山東省構造型地裂縫成因機制研究

安海波，王寶春，張長龍

(山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

在經濟發達、人口稠密、地質環境條件復雜的山東省，人類活動諸如大規模的水事活動、地下礦產資源的大量開采、大規模的工程建設和快速的城市擴張等對地質環境的影響越來越大。這使得我們賴以生存的地質環境已經發生或正在發生深刻的變化，在我們向地質環境無止境索取的同時，也導致了山東省內地裂縫地質災害的頻繁發生。已有的地裂縫研究資料表明，地裂縫是在內外動力作用下，巖土層發生破裂的一種表生地質現象,是地質災害中地面變形災害的一種，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工程處，李春山，魚臺縣老砦鄉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]沿臨邑斷裂還發現有地裂縫冒水冒油現象。王景明等[11，12]的調查資料表明，目前山東省內已經發現有地裂縫75處447條，造成總的經濟損失為6億多元。因此,對山東省的地裂縫地質災害分布與發展規律進行研究,探討其形成機制，為工程防治對策的制定提供科學依據和技術支持,對防災減災工作有著重要意義。

1 地裂縫發育的地質環境背景

新生代以來，太平洋板塊由早期的NW向轉為向西俯沖于歐亞板塊之下，所產生的弧后拉張效應使渤海灣地區產生巨大的拉張應力場，同時也在郯廬斷裂山東段產生強烈拉張作用[13]，這兩種作用奠定了山東省境內地區地裂縫張裂的力源基礎。山東省內的活斷層主要表現為斷塊運動，和對古近紀及其以前的構造繼承性改造，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域分布特征。

第四紀以來，山東省內地殼運動以差異性升降運動為主，新構造運動朔造了山東省現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、魯東低山丘陵區和魯西北-魯西南平原區[15]。在此期間，魯西北-魯西南平原區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育在魯西北-魯西南平原區和受沂沭斷裂帶構造控制的陸相裂陷盆地內。

2 地裂縫的主要特征

2.1 地裂縫的區域分布特征

圖1 山東省地裂縫分布圖(根據王景明修改[12]，2000年)

王景明等[12]的研究成果表明，山東省已在50多個縣市發現地裂縫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造活動較為強烈的魯西北-魯西南平原區和受沂沭斷裂帶構造控制的陸相裂陷盆地內。地裂縫的形態多為鋸齒狀，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，形態也較為單一。區域分布的地裂縫有由地表向深處，由分散向集中、由少量向大量發展的趨勢。段秀銘和鄭庭明[1]將山東省地裂縫地質災害分為以下3個地裂縫地質災害發育區：

(1)聊城-桓臺地裂縫災害區：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系。

(2)曹縣地裂縫第四系塌陷發育區：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，地裂縫主要表現為地表裂縫及地面串珠狀塌陷。

(3)郯城-莒縣地裂縫崩塌區：位于郯城-莒縣沂沭斷裂區域內，地裂縫地質災害受斷裂構造的展布方向和活動程度所控制延伸數十至數千米，寬數厘米，一般呈NNE向，發育緩慢,呈累進性逐漸發展、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，就有5000余間房屋發生不同程度的開裂,直接經濟損失近千萬元。

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生地裂縫噴油冒水現象[9，10]；在沂沭斷裂帶的地裂縫發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域構造應力場的控制，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育區的活動斷裂的總體走向特征具有一致性。

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

(3)地裂縫發育與區域活動斷裂的密切相關性。一般是活動斷裂的沿線或其附近區帶內和活動斷裂的交匯地區比較發育，且其發育強度與相應的斷裂活動基本相對應。

(4)地裂縫成因上具有復雜性。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”和大規模采礦工程活動等導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，天然的巖溶地質災害和滑坡地質災害也會形成地裂縫。因此，地裂縫的形成與發展是多種因素共同作用下的綜合影響結果。

3 地裂縫的成因機制分析

采空區、巖溶和滑坡等引起的地裂縫具有局限性，不具普遍的規律可循，這里主要討論構造型地裂縫的成因機制。不少學者做了大量的山東省構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造特征，其形成受山東地區區域構造應力場控制，并且與現代地殼活動有著極為密切的關系，人類過量開采地下水以及地表水的浸入，加劇了地裂縫的現代活動。從地裂縫分布及其特征看,其構造屬性主要是受區域構造應力場作用,是斷裂帶活動在地表發生構造破裂(地裂縫或地表形變帶)的結果，同時，也受到其他多種因素的影響，但是尚未有人系統地揭示區域構造活動與地裂縫的密切關系，下面從以下幾個方面提出了山東省構造成因地裂縫的成因機制。

