活动断层作用下地裂缝开裂机理研究

邵长庆，杨 强，李 浩，马学军，王兵虎，宋 伟，吕凤兰，边文英

(1.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051；2.河北省国土资源勘察中心，河北 石家庄 051000)

关于地裂缝成因机理的学说较多。早在20世纪初，美国地质调查局牵头多家单位在美国西南部新构造运动比较活跃的盆地和谷地地区，对地裂缝灾害的形变监测及成因机理展开重点研究，对地裂缝的成因形成了三种观点：构造成因、地下水开采成因和构造与地下水开采复合成因，其中Leonard从地震的角度提出了地裂缝的构造成因观点[1]，为最早的地裂缝构造成因提出者。国内学者所持观点与美国学者基本保持一致，主要保留“水成说”、“构造说”、“综合说”[2]，其中“水成说”是前人研究地裂缝形成原因的重要学说之一，其原因是开采降低了第四纪松散层中的孔隙水压力，使得松散层有效应力增加[3]，引起地面下沉和破坏[4]。但是“水成说”仍存在较多未解答的问题，如：随着地层年龄的增加，地裂缝垂直错距逐渐加大；华北平原地下水过量开采是1970年开始的[5]，而地裂缝近期活动却见于1959年，甚至更早；地裂缝的开裂方向和大区域的构造应力场相吻合，且不随地下水降落漏斗和沉降中心改变而改变等问题。

目前，国内地裂缝工作者基于这些学说，将地裂缝主要分为构造地裂缝和非构造地裂缝，这种分类方法把构造成因和非构造成因划清界限，撇清关系，看似非常清楚，却未能解释地裂缝开裂的诸多关键问题，最终导致争论不断，比如对华北平原有严重影响的隆尧地裂缝[6]，仍有不少学者在争论其成因机理，这种分类方法的弊端显而易见。笔者认为争论的根本原因是活动断层与全新世浅表层地层开裂两者之间的联动机制尚未研究清楚。

本文以华北平原地裂缝为例，系统总结了典型地裂缝地面塌陷分布、发育特征，结合地球物理勘察、槽探揭露和钻探等多种技术方法，探讨活动断层与全新世浅表层地层开裂两者之间的联动机制。以华北平原伸展构造环境为大背景[7]，从第四纪沉积演化的角度出发，考虑人类活动的影响，避免首先回答是构造地裂缝还是非构造地裂缝的问题，而是将地裂缝看作是第四纪全新世演化过程中的一种现象，且认为第四系上部非饱和土体中大量存在的“结构缺陷部位”[8]是在构造应力场作用下产生“破坏”的内部因素。基于此将华北平原地裂缝分为全新世节理裂隙型地裂缝和全新世活动断层型地裂缝。

1 全新世节理裂隙型地裂缝

华北平原地裂缝具有分布广泛、相对集中的特点[9]，仅河北平原新发现地裂缝就达几百条[10]。此类地裂缝规模不大，危害性较小。本文选取位于廊坊市大城县权村镇小村地裂缝为题材，进一步说明地裂缝、全新世张性节理裂隙和活动断层三者之间的联动机制。

1.1 地裂缝发育现状

据访者(村民刘龙海)介绍，此裂缝最早在1983年6月雨后开裂，从该村西南枣树林至村东北玉米地，斜穿小庄村，近北东方向展布(图1)，并造成村庄内至少8处房屋墙体开裂，墙体最大裂缝宽2 cm。最新调查时间为2016年7月大暴雨过后，该裂缝在地表处开启。此次开启的裂缝与初始发现裂缝的位置并非完全重合，处于相邻状态，间距约1.5 m左右。

图1 小庄地裂缝走向Fig.1 Trending direction of the ground fissure in Xiaozhuang

裂缝呈近直线型发育，走向20°～25°，长度大于1 000 m，开裂宽度0.45～0.10 m，最大可见深度1.0 m，局部发育塌陷坑，穿越荒地、田间土路、枣树林、玉米地等，裂缝两侧地表无高差(图2～3)。

图2 地面开裂Fig.2 Ground cracking

图3 局部塌陷Fig.3 Local collapse

1.2 浅表层节理裂隙发育状况

为揭露浅表层全新世节理裂隙发育特征，采用探槽揭露。探槽位于小庄村东南田地—地裂缝开裂最明显的位置(图2荒地处)，地表高程6 m，大小20 m×10 m×6.5 m。探槽侧壁底部(4.5～6.5 m)和底面发育大量细长节理裂隙(图4)，节理裂隙宽度小于2 cm，呈树根状向下延伸，填充物为粉砂质黏土，其颜色较两侧地层有明显差异，尤其是在泥炭层中更加清晰，裂缝向下延伸过程中，宽度逐渐变窄，部分分支裂缝尖灭于土层中。

