北京平原区地裂缝受灾体形态特征及影响因素

赵 龙，罗 勇，李玉梅，张有全，刘 贺，沙 特，孔祥如，齐鸣欢，田苗壮，王新惠

(1.北京市地质环境监测总站，北京 100195；2中国地震局发展研究中心，北京 100045;3.首都师范大学资源环境与旅游学院，北京 100037)

北京地裂缝出现于1965年邢台地震后：一类地裂缝发育于平原区，空间展布与主要构造方向一致；另一类发育于西山采空塌陷区[1]。统计结果显示20世纪60年代至今，北京平原区已发现40余条地裂缝，最近调查发现平原区仍有7条地裂缝在快速发育[2]。为全面了解地裂缝分布及演化特征，研究人员先后开展了多期调查、监测工作，以此为基础对地裂缝成因开展了大量研究工作[2-3]。

以往文献重点关注地裂缝发育程度、规模及成因，地裂缝受灾体灾害特征鲜见报道。笔者在开展长期地裂缝调查及监测中发现北京平原区地裂缝受灾体存在不同表现形式：一类地裂缝受灾体主要展现为水平拉张，另一类地裂缝受灾体主要展现为垂向错动。现场调查发现两类表现形式与受灾体类型无关，具有明显的区域特征。那么这类现象受哪些因素影响，成因模式有哪些不同？不同的成因模式是否对今后开展防治工作产生影响？本文选择灾害现象典型的两处地裂缝(高丽营地裂缝、宋庄地裂缝)，利用调查和监测数据，结合区域地质构造、地下水开发利用情况，从地震、区域应力场、隐伏断裂、地下水动力等角度详细分析了其灾害体表现特征及影响因素。

1 研究区概况

本次研究涉及黄庄—高丽营断裂及南苑—通县断裂。

黄庄—高丽营断裂属张性反扭性断裂，是划分京西隆起与北京迭断陷的界限，总体走向为NE20°～50°，断裂面倾向SE，倾角为65°～75°[4]。高丽营地裂缝发育于黄庄—高丽营断裂北七家—高丽营段，该段构成了顺义鲁町第四纪次级凹陷盆地的西边界，断裂两侧的新近系底面最大垂直落差800 m，第四系落差达140～280 m[5]。早更新世至全新世该段平均垂直活动速率分别为0.07，0.04，0.23，0.10 mm/a，本段全新世仍有继承性活动[5]。

南苑—通县断裂是划分北京凹陷和大兴隆起的分界线。断裂总的走向NE，断裂面倾面NW，倾角50°左右，北西盘下降，南东盘上升，性质为正断层[4]。宋庄地裂缝发育于南苑—通县断裂北段(高碑店以北地段)，断裂第四系落差225 m，该段在早、中、晚更新世有一定活动性[6]。

高丽营地裂缝所在区域第四系沉积物由温榆河冲洪积扇构成，本区由潜水层(底界深度4～30 m)及多层承压水层组成，含水层岩性以粉土、砂为主，夹少量砂砾石层，层次多而薄，单层厚度多小于10 m，渗透系数20～100 m/d，富水性在500～1500 m3/d之间[2]。

宋庄地裂缝所在区域第四系沉积物由永定河冲洪积扇和潮白河冲洪积扇构成，本区第四系含水由潜水含水层(底界深度40～50 m)、浅层承压水含水层(底界深度50～100 m)及深层承压水含水层(底界深度大于100 m)。浅层、深层含水层主要由砂层和黏土相间分布，形成多元结构，这些含水层既相对独立，又有一定的水力联系[3]。

2 地裂缝形态特征

2.1 地表形态特征

宋庄地裂缝发育于通州区东北部，NE向展布，南起小中河经双埠头村、沟渠村、大庞村至平家疃村，断续发育，全长8.7 km。该裂缝于1976年唐山地震时开启，2011年再次开启，最大影响带宽度达400 m。高丽营地裂缝发育于昌平与顺义交界处，NE向展布，由昌平区八仙别墅穿越温榆河延伸至顺义区西王路村，断续发育，全长10 km，该裂缝最早发现于20世纪90年代，受灾体呈线性分布，影响带约为40 m(图1)。