(1)地裂縫的形成受現今區域構造應力場控制。山東地區處于太平洋板塊俯沖帶的內側，太平洋板塊俯沖引起地幔內高溫、低波速的熔融或半熔融物質上涌并擠入地殼，從而在地殼表層與深部造成兩種不同的作用結果：一方面地殼表層受拉而變簿，發生裂谷型斷裂作用，如此便形成了SW—NE向拉張應力場；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。在這種應力場使得厚層的第四系沉積土體產生大量張裂、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是地裂縫的高發區。魯西南—魯西北平原區內的活動斷裂帶為現代地殼的差異活動帶，且大多隱伏于地下。新構造運動以來，來自青藏高原NE向的擠壓應力場傳遞至華北平原區，受到郯廬斷裂的屏蔽和聚合作用。于是，該SW—NE向應力場作用于在魯西南—魯西北平原區內的先存斷裂，使得區內形成隱伏于第四系中一系列的NE向斷裂帶。區域構造應力場在地質體的分布和傳遞，隨著巖土體介質的物理力學性質差異不斷調整，應力場方向和大小在地質體薄弱環節的活斷層部位發生變化。活動斷裂將應力場的作用轉化為主要沿活斷層傳播的表面應力作用，使應力場在斷裂帶附近的剪切應力發生集中和增強。因此，斷裂帶及其附近地質體的變形機制主要表現為塊體沿著活斷層發生剪切變形破壞和拉張位移，經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性。地震活動釋放出來的能量以地震波的形式在地質體內部傳播，強烈的振動效應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均產生了大量的地震地裂縫。

(4)水對地裂縫發育具有重要影響。水對地裂縫的影響可以解釋為以下兩種模式：其一，區域構造應力場、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，在有活動構造通過時,則地裂縫更加發育,破壞性更大。

4 結語

山東省內地裂縫的發育與其所處的特殊地質環境及人類工程活動環境有關，是多種因素共同作用的結果。新生代構造環境、區域構造應力場、活動斷裂和地震活動等構造作用是控制地裂縫孕育、發展、活動性質和分布的主導因素，對地裂縫形成起決定性作用；強降水、抽取地下水、農田灌溉等人為活動影響地裂縫發生的時間、地段、強度等，是地裂縫形成的誘導因素，對地裂縫擴展起誘發作用。關于山東省地裂縫的科學研究，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查資料、地裂縫成因機理、地裂縫致災機理、地裂縫地質災害的防治對策等方面開展深入系統的研究，必將取得令人滿意的結果。

參考文獻：

[1] 段秀銘，鄭庭明．山東省地質災害分區與防治對策研究[J]．山東國土資源．2007，23(4)：1-6.

[2] 張晶，張鐵奎，張業成．我國內生地裂縫災害概況[J]．地質災害與環境保護．1992，3(2):8-15.

[3] 王景明．黃土構造節理的理論及其應用[M]．北京水利水電出版社，1996.

[4] 徐翠云．我國地裂縫的分布特點、形成機制及治理措施[J]．江蘇地礦信息，1998，(3)：87-90.

[5] 王瑞田，趙憲超，畢桂香．1937年菏澤地震地裂縫追蹤研究[J]．西北地震學報．1994，16(4)：70-75.

[6] 趙憲超．1937年菏澤7.0級地震的地裂縫特征[J]．地殼形變與地震，1991，11(1)：93-96.

[7] 黃文峰，皇甫乾，張楠．山東省單縣高韋莊地區地裂縫成因分析及防治[J]．中國地質災害與防治學報．2010，21(4)：133-138.

[8] 鄒國強．山東省臨邑縣地裂噴油災害原因雛議[J]．中國地質災害與防治學報，1998，9(增刊)：247-251.

[9] 徐守余．山東省臨邑縣林盤鎮地裂冒噴水油災害初步分析[J]．中國地質災害與防治學報，2005，16(3)：90-93.

[10] 王景明．我國地裂縫地質災害對城鄉建設的危害[J]．國土資源與環境治．2001，57(3)：28-30.

[11] 王景明.地裂縫及其災害的理論與應用[M]．陜西：陜西科學技術出版社，2000：128-131.

[12] 劉翠，鄧晉福，張貴賓，等．華北地區新生代巖石圈伸展減薄機制的數值模擬[J]．中國地質，2006，33(4)：885-895.

[13] 宋明春．山東省大地構造格局和地質構造演化[D]．北京：中國地質科學院博士學位論文，2009.

[14] 宋明春，王沛成，梁幫啟，等．山東省區域地質[M]．濟南：山東省地圖出版社，2003.