唐山沿海地面沉降與地質(zhì)環(huán)境因素分析

肖 震

(河北省環(huán)境地質(zhì)勘查院，河北石家莊050021)

城市地面沉降是一種普遍而又日趨顯著的地質(zhì)現(xiàn)象。從廣義上來(lái)講，它是區(qū)域性地面高程下降的一種環(huán)境地質(zhì)變化，也是永久性的不可補(bǔ)償?shù)沫h(huán)境和資源的損失⑴。河北平原地面沉降形成于20世紀(jì)70年代初，1975年之前，地面沉降僅發(fā)生在深層地下水漏斗的中心地帶，沉降速率一般小于10 mm/a。1986年之后，地面沉降繼續(xù)發(fā)展，速度加快，影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，出現(xiàn)了多個(gè)地面沉降漏斗［2］。

1 地面沉降監(jiān)測(cè)狀況

在唐山沿海，2003年之前水準(zhǔn)線路布設(shè)有綏津線、漢昌線，未布設(shè)GPS網(wǎng)。2004年之后，在此區(qū)域新建了豐堿線、唐曹線水準(zhǔn)路線，并建設(shè)了唐山王官屯基巖標(biāo)、唐海分層標(biāo);2004年中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局相關(guān)項(xiàng)目在此區(qū)域建設(shè)16塊GPS標(biāo)石，2008年由河北省國(guó)土資源廳地面沉降相關(guān)項(xiàng)目［3］［4］［5］在唐海至曹妃甸地區(qū)新增了18塊GPS標(biāo)石，并在唐海四農(nóng)場(chǎng)一隊(duì)建設(shè)的GPS基準(zhǔn)站。

近年來(lái)，在唐山沿海開(kāi)展了多次水準(zhǔn)測(cè)量工作，其中唐山至唐海一等水準(zhǔn)測(cè)量路線393 km，唐山王官屯－唐山市－豐南－楊貴莊－尖子沽－畢家圏－黑沿子－濱海－孫家灶－唐海分層標(biāo)－曾家灣－大新莊－小集－稻地－唐山市－唐山王官屯、唐海分層標(biāo)－第四農(nóng)場(chǎng)－第七農(nóng)場(chǎng)－第十二農(nóng)場(chǎng)－曹妃甸開(kāi)發(fā)區(qū)－曹妃甸燈塔水準(zhǔn)測(cè)量路線共計(jì)533.2 km。在開(kāi)展水準(zhǔn)測(cè)量的同時(shí)，監(jiān)測(cè)了唐海分層標(biāo)組的分層標(biāo)、孔隙水壓力和地下水位，取得了地面沉降量、不同埋深粘性土層孔隙水壓力和主要含水層段的地下水水位變化資料。

2 地面沉降現(xiàn)狀

唐山地面沉降嚴(yán)重區(qū)主要分布在濱海平原深層水水位降落漏斗中心地帶的漢沽區(qū)、南堡開(kāi)發(fā)區(qū)及唐?？h城一帶。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1983－2005年發(fā)生地面沉降的面積5 601 km2，占平原區(qū)面積的69.6%;1983－2005年均沉降速率超過(guò)20 mm/a分布面積1 123 km2，占平原區(qū)面積的13.9%;其余地區(qū)均小于20 mm/a，分布面積4 478 km2，約占平原區(qū)面積的55.6%。初步總結(jié)得出唐山平原區(qū)沉降范圍大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，沉降速率較緩。

2005年，唐山地區(qū)地面沉降量大于1 000 mm的沉降面積為13.83 km2，主要位于唐山與天津交界區(qū)域，沉降曲線封閉在天津境內(nèi)，500～1 000 mm的沉降面積為371.04 km2，位于唐海、豐南區(qū)、灤南等縣市，300～500 mm的沉降面積為1 105.55 km2。唐山地面沉降較嚴(yán)重區(qū)域集中在臨近天津的黑沿子、南堡開(kāi)發(fā)區(qū)，唐山市豐南區(qū)黑沿子鎮(zhèn)畢家瞿阝東大隊(duì)漢昌7基本水準(zhǔn)點(diǎn)，沉降量為846 mm。此外在唐?？h城附近形成小范圍的地面沉降漏斗區(qū)，沉降量最大的水準(zhǔn)點(diǎn)為漢昌14，位于唐?？h孫家灶村，沉降量為560 mm。

