（地质工程专业论文）渭河盆地地裂缝成因机理研究.pdf

摘要 地裂缝是在内外动力作用下岩石和土层发生变形，当力的作用与积累超过岩土 层内部的结合力时，岩土层发生破裂，其连续性遭到破坏，形成裂隙( 含节理和断 层) 的一种地质现象。地裂缝灾害成为一种新的、独立的自然灾害灾种受到国际地 学界的广泛关注。自2 0 世纪7 0 年代，尤其是1 9 7 6 年唐山大地震以后，渭河盆地 2 0 余县市相继不断地出现地裂缝，到现今为止，共发现有1 9 6 条。渭河盆地作为现 代地壳活动极为强烈的地区，地质灾害十分频繁，但一直缺乏系统的研究。笔者在 攻读硕士学位过程中有幸参加了“汾渭地堑地裂缝灾害研究项目，通过对渭河盆 地地裂缝的调查研究，对渭河盆地地裂缝的分布及其成因作了一定的剖析，希望作 为其进一步研究和防灾减灾的参考。 首先，通过大量的实地调查，基本查明了渭河盆地地裂缝的分布现状和特征， 地裂缝主要分布在活断层附近，与断层的走向有着很好的一致性，这主要是由于二 者所处构造环境的一致性、力学成因的一致性和应力场的一致性决定的。 其次，通过对调查资料的分析和研究，对渭河盆地各县市地裂缝的成因作了一 定的总结，并对其主导因素和影响因素进行了分析。分析认为，渭河盆地地裂缝的 形成因素有：构造活动，包括地应力、地震作用以及岩土中的构造节理；诱发加速 因素，包括人工边坡，人工水库，煤矿、地下水的过度开采，爆炸以及机械振动， 土本身因素及天气因素，主要指黄土湿陷性的影响以及地表水对地裂缝扩张和灾害 的加剧作用等。 最后，通过综合前人的研究成果，分析了渭河盆地地裂缝形成的构造力学机理， 并选取了断层活动与煤矿开采共同作用下形成的地裂缝和由于过度抽取地下水引起 地裂缝两个实例，进行了有限元的模拟及分析，进一步揭示了渭河盆地地裂缝形成 的力学机理。 关键词：渭河盆地，地裂缝，分布规律，力学机制 a b s t r a c t i n t e m a la n do u t e rf o r c em a k et h er o c ka n ds o i lm a s sb eo u to fs h a p e ，w h e ni te x c e e d st h e i n t e r n a lc e m e n t i n gp r o p e r t y , t h er o c ka n ds o i lm a s sb u r s t ，t h e i rc o n t i n u i t i e sa r ed e s t r o y e d ，a n d t h e n , t h eg r o u n df i s s u r e sa p p e a r g r o u n df i s s u r es c o u r g eb e i n gan e w , u n a i d e dn a t u r a ld i s a s t e r i s b e i n gp a i dc l o s ea t t e n t i o nb yi n t e r n a t i o n a l e a r t hs c i e n c e s c o m m u n i t y s i n c e2 0 m ， s p e c i a l l ya f t e rt a n g s h a ne a r t h q u a k e ，19 7 6 ，19 6g r o u n df i s s u r e sa p p e a ri nm o r et h a n2 0 c o u n t i e sa n dc i t i e so fw e i h eb a s i n t h ee x t r e m e l yi n t e n s eg e o - h a z a r d sw h i c hn e e d e dt ob e s y s t e m i cs t u d yo c c u ri nt h ew e i h eb a s i n ，i nw h i c ht h ec r u s t a lm o t i o nc o n t i n u a l l ya p p e a r i n g d u r i n gm yp r o c e e d i n gt om a s t e rd