西安地裂缝活动特征的自动监测及其影响因素分析

强 菲，张红强，李 勇，卢全中，陶 虹，袁喜东

（1.自然资源部陕西西安地裂缝与地面沉降野外科学观测研究站，陕西•西安 710054；2.陕西省地质环境监测总站（陕西省地质灾害中心），陕西•西安 710054；3.长安大学地质工程与测绘学院，陕西•西安 710054；4.陕西省地质调查院，陕西•西安 710054）

地裂缝是西安显著的地质灾害之一，危害之严重举世瞩目。西安城区共发育地裂缝12 条，平行等间距排列，间距约1～1.5 km，总长约200 km，走向NEE[1-4]。在西安城区和近郊区，出露有总长约55 km 的具有显著垂直变形的地裂缝。西安地裂缝受南部临潼-长安断裂构造活动控制，现今的活动除了构造因素之外，还存在过量抽汲承压水对它的诱发影响。承压水位的大幅度下降在地裂缝发育的某一阶段，加速、激化地裂缝的发展。西安地裂缝监测始于1976 年，监测方式以水准测量为主，监测地裂缝两盘的地表相对垂直变形量。由于地裂缝的活动兼具水平拉张、水平扭动和垂直变形的三维特征[5]，因此采用一种有效的精确的监测仪器获取其三维活动特征非常关键。MD 系列断层活动测量仪由原中国地震局地壳应力研究所研发，包括DSJ 型水平变形测量仪和YSL 型垂直变形测量仪，多用于断裂带三维活动监测，目前已在多地使用。张毅光等[6]采用DSJ 型水平变形测量仪观测了新疆断裂活动。李杰等[7-8]采用短水准（或短基线）和断层仪，对山东安丘形变观测场地跨同一断裂分别进行了垂直形变量和水平形变量观测，并对其结果进行了对比分析研究。张鸿旭等[9-11]等应用MD 系列断层活动测量仪对大型水电工程进行了岩体原位变形监测。上述断层仪为断裂活动和岩土工程变形观测提供了一种有效手段，均取得了较丰富连续可靠的观测数据和研究成果。

地裂缝活动特征类似于活动断层。李秀英[12]采用三维断层活动测量仪测量山西大同市同车公司地裂缝，得出地裂缝垂直活动变化是热形变效应和地裂缝运动信息的综合反映，可以采用断层仪进行地裂缝的三维活动监测。但大多数地裂缝的活动强度随地下水抽取或强降雨具有间歇性特点[13-15]，又表现为与断层具有明显不同的特点。为此，在进行地裂缝三维活动监测的同时，开展其活动特征及影响因素的分析，对于掌握和揭示地裂缝活动规律和成因机理具有重要的意义。

西安自2002 年引入MD 系列断层活动测量仪，实现了对地裂缝垂直位错、水平拉张和水平扭动的三维活动实时监测，积累了非常宝贵的监测数据。本文基于MD 系列断层活动测量仪对西安f7 地裂缝东段常年监测获得的三维变形数据，研究其活动特征和变化规律，分析其与地下水位变化及降雨量之间的关系，为地裂缝活动预测和机理分析提供科学依据。

1 西安地裂缝三维活动监测

西安地裂缝三维活动监测始于2002 年2 月，监测点位于西影路西安工程技术学校，采用的是MD 系列断层活动测量仪，用于监测活动较为强烈的f7 地裂缝东段的三维活动变化（图1）。该MD 系列断层活动测量仪包含DSJ型水平变形测量仪二台、YSL型垂直变形测量仪一台，分别跨f7地裂缝布设，测点位于地裂缝主变形带内（图2）。该处f7 地裂缝走向NE55°，在与地裂缝夹角30°的方向上布置一台斜交MD4281 型水平扭动变形测量仪（DSJ），在与地裂缝垂直的方向上布置另一台正交MD4281 型水平拉张变形测量仪（DSJ）和一台MD4482 型垂直变形测量仪（YSL）。三台测量仪分别对地裂缝水平扭动量、水平拉张量及两盘垂直相对沉降量进行观测，仪器采用自动记录，一周一次人工换纸，其图纸曲线可以实时描述地裂缝的运动轨迹，测量精度达0.001 mm，至今运转正常。三台测量仪的功能原理、技术参数和技术特点等见表1。

表1 MD 系列仪器功能原理、技术参数和技术特点Table 1 Function principle, technical parameters and technical characteristics of MD series instrument

