内马铁路东非大裂谷区地裂缝发育特征及成因分析

李添才, 任文峰, 蒋富强, 王德文, 刘世东

(1.中交铁道设计研究总院有限公司，北京 100088； 2.中国路桥工程有限责任公司，北京 100088)

地裂缝是地表岩、土体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[1-3]。当该现象发展到一定规模并对人类活动产生一定影响，便可作为一种地质灾害[4-5]。研究地裂缝的分布规律和发育特征，防范地裂缝带来的地质灾害是人类长期关注的科学问题。由于形成地裂缝的成因通常比较复杂，不同区域的地裂缝可能具有一种或多种不同的形成机制，研究认为地球构造活动、地表水的作用和部分人类活动都可能是导致地裂缝的原因。20世纪50年代以来，中国地质学家和地球物理学家一直在探索研究地裂缝的产生机理和防范措施[6-10]。

根据地裂缝与构造活动关系，地裂缝通常划分为构造类和非构造类地裂缝，细分为地震裂缝、基底断裂活动裂缝、隐伏裂隙开启裂缝等8种[11-13]。研究认为，中国发育的各类地裂缝，除了地震裂缝和基底断裂活动的地裂缝，其他各类裂缝可控制和防御，甚至避免和根除。例如，研究查明：经过几十年的勘察、监测和防御，70%～90%西安地裂缝是地下承压水开采过度造成的坍塌和陷落，通过补水、限制开采和工程加固等措施，地裂缝灾害得到有效减轻。然而，对于地质资料严重缺乏的地区，地裂缝的研究程度较低，若开展地质工程建设，其地质灾害和安全评估亟待解决。

在建内(内罗毕)-马(马拉巴)铁路是中国“一带一路”的重要项目之一，设计使用周期为百年品质工程，具有重要的国际影响力。内马铁路是中国交建以集设计、施工、采购、运营维护一体化的总承包方式(engineering procurement construction，EPC)实施，并采用中国标准设计。内马铁路穿越东非大裂谷区，该区地裂缝十分发育，但地质资料匮乏，勘探资料空白，经过预可研和初测均难以评估内马铁路地裂缝场地的稳定性与安全性。卫星图像显示该区地裂缝常造成房屋、公路等建筑物塌陷、开裂，对在建的铁路存在较大的安全隐患[14]。为系统研究该区内马铁路沿线地裂缝特征，采用成熟稳健的综合物探技术、钻探和挖探等探测技术，进行综合勘探地质解释，探清内马铁路沿线的地裂缝分布，揭示内马铁路东非大裂谷区地裂缝产生原因，为内马铁路工程地裂缝灾害防治提供科学依据。

1 区域地质背景

在建内马铁路起于肯尼亚首都内罗毕，终于肯尼亚西部边境城镇马拉巴，途经东非大裂谷东支段裂谷区，如图1所示，放大图如图2所示。

图1 区域位置Fig.1 Regional location

图2 研究区地理位置Fig.2 Geographical location of the study area

东非大裂谷是世界上最大的断裂带[15]，它南起赞比西河下游，北至亚丁湾，长约3 000 km，区域上与红海原洋裂谷和亚丁湾新生海洋组成三岔裂谷带，是受该区地幔柱隆升作用使地壳发生张裂而形成堑式裂谷[16-17]。东非裂谷系分成东、西两支(图1)，东支位于非洲北部熔岩台地构成的高原之上，北起红海与亚丁湾交界处，南至坦桑尼亚境内在马拉维湖与西支相交，宽100～300 km。东支裂谷带大体走向为南北向，是世界上最大的断层陷落带，其具有典型的大陆裂谷特征，构造比较复杂。裂谷边缘为相互平行的阶梯状断层群，以正断层为主，断层延伸距离长、宽度大、间距较密[18]。强断裂活动发生在中新世，大幅度错动时期在上新世，并延续到更新世，目前仍然以每年2～4 cm的速度继续活动[19]。