圖1 唐山平原區(qū)地面沉降現(xiàn)狀圖(2013年)

圖2 唐山平原區(qū)地面沉降速率圖(2013年)

至2013年唐山地區(qū)地面沉降量大于1 000mm的沉降面積為23.56 km2，主要位于豐南區(qū)西南部與天津交界區(qū)域，沉降曲線封閉在天津境內(nèi);500～1 000 mm的沉降面積為506.21 km2，位于唐海、豐南區(qū)、灤南等縣市，300～500 mm的沉降面積為577.32 km2。唐山地面沉降較嚴(yán)重區(qū)域集中在臨近天津的黑沿子、南堡開(kāi)發(fā)區(qū)，實(shí)測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)漢昌7沉降量為1 059 mm。此外在唐?？h城附近形成小范圍的地面沉降漏斗區(qū)，沉降量最大的水準(zhǔn)點(diǎn)漢昌14，沉降量為696 mm。唐?？h城南部沉降速率為20 mm/a，沉降速率大于30mm/a的區(qū)域主要集中在唐?？h城南部四分場(chǎng)、五分場(chǎng)一帶。形成這種沉降格局的主要原因是該區(qū)域的沉降受天津地面沉降的影響較大，緊鄰天津的漢沽區(qū)，1957－2006年，漢沽區(qū)最大累計(jì)沉降量已達(dá)3 110 mm，2006年地面沉降速率為27 mm/a。見(jiàn)圖1唐山平原區(qū)地面沉降現(xiàn)狀圖(2013年)圖2唐山平原區(qū)地面沉降速率圖(2013年)。

3 地質(zhì)環(huán)境狀況

近年來(lái)隨著城市地質(zhì)調(diào)查、地面沉降、1:5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查等項(xiàng)目的不斷開(kāi)展，促使環(huán)境地質(zhì)工作更加深入，相應(yīng)地在第四紀(jì)地質(zhì)及水工環(huán)各個(gè)方面取得了一定成果［6］［7］。通過(guò)分析研究所相關(guān)資料，較為詳細(xì)地理清了唐山平原區(qū)第四紀(jì)以來(lái)地質(zhì)環(huán)境變化過(guò)程［8］［9］。

工作區(qū)沉積了巨厚的第四系地層。厚度從唐山由北向南逐漸增加，由北部山前的數(shù)十米逐漸增至曹妃甸一帶的450m左右。第四紀(jì)地質(zhì)時(shí)期內(nèi)，灤河水系先后以豐潤(rùn)、遷安、灤縣、樂(lè)亭等為頂點(diǎn)，在燕山之南、渤海之濱發(fā)育了諸多洪積扇、沖積扇和三角洲，形成廣泛分布的巨厚沖積扇、三角洲堆積體和演變有序的淤質(zhì)(砂壩一渴湖)海岸，在這塊特定的區(qū)域上組成一個(gè)特殊的綜合體［10］。其范圍西起于還鄉(xiāng)河，東界飲馬河，大體相當(dāng)唐山市市轄區(qū)、豐南、唐海、灤南、灤縣、樂(lè)亭和昌黎7個(gè)市(縣)，統(tǒng)稱灤河三角洲地區(qū)。由于地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的多期性，前第四紀(jì)地層出露呈現(xiàn)多樣化，造成第四紀(jì)在沉積地層年代、厚度、構(gòu)造反應(yīng)的不均一性。中更新世以來(lái)，唐山市市轄區(qū)、豐南地區(qū)地層以洪積扇、沖積扇和三角洲為沉積主體。局部全新統(tǒng)缺失，大部只發(fā)育上更新統(tǒng)。地層發(fā)育狀況如下:

全新統(tǒng)(Qh):以柏各莊為界，北部地區(qū)地層厚度約為0～7 m。偶見(jiàn)海侵層，只沉積了沖洪積河流、牛軛湖相、洪積相、三角洲相的呈灰色、灰黃色、棕黃色、棕色的粉質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂層。南部地區(qū)以全新世基底泥炭為海侵層序之底板，界面大體在沿海地帶基底泥炭之下。多為三角洲相及其亞相的灰色、黃灰色沖積、海積、湖沼沉積物，以粉質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂為主，夾有淤泥層或海相層，底界多分布于10～26 m左右。

