渭河盆地安仁镇地裂缝基本特征与成因分析*

2022-03-21乔建伟彭建兵夏玉云卢全中周远强

工程地质学报 2022年1期

刘聪乔建伟彭建兵夏玉云卢全中周远强

(①长安大学，地质工程系，西安 710054，中国) (②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) (③机械工业勘察设计研究院有限公司，西安 710043，中国) (④陕西省特殊岩土性质与处理重点实验室，西安 710043，中国)

0 引言

地裂缝是一种典型的地质灾害，是由于自然因素和人类活动导致地表浅部岩土破裂的地质现象，在浅表部一般表现为竖向拉张裂缝或间距垂直位错(Carpenter， 1993； Martin et al.，2010；乔建伟， 2015a)。地裂缝的水平拉张和垂直位错导致地裂缝沿线房屋墙体开裂、公路错断、管线损坏、农田龟裂变形等，进而造成严重的经济损失并威胁人民生命安全(Wu et al.，2004；Yang et al.，2018)。我国是世界上地裂缝灾害最为发育的国家之一，至2015年已在全国28个省市的4000余处发现地裂缝5000余条，其主要分布在河北平原、汾渭盆地和苏锡常地区(Ye et al.，2015；Zhang et al.，2016； Peng et al.，2020；乔建伟等， 2020b)。渭河盆地地裂缝最早出现于20世纪50年代的西安市(耿大玉等， 2000)，随后向西安市和整个渭河盆地蔓延，至2015年共累计发现地裂缝212条。渭河盆地地裂缝主要分布在盆地中南部的西安地区、盆地北部边缘口镇-关山断裂沿线的泾阳县和三原县、盆地东北部的大荔县以及盆地中部的咸阳市，即西安地裂缝群、口镇-关山地裂缝带、渭河地裂缝带、三原-富平地裂缝带和大荔地裂缝群(陈志新等， 2007； Peng et al.，2016a；王卫东等， 2016)。根据盆地的地质构造特征，发现地裂缝主要发育在西安凹陷和固市凹陷的次级构造单元内。这些地裂缝导致渭河盆地产生了大量的经济损失，其中尤以发育在西安市黄土梁洼分界线的14条地裂缝灾害最为严重，累计造成经济损失约50亿元(彭建兵等， 2012； Peng et al.，2016b)。

地裂缝的影响因素众多，主要有：断裂蠕滑、地震活动、超采地下水、采矿、黄土湿陷和强降雨等(Jachens et al.，1982； Baruni， 1994； Burbey， 2002； Wang et al.，2010， 2016； Pacheco et al.，2013；Youssef et al.，2013)。已有研究结果表明渭河盆地地裂缝的成因类型主要是构造断裂控制、超采地下水诱发和表水潜蚀扩展(彭建兵等， 2007；邓亚红等； 2013； Peng et al.，2016b， 2018)。断裂构造通常控制地裂缝的发育位置和发育规模，如西安地裂缝和富平地裂缝(Peng et al.，2016b； Wang et al.，2019)；超采地下水诱发地裂缝，导致地裂缝沿先存断裂向上扩展至地表形成地裂缝(Wang et al.，2008； Bodhu， 2011；乔建伟等， 2017)；地裂缝出露地表以后，导致两侧土体破裂，使渗透系数急剧增加，成为表水渗透的快速通道，表水入渗过程中冲刷两侧土体，从而增加地裂缝的宽度(Ayalew et al.，2004；乔建伟等， 2015b； Peng et al.，2018； Qiao et al.，2018)。此外，由于渭河盆地广泛发育湿陷性黄土，近年来由于黄土湿陷引起的地裂缝逐渐增多，如三原双槐树地裂缝、澄城县西白村地裂缝和大荔县冯村地裂缝(Lu et al.，2019； Zang et al.，2019； Liu et al.，2021)。

地裂缝研究方法主要包括：地质调查，地质测量，地质勘探包括槽探、钻探和物探，GPS监测，InSAR监测，光纤监测，数值模拟和物理模型试验等方法(赵龙等， 2018；张诚成等， 2019；常江等， 2020)。地质调查和地质测量用于揭示地裂缝的空间分布、形态特征和发育规模，地质勘探用于揭示地裂缝的剖面结构特征，GPS监测、InSAR监测和光纤监测用于确定地裂缝的活动速率，数值模拟和模型试验主要用于分析地裂缝的成因机理和成灾机制(何国辉等， 2020)。

