文海光　張紹寶

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300251；2.天津二十冶建設(shè)有限公司，天津　300301)

The Study on the Formation Mechanism of Yangjiazhuang Ground Fissure in Jishan County， Shanxi Province

WEN Hai-guang　ZHANG Shao-bao

山西稷山縣楊家莊地裂縫成因機理研究

文海光1張紹寶2

(1.鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300251；2.天津二十冶建設(shè)有限公司，天津300301)

The Study on the Formation Mechanism of Yangjiazhuang Ground Fissure in Jishan County， Shanxi Province

WEN Hai-guangZHANG Shao-bao

摘要臨汾盆地是地裂縫多發(fā)區(qū)，這些地裂縫規(guī)模大、破壞性強，嚴重影響著該地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民日常生活，并嚴重威脅著工程建設(shè)安全。正確認識地裂縫成因機理，對該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展及工程建設(shè)規(guī)劃有著重要的指導(dǎo)意義，并可為該地區(qū)地裂縫災(zāi)害的減災(zāi)防災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。以楊家莊地裂縫為例，通過調(diào)繪、槽探、物探等手段分析總結(jié)其發(fā)展規(guī)律，認為構(gòu)造斷裂活動控制著該地裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展，而地下水的過量開采和滲透又對地裂縫起到了一定的誘發(fā)和加劇作用。

關(guān)鍵詞地裂縫臨汾盆地發(fā)育特征；成因機理

1地裂縫概況

1.1　地裂縫區(qū)基本地質(zhì)情況

楊家莊地裂縫位于山西省稷山縣楊家莊村東呂梁山前，地貌上屬于臨汾盆地西南側(cè)盆地與山區(qū)交界帶。

臨汾盆地地裂縫災(zāi)害多發(fā)，最早出現(xiàn)于20世紀70年代，之后盆地內(nèi)多處構(gòu)造單元相繼出現(xiàn)了不同規(guī)模的地裂縫現(xiàn)象。裂縫所經(jīng)之處，田地損毀，房屋開裂，道路及管道等設(shè)施均遭到破壞，嚴重影響當?shù)鼐用竦恼Ｉ钆c經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展[1-2]。大同—西安高速鐵路穿越臨汾盆地，穿越數(shù)條地裂縫，其建設(shè)安全受到嚴重威脅。據(jù)統(tǒng)計，臨汾盆地共發(fā)現(xiàn)地裂縫70余條，造成數(shù)百萬元的經(jīng)濟損失[3-4]。在這些地裂縫中，以楊家莊地裂縫為代表的盆地西側(cè)地裂縫規(guī)模最大，危害最為嚴重。據(jù)調(diào)查，楊家莊地裂縫于1990年左右出現(xiàn)于山前農(nóng)田中，之后不斷延伸發(fā)展，由開始的地表細微開裂逐漸伸長變寬，嚴重損壞了沿線農(nóng)田和房屋。

1.2　楊家莊地裂縫發(fā)育特征

(1)平面特征

楊家莊地裂縫自出現(xiàn)后，便不斷延伸發(fā)展，至今發(fā)展總長度約2.5 km，自楊家莊村東起沿走向NE90°～110°延伸1.5 km，之后走向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，沿NE55°繼續(xù)延伸1 km。該地裂縫在地表處水平張開量較大，為0.1～1.5 m，開裂深度深淺不一，淺處約5～10 cm，深處達數(shù)米。此外，地裂縫上下盤有較明顯豎直位錯，上盤下降，下降深度最大達1.6 m。該裂縫自出現(xiàn)以來便一直間斷活動，強降雨后活動規(guī)模較大，損壞大片農(nóng)田。

(2)剖面特征

為了揭示地裂縫剖面特征，在楊家莊地裂縫中段進行了槽探工作。探槽長約40 m，寬8 m，深7～9 m。探槽揭示的地裂縫剖面顯示，該處地層物質(zhì)成分雜亂，分布較多砂礫石層、塊石層等，部分礫石、砂、粉土等混積在一起，磨圓度低，分選性差，為山上沖洪積而成。

以探槽東壁揭示的地裂縫剖面特征為例，探槽范圍內(nèi)自北向南共發(fā)育f1、f2、f3三條地裂縫，剖面形態(tài)如圖1所示，裂縫具體描述見表1。

探槽顯示的3條裂縫近平行排列，走向與羅云山(屬呂梁山脈)斷裂一致，南傾，裂縫兩盤有明顯豎直位錯，上盤(南側(cè)一盤)下降，且豎直位錯量隨深度的增加而增大。該地裂縫的水平張開和豎直位錯量如此之大，說明該地裂縫為深部斷層向上的延伸。