侧壁剖面见图5。从剖面图可见2条裂缝，这与走访调查结果一致，2条裂缝处于相邻状态，间距为1.5 m左右，最新出现的为右侧裂缝，初步判断2条裂缝交替出现。

图4 探槽侧壁和底面(镜向180°)Fig.4 Side wall and bottom of trench

图5 小庄探槽侧壁剖面图Fig.5 Profile of side wall of trench

探槽底面揭露泥炭层，厚度0.3 m，发育3条节理裂隙带，间距0.5 m左右，呈辫状发育，节理裂隙宽度小于1 cm，宽度很小但清晰可见，褐色或棕褐色粉砂质黏土填充，与黑色泥炭层形成明显对比(图6)。

图6 小庄探槽底面辫状节理裂隙Fig.6 Braided joint cracks on the bottom of trench

1.3 全新世节理裂隙发育区活动断层分布

为查明全新世节理裂隙发育区活动断层分布，采取了高精度重力方法、浅震和α杯勘查三种方法[5]。

(1)高精度重力勘探及解译

采用归一化标准差法。该方法基于计算和追踪重力场变换函数的极大值，计算结果中等值线极大值处推断为断层位置。结合本区地质资料，西至东推测有3条断层(图7)，依次命名F1、F2、F3，皆为正断层。

图7 重力地质解译Fig.7 Gravitational geological interpretation map

(2)浅震勘查及解译

为研究3条活动断层走向、倾向、倾角等产状，选择浅层地震勘查方法。由地震解译剖面(图8)基本确定节理裂隙的产生主要是受3条活动断层的影响。

图8 地震地质解译剖面Fig.8 Seismic geological interpretation profile

F1正断层：倾向159°，倾角70°，垂直断距10～20 m，水平断距20～30 m。上断点位于上更新统土层中。

F2正断层：倾向151°，倾角70°，垂直断距10～20 m，水平断距20～30 m。上断点位于上更新统土层中。

F3正断层：倾向151°，倾角70°，垂直断距15～25 m，水平断距20～30 m。上断点位于上更新统土层中。

由3条断层的产状可知，断层的上端点均未延伸至地表，并与地表有一定的距离，其中F3活动断层上端点正上方地表处与地表开裂位置近乎重合，可断定该活动断层为节理裂隙发育的控制因素，是该类地裂缝形成产生的内部因素。

(3)α杯勘查及解译

由α杯观测曲线图线(图9)可以清楚地看到在220 m处，与地表开裂位置重合，左侧脉冲次峰值与探槽揭露隐伏裂缝位置基本吻合，其两侧脉冲值明显下降，据此判断受活动断层影响，节理裂隙发育区的宽度在20～30 m。

图9 地裂缝α杯曲线图Fig.9 Alpha cup curve of ground fissures

1.4 全新世节理裂隙型地裂缝开裂机理概念模型

华北平原晚更新至全新世以来，在水平地壳应力场背景下[11]，受断层活动影响，尤其是在活动性较强的周期段，在活动断层上端点至地表间发育条带状张性节理裂隙，构成了第四纪演化的一部分[12]，即前任学者曾提出的第四纪上部非饱和土体存在大量的“结构缺陷部位”，是在构造应力场间接作用下产生的“破坏”。

根据地表地裂缝的产状及地球物理勘查解译成果，判定对节理裂隙的产生起到控制作用的活动断层为张性断层，断层倾角较大，上端点埋深较浅，如小庄活动断层倾角70°左右，上端点的埋深40～55 m。受张性断层活动的影响，在其上端点与地表之间土层内发育节理裂隙，且是张性节理裂隙，节理裂隙并非活动断层上端点向地面的延伸，而是第四纪松散层受重力作用下，应力释放和重分布的结果，其倾角较断层更陡，由槽探揭露，近乎90°，并且多条发育，呈带状，具有一定的发育宽度。节理裂隙由地表逐渐向深处发育，由上向下应力释放完毕后尖灭于松散土层中。该条带的物理性质与周围相对稳定沉积层因破碎而有明显差异性，如渗透性明显增大、固结程度低等。

