临汾盆地北张地裂缝发育特征与成因分析

翟栋梁,刘 川,乔建伟,赵俊彦

(1.四川志德岩土工程有限责任公司,四川 成都 610041;2.机械工业勘察设计研究院有限公司,陕西 西安 710043;3.长安大学 地质工程系,陕西 西安 710054)

0 引言

地裂缝是地球表面浅表部岩土体的拉张或剪切破坏现象,其几何形态多样,长度和宽度变化较大,地表表现形式多样,是一种典型的地面灾害之一[1-3]。地裂缝所到之处,毁坏房屋、错断交通线路、破坏农田,严重影响着当地居民正常的生产与生活,并制约着所在区域的经济可持续发展[4]。自Leonard首次报道了出现在Picacho盆地的地裂缝以来,吸引了大量地质工作者研究地裂缝[5]。研究发现,地裂缝成因复杂多样,其影响因素有:超采地下水,地震,构造应力,黄土湿陷,滑坡等[6-10]。

自20世纪70年代以来随着经济的快速发展,人类对地下资源的过度开采,导致地下环境失调,加之临汾盆地新构造运动活跃,使得该区成为地裂缝灾害的多发区之一。临汾盆地地裂缝最早出现于20世纪70年代的临汾市周边,随后逐渐向周边扩展,至20世纪90年代已扩展至侯马凹陷盆地,截止到2013年野外调查共发现86条地裂缝[11]。

对于临汾地区地裂缝的研究,前人们主要针对20世纪70年代出现于临汾市区及周边地区地裂缝的分布特征、影响因素等进行讨论。如董东林等[12-13]分别研究了临汾市地裂缝与开采地下水、新构造运动及地震活动的相关性;刘忠芳等[14]将临汾市地裂缝成因种类总结为:地震、断层构造、地下水开采、黄土湿陷;董晓晓等[15]将临汾市地裂缝分为:构造地裂缝与非构造地裂缝;乔建伟等[16]概化了果场地裂缝的成因机理为:构造孕缝、抽水诱缝和降雨扩缝。但是,对于20世纪90年代以来出现的地裂缝,特别是侯马凹陷盆地地裂缝的研究较少。

本文以2007年出现的位于侯马凹陷盆地的新绛县北张地裂缝为研究对象,通过详细的野外地质调查,查明北张地裂缝的平面展布特征,利用一系列的地质勘探手段揭露地裂缝的剖面结构特征,分析北张地裂缝的成因机理并据此提出了防治措施。

1 地裂缝发育的地质环境背景

临汾盆地形成于晚第三纪的上新世时期,位于汾渭盆地构造带南部,南宽北窄,总体走向为NNE,呈不规则梯形,盆地内活动断裂发育(图1)。由于临汾盆地位于汾渭地堑系“S”型的转折处,因此临汾盆地新构造运动强烈,具体表现为新断裂的出现和老断裂的重新复活,有着显著的继承性与不均匀性,表现形式主要为:活断裂扭动、错断、和拉裂新近系和第四系地层[17-18]。同时伴随断裂带发生多次地震活动,其中破坏性地震主要为1303年的洪洞8级地震和1695年的临汾7.7级地震,这也是临汾盆地新生代地层破裂的主要成因[19-20]。贺明华等[21]对于临汾盆地新构造的研究指出,按照发育历史的不同和新构造活动特征的区别把临汾盆地划分为两个不同次级断陷盆地:侯马凹陷盆地和临汾凹陷盆地(图1)。

图1 临汾盆地地质构造图Fig.1 Geological structure of Linfen Basin

临汾盆地内主要为冲洪积平原,地势由四周向汾河谷地内倾斜,汾河谷地内则表现为由西南向东北逐渐抬升,东西部的次级断阶上有黄土丘陵发育。盆地内上新统至全新统不同类型的沉积分布十分广泛;而且临汾盆地内不同时代的黄土分布广泛,最大厚度约80 m[22]。

临汾盆地属于半干旱、半湿润温带大陆性季风气候,年平均降水为539 m,其中6至9月份的降雨量约占全年降水量的70%(图2)。盆地内地下含水层在河谷平原区主要为细砂层、砂卵砾石层和河湖冲积相的亚砂土层,在倾斜平原区主要为亚砂土、亚黏土和冲洪积相的砂卵砾石。地下水位线由盆地中心向盆地边缘逐渐上升,最低处为汾河,地下水的径流方向表现为从盆地两侧的洪积扇区流向中间的汾河谷底。开采地下水的主要对象为中深层地下水,地下水的开采类型为松散岩类孔隙水。