圖1　探槽東壁剖面

裂縫名稱裂縫性質(zhì)產(chǎn)狀描述f1主裂縫傾向200°,傾角60°~78°地表有明顯出露,走向110°,向下貫通到槽底。兩盤豎直位錯約30cm;地表張開量約20cm,向下逐漸減小,至槽底處約10cm,傾角上陡下緩。裂縫向下穿過層②灰褐色粗砂礫石層,致使該層上下盤豎直錯動40cm,南側(cè)下降,水平張開約15cm;再向下穿過層⑤2粗砂礫石層,致使該層上下盤豎直錯動1.25m,然后向下延伸至槽底f2次級裂縫傾向200°,傾角76°~90°位于f1以南4.4m處,地表有明顯出露,走向110°,傾角上陡下緩,向下貫通到槽底。地表水平張開約15cm,向下逐漸減小,地表無明顯豎直位錯,地面以下裂縫兩側(cè)出現(xiàn)豎直位錯。裂縫向下穿過層②灰褐色粗砂礫石層,使該層裂縫兩盤豎直位錯30cm,南側(cè)下降,水平張開約10cm。然后向下延伸至探槽底部,在槽底以上2m范圍內(nèi)f2南側(cè)發(fā)育有兩條次級斷裂,并將層⑦含碎石粉土錯動兩次,兩次錯距分別為90cm和60cm,共1.5m,也將層⑧粗砂層豎直錯動60cmf3次級裂縫傾角近90°位于f2以南5.2m處,地表無出露,豎直向下延伸2.5m,近豎直,水平張開量約15cm

圖2　楊家莊地裂縫折射CT反演速度剖面

為了探索與查明構(gòu)造斷裂及該地裂縫的地下發(fā)展特征，在垂直于該地裂縫的方向布置地震測線。通過地震探測，得出該測線的折射CT反演速度剖面(如圖2)，由圖2可以看出，該剖面地層速度縱向遞變明顯，橫向受地表基巖出露的影響，局部有高速異常，表明此處為基巖和第四紀沉積物的分界。該測線范圍內(nèi)在近地表發(fā)育13條地裂縫，其中最右側(cè)裂縫FDZ6-13為地表出露的楊家莊地裂縫，其余裂縫為該主裂縫上盤影響帶內(nèi)的次級裂縫。

根據(jù)地震測線勘探解譯結(jié)果，推測楊家莊地裂縫下伏基巖內(nèi)發(fā)育有一條斷距較大的斷層，走向由東西向漸變至北東向，沿山前發(fā)育，傾向由南漸變至南東向，斷層上盤下降，屬正斷層。這與羅云山斷裂資料相吻合，即該斷裂為羅云山斷裂，并在斷層上盤發(fā)育數(shù)條次級斷裂。

槽探、物探手段較好地揭示了地裂縫的剖面形態(tài)特征以及該地裂縫與下伏構(gòu)造斷裂的關(guān)系?？碧郊胺治鲅芯砍晒砻?，裂縫均為張性開裂，張開量上寬下窄，豎直方向上明顯錯斷兩側(cè)地層，上盤下降，且位錯量隨深度的增加而增大，反映了地裂縫的構(gòu)造特性。楊家莊地裂縫規(guī)模大、破壞重，產(chǎn)狀與斷層產(chǎn)狀基本一致，為羅云山斷裂活動的地表露頭。

2地裂縫的孕災(zāi)條件

楊家莊地裂縫的孕災(zāi)條件可分為自然條件和人為條件兩大類。

2.1　自然條件

(1)構(gòu)造斷裂

楊家莊地裂縫位于羅云山斷裂帶的范家莊-西硙口段。羅云山斷裂為正斷裂，傾向南東，傾角70°～80°，是臨汾盆地西側(cè)主要活動斷裂，全長約145 km。該構(gòu)造斷裂新生代以來活動強烈，向上延伸到地表，必然會引起地表裂縫的產(chǎn)生。

(2)降水

該區(qū)降雨較少，近十年平均年降雨量483 mm，但多集中在5～9月。降雨下滲土體后，動水壓力潛蝕土層，令土層結(jié)構(gòu)變得松散，使上覆拉張應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致地表開裂并不斷發(fā)展，最終形成地裂縫。通過調(diào)查，發(fā)現(xiàn)楊家莊地裂縫的發(fā)生發(fā)展活動多出現(xiàn)在大雨過后。

2.2　人為條件

近年來臨汾盆地經(jīng)濟發(fā)展較快，用水量增加，且年降水量有所減少，地下水就成為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生活用水的主要來源，使得地下水的開采量不斷增加，地下水位下降。過量開采地下水會使土層中產(chǎn)生一個降水漏斗，在該降水漏斗范圍內(nèi)，隨著孔隙水的排出，孔隙水壓力減小，土體內(nèi)有效應(yīng)力增大，從而壓縮了土體的體積，使土體產(chǎn)生固結(jié)變形，延伸到地面便形成地面沉降，降水漏斗范圍內(nèi)外的差異沉降在地表就形成了地裂縫。

