平谷地裂缝基本特征与成因分析

2023-03-15刘振华何付兵崔玉斌刘晓勇王凯张悦泽赵艳英

科学技术与工程 2023年4期

刘振华，何付兵，崔玉斌，刘晓勇，王凯，张悦泽，赵艳英

(北京市地质调查研究所，北京 100195)

地裂缝(又称为地裂)是指在自然营力(包括内营力、外营力)作用以及人类活动影响下，岩石和土层发生变形，当力的作用与积累超过岩石和土层内部的结合力时，它们的连续性遭到破坏而破裂[1]，并在地面形成具有一定规模(长度、宽度、深度)和破坏性的裂缝现象[2]。地裂缝现象多发于新构造活动明显、人类活动频繁的平原或盆地中[3-4]，因地裂缝塌陷、引张、位错或走滑等引起的路面龟裂、地基下沉、墙体开裂、桥梁错断等灾害时有发生。地裂缝也成为中国北方平原区最常见和最具破坏力的地质灾害，和影响城市建设和发展的关键地质因素[5]。

研究表明，大多数地裂缝的发育均与构造活动或人类活动相关[6-7]。中国地裂缝主要分布在华北地区和华南长江三角洲，分布表现出与断裂带的密切相关性[8]。外国一些大型地裂缝的分布特征也受到典型大断裂构造的控制，断层活动造成的浅部松散层出现拉张裂隙，在地表降水的作用下使浅部松散沉积物下移形成地裂缝[9-11]。

北京地区地裂缝古已有之，并且常在地震时，与砂土液化伴生出现[12]。近些年来，伴随首都城市发展，地裂缝数量和规模继续发展，已成为平原区最重要的地质灾害类型之一[13-14]。当前，北京地区地裂缝调查研究主要集中于地裂缝发育最为严重的顺义、昌平和通州地区，这些地裂缝多与活动断裂带相伴而生，成因认识包括构造成因[15]、地下水不合理开采成因[16-18]和多因素复合成因[19-25]三类。1976年唐山地震时，在房山琉璃河、大兴榆垡和平谷马坊等地也有大量地裂缝发育，这些地裂缝伴随震后恢复多数已经愈合[26]。然而，新近地质灾害调查发现在平谷盆地现今仍发育大量地裂缝，且这些地裂缝表面形态等特征具有特殊性，由一连串呈不规则形状塌陷坑洞或长条裂缝组成[27]。平谷地裂缝同样具有一定破坏性，却一直未引起关注。目前在北京建有重要工程且地裂缝发育的地区，已经对生产安全造成了巨大的隐患[28]。

为了保障城市的安全和发展，需要提前进行城市地质条件适宜性评价，从而有效避开地质灾害发育区，这是支撑城市规划建设和工程建设前期开展的必要地质工作。评价内容包括了活动断裂和地裂缝等地质环境要素[29]。因此对平谷地裂缝的调查研究对平谷地区防灾减灾具有十分重要的意义。

综上所述，前人对平谷地裂缝的分布和成因分析研究尚未有系统性结论，多数对其分布特征进行描述，认为其成因是活动断裂或地下水因素导致。为此，在对平谷地裂缝进行系统调查的基础上，分析研究地裂缝的分布规律，针对典型地裂缝布设物探剖面，研究其与隐伏活动断裂的关系，并利用槽探对地裂缝进行揭示，在分析研究其与地层结构、地下水和夏垫隐伏断裂的关系基础上，探讨其震动液化的根本成因和形成的地质条件，为将来调查同类地裂缝灾害提供了新的研究思路。

