安海波，王寶春，張長龍

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

在經(jīng)濟發(fā)達、人口稠密、地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜的山東省，人類活動諸如大規(guī)模的水事活動、地下礦產(chǎn)資源的大量開采、大規(guī)模的工程建設(shè)和快速的城市擴張等對地質(zhì)環(huán)境的影響越來越大。這使得我們賴以生存的地質(zhì)環(huán)境已經(jīng)發(fā)生或正在發(fā)生深刻的變化，在我們向地質(zhì)環(huán)境無止境索取的同時，也導(dǎo)致了山東省內(nèi)地裂縫地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生。已有的地裂縫研究資料表明，地裂縫是在內(nèi)外動力作用下，巖土層發(fā)生破裂的一種表生地質(zhì)現(xiàn)象,是地質(zhì)災(zāi)害中地面變形災(zāi)害的一種，山東省的地裂縫主要集中在山東省西南部的菏澤、西北部聊城—桓臺、德州及東南部的郯城-莒縣一帶[1]，在淄博[2]、泰安[3]、兗州[3，4]、菏澤[5，6]、單縣[7]、魚臺縣[注]①山東省地礦局水文地質(zhì)工程處，李春山，魚臺縣老砦鄉(xiāng)村地裂縫考察及成因初步分析報告，1988年7月。等多個市縣也有分布，在臨邑縣[8-10]沿臨邑斷裂還發(fā)現(xiàn)有地裂縫冒水冒油現(xiàn)象。王景明等[11，12]的調(diào)查資料表明，目前山東省內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有地裂縫75處447條，造成總的經(jīng)濟損失為6億多元。因此,對山東省的地裂縫地質(zhì)災(zāi)害分布與發(fā)展規(guī)律進行研究,探討其形成機制，為工程防治對策的制定提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持,對防災(zāi)減災(zāi)工作有著重要意義。

1 地裂縫發(fā)育的地質(zhì)環(huán)境背景

新生代以來，太平洋板塊由早期的NW向轉(zhuǎn)為向西俯沖于歐亞板塊之下，所產(chǎn)生的弧后拉張效應(yīng)使渤海灣地區(qū)產(chǎn)生巨大的拉張應(yīng)力場，同時也在郯廬斷裂山東段產(chǎn)生強烈拉張作用[13]，這兩種作用奠定了山東省境內(nèi)地區(qū)地裂縫張裂的力源基礎(chǔ)。山東省內(nèi)的活斷層主要表現(xiàn)為斷塊運動，和對古近紀及其以前的構(gòu)造繼承性改造，單條斷裂整體活動性差，活斷層主要集中分布在沂沭斷裂帶、蘭考-聊城斷裂帶、牟平-即墨斷裂帶附近[14]，這些活動斷裂是控制了地裂縫的區(qū)域分布特征。

第四紀以來，山東省內(nèi)地殼運動以差異性升降運動為主，新構(gòu)造運動朔造了山東省現(xiàn)代地形地貌和水系特征，地貌基本格局為以山地丘陵為骨架，平原盆地交錯環(huán)列其間，按照地形地貌的分布特征可劃分為魯中南低山丘陵區(qū)、魯東低山丘陵區(qū)和魯西北-魯西南平原區(qū)[15]。在此期間，魯西北-魯西南平原區(qū)沉積了大面積厚層的第四系松散沉積物，在魯東和魯中南地區(qū)沉積了厚度不一、成因類型多變的松散碎屑沉積物。山東省的地裂縫主要發(fā)育在魯西北-魯西南平原區(qū)和受沂沭斷裂帶構(gòu)造控制的陸相裂陷盆地內(nèi)。

2 地裂縫的主要特征

2.1 地裂縫的區(qū)域分布特征

圖1 山東省地裂縫分布圖(根據(jù)王景明修改[12]，2000年)

王景明等[12]的研究成果表明，山東省已在50多個縣市發(fā)現(xiàn)地裂縫74處446條(圖1、表1)，主要分布在第四系沉積物厚層沉積和新構(gòu)造活動較為強烈的魯西北-魯西南平原區(qū)和受沂沭斷裂帶構(gòu)造控制的陸相裂陷盆地內(nèi)。地裂縫的形態(tài)多為鋸齒狀，還有平直縫、雁行裂縫；長度不一，一般50～300m，最長達1300m；寬度4～50cm，最寬1m；一些土層地裂縫沿線多串珠裝塌陷坑，基巖地裂縫寬度較小，形態(tài)也較為單一。區(qū)域分布的地裂縫有由地表向深處，由分散向集中、由少量向大量發(fā)展的趨勢。段秀銘和鄭庭明[1]將山東省地裂縫地質(zhì)災(zāi)害分為以下3個地裂縫地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育區(qū)：