为充分揭示两者不同形态特征，选取两处地裂缝灾害发育严重区，分别从墙体、地面等受灾体形态特征进行对比分析(图2～3)。宋庄地裂缝受灾体主要展现为拉张破坏，在建筑物上破坏形式主要表现为：顶部发育近似直立裂缝(图2a)，裂缝表现上宽下窄，在房檐处开裂程度最大，裂缝近似直立，至墙面裂缝呈一定角度倾斜并向下延伸，裂缝开裂程度逐渐减弱，至墙体中下部逐渐消失。底部发育高角度倾斜裂缝(图2b)，裂缝表现为下宽上窄，呈高角度向上发育，在墙体底部先发生破坏，随后以高角度向上扩展，扩展过程中裂缝宽度逐渐减小。块状密集龟裂(图2c)主要发育于硬化的水泥路面，地裂缝优先沿优势走向方向形成拉张破碎带，随后在破碎带两侧沿着薄弱带，发育形成多方向密集龟裂状次级破碎带。在地面上表现出拉张变形，多分布于主裂缝沿线，具体表现形式为等距张裂缝(图2d)，受灾体多为瓷砖、地板等刚性介质，地裂缝发育于其接缝处，相对薄弱的位置先发生破坏，逐渐沿一定方向线性延伸，拉裂形成等距裂缝。

图2 宋庄地裂缝灾害现象

高丽营地裂缝受灾体则主要表现为垂向错动及剪切破坏，在建筑物上破坏形式主要表现为:底部破坏单斜阶梯型裂缝(图3a)，裂缝下宽上窄，靠近下部墙体率先破坏，随后沿一定方向向上部阶段状延伸，受破坏的砖与砖之间出现错动。拉剪裂缝(图3b)，在墙体裂缝呈高角度发育，形成下窄上宽的剪切带。受地裂缝破坏，在带内主裂缝延伸处，砖与砖之间出现错动，剪切带内墙体出现扭动。受地裂缝影响在地面上形成凹坑、错台，改变了路面坡度，致使汽车通过时出现颠簸感，在路面和路牙之间有明显的倾斜错动(图3c、d)。

图3 高丽营地裂缝灾害现象

2.2 浅部剖面特征

探槽分别揭示了两地裂缝的浅表层剖面结构特征。

宋庄地裂缝近地表铅直纵向延伸，产状近于直立，倾向不明显，裂缝宽度上宽下窄，呈边界不规则的似“喇叭”形，地面开口较宽，最宽达1 m，向下延伸逐渐变窄最窄约1 cm，至探槽底部逐渐闭合。地层产状近似水平，岩性主要为粉土、粉质黏土，地裂缝两侧地层未见明显错动。主裂缝处充填大量次生堆积物，次生堆积物含水率高于两侧土体含水量，有明显的水动力冲刷现象。

高丽营地裂缝由地表曲折纵向延伸，走向NE65°，倾向SE，倾角80°，与黄庄高丽营地裂缝产状基本一致。从揭示地层来看，揭示出9套地层，分别为人工填土、黏质粉土、粉质黏土、粉细砂及砂质粉土。该地裂缝错开左右两侧地层(地层相对下降一侧称为上盘，另一侧称为下盘)，错开了③层黏质粉土、④层粉砂、⑤层黏质粉土、⑥层中砂、⑧层粉质黏土，其中③层黏质粉土错动距离最大达1.24 m。地裂缝上盘地层缺失⑦层砂质粉土，上盘⑤层粉土的厚度也小于下盘的厚度(图4)。

2.3 深部结构特征

利用钻探剖面揭示两处地裂缝深部结构特征，横跨宋庄地裂缝50 m短钻探剖面揭示宋庄地裂缝地层连续无明显错动和缺失，未发现其下伏存在隐伏断裂(图4a)。但高密度电法探测结果则揭示，在宋庄地裂缝走向上存在低电阻带推测存在隐伏断裂(图4a)[3]。为此利用距地裂缝两侧500 m的两个100 m钻孔对其深部特征进行揭示(图5)，依靠测年及剪切波速数据识别出晚更新世时期存在地层错动，垂直落差为12 m，与徐锡伟、江娃利等[7]研究结果一致。地层错动位置位于地裂缝东侧200 m处，推断此处为隐伏断裂上断点延伸位置。

图4 地裂缝浅部剖面图(宋庄地裂缝(a)；高丽营地裂缝(b))

钻探结果揭示，南苑—通县断裂最后活动时期为晚更新世，其上断点埋深约为45～60 m。综上，南苑—通县断裂为第四纪活动断裂，其上断点并未错段至地表且宋庄地裂缝并非该断裂地表显现，其发育于南苑—通县断裂破碎带上盘。

