喬建偉 彭建兵 鄭建國 盧全中 劉爭宏 夏玉云 孟振江 王飛永 趙俊彥

(①機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，西安 710043，中國)(②陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點(diǎn)實驗室，西安 710043，中國)(③“三秦學(xué)者”崗位科研創(chuàng)新團(tuán)隊，西安 710043，中國)(④長安大學(xué)地質(zhì)工程系，西安 710054，中國)(⑤長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實驗室，西安 710054，中國)

0 引 言

地裂縫一種常見的地表巖土破裂現(xiàn)象，其幾何形態(tài)、延伸長度和發(fā)育寬度變化較大，地表表現(xiàn)為潛蝕縫、塌陷坑、張裂紋、錯斷、拉斷和陡坎等表生災(zāi)害(Ayalew et al.，2004；徐繼山等，2012；喬建偉等，2015a)。目前已在世界上很多國家和地區(qū)出現(xiàn)地裂縫災(zāi)害，包括美國、中國、印度、墨西哥、意大利等國家(Leonard，1929；Rudolph et al.，1991；Ei Baruni，1994；Allis，2000；彭建兵等，2007；Gaur et al.，2015)。

地裂縫是中國的主要地質(zhì)災(zāi)害之一。有文獻(xiàn)記載的中國地裂縫最早可追溯至4400年前(古地裂縫)，但目前研究的中國地裂縫主要指新中國成立以來出露地表的現(xiàn)代地裂縫，其最先發(fā)現(xiàn)于50年代的西安市(耿大玉等，2000)。王景明(2000)調(diào)查并統(tǒng)計了1950～2000年期間發(fā)育在中國的4000余條地裂縫，發(fā)現(xiàn)其主要分布在全國的18個省市區(qū)。2000年以后，中國地裂縫發(fā)育規(guī)模和發(fā)育數(shù)量持續(xù)增加，其造成的災(zāi)害也逐年加重(喬建偉，2018)。如我國河北平原，1950～2000年間累計發(fā)現(xiàn)地裂縫700余條(王景明等，2000)，造成的經(jīng)濟(jì)損失約為6.8億元，而至2015年，已累計發(fā)現(xiàn)1100余條地裂縫，造成的經(jīng)濟(jì)損失累計超過24億元；1950～2000年期間，西安累計出露10條地裂縫，總長度約82ikm，影響面積約120ikm2(Lee et al.，1996)，而至2011年，西安地裂縫已增加至14條，總長度超過150ikm，影響面積達(dá)270ikm2(彭建兵等，2012)。

目前，我國學(xué)者對中國不同地區(qū)不同類型地裂縫開展了大量研究并取得了一系列重要研究成果。長安大學(xué)彭建兵教授團(tuán)隊系統(tǒng)研究了西安地區(qū)、汾渭盆地和華北平原地裂縫的分布規(guī)律、成因機(jī)理、致災(zāi)機(jī)制和防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)，提出盆地構(gòu)造、斷裂活動、超采地下水、黃土濕陷和古河道坍塌等因素是西安地區(qū)、汾渭盆地和華北平原地裂縫形成的主要因素(彭建兵等，2008，2017；喬建偉等，2015b，2017；Xu et al.，2015，2019；Peng et al.，2016a，2018a，2018b，2020a，2020b；Qiao et al.，2018；Wang et al.，2019a，2019b，2020；閆鈺豐等，2018；Lu et al.，2019；Zang et al.，2019)。中國地質(zhì)大學(xué)(北京)及其他科研院所的研究學(xué)者詳細(xì)研究了北京地區(qū)地裂縫的分布規(guī)律和成因機(jī)理，發(fā)現(xiàn)北京地裂縫主要分布在六大區(qū)域，提出地裂縫的影響因素主要包括基底構(gòu)造、活動斷裂和超采地下水(趙忠海，2006；楊濤等，2010；馬超，2011；劉芳翠等，2016；趙龍等，2018)。南京大學(xué)、江蘇地調(diào)院和其他地勘單位的研究學(xué)者系統(tǒng)研究了江蘇省地裂縫的發(fā)育規(guī)律和成因機(jī)理，發(fā)現(xiàn)地裂縫主要分布在地面沉降邊緣，提出下伏基巖起伏、超采地下水和采礦是該區(qū)地裂縫的主要影響因素(Wang et al.，2008，2009，2010，2016a；Ye et al.，2015；王藝偉等，2016；龔緒龍等，2018；李莎等，2018)。

