地裂缝构造背景与坳陷伸展构造环境的关系

邵长庆

(中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

地裂缝构造背景与坳陷伸展构造环境的关系

邵长庆

(中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

地裂缝；形成机理；伸展构造；河北平原

首次从坳陷伸展构造环境的角度出发，分析和总结了前人对冀中坳陷伸展构造环境的研究和系统的建立，探讨了6处河北平原典型构造成因地裂缝发育带区域地质背景和伸展构造环境，认为伸展构造环境为地裂缝发育提供了内部空间、外源动力等条件，并控制了地裂缝发育区域与主要特征。在此环境下，地裂缝的产生是伸展构造环境下第四系土体演化过程中的地质现象之一，地裂缝的差异性主要是由基底起伏、伸展断层(变换断层)、第四系覆盖土体的物理性质、人类工程活动等内外因素造成的。

地裂缝是地表岩、土体在自然或人为因素作用下产生开裂，并在地面形成一定长度和宽度的裂缝的一种地质现象，在我国华北平原和汾渭平原发育广泛，其发生和发展严重影响当地经济发展。依据成因，可将地裂缝分为构造地裂缝和非构造地裂缝两种基本类型，而根据自然内营力作用不同，又可将构造地裂缝进一步分为断层活动、基底构造作用和区域微破裂开启3种动力类型，其中断层活动包括了速滑和蠕滑[1]，基底构造作用是指基底伸展构造作用。根据前人关于伸展构造和变质核杂岩的研究成果，断层包括了伸展断层、变换断层(带)和拆离断层，而这些正是伸展构造环境的组成要素。不同的断层类型紧密联系、构成系统，孕育了地裂缝的发育环境。在参与河北平原地裂缝调查与评价的基础上，笔者首次从坳陷伸展构造环境的角度出发，探讨地裂缝构造背景与坳陷伸展构造环境的关系，认为坳陷伸展构造环境为地裂缝的发育提供了伸展空间和动力来源，并且控制了地裂缝的发育产状。为了更好地表征地裂缝的带状特征，以区分形状不规则的塌陷，首次引入了长宽比λ，为地裂缝研究提供了一个半量化的指标，有助于日后室外调查和室内研究的开展。

1 区域地质概况

河北地区西北部山峦重叠，东南部平原辽阔，可分为坝上高原、冀北山地、冀西北间山盆地、冀西山地、河北平原5个地形区。区内地层发育齐全，岩浆作用强烈，基底由太古界的一套复杂的变质岩系组成，盖层由中上元古界、古生界、中生界和新生界组成，区内第四系沉积厚度主要受基底构造形态和地貌单元控制。地质构造十分复杂，特别是进入喜马拉雅旋回后，该区处在了NW—SE方向的拉张应力场中，燕山旋回以来形成或复活的一些主干断裂，由挤压转换为引张，并发生一侧沉降，从而孕育了新生代的主要断陷盆地和裂谷盆地，逐步形成了著名的华北平原和其外侧的若干坳陷[2]，冀中坳陷就是其中之一。

冀中坳陷位于渤海湾盆地西北隅，是渤海湾盆地内的一个二级负向构造单元，西邻的太行山隆起发育赞皇、阜平变质核杂岩[3]，坳陷内部则发育NE、NEE向的伸展断层和不同层次的拆离断层[4]，以及不同伸展区段之间的变换断层[5]。冀中坳陷由11个发育在燕山运动基底上以古近系为沉积主体的中小规模的半地堑和7个凸起、低凸起联合而成。冀中坳陷以中部高阳—无极低凸起、牛驼镇凸起和河西务构造带为界，划分了西部坳陷带和东部坳陷带，这些构造单元构成了NNE—NE向展布的“二坳夹一凸”的格局[6]，冀中坳陷伸展构造纲要见图1。

2 伸展构造环境

20世纪90年代初，马杏垣院士提出了“中国东部中新生代的裂陷作用和伸展构造”，并讨论了中、新生代伸展构造的动力学特征和设想了其形成机制[7]；杨明慧博士在伸展构造系统理论研究基础之上，重点分析冀中坳陷的伸展构造和伸展作用，建立了冀中坳陷伸展构造系统，并指出地壳伸展作用主要有水平伸展离散和垂直差异沉降等不同形式[8]，分析了水平伸展、基底沉降和伸展的差异性，认为冀中坳陷内部的水平伸展量不均一，伸展量大的部位多分配在控坳边界断层附近。

图1 冀中坳陷伸展构造纲要(华北油田研究院，2013年改编)

冀中坳陷伸展构造多伴生单侧主干断层发育，控制坳陷的走向、边界和构造样式，但受变换构造影响：在徐水—安新变换带以北，大兴、牛东—河东断层断面东倾，廊固、霸县和武清等坳陷西断东超；在徐水—安新变换带与衡水变换断层之间，保定—石家庄断层断面东倾，而马西断层等断面西倾，饶阳坳陷东断西超；在衡水变换断层以南，宁晋、新河断层断面西倾，晋县、束鹿和前磨头坳陷也呈东断西超样式[8]。