图 1 渭河盆地地质概况与研究区位置图(据权新昌(2005)修改)Fig. 1 Regional setting of Wei River Basin and the location of study area(modified from Quan(2005))

2016年野外地质调查发现渭河盆地东北部安仁镇新发育地裂缝48条，其不仅造成沿线房屋墙体开裂、道路错断和农田龟裂变形，还严重威胁大西高铁的安全运营。本文首先通过详细的地质调查和地质填图确定了48条地裂缝的发育特征，然后选取典型地裂缝作为研究对象，利用槽探和工程地质钻探揭示了地裂缝的剖面结构特征，最后结合地球物理勘探结果分析了地裂缝的成因机理。

1 地质背景

渭河盆地位于汾渭盆地南端，其南倚秦岭山地，北望峨眉台地，西靠甘青块体，东北端与山西地堑系相连，属于成熟型盆地(王斌， 2014；刘林等， 2018)。在周围块体的联合作用下，渭河盆地内部形成了纵横交错构造断裂，其将渭河盆地分割大小不等、结构不同的次级块体，根据次级块体的运动差异，可将渭河盆地分为3大区域，即北部斜坡区、西部隆起区和南部凹陷区(权新昌， 2005；刘志武等， 2015)。此外，根据断块构造和沉积特征的差异，又可将北部斜坡区进一步划分为乾县斜坡、蒲城-富平凹陷和韩城凸起，南部凹陷区进一步划分为固市凹陷、咸阳凸起、西安凹陷和骊山凸起(图 1)。其中西安凹陷和固市凹陷第四纪松散层沉积厚度最大，盆地内第四纪松散层长轴走向近似为NEE向。

研究区位于渭河盆地东北侧，包括韩城凸起和固市凹陷的部分地区，区内第四纪松散层厚度等值线走向为NEE向(图 1)。研究区发育2条活动性断裂：双泉-临猗断裂和韩城-华阴断裂，其分别是固市凹陷的北侧边界断裂和东侧边界断裂(图 2)。双泉-临猗断裂走向NE60°～NEE85°，倾向东南，倾角上陡下缓，属于元古生代深层地壳断裂，对固市凹陷起控制作用，且是黄土台塬与渭河冲积平原的分界线(彭建兵等， 1992；乔建伟， 2018)。韩城-华阴断裂走向NNE10°～21°，倾向东南，倾角上陡下缓，控制黄河及洛河入渭口的流向，断开第四系100～600m，又是渭河冲积平原和黄河冲积平原的分界线(王景明， 1984；乔建伟等， 2020a)。固市凹陷是渭河盆地新构造活动最为强烈的地区，历史上发生过多次破坏性地震，如1501年朝邑7级地震和1556年华县8.25级地震(杜建军， 2016)。朝邑地震震中位于大荔县朝邑镇，震中烈度为9度，地震不仅导致地表塌陷形成大量地震地裂缝，还导致洛河走向发生转向(韩恒悦等， 2002)。华县地震震中位于北纬N： 34.5°，E： 109.8°，震中烈度Ⅺ，地震造成83万人死亡，受灾面积约28万平方千米，并产生了大量的地裂、地陷、山崩、滑坡等次生地质灾害(侯建军， 1985；吕艳等， 2014)；华县地震的发震断裂为华山山前断裂，该断裂为全新世活动断裂，现今活动速度约为2.7mm·a-1(马冀， 2019)。

图 2 研究区地质构造图Fig. 2 Geological setting of the study areaF1. 双泉-临猗断裂； F2. 韩城-华阴断裂； F3. 华山山前断裂

2 地裂缝的发育特征

野外地质调查发现安仁镇地区48条地裂缝均发育在双泉-临猗断裂上盘，地裂缝走向为NE60°～NEE85°。地裂缝均发育在地貌分界线两侧500m以内，且地裂缝走向平行于地貌分界线。根据发育位置可将地裂缝分为5组，分别是FG1，FG2，FG3，FG4，FG5(图 3)。各组地裂缝详细介绍如下：

FG1地裂缝群均位于渭河二级阶地内部次级凹陷边界线两侧100m以内，由6条断续出露的地裂缝组成。单条地裂缝长度变化范围为0.1～1km， 6条地裂缝累计延伸长度为2.5km。地裂缝整体走向为NE60°～NE75°。地裂缝在地表表现为水平拉张，垂直位错不明显，最大水平张开量约1.2cm。地裂缝导致沿线大量房屋墙体开裂(图 3a)。