1 研究区地质背景

北京市位于中国最古老的陆块之一的华北断块东，经历了太古宙和古元古代陆块基底形成、中-新元古代和古生代(包括早-中三叠世)稳定盖层发育，以及中、新生代伸展裂谷改造三大阶段[30]。境内区域性的北北东、北东东和北西至近东西向大断裂纵横交错，如赤城-古北口断裂、黄庄-高丽营断裂等，是区域发展演化的构造基础(图1[12,22-24,26,31])。自晚白垩世以来，北京及其外围地区经历了约30 Ma的长期风化剥蚀、均夷而广泛准平原化，形成了辽阔的“华北准平原”[32]。古新世-渐新世，新生代裂陷作用使地壳拉张开裂，“华北准平原”解体，一些北北东向至北东东向断裂拉张滑脱，形成一系列多隆多坳和多层次掀斜的复式盆-岭构造系统[30]。境内则开始分化初始平原和山区，在黄庄-高丽营断裂、南苑-通县断裂、夏垫-大兴凸起东缘断裂控制下，演化为“两凸(西山、大兴凸起)两凹(北京、大厂-廊固凹陷)”基本构造格局[33]。新近纪以来，这一盆-岭断块差异性升降进一步分化，西北部(西山)隆升加速而成今日之山岳，余则整体沉降而成今日之平原[33]。期间，又新生北西向南口-孙河断裂，同先期北东向系列断裂一起将分化出平原区切割成更小微小地块单元，并形成一系列沉积中心，如平谷、马池口凹陷等。

平谷地裂缝就位于新近纪以来新生平谷凹陷盆地(图2)中，坐落于燕山南麓与华北平原北端的相交地带，其东、南、北三面环山至山前地带，南西面发育为链型“残山”同广袤的华北平原相接[34]。该盆地是由夏垫主、次断裂(F12，又称为大兴庄断裂和东高村断裂)控制下的地堑盆地(图1、图2)。夏垫断裂是华北地区一条重要的北北东向发震构造，1679年曾发生8.0级地震[35]。在此断裂走滑兼伸展构造活动下，于断裂最北段平谷地区新演绎出平谷盆地。盆地基底为中元古代蓟县系碳酸盐岩地层，盆内则沉积了较厚的新生代新近系-第四系沉积物。钻探揭示其岩性从北东高渗透砾石、粗砂向南西渐变为细砂、粉砂与黏土互层[34]，其由泃河、错河的冲洪积作用形成，厚度从边缘向盆地中心逐渐增厚，最大厚度为557 m，具有相对独立的水文地质单元[36]。

F1为赤城-古北口断裂；F2为延庆盆地北缘断裂；F3为琉璃庙断裂；F4为沿河城-南口断裂；F5为大华山断裂；F6为蓟县山前断裂；F7为二十里长山断裂；F8为南口-孙河断裂；F9为黄庄-高丽营断裂；F10为顺义-前门-良乡断裂；F11为南苑-通县断裂；F12为夏垫断裂；F13为大兴凸起东缘断裂；F14为河西务断裂；F15为桐柏断裂

2 地裂缝平面特征

平谷地裂缝在平谷多个村镇均有所发现，中桥、蔡坨、放光庄、北城子、太平庄、东古、贾各庄、西鹿角和前芮营等地都有发育(图2)。它们分布极度分散，线性特征并不明显，距离活动夏垫主、次断裂一般较远，且在断裂两侧均有发育。当前发现平谷地裂缝均发育于非居住区，主要发育于为耕地、林地、乡村道路和河漫滩，基本沿着今错河及其支流两岸分布。走访附近居民调查反映地裂缝形成时代较晚，2012年度雨季后一段时间相继产生。地裂缝发育初规模较小，近年来有所加剧。

F5为大华山断裂；F7为二十里长山断裂；F12为夏垫断裂

平谷地裂缝破坏均表现为地面塌陷，多数由一连串呈不规则形状塌陷坑洞组成，以贾各庄村地裂缝为典型[图3(a)]；少数由近平行长条裂缝带组成，以前芮营村地裂缝为典型。这些地裂缝引发的地面塌陷长、宽规模不等，长一般为1.5～100 m，最长位于平谷前芮营村可达116 m[图3(b)]，宽一般为0.3～1.5 m，均表现为引张裂隙，明显不同于宋庄及北七家地裂缝复杂的引张、位错及走滑复杂破坏[20,24]。地裂缝发育深度因塌陷内是否填充堆积物而有所差异，深一般为0.3～2 m，最深约为2.5 m。

