隆尧地裂缝活动特征的定量分析*

常 江 马润勇 潘爱芳 王林清 万 阳 王志浩 孙长明

尚合欣①

(①长安大学地质工程与测绘学院， 西安 710054， 中国)(②长安大学地球科学与资源学院， 西安 710054， 中国)

0 引 言

地裂缝作为一种表生的地质灾害现象，相较于普通裂隙，具有发育规模大、形成时间短的特点(Carpenter， 1980)。在其形成和扩展过程中，破坏土体天然结构，并导致上覆建筑物开裂、道路变形、管道破坏等灾害，严重危及人居日常生活。随着20世纪90年代中国的经济与人类活动的快速发展，地下水开采量迅猛增加，汾渭盆地、华北平原、苏锡常地区相继出现区域性群发地裂缝(邓亚虹等， 2013； 李莎等， 2018； 赵龙等， 2018)。隆尧地裂缝是目前华北平原中发育规模大、活动强度高的地裂缝之一。早在20世纪60年代，隆尧地裂缝就在县城周围的村镇中零星分布(徐继山等， 2012)。2003年7月暴雨后，隆尧西店子村一带出现地面连续的地裂缝，其规模在随后几年随着降雨不断延伸扩大，至今已导致6个村子近300户村民不同程度受灾，地裂缝活动甚至导致部分房屋倾倒坍塌，路面损毁(图1)，其中西店子小学由于地面差异沉降甚至全部废弃。

图1 隆尧地裂缝灾害Fig.1 Disasters caused by Longyao ground fissure

隆尧地裂缝发展态势逐年增强，并受到学者们的广泛关注。许多专家和学者对隆尧地裂缝的成因机制进行了一系列研究，以期为当地的防灾减灾工作提供建议。孙党升等(2008)认为隆尧地裂缝是由于断裂活动导致隐伏地裂缝发育，在地表水诱导下开裂； 马润勇(2009)通过对隆尧地裂缝进行构造应力场数值模拟，得出隆尧地裂缝为隆尧断裂活动为主的最新地表响应，属于构造型地裂缝； 宋伟等(2011)也认为地裂缝是由断层蠕滑活动形成； Peng et al.(2016)结合地调、钻探、探槽和地震勘探等多种手段，提出了在区域拉张环境下受地震控制并最终由地下水过量抽取诱发的成因机制。Yang et al.(2018)借助遥感技术对隆尧地裂缝及其周围环境展开了评估，并指出了地下水超采在地裂缝形成中起到至关重要的作用。以上虽然对隆尧地裂缝成因机制的定性研究取得不菲成果，但是缺少针对隆尧地裂缝的活动规律尤其是水平拉张、走滑剪切和垂直位错的活动速率的定量分析，且这项研究可以给地裂缝沿线建筑工程的灾害防治提供更实际的依据。

目前对地裂缝活动特征主要依靠跨地裂缝上覆建筑的变形破坏特征与地面形变监测来确定(赵超英等， 2011； 徐继山等， 2012； 曹建玲等， 2015)。由于隆尧地裂缝具有三维运动特征，加之地基和浅地表土层的联合作用，并存在人工修补或支挡等各种因素影响，因此建筑物的破坏形式并不一定能真实反映出地裂缝实际的运动特征及活动量参数。因此，本文通过调查工作中开挖的大型探槽剖面，确定隆尧地裂缝的三维活动量，并结合光释光测年数据分别对该地裂缝水平走滑、拉张、垂直3个方向的活动速率进行详细的定量分析。

1 区域地质背景

隆尧地处太行山前冲洪堆积平原。受太平洋板块的影响，该区构造应力场的主压应力方向为N72°E； 同时在太平洋板块挤压作用下，地幔内高温、低波速的熔融或半熔融物质上涌至地壳，导致地壳受拉变薄，并表现出北西—南东向的拉张应力场特征，为隆尧断裂的活动和上部地裂缝的形成提供了区域拉张的环境。隆尧在大地构造单元上处于临清坳陷和宁晋—衡水断凹交接处，该区构造单元均呈北东向展布，为中生代与新生代复合型盆地(徐常芳， 2003)。

