常 江 馬潤勇 潘愛芳 王林清 萬 陽 王志浩 孫長明

尚合欣①

(①長安大學地質工程與測繪學院， 西安 710054， 中國)(②長安大學地球科學與資源學院， 西安 710054， 中國)

0 引 言

地裂縫作為一種表生的地質災害現(xiàn)象，相較于普通裂隙，具有發(fā)育規(guī)模大、形成時間短的特點(Carpenter， 1980)。在其形成和擴展過程中，破壞土體天然結構，并導致上覆建筑物開裂、道路變形、管道破壞等災害，嚴重危及人居日常生活。隨著20世紀90年代中國的經濟與人類活動的快速發(fā)展，地下水開采量迅猛增加，汾渭盆地、華北平原、蘇錫常地區(qū)相繼出現(xiàn)區(qū)域性群發(fā)地裂縫(鄧亞虹等， 2013； 李莎等， 2018； 趙龍等， 2018)。隆堯地裂縫是目前華北平原中發(fā)育規(guī)模大、活動強度高的地裂縫之一。早在20世紀60年代，隆堯地裂縫就在縣城周圍的村鎮(zhèn)中零星分布(徐繼山等， 2012)。2003年7月暴雨后，隆堯西店子村一帶出現(xiàn)地面連續(xù)的地裂縫，其規(guī)模在隨后幾年隨著降雨不斷延伸擴大，至今已導致6個村子近300戶村民不同程度受災，地裂縫活動甚至導致部分房屋傾倒坍塌，路面損毀(圖1)，其中西店子小學由于地面差異沉降甚至全部廢棄。

圖1 隆堯地裂縫災害Fig.1 Disasters caused by Longyao ground fissure

隆堯地裂縫發(fā)展態(tài)勢逐年增強，并受到學者們的廣泛關注。許多專家和學者對隆堯地裂縫的成因機制進行了一系列研究，以期為當?shù)氐姆罏臏p災工作提供建議。孫黨升等(2008)認為隆堯地裂縫是由于斷裂活動導致隱伏地裂縫發(fā)育，在地表水誘導下開裂； 馬潤勇(2009)通過對隆堯地裂縫進行構造應力場數(shù)值模擬，得出隆堯地裂縫為隆堯斷裂活動為主的最新地表響應，屬于構造型地裂縫； 宋偉等(2011)也認為地裂縫是由斷層蠕滑活動形成； Peng et al.(2016)結合地調、鉆探、探槽和地震勘探等多種手段，提出了在區(qū)域拉張環(huán)境下受地震控制并最終由地下水過量抽取誘發(fā)的成因機制。Yang et al.(2018)借助遙感技術對隆堯地裂縫及其周圍環(huán)境展開了評估，并指出了地下水超采在地裂縫形成中起到至關重要的作用。以上雖然對隆堯地裂縫成因機制的定性研究取得不菲成果，但是缺少針對隆堯地裂縫的活動規(guī)律尤其是水平拉張、走滑剪切和垂直位錯的活動速率的定量分析，且這項研究可以給地裂縫沿線建筑工程的災害防治提供更實際的依據。

目前對地裂縫活動特征主要依靠跨地裂縫上覆建筑的變形破壞特征與地面形變監(jiān)測來確定(趙超英等， 2011； 徐繼山等， 2012； 曹建玲等， 2015)。由于隆堯地裂縫具有三維運動特征，加之地基和淺地表土層的聯(lián)合作用，并存在人工修補或支擋等各種因素影響，因此建筑物的破壞形式并不一定能真實反映出地裂縫實際的運動特征及活動量參數(shù)。因此，本文通過調查工作中開挖的大型探槽剖面，確定隆堯地裂縫的三維活動量，并結合光釋光測年數(shù)據分別對該地裂縫水平走滑、拉張、垂直3個方向的活動速率進行詳細的定量分析。

1 區(qū)域地質背景

隆堯地處太行山前沖洪堆積平原。受太平洋板塊的影響，該區(qū)構造應力場的主壓應力方向為N72°E； 同時在太平洋板塊擠壓作用下，地幔內高溫、低波速的熔融或半熔融物質上涌至地殼，導致地殼受拉變薄，并表現(xiàn)出北西—南東向的拉張應力場特征，為隆堯斷裂的活動和上部地裂縫的形成提供了區(qū)域拉張的環(huán)境。隆堯在大地構造單元上處于臨清坳陷和寧晉—衡水斷凹交接處，該區(qū)構造單元均呈北東向展布，為中生代與新生代復合型盆地(徐常芳， 2003)。