綜上所述，雖然我國對不同地區(qū)地裂縫取得了很多研究成果，但還未開展中國整體地裂縫發(fā)育規(guī)律和成因機(jī)理的系統(tǒng)研究。為此，本文基于大量的野外調(diào)查和地質(zhì)測量，討論并概述了中國地裂縫的空間分布和發(fā)育規(guī)律；在此基礎(chǔ)上選擇典型地裂縫開展地質(zhì)勘探研究，劃分了中國地裂縫的運(yùn)動特征，可為后期分析中國地裂縫成因機(jī)理提供參考。

1 中國地裂縫的空間分布

21世紀(jì)以來，中國地裂縫的發(fā)展趨勢持續(xù)增加，表現(xiàn)為已有地裂縫的不斷延伸和新地裂縫的不斷出現(xiàn)。至2015年，已在全國25個省和3個直轄市的4000余處累計發(fā)現(xiàn)地裂縫5000余條(圖1)。從圖1可以看出中國地裂縫主要分布在華北地區(qū)和華南地區(qū)的長江三角洲，其發(fā)育數(shù)量和造成的經(jīng)濟(jì)損失比例分別約為81%和98%(表1)。根據(jù)地貌類型不同，華北地區(qū)地裂縫又可分為汾渭盆地地裂縫和河北平原地裂縫。因此，我國地裂縫主要分布在汾渭盆地、河北平原和長江三角洲，其地裂縫災(zāi)害也最為嚴(yán)重，造成的經(jīng)濟(jì)損失約占總經(jīng)濟(jì)損失的80%。此外，我國的巨型地裂縫(長度大于1ikm)主要分布在華北地區(qū)的汾渭盆地和河北平原(表1)。其中單條延伸最長地裂縫、發(fā)育最長地裂縫帶和影響面積最大地裂縫群均發(fā)育在汾渭盆地和河北平原。如延伸最長的隆堯地裂縫，累計長度39ikm，連續(xù)穿越河北平原的13個村莊(Peng et al.，2016c)；發(fā)育地裂縫最長的交城斷裂帶，位于太原盆地西側(cè)，其沿線斷續(xù)發(fā)育地裂縫累計長度46ikm(孟振江，2012)；發(fā)育在西安的14條近平行展布的地裂縫影響面積約270ikm2(Peng et al.，2016b)。

圖1 中國地裂縫分布圖

表1 中國地裂縫統(tǒng)計表(據(jù)喬建偉(2018)修改)

1.1 汾渭盆地地裂縫

汾渭盆地位于華北地塊的中西部地區(qū)，其南倚秦嶺山脈，北接陰山—燕山山脈，西靠鄂爾多斯臺地，東側(cè)以太行山—中條山為界與華北平原相連，總體呈NNE向，且平面上呈“S”型展布；其有5個次級盆地包括渭河、運(yùn)城、臨汾、太原和大同盆地串聯(lián)而成，北起大同市，南至寶雞市，全長1200ikm，寬30～60ikm。汾渭盆地是中國大陸內(nèi)一條重要的拉張斷陷帶和地震構(gòu)造帶，其盆地構(gòu)造活動具有以下特征：(1)盆地帶基底形態(tài)復(fù)雜，(2)盆地帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，(3)盆地構(gòu)造活動十分強(qiáng)烈，(4)各次級盆地自上新世持續(xù)沉陷至今。汾渭盆地8級以上地震發(fā)生2次，7～7.9級地震發(fā)生6次。新中國成立以來發(fā)現(xiàn)的首例現(xiàn)代地裂縫即出現(xiàn)在汾渭盆地南端的西安市西北大學(xué)校內(nèi)，隨后擴(kuò)散至整個汾渭盆地并持續(xù)活動至今(Li et al.，2000)，截止至2015年野外調(diào)查累計發(fā)現(xiàn)地裂縫總數(shù)612條，其分布在汾渭盆地60余個縣市的400余處(圖2)。這些地裂縫導(dǎo)致沿線農(nóng)田開裂、公路錯斷、房屋破壞，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失。該區(qū)地裂縫主要發(fā)育在地面沉降較為嚴(yán)重的斷裂沿線，常與地面沉降相伴生，平行于斷裂走向，延伸較長，規(guī)模大，兩側(cè)差異沉降明顯(彭建兵等，2017)。