研究区内新构造活动强烈，发育隆尧南断裂、南王店断裂、永福庄断裂、牛家桥—邢家湾断裂、毛儿寨—汉口断裂等第四系活动断裂，以及少数第三系活动断裂如大宁铺断裂(杨理华等， 1980)。其中：隆尧地裂缝的发育受控于隆尧南断裂(EW)和牛家桥—邢家湾(N20°E)断裂，断裂在区域构造应力场的作用下处于不同的运动状态。当断裂走向小于主压应力方向(N72°E)时为顺扭，大于这个方位时为反扭(图2)。

图2 隆尧区域构造及地裂缝分布图Fig.2 Geological setting of Longyao

从地层条件分析，平原内第四系地层厚度可达250～500m，土体以砂土和轻亚黏土为主，约占研究区的3/5(陈望和等， 1987)。这类较厚且较软弱的第四系盖层，为其下隐伏断裂的致裂应力传递、释放提供了良好的条件，因此该区地裂缝能很好地继承其下隐伏断裂的活动特征。

2 隆尧地裂缝发育特征

2.1 平面发育分布特征

隆尧地裂缝西起周张庄，向东依此经南小河、虎中、柏舍、西店子、东店马、开河、马兰、西清湾至毛尔寨，横跨澧河、小漳河，平面上呈折线状分布，总长约35km并分为东西两段(图3)。

图3 隆尧地裂缝平面发育分布图Fig.3 Distribution of the Longyao ground fissure

西段地裂缝全长约17.7km，走向与隆尧南断裂基本一致。该段地裂缝自1966年邢台地震后持续活动，导致村民房屋和公路破坏严重。其中：周村房屋墙体最大开裂宽度可达10cm，水平走向位错可达5cm，垂向错距可达8cm； 西店子村受灾房屋达30余户，墙体最大开裂宽度20cm，最大水平走向位错10cm，垂直错距达20cm。该段地裂缝房屋破裂和路面错断的水平错动方向以左旋运动为主。

东段地裂缝全长约15.3km，走向与牛家桥—邢家湾断裂(N20°E)一致。该段地裂缝活动性较弱且主要发育在田地间，裂缝途径地段的路面破坏较为明显，路面水平走向错距可达2cm，路面差异沉降的高差达8cm，路面破碎带宽度可达2m，此段地裂缝对应的路面破裂的水平错动方向以右旋为主。

隆尧地裂缝平面分布特征表现为：(1)分段性。各段裂缝活动强度、延伸方向、影响范围、致灾规模均不同； (2)三维运动。地面破坏兼具拉张、水平位错、垂直沉降； (3)活动强度的间歇性。其中地裂缝在2000年以后最为活跃，遇强降雨或地下水大量抽取后活动加剧(Peng et al.， 2016)。

2.2 剖面结构特征

根据西段地裂缝探槽(TC1)剖面图显示(图4)，主裂缝(f1)的下盘发育一条次级裂缝(f2)，两者间距2～3m。主裂缝近地表2 m深处被杂填土充填，且拉张量可达1m； 次级裂缝填充较少且近地表拉张量仅0.3m。主裂缝垂直错动最大可达0.5m，且错动量随深度增加而增大，次级裂缝错距可达0.2m。

图4 隆尧地裂缝探槽揭露剖面图Fig.4 Trench of Longyao ground fissure

而TC2探槽剖面显示，东段地裂缝近地表铅直、曲折纵向向下延伸，裂缝填充物以杂填土和粉土为主，近地表拉张宽度为0.3m，上盘分布羽状次级裂缝，错动量小且未贯通至地表。主裂缝垂直错距随深度增加而增大，最大可达0.4m。

隆尧地裂缝剖面结构具有以下特性：(1)错距上小下大。地裂缝各向活动量随深度增加，说明隐伏断裂对地裂缝的发育起到控制作用； (2)东西段活动具差异性。西段裂缝活动量大于东段，且次级裂缝发育明显，甚至贯通至地面； (3)地层沉积均匀，隆尧地裂缝处于中生代和新生代大型湖盆中，沉积物厚度从盆地内向边缘逐渐减薄(徐继山等， 2012)。因此宏观沉积厚度具有一定差异，但在局部地段，同一层位地层厚度变化具有相对线性稳定性变化特征，产状也具有同一性。因此裂缝两侧地层厚度的差异与地裂缝的运动特征有着密切的关系。