2.1 伸展断层(正断层)与拆离断层

(1)太行山山前断裂带(简称太东断裂)。太东断裂属兴安岭东侧到太行山东侧断裂的一部分。作为其重要的组成部分，保定—石家庄断裂是控制冀中坳陷形成演化的边界伸展断层，浅部表现为伸展断层，而在深层具有拆离断层的特征[9]，断层带整体走向为NE40°—45°，倾向SE，断面上陡下缓，呈犁式，倾角20°～35°，全线被第四系覆盖。

(2)其他伸展断层。冀中坳陷中其他典型的伸展断层还有大兴断层、牛东断层、河东断层、沧西断层和宁晋断层等，主要发育特征见表1。

表1 冀中坳陷部分伸展断层统计

(3)拆离断层。冀中坳陷发育深、浅两个层次的拆离断层，深层次滑脱向(南)东运动，浅层次滑脱向(北)西运动。前者发育早，如保定—石家庄断层、大兴断层等；后者发育晚，如牛东、马西断层等[10]。

2.2 变换断层(变换带)

变换断层或变换带在走向上平行或微角度斜交于伸展方向，是具有走滑或斜滑断层作用的不连续带[11]。冀中坳陷的变换断层或变换带一般形成一个伸展域突变的横向边界，并在空间上连接相互分隔的伸展域，主要包括了衡水变换断层带、徐水—安新变换带和牛东—马西S形断裂构造[12]。

总之，在冀中坳陷伸展构造区，发育了北东、北东东向的伸展断层、不同层次的拆离断层[4]和横向变换断层(变换带)，主干伸展断层控制了坳陷的走向、边界和构造样式，但受变换构造影响，断层与坳陷呈现了多样性和复杂性。

3 典型构造地裂缝分布及发育特征

自20世纪70年代中后期，我国几个新构造活动区域相继发生较大规模的区域性地裂缝现象，以汾渭平原、华北平原地裂缝最为典型。根据现有调查结果，综合对比分析河北平原地裂缝，筛选了几条典型构造成因地裂缝，其分布位置、主要发育特征等见表2。

4 响应关系探讨

对于地裂缝的成因，谢广林根据地裂缝的区域性分布特点、唐山地震前后中国东部和华北地区的地壳运动趋势，认为大华北平原为构造成因，是区域性地壳剧烈运动在地表的一种缓慢形变[13]。随后我国多位学者先后从不同角度提出了地裂缝成因机制模式，虽然所考虑的因素不尽相同，但是观点基本一致，即地裂缝是由基底伸展断层在横向拉张应力场作用下形成的，并随着工业化发展和城镇化建设的推进，在地下水开采的助推作用下，造成伸展断层带上覆土体的开裂。笔者认为华北地裂缝的形成与冀中坳陷基底伸展断层、变换断层(变换带)、基底的断隆有密切的关系，冀中坳陷基底构造单元界定了地裂缝发育的区域和形态。以列举的典型地裂缝为例，分析两者的响应关系。

4.1 L1、L2与L3受控分析

L1、L2和L3发育在大城隆起与饶阳坳陷之间，东临沧西断层带，西邻马西—牛东S形断层带，北靠近徐水—安新—文安变换带，沧西断层带是控制冀中坳陷的东边界，关系图见图2。这些伸展断层、深部拆离断层和变换断层带共同构成了此区域的伸展构造环境。在冀中坳陷伸展构造环境中，坳陷内部水平伸展量和垂直伸展量并不均一，伸展量大的部位往往发育在控坳边界断层附近，多条伸展断层和变换断层(带)的叠加，使此区域的拉张应力场大于临近区域，构成了地裂缝的发育区。

表2 河北平原部分典型地裂缝统计

图2 L1、L2、L3在伸展构造环境中的发育分布

4.2 L4受控分析

辛安深饶地裂缝西起辛集市中里厢至饶阳县北马村，横贯了辛集市北、安平县南、深州市北和饶阳县南，断续延伸，总长度约36 km，总体走向NEE，略呈向东南突出的弧形，北侧地面微有下降。该地裂缝与无极—饶阳断层位置基本吻合，稍偏南。无极—饶阳伸展断层东起饶阳坳陷，西至衡水变换断层带，南侧有相邻近的EW向展布、略向北突出的深县伸展断层，断层与坳陷的组合构成了该区域伸展构造环境，如图3。

4.3 L5与L6受控分析

柏乡与隆尧位于冀中坳陷的西南部， 主要发育了宁晋—衡水NNE低凸，因受NE向断层切割，形成了NE向相间排列的凸起和坳陷，L5和L6分布在宁晋低凸一侧边坡上，下伏古近系伸展断层——隆尧南断层带和宁晋断层带，伸展断层带、低凸起和坳陷共同构成了该区伸展构造环境的组成要素，孕育了地裂缝的形成。主要受宁晋低凸的影响，隆尧南断层带主要走向NEE，倾向为SE，隆尧地裂缝的走向和倾向与之相同。宁晋断层带主要走向NE，倾向为NW，柏乡地裂缝的发育特征与之相对应，关系见图4。