研究區(qū)內新構造活動強烈，發(fā)育隆堯南斷裂、南王店斷裂、永福莊斷裂、牛家橋—邢家灣斷裂、毛兒寨—漢口斷裂等第四系活動斷裂，以及少數(shù)第三系活動斷裂如大寧鋪斷裂(楊理華等， 1980)。其中：隆堯地裂縫的發(fā)育受控于隆堯南斷裂(EW)和牛家橋—邢家灣(N20°E)斷裂，斷裂在區(qū)域構造應力場的作用下處于不同的運動狀態(tài)。當斷裂走向小于主壓應力方向(N72°E)時為順扭，大于這個方位時為反扭(圖2)。

圖2 隆堯區(qū)域構造及地裂縫分布圖Fig.2 Geological setting of Longyao

從地層條件分析，平原內第四系地層厚度可達250～500m，土體以砂土和輕亞黏土為主，約占研究區(qū)的3/5(陳望和等， 1987)。這類較厚且較軟弱的第四系蓋層，為其下隱伏斷裂的致裂應力傳遞、釋放提供了良好的條件，因此該區(qū)地裂縫能很好地繼承其下隱伏斷裂的活動特征。

2 隆堯地裂縫發(fā)育特征

2.1 平面發(fā)育分布特征

隆堯地裂縫西起周張莊，向東依此經南小河、虎中、柏舍、西店子、東店馬、開河、馬蘭、西清灣至毛爾寨，橫跨澧河、小漳河，平面上呈折線狀分布，總長約35km并分為東西兩段(圖3)。

圖3 隆堯地裂縫平面發(fā)育分布圖Fig.3 Distribution of the Longyao ground fissure

西段地裂縫全長約17.7km，走向與隆堯南斷裂基本一致。該段地裂縫自1966年邢臺地震后持續(xù)活動，導致村民房屋和公路破壞嚴重。其中：周村房屋墻體最大開裂寬度可達10cm，水平走向位錯可達5cm，垂向錯距可達8cm； 西店子村受災房屋達30余戶，墻體最大開裂寬度20cm，最大水平走向位錯10cm，垂直錯距達20cm。該段地裂縫房屋破裂和路面錯斷的水平錯動方向以左旋運動為主。

東段地裂縫全長約15.3km，走向與牛家橋—邢家灣斷裂(N20°E)一致。該段地裂縫活動性較弱且主要發(fā)育在田地間，裂縫途徑地段的路面破壞較為明顯，路面水平走向錯距可達2cm，路面差異沉降的高差達8cm，路面破碎帶寬度可達2m，此段地裂縫對應的路面破裂的水平錯動方向以右旋為主。

隆堯地裂縫平面分布特征表現(xiàn)為：(1)分段性。各段裂縫活動強度、延伸方向、影響范圍、致災規(guī)模均不同； (2)三維運動。地面破壞兼具拉張、水平位錯、垂直沉降； (3)活動強度的間歇性。其中地裂縫在2000年以后最為活躍，遇強降雨或地下水大量抽取后活動加劇(Peng et al.， 2016)。

2.2 剖面結構特征

根據西段地裂縫探槽(TC1)剖面圖顯示(圖4)，主裂縫(f1)的下盤發(fā)育一條次級裂縫(f2)，兩者間距2～3m。主裂縫近地表2 m深處被雜填土充填，且拉張量可達1m； 次級裂縫填充較少且近地表拉張量僅0.3m。主裂縫垂直錯動最大可達0.5m，且錯動量隨深度增加而增大，次級裂縫錯距可達0.2m。

圖4 隆堯地裂縫探槽揭露剖面圖Fig.4 Trench of Longyao ground fissure

而TC2探槽剖面顯示，東段地裂縫近地表鉛直、曲折縱向向下延伸，裂縫填充物以雜填土和粉土為主，近地表拉張寬度為0.3m，上盤分布羽狀次級裂縫，錯動量小且未貫通至地表。主裂縫垂直錯距隨深度增加而增大，最大可達0.4m。

隆堯地裂縫剖面結構具有以下特性：(1)錯距上小下大。地裂縫各向活動量隨深度增加，說明隱伏斷裂對地裂縫的發(fā)育起到控制作用； (2)東西段活動具差異性。西段裂縫活動量大于東段，且次級裂縫發(fā)育明顯，甚至貫通至地面； (3)地層沉積均勻，隆堯地裂縫處于中生代和新生代大型湖盆中，沉積物厚度從盆地內向邊緣逐漸減薄(徐繼山等， 2012)。因此宏觀沉積厚度具有一定差異，但在局部地段，同一層位地層厚度變化具有相對線性穩(wěn)定性變化特征，產狀也具有同一性。因此裂縫兩側地層厚度的差異與地裂縫的運動特征有著密切的關系。

