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(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025；

3.成都理工大學(xué)，四川 成都 610000)

0 引言

在山西地塹系，地裂縫災(zāi)害是區(qū)內(nèi)分布廣泛、致災(zāi)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。自20世紀(jì)中、后期以來(lái)，山西地塹系已有多個(gè)城市及鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)現(xiàn)地裂縫，其數(shù)目驚人，危害極大，已成為地裂縫災(zāi)害最為發(fā)育的地區(qū)之一，嚴(yán)重影響著城市建設(shè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，累計(jì)經(jīng)濟(jì)損失近百億元，其中尤以大同、榆次、臨汾、運(yùn)城等城市最為嚴(yán)重和典型。早期的研究認(rèn)為，地面沉降是地裂縫的成因，這種成因說(shuō)認(rèn)為地裂縫是由于過(guò)量抽取地下水導(dǎo)致地面大面積沉降而引起，局部地質(zhì)構(gòu)造條件對(duì)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(lái)越多的人認(rèn)為地裂縫以構(gòu)造成因?yàn)橹?，即地裂縫是由基底伸展斷裂系在橫向拉張應(yīng)力場(chǎng)作用下形成的，并同時(shí)疊加了地下水開(kāi)采的影響。如，對(duì)大同地裂縫的成因，劉玉海、陳志新均認(rèn)為大同地裂縫的形成和發(fā)展主要受控于基底構(gòu)造活動(dòng)，與過(guò)量開(kāi)采地下水沒(méi)有直接聯(lián)系[1]，徐錫偉的研究成果支持了這一觀點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)大同鐵路分局的地裂縫是隱伏的白馬城斷層最新一期無(wú)震滑動(dòng)在地表的構(gòu)造表現(xiàn)，在力學(xué)成因上可能與口泉斷裂的右旋傾滑運(yùn)動(dòng)引起的局部引張效應(yīng)有關(guān)[2]。關(guān)于清徐地裂縫的成因，趙晉泉等認(rèn)為新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是地裂縫形成控制因素，斷層活動(dòng)是地裂縫形成的直接原因，地下水加速了地裂縫的活動(dòng)①趙晉泉，曾金艷.山西省清徐縣境內(nèi)交城斷裂帶、地裂縫勘察及地震活動(dòng)性評(píng)價(jià)報(bào)告，2008.。山西地區(qū)其他主要地裂縫災(zāi)害嚴(yán)重地區(qū)(如，榆次、清徐、臨汾、運(yùn)城等)的調(diào)查或勘探結(jié)果均顯示，地裂縫與隱伏活動(dòng)斷裂或旁側(cè)活動(dòng)斷裂的活動(dòng)有關(guān)[3-5]。

2012年8月至10月，山西省太原市晉源區(qū)王家墳村(位置及周?chē)匦我?jiàn)第31頁(yè)圖1)出現(xiàn)以村北中街一排9號(hào)朱桂生家為中心，周?chē)婕?0戶左右的居民房屋出現(xiàn)不同程度的開(kāi)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?chē)鷶嗔严嚓P(guān)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)王家墳村出現(xiàn)的房屋開(kāi)裂進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，并對(duì)地裂縫的產(chǎn)生原因進(jìn)行初步分析。

1 基礎(chǔ)資料收集

根據(jù)太原市活斷層填圖結(jié)果，出現(xiàn)地裂縫的王家墳村位于交城斷裂主斷裂東約300 m處(見(jiàn)第31頁(yè)圖2)。

交城斷裂位于太原盆地西緣，北起泥屯盆地西側(cè)山前[6]，向南經(jīng)迎澤大街、晉祠、清徐、交城至汾陽(yáng)，全長(zhǎng)約130 km。斷裂走向NNE轉(zhuǎn)NE，傾向SEE，以正斷活動(dòng)為主，兼有右旋走滑分量。根據(jù)十五項(xiàng)目“太原市活動(dòng)斷層地震地質(zhì)調(diào)查與活動(dòng)性鑒定”的成果[7-8]，該斷層為一條全新世活動(dòng)斷層，又據(jù)太原基準(zhǔn)地震臺(tái)1979年至2009年短水準(zhǔn)形變測(cè)量資料，交城斷裂現(xiàn)今仍在活動(dòng)，其垂直位移平均速率為0.95 mm/a，表明斷裂全新世以來(lái)仍在活動(dòng)，為全新世活動(dòng)斷裂。

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

該次地裂縫調(diào)查共涉及包括朱富生在內(nèi)10戶居民的20間房子(見(jiàn)第32頁(yè)表1)，地裂縫具體開(kāi)裂情況如第32頁(yè)圖3(照片)所示。據(jù)房屋開(kāi)裂最嚴(yán)重的朱富生介紹，王家墳村地裂開(kāi)始于2012年8月份，房屋破壞特征主要為房屋沿南北向開(kāi)裂，且房屋東側(cè)普遍下降(或向下傾斜)。現(xiàn)場(chǎng)在開(kāi)裂最嚴(yán)重的朱富生家后墻進(jìn)行測(cè)量，裂縫水平開(kāi)裂最大10 cm，垂直位錯(cuò)最大7～8 cm。此次房屋開(kāi)裂主要集中于朱富生家周?chē)?0多間房子(見(jiàn)第33頁(yè)圖4、圖5)，總體上看，開(kāi)裂房屋主要分布在圖5所示的150 m×250 m范圍之內(nèi)。