e g r e e ，ih a v et h eh o n o rt ot a k ep a r ti nt h e “s t u d yo n g r o u n df i s s u r eh a z a r do fw e i h eb a s i n t h r o u g ht h ei n v e s t i g a t i o na n ds t u d y , w eh a v ef o u n d o u tt h ed i s t r i b u t i o no ft h eg r o u n df i s s u r e s i nw e i h eb a s i n ，h a v et a k e na p a r tt h ec a u s eo f f o r m a t i o na b o u tt h e m ，a n dh o p et h a ti tw i l lb er e f e r e n c ef o rf u r t h e rs t u d ya n di t sp r e v e n t i o n a n dm i t i g a t i o nh a z a r d f i r s t l y , a c c o r d i n gt ot h es p o ti n v e s t i g a t i o n ，w eh a v ec l e a r e du pt h ep r e s e n td i s t r i b u t i o n a n dc h a r a c t e ra b o u tt h eg r o u n df i s s u r eo fw e i h eb a s i n t h eg r o u n df i s s u r e se x i s ta r o u n dt h e a c t i v ef a u l t a g e ，a n dt h e ya r eu n a n i m o u si nt r e n dw i t ht h ef a u l t a g e ，w h i c hi sd e t e r m i n e db yt h e c o n s i s t e n c yo ft h e i rt e c t o n i ce n v i r o n m e n t ，m e c h a n i c a lc a u s eo ff o r m a t i o na n ds t r e s sf i e l d s e c o n d l y , w es u m m a r i z et h ec a u s eo ff o r m a t i o na b o u tt h eg r o u n df i s s u r e sl y i n gi ne v e r y c o u n t i e sa n dc i t i e s ，a n da n a l y z et h e i rp r i n c i p a lf a c t o ra n di n f l u e n c i n gf a c t o r a c c o r d i n gt ot h e s t u d ya b o u tt h es u r v e yd a t a , t h ef o r m a t i v ef a c t o r sa b o u tg r o u n df a c t o ri nw e i h eb a s i nl i e ： t e c t o n i ca c t i v i t i e sw h i c hi n c l u d eg e o s t r e s s ，s e i m o g e n i ca c t i v i t ya n dt e c t o n i cj o i n to fg r o u n d i t s e l f ；i n d u c i n gf a c t o r sw h i c hc o n s i s to f f a l s es i d es l o p e ，f a l s er e s e r v o i r , e x c e s s i v ec o a lm i n i n g a n dg