臨汾盆地北張地裂縫發育特征與成因分析

翟棟梁,劉 川,喬建偉,趙俊彥

(1.四川志德巖土工程有限責任公司,四川 成都 610041;2.機械工業勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710043;3.長安大學 地質工程系,陜西 西安 710054)

0 引言

地裂縫是地球表面淺表部巖土體的拉張或剪切破壞現象,其幾何形態多樣,長度和寬度變化較大,地表表現形式多樣,是一種典型的地面災害之一[1-3]。地裂縫所到之處,毀壞房屋、錯斷交通線路、破壞農田,嚴重影響著當地居民正常的生產與生活,并制約著所在區域的經濟可持續發展[4]。自Leonard首次報道了出現在Picacho盆地的地裂縫以來,吸引了大量地質工作者研究地裂縫[5]。研究發現,地裂縫成因復雜多樣,其影響因素有:超采地下水,地震,構造應力,黃土濕陷,滑坡等[6-10]。

自20世紀70年代以來隨著經濟的快速發展,人類對地下資源的過度開采,導致地下環境失調,加之臨汾盆地新構造運動活躍,使得該區成為地裂縫災害的多發區之一。臨汾盆地地裂縫最早出現于20世紀70年代的臨汾市周邊,隨后逐漸向周邊擴展,至20世紀90年代已擴展至侯馬凹陷盆地,截止到2013年野外調查共發現86條地裂縫[11]。

對于臨汾地區地裂縫的研究,前人們主要針對20世紀70年代出現于臨汾市區及周邊地區地裂縫的分布特征、影響因素等進行討論。如董東林等[12-13]分別研究了臨汾市地裂縫與開采地下水、新構造運動及地震活動的相關性;劉忠芳等[14]將臨汾市地裂縫成因種類總結為:地震、斷層構造、地下水開采、黃土濕陷;董曉曉等[15]將臨汾市地裂縫分為:構造地裂縫與非構造地裂縫;喬建偉等[16]概化了果場地裂縫的成因機理為:構造孕縫、抽水誘縫和降雨擴縫。但是,對于20世紀90年代以來出現的地裂縫,特別是侯馬凹陷盆地地裂縫的研究較少。

本文以2007年出現的位于侯馬凹陷盆地的新絳縣北張地裂縫為研究對象,通過詳細的野外地質調查,查明北張地裂縫的平面展布特征,利用一系列的地質勘探手段揭露地裂縫的剖面結構特征,分析北張地裂縫的成因機理并據此提出了防治措施。

1 地裂縫發育的地質環境背景

臨汾盆地形成于晚第三紀的上新世時期,位于汾渭盆地構造帶南部,南寬北窄,總體走向為NNE,呈不規則梯形,盆地內活動斷裂發育(圖1)。由于臨汾盆地位于汾渭地塹系“S”型的轉折處,因此臨汾盆地新構造運動強烈,具體表現為新斷裂的出現和老斷裂的重新復活,有著顯著的繼承性與不均勻性,表現形式主要為:活斷裂扭動、錯斷、和拉裂新近系和第四系地層[17-18]。同時伴隨斷裂帶發生多次地震活動,其中破壞性地震主要為1303年的洪洞8級地震和1695年的臨汾7.7級地震,這也是臨汾盆地新生代地層破裂的主要成因[19-20]。賀明華等[21]對于臨汾盆地新構造的研究指出,按照發育歷史的不同和新構造活動特征的區別把臨汾盆地劃分為兩個不同次級斷陷盆地:侯馬凹陷盆地和臨汾凹陷盆地(圖1)。

圖1 臨汾盆地地質構造圖Fig.1 Geological structure of Linfen Basin

臨汾盆地內主要為沖洪積平原,地勢由四周向汾河谷地內傾斜,汾河谷地內則表現為由西南向東北逐漸抬升,東西部的次級斷階上有黃土丘陵發育。盆地內上新統至全新統不同類型的沉積分布十分廣泛;而且臨汾盆地內不同時代的黃土分布廣泛,最大厚度約80 m[22]。

臨汾盆地屬于半干旱、半濕潤溫帶大陸性季風氣候,年平均降水為539 m,其中6至9月份的降雨量約占全年降水量的70%(圖2)。盆地內地下含水層在河谷平原區主要為細砂層、砂卵礫石層和河湖沖積相的亞砂土層,在傾斜平原區主要為亞砂土、亞黏土和沖洪積相的砂卵礫石。地下水位線由盆地中心向盆地邊緣逐漸上升,最低處為汾河,地下水的徑流方向表現為從盆地兩側的洪積扇區流向中間的汾河谷底。開采地下水的主要對象為中深層地下水,地下水的開采類型為松散巖類孔隙水。