图1 仪器监测站所在地裂缝位置Fig.1 Location of instrument monitoring station

图2 三维监测原理示意图Fig.2 Schematic diagram of 3D monitoring principle

2 监测结果

根据地裂缝三维变形监测数据，得到该地裂缝2002年2 月至2020 年12 月历年活动变化特征和累计活动变化特征。

2.1 历年活动变化特征

监测结果显示（图3），地裂缝水平变形（水平拉张、水平扭动）和垂直变形历年相对活动呈波动变化，其中2002—2003 年的水平拉张和垂直相对活动量较后期明显较大，根据其他地区MD 系列断层活动测量仪接收数据情况，前两年会有因仪器自身建设产生数据失真的可能。垂直活动量历年活动平均值为-0.001 mm，最大值为1.152 mm，出现在2018 年2 月，最小值为-1.236 mm，出现在2018 年9 月；水平拉张活动量历年活动平均值为0.042 mm，最大值为0.764 mm，出现在2003 年8 月，最小值为-0.402 mm，出现在2003 年12 月；水平扭动活动量历年活动平均值为-0.04 mm，最大值为0.345 mm，出现在2003 年8 月，最小值为-0.869 mm，出现在2003 年10 月。监测结果显示：垂直活动量、水平拉张活动量、水平扭动活动量，三者的平均变化值比例为1:42:40。在垂直方向上，地裂缝上盘相对下降，但下降趋势不明显，在水平方向上，具有明显的水平挤压和水平右旋特点。在三维活动量中，水平拉张活动量最大，水平扭动活动量次之，垂直活动量最小。

图3 地裂缝历年活动变化曲线Fig.3 Activity curve of ground fissure over the years

历年年平均活动变化曲线显示（图4），2002 至2020 年期间，垂直活动量、水平拉张活动量和水平扭动活动量平均值呈波动变化，但呈逐年减小趋势。截止2020 年，地裂缝三维活动趋于停止。

图4 地裂缝历年平均活动变化曲线Fig.4 Average activity curve of ground fissure over the years

地裂缝年度活动变化曲线显示（图5）：地裂缝活动发展变化具有年度周期性规律。水平拉张方向每年1—5月份处于相对稳定状态，每年6—12 月份处于相对活跃期，总体趋势为相对拉张转相对挤压（图5a）；水平扭动方向1—4 月份处于相对稳定状态，每年5—9 月份处于相对活跃期，以7—9 月份最为活跃，这与西安降雨量集中在7—9 月相一致，10—12 月份回归相对稳定状态（图5b）；垂直方向上，每年1 月份处于相对稳定状态，2—10 月处于相对活跃期，总体趋势为上盘由相对上升转相对下降（图5c）。地裂缝动态变化特征说明地裂缝的活动受降雨及其它因素影响，并与其具有相关性。

图5 地裂缝活动年度变化对比曲线Fig.5 Comparison curves of annual variation of ground fissure activity

2.2 累计活动变化特征

监测结果显示（图6），2002 年2 月至2020 年12 月近19 年来的垂直方向累计变形量为-0.228 mm，水平拉张方向的累计变形量达9.63 mm，水平扭动方向的累计变形量达-9.10 mm，三者的比例为1:15.8:14.9。总体趋势为：在垂直方向上，地裂缝上盘相对下降，在水平方向上，具有明显的水平挤压和水平右旋特点。这与历年活动变化相一致。

图6 地裂缝累计活动变化曲线Fig.6 Cumulative activity curve of ground fissure

3 地裂缝三维活动阶段特征

由图6 可见，该处地裂缝在不同时间段呈现出不同的运动轨迹和活动特征[16-18]，地裂缝活动依据速率快慢程度大致可分为6 个阶段：

（1）活跃期（2002 年2 月至2003 年8 月）：该阶段地裂缝以垂直活动为主。垂直累计年活动速率达到最大值为5.064 mm/a，垂直累计活动量随时间呈迅速增加趋势，表现为上盘相对上升；水平拉张活动量与水平扭动活动量均达到年度最大值。水平拉张累计年活动速率为1.305 mm/a，水平拉张累计活动量随时间呈缓慢增加趋势，表现为相对挤压；水平扭动累计年活动速率为1.386 mm/a，水平扭动累计活动量随时间呈逐渐增加趋势，表现为相对右旋。

（2）较活跃期（2003 年9 月至2005 年9 月）：该阶段地裂缝以水平扭动活动为主，伴有一定幅度的回弹。垂直累计年活动速率为1.02 mm/a，垂直累计活动量随时间呈逐渐减小趋势，表现为上盘相对下降下盘回弹；水平拉张累计年活动速率为0.137 mm/a，水平拉张累计活动量总体变化较小，表现为挤压状态回弹；水平扭动累计年活动速率达到最大值为3.207 mm/a，水平扭动累计活动量随时间呈迅速增加趋势，表现为持续相对右旋。