r o u n d w a t e rm i n i n g ，e x p l o s i o na n dm e c h a n i c a lv i b r a t i o n ，f a c t o r so ft h ew e a t h e ra n dt h e 黟o u n di t s e l f , a n dt h ei n d u c i n gf a c t o r sm a i n l yc o n c e n t r a t eo nt h ei n f l u e n c eo ft h el o e s s c o l l a p s ea n da g g r a v a t i o n ，t h es u r f a c ew a t e rm a k e st ot h eg r o u n df i s s u r eh a z a r d l a s t l y , t e c t o n i cm e c h a n i s ma b o u tt h eg r o u n df i s s u r eo fw e i h eb a s i ni sa n a l y z e db a s e do n t h er e s e a r c hr e s u l t so fa n c e s t o r s t w oe x a m p l e s ，w h i c hi n c l u d et h ef i s s u r ec a u s e db yt h e e x c e s s i v eg r o u n d w a t e rm i n i n ga n db yt h ee o a c t i o no ft h ef a u l t a g e a c t i v i t ya n dc o a l m i n i n g ，a r ec h o s e nt od of i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n da n a l y s i s ，s oa st ou l t e r i o r l ys h o wt h e m e c h a n i s mo ft h eg r o u n df i s s u r eo fw e i h eb a s i n k e yw o r d s ：w e i h eb a s i n ；g r o u n df i s s u r e ；d i s t r i b u t i o nr u l e ；t e c t o n i cm e c h a n i s m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：z 材率 l 加7 年多月哆h 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：孓橱手 导师签名：形彳兰兰坠 加7 年6 月够日 叩年石月啦日 长安大学硕士学位论文 1 1 研究意义 第一章绪论 地裂缝是在内外动力作用下岩石和土层发生变形，当力的作用与积累超过岩土层内 部的结合力时，岩土层发生破裂，其连续性遭到破坏，形成裂隙( 含节理和断层) 的一 种地质现象。在地下因遭受周围岩土层的限制和上部岩土层的重压作用其闭合比较紧 密，而在地表则由于其围压作用力减小，又具有一定的自由空间，所以裂隙一般较宽， 表现为裂缝，即地裂缝。 地裂缝是一种续变式地质灾害，它直接或间接地恶化环境、降低环境质量、危害人 类和生物圈发展。现代地裂缝现象在世界上许多国家都有发现，其发生频率和灾害程度 逐年加剧。其中以中国和美国地裂缝灾害最为严重，已成为一个新的、独立的自然灾害 灾种，引起了国际地学界的关注。地裂缝不仅造成各类工程建筑，如城市建筑、生命线 工程、交通、农田和水利设施的直接破坏，也引起了一系列的环境问题。据史书记载， 我国不同历史时期曾多次发生地裂缝，但因其分布稀疏、分散，位移量甚微，大多数情 况下都被忽视。到现代，自1 9 5 8 年始，汾渭盆地内的泾阳、西安出现地裂缝，后又渐 东移；于1 9 6 3 年在邯郸，1 9 6 7 年在苏皖交界处发生地裂缝，地裂缝才被作为一种特殊 的地质现象，在我国展开了广泛的研究。