华北太行山前平原潜蚀型地裂缝发育特征——以保定新乡村地裂缝为例

宋 伟，王兵虎，马学军，吕凤兰

（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北保定 071051）

0 引言

地裂缝是一种以地面开裂破坏为主要特征的地质灾害现象（王景明，2000），其具有潜在、缓变、瞬发的特点（王卫东，2009）。华北平原是我国地裂缝发育较为密集的地区，具有分布广、数量多、破坏力，相对集中的特点（李昌存，2003）。地裂缝具有区域的、形态的、力学的分类（王景明等，2000），特定类属地裂缝的发育受到地形地貌、土体岩性、水体潜蚀、构造运动等因素的影响（李俊等，2003），根据其特点进行解释，成因存在着3种假说，即地面沉降说、地下水抽采说、构造成因说（李世雄等，2006）。其成因机理又分别具有各自的差异体现。

华北平原现已查明的地裂缝，均分布在广阔的太行山与燕山山前倾斜平原与中低部平原区，发育在全新世巨厚的冲积和冲洪积相的亚砂土、亚粘土、粘土和砂层中（王景明等，2000）。而华北太行山前平原如保定、石家庄、邢台等区域为华北平原地裂缝分布密集的区域，地裂缝多发于太行山前与平原交接地带以及山前平原与平原交接部位，地势相对低洼的洪积扇前各洪积扇间、各河流的河漫滩、古河道和湖沼洼地地区为地裂缝的大规模发育提供了条件（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，2011；李昌存，2003），与其他区域相比，保定徐水发育的地裂缝具有山前潜蚀型地裂缝的典型特征，潜蚀型地裂缝的形成，是浅层地下水运移与包气带土体结构之间的作用结果。它的分布受控于地形地貌，大多分布在山前平原与中部平原交接地带、冲洪积扇前缘洼地、扇间洼地、古河道带及现代河道旁侧等地段（田级生，2004）。针对山前平原区域潜蚀地裂缝的发育特征研究有着重要意义。

保定市地裂缝在涿州大部、涞水县东部、高碑店西部、徐水县西部、满城东部、顺平东部、望都西部等山前冲洪积倾斜平原区内分布最为密集，且以近20年新出现的地裂缝居多。保定第四系覆盖层厚约200～400m，河流水系较发育，地下水埋深较浅（张宗枯，2000）。华北地区地下水位一直很高，直到20世纪80年代后期才形成大规模超采（费宇红等，2009），1980年前未发现地裂缝，1980年后随着经济快速发展，陆续开始发现地裂缝，1983年开始进入高潮，华北平原地下水的长期超量开采, 造成区域地下水位的大幅度下降, 这与出水量的削减、漏斗范围的扩展、地面沉降的问题的出现有着直接的联系（张宗枯等，1997），分析地下水抽采成因说，其认为地下水位的大幅度下降，使原来的含水层被疏干，土颗粒之间失去水浮力的作用，在土层自重压力作用下产生缓慢沉降（李俊等，2003）；由于平原上的土体一直处于非饱和状态，而非饱和土体存在大量的结构缺陷部位（孙强等，2008），在抽水活动影响区域易造成地层不均匀沉降，结果产生地裂缝。但在太行山山前倾斜平原徐水新乡村地裂缝形成过程中，在潜蚀作用主导作用下，具有内应力作用背景的独特特征，动力类型相互影响。以往单一地面调查的方式往往难以判断地裂缝的类别和主导因素。因此，以保定徐水县新乡村地裂缝作为研究对象，应用地球物理勘查技术与工程地质调查，分析华北太行山前倾斜平原地区地裂缝成因具有特别的意义（图1）。

图1 徐水县地裂缝分布及易发程度分区图Fig.1 Distribution of ground fissure and subarea of prone degree in Xushui