3 地裂縫活動特征的定量分析

隆堯地裂縫活動強烈，且具拉張、水平走滑及垂直運動三維運動。準確判斷各向活動分量可以為地裂縫及其影響范圍內構建筑物的防災減災提供合理建議。對于地裂縫兩側近乎水平沉積的地層，探槽剖面所揭露的垂直錯距即為地裂縫真實的垂直活動量。但實際中，地層不會完全水平，地裂縫兩側地層運動后在剖面上顯示的錯動量并非真實錯距。如圖5所示，地裂縫兩側具有一定傾角的土體在垂直位錯和水平走滑的共同作用下，其剖面顯示的垂直位錯量y并不能反應地裂縫的真實活動，而考慮了水平活動導致的厚度變化量的x為地裂縫活動的實際垂直位錯。

圖5 地裂縫兩側地層活動示意圖Fig.5 Movements of strata of both sides of ground fissure

實地探槽開挖的剖面顯示，隆堯地區(qū)地層沉積均勻，探槽兩壁多數(shù)地層厚度有明顯差異?？梢越柚鷥A斜地層的錯動量，通過探槽剖面揭露的地層厚度差異分析，明確地裂縫在發(fā)育活動過程中各分量的具體數(shù)值，并根據光釋光測年結果推算地裂縫在一段時期內的幾何分量活動速率，為地裂縫的發(fā)育和成因分析提供更為可靠的支持。

3.1 地裂縫各向活動分量分析

地裂縫在活動過程中，水平錯動和垂直沉降同時發(fā)生，剖面上同一地層在裂縫兩側的高差包含了垂直錯動和水平錯動導致的豎向地層厚度變化兩個部分。如圖6所示，以向水平面以下傾斜的地層為例展開分析。假定在探槽范圍內地層原始層厚為b、a，探槽寬度H這一局部范圍內局部地層傾角為θ，當水平、垂直位錯同時發(fā)生時，地裂縫活動前地層厚度為b，錯動后揭露厚度為c，探槽剖面上顯示的地層錯距為Δ2。

圖6 地裂縫兩側地層錯動示意圖Fig.6 Stratum dislocation on both sides of ground fissure

地層沉積傾角可以由兩側地層厚度表示：

(1)

此時探槽剖面揭露的錯距Δ2由垂直差異沉降Dh和傾斜地層走滑剪切時所導致的豎向位錯Δ1兩部分組成，地裂縫活動時實際垂直差異沉降量為：

Dh=Δ2-Δ1

(2)

走滑剪切的水平位移由地層傾角和豎向位錯Δ1計算出：

(3)

當?shù)貙由舷陆缑婢鶅A斜而不能直接依靠探槽兩側寬度計算出傾角時，可以借助水平儀等設備直接測量出所計算地層斜面的傾角θ； 而對于向水平面以上傾斜的地層而言，由于方向不同，計算地裂縫兩側地層實際垂向錯距為探槽剖面揭露的錯距Δ2和傾斜地層走滑剪切時所導致的豎向位錯Δ1之和，即

Dh=Δ2+Δ1

(4)

(5)

根據兩段地裂縫開挖探槽剖面所得地層在裂縫兩側及兩壁厚度，計算各典型地層的水平(Dx)、垂直(Dh)以及拉張(Dz)活動量。西段裂縫錯動距離見表1，經過分解后的豎向位錯小于剖面上的層間錯動Δ2。其中：拉張量在近地表2 m范圍內最大， 5m深處拉張距離增大為11.5cm，其余深度拉張不明顯； 水平錯動量較小， 4.5m深粉土層有相比較明顯的錯動； 垂直錯動量在3～4m間的粉砂和黏土層較大，可達50cm，其余地層垂直錯距均在20～40cm間。

表1 TC1探槽各層各向錯動距離Table1 Displacement distance of Trench 1

表2 TC2探槽各層各向錯動距離Table2 Displacement distance of Trench 2

東段地裂縫錯距如表2。其中：近地表粉土層拉張20cm，水平位錯2.66cm，豎向錯動32.32cm； 深度1.8m粉質黏土層各向錯動量均較小，拉張8cm，水平位移0.87cm，豎向錯動20.13cm，深度3.5m的粉質黏土層活動量均大于淺層粉質黏土； 而5m的深層黏土錯動量均較小，拉張量9cm，水平位錯0.99cm，豎向錯動僅13.66cm。