据众多专家学者多年的研究和实际发现，现代 地裂缝主要集中在大华北地区冀、晋、陕、苏、皖、豫7 省。地裂缝发生之处破坏性甚 强，已知西安、大同、邯郸、泰安、兖州、韩城、南阳、榆次、临汾等县市，于1 9 5 9 - 1 9 8 3 年分别出现地裂缝；出现在诸如大荔、肥城、泗水、舞阳、泾阳等城镇和工厂区的 地裂缝就更多。它们穿越厂房民居、横切地下洞室路基，造成市内建筑物损坏、机器停 运、道路变形、管道破裂，危及城市建设与人民生活，它们破坏堤坝水渠，使民房窑洞 坍塌、农田开裂漏水，造成农业减产，直接影响工农业生产，甚者在局部地段其破坏性 与地震烈度7 度相近，成为名副其实的地质灾害。已知地裂缝造成的工农业经济损失仅 大同一市就达6 3 亿元，西安逾4 0 亿元，河南省约6 2 亿元，山东每年损失2 0 0 0 万元， 而地裂缝灾害成为渭河盆地地区灾害类主要的经济损失原因。根据王景明综合估算，截 至2 0 0 0 年，全国地裂缝累积造成的经济损失约9 1 3 亿元，其间接损失则无法估计。 所以，以前、现在和将来，对地裂缝进行深入广泛的研究是迫切需要的。我们不仅 需要研究地裂缝的分布规律，还要研究其成因机理；不仅要研究地裂缝过去的发生发展 第一章绪论 过程，还要研究现在的活动特性以及将来的活动趋势和危害程度，以便提出减灾和防灾 方案，为经济建设做出一定的贡献。 关于渭河盆地地裂缝的研究已有3 0 多年的历史，但是以前的研究主要集中在破坏 性严重的城市和地裂缝集中发育区，如西安地裂缝，泾阳地裂缝等，对整个渭河盆地地 裂缝系统的研究还较少，笔者有幸在2 0 0 6 年8 月至9 月参与了“渭河盆地地裂缝调查” 研究项目的野外调查工作，通过调查，基本查明了渭河盆地的地裂缝分布状况，初步掌 握了整个盆地的地裂缝分布规律，以此为基础对盆地区地裂缝成因机理做初步的剖析， 完成了本论文，希望成果能对渭河盆地地裂缝的进一步研究和灾害防治有一定的参考价 值。 1 2 国内外研究现状及存在问题 最早对地裂缝有记录的是四千多年前的中国。在墨子非攻一文中，记录了一次 地裂缝的情景：“昔者三苗大乱，天命地坼及泉”。地坼，即现在所说的地裂缝。据 历史考证，三苗欲灭时，大约相当于夏代帝发之前7 0 0 多年的黄帝晚期，约为公元前2 5 5 0 年左右( 谢广林，1 9 8 8 ) 。随着时间推移和历史进步，我们的祖先对地裂缝的观察和记 录越来越详细，如太平御览记载，汉惠帝( 公元前1 9 4 - 前1 8 8 年) 时西安“五月 城中地陷3 0 丈 ，文中记录了地裂缝发生的时间、范围和长度。这些史书的记载，仅仅 是浩淼史料中的点滴，已说明古今地裂缝是一种常见的自然现象。所记载的地裂缝大多 分布在中国东部地区，尤其是在华北七省中。史籍中简单数语，基本指出了地裂缝的长 度、方向、形状，伴随的喷水、泉涌现象，对民房、宫室和水井的损坏等。我们的祖先 对地裂缝的观察研究虽然还不够深入，但集腋成裘，汇集分析这些史料，人们可以清楚 地看出，地裂缝的存在已有很长的历史了。 相比于美国2 0 世纪2 0 年代最早出现的与地面沉降共生的现代地裂，我国现代地裂 出现较晚，首例地裂出现在2 0 世纪5 0 年代末西安西南郊西北大学内，恰位于因抽取地 下水而形成的第一个地面沉降中心附近。我国地裂缝的研究是伴随探索地震预报和捕捉 地震前兆研究开始的。地震过程中岩土体形成的地裂缝初步揭示了地震、断层与地裂缝 的关系。 我国城市地裂缝调查也起源于落实地震异常和为城市抗震防灾工作服务。1 9 6 8 年 4 - - 5 月间河北邯郸市内发生多处地裂缝；1 9 7 7 年1 0 月西安市南郊发现多处裂缝。这两 起城市地裂缝事件分别出现在震害损失巨大的1 9 6 6 年邢台地震和1 9 7 6 年唐山大地震后 2 长安大学硕士学位论文 不久，又都伴随这些城市市内震感很强的近场中小地震发生，引起人民群众不安和各级 政府的高度重视。这些地裂缝是不是地震前兆现象成为科研工作者关心的话题。为此， 分别开始了邯郸和西安地裂缝与地震关系的调查，研究发现此后多年邯郸和西安地裂缝 中近场均未发生中强地震，强烈的大华北地震活动也呈现又阶段性的减弱。人们由此才 意识到这些地裂缝的出现不是地震前兆。 以西安为例，从1 9 7 7 年1 0 月西安市发现地裂缝以来，3 0 年已经给城市建设、工农 业生产和人民生活造成巨大损失，地裂缝与其相关联的地面沉降已成为西安市区目前最 主要的地质灾害。