上更新統(tǒng)(Qp3):北部地區(qū)地層厚度不一，約為20～40m。為沖洪積、局部發(fā)育沖海積混合類型沉積物，唐海以南地區(qū)普遍發(fā)育兩次厚度不一海侵沉積物。沉積物呈灰色、灰黃色、棕黃色，以粉砂、粉質(zhì)粘土為主，砂層以細(xì)砂、中粗砂為主，含較多的分散鈣與鈣質(zhì)結(jié)核，少量鐵錳質(zhì)結(jié)核及零星碳屑斑或條帶，砂層分選性、磨圓度均較好。底界由北向南階梯狀布于40～60～80～120m左右。

中更新統(tǒng)(Qp2):為一套沖洪積及河湖積相沉積物，呈棕黃、棕褐、棕紅色，濱海低平原區(qū)以灰色為基色，有銹黃色染和灰綠色斑。上段巖性以粉砂為主，次為粉質(zhì)粘土，陸區(qū)砂層以細(xì)砂、砂礫卵石為主，湖區(qū)砂層以細(xì)砂、中粗砂為主，含較分散鈣核、鐵錳質(zhì)結(jié)核，珠狀砂明顯可見(jiàn)。下段粘土與粉質(zhì)粘土明顯增厚，分散鈣含量減少，珠狀砂消失。沿海地區(qū)上段夾有兩個(gè)海相層，下段僅有海相跡象。底界埋深180～250 m之間，厚度80～100 m。

下更新統(tǒng)(Qp1):為一套沖洪積相及河湖積相沉積物，呈深棕黃、棕紅、銹黃、褐灰、蘭灰等色，以粘土、粉質(zhì)粘土、粉砂為主。致密，富含鈣質(zhì)結(jié)核和鐵錳結(jié)核，砂層以砂礫卵石為主，次為中細(xì)砂，風(fēng)化狀。底板埋深240～420 m左右，無(wú)明顯巖石地層標(biāo)志，厚度120～230 m。

本區(qū)第四紀(jì)地層結(jié)構(gòu)主要受地質(zhì)構(gòu)造、古地形地貌、氣候環(huán)境影響。地質(zhì)構(gòu)造的活動(dòng)性決定了沉積方面的差異，在新構(gòu)造活動(dòng)的影響下，抬升區(qū)地層相對(duì)于凹陷區(qū)沉積厚度顯然不同。工作區(qū)在第四紀(jì)時(shí)期屬于山前沖洪積扇，扇下入湖、海三角洲沉積環(huán)境。扇上位置根部、扇中、扇緣沉積時(shí)其地層結(jié)構(gòu)存在差異。氣候環(huán)境冷、暖變化使得海平面升降與構(gòu)造活動(dòng)的同時(shí)，地質(zhì)的夷平作用使得同期異相情況普遍發(fā)生，造就了底層及層間結(jié)構(gòu)的差異。進(jìn)入第四紀(jì)時(shí)期，工作區(qū)以北唐山、豐南一線為湖泊、洼地環(huán)境，灤南、樂(lè)亭一線為沖洪積平原環(huán)境，工作區(qū)與東西毗鄰區(qū)皆為湖泊及洼地環(huán)境。受制于青藏高原在更新世的快速隆起過(guò)程中，構(gòu)造活動(dòng)及全球性的各次冰期規(guī)模影響［12］，伴隨其北部基底地層的不斷升高，區(qū)域內(nèi)早、中更新世北、南部沉積環(huán)境發(fā)生多次變化。其中最典型的晚更新世渤海侵入未能達(dá)到唐?？h柏各莊以北地區(qū)。

4 唐山沿海地層構(gòu)造

1)地形地貌

唐山沿海地層結(jié)構(gòu)以山前沖積扇沖擊相堆積物，扇中多條河流互相交疊，扇緣地帶坡度降低形成牛軛湖，構(gòu)成湖相沉積。扇前為沖洪積平原。向南形成三角洲進(jìn)入渤海。自第四紀(jì)以來(lái)灤河沖擊扇多次發(fā)生襲奪、改道東遷，先后形成三期沖洪積扇堆積(每期產(chǎn)生多次扇相堆積)。早更新世早期形成了以豐潤(rùn)為頂點(diǎn)的第一期沖洪積扇。早更新世晚期灤河該道東遷在雷莊、灤縣縣城之間進(jìn)入山前平原，形成了以西峽口為頂點(diǎn)的第二期沖洪積扇。晚更新后于灤縣進(jìn)入山前地帶，形成以灤縣為頂點(diǎn)三期沖洪積扇，且內(nèi)迭于第二期沖洪積扇內(nèi)，將老沖洪積扇分為東西兩個(gè)部分。地層厚度由北向南逐漸增厚。