(1)聊城-桓臺地裂縫災(zāi)害區(qū)：主要分布在聊城-桓臺等山前平原與黃河沖積平原交接地帶，第四系沖積物厚層堆積,地下水資源較豐富,地裂縫主要成因與地下水過量開采有密切關(guān)系。

(2)曹縣地裂縫第四系塌陷發(fā)育區(qū)：主要分布在山東省西南部的曹縣—單縣一帶，為黃淮河平原的一部分，地裂縫主要表現(xiàn)為地表裂縫及地面串珠狀塌陷。

(3)郯城-莒縣地裂縫崩塌區(qū)：位于郯城-莒縣沂沭斷裂區(qū)域內(nèi)，地裂縫地質(zhì)災(zāi)害受斷裂構(gòu)造的展布方向和活動程度所控制延伸數(shù)十至數(shù)千米，寬數(shù)厘米，一般呈NNE向，發(fā)育緩慢,呈累進性逐漸發(fā)展、擴大，嚴重者可將墻體或石條錯斷。在于里—管帥—汪湖一帶近25km長的范圍內(nèi)，就有5000余間房屋發(fā)生不同程度的開裂,直接經(jīng)濟損失近千萬元。

2.2 地裂縫的主要特征

1937年菏澤7.0級地震引發(fā)的地裂縫的走向受聊城-蘭考活動斷裂控制，分布范圍亦受到了周邊的黃河斷裂、曹縣斷裂、鄆城斷裂和鳧山斷裂的控制[5，6]；臨邑西十二里村沿著臨邑斷層的局部薄弱部位發(fā)生地裂縫噴油冒水現(xiàn)象[9，10]；在沂沭斷裂帶的地裂縫發(fā)育特征也明顯受到了沂沭斷裂的控制；單縣高韋莊地裂縫的開啟和擴展也受到了區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的控制，地表水的滲入加劇了地裂縫的活動[7]。山東省內(nèi)的地裂縫在空間展布和成因上有以下特點：

(1)地裂縫在走向上具有明顯的方向性。地裂縫帶平面展布總體方位為NE—NEE向和NW向,具較強的走向性，地裂縫走向特征與地裂縫發(fā)育區(qū)的活動斷裂的總體走向特征具有一致性。

(2)地裂縫活動具有區(qū)域上的成帶性與局部地段的相對叢集性。在區(qū)域性地裂縫活動帶上，地裂縫發(fā)育地段一般不是單條發(fā)育，通常是一條主干裂縫發(fā)育和數(shù)條半生裂縫組成地裂縫帶。

(3)地裂縫發(fā)育與區(qū)域活動斷裂的密切相關(guān)性。一般是活動斷裂的沿線或其附近區(qū)帶內(nèi)和活動斷裂的交匯地區(qū)比較發(fā)育，且其發(fā)育強度與相應(yīng)的斷裂活動基本相對應(yīng)。

(4)地裂縫成因上具有復(fù)雜性。地裂縫的開啟和擴展除了受活動斷裂的控制還受其他因素的控制。人類過度開采地下水使得地下水位急劇下降形成了地下水“漏斗”和大規(guī)模采礦工程活動等導(dǎo)致地裂縫和地面塌陷活動，雨季高強度的降水入滲也會加劇地裂縫的開啟和擴展，天然的巖溶地質(zhì)災(zāi)害和滑坡地質(zhì)災(zāi)害也會形成地裂縫。因此，地裂縫的形成與發(fā)展是多種因素共同作用下的綜合影響結(jié)果。

3 地裂縫的成因機制分析

采空區(qū)、巖溶和滑坡等引起的地裂縫具有局限性，不具普遍的規(guī)律可循，這里主要討論構(gòu)造型地裂縫的成因機制。不少學(xué)者做了大量的山東省構(gòu)造成因地裂縫的研究工作，從不同角度提出不少地裂縫成因模式[1，5-10，12]，但是各家一致認為山東省地裂縫具有明顯的構(gòu)造特征，其形成受山東地區(qū)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場控制，并且與現(xiàn)代地殼活動有著極為密切的關(guān)系，人類過量開采地下水以及地表水的浸入，加劇了地裂縫的現(xiàn)代活動。從地裂縫分布及其特征看,其構(gòu)造屬性主要是受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場作用,是斷裂帶活動在地表發(fā)生構(gòu)造破裂(地裂縫或地表形變帶)的結(jié)果，同時，也受到其他多種因素的影響，但是尚未有人系統(tǒng)地揭示區(qū)域構(gòu)造活動與地裂縫的密切關(guān)系，下面從以下幾個方面提出了山東省構(gòu)造成因地裂縫的成因機制。