FG2地裂缝群均位于渭河二级阶地内部陡坎边界线南侧100m以内，由8条断续出露的地裂缝组成。单条地裂缝长度变化范围为0.1～1.8km， 8条地裂缝累计延伸长度为4.6km。地裂缝整体走向为NE70°～NE75°。地裂缝在地表表现为水平拉张，垂直位错不明显，最大水平张开量约1.2cm，但强降雨和灌溉后地裂缝宽度明显增加，扩展成大量陷坑(图 3b)。

FG3地裂缝群均位于渭河二级阶地与三级接地分界线两侧200m以内，由13条断续出露的地裂缝组成。单条地裂缝长度变化范围为0.1～2.4km， 13条地裂缝累计延伸长度为6.4km。地裂缝整体走向为NE45°～NEE85°。地裂缝在地表表现为水平拉张兼具垂直位错，最大水平张开量约1.2cm，最大地表位错量约1cm，但强降雨和灌溉后地裂缝宽度明显增加，扩展成大量陷坑(图 3c)。

FG4地裂缝群均位于渭河三级阶地与二级黄土台塬交界线两侧200m以内，由13条断续出露的地裂缝组成。单条地裂缝长度变化范围为0.1～2.1km， 13条地裂缝累计延伸长度为6.9km。地裂缝整体走向为NE65°～NEE85°。地裂缝在地表表现为水平拉张兼具垂直位错，最大水平张开量约1.2cm，最大地表位错量约2cm，地裂缝破坏了沿线大量农田、房屋和道路(图 3d)。

FG5地裂缝群均位于二级黄土台塬与一级黄土台塬交界线南侧500m以内，由8条断续出露的地裂缝组成。单条地裂缝长度变化范围为0.1～2.8km， 8条地裂缝累计延伸长度为7.0km。地裂缝整体走向为NE65°～NEE85°。地裂缝在地表表现为水平拉张兼具垂直位错，最大水平张开量约1.2cm，最大地表位错量约5cm，地裂缝破坏了沿线大量农田、房屋和道路(图 3e)。

综上所述， 5组地裂缝均位于地貌分界线两侧500m以内且位于双泉-临猗断裂的上盘。地裂缝整体走向为NE45°～NEE85°，近似平行于双泉-临猗断裂。各组地裂缝在地表兼具水平拉张和垂直位错，其最大张开量基本相同，但最大垂直位错量随与双泉-临猗断裂距离的增加而减小。对比西安地裂缝(彭建兵等， 2012)，安仁镇5组地裂缝也发育在地貌分界线附近，但地裂缝的水平张开量和地表位错量均小于西安地裂缝。基于5组地裂缝具有相似的发育特征，选取FG3地裂缝中的郑家庄地裂缝为研究案例。郑家庄地裂缝位于渭河盆地二级阶地与三级阶地分界线南侧50m，地裂缝延伸2.1km，走向为NEE85°。

图 3 安仁镇地区地裂缝分布与地质勘探布置图Fig. 3 Distribution and layout of the exploration work in the study areaa. 红星村地裂缝导致房屋墙体开裂； b. 上鲁村地裂缝导致地面出现陷坑； c. 辛村地裂缝导致农田开裂； d. 北龙池地裂缝破坏路面； e. 雷南村地裂缝导致地表开裂

图 4 探槽揭示的地裂缝浅部剖面结构特征Fig. 4 Cross-section of Zhengjia earth fissure revealed by trench

3 地裂缝的剖面结构特征

为揭示地裂缝的剖面结构特征，垂直郑家庄地裂缝方向分别布设大型探槽和钻探剖面(图 3)。探槽长20m，宽12m，深11m(图 4a)，钻探剖面由7个深40m钻孔组成。

3.1探槽揭示的浅部剖面结构特征

探槽揭示主裂缝(f1)两侧均发育3套地层，分别是马兰黄土、黏土和粉土(图 4)。主裂缝顶部宽约80cm，向下延伸1m后变为两条平行裂缝，间隔约1m，宽度均为1cm；但延伸至6.5m时，裂缝宽度又逐渐增加，延伸至9m时(黏土底部)，裂缝宽度增加至159cm，随后裂缝宽度又开始减小，因此，主裂缝在黏土层的发育宽度最大。主裂缝导致两侧地层出现垂直位错，其中马兰黄土底部和黏土底部位错量均为120cm(图 4b)。主裂缝北侧发育5条宽度大于10cm的次级裂缝(f2，f3，f4，f5和f6)，而f2，f3和f6裂缝也不同程度错断黏土层，f2裂缝两侧黏土层底部垂直位错为60cm， f3裂缝两侧黏土层底部垂直位错为50cm， f6裂缝两侧黏土层底部垂直位错为40cm。探槽剖面揭示上部马兰黄土层发育15条地裂缝，中部黏土层发育17条地裂缝，下部粉土层发育25条地裂缝，地裂缝的累计发育宽度约为18m，因此可推测地裂缝的破裂带宽度大于等于18m。地裂缝破裂面粗糙且具有水流痕迹，裂缝充填物颜色较深表明其含水率较大(图 4c)。此外，探槽北侧粉质黏土层内裂缝新充填物错断或再次填充老充填物，表明地裂缝具有多期活动性(图 4d)。

