面沉降也较为发育。根据地质调查及监测资料显示，中国地裂缝发育带多与近些年不断加剧的地面沉降区相伴而生，地裂缝常出露于地面沉降的边缘。如发育在苏锡常地区的25条地裂缝，尽管其走向不同，但均分布在地面沉降的边缘地带(图4)。汾渭盆地2008～2010年InSAR监测结果表明其地裂缝基本都分布在沉降量较大的区域且地裂缝走向多平行于地面沉降等值线，地裂缝灾害严重的区域其累计地面沉降量也较大，如渭河盆地西安地裂缝、运城盆地青龙河谷地裂缝、临汾盆地杨家庄地裂缝、太原盆地交城断裂沿线地裂缝和太谷—祁县地裂缝均发育在地面沉降严重区域(图7)。

图7 汾渭盆地地裂缝与地面沉降分布图

2.4 地裂缝散布于黄土湿陷区

中国西北地区是世界上黄土分布较为广泛的地区之一，由于黄土具有典型的湿陷性，随着西北地区水渠的大量修建和农田灌溉，导致黄土产生不均匀的湿陷沉降进而产生了湿陷型地裂缝，这些地裂缝一般只发育在水渠或水坑四周一定范围内，走向与水渠或水坑平行，表现为零散地分布在黄土湿陷区。如渭河盆地大荔县北堡村16条地裂缝走向不一地分布在洛惠渠南侧，但其走向受水渠走向所控制(图8)。此外，汾渭盆地广泛发育的地裂缝也主要出现在黄土地区，如汾渭盆地的峨眉台地，其中13条地裂缝发育不集中，零散的分布于台地内部(赵俊彦等，2018)。

图8 陕西省渭南市大荔县北堡村地裂缝分布图

2.5 地裂缝在大中城市群发且规模大

中国地裂缝灾害表现为在大中城市群发，如汾渭盆地的西安市、运城市、临汾市、太原市和大同市等地裂缝灾害的规模均大于周边乡镇地裂缝的规模。河北平原的北京市、天津市、邯郸市和衡水市等地裂缝灾害的规模均大于周边乡镇地裂缝的规模。长江三角洲地区地裂缝主要集中在苏州市、无锡市和常州市。如渭河盆地西安市14条地裂缝均为巨型地裂缝，累计长度157.9ikm；大同盆地大同市11条地裂缝有10条为巨型地裂缝，累计长度33.4ikm；北京市发育113条地裂缝集中发育在7个区域，其分布面积约占北京土地面积的1%(图9)。

图9 (a)大同市地裂缝分布图和(b)北京市地裂缝分布图(据Peng et al.，2020a修改)

3 运动特征

通过分析36个槽探揭示的地裂缝浅部结构特征，发现这些地裂缝的运动特征可划分为4种类型：即拉张型、拉张-剪切型、剪切-拉张型和剪切型，其中拉张型和拉张-剪切型地裂缝以水平拉张运动为主，剪切拉张型和剪切型地裂缝以竖直差异运动为主。

3.1 拉张型地裂缝

拉张型地裂缝是指地裂缝在浅表部近直立，地裂缝的张开量随着深度的增加而逐渐减小直至尖灭，但地裂缝两侧地层无明显位错。如临汾盆地果场地裂缝探槽揭示地裂缝在剖面上近直立，倾角约88°；地裂缝上宽下窄，呈“喇叭”状，上部最宽达80icm，向下延伸至1im处变为20icm，延伸至4im处变为2icm，延伸至8im处不足1icm(图10)。此外，王艺伟等(2016)研究结果表明长江三角洲地裂缝的运动特征以水平拉张为主。

图10 临汾盆地果场地裂缝剖面图

3.2 拉张-剪切型地裂缝

拉张-剪切型地裂缝是指地裂缝在浅表部兼具水平位移和竖向位移，地裂缝的张开量随着深度的增加而逐渐减小，且地裂缝两侧地层的位错量随深度的增加也逐渐减小，地裂缝向下延伸一定的距离后尖灭。如渭河盆地西白村地裂缝探槽揭示地裂缝在地表兼具水平位移和竖向位移，地裂缝在地表水平张开量40icm，向下延伸至2im变为5icm，延伸至3im变为1icm，延伸至8.5im处即尖灭；地裂缝在地表位错量为20icm，延伸至8im古土壤位错量变为0icm(图11a)。此外，Wang et al.(2010)通过研究，揭示苏锡常地区河塘地裂缝地表位错量30icm，延伸至1.5im处地裂缝位错量变为15icm，且地裂缝两侧出现明显的剪切带，地裂缝地表张开量10icm，延伸至1.5im变为2icm(图11b)。

图11 拉张-剪切型地裂缝剖面图

3.3 剪切-拉张型地裂缝

剪切-拉张型地裂缝是指地裂缝在浅表部近直立且兼具水平位移和竖向位移，地裂缝向下延伸的过程中发生倾斜且地裂缝两侧地层的位错量随深度的增加而逐渐增加，但是地裂缝的张开量却随深度的增加而逐渐减小。如渭河盆地西安f4地裂缝(图12a)和运城盆地西董村地裂缝(图12b)。西安f4地裂缝在浅表部近直立且兼具水平位移和竖向位移，地裂缝在地表位错量为30icm，延伸至2.5im增加至50icm，延伸至4.5im增加至70icm，延伸至8im增加至150icm；然而地裂缝在地表的张开量为40icm，延伸至2.5im减小至25icm，延伸至4.5im减小至15icm，延伸至8im减小至10icm。运城盆地西董村地裂缝在浅表部近直立且兼具水平位移和竖向位移，地裂缝在地表位错量为30icm，延伸至2.6im增加至200icm，延伸至5.2im增加至400icm；地裂缝在地表张开量80icm，延伸至1.5im减小至20icm，延伸至3im减小至5icm，延伸至5im减小至2icm，延伸至6im减小至1icm。

图12 剪切-拉张型地裂缝剖面图

3.4 剪切型地裂缝

剪切地裂缝是指地裂缝在浅表部具有一定的倾角，地裂缝以竖向位移为主且无明显水平位移，地裂缝两侧地层的竖直位错量随深度的增加而显著增加，地裂缝两侧局部地层具有牵引现象和剪切破裂带，表明地裂缝以剪切运动为主。如大同盆地石庄村地裂缝，探槽剖面揭示地裂缝在近地表产状为275°∠80°，地裂缝在浅地表无明显水平位移，但竖向位移为10icm，向下延伸的过程中两侧地层的位错量逐渐增加，延伸至1.5im增加至15icm，延伸至2.7im增加至20icm，延伸至6im增加至25icm，延伸至7.5im增加至70icm，延伸至8im增加至150icm(图13a)。此外，地裂缝具有明显的剪切面，两侧地层发生一定的变形，表现出牵引和拖拽现象(图13b)。