1 地质背景

保定徐水新乡村第四系厚度为20～40m，上部以黄土状粉土为主，局部为粉质粘土，底部为碎石类粉质粘土。第四系下覆盖为震旦系铁岭组白云岩。区内断裂构造对地裂缝产生影响的有两条（图2），一条为定兴-石家庄断裂，整体走向北东40°，倾向南东，倾角30°～60°。徐水段走向北东40°，倾向南东，倾角20°左右；长40km，为一正断层。控制着徐水凹陷，该断裂主要活动期为始新世，断裂下盘在元古界之上覆盖了第三系和第四系，断裂两侧上第三系和第四系厚度差异很小，该断裂晚第三系活动微弱。一条为徐水断裂，通过徐水，呈近东西向展布，长约50km。其北盘为徐水凹陷和容城凸起，南盘为保定凹陷，断裂倾向东，倾角60°，正断层，断层活动到上新世早期，该断裂错断了定兴-石家庄断裂。断裂带内有角砾石、砾石呈棱角状，大小不等，局部可见镜面擦痕（李祥根，2003；刘传虎，2003）。该断裂带穿村而过。徐水新乡村区域正处于两条断层的交汇部位。区内第四系黄土状土中，垂直裂隙较发育，没有规律性、规模小，一般宽0.1～1cm，是地表水渗灌的主要通道。铁岭组白云岩中裂隙十分发育，裂隙近于垂直，上宽下窄呈漏斗形状，其延伸与宽度成正比，最宽1～1.5m，窄的1～2cm。沿裂隙充填有碎石及黄土。沿裂隙面有溶蚀呈犬牙状，个别形成溶洞。这些裂隙及溶洞是地下水活动的通道。

图2 保定市构造单元图Fig.2 Structure unit in Baoding

保定水系主要由拒马河、唐河、潴龙河冲洪积扇以及扇间洼地构成。地下水径流方向与各水系流向大体一致，从西、北、南3 个方向汇集于白洋淀，但是由于长时间地下水超采等已导致地下水动力场发生了变化。含水层岩性自山前至扇间洼地，由卵砾石层逐渐变为中粗砂—中细砂—细粉砂（郭春艳等，2014）。区内地下水划分为松散岩类裂隙孔隙水，碎屑岩类裂隙水和碳酸岩类裂隙岩溶水三大类型(张兆吉等，2009)。浅层地下水补给以入渗与侧向补给为主，包气带岩性是决定入渗条件的主导因素，本区包气带一般较厚，最厚达30m左右。山前地带，第四系堆积物接受山区地下水补给，在河流出山口处、古河道及冲洪积扇顶部，砂卵砾石与基岩直接接触，接受补给条件较好（图3）。第四系松散层分布地带未见砂层，也没有古河道反映，断裂构造的发育为基岩地下水的赋存创造了有利条件，碎屑岩构造裂隙和风化裂隙比较发育，其地下水赋存于裂隙中（丁国瑜，1991）。碳酸盐岩类地下水主要赋存于断裂破碎带、裂隙和溶洞内。

图3 保定市包气带综合岩性分布图Fig.3 The lithologic distribution of aeration zone in Baoding

2 保定新乡村地裂缝概况

保定地裂缝一般集中在山区与平原的交接地带，多为地下水潜蚀型地裂缝，常发育于地势相对低洼及地势相对低缓区。地裂缝主要沿山前大断裂呈条带状分布，但在局部又呈现聚集性。地裂缝多分布在山前冲洪积扇上的徐水断裂与安新断裂交叉、东垒子-涞水断裂和顺义良乡断裂及大兴-夏垫断裂带的交叉复合部位的十几公里范围内（中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，2011；邓起东等，2002；徐继山，2012）。