近几十年来，随着华北平原潜水位的下降，导致第四纪松散含水层疏干以及少部分细颗粒随水流带至地表。在节理裂隙发育区域，地表水和浅层地下水往往会沿渗透系数较大的节理裂隙下渗，在下渗过程中，节理裂隙内填充物逐渐被带走，节理裂隙被开启，当遇到大暴雨、农田浇地和输水管道泄漏时，地表水会沿已经开启的节理裂隙向下渗漏，汇入已疏干的含水层，节理裂隙发育带逐渐成为地表水向地下渗漏的通道。随着地表土体流失，地表开裂变大，逐渐发育成有一定长度、宽度和可见深度的地面开裂，或者称之为地裂缝，疏干含水层是地表流失水体和少量细颗粒土体的储存场所，因此华北平原地下水位下降是全新世节理裂隙型地裂缝发生的外部条件，疏干的松散含水层是地表水沿节理裂缝下渗后的储存场所，而活动断层是产生该类地裂缝的内部因素，两者缺一不可。全新世节理裂隙型地裂缝开裂机理概念模型见图10。

图10 全新世节理裂隙型地裂缝开裂机理概念模型Fig.10 Conceptual model of the cracking mechanism of the joint fissure type ground fissures of Holocene

2 全新世活动断层型地裂缝

全新世活动断层型地裂缝主要受基底活动断层影响，土体开裂是由基底断层逐渐向上延伸至地表，此类断层以正断层为主，有一定的断距，在地表呈现为“陡坎”，也是该类地裂缝在地表最明显的识别特征，断距大小与活动断层活动强度成正比，与第四纪覆盖层厚度呈反比，并且随着深度的增加、地层年龄的增长，垂直错距呈逐渐增大的趋势,上盘影响区范围往往大于下盘[13]。该类地裂缝的本质是全新世活动断层，也是城市规划、工程活动等最需要避让的灾种之一。以华北平原地裂缝影响较为严重的隆尧地裂缝为例，详述该类地裂缝的开裂机理。

2.1 地裂缝发育现状

隆尧地裂缝出露于河北省邢台市隆尧县南，自20世纪60年代以来就有零星分布，因其发育在农田、乡道、河渠等非居住区而未得到必要重视。自2003年以来，地裂缝活动渐有增强态势，受到地质灾害调查与防治部门的重点关注。当前该地裂缝集中发育于西店子、东店马等十几个村镇，平面展布见图11，从其发育规模(包括长度、宽度、深度)来看，属于一条典型的巨型地裂缝，具有方向性、折线性、张扭性[6]等特征

图11 隆尧地裂缝平面展布Fig.11 Map showing the occurrence of the ground fissures in Longyao

2.2 浅表层活动断层发育现状

隆尧地区第四系厚度可达300～550 m[14]，为揭露浅表层活动断层发育特征，采用探槽揭露方法，探槽剖面见图12。主要有以下特征：

(1)倾角特征

③粉土层中裂缝宽约30 cm，而至探槽底部变窄为1～2 cm。地表至-7 m裂缝呈圆弧状发育，⑥粉土中倾角约为85°，⑦泥炭层中倾角约为80°，⑨泥炭层中倾角约为70°，可见裂缝倾角有向深部逐渐变缓的趋势，与正断层性质相吻合。

(2)裂隙特征

该类地裂缝上盘较下盘一般裂隙更发育，垂向影响宽度更大，但虎中村探槽受施工场地影响，上盘揭露宽度较窄，地层虽然根据岩性和颜色能分清界线，但相比下盘，地层明显松散，且在清理槽壁过程中，始终得不到光滑面，表面非常粗糙，裂隙难以辨认，但能看到裂隙迹象，固不能在图中显示裂隙具体产状(图12)。

(3)断距特征

探槽揭露土层断距见表1，地表断距39.5 cm，近几年活动速率明显增大。在8.5 m揭露深度范围内出现2层泥炭层，断距均为70 cm左右，较上部土层断距明显增大，故断距也呈现向深部增大的趋势，与正断层性质吻合。

表1 断层上下盘各土层断距Table 1 Breaking distance of the soil in the hanging wall and the foot wall of a fault

图12 虎中村探槽剖面Fig.12 Trench profile near the Huzhong Village

2.3 全新世活动断层区域构造特征

该全新世活动断层在区域上与隆尧断裂(带)位置和走向相一致，隆尧断裂(带)为华北平原拗陷区内邢衡隆起与临清拗陷的边界[15]，断裂长约29 km。根据资料，第四纪以来，该活动断裂有过明显构造活动[16-17]，从而可以初步推断，隆尧地裂缝是隆尧断裂(带)从深部向地表延伸后显露地表而形成的，全新世以来仍有活动，并符合正断层性质，故称为全新世活动断层。