若a>λ1或d>λ1,则μ<0。由引理2可知,存在大于1的特征值,因此indexW(F,(0,0))=0。

图3 平谷地裂缝典型现象照片

平谷地裂缝引起的塌陷往往集群产出，具有一定的方向性，前芮营村地裂缝较好揭示了这一特征。本次高精度地表填图表明，前芮营村地裂缝优势走向发育为NE45°～NE68°和NW280°～NW310°两组(图2)。该两组方向地裂缝相互交叉，多条北东向地裂缝近平行左阶雁列排列，单条延伸较长，连续性好，可能为主裂隙带。而北西向地裂缝无明显排列规律，单条地裂缝延伸短，连续性也差，裂隙规模较小，可能为次级裂缝。贾各庄村地裂缝(图2)塌陷单个发育走向极为凌乱，200多处不规则塌陷长轴走向统计优势走向发育6组，分别为NW80°～NW90°、NW20°～NW30°、NE0°～NE10°、NE40°～NE50°、NE60°～NE70°和NE80°～NE90°[27]。然而，这些单个地裂缝塌陷串珠状展布，组合形成优势走向为NE55°～NE60°，宽为30～60 m，长达200～400 m，的地裂缝带(图2)，其特征基本又类似于前芮营村地裂缝特征。因此，可以推测贾各庄地裂缝塌陷现今可能处于地裂缝发育早期尚未全面贯通状态。

3 地裂缝剖面特征

3.1 探槽剖面特征

为揭示地裂缝浅层剖面特征，在地裂缝发育最为典型的前芮营村垂直不同走向地裂缝实施了3组探槽剖面。单个探槽长8～14 m，槽底宽1.5 m，深5～6 m，具体探槽位置如图2所示。探槽剖面(图4)揭示，前芮营村地裂缝发育处，在6 m深度内共揭示岩性地层3大层，由顶向底依次为人工耕作腐殖土、黄褐色粉砂质黏土和深灰色黏土。

探槽揭露地裂缝清晰，槽底未见其根部。地裂缝显示具有如下特征：①产状均近直立，形态呈上宽下窄漏斗形；②两侧地层无垂直或走滑位错量(图4)，发育为引张型裂隙；③多数地裂缝曾发生垮塌并充填大量次生混杂堆积土，裂隙边部普遍发育明显的砂土淋失现象。这可能是由于塌陷时初期地表表现为数个独立的小型椭圆形塌陷坑，伴随地裂缝发展演化，这些塌陷坑逐渐贯通形成连续线性塌陷裂隙，同一长地裂缝塌陷深度差异较大，淋失混杂堆积砂土埋深深度不一。本次探槽a[图4(a)]、探槽b[图4(b)]和探槽c[图4(c)]、近6 m深度均未完全揭示混杂堆积土的根，同时在探槽底部仍可见大量现代冲刷填埋的塑料袋等人工垃圾。

探槽b[图4(b)]揭示地裂缝内除大量混杂堆积土外，向深部还充填有地震液化型粉砂。液化充填粉砂边部可见定向排列的黏土质团块，可能是捕虏围岩而成，这一现象支持其地震液化成因和深部物源特征。液化脉颜色由上向下逐渐变浅，上部层位手可捻成条，向下部则渐变为不能捻成条，局部还可见淀积钙质、泥质胶结物。这一特征还揭示砂脉由上向下黏土质成分逐渐减少，同时受到了浅表淋滤影响。

3.2 物探剖面特征

为揭示地裂缝延伸深度，由浅到深部署了地质雷达、高密度电阻率法和可控源音频大地电磁测深法勘探剖面。地质雷达剖面(图5)上，部署于贾各庄地裂缝处，剖面长41 m，探测时窗分别为150 ns和250 ns，探测深度0～5 m和0～10 m。高密度电阻率法剖面部署于贾各庄和前芮营地裂缝处，剖面长分别为100 m和230 m，点距为2 m和5 m，探测深度为16 m和40 m。可控源音频大地电磁测深法剖面部署于贾各庄地裂缝处，剖面长1.2 km，点距为50 m，探测深度1.6 km。