研究区位于肯尼亚中部地区，横跨东非大裂谷东支肯尼亚段(图1)，该段自东向西经过东部熔岩高原区、裂谷区和西部熔岩高原区。其中，裂谷区两翼地势起伏较大，多悬崖峭壁，地势险峻；谷底区较为平坦，多火山，冲沟下切严重。裂谷区地层主要为第四系沉积岩和火山岩，分布于裂谷和裂谷两翼火山熔岩流区。区内盖层和基岩出露程度差异较大[20]。其中，第四系覆盖层分布不均，在谷底区和两翼沟谷内分布较厚，其他地段较薄；第四纪火山岩主要分布于裂谷两翼山区，风化层厚度较大，且风化不均匀。另外，新近纪火山岩层研究区也有出露。图2内马铁路线路展布图上，DK68—DK108是内马铁路东非大裂谷东支段裂谷区，经过详细勘察，其中DK68—DK80是地裂缝发育区，是研究的重点范围，如黄色框图部分。

2 数据采集与研究方法

东非大裂谷具备发育地裂缝的地质和水文条件，研究评估发现地裂缝不同对工程产生了不同程度的危害。图3为研究区内新发生的地裂缝分布。在2018年3—5月大雨季期间，裂谷区出现多处地裂缝，其中比较大型的分别为B3公路地裂缝、DK75附近的地裂缝，因B3公路距离铁路较远，对线路影响较小，重点研究对线路有影响的地裂缝，其平面位置如图3(a)所示，图3(b)是DK75 附近出露地表的裂缝,图3(c)是图3(b)的横截面显示。

图3 研究区内新发生的地裂缝分布Fig.3 Distribution of newly occurring ground fissures in the study area

为了落实地裂缝场地特性，研究地裂缝勘探行之有效的技术，唐大荣等[21]、章振华[22]采用浅层地震反射波法，获得了地裂缝深层成像，但该法对30 m以浅地层成像分辨率低；韩许恒等[23]根据测量地下深部放射性气体判断地裂缝的构造类型，但该法无法确实裂缝的埋深和走向；王志鹏等[24]研究了高密度电法探测断层的能力，认为具有一定的有效性和准确性，该法对逆断层的探测效果明显好于正断层，但电法对小裂隙两边物质电性差异较小时，几乎不能识别，且受天气尤其是雨季影响较大。显然，没有任何单一的物探技术可以解决地裂缝的所有问题；尹志清等[25]开展了浅层地震反射波法、浅层地震折射波法、探地雷达法、高密度电法、地球化学法等浅层断层探测的优选方法及方法组合方案，消除单一方法的多解性，得出较合理的解释结果。

针对大裂谷区地裂缝的勘探难题，结合该区的地质特征及海外勘探条件落后的限制，本次地裂缝勘探通过综合几种成熟可靠的物探技术，精心测试，建立裂谷区地裂缝地质模型，优化采集参数，研发了人工重锤击发震源小道距接收浅层地震法、高密度电阻率法、密点氡气测量法和新型无水环境下的地震波层析成像(computerized tomography，CT)联合探测技术，并结合浅层钻井、探坑技术以及地表降水、地下水资料研究地裂缝的发育特征，分析其与深层断裂、岩浆活动的关系，探讨内马铁路沿线地裂缝的成因机制。首先，在内马铁路东非大裂谷东段线路40 km范围内开展卫星资料分析、路线勘察等地质调绘工作，查明近期地裂缝的分布；其次，对内马铁路穿裂谷区DK68—DK108段地裂缝区域开展详细综合物探调查，沿线布置了约60 km的高密度电法，30 km的浅层地震波法和28 km的氡气测量及上百口浅层钻井，分析地裂缝的剖面特征；最后，重点在地裂缝发育区DK68—DK80内布设了30多口浅层钻探，钻井深度在50～120 m不等，并对开启的DK75附近的地裂缝进行挖探，以进一步落实研究区地裂缝的特性。