圖2 汾渭盆地地裂縫平面分布圖

1.2 河北平原地裂縫

河北平原位于華北地區(qū)東側(cè)，夾于太行山和魯西隆起之間，是中國的腹地，包括京津冀的全部平原區(qū)。河北平原現(xiàn)今地震活動性強(qiáng)且發(fā)生頻率高，已發(fā)生過多次破壞性地震，如1966年邢臺7.2級大地震和1976年唐山7.8級大地震不僅造成了大量的人員傷亡，還產(chǎn)生了大量的地面裂縫(徐煜堅等，1985)。河北平原現(xiàn)代地裂縫最早于1963年出現(xiàn)在邯鄲市(李世雄等，2006)，隨后擴(kuò)展至華北平原京津冀地區(qū)并持續(xù)活動，至2015年調(diào)查累計發(fā)現(xiàn)地裂縫1110條(圖3)。因此河北平原也是我國地裂縫發(fā)育條數(shù)較多、災(zāi)害較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。與汾渭盆地地裂縫相比，河北平原地裂縫的影響因素和發(fā)育類別多且活動差異性大，地裂縫分區(qū)明顯，主要分布在太行山前、冀中坳陷、滄縣隆起和臨清坳陷4個區(qū)域，其他地區(qū)零散分布(徐繼山，2012，駱祖江等，2018)。

圖3 河北平原地裂縫分布圖

1.3 長江三角洲蘇錫常地裂縫

長江三角洲蘇錫常地區(qū)是指環(huán)繞太湖的蘇州、無錫和常州組成的平原區(qū)。有記載的長江三角洲地裂縫最早于1989年出現(xiàn)在常州市(劉聰?shù)龋?004)，至2015年已發(fā)展至25條(圖4)。該區(qū)地裂縫主要伴隨地面沉降而出露地表，一般延伸長度和差異位錯均較小，活動強(qiáng)度也較汾渭盆地和華北平原要小的多；但該區(qū)全區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，是我國最富饒的都市圈之一，因此該區(qū)地裂縫造成的經(jīng)濟(jì)損失也較嚴(yán)重，關(guān)于該區(qū)地裂縫的研究程度也相對較高(Zhang et al.，2010；Ye et al.，2015；王藝偉等，2016)。地質(zhì)調(diào)查與勘探結(jié)果表明該區(qū)地裂縫發(fā)育長度基本小于1ikm，地裂縫與地面沉降伴生，主要分布在地面沉降邊緣，地裂縫走向平行于地面沉降等值線，地表活動以水平拉張變形為主，也會表現(xiàn)出一定的豎向位錯，但地裂縫發(fā)育深度較淺，向下延伸一定深度即尖滅。

圖4 (a)長江三角洲蘇錫常地裂縫與地面沉降分布圖(據(jù)Ye et al.，2015修改)和(b)無錫市光明村地裂縫錯斷地面

2 中國地裂縫的分布規(guī)律

通過對225幅地裂縫分布圖和102幅地裂縫災(zāi)害圖分析，發(fā)現(xiàn)這些地裂縫盡管在展布特征、發(fā)育規(guī)模、運(yùn)動特征和災(zāi)害特征等方面有很大差異，但其分布具有明顯的群集性和區(qū)帶性。中國地裂縫的分布表現(xiàn)出以下明顯的規(guī)律性：即沿斷裂帶集中發(fā)育、順地貌變異帶展布、與地面沉降相伴生、在黃土濕陷區(qū)散布和大中城市群發(fā)。