这些特殊的地质现象倍受国内外专家关注，2 0 世纪8 0 年代初至今国 内许多生产、科研和教学单位对西安地裂缝及地面沉降从不同角度开展了系统深入的研 究。研究成果可概括为三方面：一是地震地质的研究，这方面陕西省地震局、国家地震 局等有关单位做了大量的工作，成果对西安地区所处的构造动力环境作出了评价和预 测；二是地裂缝、地面沉降成因机制和演化规律的研究，陕西省地矿局有关单位、河北 理工学院、西安工程学院、成都理工学院、中国地质大学、地质科学院、陕西师范大学 等做了许多工作，通过各种手段的系统研究，提出了多种成因观点，对地裂缝的成因、 成灾机制获得了更实际的认识；三是地裂缝场地工程地质评价、预测，机械电子工业部、 建设部等一些部属勘测设计院、西安市城乡建设委员会及下属有关单位、陕西地矿局第 一水文工程地质队、长安大学、成都理工学院等都做了大量工作，通过对地裂缝分布规 律和工程地质特征的系统调查和统计分析，评价了西安市区场地稳定性，并制定了勘察 设计规程，成果已经在城市规划建设中发挥了作用。 对西安地裂缝成因的争论从未休止，客观上促进了研究工作的深化。其基本观点有 三：早期主要有：一、构造说，认为西安地裂缝是一组活断层，此说难以解释地裂缝高 速活动速率及与地面沉降的伴生关系；二、抽水说，认为西安地裂缝是因过量开采承压 水形成，此说难以解释地裂缝定向横亘和成带等距的分布格局；近年来，研究者多倾于 成因叠加的第三观点，综合说，即以构造成因为主，抽水为辅。构造成因为主的综合说 又可分为基底断裂活动成因论( 王景明，1 9 8 9 ；吴嘉毅，1 9 9 0 ) ，边界断层次级断裂成 因论( 张家明主编，1 9 9 0 ) ，断块掀斜成因论( 张栓厚等，1 9 9 0 ) ，水平力偶作用成因论 及构造重力扩展说( 王兰生等，1 9 9 4 ) 。 据姜振泉( 1 9 9 7 b ) 检索的国外地裂缝研究成果，此前国外对地裂缝问题的研究以 美国开展的最广泛，研究的程度较深。其他国家如土耳其的安纳托利亚地裂缝、泰国曼 谷地裂缝、利比亚萨里尔( s a r i r ) 地裂缝等，尽管近年也进行了一定程度的研究 3 第一章绪论 ( e d d l e s t i o n ，1 9 8 1 ，1 9 9 6 ；r o t h e n b u r g ，1 9 9 5 ) ，研究的程度相对较低。 美国的现代地裂缝主要有张裂缝和剪裂缝( p r a t t j o n h s o n 1 9 2 6 ；h o l z e r , 1 9 8 4 ) ，它 们都与由于开采地下水或石油导致的地面沉降有密切的联系( h o l z e r , 1 9 8 4 ) 。自2 0 世纪 5 0 年代始，在美国西南部的亚利桑那、加利福尼亚、得克萨斯、内华达及新墨西哥等州 构造盆地河谷中，相继发生严重的地裂缝灾害( 霍尔泽尔t l ，e t a l ，1 9 8 1 ) ，造成了巨大 的损失。中国的苏鲁皖豫地区、汾渭盆地和河北平原也相继于2 0 世纪6 0 年代和7 0 年 代发生地裂缝灾害。上述区域地裂缝具有三个基本特征：新构造活动明显强化，同区 域常伴生中强地震发生；地质构造环境比较复杂，大都发生在巨厚新生界特别是第四 系地层中；人类工程经济活动比较活跃，地下水开采处于不同程度的超采状态。 综合研究表明，决定构造地裂缝的形成和发育有多种因素i 。按其发生、发展过程 中所起作用的组合，可分为主导、诱发和影响三个因素。主导因素是控制地裂缝孕育、 发生、活动性质和展布格局的决定性因素，包括新生代的构造环境、构造基础和触发地 裂缝产生的动力源；诱发因素是决定和影响地裂缝发生时间、地段、强度的因素，主要 有降水、干旱、重力、地震等自然因素和抽取地下水甚至造成地面沉降、农灌等人为因 素，诱发先存的隐伏地裂延及地表成缝；影响因素则是只影响地裂缝发育程度的因素， 如土质、地形、气候、水体等因素。 虽然许多国家发生过地裂缝，但多数国家早期对其研究的重点是用地裂缝反演其背 景断层的蠕滑特征。其侧重点是地裂缝与地下水开采之间的关系，成果较为分散孤立、 不成系统，对地裂缝属性、分布规律、大区域联系、活动特征、灾害效应，缺乏系统的、 综合的研究。 