综上所述，郑家庄地裂缝浅部破裂严重，裂缝宽度较大，因此可以推测郑家庄地裂缝浅部以水平拉张为主，兼具一定的垂直位错，与地裂缝地表活动特征相似。

3.2钻探揭示的深部结构特征

钻探结果显示地裂缝北侧发育8套地层，而南侧仅发育7套地层，且所有的地层均被地裂缝错断，其中第①层马兰黄土底部位错量为1.5m，第③层粉土层底部位错量为3.6m，第⑤层粉质黏土层底部位错量为7.9m(图 5a)。因此，地裂缝两侧地层位错量随深度增加而增加，表现出同沉积断层的性质。此外，ZK4在深度15m处揭示的地裂缝宽度约1cm，充填灰色黏土，地裂缝倾角约为83°(图 5b)。

4 地裂缝成因分析

安仁裂缝与西安地裂缝具有相似的发育特征和深部结构特征，但浅部结构特征相差较大。如西安地裂缝和安仁地裂缝走向均与构造断裂平行且均出露在地貌分界线两侧且地裂缝均与下部隐伏断裂相连，但安仁地裂缝浅部宽度较大且次级裂缝发育较多，而西安地裂缝宽度随深度增加而减小且次级裂缝发育较少(彭建兵等， 2012； Peng et al.，2016a)。根据地质调查和地质勘探揭示的安仁镇地裂缝发育特征和剖面结构特征，并结合地球物理勘探结果，对安仁地裂缝的成因进行详细分析。

4.1构造断裂控制地裂缝

图 5 钻探揭示的地裂缝深部结构特征Fig. 5 Cross-section of Zhengjia earth fissure revealed by drilling

研究区位于鄂尔多斯台地东南缘与汾渭地堑的接壤地带。瞿伟等(2011)和崔笃信等(2016)通过GPS分析发现研究区现今变形以NNW-SSE的拉张应力为主。任隽(2012)通过分析远震体波波形资料发现该区莫霍面深度等值线为NEE向，且莫霍面深度向南逐渐加深，至研究区南侧秦岭造山带的莫霍面深度可达53.1km。任隽(2012)通过地震勘探揭示研究区所在的固市凹陷基底埋深为南深北浅、南断北超的箕状形态，凹陷南侧秦岭山前基底埋深3.3km，北侧黄土台塬南侧基底埋深2.8km。图 2结果表明研究区地震反射层等值线走向也为NEE向，且地震等值线埋深向南逐渐增厚，如研究区北侧双泉镇地震等值线埋深约1000m，而南侧朝邑镇地震等值线埋深增加至2400m。图 1结果表明研究区第四纪松散层厚度等值线走向也为NEE向，且第四纪松散层厚度向南逐渐增加，如研究区双泉-临猗断裂北侧黄土台塬第四纪松散层厚度最小近为100m，而研究区南侧朝邑镇第四纪松散层厚度则增加至600m。综上所述，研究区内莫霍面埋深等值线、基底埋深等值线、地震等值线和第四纪松散层等值线走向均为NEE向，即研究区的地壳结构控制了其基底构造和第四纪松散层的埋藏深度和发育厚度。

图 6 浅层地震揭示的地质构造图(据乔建伟等(2020a)修改)Fig. 6 Geological structure revealed by shallow seismic(Qiao et al.，2020a)

此外，乔建伟等(2020a)通过浅层地震揭示研究区内发育5条埋藏较浅的隐伏断裂，其均位于双泉-临猗断裂上盘，其中南侧的4条隐伏断裂均位于地貌分界下部，且与地表裂缝相对应(图 6)。钻探结果表明郑家庄地裂缝与隐伏断裂相连，具有同沉积断层的性质。因此，可以推测安仁镇5组地裂缝均与下部隐伏断裂相连，其发育位置受隐伏断裂控制。上述浅层地震揭示的5条隐伏断裂走向平行于双泉-临猗断裂。考虑到双泉-临猗断裂为上陡下缓的正断裂，据此推测安仁镇发育的5条隐伏断裂均为双泉-临猗断裂的次级断裂，这些次级断裂错断第四纪松散层，构成现今安仁镇地裂缝的“原型”。