隆堯地裂縫東、西兩段活動量特征基本一致，豎向錯動量較大，伴有水平位錯和拉張位移。在淺地表5m范圍以內地裂縫活動量受灌溉入滲導致的沉降作用影響下，各向錯距反而明顯較大。

3.2 地裂縫活動速率

為了分析地裂縫的活動速率，在東、西兩個探槽中對完整性好的代表地層的頂部進行取樣。在室內進行光釋光測年以確定沉積物上一次曝光事件年代，其測年范圍在萬年以上，精度5%～10%。以光束照射礦物顆粒使累積的輻射能以光的形式被激發(fā)出來，累積的等效劑量除以年劑量率，即是礦物顆粒最后一次曝光之后接受輻照的時間長度，也即埋藏至今的年代。(賴忠平等， 2013)。

兩個探槽的代表性地層進行光釋光測年結果如表3。以兩個相鄰地層頂部取樣點之間的年代差作為該地層沉積總時長，并根據剪切走滑、垂直位錯及水平拉張量估算地裂縫在不同深度的平均活動速率(圖7a、圖7b)，可以分析隆堯兩段地裂縫在不同時段的活動速率特征，結果如下。

圖7 隆堯地裂縫地層各向錯動活動速率圖Fig.7 Slip rates of Longyao ground fissurea.西段裂縫TC01； b.東段地裂縫TC02； c.活動速率與地層年齡變化

表3 探槽地層光釋光測年結果Table3 Stratigraphic photoluminescence dating results

對比隆堯地裂縫東西兩段各自活動速率發(fā)現(xiàn)，西段地裂縫各時期各向活動速率均大于東段，符合目前隆堯西段地裂縫活動性較高的特點； 3個方向活動速率大小關系為：垂直差異沉降速率最大，剪切走滑速率次之，拉張開裂速率最?。?近地表范圍錯動破裂明顯，活動速率遠大于深層土層； 根據活動速率隨年齡變化趨勢(圖7c)，自8kaiB.P.至今，地裂縫活動速率逐漸增高； 且有多個加速活動期，與歷史記載的地震有關。根據中國地震歷史資料，推測0.5 kaiB.P.的突變與1966年邢臺7.2地震有關； 1kaiB.P.的速率驟升是不僅與1882年深縣6級地震有關，還與1883～1898年間華北地區(qū)長期處于降水豐沛階段有關(張慶云， 1999); 而3.5～3.8 kaiB.P.也出現(xiàn)活動速率抬升，則推測與未記錄的古地震等因素有關。

4 結論與討論

為了查明河北隆堯地裂縫活動特征，本文結合探槽和光釋光實驗，取得以下主要結論：

(1)隆堯地裂縫平面展布特征為：東西分段且發(fā)育規(guī)模差異，剪切走滑、垂直錯動、水平拉張三維運動特征明顯，隨強降雨地下水活動呈間歇性發(fā)育。剖面結構特征：活動量隨深度增加，活動強度東弱西強，地層沉積較均勻。

(2)由于隆堯平原地區(qū)地層沉積均勻，再自身具有傾斜角度的局部范圍內，地裂縫剖面上的豎向錯距由垂直差異沉降和走滑剪切導致豎向厚度變化兩個分量組成，因此根據地層錯動關系，計算隆堯地裂縫活動時垂直沉降量、剪切走滑量及水平拉張量，得到最接近地裂縫活動的真實參數(shù)，以反映地裂縫的三維運動特征。

(3)結合光釋光測年計算各時期地層各分量的活動速率，其特征為：隆堯西段地裂縫活動速率明顯大于東段地裂縫； 地裂縫各時期垂直差異沉降速率最大，走滑剪切速率次之，拉張活動速率最??； 從8ka B.P.至今，隆堯地裂縫各向錯動速率不斷上升，表明自全新世以來地裂縫持續(xù)活動且強度不斷增高，并且多次出現(xiàn)活動速率的驟升期。表明隱伏的全新世隆堯南斷裂和牛家橋—刑家灣斷裂一直控制著地裂縫的發(fā)育。

這種借助探槽剖面來計算地裂縫兩盤土體各向位移分量的方法可以為實際工程提供一定幫助。尤其對隆堯地裂縫這一條各向活動量均突出的典型大規(guī)模地裂縫而言，活動特征的準確定量分析是防災減災的基礎。本文受測年工作量的限制僅初步估算了隆堯地裂縫各時期的平均活動速率，更高密度的采樣分析可以獲得更精確的地裂縫活動速率。