圖1 王家墳村位置及周?chē)匦螆D

3 成因初步分析

山西斷陷盆地內(nèi)大多數(shù)較大規(guī)模的地裂縫，其成因主要受活動(dòng)構(gòu)造、地下水開(kāi)采及地層條件、黃土濕陷的地形和地貌條件等4個(gè)因素控制[9]，下面將分別討論這四方面因素對(duì)王家墳地裂縫的影響。

(1) 活動(dòng)構(gòu)造。

就山西地塹系大多數(shù)集中成帶較大規(guī)模的地裂縫而言，其構(gòu)造成因的特征比較明顯，地裂縫是區(qū)內(nèi)新構(gòu)造活動(dòng)在土層內(nèi)形成的一種破裂跡象，其構(gòu)造成因的意義在于地裂縫活動(dòng)的性質(zhì)和發(fā)育規(guī)模主要受制于構(gòu)造作用。從區(qū)內(nèi)地裂縫發(fā)育情況看，較大規(guī)模的地裂縫帶均是沿構(gòu)造破裂面發(fā)育擴(kuò)展，主要原因是這些構(gòu)造破裂面是抗變形能力的薄弱面，在應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)發(fā)生變化的情況下，應(yīng)變能很容易在薄弱面形成集中而導(dǎo)致破裂面繼續(xù)擴(kuò)展，直至延伸至地表形成地裂縫。說(shuō)明隱伏構(gòu)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，發(fā)現(xiàn)王家墳地裂縫沿近南北方向展布，和交城斷裂走向一致；現(xiàn)場(chǎng)房屋破壞主要表現(xiàn)為房屋東側(cè)下降，和交城斷裂力學(xué)性質(zhì)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(jí)斷裂距離160 m)，初步判定該地裂縫與交城斷裂的次級(jí)斷裂活動(dòng)有關(guān)。但是，從開(kāi)裂房屋東西側(cè)差異運(yùn)動(dòng)情況來(lái)看，該裂縫水平開(kāi)裂最大10 cm，垂直位錯(cuò)最大7～8 cm，此次活動(dòng)量是比較微弱的。

(2) 地下水開(kāi)采。

山西地塹系地裂縫活動(dòng)與地下水開(kāi)采存在很明顯的時(shí)空關(guān)聯(lián)特征， 有觀點(diǎn)認(rèn)為，地裂縫是由地下水過(guò)量開(kāi)采所引發(fā)的地面沉降所致。地面沉降之所以能夠誘發(fā)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(duì)地面沉降形成橫向拉張作用十分敏感的部位，在地面發(fā)生局部差異性沉降。

圖3 地裂縫對(duì)民居造成的影響

表1 王家墳地裂縫現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況匯總

根據(jù)王家墳村民朱寶生介紹，地裂出現(xiàn)之后，在其家院子里，用洛陽(yáng)鏟開(kāi)挖一個(gè)4.8 m的孔，其水位在2.0～3.0 m左右，比原來(lái)水位下降0.8～1.2 m。筆者認(rèn)為，王家墳地裂縫的出現(xiàn)主要有以下2個(gè)原因：房屋修建時(shí)，地基處理不好，發(fā)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(lái)存在的一些薄弱面，受交城斷裂的活動(dòng)誘發(fā)而導(dǎo)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(jié)構(gòu)力迅速破壞，發(fā)生下沉的性質(zhì)。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(jié)構(gòu)，天然含水量小，具有粘粒的強(qiáng)結(jié)合水連結(jié)和鹽分的膠結(jié)連結(jié)，在干燥的時(shí)候，可以承擔(dān)一定的荷重而變形不大，但浸泡水之后，粘粒連結(jié)顯著減弱，引起土結(jié)構(gòu)變形而產(chǎn)生濕陷。

經(jīng)實(shí)地調(diào)查，王家墳一帶水位呈下降狀態(tài)，不具備產(chǎn)生黃土濕陷的必要條件，不需要考慮黃土濕陷對(duì)地裂縫的影響。

(4) 地形、地貌環(huán)境。

地貌類型是土層巖性、成巖類型、水文地質(zhì)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(fā)育受地貌影響的形式在不同地區(qū)有一定差別。在地塹系邊緣，由于兩側(cè)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(zhì)、不同成因類型的土層，從而沿單元交接帶形成一工程地質(zhì)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(qū)域，地裂縫的發(fā)育受地形地勢(shì)制約，多分布于地勢(shì)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(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，王家墳地裂縫位于汾河西岸汾河Ⅰ級(jí)階地和太原西山斷塊隆起區(qū)交接地帶，其特殊的地貌位置對(duì)其形成具有定位控制作用。

4 結(jié)論

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

(2) 王家墳地裂縫出現(xiàn)可能是由于當(dāng)?shù)氐叵滤幌陆?，地表土?地層條件)中原來(lái)存在的一些薄弱面，受交城斷裂的活動(dòng)誘發(fā)而導(dǎo)致。該地裂縫位于汾河西岸汾河Ⅰ級(jí)階地和太原西山斷塊隆起區(qū)交接地帶，其特殊的地貌位置對(duì)其形成具有定位控制作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉玉海，陳志新，悅?cè)f魁，等.大同市城市地質(zhì)研究[M].西安:西安地圖出版社,1995.

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

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

[4] 丁學(xué)文，陳國(guó)順，齊永生.榆次地裂縫成因探討[J].華北地震科學(xué),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(jī)制研究[J].震災(zāi)防御技術(shù)，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(gè)大型探槽全新世斷錯(cuò)現(xiàn)象分析[J].地震地質(zhì),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(zhì)建模[J].震災(zāi)防御技術(shù)，2007，2(3)：243-248.

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

[9] 孟令超.山西斷陷盆地地裂縫成因機(jī)理研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2011.