2)古河道

通過(guò)分析河北平原早更新世至全新世古河道帶的分布特征，研究表明:中更新世古河道帶與早更新世古河道帶主要是在中部平原與山前平原界線附近開(kāi)始發(fā)生重疊交叉，由古灤河組成的深層地下水含水層的交叉重疊部位已經(jīng)到了深層地下水界線;晚更新世古河道帶與早－中更新世古灤河組成的深層地下水含水層的交叉重疊部位已經(jīng)到了深層地下水界線;全新世古河道帶與早－晚更新世古河道帶發(fā)生重疊，由其組成的含水層的重疊交叉部位也已經(jīng)到了深層地下水界線，古河道均與沖洪積扇相接(13)。含水層的分布除了受平原區(qū)沉降、山區(qū)抬升和古地貌的控制外，主要受河流動(dòng)力沉積的影響;在各期古河道帶交叉重疊部位或在重疊部位附近的淺層含水層和深層含水層有可能是聯(lián)通的，所以，在深層地下水和淺層地下水水位差不斷加大的狀況下，淺層地下水有可能沿第四紀(jì)以來(lái)各期古河道帶沉積的砂性土構(gòu)成的含水層向下補(bǔ)給深層地下水，其補(bǔ)給量可能遠(yuǎn)大于通過(guò)巨厚的粘性土層向下越流補(bǔ)給深層地下水。

3)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

地層內(nèi)普遍存在4個(gè)不整合(角度和平行不整合)面，表明曾發(fā)生過(guò)4期構(gòu)造活動(dòng)。通過(guò)研究盆地周圍山地第四紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)塑造的多級(jí)河流階地［12］，并結(jié)合火山活動(dòng)研究資料，推測(cè)渤海第四系內(nèi)4個(gè)不整合面形成的時(shí)900～400 kaB·P·，100～80 kaB·P·，50～40 kaB·P·10～8 kaB·P·，即早更新世晚期－中更新世早期、晚更新世早期和中期、全新世早期。

5 地面沉降環(huán)境地質(zhì)因素分析

據(jù)唐山沿海地面沉降圖顯示，以北東方向?yàn)槌两递S心，與唐山－陡河斷裂、寧河－昌黎斷裂、西南莊斷裂走向吻合?？v觀唐山至唐海一線地層展布為山前沖洪積扇堆積，向東南依次為沖洪積平原、三角洲進(jìn)入渤海。唐山市區(qū)新生代沉積大多不超過(guò)百米，多數(shù)由上更新統(tǒng)覆蓋于基巖之上。地面沉降因素主要來(lái)自地下水超采程度。唐海位于西南莊斷裂與北西向的柏各莊斷裂、高柳斷層交匯區(qū)。新生代松散沉積物由北向南斜坡?tīng)钤龊?，且第四紀(jì)至少三次海侵層加入形成了300～420m厚沉積。含水層數(shù)量、厚度相對(duì)于北部地區(qū)有所增加，新構(gòu)造活動(dòng)伴生。此區(qū)處于眾多不同方向的斷裂、斷層發(fā)育區(qū)，地面沉降因素主要有三個(gè)方面。其一，地下水長(zhǎng)期超量開(kāi)采引起含水層組釋水壓縮，導(dǎo)致地面沉降;其二，大量工程建筑的增加，使得地表荷載增加，加之沿海新近填土以及大量欠固結(jié)海相地層的存在，地層的承載能力較低，地層的壓縮量增大。

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［2］沈榮輝，褚立峰，盧澤昌，韓沖，史艷超河北平原地面沉降發(fā)展及特征第三屆全國(guó)地面沉降防治學(xué)術(shù)研討會(huì)上學(xué)術(shù)論文集2010 10

［3］盧澤昌，史艷超，張進(jìn)才，褚立峰，陳英杰，沈榮輝河北平原地面沉降監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)第三屆全國(guó)地面沉降防治學(xué)術(shù)研討會(huì)上學(xué)術(shù)論文集2010 10

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