（3）较稳定期（2005 年10 月至2008 年12 月）：该阶段地裂缝以水平拉张活动为主。垂直累计年活动速率为0.412 mm/a，垂直累计活动量随时间呈波动趋势，总体变化较小；水平拉张累计年活动速率为1.09 mm/a，水平拉张累计活动量随时间缓慢增加，逐渐趋于垂直累计活动量，表现为持续相对挤压；水平扭动累计年活动速率达到最大值为0.543 mm/a，水平扭动累计活动量随时间呈缓慢增加趋势，表现为持续相对右旋。

（4）基本稳定期（2009 年1 月至2011 年6 月），该阶段地裂缝三维活动速率均较低，基本趋于稳定。垂直累计年活动速率为0.461 mm/a，水平拉张累计年活动速率为0.448 mm/a，水平扭动累计年活动速率为0.451 mm/a，垂直累计活动量、水平拉张累计活动量与水平扭动累计活动量总体变化较小。

（5）回弹期（2011 年7 月至2016 年12 月）：该阶段地裂缝以垂直回弹活动为主。垂直累计年活动速率为0.936 mm/a，垂直累计活动量随时间呈逐渐减小趋势，表现为下盘持续回弹至最初状态；水平拉张累计年活动速率为0.586 mm/a，水平拉张累计活动量随时间缓慢增加，表现为持续相对挤压；水平扭动累计年活动速率为0.286 mm/a，水平扭动累计活动量随时间呈缓慢减小趋势，表现为右旋转变为左旋，但总体变化较小。

（6）稳定期（2017 年1 月至2020 年12 月）：该阶段地裂缝三维活动速率接近于0，趋于稳定。垂直累计年活动速率为0.009 mm/a，垂直累计活动量趋于稳定，基本停止回弹；水平扭动累计年活动速率为0.246 mm/a，表现为相对挤压，但总体趋于稳定；水平扭动累计年活动速率为0.038 mm/a，水平扭动累计活动量趋于稳定。

4 监测方法对比及影响因素分析

4.1 地下水位影响分析

地下水开采是地裂缝活动的诱发因素[19-24]。地下水开采引起的水位变化主要影响地裂缝垂直方向的变形。西安工程技术学校附近的承压水井#529-1 位于监测站东侧约100 m，监测承压含水层深度范围为180～260 m，其水位监测数据与地裂缝垂直累计活动量数据进行对比分析（图7），结果显示，2006 年至2020 年，#529-1 的地下水水位呈持续上升趋势，对应该阶段地裂缝垂直活动由较稳定期开始转入回弹状态后停止回弹。这与2000 年后西安市逐步关停自备井，地下水开采量逐年减少有关。承压水水位普遍上升，减少了地裂缝活动的诱发因素，地裂缝垂直活动趋于减缓。因此，该区地下水水位与地裂缝垂直变形密切关联。

图7 地裂缝垂直累计活动与地下水水位关系曲线Fig.7 Relation curves between vertical cumulative activity of ground fissure and groundwater level

4.2 降雨影响分析

将地裂缝历年活动与历年降雨量进行对比分析（图8），利用SPSS 软件中的斯皮尔曼模型分析两者之间的相关关系，水平拉张相关系数为0.455，垂直活动相关系数为-0.84，水平扭动相关系数为0.257。结果显示，历年降雨量与地裂缝垂直活动相关程度最高，存在较好的负相关性；水平拉张次之，与水平扭动的相关程度较低。降雨量主要影响地裂缝垂直变形活动。

图8 地裂缝历年活动量与降雨量关系曲线Fig.8 Relation curves between rainfall and activities of ground fissure over the years

5 结语

西安f7 地裂缝东段采用MD 断层活动测量仪进行三维活动监测可实现监测的实时性和准确性，可有效支撑地裂缝防治工作。监测结果显示：

（1）西安地裂缝自2002 年以来，其活动特征以水平拉张为主，水平扭动次之，垂直活动最弱；地裂缝上盘相对下降，并具明显水平挤压和水平右旋特点。地裂缝活动呈逐年减小趋势并趋于停止，受降雨及其它因素影响呈周期性变化特征。地裂缝活动可分为活跃期、较活跃期、较稳定期、基本稳定期、回弹期和稳定期六个阶段。

（2）地裂缝垂直活动受承压水水位影响，承压水水位上升，其活动趋于减缓。降雨量主要影响地裂缝垂直变形活动。