圖2 臨汾盆地平均月降雨量Fig.2 The average monthly rainfall of Linfen Basi

2 地裂縫發育的基本特征

2.1 平面展布特征

北張地裂縫位于運城市新絳縣北張鎮,包含兩條地裂縫,分別為BZ1和BZ2,兩條地裂縫呈弧形展布,近似平行,走向約為80°NE～120°SE,間距為103.9～242.7 m之間(圖3)。地裂縫在地表以水平拉張為主,沒有明顯的垂直位錯,地表表現為串珠狀陷坑或地裂溝以及導致房屋開裂。

BZ1地裂縫出現于2007年7月的暴雨以后,最早出現于北董村村東田地內,隨后向東擴展至北張村北張中學,至2013年已擴展至北行莊。地裂縫全長3.2 km,在西端北董村走向為120°,延伸至北張中學轉為90°并一直延伸貫穿北張鎮,至北行莊走向轉為80°。地裂縫可見深度約1 m,最寬達50 cm[圖3(f)];地裂縫對房屋墻體的破壞主要表現為拉張裂縫[圖3(a),3(e)]。

圖3 北張地裂縫平面分布及典型照片Fig.3 Distribution and typical pictures of Beizhang earth fissure

BZ2地裂縫最早出現于2009年7月農田灌溉以后,地裂縫在北董村東側田地中走向為SE120°,從向東延伸至北張村北側時走向轉變為90°并一直延伸貫穿北張村,至北行莊走向又變為80°,全長2.7 km。該條地裂縫發育較淺,主要出露在農田,地裂縫在地表主要表現為小型陷坑[圖3(d)]。

2.2 剖面結構特征

為了確定地裂縫兩側地層的位錯情況和發育深度,在地裂縫地表災害嚴重的北張村開展了探槽工作。探槽剖面共揭示3條地裂縫,從南向北依次為f2、f1、f3,破裂帶寬度約3.76 m,如圖4所示。其中f1為主裂縫,分為上、下兩部分,上半部出露深度范圍為1.05～5.74 m,下半部分出露深度范圍為5.30～7.42 m。裂縫傾角上陡下緩,上部為79°,下部為64°,張開量0.5～3 cm,上寬下窄,充填物為深褐色淤泥,在第2層粉細砂處出現垂直位錯約5 cm,第3層位錯10 cm,第4和5層位錯12 cm,在裂縫底部處地層無位錯。

1.第四系黃土;2.粉土;3.粉質黏土;4.細砂;5.結核層;6.地裂縫圖4 地裂縫淺層剖面結構Fig.4 The shallow profile structure of Beizhang earth fissure

f2裂縫為f1上盤的次級裂縫,出露深度范圍為1.18～5.34 m,傾角61°～83°,填充有深褐色淤泥,兩側地層無錯動,與主裂縫的間距為1.61～1.92 m,兩者近平行狀發育。f3裂縫為f1下盤的次級裂縫,出露深度范圍為3.38～4.97 m,傾角65°～88°,填充有深褐色淤泥,兩側地層無錯動,與主裂縫間距為1.61～1.79 m,兩者也近平行狀發育。

2.3 活動特性

北張地裂縫在地表主要表現為水平拉張破壞,未見明顯水平扭動和垂直位錯現象。根據野外調查可知,地裂縫的活動性受降雨和灌溉影響顯著,即地裂縫多在雨季活動性增強,尤其是在強降雨之后,容易顯露于地表,并且在裂縫陷坑處有明顯雨水沖刷現象。例如此裂縫的北張中學段,在2012年夏季的一次強降雨之后突然開啟,顯露地表并在北張中學操場上形成長12.8 m,寬50 cm,最深達2 m的連續陷坑[圖3(b),3(c)]。當裂縫出現于田地中時,都被當地農民整平,在強降雨或灌溉之后,由于表水的沖刷作用,整平的裂縫又會重新開啟并顯露地表。