3 研究结果

3.1 浅层地质结构及断裂分布

内马铁路线路勘察结果显示，在裂谷谷底断层、冲沟、地裂缝较为发育，如图4所示。在断裂处，形成高度一定落差，并有大块岩块出漏，在断面内破碎，可能是活动断层作用形成的[图4(a)]。谷内沿线分布较大的地裂缝有7条，长达0.5～1.5 km不等，宽0.5～3 m，切割深度1～5 m的冲沟，干涸冲沟底部可见出漏的火山岩[图4(b)]。另外，串珠状的塌陷坑是裂谷底常见的一种地貌。塌陷坑发育规模较小，一般为小的残留火山口[图4(d)]。

图4 裂谷区的裂缝地貌特征Fig.4 Topographic features of ground fissures

3.1.1 出露地表的地裂缝特征调查

通过对出露地表的地裂缝进行勘探，根据地质情况采用两种或两种以上的探测技术，建立地裂缝场地物性参数，为裂谷区沿线地裂缝判译起到标定作用。

经过现场试验，工区具备良好的地球物理条件：谷底区地势平坦，基岩以玄武岩、凝灰岩为主，地表多被第四系火山堆积层所覆盖，在一定范围内地层的物性参数较为稳定连续。在裂缝发育的地段，断裂导致原始地层不连续，附近的岩土层发生了扰动，局部地层存在明显的地层密度、波阻抗(地震波速度与地层密度的乘积)、电阻率等物性差异。在勘探期间，气候条件好，天气干燥、无降雨影响，因此具备了良好的地震波法、电法和氡气测量的物理基础。

如图5所示，在DK75 A处地裂缝出露的地段进行地球物理先导性试验。图5(a)是测线位置图，在此位置分别开展了高密度电法、浅层地震波和氡气测量法。

图5(b)是高密度电阻率剖面，主要分为三层，表层电阻率在60～200 Ω·m，中层电阻率低，在50 Ω·m附近，紧接着地层表现极高的电阻值，达到300 Ω·m以上；在中心裂缝处出现低电阻“塌陷”特征。

图5(c)是浅层地震波法时间域地震剖面，在地裂缝处可清晰分辨出同相轴连续性差，反射凌乱，断点处发生明显的绕射波现象。

通过氡气测量可知[图5(d)]，在DK75 A处地裂缝发育位置，氡气浓度快速升高，比背景值大2倍以上，在裂缝处表现出高浓度氡气测量值异常。

图5 DK75 A处地球物理试验成果Fig.5 DK75 A geophysical test results map

因此，利用出露地表的地裂缝物性参数的测量，可以建立地裂缝地质模型，为推测埋藏一定深度的隐伏裂缝或者塌陷的裂缝提供参数。一般来说，地裂缝附近岩土层压实度小，岩土松散，导致密度小、波速低、电阻率低，裂缝本身如不被充填，将呈高电阻率异常特征。同时当存在地裂缝及断层破碎带时，其为地下水和气体良好的储存场所和运移通道，深层气体也将沿这些通道富集运移和扩散，致其上覆土层空隙气体中氡含量出现异常，通过对比氡气浓度进而可推断隐伏断裂及地裂缝的位置。

3.1.2 DK75段地裂缝场地勘探

DK75段是DK68—DK80范围内的一段(图6)，从钻井录井、岩心资料(图7)和高密度电法剖面(图8)研究结果显示，浅部地层具有明显的韵律性和成层性。研究区地表由一层厚的粗砂、粉土、细砂、角砾和火山灰组成，以未成岩的松散砂土为主，火山灰厚度一般为几十厘米，甚至有几米不等。表层粉土、细砂较为松散，无胶结性，极易被地表水冲刷、潜蚀。钻孔6～48 m深度处主要为凝灰岩，已固结成岩的岩心呈青灰色，凝灰结构、块状构造，裂隙和岩脉较少发育。在33 m处存在一个裂缝，裂缝延伸长度约0.4 m，裂缝内夹杂粗碎屑红褐色泥岩。固结的凝灰岩层以下(35～50 m)，为风化作用较强的凝灰岩和粉土互层。凝灰岩呈棕红色-灰黄色，原岩结构构造已基本被破坏，岩石风化成砂土状。

