山西稷山县杨家庄地裂缝成因机理研究

2015-03-17文海光张绍宝

铁道勘察 2015年1期

关键词：云山临汾盆地

文海光　张绍宝

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251；2.天津二十冶建设有限公司，天津　300301)

The Study on the Formation Mechanism of Yangjiazhuang Ground Fissure in Jishan County， Shanxi Province

WEN Hai-guang　ZHANG Shao-bao

山西稷山县杨家庄地裂缝成因机理研究

文海光1张绍宝2

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300251；2.天津二十冶建设有限公司，天津300301)

The Study on the Formation Mechanism of Yangjiazhuang Ground Fissure in Jishan County， Shanxi Province

WEN Hai-guangZHANG Shao-bao

摘要临汾盆地是地裂缝多发区，这些地裂缝规模大、破坏性强，严重影响着该地区工农业生产和居民日常生活，并严重威胁着工程建设安全。正确认识地裂缝成因机理，对该地区经济发展及工程建设规划有着重要的指导意义，并可为该地区地裂缝灾害的减灾防灾提供科学依据。以杨家庄地裂缝为例，通过调绘、槽探、物探等手段分析总结其发展规律，认为构造断裂活动控制着该地裂缝的产生、发展，而地下水的过量开采和渗透又对地裂缝起到了一定的诱发和加剧作用。

关键词地裂缝临汾盆地发育特征；成因机理

1地裂缝概况

1.1　地裂缝区基本地质情况

杨家庄地裂缝位于山西省稷山县杨家庄村东吕梁山前，地貌上属于临汾盆地西南侧盆地与山区交界带。

临汾盆地地裂缝灾害多发，最早出现于20世纪70年代，之后盆地内多处构造单元相继出现了不同规模的地裂缝现象。裂缝所经之处，田地损毁，房屋开裂，道路及管道等设施均遭到破坏，严重影响当地居民的正常生活与经济建设发展[1-2]。大同—西安高速铁路穿越临汾盆地，穿越数条地裂缝，其建设安全受到严重威胁。据统计，临汾盆地共发现地裂缝70余条，造成数百万元的经济损失[3-4]。在这些地裂缝中，以杨家庄地裂缝为代表的盆地西侧地裂缝规模最大，危害最为严重。据调查，杨家庄地裂缝于1990年左右出现于山前农田中，之后不断延伸发展，由开始的地表细微开裂逐渐伸长变宽，严重损坏了沿线农田和房屋。

1.2　杨家庄地裂缝发育特征

(1)平面特征

杨家庄地裂缝自出现后，便不断延伸发展，至今发展总长度约2.5 km，自杨家庄村东起沿走向NE90°～110°延伸1.5 km，之后走向发生偏转，沿NE55°继续延伸1 km。该地裂缝在地表处水平张开量较大，为0.1～1.5 m，开裂深度深浅不一，浅处约5～10 cm，深处达数米。此外，地裂缝上下盘有较明显竖直位错，上盘下降，下降深度最大达1.6 m。该裂缝自出现以来便一直间断活动，强降雨后活动规模较大，损坏大片农田。

(2)剖面特征

为了揭示地裂缝剖面特征，在杨家庄地裂缝中段进行了槽探工作。探槽长约40 m，宽8 m，深7～9 m。探槽揭示的地裂缝剖面显示，该处地层物质成分杂乱，分布较多砂砾石层、块石层等，部分砾石、砂、粉土等混积在一起，磨圆度低，分选性差，为山上冲洪积而成。

以探槽东壁揭示的地裂缝剖面特征为例，探槽范围内自北向南共发育f1、f2、f3三条地裂缝，剖面形态如图1所示，裂缝具体描述见表1。

探槽显示的3条裂缝近平行排列，走向与罗云山(属吕梁山脉)断裂一致，南倾，裂缝两盘有明显竖直位错，上盘(南侧一盘)下降，且竖直位错量随深度的增加而增大。该地裂缝的水平张开和竖直位错量如此之大，说明该地裂缝为深部断层向上的延伸。

图1　探槽东壁剖面

裂缝名称裂缝性质产状描述f1主裂缝倾向200°,倾角60°~78°地表有明显出露,走向110°,向下贯通到槽底。两盘竖直位错约30cm;地表张开量约20cm,向下逐渐减小,至槽底处约10cm,倾角上陡下缓。裂缝向下穿过层②灰褐色粗砂砾石层,致使该层上下盘竖直错动40cm,南侧下降,水平张开约15cm;再向下穿过层⑤2粗砂砾石层,致使该层上下盘竖直错动1.25m,然后向下延伸至槽底f2次级裂缝倾向200°,倾角76°~90°位于f1以南4.4m处,地表有明显出露,走向110°,倾角上陡下缓,向下贯通到槽底。地表水平张开约15cm,向下逐渐减小,地表无明显竖直位错,地面以下裂缝两侧出现竖直位错。裂缝向下穿过层②灰褐色粗砂砾石层,使该层裂缝两盘竖直位错30cm,南侧下降,水平张开约10cm。然后向下延伸至探槽底部,在槽底以上2m范围内f2南侧发育有两条次级断裂,并将层⑦含碎石粉土错动两次,两次错距分别为90cm和60cm,共1.5m,也将层⑧粗砂层竖直错动60cmf3次级裂缝倾角近90°位于f2以南5.2m处,地表无出露,竖直向下延伸2.5m,近竖直,水平张开量约15cm