2.1 地裂縫沿斷裂帶集中發(fā)育

中國地裂縫沿活動斷裂帶集中發(fā)育主要表現(xiàn)為地裂縫主要分布在斷裂帶兩側(cè)一定范圍內(nèi)，特別是斷裂帶上盤1ikm以內(nèi)地裂縫發(fā)生頻率高。如目前中國地裂縫密度最大的區(qū)域即位于渭河盆地北緣口鎮(zhèn)斷裂帶上盤，受口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂影響，該斷裂帶上盤斷續(xù)發(fā)育69條地裂縫，這些地裂縫均位于斷裂上盤4ikm以內(nèi)，其中35條地裂縫走向平行于斷裂走向(圖5a)，34條地裂縫與斷裂斜交。太原盆地西緣交城斷裂帶上盤斷續(xù)發(fā)育43條地裂縫，這些地裂縫均位于交城斷裂上盤5ikm以內(nèi)，地裂縫均平行于斷裂走向，斷續(xù)延伸46ikm(圖5b)。此外，中國最長的單條地裂縫——隆堯地裂縫，發(fā)育在內(nèi)巨斷裂上盤；運(yùn)城盆地東緣5條近似平行的地裂縫，均發(fā)育在中條山斷裂上盤。

圖5 地裂縫沿斷裂帶集中發(fā)育圖

2.2 地裂縫順地貌分界線展布

中國地裂縫順地貌分界線展布表現(xiàn)為地裂縫發(fā)育在地貌分界線兩側(cè)一定范圍內(nèi)，且地裂縫走向平行于地貌分界線走向。如西安地裂縫群，全部發(fā)育在黃土梁與黃土洼地之間，地裂縫走向平行于黃土梁與黃土洼地分界線走向且地裂縫始終與黃土梁相伴隨(圖6a)。大荔縣安仁鎮(zhèn)80條地裂縫均發(fā)育在渭河階地分界線兩側(cè)500im以內(nèi)，地裂縫走向與地貌分界線平行(圖6b)，這些地裂縫均破壞沿線大量的基礎(chǔ)設(shè)施。此外，內(nèi)蒙古河套盆地地裂縫均沿河流階地前緣展布(He et al.，2017)，運(yùn)城盆地半坡地裂縫沿青龍河谷地塹后緣展布(Qiao，2018)。

圖6 地裂縫順地貌分界線展布圖

2.3 地裂縫與地面沉降伴生

如圖1所示，中國地裂縫發(fā)育的地區(qū)其地面沉降也較為發(fā)育。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及監(jiān)測資料顯示，中國地裂縫發(fā)育帶多與近些年不斷加劇的地面沉降區(qū)相伴而生，地裂縫常出露于地面沉降的邊緣。如發(fā)育在蘇錫常地區(qū)的25條地裂縫，盡管其走向不同，但均分布在地面沉降的邊緣地帶(圖4)。汾渭盆地2008～2010年InSAR監(jiān)測結(jié)果表明其地裂縫基本都分布在沉降量較大的區(qū)域且地裂縫走向多平行于地面沉降等值線，地裂縫災(zāi)害嚴(yán)重的區(qū)域其累計地面沉降量也較大，如渭河盆地西安地裂縫、運(yùn)城盆地青龍河谷地裂縫、臨汾盆地楊家莊地裂縫、太原盆地交城斷裂沿線地裂縫和太谷—祁縣地裂縫均發(fā)育在地面沉降嚴(yán)重區(qū)域(圖7)。

圖7 汾渭盆地地裂縫與地面沉降分布圖

2.4 地裂縫散布于黃土濕陷區(qū)