1 3 本文研究内容及研究技术路线 对于渭河盆地，很多专家、学者对诸如西安、泾阳等地裂缝较发育的地方做过比较 深入的研究，但对于整个渭河盆地地裂缝系统、全面开展的研究很少。本文笔者在研究 生学习过程中，参加了“汾渭地堑地裂缝灾害研究”项目，根据项目内容及本人的论文， 确定了本人的研究内容如下： ( 1 ) 通过野外大量的调查研究，总结出渭河盆地地裂缝的现状和分布规律； ( 2 ) 根据其特征、环境背景、诱发因素和影响因素，分析探讨渭河盆地地裂缝的 成因机理； ( 3 ) 选择典型地裂缝进行数值模拟，从力学机制上进一步探讨地裂缝成因机理。 4 长安大学硕士学位论文 为完成以上研究内容，本文研究的技术路线如下： 收集与渭河盆地地裂缝有关的一些地质、地震、水文气象等相关资料并进行综合 分析； 现场全面调查、进行工程地质测绘，绘制渭河盆地地裂缝分布图： 资料的归整和分析，总结渭河盆地地裂缝分布规律及成因； 根据前人研究的部分成果，结合科研项目的实施以及大量的实地调研，针对渭河 盆地地裂缝的分布现状，进行渭河盆地地裂缝成因的分析和有限元模拟； 完成本论文。 5 第二章渭河盆地地裂缝形成的构造背景 第二章渭河盆地地裂缝形成的构造背景 2 1 渭河盆地区域构造 2 1 1区域地质和构造特征 渭河盆地西起宝鸡，东迄黄河，南依秦岭，北傍渭北低山，东西约长4 0 0 k m ，南北 宽约3 0 - - 8 0 k m ，整体似半个弯月横亘于陕西省中部。 渭河盆地发育在鄂尔多斯台地与秦岭褶皱带交界的部分，其地层系统分属于华北和 秦岭两大地层区，出露地层从老到新有太古界、中晚元古界、寒武一奥陶系、泥盆系、 石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系及新生界。前新生界及花岗岩构成了盆地基 底并出露于盆缘山地，巨厚的新生界形成了辽阔的渭河平原。主要地层自老至新简述如 下【2 】： 太古界太华群( a r t h ) ：为北秦岭褶皱带最古老的结晶基底。主要出露于盆地南侧潼 关蓝田一带，在骊山、韩城等地有零星出露。 元古界( p t ) ：主要出露于盆地南侧的清姜河、斜峪关一涝峪口、汤峪、寺沟一带及 骊山南坡，宝鸡以西冯家山附近的千阳河西岸也有出露。 寒武系( c ) ：主要分布于西崛山、瓦罐岭、羊毛湾、张家山、禹门口等地。 奥陶系( o ) ：分布于瓦罐岭、唐王陵、嵯峨山、药王山及韩城禹门口等地。岩性主 要为浅海相的泥页岩、泥灰岩、鲕状灰岩、灰岩和白云岩。与下伏元古界呈平行不整合 接触。 石炭系( c ) ：主要分布于盆地北缘的将军山、尧山、韩城等地，南缘眉县、李家河 一带也有出露。 二叠系( p ) ：分布于石川河以西的黄里镇、口镇、韩城等地。 三叠系( t ) ：出露于韩城禹门口一带及洛河、泾河、漆水河、冶峪河等河谷中。 白垩系( k ) ：主要出露于宝鸡一陇县的金陵河两侧及凤翔县背面的西河、蟠桃河一 带。 第三系：分布于白鹿原、同仁原、横岭原以及骊山周边地带，分老第三系和新第三 系，依次围绕骊山向西、南、东成扇状分布，近骊山者新。大多数掩埋于平原之下，其 上为第四系覆盖，仅在深切沟谷或山地边缘见及。 第四系( q ) ：广布全区，岩性以黄土和砂砾卵石为主，成为类型复杂，以风积、冲 6 长安大学硕士学位论文 洪积、湖积为主，另有冰积、坡积、滑塌堆积。第四系与下伏第三系为不整和接触。由 于原始地形崎岖不平，使第四系沉积厚度差别极大，由西北而东南增厚。盆地沉积中心 处的户县、固市等处，第四系厚度最大，一般为7 0 0 - - - 8 0 0 m ，极者达1 3 0 0 m 。河谷区一 般均大于4 0 0 m ，黄土塬区一般厚1 0 0 - - 3 0 0 m 或小于l o o m 。 渭河盆地地处中国重要的大地构造分界位置上，北接鄂尔多斯台地，南临秦岭褶皱 带，东缘为山西隆起带，西端与鄂尔多斯西南边界弧形断裂束相接。盆地东北部与山西 地堑系相连，它们大致呈s 型展布，由一系列新生代裂陷盆地构成，自南而北依次为渭 河盆地、运城盆地、临汾盆地、太原盆地、沂定盆地、桑干盆地和延怀盆地。渭河盆地 东部还与河南灵宝盆地、三门峡盆地相连，与山西地堑系一起，共同构成一个三叉状形 态，统称为“汾渭地堑 或“汾渭裂谷系 ，与前苏联的贝加尔裂谷遥相对应，是亚洲 大陆新生代典型裂陷构造盆地之一。 