横跨高丽营地裂缝钻探剖面共揭示10套地层，地裂缝由上至下依次错段第②层粉质黏土底部3.5 m，错断距离3.3 m；第③层粉质黏土底部13 m，错断距离9.5 m；第⑤层粉质黏土底部23.9 m，错断距离7.2 m；第⑦层粉质黏土底部34.2 m，错断距离6.1 m；第⑨层粉质黏土底部46.5 m，错断距离7.8 m。浅层地震时间剖面显示在地裂缝处存在明显错段，浅层倾角近80°，向深部逐渐变缓，错段至基岩面，推断为黄庄—高丽营断裂[3，8](图4b)。深部特征显示地裂缝与隐伏断裂相连，推测地裂缝是黄庄—高丽营生长断层的向上延伸或地裂缝由包气带形成的盲裂缝，经外力作用向上及向下生长，最终与隐伏断裂相连。

图5 宋庄(ZK5～ZK6)、高丽营(Z5～Z6)地裂缝深部剖面

2.4 活动特征

为获取地裂缝三维形变特征，分别在双埠头村(宋庄地裂缝典型发育区)、西王路村(高丽营地裂缝典型发育区)安装布设了横跨地裂缝的三维形变测量装置、跨地裂缝的短水准剖面(布设于地裂缝监测站)(图1，7)。宋庄地裂缝监测数据显示，地裂缝存在水平拉张、水平扭动、垂向位移三维形变特征，其中水平拉张量最大年平均拉张速率约为2 mm/a(2010—2017 年)，水平扭动主要表现为右旋顺扭，垂向位移较小，年平均位移量小于0.1 mm(2010—2017年)。高丽营地裂缝监测数据表明，高丽营地裂缝同样存在水平拉张、水平扭动、垂向位移三维形变特征，其中垂直位移量最大，达7.8 mm/a(2010—2017年)，水平扭动以右旋顺扭为主，水平拉张量较小约5 mm/a。地裂缝两侧垂向变形梯度在地裂缝附近形变梯度最大，随着距离的增加，形变梯度逐渐减小。

3 影响因素分析

大量研究结果表明，地震、隐伏断裂、地下水动力因素为北京地裂缝形成、发育的主要影响因素[3，8-9]。本文利用长序列监测资料，综合现场调查结果，系统分析不同因素对地裂缝形态特征塑造的响应。

3.1 地震作用

时间尺度内宋庄地裂缝存在两次开启且两侧开启时间分别与唐山大地震及日本岛大地震发生时间相吻合；高丽营地裂缝形成晚于唐山大地震，但其发育过程中经历日本岛大地震。

形变特征上，唐山大地震发震过程中双埠头村、大庞村一线受灾严重，受灾体形变特征表现为水平变形量为垂直变形量的1～2倍[10]。2011年日本岛大地震应力状态进行短暂释放，主要造成水平方向位移，垂直方向影响较小[7]。监测结果显示：地震发生时高丽营地裂缝水平拉张量为日平均变化速率的5 300倍，而垂直形变量仅为日平均变化速率的4.4倍。因此，受灾体破坏形式上宋庄地裂缝主形变特征与两侧地震造成的形变特征具有较好的一致性，高丽营地裂缝主形变为垂向错动，与地震造成瞬时最大形变量的形变特征不一致。

3.2 区域应力场及隐伏断裂

在太平洋板块俯冲和青藏块体向北运移的联合作用力影响下，华北平原处于近EW向的挤压应力场中。发育于北京平原的南苑—通县断裂及黄庄—高丽营断裂为NE向展布断裂，该断裂受近EW向构造应力场挤压作用，产生右旋扭动[11]。发育于两断裂上的宋庄地裂缝和高丽营地裂缝形变监测数据揭示：地裂缝呈现三维形变特征，其中水平形变除水平拉张外均兼有水平右旋形变，监测结果与区域应力场作用下的断裂形变结果一致，推测区域应力场是塑造地裂缝形态的重要影响因素，而断裂在其中扮演应力积累及传递角色。空间分布上，宋庄地裂缝集中发育于南苑—通县断裂上盘，与断裂走向一致。时间上，南苑—通县断裂最新活动时期为晚更新世，宋庄地裂缝发育于全新世地层中，与南苑—通县断裂无重接复合关系。形变特征上，宋庄地裂缝展现出主要的水平拉张特征，而南苑—通县断裂主要表现为垂向地层错动，二者有较大差别。

综上，构造应力场制约着地裂缝形态特征，是地裂缝发育中的主要影响因素。南苑—通县断裂控制着地裂缝发育范围，与地裂缝无重接复合关系，其在地裂缝发展全过程中扮演着应力传递及积累的角色。