中國西北地區(qū)是世界上黃土分布較為廣泛的地區(qū)之一，由于黃土具有典型的濕陷性，隨著西北地區(qū)水渠的大量修建和農(nóng)田灌溉，導(dǎo)致黃土產(chǎn)生不均勻的濕陷沉降進(jìn)而產(chǎn)生了濕陷型地裂縫，這些地裂縫一般只發(fā)育在水渠或水坑四周一定范圍內(nèi)，走向與水渠或水坑平行，表現(xiàn)為零散地分布在黃土濕陷區(qū)。如渭河盆地大荔縣北堡村16條地裂縫走向不一地分布在洛惠渠南側(cè)，但其走向受水渠走向所控制(圖8)。此外，汾渭盆地廣泛發(fā)育的地裂縫也主要出現(xiàn)在黃土地區(qū)，如汾渭盆地的峨眉臺地，其中13條地裂縫發(fā)育不集中，零散的分布于臺地內(nèi)部(趙俊彥等，2018)。

圖8 陜西省渭南市大荔縣北堡村地裂縫分布圖

2.5 地裂縫在大中城市群發(fā)且規(guī)模大

中國地裂縫災(zāi)害表現(xiàn)為在大中城市群發(fā)，如汾渭盆地的西安市、運(yùn)城市、臨汾市、太原市和大同市等地裂縫災(zāi)害的規(guī)模均大于周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)地裂縫的規(guī)模。河北平原的北京市、天津市、邯鄲市和衡水市等地裂縫災(zāi)害的規(guī)模均大于周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)地裂縫的規(guī)模。長江三角洲地區(qū)地裂縫主要集中在蘇州市、無錫市和常州市。如渭河盆地西安市14條地裂縫均為巨型地裂縫，累計長度157.9ikm；大同盆地大同市11條地裂縫有10條為巨型地裂縫，累計長度33.4ikm；北京市發(fā)育113條地裂縫集中發(fā)育在7個區(qū)域，其分布面積約占北京土地面積的1%(圖9)。

圖9 (a)大同市地裂縫分布圖和(b)北京市地裂縫分布圖(據(jù)Peng et al.，2020a修改)

3 運(yùn)動特征

通過分析36個槽探揭示的地裂縫淺部結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)這些地裂縫的運(yùn)動特征可劃分為4種類型：即拉張型、拉張-剪切型、剪切-拉張型和剪切型，其中拉張型和拉張-剪切型地裂縫以水平拉張運(yùn)動為主，剪切拉張型和剪切型地裂縫以豎直差異運(yùn)動為主。

3.1 拉張型地裂縫

拉張型地裂縫是指地裂縫在淺表部近直立，地裂縫的張開量隨著深度的增加而逐漸減小直至尖滅，但地裂縫兩側(cè)地層無明顯位錯。如臨汾盆地果場地裂縫探槽揭示地裂縫在剖面上近直立，傾角約88°；地裂縫上寬下窄，呈“喇叭”狀，上部最寬達(dá)80icm，向下延伸至1im處變?yōu)?0icm，延伸至4im處變?yōu)?icm，延伸至8im處不足1icm(圖10)。此外，王藝偉等(2016)研究結(jié)果表明長江三角洲地裂縫的運(yùn)動特征以水平拉張為主。

圖10 臨汾盆地果場地裂縫剖面圖

3.2 拉張-剪切型地裂縫

拉張-剪切型地裂縫是指地裂縫在淺表部兼具水平位移和豎向位移，地裂縫的張開量隨著深度的增加而逐漸減小，且地裂縫兩側(cè)地層的位錯量隨深度的增加也逐漸減小，地裂縫向下延伸一定的距離后尖滅。如渭河盆地西白村地裂縫探槽揭示地裂縫在地表兼具水平位移和豎向位移，地裂縫在地表水平張開量40icm，向下延伸至2im變?yōu)?icm，延伸至3im變?yōu)?icm，延伸至8.5im處即尖滅；地裂縫在地表位錯量為20icm，延伸至8im古土壤位錯量變?yōu)?icm(圖11a)。此外，Wang et al.(2010)通過研究，揭示蘇錫常地區(qū)河塘地裂縫地表位錯量30icm，延伸至1.5im處地裂縫位錯量變?yōu)?5icm，且地裂縫兩側(cè)出現(xiàn)明顯的剪切帶，地裂縫地表張開量10icm，延伸至1.5im變?yōu)?icm(圖11b)。