图7 DK75段某处钻井柱状图Fig.7 Drilling histogram of DK75 section

高密度电阻率法测量结果如图8所示，裂谷区内地层结构稳定，具有很好的层状介质构造模式。在小于40 m深度的电阻率剖面上地层电阻率由浅到深，电阻率值整体呈低—高—低特征，具有低电阻(0～10 m)—高电阻(10～35 m)—低电阻(35～40 m)“三明治结构”模式。其中，浅层电阻率一般为20～50 Ω·m, 小于20 Ω·m的异常呈串珠状，主要分布在210～325段和450～720段，在100～180段呈现100～300 Ω·m的高电阻异常。中层电阻率为100～600 Ω·m，在250～450段呈现2个异常高阻区域。深层电阻率相对中层逐渐变低，电阻率为30～60 Ω·m。

图8 DK75段高密度电法成果图Fig.8 DK75 section high density electrical method

图9 DK75段浅层地震时间剖面图Fig.9 DK75 section shallow seismic time profiles

过DK75段相同位置的地震剖面图显示具有明显水平层状结构，如图9所示。0～40 ms，以杂乱反射为主，同向轴连续性差，呈中等强度-弱反射。40～80 ms，地层反射波以连续、强反射为主，地层近似水平地层。80 ms以下，地层以杂乱、空白反射为主。

根据钻井岩性资料约束，高密度电法和地震剖面反映地层垂向变化特征为上部软、中部硬、下部软。风化和松散土层地震波速度一般在100～600 m/s，计算得出浅层软弱土层厚度2～12 m，与高密度电法探测深度以及钻井深度基本吻合。钻井显示中、下层主要为凝灰岩或者凝灰岩与沉积岩互层，而电阻率剖面显示中层高电阻率异常达500～600 Ω·m，可能为火山作用形成的熔岩流或者为熔结火山角砾岩。通常火山碎屑凝灰岩速度具有较大的变化，当风化程度较高时速度可能为1 800～2 100 m/s。固结程度较高的凝灰岩速度为3 900～4 400 m/s。根据此计算得到地层探测的中层地层厚度为36～88 m。以上分析表明地震探测的中层凝灰岩或者沉积岩夹层深度为38～100 m，可能大于电法勘探深度。在电法剖面上深层出现的低电阻可能是风化的凝灰岩和沉积岩夹杂，但在地震上可能是高强反射的底界或者为强反射的夹层。大于80 ms深度的杂乱或者空白反射表明裂谷的火山岩以下可能为岩性相对均一的基底岩石，未见地球物理异常指示存在深大断裂延续到深部。

另外，根据高密度电法剖面的电阻异常区分布以及中层连续强反射波组的错断情况，解释出分布在火山岩和沉积岩层内浅层断裂(图10)。在120、260、340、460、550、690、760、790站号，解释出了8条正断层。在260、460、550、690站号同时观测到较大的电阻率差异延伸都地表，断层一侧呈现较低的电阻率，推测是雨水沿裂隙往下渗透形成的浅层低电阻异常。其次，由图11可知，500—540段的氡气高浓度异常，地震波波组，同相轴局部错断，推测地层裂隙发育，破碎，可能存在隐伏地裂缝，730—820段的氡气高浓度异常，地震波同相轴连续性差，局部错断，地层电阻率值较低，推测为地层裂隙发育，破碎。

图10 DK75段综合地球物理调查成果图Fig.10 DK75 section comprehensive geophysical survey results

图11 DK75段氡气测量成果图Fig.11 DK75 section radon emanation measurement results

3.2 地裂缝发育特征

内马铁路DK68—DK80某处出现一条与线路近乎正交的沟堑(地裂缝)(图12)。该位置沟堑起于线路北面50 m，裂缝蜿蜒曲折近南北走向，向线路右侧延伸变宽，并与前方河道交叉。沟堑宽0.3～2 m，地表可见最深处约3 m，长约300 m。沟堑与线路相交处为路堤工程，填方高度5.5 m。通过调查和挖探揭示，探坑剖面显示裂缝两侧地层未见明显的垂直和水平位移。坑底基岩风化层中清晰可见一条张裂隙，裂缝形态为波浪形，裂隙宽度2～15 mm，走向和地表沟堑一致，节理面不光滑，粉土不连续充填；通过观测基坑积水，其水位在缓慢下降，可判断基坑底部裂隙贯通形成渗水通道；图片显示裂缝处白色丝带往上飘荡，表明裂缝处有气体溢出 。