根据以上研究成果建立研究区地质构造图如图 7所示。从图 7可知，在区域NNW-SSE向持续拉张应力作用下，研究区双泉-临猗断裂上盘产生5条同倾的次级同沉积断裂，这些同沉积断裂不仅控制研究区的地貌与微地貌特征，还控制了研究区新近系与第四纪地层的发育深度和发育厚度；这些次级同沉积断裂延伸至第四纪地层形成隐伏破裂面，其构成现今安仁地裂缝的“原型”，并控制安仁镇地裂缝的发育位置。

图 7 研究区地质构造图Fig. 7 Tectonic map of research area

4.2地震活动形成地裂缝

图 8 地震烈度等值线图Fig. 8 Seismic intensity contour of earthquakesa. 1501年朝邑地震地震烈度等值线图； b. 1556年华县地震地震烈度等值线图

Sarkar(2004)提出地震活动产生的拉张应力是地裂缝形成的重要因素。固市凹陷是渭河盆地新构造运动和地震活动最为频发的地区，文献记载显示1501年7级朝邑地震和1556年8.25级华县地震导致震区地表破裂并形成大量地裂缝(马冀， 2019)。现有研究结果发现朝邑地震和华县地震烈度等值线长轴方向均为NEE向(吕艳等， 2014；李高阳等， 2018)，震中烈度分别为Ⅸ度和Ⅻ度。安仁镇地裂缝发育区分别处于朝邑地震的Ⅸ度华县地震的Ⅹ度区，均属于地震破裂严重区，且安仁镇地裂缝走向近似平行于地震烈度等值线长轴方向(图 8)。郑家庄地裂缝探槽结果显示主裂缝不仅导致黏土层出现120cm的垂直位错，还导致黏土层产生159cm的水平拉张，裂缝破裂面较粗糙(图 4c)，破裂形状为锯齿状(图 4)，表明地裂缝为拉断破坏；此外，主裂缝下盘地层破裂严重，发育多条次级裂缝，其中下盘发育的3条宽度大于10cm的次级裂缝(f2，f3和f6)的垂直位错随与主裂缝距离的增加而减小，表明其具有地震地裂缝破裂特征。

因此，本文推测固市凹陷区历史上的地震作用产生的水平拉张应力是安仁镇地裂缝的动力来源，其导致双泉-临猗断裂上盘的5条次级断裂上部土层产生拉断破坏，从而形成地裂缝。

图 9 安仁镇地裂缝成因机理示意图Fig. 9 Earth fissure formation process of earth fissures in Anren county

4.3表水潜蚀扩展地裂缝

野外地质调查显示，强降雨和灌溉后安仁镇地裂缝的宽度显著增加，在地表表现为串珠状陷坑或冲沟(图 3b和3c)。探槽结果显示地裂缝发育区上部为马兰黄土，其具有典型的水敏性和易潜蚀性，主裂缝在地表马兰黄土中的宽度较大且随深度增加而减小；此外地裂缝充填物含水量较高且具有多次充填现象。因此，本文推测强降雨或灌溉后的表水沿着已有破裂面向下入渗并冲刷两侧土体导致地表裂缝宽度增加，表水渗透过程中携带上部土体细颗粒并充填下部裂缝。

4.4安仁镇地裂缝成因过程

综上所述，现今安仁镇地裂缝是构造隐伏断裂、地震活动和表水潜蚀的耦合作用结果。安仁镇地裂缝成因过程可分为以下3个阶段： (1)在NNW-SSE的持续拉张作用下，双泉-临猗断裂上盘产生5条同倾的次级正断层，次级正断层随固市凹陷的持续沉积而不断向上生长，并控制研究区的地貌特征与第四纪地层沉积厚度，其错断第四纪松散层，形成构造破裂面，是安仁镇地裂缝的“原型”，控制安仁镇地裂缝的发育位置和展布方向(图 9a)； (2)地震作用下，浅地表形成的拉张应力导致隐伏断裂上部地层破裂并形成地裂缝(图 9b)； (3)强降雨和灌溉后，表水沿已有裂缝向下入渗并冲刷潜蚀两侧地层，导致地表裂缝宽度增加，形成地表陷坑或冲沟(图 9c)。