图2　杨家庄地裂缝折射CT反演速度剖面

为了探索与查明构造断裂及该地裂缝的地下发展特征，在垂直于该地裂缝的方向布置地震测线。通过地震探测，得出该测线的折射CT反演速度剖面(如图2)，由图2可以看出，该剖面地层速度纵向递变明显，横向受地表基岩出露的影响，局部有高速异常，表明此处为基岩和第四纪沉积物的分界。该测线范围内在近地表发育13条地裂缝，其中最右侧裂缝FDZ6-13为地表出露的杨家庄地裂缝，其余裂缝为该主裂缝上盘影响带内的次级裂缝。

根据地震测线勘探解译结果，推测杨家庄地裂缝下伏基岩内发育有一条断距较大的断层，走向由东西向渐变至北东向，沿山前发育，倾向由南渐变至南东向，断层上盘下降，属正断层。这与罗云山断裂资料相吻合，即该断裂为罗云山断裂，并在断层上盘发育数条次级断裂。

槽探、物探手段较好地揭示了地裂缝的剖面形态特征以及该地裂缝与下伏构造断裂的关系。勘探及分析研究成果表明，裂缝均为张性开裂，张开量上宽下窄，竖直方向上明显错断两侧地层，上盘下降，且位错量随深度的增加而增大，反映了地裂缝的构造特性。杨家庄地裂缝规模大、破坏重，产状与断层产状基本一致，为罗云山断裂活动的地表露头。

2地裂缝的孕灾条件

杨家庄地裂缝的孕灾条件可分为自然条件和人为条件两大类。

2.1　自然条件

(1)构造断裂

杨家庄地裂缝位于罗云山断裂带的范家庄-西硙口段。罗云山断裂为正断裂，倾向南东，倾角70°～80°，是临汾盆地西侧主要活动断裂，全长约145 km。该构造断裂新生代以来活动强烈，向上延伸到地表，必然会引起地表裂缝的产生。

(2)降水

该区降雨较少，近十年平均年降雨量483 mm，但多集中在5～9月。降雨下渗土体后，动水压力潜蚀土层，令土层结构变得松散，使上覆拉张应力集中，从而导致地表开裂并不断发展，最终形成地裂缝。通过调查，发现杨家庄地裂缝的发生发展活动多出现在大雨过后。

2.2　人为条件

近年来临汾盆地经济发展较快，用水量增加，且年降水量有所减少，地下水就成为工农业生产及生活用水的主要来源，使得地下水的开采量不断增加，地下水位下降。过量开采地下水会使土层中产生一个降水漏斗，在该降水漏斗范围内，随着孔隙水的排出，孔隙水压力减小，土体内有效应力增大，从而压缩了土体的体积，使土体产生固结变形，延伸到地面便形成地面沉降，降水漏斗范围内外的差异沉降在地表就形成了地裂缝。

3地裂缝成因分析

综上所述，杨家庄地裂缝的发生发展主要受控于下伏构造断裂，而渗透作用及过量开采地下水又在发育程度及时间、空间上对地裂缝产生一定程度的影响。根据对该地裂缝的分布规律、发育特征的分析发现，杨家庄地裂缝水平开裂宽度大，竖直位错深，延续性好，且向与罗云山断裂一致。在杨家庄地裂缝形成过程中，其下伏罗云山断裂起着主导控制作用，而过量开采地下水及渗透作用则起到了诱发和加剧作用，其他自然因素虽然也会有所影响，但程度相对较小。因此，杨家庄地裂缝的成因模式属于构造断裂活动加超采地下水及渗透作用耦合模式：构造断裂活动使第四系地层开裂，延伸至地表形成初步地裂缝，水的渗透作用及超采地下水又在一定程度上诱发和加剧了破裂面的发展，最终形成地裂缝。

杨家庄地裂缝的形成可分为三个阶段。第一阶段：由于印度板块向北推挤，鄂尔多斯地块左旋运动，山西地区上地幔持续上隆调整，造成临汾盆地处于NW-SE向的拉张地应力环境下[5-7]，并且持续下沉，盆地西边界的罗云山断裂伸展正断活动，形成隐伏断层；第二阶段：断裂活动的发展使上覆土层产生破裂变形，延伸至地表形成拉张变形带，产生地裂缝，且其走向与断裂一致；第三阶段：20世纪80年代以后，临汾地区过量开采地下水，使地下水位下降，含水层压密变形沉降，从而加剧了地裂缝活动，表现为地裂缝扩展延伸、横向拉张变宽、垂向升降加大，影响工程建设，威胁人类安全。综合杨家庄地裂缝形成的三个阶段，绘制出地裂缝的成因模式(如图3)。