華北平原地裂縫影響因素分析

馬學軍，呂鳳蘭，宋 偉，楊旭東（中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北·保定 071051）

?

華北平原地裂縫影響因素分析

馬學軍，呂鳳蘭，宋 偉，楊旭東
（中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北·保定 071051）

摘 要：華北平原地裂縫近年來呈快速發展趨勢，給人民的生產生活造成很大威脅。本文對地裂縫的影響因素進行分析，認為基底構造單元是地裂縫發育的控制因素、全新世地質環境控制非構造地裂縫的分布、基底斷裂構造蠕滑控制地裂縫的規模。地形地貌、巖性結構、地表水、地下水、地震、地面不均勻沉降、持續干旱、地下巖溶和人類工程活動等因素影響地裂縫的發展。地裂縫的形成非單一因素造成，而是多種因素復合作用而導致。探討地裂縫的影響因素對研究華北平原地裂縫形成機理與災害防治具有重要意義。

關鍵詞：華北平原；地裂縫；影響因素；地質災害防治

地裂縫是指地表在自然或人為因素作用下產生開裂，并在地面形成一定長度和寬度的裂縫的一種地質現象。

華北平原地裂縫最早發生于1963年3月的邯鄲市。1966年邢臺地震和1976年唐山地震后，地裂縫迅猛發展。進入80年代以來，京津冀平原普遍發現地裂縫，至1996年共發現地裂縫273處，達700多條[1]。

通過2009～2014年的實地調查，華北平原地裂縫已有1000多條，分布在96個縣市[2]。地裂縫延伸幾米到幾十千米，部分地裂縫造成建筑物和道路破壞、農田開裂漏水。

華北平原地裂縫仍呈發展趨勢，而其研究程度相對較低，嚴重滯后于防災減災的需要。本文依托華北平原地裂縫調查與防治研究項目，在大量區域地質、水文地質、槽探和物探資料基礎上，對華北平原地裂縫的影響因素進行分析。

1　地裂縫主控因素

1.1 基底構造單元是地裂縫發育的控制因素

通過調查及分析，華北平原地裂縫發育區與基底構造單元相一致[3～5]。華北平原斷陷盆地位于華北地塊東部，是受NNE、NE、NW、EW四組斷裂控制的一個結構破碎的復合型斷陷盆地。凹陷與隆起交接部位新生界半固結和松散地層厚度變化較大，是基底活動構造分布集中部位[6]，因而地裂縫易發區多位于凹陷與凸起、凹陷與斜坡、凹陷與隆起相交的邊界附近。

冀中拗陷、東濮拗陷、臨清拗陷和開封拗陷等均為地裂縫易發區。冀中拗陷區域作為京津冀一體產業轉移重要承接區和交通樞紐匯集區地裂縫最為發育，成為華北平原地裂縫災害最嚴重地區之一，也再次證明基底構造控制著地質環境的演化，進而控制著第四系地層厚度、結構和巖性，成為影響地裂縫災害發生的重要因素。

1.2 全新世地質環境控制非構造地裂縫的分布

華北平原北部全新世地層主要由海河淤積而成，與黃河泛平原地層結構、地層巖性有較大區別。因此，地裂縫災害總體發展趨勢是由北部燕山山前平原向南部豫北平原逐漸減弱，由西部太行山山前平原向東部瀕海平原逐漸減弱。地裂縫的總體分布與全新世以來華北平原沉積環境有關，尤其是其中的大清河水系，由于其發育于西北太行山，落差大、距離近，形成以沖洪積為主的地層，顆粒較粗，多為卵石、礫石、粗砂、粉土和黏土互層，且多呈透鏡體狀，連續性和分選性較差，容易導致地面不均勻沉降和地下水的潛蝕，因此集中發生潛蝕地裂縫和地面不均勻沉降地裂縫等非構造斷裂。而華北平原東部瀕海和南部黃泛平原，多為沖積淤積細顆粒物質組成的地層，形成粉土和黏土互層，偶見細砂，地層連續性和分選性較好，地面沉降較均勻，從而不易發生地裂縫災害，偶爾在湖相沉積邊緣有地面不均勻沉降地裂縫發生。