图2 临汾盆地平均月降雨量Fig.2 The average monthly rainfall of Linfen Basi

2 地裂缝发育的基本特征

2.1 平面展布特征

北张地裂缝位于运城市新绛县北张镇,包含两条地裂缝,分别为BZ1和BZ2,两条地裂缝呈弧形展布,近似平行,走向约为80°NE～120°SE,间距为103.9～242.7 m之间(图3)。地裂缝在地表以水平拉张为主,没有明显的垂直位错,地表表现为串珠状陷坑或地裂沟以及导致房屋开裂。

BZ1地裂缝出现于2007年7月的暴雨以后,最早出现于北董村村东田地内,随后向东扩展至北张村北张中学,至2013年已扩展至北行庄。地裂缝全长3.2 km,在西端北董村走向为120°,延伸至北张中学转为90°并一直延伸贯穿北张镇,至北行庄走向转为80°。地裂缝可见深度约1 m,最宽达50 cm[图3(f)];地裂缝对房屋墙体的破坏主要表现为拉张裂缝[图3(a),3(e)]。

图3 北张地裂缝平面分布及典型照片Fig.3 Distribution and typical pictures of Beizhang earth fissure

BZ2地裂缝最早出现于2009年7月农田灌溉以后,地裂缝在北董村东侧田地中走向为SE120°,从向东延伸至北张村北侧时走向转变为90°并一直延伸贯穿北张村,至北行庄走向又变为80°,全长2.7 km。该条地裂缝发育较浅,主要出露在农田,地裂缝在地表主要表现为小型陷坑[图3(d)]。

2.2 剖面结构特征

为了确定地裂缝两侧地层的位错情况和发育深度,在地裂缝地表灾害严重的北张村开展了探槽工作。探槽剖面共揭示3条地裂缝,从南向北依次为f2、f1、f3,破裂带宽度约3.76 m,如图4所示。其中f1为主裂缝,分为上、下两部分,上半部出露深度范围为1.05～5.74 m,下半部分出露深度范围为5.30～7.42 m。裂缝倾角上陡下缓,上部为79°,下部为64°,张开量0.5～3 cm,上宽下窄,充填物为深褐色淤泥,在第2层粉细砂处出现垂直位错约5 cm,第3层位错10 cm,第4和5层位错12 cm,在裂缝底部处地层无位错。

1.第四系黄土;2.粉土;3.粉质黏土;4.细砂;5.结核层;6.地裂缝图4 地裂缝浅层剖面结构Fig.4 The shallow profile structure of Beizhang earth fissure

f2裂缝为f1上盘的次级裂缝,出露深度范围为1.18～5.34 m,倾角61°～83°,填充有深褐色淤泥,两侧地层无错动,与主裂缝的间距为1.61～1.92 m,两者近平行状发育。f3裂缝为f1下盘的次级裂缝,出露深度范围为3.38～4.97 m,倾角65°～88°,填充有深褐色淤泥,两侧地层无错动,与主裂缝间距为1.61～1.79 m,两者也近平行状发育。

2.3 活动特性

北张地裂缝在地表主要表现为水平拉张破坏,未见明显水平扭动和垂直位错现象。根据野外调查可知,地裂缝的活动性受降雨和灌溉影响显著,即地裂缝多在雨季活动性增强,尤其是在强降雨之后,容易显露于地表,并且在裂缝陷坑处有明显雨水冲刷现象。例如此裂缝的北张中学段,在2012年夏季的一次强降雨之后突然开启,显露地表并在北张中学操场上形成长12.8 m,宽50 cm,最深达2 m的连续陷坑[图3(b),3(c)]。当裂缝出现于田地中时,都被当地农民整平,在强降雨或灌溉之后,由于表水的冲刷作用,整平的裂缝又会重新开启并显露地表。