3地裂縫成因分析

綜上所述，楊家莊地裂縫的發(fā)生發(fā)展主要受控于下伏構(gòu)造斷裂，而滲透作用及過量開采地下水又在發(fā)育程度及時間、空間上對地裂縫產(chǎn)生一定程度的影響。根據(jù)對該地裂縫的分布規(guī)律、發(fā)育特征的分析發(fā)現(xiàn)，楊家莊地裂縫水平開裂寬度大，豎直位錯深，延續(xù)性好，且向與羅云山斷裂一致。在楊家莊地裂縫形成過程中，其下伏羅云山斷裂起著主導(dǎo)控制作用，而過量開采地下水及滲透作用則起到了誘發(fā)和加劇作用，其他自然因素雖然也會有所影響，但程度相對較小。因此，楊家莊地裂縫的成因模式屬于構(gòu)造斷裂活動加超采地下水及滲透作用耦合模式：構(gòu)造斷裂活動使第四系地層開裂，延伸至地表形成初步地裂縫，水的滲透作用及超采地下水又在一定程度上誘發(fā)和加劇了破裂面的發(fā)展，最終形成地裂縫。

楊家莊地裂縫的形成可分為三個階段。第一階段：由于印度板塊向北推擠，鄂爾多斯地塊左旋運動，山西地區(qū)上地幔持續(xù)上隆調(diào)整，造成臨汾盆地處于NW-SE向的拉張地應(yīng)力環(huán)境下[5-7]，并且持續(xù)下沉，盆地西邊界的羅云山斷裂伸展正斷活動，形成隱伏斷層；第二階段：斷裂活動的發(fā)展使上覆土層產(chǎn)生破裂變形，延伸至地表形成拉張變形帶，產(chǎn)生地裂縫，且其走向與斷裂一致；第三階段：20世紀80年代以后，臨汾地區(qū)過量開采地下水，使地下水位下降，含水層壓密變形沉降，從而加劇了地裂縫活動，表現(xiàn)為地裂縫擴展延伸、橫向拉張變寬、垂向升降加大，影響工程建設(shè)，威脅人類安全。綜合楊家莊地裂縫形成的三個階段，繪制出地裂縫的成因模式(如圖3)。

圖3　楊家莊地裂縫成因模式

4結(jié)論

(1)楊家莊地裂縫總體走向NE-NNE，傾向SE，傾角約70°～90°，且該地裂縫走向與羅云山斷裂構(gòu)造線方向有很好的一致性。

(2)通過調(diào)繪、槽探、物探等技術(shù)手段，總結(jié)楊家莊地裂縫的平面特征和剖面特征，認為該地裂縫的活動性主要表現(xiàn)為水平拉張和豎直位錯。地裂縫傾角上陡下緩，裂縫以下深部地層中發(fā)育有隱伏斷層，地裂縫與下伏斷層呈直接相接或“Y”形組合關(guān)系。

(3)通過對沿線地裂縫孕災(zāi)條件的分析，認為楊家莊地裂縫的發(fā)育模式為盆緣斷裂活動加地下水超采和滲透的耦合模式，該地裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展主要受構(gòu)造斷裂活動的控制，而地下水的過量開采和滲透作用又在時間、空間和發(fā)育程度上對地裂縫起到了一定的誘發(fā)和加劇作用。

參考文獻

[1]姜振泉，等.臨汾地裂縫的成因及發(fā)育環(huán)境研究[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990

[2]董東林，武強，姜振泉，等.析臨汾地裂縫之地質(zhì)成因[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，31(1)：34-38

[3]彭建兵，范文，等.汾渭盆地地裂縫成因研究中的若干關(guān)鍵問題[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2007，15(4)：433-440

[4]劉忠芳，韓軍青.臨汾市地裂縫災(zāi)害成因及防治對策研究[J].災(zāi)害學(xué)，2004(S1)：99-102

[5]馬宗晉.山西臨汾地震研究與系統(tǒng)減災(zāi)[M].北京：地震出版社，1993：59-66

[6]齊書琴.山西通志(地震志)[M].北京：中華書局，1991：62-114

[7]國家地震局.鄂爾多斯周緣活動斷裂系[M].北京：地震出版社，1988：200-208

中圖分類號：P642.26

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)01-0075-03

作者簡介：第一文海光(1986—)，男，2013年畢業(yè)于長安大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，助理工程師。

收稿日期：2014-11-17