1.3 基底斷裂構造蠕滑控制地裂縫的規模

華北平原構造型地裂縫以隆堯縣周村—毛爾寨村地裂縫、文安鎮呂公務地裂縫和涿州長安城村地裂縫最為典型，其特征為延伸長、深度大；延伸方向單一，與其下蠕滑斷層相同，呈條帶狀或線狀分布；常呈雁列和斜列形式，偶具多級性，后期多演化成鋸齒形地裂縫；一般長而寬，可出現水平扭錯、垂直落差和張裂三向位移；常與地下水活動和小震有關，其活動與季節、氣候無關，經常反復活動。地震使基底斷裂構造蠕滑加速，破壞巖體結構，導致該類地裂縫集中產生并大量發育。

2　地裂縫發育的影響因素

2.1 地形地貌

地裂縫主要分布在太行山與平原交接地帶以及山前平原與中部平原交接部位，地勢相對低洼的洪積扇前、各洪積扇間，各條河流的河漫灘、古河道及湖沼洼地地區。

在山前一線涿州—淶水—徐水—滿城—順平—望都地裂縫分布帶，地貌形態為沖洪積平原的傾斜地小區、坡平地小區，是山前地形坡度變緩、地勢相對平坦的地區，也是古河道、河漫灘較發育地區，該區域地裂縫分布相對較集中。霸州—文安—大城一帶地裂縫集中分布區，地貌上為沖洪積平原亞區與沖積平原亞區交接地帶，多分布在泛濫坡地小區及泛濫洼地小區及河漫灘地小區。斷層蠕滑型地裂縫則一般不受地貌類型影響。

2.2 巖性及地層結構

地層巖性對地裂縫的發生發展的影響主要反映在三個方面：一是地層巖性結構因素，上細下粗的二元結構在地層長期處于干縮狀態下易產生地裂縫，土層顆粒越粗，地裂縫越易潛蝕，縫壁坍塌而加寬。二是作為傳遞構造應力、應變的介質，不同的應力條件發生地裂縫的可能性強度和規模，在很大程度上取決于場地的地層。三是不同性質的土層對誘發地裂縫的響應程度存在明顯差異。具有濕陷性的黃土層受水的滲透發生濕陷變形，形成應變的集中場導致較強的附加應力，在此應力的作用下，已貫通黃土層的裂縫出現明顯的附加變形，使隱伏裂縫直通地表開裂成縫。

2.3 地表水、地下水

為滿足社會需要，華北平原地下水嚴重持續超采，導致地下水位持續下降[7]，至今造成第四系近地表幾十米厚松散地層長期處于失水狀態。地下水的抽取造成原飽和帶土體顆粒之間有效接觸力增加，同時造成地下隱裂隙和空洞的形成。農業灌溉用水的入滲引起非飽和帶土體含水量增加，改變了顆粒的受力狀況，導致顆粒間連接剛度降低，致使微結構失穩[8]。

華北平原降水量時空分布不均，變差大，年降水量多集中在七八九月份。調查表明有一半以上地裂縫災害發生在強降雨以后，即七八九3個月，地裂縫多發時期基本與汛期相符，說明降雨加速了地裂縫的形成。這種地裂縫與地表水的伴生性也說明地表積水、排水不暢和強滲透性徑流條件是誘發地裂縫的主要因素之一。

2.4 地震因素

地震導致土層顆粒間連接剛度降低，致使結構失穩。這些變化是在瞬間發生和完成的，造成在地震發生時總是伴隨著大量的裂縫和塌陷的出現[9]。

華北平原地裂縫各活動高潮分別滯后地震活動高潮1～2年。在邢臺7.2級地震和唐山7.8級地震的1966～1976年間，地裂縫活動在地震活動高潮之后兩年出現。進而說明華北平原地裂縫與地震活動高潮呈一種對應關系。

近40年來，出現7個地裂縫與地震活動小周期，它們都直接受到活動的地應力驅動。地震與地裂縫的先后出現相伴而生，是在同一區域構造應力場作用下產生的不同微破裂和構造活動現象。它們組成區域地應力增強的效應系列，同是河北平原區域應力場不斷加強的信息[10]。

地震發生后，使土層深處密閉的構造節理開啟，但沒有連通到地表。在經過強降雨或澆地形成積水滲透，將已開啟的節理縫與地表連通形成地裂縫。

2.5 地面不均勻沉降

地面不均勻沉降反映在兩個方面：一是水位下降量不同。由于水壓力變化差異產生的沉降量不同，這主要反映在不同的漏斗區或同一漏斗的不同部位。另一個是水位變化幅度差別不大，而因地層結構不同引起沉降量差異。這種差異給其連結部位提供了拉張力，在拉張力的作用下，連接薄弱部位最先開裂成縫。