为查清全新世活动断层在区域构造中的位置、与区域活动断层的关系以及在下部地层的产状等，采用地震勘查[18]方法。地震剖面及地质解译剖面见图13，主要有以下几点特征：

(1)依据地震剖面上标准地震反射波组的形态和相互空间位置的变化，推断有2条断裂构造。第四纪上更新统底界埋深90～110 m，中更新统底界埋深160～80 m，下更新统底界埋深340～400 m。

(2)断层F1-1为正断层，倾向358°，倾角70°。上更新统中垂直断距约10 m，水平断距约20 m；中、下更新统底界的垂直断距分别为20 m、25 m。

(3)断层F1-2为正断层，倾向92°，倾角70°。上更新统中垂直断距约10 m，水平断距约20 m；中、下更新统底界的垂直断距分别为20 m、25 m。

隆尧断裂是由一条主断裂和多条次级断裂组成的断裂带[19]，隆尧地裂缝是由断裂带中的F1-1向地表延伸而形成的全新世活动断层；断距由下更新统底界处25 m向地表全新世顶部逐渐减小至0.39 m，呈现逐渐减小的趋势，与探槽揭露结果吻合。倾角由下更新统底界处70°向全新统顶部逐渐增大至90°，上陡下缓。

图13 地震剖面及地质解译剖面Fig.13 Seismic profile and geological interpretation profile

2.4 全新世断层型地裂缝开裂机理概念模型

华北平原全新世活动断层的产状特征符合正断层性质，正断层主要是受到拉张力和重力作用形成，故又叫重力断层。华北平原地裂缝中，存在断距的地裂缝应属于全新世活动断层，也是工程活动常考虑的区域稳定因素。

全新世活动断层是由基底活动断层断点延伸至地表，构造应力和重力在松散岩土体中得到释放和应力重分布，地表残余应力大小决定了地表断距的大小，活动断层的活动强度、基底断层断距大小和第四纪松散层的覆盖厚度是重要影响因素。

全新世活动断层形成过程中，伴随应力重分布，往往在两盘形成较多的节理裂隙，节理裂隙的数量和规模主要取决于全新世活动断层的活动强度及松散岩土体的性质，这就是地裂缝中次级裂缝的由来。

断层倾角由下而上逐渐变陡，在浅地表接近90°(探槽揭露)，主要是由于岩土体围岩压力由下而上逐渐减小，地表处围压为零，仅水平应力。松散土体仅在水平应力作用下时，破裂面近乎直立，全新世活动断层型地裂缝开裂机理概念模型见图14。

地表处两盘断距越大，地裂缝造成的危害往往越大，所经过的房屋严重错开，道路形成较大陡坎，人类工程活动应采取避让措施，避让距离可参照有关工程地质手册及国家相关抗震规范[20]。

图14 全新世活动断层型地裂缝开裂机理概念模型Fig.14 Conceptual model of the cracking mechanism of the active fault type ground fissures of Holocene

3 结论和建议

(1)全新世节理裂隙型地裂缝：活动断层在区域稳定中“扮演”了边界条件中的非稳定因素，断层的先期活动或者后期持续微弱的活动为裂隙的形成提供了动力来源，是裂缝产生的外部条件；第四纪松散堆积层潜水位的急剧下降，不仅使松散堆积层固结压缩，同时产生了较大的渗透压力，地表水汇流并沿渗透系数较大的张性节理裂隙带向下渗流，并逐步带走地表松散堆积物，形成地表开裂及塌陷，构成了地裂缝地面塌陷形成的外动力条件。

(2)全新世活动断层型地裂缝：地表断距是评价全新世活动断层危害程度的重要依据，活动断层的活动强度、基底断层断距大小和第四系松散层的覆盖厚度是重要的影响因素；受基底起伏面和第四系沉积物性质不同的影响，同一条地裂缝的地表断距会有一定区别，断层持续活动加之上覆土体性质而产生差异沉降；全新世活动断层主要以正断层为主，上盘下降较大，下盘有一定的上升量，下盘相对于上盘较稳定，其灾害程度往往较低。

(3)现今城镇中突发的路面塌陷(非采空区)主要为全新世节理裂隙型地裂缝或局部塌陷，路面塌陷下往往会有输水管道泄露。预防该类路面塌陷的工程措施主要是摸清裂隙发育区后，做好路面硬化和防止输水管道泄露，且后者更重要。

(4)全新世活动断层型地裂缝影响范围大，但是在华北平原发育并不广泛，根据目前掌握的资料，仅隆尧地裂缝一条。在工程建设中，避让是主要的措施，且上盘避让距离要大于下盘，具体避让距离应作专项研究，并参照国家相关规范和手册。