保定徐水县新乡村地处太行山东麓低山丘陵与山前倾斜平原结合部位。东有孤山，东坡脚下紧临瀑河，河东为倾斜平原，东北紧连瀑河水库大坝。西及西南为低山丘陵，山顶高程80～150m，由主级和次级分水岭构成。丘间开阔低地，新乡村居于此地中部。村南存在一条近东西伸展的不很明显的地表分水岭，使地表水及地下水浅层潜水南北分流，形成较复杂的水文地质条件。自1980年以来，新乡村在雨季沿北东方向发生塌陷和地裂缝，2000年逐渐日趋严重。地面地裂缝走向NE15°和SE105°，以及NE15°为主要发育方向。

3 槽探方法

通过工程地质调查，选择了新乡村地裂缝开裂位置布置探槽，探槽编录揭露表明，新乡村地裂缝近于直立，倾向不明显，两盘纵向上也没有明显的相对错动，裂缝具有上部宽，向深部逐渐变窄并趋于一条小的缝隙，一直向下延伸。在探槽剖面上还可以明显看到，地裂缝的两盘并没有明显的相对错动，且裂缝面迹线并非直线，而是呈现凹凸不平的弯曲状，由此进一步表明，土层自重压力作用下产生缓慢的压缩沉降，由于地层结构的不均一性，而产生了不均匀沉降，其结果产生了隐蔽地下裂缝。在降雨渗入地下或农田灌溉的过程中，裂缝处的渗透速度比在土层中大得多，致使裂缝处发生土壤潜蚀作用，通过土层冲刷、浸润、淘蚀，在新乡村所处地貌条件配合下产生潜蚀作用，有利于地下水挟带的细粒砂土向下游和深部运移，使小缝扩展为大缝，逐渐加深、延长，直至形成张性裂开，或使隐伏在地表以下的地裂缝显露到地表。除此之外，裂缝中的充填物中可以看到，在早期的裂缝中后期再次发生开裂，并填充有新的物质，从而显示出地裂缝有多次开裂、反复活动的现象，说明潜蚀作用在新乡村裂缝发育区域具有持续性与反复性的作用与影响（图4）。

图4 新乡村地裂缝探槽剖面图Fig.4 Trench profile of ground fissures in Xinxiang

4 地球物理勘查方法

地球物理勘查的方法主要是纵波反射波法地震勘探。通过查明第四系分布、地层结构变化、地层界面形态特征，研究地裂缝的纵向延伸、发育趋势和动力类型等方面潜蚀作用对地裂缝发育的影响。

（1）物探测线布置

地震测线自西向东近垂直地裂缝走向在新乡村南侧布置两条，测线编号为01和02线，在村北侧布置两条，测线编号为03线和04线（图5）。

（2）物探地质解释

地震时间剖面上划分1组地震反射标准层“T”，是第四系以下震旦系白云岩层的反射界面。

①测线01剖面地质解释

地震反射标准层反映的震旦系白云岩顶界面的深度为31～48m，局部反射层连续性不好，反映松散、破碎的裂隙现象。在地质剖面535m位置，显示地层错动的断层现象。断层为正断层，断面东倾，倾角78°，命名为F1断层。地质剖面447～462m位置，反射层波组第二相位显示空洞现象。地质剖面555m位置，反射层显示波组相位分叉，强相位转换的断层现象。断层为正断层，断面东倾，倾角75°，命名为F2断层。剖面显示这一测线区段显示有着明显的破碎裂隙分布，同时伴有空洞的形成，土体潜蚀作用较强，地表局部也相应出现塌陷坑(图6)。

图5 新乡村物探测线布置图Fig.5 The geophysical survey line layout in Xinxiang

②测线02剖面地质解释

地震反射标准层反映的震旦系白云岩顶界面的深度为25～48m，地质剖面60～67.5m位置，反射层中断、出现空白段，反映了白云岩溶蚀空洞现象。地质剖面250.5m位置，反射层显示裂隙现象。地质剖面325.5m位置，反射层反映白云岩裂隙现象。地质剖面463.5～466.5m位置，反射层显示白云岩结构不太好，有空洞现象。地质剖面498～510m位置，出现白云岩断层现象。断层为正断层，断面东倾，倾角80°，命名为F1断层。地质剖面537～555m位置，反射层反映白云岩断层现象。断层为正断层，断面东倾，倾角80°，命名为F2断层。测线剖面显示潜蚀作用较为明显，土体中出现空洞及裂隙现象（图7）。