華北平原是地面沉降多發地區，由于第四系地層巖性、地層結構、地層厚度、地下水位變化等地貌單元迥異，因而導致不同地貌單元垂直形變速率差異，即地面沉降梯度較大[11,12]。地裂縫經常在地面沉降梯度較大地帶發生，如滄州地裂縫[13]。

2.6 氣候持續干旱

近年來，華北平原降雨持續偏少，導致區內河流全部干枯斷流，使地下水成為華北平原唯一生活、生產用水，進一步加大了地下水開采量，使地下水持續嚴重超采，從而導致地下水位持續急劇下降，使淺層土體長期處于失水干縮狀態，進而使淺層土體節理裂隙發育，為地裂縫災害的發生提供了條件。

同時根據近40年來華北平原的降雨量曲線與地裂縫發生的年份對比發現地裂縫多發生在干旱年份的6～8三個月。

2.7 地下巖溶發育

華北平原由于地下巖溶發育而產生的地裂縫較少，主要分布在太行山、燕山山前第四系地層厚度較?。ㄒ话愕谒南档貙雍穸刃∮?0m），下覆易溶巖地區。如唐山市巖溶塌陷20處，最有代表性的為唐山市體育場巖溶塌陷，上覆土層厚度30m左右，直接覆蓋在碳酸鹽巖上。由于地下水不斷潛蝕上覆土層，從而導致地面塌陷。再有保定徐水新鄉村地裂縫是由于第四系地層?。?0～30m），下覆白云巖發育構造巖溶，溶洞上方的第四系地層不斷塌落直至地表，從而導致地裂縫災害發生。

2.8 人類工程活動

近年來，華北平原生活、生產和農業用水快速增加，進一步加大了地下水開采量，導致地下水位持續急劇下降，使整個華北平原形成了地下水位復合型區域大漏斗，尤其是農業灌溉機井林立，成井質量良莠不齊，致使灌溉井跑砂漏砂，逐漸掏空抽水井附近含水層，形成負壓，隨著負壓進一步加劇，擴散致地表，進而使淺層土體節理裂隙發育，形成弧形地裂縫。

另外，石油、煤、石膏等礦產的開發，尤其是掠奪性開采破壞原有的地應力場和力學平衡，在導致礦區地面沉降的同時，往往伴有地裂縫災害的發生。

3　結語

華北平原是地裂縫多發區，其危害的嚴重性日益引起各方面重視。本區地裂縫的主控因素為基底構造、全新世地質環境和基底構造蠕滑。地形地貌、巖性結構、地表水、地下水、地震、地面不均勻沉降、持續干旱、地下巖溶和人力工程活動等因素影響了地裂縫的發展。本地區地裂縫的形成不是一種因素造成的，而是多種因素復合作用而成。探討地裂縫的影響因素對研究華北平原地裂縫形成機理與災害防治具有現實意義。

參考文獻(References)

[1] 王景明.華北區地裂與地震活動周期性分析[J].地震研究,1992,15(1):53-61.Wang J M.The periodicity analysis of ground fissure and earthquake activity in north China[J].Journal of Seismological Research,1992,15(1):53-61.

[2] 楊旭東,馬學軍,孟順祥,等.華北平原地裂縫調查與評價[R].保定:中國地質調查局水文地質環境地質調查中心,2013:12-15.Yang X D,Ma X J,Meng S X,et al.The investigation and evaluation of ground fissure in north China[R].Baoding:Center for Hydrogeology and Environmental Geology of China Geological Survey,2013:12-15.

[3] 呂鳳蘭,馬學軍,邵長慶,等.河北平原地裂縫分布特征及成因分析[J].上海國土資源,2014,35(4):49-52,57.Lü F L,Ma X J,Shao C Q,et al.The distribution and causes of ground fissures on the Hebei plain[J].Shanghai Land &Resources,2014,35(4):49-52,57.

[4] 王兵虎,馬學軍,孟順祥,等.河北平原地裂縫分布特征及主要影響因素[J].水文地質工程地質,2010,37(S1):245-247.Wang B H,Ma X J,Meng S X,et al.The distribution characteristics and major influence factors of ground fissure in Hebei Plain[J].Hydrogeology &Engineering Geology,2010,37(S1):245-247.