3 地裂缝活动特征的定量分析

隆尧地裂缝活动强烈，且具拉张、水平走滑及垂直运动三维运动。准确判断各向活动分量可以为地裂缝及其影响范围内构建筑物的防灾减灾提供合理建议。对于地裂缝两侧近乎水平沉积的地层，探槽剖面所揭露的垂直错距即为地裂缝真实的垂直活动量。但实际中，地层不会完全水平，地裂缝两侧地层运动后在剖面上显示的错动量并非真实错距。如图5所示，地裂缝两侧具有一定倾角的土体在垂直位错和水平走滑的共同作用下，其剖面显示的垂直位错量y并不能反应地裂缝的真实活动，而考虑了水平活动导致的厚度变化量的x为地裂缝活动的实际垂直位错。

图5 地裂缝两侧地层活动示意图Fig.5 Movements of strata of both sides of ground fissure

实地探槽开挖的剖面显示，隆尧地区地层沉积均匀，探槽两壁多数地层厚度有明显差异。可以借助倾斜地层的错动量，通过探槽剖面揭露的地层厚度差异分析，明确地裂缝在发育活动过程中各分量的具体数值，并根据光释光测年结果推算地裂缝在一段时期内的几何分量活动速率，为地裂缝的发育和成因分析提供更为可靠的支持。

3.1 地裂缝各向活动分量分析

地裂缝在活动过程中，水平错动和垂直沉降同时发生，剖面上同一地层在裂缝两侧的高差包含了垂直错动和水平错动导致的竖向地层厚度变化两个部分。如图6所示，以向水平面以下倾斜的地层为例展开分析。假定在探槽范围内地层原始层厚为b、a，探槽宽度H这一局部范围内局部地层倾角为θ，当水平、垂直位错同时发生时，地裂缝活动前地层厚度为b，错动后揭露厚度为c，探槽剖面上显示的地层错距为Δ2。

图6 地裂缝两侧地层错动示意图Fig.6 Stratum dislocation on both sides of ground fissure

地层沉积倾角可以由两侧地层厚度表示：

(1)

此时探槽剖面揭露的错距Δ2由垂直差异沉降Dh和倾斜地层走滑剪切时所导致的竖向位错Δ1两部分组成，地裂缝活动时实际垂直差异沉降量为：

Dh=Δ2-Δ1

(2)

走滑剪切的水平位移由地层倾角和竖向位错Δ1计算出：

(3)

当地层上下界面均倾斜而不能直接依靠探槽两侧宽度计算出倾角时，可以借助水平仪等设备直接测量出所计算地层斜面的倾角θ； 而对于向水平面以上倾斜的地层而言，由于方向不同，计算地裂缝两侧地层实际垂向错距为探槽剖面揭露的错距Δ2和倾斜地层走滑剪切时所导致的竖向位错Δ1之和，即

Dh=Δ2+Δ1

(4)

(5)

根据两段地裂缝开挖探槽剖面所得地层在裂缝两侧及两壁厚度，计算各典型地层的水平(Dx)、垂直(Dh)以及拉张(Dz)活动量。西段裂缝错动距离见表1，经过分解后的竖向位错小于剖面上的层间错动Δ2。其中：拉张量在近地表2 m范围内最大， 5m深处拉张距离增大为11.5cm，其余深度拉张不明显； 水平错动量较小， 4.5m深粉土层有相比较明显的错动； 垂直错动量在3～4m间的粉砂和黏土层较大，可达50cm，其余地层垂直错距均在20～40cm间。

表1 TC1探槽各层各向错动距离Table1 Displacement distance of Trench 1

表2 TC2探槽各层各向错动距离Table2 Displacement distance of Trench 2

东段地裂缝错距如表2。其中：近地表粉土层拉张20cm，水平位错2.66cm，竖向错动32.32cm； 深度1.8m粉质黏土层各向错动量均较小，拉张8cm，水平位移0.87cm，竖向错动20.13cm，深度3.5m的粉质黏土层活动量均大于浅层粉质黏土； 而5m的深层黏土错动量均较小，拉张量9cm，水平位错0.99cm，竖向错动仅13.66cm。