研究发现，部分地裂缝虽然在地表延伸长度较大，宽度为1～2 m，并且切割深度为1～3 m。该类型地裂缝主要发育在地层未压实地区，受雨水冲刷侵蚀作用，镂空塌陷而成，然而当地裂缝遇压实程度较高的公路和铁路时停止发育(图13)。另外，研究区内30余口钻井揭示的钻进深度小于100 m范围内没有发现地下水，并且铁路设计沿线附近也未发现河流经过。但在地裂缝发育区的浅层和地表存在一些河流痕迹。经过调研发现，这些河流痕迹就是上一次雨季大量降雨汇集成的河流。认为这些地裂缝是在大量雨水的冲刷、潜蚀下，在河水流淌的位置极易塌陷，形成出露在地表的。这类地裂缝形态呈现条带状，且与河流的形态基本一致[图13(c)]。当没有雨水补充，在很短的时间内河流干枯甚至消失。经过挖探显示，出露在地表的地裂缝下面存在隐伏裂隙[图12(c)]。另外，坑探和地球物理资料显示，高密度电法剖面层状结果明显，地裂缝下方电阻率发生明显变化。在地震剖面上，地裂缝处表层以下火成岩层反射波呈现连续、强反射，并发生错断，推测该类地裂缝可能与下覆先存断层分布有关。

图12 DK68—DK80某处地裂缝特征图Fig.12 Ground fissure characteristic at DK68—DK80

图13 内马铁路线路附近几处地裂缝和冲沟照片Fig.13 Ground fissures near Nairobi-Malabar railway line

4 地裂缝形成机制探讨

研究区地裂缝成因研究空白。东非大裂谷区其他区域的研究主要集中在埃塞俄比亚裂谷区。Williams等[26]研究了埃塞俄比亚裂谷北部Fantale火山口附近的地裂缝，通过测定裂缝所切割的凝灰岩的地质年代，定量计算了裂缝的扩展速率，并将分析结果与全球定位系统(GPS)的速度对比，研究结果显示熔结凝灰岩在拉张应力作用下产生断裂活动并在地表形成地裂缝。Ayalew等[27]认为埃塞俄比亚裂谷中部地区观测到了没有地震和断裂活动记录的地裂缝，通过排除了地下水抽取，以及含水层的压缩和水平渗流应力的作用，研究结果认为地裂缝的产生很可能与大雨期间的管涌和塌陷过程有关，认为地裂缝主要发生在降雨之后，裂缝大小为1～3 m，深度为6～12 m，延伸长度超过1 km。

4.1 断裂活动促进的地裂缝的形成

裂谷断裂的第四纪活动性地貌表现较为明显，在裂谷的两侧一些地段，第三系或第四系被断裂、断错。由于裂谷中火山和断裂活动的交错进行，不同时代的断裂被后一阶段的火山喷发物不同程度地覆盖，尤其是裂谷中心地带末期火山岩的喷发，覆盖了不少较新活动断裂的形迹。大裂谷谷底区分布着隆格诺特火山(Longonot)、苏斯瓦火山(Seuss)等一系列大小不一的火山(图2)。

区内地裂缝的发育程度与断层密切相关。断层是地裂缝的继续，同时断层的产生又促进了新裂缝的形成。在断层附近，地裂缝的密度显著增加。该区由一系列雁行式断层组成，此种构造样式具有典型的张扭性特征，受此控制，地裂缝的方向性较为复杂。

岩石的力学规律表明，对于区内以垂向和基本垂向为主的地裂缝而言，破裂的必要条件是地层压力(P层)高于水平静压力，地裂缝的渗透性和其开启度的三次方、其数量的一次方成正比。