图6 新乡村物探测线01剖面地质解释图Fig.6 Geological interpretation of geophysical survey line 01 section in Xinxiang

图7 新乡村物探测线02剖面地质解释图Fig.7 Geological interpretation of geophysical survey line 02 section in Xinxiang

③测线03剖面地质解释

地震反射标准层反映的震旦系白云岩顶界面的深度为26～57m，地质剖面25.5～34.5m位置，反射层波组中断，反映了白云岩破碎空洞现象。地质剖面265.5～273m位置，反射层中断，反映白云岩破裂空洞现象。地质剖面301.5～322.5m位置，反射层中断，反映白云岩破裂、裂隙发育的现象。地质剖面388～412m位置，反射层反映白云岩结构破裂现象。地质剖面523.5～538.5m位置，反射层反映白云岩断层现象。断面东倾，为正断层，倾角70°，命名为F1断层。地质剖面669～473.5m位置，反射层反映白云岩断层现象。断面东倾，为正断层，倾角70°，命名为F2断层（图8）。

④测线04剖面地质解释

地震反射标准层反映的震旦系白云岩顶界面深度为26～48m，地质剖面133.5m位置，反射层反映白云岩断层现象，断层为正断层，断面东倾，倾角76°，命名为F3断层。地质剖面178～223m位置，反射层反映白云岩结构破碎现象。地质剖面330～333m位置，反射层反映白云岩裂隙现象，有梳状扰动特征。地质剖面501m位置，反射层显示白云岩断层现象。断层为正断层，断面东倾，倾角78°，命名为F1断层。地质剖面606m位置，反射层反映白云岩断层现象。断层为正断层，断面东倾，倾角80°，命名为F2断层。地质剖面643.5～648m位置，反射层反映白云岩裂隙现象（图9）。

图8 新乡村测线03剖面地质解释图Fig.8 Geological interpretation of geophysical survey line 03 section in Xinxiang

图9 新乡村物探测线04剖面地质解释图Fig.9 Geological interpretation of geophysical survey line 04 section in Xinxiang

通过4条测线剖面反映了新乡村所处区域第四系下部震旦系白云岩裂隙、溶洞发育，局部地层结构较破碎不完整。说明了水的溶蚀潜蚀作用较强。同时F1、F2断层为地下水提供了径流通道。形成的溶洞、裂隙构成地下水的畅流空间。

5 新乡村地裂缝综合成因分析

太行山前平原区浅层地下水位下降幅度和速率远远大于中东部沉积平原及滨海平原区。由此可知该区域浅层水位变化为持续下降，这是区域开采使地下水呈负均衡的结果。浅层水开采引起地下水位波动式大幅度持续下降，造成浅层土体潜蚀、掏空，形成隐伏土洞和地裂缝。保定地区地裂缝的出现与地下水位变化在时空上有明显的对应关系，即地裂缝的分布区与浅层地下水位变幅较大的降落漏斗及地下水位强烈下降的时段相吻合，如保定地区地裂缝高发期的20世纪80年代，尤其是1982—1988年期间，地下水位的急剧下降与这一时期出现裂缝的数量与规模有着明显的对应关系（图10）。从地裂缝的空间分布可以看出地裂缝多分布于浅层地下水降落漏斗及其影响范围内。长期超量开采浅层地下水造成水位急剧下降对地裂缝的产生起一定的主导作用和加速作用。

图10 保定承压水位变化与地裂缝发育频度对比图Fig.10 Comparison of the variation of pressure water level and the frequency of ground fissure development in Baoding