空间分布上，高丽营地裂缝受灾体呈线性分布，地裂缝影响带范围较小，地裂缝走向与黄庄—高丽营断裂(北七家—高丽营段)走向一致。时间上，黄庄—高丽营断裂最新活动时期为全新世，高丽营地裂缝发育于全新世地层中，与黄庄—高丽营断裂存在重接复合关系。贾三满等[8]利用测年数据揭示地层为正向沉积，无地层倒转，排除了上述地裂缝由中间发育向上或向下扩展的假说，因此，高丽营地裂缝为黄庄—高丽营断裂延伸发育并于地表表现的结果。

监测数据揭示，两处地裂缝垂向错动为主要变形特征。空间上，黄庄—高丽营断裂为全新世活动断裂，错断方式表现为东南盘下降，西北盘上升呈正断层性质。从主要形变特征角度看，二者较为一致。表1显示，高丽营地裂缝最大垂直位错速率为9.82 mm/a(表1)，该值高出黄庄—高丽营断裂最活跃期滑动速率达65倍(表2)。如果断裂活动速率以地裂缝现今活动速率计，则全新世以来其垂直位错量应达98.2 m。而据上所述，黄庄—高丽营断裂(北七家—高丽营段)全新世垂向位错量仅为0.2 m，可见难以用断裂错动解释高丽营地裂缝带的现今活动量。

表1 高丽营地裂缝垂向形变监测结果

表2 黄庄—高丽营断裂第四纪分期活动特征[5]

综上，构造应力场制约着地裂缝形态特征，是地裂缝发育中的主要影响因素。高丽营地裂缝为黄庄—高丽断裂地表延伸结果，其活动性对该地裂缝发生发展具有一定影响，但并非主要贡献。

3.3 地下水动力

大量研究表明：地下水开采引起局部应力场变化形成地面沉降，是导致地裂缝形成的重要因素[12-13]。图6为2014年InSAR监测结果，解译结果通过水准和GPS单点检验，最大相关系数0.889。图6(c)显示，两地裂缝均发育于地面沉降漏斗边缘。图6(a)显示，由A到A’沉降速率呈现波动减小趋势，形变梯度位于正负之间。其中宋庄地裂缝发育于沉降速率陡变区及地表形变梯度大值区。图6(b)显示，由B到B’沉降速率呈现波动减小趋势，形变梯度位于正负之间。其中高丽营地裂缝发育于沉降速率陡变区及地表形变梯度大值区。空间上北京平原区地面沉降与地下水漏斗分布具有较好的一致性[12]，因此两地裂缝又同时发育在地下水漏斗边缘，推测地下水作用在一定程度上影响着地裂缝发育。

本节有关地下水对地裂缝形态塑造过程，分别从以下几点进行分析：①水位下降过程造成土层发生垂向形变，长期持续、集中开采地下水作用，导致地层发生由开采中心向外的差异压缩。在构造影响下沉降边缘处多发育于构造脆弱带[14]，拉应力在脆弱带传递并累积，最终超过土体抗拉强度，导致地层发生刚性反转[15]，在地表形成拉张破坏。②长期持续、集中开采地下水作用下，导致原有地下水流发生改变，水流向地下水降落漏斗中心运动，水力梯度增大，流速逐渐增大。水流对二元结构土层中松散的细颗粒产生冲刷作用，大量砂质细颗粒被带走，导致含水层形成大量空洞，形成拉张应力区，改变含水层原有应力状态[13]。③渗流作用下，使得原有含水层骨架产生明显的黏滞拖拽作用，发生水平方向压缩[16]。在Darcy-Gersevanov广义关系式基础上，结合体积渗透量关系、渗透力作用关系，获得式(1)。式(1)表示固体颗粒径向平均流速与渗透力及水力梯度关系，用于分析含水层中土体水平向压缩。

图6 地裂缝沿线地面沉降速率及形变特征分布图

(1)

式中：Vs——固体颗粒的径向平均流速；

Fb——单位体积内渗透力；

ρ——水的密度/(kg·m-3)；

g——重力加速度/(m·s-2)；

K——含水层电导率张量；

h——水头差/m;

r——渗流水度/m;

k——含水层渗透系数/(m·d-1)。

式(1)显示土颗粒水平运动速率受渗透系数、水力梯度影响，地下水系统具有复杂性，因此土颗粒产生差异化的水平运动速率。高丽营地裂缝GPS监测结果佐证了这一点(图7)，在差异化水平运动速率下，土层中形成张应力，张应力积累在地表薄弱处释放，导致地裂缝展现出线状拉张破坏特性。

图7 高丽营地裂缝GPS监测结果(2012年)