(1)地裂縫的形成受現(xiàn)今區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場控制。山東地區(qū)處于太平洋板塊俯沖帶的內(nèi)側(cè)，太平洋板塊俯沖引起地幔內(nèi)高溫、低波速的熔融或半熔融物質(zhì)上涌并擠入地殼，從而在地殼表層與深部造成兩種不同的作用結(jié)果：一方面地殼表層受拉而變簿，發(fā)生裂谷型斷裂作用，如此便形成了SW—NE向拉張應(yīng)力場；另一方面，太平洋板塊在上地幔深處對歐亞板塊造成了來自SWW向的擠壓。在這種應(yīng)力場使得厚層的第四系沉積土體產(chǎn)生大量張裂、張扭性隱伏裂縫，由于后期的水的作用或其他作用出露于地表形成地裂縫。

(2)活動斷裂帶及其鄰近地區(qū)是地裂縫的高發(fā)區(qū)。魯西南—魯西北平原區(qū)內(nèi)的活動斷裂帶為現(xiàn)代地殼的差異活動帶，且大多隱伏于地下。新構(gòu)造運動以來，來自青藏高原NE向的擠壓應(yīng)力場傳遞至華北平原區(qū)，受到郯廬斷裂的屏蔽和聚合作用。于是，該SW—NE向應(yīng)力場作用于在魯西南—魯西北平原區(qū)內(nèi)的先存斷裂，使得區(qū)內(nèi)形成隱伏于第四系中一系列的NE向斷裂帶。區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場在地質(zhì)體的分布和傳遞，隨著巖土體介質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì)差異不斷調(diào)整，應(yīng)力場方向和大小在地質(zhì)體薄弱環(huán)節(jié)的活斷層部位發(fā)生變化?；顒訑嗔褜?yīng)力場的作用轉(zhuǎn)化為主要沿活斷層傳播的表面應(yīng)力作用，使應(yīng)力場在斷裂帶附近的剪切應(yīng)力發(fā)生集中和增強。因此，斷裂帶及其附近地質(zhì)體的變形機制主要表現(xiàn)為塊體沿著活斷層發(fā)生剪切變形破壞和拉張位移，經(jīng)過第四系地層傳遞至地表即是地裂縫。

(3)地裂縫與地震活動具有密切相關(guān)性。地震活動釋放出來的能量以地震波的形式在地質(zhì)體內(nèi)部傳播，強烈的振動效應(yīng)使巖土層破裂并擴展至地表形成地裂縫，稱之為地震地裂縫。地震地裂縫是地震造成地面形變的主要形式之一，其特點是分布廣，破壞性強。在1937年8月1日菏澤7.0級地震，1966年3月8日邢臺、隆堯6.8級地震和邢臺晉縣7.2級地震，1976年唐山7.8級地震，在魯西南和魯西北地區(qū)均產(chǎn)生了大量的地震地裂縫。

(4)水對地裂縫發(fā)育具有重要影響。水對地裂縫的影響可以解釋為以下兩種模式：其一，區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場、地震活動和活動斷裂的蠕動滑動在第四系堆積物中形成了一系列規(guī)律的隱伏地裂縫，水的滲入使土體強度的降低和喪失，加劇了隱伏地裂縫擴展，使之出露于地表；其二，在上部荷載作用下,第四紀孔隙潛水首先承受上部的壓力(稱中性壓力),當抽取地下水時,孔隙中水逐漸被排除形成降落“漏斗”,在上部荷載作用下,孔隙被壓縮,土顆粒開始接觸承受壓力(稱有效壓力),地表土層也隨之孔隙被壓縮,地表面形成不均勻沉降形成地裂縫，在有活動構(gòu)造通過時,則地裂縫更加發(fā)育,破壞性更大。

4 結(jié)語

山東省內(nèi)地裂縫的發(fā)育與其所處的特殊地質(zhì)環(huán)境及人類工程活動環(huán)境有關(guān)，是多種因素共同作用的結(jié)果。新生代構(gòu)造環(huán)境、區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場、活動斷裂和地震活動等構(gòu)造作用是控制地裂縫孕育、發(fā)展、活動性質(zhì)和分布的主導(dǎo)因素，對地裂縫形成起決定性作用；強降水、抽取地下水、農(nóng)田灌溉等人為活動影響地裂縫發(fā)生的時間、地段、強度等，是地裂縫形成的誘導(dǎo)因素，對地裂縫擴展起誘發(fā)作用。關(guān)于山東省地裂縫的科學(xué)研究，與其他省市的研究相比還有一定差距，如能在山東省地裂縫調(diào)查資料、地裂縫成因機理、地裂縫致災(zāi)機理、地裂縫地質(zhì)災(zāi)害的防治對策等方面開展深入系統(tǒng)的研究，必將取得令人滿意的結(jié)果。

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