王家墳村地裂縫現場調查及可能原因分析

閆小兵，郭 瑾，扈桂讓

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025；

3.成都理工大學，四川 成都 610000)

0 引言

在山西地塹系，地裂縫災害是區內分布廣泛、致災嚴重的地質災害。自20世紀中、后期以來，山西地塹系已有多個城市及鄉鎮發現地裂縫，其數目驚人，危害極大，已成為地裂縫災害最為發育的地區之一，嚴重影響著城市建設及國民經濟的發展，累計經濟損失近百億元，其中尤以大同、榆次、臨汾、運城等城市最為嚴重和典型。早期的研究認為，地面沉降是地裂縫的成因，這種成因說認為地裂縫是由于過量抽取地下水導致地面大面積沉降而引起，局部地質構造條件對地裂縫的形成只起到有限的控制作用。然而，隨著研究工作的不斷深入，越來越多的人認為地裂縫以構造成因為主，即地裂縫是由基底伸展斷裂系在橫向拉張應力場作用下形成的，并同時疊加了地下水開采的影響。如，對大同地裂縫的成因，劉玉海、陳志新均認為大同地裂縫的形成和發展主要受控于基底構造活動，與過量開采地下水沒有直接聯系[1]，徐錫偉的研究成果支持了這一觀點，發現大同鐵路分局的地裂縫是隱伏的白馬城斷層最新一期無震滑動在地表的構造表現，在力學成因上可能與口泉斷裂的右旋傾滑運動引起的局部引張效應有關[2]。關于清徐地裂縫的成因，趙晉泉等認為新構造運動是地裂縫形成控制因素，斷層活動是地裂縫形成的直接原因，地下水加速了地裂縫的活動①趙晉泉，曾金艷.山西省清徐縣境內交城斷裂帶、地裂縫勘察及地震活動性評價報告，2008.。山西地區其他主要地裂縫災害嚴重地區(如，榆次、清徐、臨汾、運城等)的調查或勘探結果均顯示，地裂縫與隱伏活動斷裂或旁側活動斷裂的活動有關[3-5]。

2012年8月至10月，山西省太原市晉源區王家墳村(位置及周圍地形見第31頁圖1)出現以村北中街一排9號朱桂生家為中心，周圍涉及20戶左右的居民房屋出現不同程度的開裂。筆者與本單位其他人員，于2012年10月26日在收集王家墳村周圍斷裂相關資料的基礎上，對王家墳村出現的房屋開裂進行現場調查，并對地裂縫的產生原因進行初步分析。

1 基礎資料收集

根據太原市活斷層填圖結果，出現地裂縫的王家墳村位于交城斷裂主斷裂東約300 m處(見第31頁圖2)。

交城斷裂位于太原盆地西緣，北起泥屯盆地西側山前[6]，向南經迎澤大街、晉祠、清徐、交城至汾陽，全長約130 km。斷裂走向NNE轉NE，傾向SEE，以正斷活動為主，兼有右旋走滑分量。根據十五項目“太原市活動斷層地震地質調查與活動性鑒定”的成果[7-8]，該斷層為一條全新世活動斷層，又據太原基準地震臺1979年至2009年短水準形變測量資料，交城斷裂現今仍在活動，其垂直位移平均速率為0.95 mm/a，表明斷裂全新世以來仍在活動，為全新世活動斷裂。

2 現場調查

該次地裂縫調查共涉及包括朱富生在內10戶居民的20間房子(見第32頁表1)，地裂縫具體開裂情況如第32頁圖3(照片)所示。據房屋開裂最嚴重的朱富生介紹，王家墳村地裂開始于2012年8月份，房屋破壞特征主要為房屋沿南北向開裂，且房屋東側普遍下降(或向下傾斜)。現場在開裂最嚴重的朱富生家后墻進行測量，裂縫水平開裂最大10 cm，垂直位錯最大7～8 cm。此次房屋開裂主要集中于朱富生家周圍20多間房子(見第33頁圖4、圖5)，總體上看，開裂房屋主要分布在圖5所示的150 m×250 m范圍之內。

圖1 王家墳村位置及周圍地形圖

3 成因初步分析

山西斷陷盆地內大多數較大規模的地裂縫，其成因主要受活動構造、地下水開采及地層條件、黃土濕陷的地形和地貌條件等4個因素控制[9]，下面將分別討論這四方面因素對王家墳地裂縫的影響。

(1) 活動構造。

就山西地塹系大多數集中成帶較大規模的地裂縫而言，其構造成因的特征比較明顯，地裂縫是區內新構造活動在土層內形成的一種破裂跡象，其構造成因的意義在于地裂縫活動的性質和發育規模主要受制于構造作用。從區內地裂縫發育情況看，較大規模的地裂縫帶均是沿構造破裂面發育擴展，主要原因是這些構造破裂面是抗變形能力的薄弱面，在應力場狀態發生變化的情況下，應變能很容易在薄弱面形成集中而導致破裂面繼續擴展，直至延伸至地表形成地裂縫。說明隱伏構造破裂面的存在是地裂縫形成的前提條件。