3 地裂缝成因机理分析

由于北张地裂缝位于临汾盆地南部的侯马凹陷盆地区,新构造运动活跃,且属于干旱半干旱地区。因此,从构造断裂和超采地下水两个方面分析北张地裂缝的成因。

3.1 构造断裂

临汾盆地内部构造断裂发育,地裂缝的形成很可能受下伏断裂控制。为了确定北张地裂缝与下伏活动断裂的关系,本文运用地球物理勘探和钻探手段揭示了地裂缝与下伏断裂的关系。地球物理勘探结果(图5、图6)表明,地裂缝两侧发育隐伏断裂,但地裂缝隐伏断裂具有一定距离,地裂缝不是隐伏断裂的向上延伸。钻探结果(图7)显示地裂缝两侧土体连续,无隐伏断裂,进一步证明了地裂缝不是隐伏断裂的向上延伸。因此,推测构造断裂不是地裂缝形成的主要因素。

图5 裂缝区浅层地震折射解释剖面Fig.5 Interpretation of shallow seismic refraction profile

图6 裂缝区浅层地震地质解释剖面Fig.6 Interpretation of shallow seismic geological profile

3.2 超采地下水

临汾盆地属于中国干旱半干旱区域,农业、工业和日常用水以地下水为主。自20世纪70年代以来,随着经济的快速发展,地下水的开采量逐年增加,且地下水开采井逐渐加深(图8)。2007—2010年期间,深井地下水的开采占50%左右,是新绛县的主要供水来源。20世纪70年代初期,该区地下水位约为5 m,至2012年地下水水位下降至35 m,地下水位下降近30 m,引起了严重的地面沉降。根据2008—2012年的InSAR监测结果(图9),新绛县累计最大沉降量达50 mm,而北张地裂缝位于地面沉降的边缘。又由地裂缝的剖面特征显示,地裂像具有一定的深度,且地裂缝两侧地层位错不明显。因此超采地下水引起的地面沉降是地裂缝形成的主要因素。

图8 新绛县2007—2010年供水量组成Fig.8 The water supply in Xinjiang County from 2007 to 2010

图9 新绛县2008—2012累计沉降量Fig.9 The cumulative subsidence in Xinjiang County from 2008 to 2012

3.3 成因机理

通过以上分析发现,北张地裂缝发育深度较浅,其超采地下水引起的水平拉张应力是地裂缝形成的外动力,由此形成的地面沉降,特别是不均匀沉降是地裂缝形成的主要因素。地裂缝出露地表以后,由于其宽度窄而细,其影响较小。但是,在强降雨或灌溉以后,由于表水沿着裂缝处快速下渗,对裂缝两侧土体产生冲刷侵蚀作用,增加地裂缝的宽度,在地表形成地裂沟或陷坑。因此,北张地裂缝的形成原因是超采地下水和表水冲刷侵蚀的耦合。

4 防治措施

北张地裂缝已导致沿线房屋墙体开裂,农田出现大量陷坑,给当地居民造成了大量的经济损失,引起了人民的重视。为了减少或防止地裂缝的灾害进一步加强,切实保护北张地裂缝沿线居民的生命财产安全,根据北张地裂缝发育特征和成因机理,提出以下防治的措施和建议。

(1)合理避让。调查过程中发现,北张地裂缝影响范围约6 m,今后在修建建筑物时应尽量在影响范围以外修建。

(2)控制地下水开采。长期超采地下水导致的地下水位下降,进而引起的地面沉降是北张地裂缝形成的主要因素。因此,合理控制地下水开采,特别是深层地下水的开采有助于减缓地面沉降的发生,进而有效地控制地裂缝活动。

(3)修建挡水埝。由地面沉降形成的初始地裂缝窄而细,破坏性小,强降雨或灌溉形成的表水入渗使地裂缝的破坏性迅速增加。因此,在地裂缝两侧修建土质挡水埝,阻止雨水或灌溉水流入地裂缝发育区,形成地表陷坑或地裂沟。

5 结论

(1)北张两条地裂缝近似平行,呈弧形展布;地裂缝在地表主要表现为水平拉张,水平扭动与垂直位错现象不明显。

(2)地裂缝在剖面上呈梳状分布,裂缝间破裂带宽度约为3.76 m,地裂缝上宽下窄,发育深度有限,其中主裂缝发育深度最深,约7.64 m。

(3)北张地裂缝不与下伏断裂相连,构造断裂不是北张地裂缝的主要因素,地裂缝发育于地面沉降的边缘,影响因素主要是超采地下水引起的地面沉降,表水下渗是地裂缝的扩展因素,其成因是超采地下水和表水入渗侵蚀的耦合成因模式。