图5 平谷地裂缝地质雷达和高密度电阻率法剖面图

地质雷达[图5(a)]剖面上，250 ns深度范围内可识别出8组水平强同相轴，解译为不同岩性界面，是研究区细颗粒砂-泥互层岩性界面属性特征表现[37]。在地裂缝发育场所，这些同相轴及其波形、能量、相位等特征信号呈现明显异常：同相轴发生明显断开，裂隙上部同相轴出现扭曲，下部则呈现负相位背景下正相位反射。基于同相轴错断和裂隙顶底面异常，贾各庄地裂缝延伸深度约150 ns(7～8 m)，裂缝发育宽度1.5～2 m，地裂缝影响范围仅限于浅表层中。

T01～T03为强反射同相轴；Qp1为早更新世；Qp2为中更新世；Qp3为晚更新世；Qh为全新世；F1、F2分别为夏垫主、次断裂

4 夏垫断裂构造

众多北京地区地裂缝研究表明这些地裂缝同隐伏活动断裂带相伴而生，如北七家地裂缝与黄庄-高丽营断裂带密切有关[18,25]。平谷地裂缝发育地区也隐伏分布有夏垫活动断裂[35]。为研究平谷地裂缝与断裂构造关系，前人在地裂缝附近的夏垫断裂上布设了一条可控源音频大地电磁测深法和一条浅层二维地震勘探剖面[27]，具体剖面位置如图2所示。可控源音频大地电磁测深法剖面长1.5 km，点距为50 m，探测深度1.6 km。浅层二维地震剖面长2.0 km，采用道间距5 m，炮间距15 m、180道接收、45次覆盖的观测系统，单边激发、小号端零偏移接收。

可控源音频大地电磁测深法[图6(b)]反演电阻率剖面上，浅部为低阻层，解译为新生代松散沉积物，埋深250～300 m，地层总体连续。深部为高阻层，解译为基底中元古代地层，其反演电阻率等值线横向上不连续，在距测线起点1.3 km处电性明显发生变化，表现为明显的低阻带，这是夏垫断裂F1致使地层破碎的反映。低阻带形态揭示夏垫断裂上、下盘垂向错动较小，倾向南东，倾角近直立。

浅层二维地震勘探[图6(c)]剖面上，反射震相丰富，反射波能量较强，300 ms以上可识别出T01～T03共计3组强反射同相轴。结合此剖面附近平-17水文地质钻孔的地质分层结果[38]，剖面底部T03反射波具有强反射振幅特征，在其之下基本看不到明显的地层反射，表现为1个重要的物性差异分界面，解释为第四系与基底中元古界地层分界面，其埋深在剖面上由北向南逐渐增大。T01、T02反射波总体连续，为第四系内部岩性界面，反射同相轴近水平展布，相对起伏不大。T01～T02反射结构类型为平行与亚平行反射，代表均匀沉降的盆地平原沉积环境，为中更新世砂-泥组合沉积[图6(c)]；T02～T03反射同相轴类型为杂乱状-乱岗状反射，代表充填河道沉积环境，为早更新世厚层卵石或砂卵石沉积。在剖面桩号120和220附近，3组强反射轴被错断，解译出两条近平行夏垫断裂构造(F1、F2)，断距较小，倾向南东，视倾角75°，同可控源音频大地电磁测深剖面特征一致。主断裂F1上断点直至T03反射界面之上，可能延伸至近地表。此断裂可能是1679年三河-平谷8.0级地震发震断裂构造。次级断裂F2上断点止于T03界面之下，晚更新世以来活动不明显。