关注、调研可能存在的产状平缓的滑脱断层，此类断层一般是沿地层的软弱面活动，因此加大了应力强度，受其影响产生新的次级陡倾断层。受主断层和次级断层控制，在其对应部位形成大量沿断层走向分布的共生地裂缝和次级地裂缝，特点是沿断层倾向地裂缝更为发育，从而使地裂缝带的宽度加大。

相对陡倾的断层两盘断块差异活动剧烈，使地层产生相应的形变差异，形成主要沿断裂带和断块地下水降落区边缘发育的地裂缝，此类地裂缝是综合地质作用的结果。

4.2 浅层地质作用影响

该区多为火山岩或第四纪沉积岩所覆盖，此类地区地层岩性横向和纵向变化均较大。在该区边缘，应有扇体分布，其地层沿下倾方向岩性变细，多为粉砂质黏土层。由于此类地区地层岩性变化复杂，第四纪地层松散，并伴随有强烈的火山、地震及断裂活动，重力作用亦有影响，加之断块沉降，区内地层含水率明显不同，如遇降水冲蚀和洪水潜蚀，可使地层的部分松散颗粒随水流失，干岩层产生涨缩作用，使早期裂隙的开启度加大并向上延伸，而孔隙流体压力增加又使塑性变形所需压力值降低，形变增大。上述综合地质作用的结果，不仅可开启、扩展老裂缝，同时可形成新的地裂缝。因此，火山及断裂带、低固结岩层、地层差异沉积带附近是地裂缝的主要发育区。

4.3 地表水对地裂缝发育的影响

因此可以推断，裂谷区的地裂缝主要是因为大量的地表水(主要是长时间的强降雨，如图14所示，2019年11月强降雨后，裂谷区新开启的裂缝)冲刷、潜蚀地表的火山堆积层，裂隙中的物质被水带走，裂隙向上开启、贯通而成或火山堆积层受地表水的浸湿，产生沉陷而成。

图14 2019年裂谷区新裂缝Fig.14 A new ground fissure in 2019

5 结论

综上所述，内马铁路东非大裂谷区的地裂缝主要受构造活动控制，在前期地震或基岩活动的影响下地层导致断裂，深埋地层的气体上逸充填在裂缝中，裂缝在第四纪地质作用下，得到覆盖隐伏；并在大量地表水(主要是强降雨)冲刷、潜蚀作用下，裂隙中的物质被水带走，引起地面沉降过程中的岩土体开裂、贯通而成。

为了获得内马铁路东非大裂谷区地裂缝地区地下0～50 m深度范围内的精细地质结构，本次研发了小道距高精度综合物探技术，全线以高密度电法、浅层地震资料为基础，密点测氡数据和地震波CT为验证，以出露地表的地裂缝为试验线，结合钻井资料，建立了典型地裂缝地质模型，形成了本区隐蔽地裂缝配套勘探技术，解决了内马铁路裂谷带内地裂缝场地勘探难题，通过挖探，进一步揭示了裂谷区的地裂缝形成机理。

(1)内马铁路东非大裂谷段地裂缝相对发育。研究区发现7条地裂缝，宽度0.5～3 m，裂缝常与下覆切割深度2 m冲沟连接，冲沟底部可见出漏的火山岩。

(2)钻井和浅层地质结构调查显示，内马铁路东非大裂谷段基底以火山凝灰岩熔岩流与裂谷碎屑岩互层组成，埋藏深度为36～50 m。通过分析研究区先存和新产生地裂缝的分布发现地裂缝的形成通常与基底正断层共生，表明地裂缝的形成由深部伸展张应力控制。

(3)卫星数据显示，新的地裂缝经常在暴雨之后发育，并与深层断裂或基岩破裂共生，大部分地裂缝终止于压实强度较大的路基附近。表明降水为地裂缝再次活化和扩张的驱动力，而表层地质条件的加固有利于阻碍地裂缝的进一步发展，为研究区地裂缝灾害的防护提供理论支撑。