[5] 張熟,成兵,田小偉,等.滄州地裂縫分布特征及影響因素分析[J].南水北調與水利科技,2007,5(3):91-94.Zhang S,Cheng B,Tian X W,et al.Distribution and the influencing factors of the geofracture in Cangzhou[J].South-to-North Water Transfers and Water Science &Technology,2007,5(3):91-94.

[6] 劉明坤,賈三滿,陳柘舟,等.北京平原區高麗營地裂縫帶活動及災害特征研究[J].上海國土資源,2014,35(4):53-57.Liu M K,Jia S M,Chen Z Z,et al.Study of the activity and impact of the Gaoliying ground fissure on the Beijing plain[J].Shanghai Land &Resources,2014,35(4):53-57.

[7] 何慶成,劉文波,李志明.華北平原地面沉降調查與監測[J].高校地質學報,2006,12(2):195-209.He Q C,Liu W B,Li Z M.Land subsidence survey and monitoring in the north China plain[J].Geological Journal of China Universities,2006,12(2):195-209.

[8] 孫強,楊繼紅,秦四清,等.河北平原地裂縫產生的微觀機理研究[J].工程地質學報,2008,16(2):201-205.Sun Q,Yang J H,Qin S Q,et al.Micro-structural analysis of the ground fissures in Hebei plains[J].Journal of Engineering Geology,2008,16(2):201-205.

[9] 冷崴,孫強.地震作用下結構失穩誘發的塌陷和地裂縫機理分析[J].災害學,2007,22(1):23-25.Leng W,Sun Q.Analysis on mechanism of collapse and ground fissure caused by structure instability under seismic action[J].Journal of Catastrophology,2007,22(1):23-25.

[10] 劉科.河北平原地區地震地裂縫活動的相關性分析[J].華北地震科學,2008,26(4):45-50.Liu K.The correlation analysis of earthquakes and fissures activity in Hebei plain[J].North China Earthquake Sciences,2008,26(4):45-50.

[11] 張玲,葛大慶,郭小方,等.近十年來滄州地區地面沉降演化狀況[J].上海國土資源,2014,35(4):72-75,80.Zhang L,Ge D Q,Guo X F,et al.Land subsidence in Cangzhou over the last decade based on interferometric time series analysis[J].Shanghai Land &Resources,2014,35(4):72-75,80.

[12] 房浩,何慶成,趙婷婷,等.滄州市地面沉降風險評價指標體系構建研究[J].上海國土資源,2014,35(2):9-12,20.Fang H,He Q C,Zhao T T,et al.Construction of a risk assessment index system for land subsidence in Cangzhou city[J].Shanghai Land &Resources,2014,35(2):9-12,20.

[13] 邢一飛,邢忠信,古艷艷,等.滄州市地面沉降誘發地裂縫研究及防治對策[J].水文地質工程地質,2010,37(S1):255-258,276.Xing Y F,Xing Z X,Gu Y Y,et al.Research on ground fissure caused by land subsidence in Cangzhou city and the countermeasures[J].Hydrogeology &Engineering Geology,2010,37(S1):255-258,276.

Major influence factors of ground fissure in the North China Plain

MA Xue-Jun,Lü Feng-Lan,SONG Wei,YANG Xu-Dong
(Center for Hydrogeology and Enνironmental Geology of China Geological Surνey,Hebei Baoding 071051,China)

Abstract:In recent years,the ground fissures in the North China Plain have been rapidly deteriorating and are threatening local living conditions and production.This study analyzes the major factors influencing the ground fissure.The main controlling factors include the basement structure,the Holocene geological environment and the basement structure creep.Topography,geomorphology,lithology,surface water,ground water,earthquakes,ground surface subsidence,continuous drought,underground karst and human engineering activities are the factors that affect the development of ground fissures.It is considered that a single factor is not solely responsible for the formation of ground fissures in North China but rather a combination of related factors.It is significant to study the formation mechanism and hazard control of ground fissures in the North China Plain.

Key words:North China Plain;ground fissure;influence factors;prevention and control of geological hazard

基金項目:中國地質調查局地質調查項目“華北平原地裂縫調查與防治研究”(1212011220183)

作者簡介:馬學軍(1977-),男,學士,高級工程師,主要從事水文地質環境地質研究.

修訂日期:2016-01-22

收稿日期:2015-12-07

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.01.017

中圖分類號：P642.26

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1329(2016)01-0074-03

電子郵箱:maxuejunxj@163.com

聯系電話:0312-5908587