（1）地下孔洞发育为地裂缝发育形成的基础条件

新乡村处于山间汇水盆地，沉积物为坡积和洪积物。沉积速度和沉积物受降水量控制，沉积时间集中，固结和压实程度低，土质松散。松散型黄土状土孔隙大，上部具有自重湿陷性和高压缩性。由于地处干旱山区，雨季山地泻水瞬时饱和，之后长期处于蒸发干燥期，垂直节理发育，有的裂隙达5cm，加之土粒度成分、连结性、不溶性物质含量、水理性质都有利于在潜蚀作用下形成地表水向下渗灌的良好通道，下伏震旦系铁岭组白云岩可溶性强，裂隙发育易产生溶孔和溶洞，而且十分发育，沿裂隙有溶蚀现象，这些孔洞构成地下水易流通道。

而新乡村又处于近南北向和近东西向断裂交汇部位，基岩破碎范围大，基底岩石形成大小不等，纵横交错的岩溶裂隙构成地下水畅流通道。这些孔洞、岩溶裂隙的形成为地裂缝的发育构成基础条件。

（2）地下径流产生的孔洞及通道加剧地裂缝发育

通过物探地震工作显示，在4条测线的地震时间剖面上均有断面东倾的正断层F1和F2，倾角70°～80°。04剖面西端划分了F3断层。4条时间剖面均反映了第四系下部震旦系白云岩裂隙、溶洞发育，局部地层结构较破碎，不完整。说明水的溶蚀作用较强。

由于断裂交汇处基岩破碎，裂隙和溶洞发育，使地下水活动畅通。地下水随白云岩裂隙、溶洞断裂带流经区内，同时将水中的泥沙带出，以上是地裂缝和塌陷在地层浅部形成孔洞的主要原因。加之新乡村处于相对低洼地区，雨季地表水流向村内方向，在渗灌冲刷过程中，下伏孔洞节理裂隙成为地表渗透和流入的良好通道，在地表水（降雨、浇地）作用下，裂缝附近的土层被渗漏的水冲蚀、潜蚀、搬运，造成土层裂缝裂隙逐步扩大并将可溶性物质带走形成孔洞。

（3）地下水快速下降及人类活动促使地裂缝地表出露

华北平原区近年地下水超采情况严重，造成地下水位的大幅下降，使包气带加厚，改变了原来土体结构与应力状态，包气带土体因失水收缩产生裂隙，在有地表水渗透参与下，沿土体裂隙、节理及孔洞不断对上覆土层进行潜蚀，而后将潜蚀的物资带入下伏漂石、卵砾石和粗砂地层空隙当中或随地下水流搬运到其它地方，不断的侵蚀，不断的搬运，从而导致地下空洞并进一步加宽和空洞上覆地层逐渐变薄，当侵蚀洞穴加宽到上覆地层不能承受其自重或荷载时，导致地面塌陷、地裂缝的发生（图11）。同时随着经济发展，人类工程活动如工程建设，水利工程修建扩建及地下水的超量开采使地下水位快速下降都加剧了地裂缝在地表与地层浅部加速发育出露的过程，也是地裂缝近年来呈现大规模、大面积出现的主要原因。

图11 新乡村地裂缝形成模型示意图Fig.11 The formation model of the ground fissures in Xinxiang

6 结论

（1）保定徐水新乡村区域的地层岩性与构造条件有利于下伏地层中地下孔洞的发育，为此区域地裂缝地面塌陷的发育、发展及地表形成出露提供了的基础地质条件。

（2）山前倾斜平原特有的水文地质条件加剧了下伏地层中孔洞的规模，地下径流通道发育，使大规模分布的孔洞连通，为地裂缝提供出露条件。

（3）随着浅层地下水超量开采，引起地下水位波动式大幅度持续下降浅部土层疏干、收缩，脱水干裂，土层内形成裂隙，造成浅层土体潜蚀、掏空，形成隐伏土洞和地裂缝。