图3 L4在伸展构造环境中的发育分布

图4 L5、L6在伸展构造环境中的发育分布

5 结论与建议

根据前人关于冀中坳陷伸展构造单元和河北平原地裂缝的研究成果，笔者认为在伸展构造环境中，岩土体长期处于一定的拉张应力场中，并且岩土体中的拉张应力随伸展构造环境的演化而发生变化，当作用在岩土体上的拉张应力大于岩土体本身的抗剪强度和抗拉强度时，岩土体发生开裂，开裂处由底面逐渐向上、向两侧延伸，直至在地表面产生裂缝，二者的响应关系具体有以下几点：

(1)已有的地裂缝地表位移监测数据表明，地裂缝位移的产生并没有简单地体现在某一个方向或者是平面上，而是具有三维特征，与冀中坳陷伸展构造环境的构造应力场相一致。

(2)地裂缝发育的长度规模、雁形分布、断续发育等特征呈现出了伸展断层的特点。

(3)伸展断层系位于拆离断层上部的脆性变形域，断面产状较陡，但平面延伸规模有限，一般在断层中部垂向断距大，而向两端逐渐变小，直至为零，冀中坳陷中区东部的马西断层、河间断层、沧西断层是这类伸展断层系的典型代表[14]。在地裂缝典型发育区，地裂缝垂直断距和水平断距明显，以及裂缝向两端逐渐消失的特征与之相呼应。

(4)土体开裂产生的垂直位移主要是因为土体中的剪切力大于土体的抗剪强度，而土体中的剪切力是由土体本身的重力在拉张环境提供的空间中所产生的，这也是地裂缝倾角均较大甚至是近似垂直的原因所在。

(5)笔者认为地表裂缝逐渐向下延伸，甚至伸展至断层处，在土体内部地裂缝转变成断面，受围压的影响，不会产生水平裂缝。由于断面倾角与土体厚度的原因，地表裂缝与伸展断层并不完全在同一垂直面上，地裂缝往往发育在伸展断层的一侧。在野外调查和资料整理中，该特征得到了很明显的印证，如塞里西村地裂缝(L6)较无极—饶阳断层位置稍偏南。

(6)伸展断层地裂缝的差异性主要与土体沉积的厚度、沉积环境、岩性等有关。伸展构造环境的研究成果——重力滑动、反转构造和走滑断层等将对地裂缝差异性和复杂性研究起到推动作用。

(7)地裂缝的发展演化将带来长宽比的变化，因此长宽比λ的引入将有助于地裂缝野外调查和室内研究工作的开展，为构造型地裂缝研究提供一半量化的指标。

[1] 彭建兵,范文,李喜安,等.汾渭盆地地裂缝成因研究中的若干关键问题[J].工程地质学报,2007,15(4):433-440.

[2] 地质矿产部.河北省区域地质志[M].北京:地质出版社,1982:617-635.

[3] 牛树银.太行山阜平、赞皇隆起是中新生代变质核杂岩[J].地质科技情报,1994,13(2):15-16.

[4] 刘国栋,史书林,王宝钧.华北地区壳内高导层及其与地壳构造活动性的关系[J].中国科学B辑,1984(9):439-448.

[5] 杨明慧,刘池阳,杨斌谊.冀中坳陷中生代构造变形的转换及油气[J].大地构造与成矿学,2001,25(2):113-119.

[6] 华北油田石油地质志编写组.中国石油地质志(卷五)：华北油田[M].北京:石油工业出版社,1988:258-261.

[7] 马杏垣,刘和甫,王维襄,等.中国东部中、新生代裂陷作用和伸展构造[J].地质学报,1983(1):22-32.

[8] 杨明慧,刘池阳,杨斌谊,等.冀中坳陷古近纪的伸展构造[J].地质论评,2002,48(1):58-67.

[9] 徐杰,高战武,宋长青,等.太行山山前断裂带的构造特征[J].地震地质,2000,22(2):111-122.

[10] 汪藴璞,王焕夫,王翠霞. 油田古水文地质与水文地球化学——以冀中坳陷为例[M].北京:科学出版社，1987:95-99.

[11] Faulds J E,Varge R J.The role of accommodation zones and transfer zones in the regional segmentation of extended terranes[C]//Faulds J E， Stewart J H.Accommodation zones and transfer zones: the regional segmentation of the basin and range province. Boulder Colorado： Ceological Society of American Special Paper,323:1-42.

[12] 吴继龙,卢学祺.冀中坳陷东部地区构造格架及其形成与发展[J].石油与天然气地质,1986,7(1):20-31,109-110.

[13] 谢广林.地裂缝[M].北京:地震出版社，1988:76-78.

[14] 孙冬胜,刘池阳,杨明慧,等.渤海湾盆地冀中坳陷中区中新生代复合伸展构造[J].地质论评,2004,50(5):484-491.

(责任编辑 李杨杨)

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邵长庆(1985—)，男，山东潍坊市人，工程师，硕士，主要从事水文地质、工程地质、环境地质方向的研究工作。

2014-10-08