圖2 王家墳村在活斷層圖上的位置

根據現場調查資料，發現王家墳地裂縫沿近南北方向展布，和交城斷裂走向一致；現場房屋破壞主要表現為房屋東側下降，和交城斷裂力學性質一致；王家墳地裂縫與交城斷裂的主斷裂距離僅為300 m(與次級斷裂距離160 m)，初步判定該地裂縫與交城斷裂的次級斷裂活動有關。但是，從開裂房屋東西側差異運動情況來看，該裂縫水平開裂最大10 cm，垂直位錯最大7～8 cm，此次活動量是比較微弱的。

(2) 地下水開采。

山西地塹系地裂縫活動與地下水開采存在很明顯的時空關聯特征， 有觀點認為，地裂縫是由地下水過量開采所引發的地面沉降所致。地面沉降之所以能夠誘發地裂縫，主要是由于土層中既存破裂面本身是抗變形的薄弱面，抗拉張變形能力微乎其微，成為對地面沉降形成橫向拉張作用十分敏感的部位，在地面發生局部差異性沉降。

圖3 地裂縫對民居造成的影響

表1 王家墳地裂縫現場調查情況匯總

根據王家墳村民朱寶生介紹，地裂出現之后，在其家院子里，用洛陽鏟開挖一個4.8 m的孔，其水位在2.0～3.0 m左右，比原來水位下降0.8～1.2 m。筆者認為，王家墳地裂縫的出現主要有以下2個原因：房屋修建時，地基處理不好，發生不均勻沉降造成；王家墳村一帶地下水位下降，地表土層(地層條件)中原來存在的一些薄弱面，受交城斷裂的活動誘發而導致。

(3) 黃土濕陷。

黃土濕陷性是黃土本身在自重或者外部荷重下，受到水浸泡后，結構力迅速破壞，發生下沉的性質。其主要原因是黃土本身是以粘粒和親水弱的礦物為主，具有大孔結構，天然含水量小，具有粘粒的強結合水連結和鹽分的膠結連結，在干燥的時候，可以承擔一定的荷重而變形不大，但浸泡水之后，粘粒連結顯著減弱，引起土結構變形而產生濕陷。

經實地調查，王家墳一帶水位呈下降狀態，不具備產生黃土濕陷的必要條件，不需要考慮黃土濕陷對地裂縫的影響。

(4) 地形、地貌環境。

地貌類型是土層巖性、成巖類型、水文地質條件、地形特征等諸多方面的綜合反映，山西地塹系地裂縫的發育受地貌影響的形式在不同地區有一定差別。在地塹系邊緣，由于兩側的升降差異影響，在地貌單元交接帶上往往交替沉積了不同性質、不同成因類型的土層，從而沿單元交接帶形成一工程地質條件差異帶，使地裂縫沿地貌邊界展布。在濕陷性黃土分布區域，地裂縫的發育受地形地勢制約，多分布于地勢低洼地帶。

圖4 王家墳地裂縫分布范圍立體圖及距邊山距離

圖5 王家墳地裂縫分布范圍平面圖

根據野外地質調查，王家墳地裂縫位于汾河西岸汾河Ⅰ級階地和太原西山斷塊隆起區交接地帶，其特殊的地貌位置對其形成具有定位控制作用。

4 結論

(1) 2012年7月至8月，王家墳地裂縫主要包括朱富生在內10戶居民的20間房子，房屋裂縫水平開裂最大10 cm，垂直位錯最大7～8 cm。

(2) 王家墳地裂縫出現可能是由于當地地下水位下降，地表土層(地層條件)中原來存在的一些薄弱面，受交城斷裂的活動誘發而導致。該地裂縫位于汾河西岸汾河Ⅰ級階地和太原西山斷塊隆起區交接地帶，其特殊的地貌位置對其形成具有定位控制作用。

參考文獻：

[1] 劉玉海，陳志新，悅萬魁，等.大同市城市地質研究[M].西安:西安地圖出版社,1995.

[2] 徐錫偉，錢瑞華，高震寰，等.大同鐵路分局地裂縫帶的三維構造特征及其成因分析[J].地震地質,1994,16(4):355-364.

[3] 蘇宗正，郝何龍，侯廷愛.太原盆地的地裂及其災害[J].山西地震,2000(3):1-5.

[4] 丁學文，陳國順，齊永生.榆次地裂縫成因探討[J].華北地震科學,2000,18(1):16-25.

[5] 李自紅，劉鴻福，曾金艷，等.基于分形理論的地裂縫成因機制研究[J].震災防御技術，2012，7(1)：46-53.

[6] 郭 慧，江娃利，謝新生.山西交城斷裂北端及中段3個大型探槽全新世斷錯現象分析[J].地震地質,2012,34(1):76-93.

[7] 張 敏，李自紅，劉鴻福，等.基于ArcGIS的太原斷陷盆地第四系三維地質建模[J].震災防御技術，2007，2(3)：243-248.

[8] 李自紅，劉鴻福，張 敏，等.地震與活動斷裂空間關系的三維可視化建模[J].地震地質，2013，35(3)：565-575.

[9] 孟令超.山西斷陷盆地地裂縫成因機理研究[D].西安:長安大學,2011.