5 讨论

5.1 地裂缝成因分析

平谷地裂缝表现为小规模线状、散点状地面塌陷，延伸长度有限，主要分布于今错河及其支流两岸，且地裂缝两盘无明显地层落差，深部无隐伏断层构造。地面沉降监测结果还表明其不是地面沉降及差异沉降大区，地面沉降等值线同地裂缝方向也不具有明显相关性[39]。这些特征反映了平谷地裂缝同地面沉降、断裂构造关系不明显。而其共性特征表现为深部发育有砂土液化脉，揭示了震动液化根本成因。现今，在地裂缝突显的塌陷附近还可见明显的地表淋滤现象，又揭示了后期降水或灌溉淋滤作用下地裂缝再次复活的直接成因。

平谷地区所具有的震动液化发育地质条件与水文条件支持此成因机制。平谷盆地内发育错河、泃河和洳河三大水系(图2)，以泃河水系规模最大。且今泃河还是断头古白河下游，在地质历史时期对北京平原区沉积具有重要的控制作用[40]。平谷盆地主体就发育于古白河冲洪积扇上，其岩性从北东高渗透砾石、粗砂向南西渐变为细砂、粉砂与黏土互层[34]。今沿着古白河冲洪积扇扇尾新叠加发育错河河道，砂、泥沉积物相互叠压，地势低平，沉积物年代新，构成震动液化的最基本地质条件。

平谷盆地是首都北京重要的水源地，地下水资源丰富[36]。当前，盆地内浅层水开采深度一般小于100 m，水位埋深15～40 m，且年度变化幅度也较大[36,41]。平谷地裂缝发育于平谷盆地西南的错河两岸，隶属于古白河山前冲洪积扇地下水溢出带，是潜水和承压水过渡区[40]。该地区不仅是盆地内地下水水位最浅地段，还是局部汇水或渗流条件滞缓的地段，为震动液化发生提供了另一个重要的条件。

5.2 与夏垫断裂关系

正如上述，平谷地裂缝的特征反映了其同夏垫断裂构造关系并不明显。地裂缝分布同夏垫断裂位置基本不一致；夏垫断裂是华北平原地区一条重要的发震断裂构造，在1679年曾发生著名的三河-平谷8.0级地震，其最新活动形式为走滑兼正断[42-43]，夏垫断裂这一运动学性质也不具备发育单一引张型地裂缝的构造条件。

然而，调查发现平谷地裂缝基本沿着活动的夏垫断裂两侧错河水系发育，平谷盆地内其他水系，如泃河、洳河水系等少有或没有发育；平谷地裂缝还具有一定的方向性，以近NNE、NE向为主，其次发育NW、NWW向，极少发育其他方向(图2)。高振寰研究表明对于发震断层而言，它往往控制着震害分布的总趋势，亦即控制着等震线分布的总体形状[44]。1976年唐山地震时，沿着夏垫断裂带分布的烈度异常区不能排除该断层的影响[44]，这就意味着平谷地裂缝可能与夏垫断裂构造间又存在某种特定的关系。

研究表明，活动断层带附近往往形成应力集中区，数值模拟还表明一定距离工作震动会引起显著的断层活化现象，活化应力释放更易于产生导水通道，发生突水(震动液化)现象[45]，这可能是平谷地裂缝多分布于夏垫活动断裂附近的构造基础。地震地裂缝是地震力作用下的地表破裂，其有些直接沿断裂分布，有些同断裂斜交分布于断裂带周围，表现为断面型和节理型两类裂隙[8]，受活动断裂运动性质及区域构造应力场控制。

当前，综合多种地应力观测或研究还表明华北平原区主构造应力方向为NEE～SWW向[46]。在此区域构造应力场背景下，北京平原区隐伏活动断层表现出北西向左旋剪切，北东向右旋剪切运动特征。在北东向夏垫活动断裂两盘右旋相对运动过程中，断裂两盘应力集中区发育节理型破裂分别为一组张节理T和一组共轭剪节理S1和S2(图7)。张节理一般呈近南北或近东西向，而剪节理均呈北西和北东向。因此，应力场构造背景与断裂构造走向、运动形式制约了节理破裂的方向，可能还是限定震动液化长轴定向性的根本原因。