3 地裂縫成因機理分析

由于北張地裂縫位于臨汾盆地南部的侯馬凹陷盆地區,新構造運動活躍,且屬于干旱半干旱地區。因此,從構造斷裂和超采地下水兩個方面分析北張地裂縫的成因。

3.1 構造斷裂

臨汾盆地內部構造斷裂發育,地裂縫的形成很可能受下伏斷裂控制。為了確定北張地裂縫與下伏活動斷裂的關系,本文運用地球物理勘探和鉆探手段揭示了地裂縫與下伏斷裂的關系。地球物理勘探結果(圖5、圖6)表明,地裂縫兩側發育隱伏斷裂,但地裂縫隱伏斷裂具有一定距離,地裂縫不是隱伏斷裂的向上延伸。鉆探結果(圖7)顯示地裂縫兩側土體連續,無隱伏斷裂,進一步證明了地裂縫不是隱伏斷裂的向上延伸。因此,推測構造斷裂不是地裂縫形成的主要因素。

圖5 裂縫區淺層地震折射解釋剖面Fig.5 Interpretation of shallow seismic refraction profile

圖6 裂縫區淺層地震地質解釋剖面Fig.6 Interpretation of shallow seismic geological profile

3.2 超采地下水

臨汾盆地屬于中國干旱半干旱區域,農業、工業和日常用水以地下水為主。自20世紀70年代以來,隨著經濟的快速發展,地下水的開采量逐年增加,且地下水開采井逐漸加深(圖8)。2007—2010年期間,深井地下水的開采占50%左右,是新絳縣的主要供水來源。20世紀70年代初期,該區地下水位約為5 m,至2012年地下水水位下降至35 m,地下水位下降近30 m,引起了嚴重的地面沉降。根據2008—2012年的InSAR監測結果(圖9),新絳縣累計最大沉降量達50 mm,而北張地裂縫位于地面沉降的邊緣。又由地裂縫的剖面特征顯示,地裂像具有一定的深度,且地裂縫兩側地層位錯不明顯。因此超采地下水引起的地面沉降是地裂縫形成的主要因素。

圖8 新絳縣2007—2010年供水量組成Fig.8 The water supply in Xinjiang County from 2007 to 2010

圖9 新絳縣2008—2012累計沉降量Fig.9 The cumulative subsidence in Xinjiang County from 2008 to 2012

3.3 成因機理

通過以上分析發現,北張地裂縫發育深度較淺,其超采地下水引起的水平拉張應力是地裂縫形成的外動力,由此形成的地面沉降,特別是不均勻沉降是地裂縫形成的主要因素。地裂縫出露地表以后,由于其寬度窄而細,其影響較小。但是,在強降雨或灌溉以后,由于表水沿著裂縫處快速下滲,對裂縫兩側土體產生沖刷侵蝕作用,增加地裂縫的寬度,在地表形成地裂溝或陷坑。因此,北張地裂縫的形成原因是超采地下水和表水沖刷侵蝕的耦合。

4 防治措施

北張地裂縫已導致沿線房屋墻體開裂,農田出現大量陷坑,給當地居民造成了大量的經濟損失,引起了人民的重視。為了減少或防止地裂縫的災害進一步加強,切實保護北張地裂縫沿線居民的生命財產安全,根據北張地裂縫發育特征和成因機理,提出以下防治的措施和建議。

(1)合理避讓。調查過程中發現,北張地裂縫影響范圍約6 m,今后在修建建筑物時應盡量在影響范圍以外修建。

(2)控制地下水開采。長期超采地下水導致的地下水位下降,進而引起的地面沉降是北張地裂縫形成的主要因素。因此,合理控制地下水開采,特別是深層地下水的開采有助于減緩地面沉降的發生,進而有效地控制地裂縫活動。

(3)修建擋水埝。由地面沉降形成的初始地裂縫窄而細,破壞性小,強降雨或灌溉形成的表水入滲使地裂縫的破壞性迅速增加。因此,在地裂縫兩側修建土質擋水埝,阻止雨水或灌溉水流入地裂縫發育區,形成地表陷坑或地裂溝。

5 結論

(1)北張兩條地裂縫近似平行,呈弧形展布;地裂縫在地表主要表現為水平拉張,水平扭動與垂直位錯現象不明顯。

(2)地裂縫在剖面上呈梳狀分布,裂縫間破裂帶寬度約為3.76 m,地裂縫上寬下窄,發育深度有限,其中主裂縫發育深度最深,約7.64 m。

(3)北張地裂縫不與下伏斷裂相連,構造斷裂不是北張地裂縫的主要因素,地裂縫發育于地面沉降的邊緣,影響因素主要是超采地下水引起的地面沉降,表水下滲是地裂縫的擴展因素,其成因是超采地下水和表水入滲侵蝕的耦合成因模式。