以上分析表明，地下水动力、隐伏断裂、地震及区域应力场分别在地裂缝发生、发展全过程中扮演着重要角色。而其所扮演的不同角色又造就了差异化的地裂缝形态特征。

宋庄地裂缝形态主要表现为水平拉张，该形态的形成经历应力积累与释放过程。在先存隐伏断裂环境下，区域应力场易于集中而产生地表薄弱带，地震形成的应力易沿此软弱带向上传递，到达地表后形成拉张型裂缝。区域应力场的挤压作用，导致隐伏断裂发生右旋扭动，不断向上传递至地表，但受土层厚度影响传递过程中应力逐渐消减严重，到达地表后对原有裂缝形态改变不大，此时地裂缝水平拉张较小且伴随着右旋扭动变形。长期持续、集中开采地下水作用下，导致地层发生由开采中心向外的差异压缩，在沉降边缘处地层发生刚性反转，拉张应力集中，该应力与渗流作用下土颗粒差异化水平运动形成的拉张应力叠加，导致原有地裂缝不断扩张并快速发育，此时水平拉张形变量加大，开始对墙体及路面产生大规模破坏。

高丽营地裂缝形态主要表现为垂向错动，该形态的形成经历以下应力积累与释放过程：先存断裂不断活动，通过多次应力积累释放过程，活动至地表形成裂缝，该裂缝继承了断裂主要性质，兼有垂向错动及右旋扭动变形特征。长期持续、集中开采地下水作用，导致地层发生由开采中心向外的差异压缩，在沉降边缘处地层发生刚性反转，拉张应力集中。该应力与渗流作用下土颗粒差异化水平运动形成的拉张应力叠加，对地裂缝形态进行塑造，此时地裂缝具有水平、垂向三维形变特征。黄庄—高丽营断裂为全新世活动断裂，其活动造成断裂两侧含水层发生错段，使得含水层与部分隔水层接触，改变原有含水层连通性。槽探及钻探结果揭示，断裂两侧地层中细颗粒黏性土等塑性物质含量相对较多，因此在断层两盘相对位移过程中，塑性物质被拖拽挤入并充填于断层带中，使断层具有阻水性能。断层的阻水性质阻断断层两侧的水力联系，使得断层两侧产生水位差(图8)。现场调查发现该地裂缝上盘一侧有大量村落，同时在村落中存在多个小型工厂(图1)，小范围开采地下水会不断加大水位差，最终引起差异沉降，但此时差异沉降仅在断裂两侧位移量最大，随着距离增大位移量逐渐减少。差异沉降与断裂活动量叠加，增大了垂向位移量，此时地裂缝具有垂向位移、水平拉张及右旋扭动的三维形变特征。

图8 高丽营地裂缝剖面信息及水位变化曲线

4 结论及建议

(1)宋庄地裂缝受灾体表现出明显的拉张变形，浅部近地表铅直纵向延伸，延伸深度较浅，剖面呈上宽下窄“喇叭”型，深部未与隐伏断裂重接复合；高丽营地裂缝受灾体表现为显著的垂向错动及剪切破坏，浅部由地表曲折纵向延伸，延伸深度较大且错开上下地层两盘，深部与隐伏断裂重接复合。

(2)宋庄地裂缝形态塑造过程中受地震、区域应力场、隐伏断裂及地下水动力多因素影响。地震应力作用于隐伏断裂造成拉张应力场集中，通过多次传递并释放在地表形成水平拉张裂缝雏形，长期持续、集中开采地下水，导致在渗流作用下的土颗粒差异化水平运动及沉降边缘处地层发生刚性反转造成的拉应力集中，为主要扩缝因素。该条件为水平拉张作用持续加大的主要原因。

(3)高丽营地裂缝形态塑造过程先存断裂不断活动，通过多次应力积累释放过程，活动至地表形成裂缝雏形，断层的阻水性质使得断层两侧产生水位差。小范围开采地下水会不断加大水位差，最终引起差异沉降，该条件为垂直位移作用持续加大的重要原因。此外，受区域应力场的改造作用，区域应力场影响下发育于NE向断裂上的地裂缝均伴有右旋扭动特征。

(4)宋庄地裂缝发育受地下水开采影响，对此类地裂缝防治应实施地下水减采、压采限采等方式。高丽营地裂缝发育受地下水开采及隐伏断裂双重影响，对此类地裂缝防治中除控制地下水位下降外，需实时监测隐伏断裂活动情况，建立有效的预警预报体系。

(5)本文研究成果仅定性揭示了北京平原区典型地裂缝形态特征及影响因素，建议开展大型物理模拟试验研究，更全面地分析地裂缝破坏扩展模式及变形机理，为地裂缝防灾减灾及预警预报提供理论基础。