隆尧地裂缝东、西两段活动量特征基本一致，竖向错动量较大，伴有水平位错和拉张位移。在浅地表5m范围以内地裂缝活动量受灌溉入渗导致的沉降作用影响下，各向错距反而明显较大。

3.2 地裂缝活动速率

为了分析地裂缝的活动速率，在东、西两个探槽中对完整性好的代表地层的顶部进行取样。在室内进行光释光测年以确定沉积物上一次曝光事件年代，其测年范围在万年以上，精度5%～10%。以光束照射矿物颗粒使累积的辐射能以光的形式被激发出来，累积的等效剂量除以年剂量率，即是矿物颗粒最后一次曝光之后接受辐照的时间长度，也即埋藏至今的年代。(赖忠平等， 2013)。

两个探槽的代表性地层进行光释光测年结果如表3。以两个相邻地层顶部取样点之间的年代差作为该地层沉积总时长，并根据剪切走滑、垂直位错及水平拉张量估算地裂缝在不同深度的平均活动速率(图7a、图7b)，可以分析隆尧两段地裂缝在不同时段的活动速率特征，结果如下。

图7 隆尧地裂缝地层各向错动活动速率图Fig.7 Slip rates of Longyao ground fissurea.西段裂缝TC01； b.东段地裂缝TC02； c.活动速率与地层年龄变化

表3 探槽地层光释光测年结果Table3 Stratigraphic photoluminescence dating results

对比隆尧地裂缝东西两段各自活动速率发现，西段地裂缝各时期各向活动速率均大于东段，符合目前隆尧西段地裂缝活动性较高的特点； 3个方向活动速率大小关系为：垂直差异沉降速率最大，剪切走滑速率次之，拉张开裂速率最小； 近地表范围错动破裂明显，活动速率远大于深层土层； 根据活动速率随年龄变化趋势(图7c)，自8kaiB.P.至今，地裂缝活动速率逐渐增高； 且有多个加速活动期，与历史记载的地震有关。根据中国地震历史资料，推测0.5 kaiB.P.的突变与1966年邢台7.2地震有关； 1kaiB.P.的速率骤升是不仅与1882年深县6级地震有关，还与1883～1898年间华北地区长期处于降水丰沛阶段有关(张庆云， 1999); 而3.5～3.8 kaiB.P.也出现活动速率抬升，则推测与未记录的古地震等因素有关。

4 结论与讨论

为了查明河北隆尧地裂缝活动特征，本文结合探槽和光释光实验，取得以下主要结论：

(1)隆尧地裂缝平面展布特征为：东西分段且发育规模差异，剪切走滑、垂直错动、水平拉张三维运动特征明显，随强降雨地下水活动呈间歇性发育。剖面结构特征：活动量随深度增加，活动强度东弱西强，地层沉积较均匀。

(2)由于隆尧平原地区地层沉积均匀，再自身具有倾斜角度的局部范围内，地裂缝剖面上的竖向错距由垂直差异沉降和走滑剪切导致竖向厚度变化两个分量组成，因此根据地层错动关系，计算隆尧地裂缝活动时垂直沉降量、剪切走滑量及水平拉张量，得到最接近地裂缝活动的真实参数，以反映地裂缝的三维运动特征。

(3)结合光释光测年计算各时期地层各分量的活动速率，其特征为：隆尧西段地裂缝活动速率明显大于东段地裂缝； 地裂缝各时期垂直差异沉降速率最大，走滑剪切速率次之，拉张活动速率最小； 从8ka B.P.至今，隆尧地裂缝各向错动速率不断上升，表明自全新世以来地裂缝持续活动且强度不断增高，并且多次出现活动速率的骤升期。表明隐伏的全新世隆尧南断裂和牛家桥—刑家湾断裂一直控制着地裂缝的发育。

这种借助探槽剖面来计算地裂缝两盘土体各向位移分量的方法可以为实际工程提供一定帮助。尤其对隆尧地裂缝这一条各向活动量均突出的典型大规模地裂缝而言，活动特征的准确定量分析是防灾减灾的基础。本文受测年工作量的限制仅初步估算了隆尧地裂缝各时期的平均活动速率，更高密度的采样分析可以获得更精确的地裂缝活动速率。