圖11 拉張-剪切型地裂縫剖面圖

3.3 剪切-拉張型地裂縫

剪切-拉張型地裂縫是指地裂縫在淺表部近直立且兼具水平位移和豎向位移，地裂縫向下延伸的過程中發(fā)生傾斜且地裂縫兩側(cè)地層的位錯量隨深度的增加而逐漸增加，但是地裂縫的張開量卻隨深度的增加而逐漸減小。如渭河盆地西安f4地裂縫(圖12a)和運(yùn)城盆地西董村地裂縫(圖12b)。西安f4地裂縫在淺表部近直立且兼具水平位移和豎向位移，地裂縫在地表位錯量為30icm，延伸至2.5im增加至50icm，延伸至4.5im增加至70icm，延伸至8im增加至150icm；然而地裂縫在地表的張開量為40icm，延伸至2.5im減小至25icm，延伸至4.5im減小至15icm，延伸至8im減小至10icm。運(yùn)城盆地西董村地裂縫在淺表部近直立且兼具水平位移和豎向位移，地裂縫在地表位錯量為30icm，延伸至2.6im增加至200icm，延伸至5.2im增加至400icm；地裂縫在地表張開量80icm，延伸至1.5im減小至20icm，延伸至3im減小至5icm，延伸至5im減小至2icm，延伸至6im減小至1icm。

圖12 剪切-拉張型地裂縫剖面圖

3.4 剪切型地裂縫

剪切地裂縫是指地裂縫在淺表部具有一定的傾角，地裂縫以豎向位移為主且無明顯水平位移，地裂縫兩側(cè)地層的豎直位錯量隨深度的增加而顯著增加，地裂縫兩側(cè)局部地層具有牽引現(xiàn)象和剪切破裂帶，表明地裂縫以剪切運(yùn)動為主。如大同盆地石莊村地裂縫，探槽剖面揭示地裂縫在近地表產(chǎn)狀為275°∠80°，地裂縫在淺地表無明顯水平位移，但豎向位移為10icm，向下延伸的過程中兩側(cè)地層的位錯量逐漸增加，延伸至1.5im增加至15icm，延伸至2.7im增加至20icm，延伸至6im增加至25icm，延伸至7.5im增加至70icm，延伸至8im增加至150icm(圖13a)。此外，地裂縫具有明顯的剪切面，兩側(cè)地層發(fā)生一定的變形，表現(xiàn)出牽引和拖拽現(xiàn)象(圖13b)。

圖13 剪切型地裂縫剖面圖

4 結(jié) 論

通過詳細(xì)的野外調(diào)查和地質(zhì)測繪概述了中國地裂縫的空間分布和發(fā)育規(guī)律，結(jié)合地質(zhì)勘探與物理模型試驗分析了中國地裂縫的運(yùn)動特征，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)中國地裂縫主要分布在華北地區(qū)和華南地區(qū)長江三角洲，華北地區(qū)以汾渭盆地和河北平原最為嚴(yán)重，其中大于1ikm的巨型地裂縫主要分布在汾渭盆地和河北平原。

(2)中國地裂縫分布表現(xiàn)出沿斷裂帶集中、順地貌變異帶展布、與地面沉降伴生、黃土濕陷區(qū)散布和大中城市群發(fā)的規(guī)律。

(3)中國地裂縫的運(yùn)動特征可劃分為剪切型、剪切-拉張型、拉張型、拉張剪切型4種類型。