由于渭河盆地地处四个不同构造单元的交接过渡部位，加之又受整个汾渭裂陷带整 体活动的影响，其构造属性十分微妙，构造格局十分复杂。渭河盆地南北边缘以发育强 烈的挤压构造为显著特征。 盆地北缘紧邻鄂尔多斯地块。鄂尔多斯地块是元古代中岳运动( 约1 7 0 0 m a 前) 所 固化的华北大陆型地壳的一部分，古生代为海相沉积，中生代末期开始抬升，第三纪以 河湖相沉积为主，第四纪为巨厚的黄土所覆盖。地块内部构造活动微弱，多以北东向平 缓褶曲为主。地块周边挤压构造发育，褶曲强烈，局部可见倒转或推覆构造，并伴随多 组逆冲断裂的发育。 鄂尔多斯地块南缘挤压带东西横亘于渭河盆地的北缘，西起宝鸡，经凤翔、麟游、 淳化、铜川、耀县、白水、韩城，直达山西临汾，长达数百公里，宽约2 - - - 3 公里。卷 入的地层主要为古生界，局部波及中生界。 北缘挤压构造带经历了两次挤压变形，加里东期主要表现为东西向展布的强烈褶皱 变形( 周鼎武，1 9 8 9 ) ，形成一系列南倾北倒的大型不对称紧闭倒转褶皱和同产状向北 逆冲的叠瓦状断层带，组成自南而北逆冲的强烈构造变形带，其间发育以冲断带及其所 夹之褶皱组合层组成的叠瓦状叠置的构造岩片。 燕山期构造运动仍以同方向挤压变形为特征，它使加里东挤压构造带改造，迭加变 形，加剧具变形强度，但更主要是形成宽缓褶皱和新断层，并使北缘挤压变形带向北扩 展。 由此可见，北缘挤压构造带具有两个鲜明的特点。其一，挤压构造带内无古老结晶 7 第二章渭河盆地地裂缝形成的构造背景 基底岩系卷入，也无显著岩浆活动；其二，挤压构造带的构造变形自南而；化由强变弱， 变形规模由大到小，变形类型由低角度的逆掩断裂到开阔平缓褶皱，明显反映构造应力 由强到弱的消减规律。这些特征是鄂尔多斯块体周缘挤压构造带的普遍特征，因此又与 盆地南缘挤压带相区别。 盆地南邻的秦岭造山带是挟持于华北与扬子两大地块之间的大陆山链，曾经历过反 复的“升、降、开、合、扭”活动( 杨巍然，1 9 8 7 ；张国伟，1 9 8 8 ) 。元古宙初期，秦岭 所在地区由晚太古宙统一克拉通地块的分裂而成为初始裂谷；中晚元古宙，通过大陆边 缘演化一板块俯冲对接的形式而相向靠拢成为一个统一的块体；古生代再度裂开，形 成陆间裂谷系，这些裂谷后期遭受强烈变质、变形形成断裂造山带，中生代印支一早燕 山阶段为热隆起一滑脱拆离一推覆构造体制，以断块活动为特征，断块从北往南逆冲推 覆( 吴正文，1 9 9 0 ) ，并伴有东西方向的剪切滑动，晚燕山期，喜山期为陆壳断块阶段， 发育掀斜断块和箕状盆地，组成盆岭构造，整体显示出伸展构造体制。 渭河盆地南北缘基岩区，除发育明显的挤压构造带外，还发育一些拉张构造形迹。 这是因为第三纪开始，区域构造应力由近南北挤压转变为近南北向的拉张，并出现两种 构造效应：一是原有的压扭性断层多转化为张扭性正断层，并沿这些正断层形成一系列 斜列式的小断陷，这些现象在盆地北缘表现较明显；二是先存压扭性断裂反向倾滑转为 正断层，它们不仅明显控制着后期盆地的形成和发展( 彭建兵，1 9 9 0 ) ，而且控制着盆 缘形态，如秦岭北坡和华山山前断层一线形成十分壮观的峭壁、悬谷及断层三角面等。 2 1 2 渭河盆地深部地质构造特征 渭河盆地与其南北两侧地域相比，莫霍面呈一南陡北缓，北东东向展布的隆起带。 在盆地内部，分布有两个引人注目的局部莫霍面隆起区( 图2 1 1 ) ，恰与西安凹陷和固 市凹陷对应。 与盆地边缘的挤压环境不同，渭河盒地内部主要为拉伸构造环境，因此不论从地壳 结构、基底还是到盖层构造，均主要表现为伸展构造体制，并主要表现出如下几个显著 特钳3 】： ( 1 ) 特殊的地壳结构 盆地的莫霍面在总体上为一拱起带，莫霍面埋深不足4 0 k m ，西安附近仅3 4 k m 。向 两侧山地，莫霍面深度明显增加。地壳可分为下地壳( 麻粒岩) 、中地壳，( 低速一高导 混合型层) 和上地壳( 沉积岩、变质岩和侵入岩) ，具有典型的上凹下凸的镜象关系。 8 长安大学碗士学位论文 ( 2 ) 明显的基底岩相分区 物探和钻探资料表明，盆地基底以渭河断裂为界分为南北两区，北区为下古生界分 图2 1 1 关中盆地及邻区莫霍面等深线圈( 据谢振乾) 布区，南区为太古界、元古界和花岗岩混合区，以长安一临猗断裂为界，南区又分为两 个小区，西区为元古界岩湘区，东区为太古界岩相区和花岗岩区，以铜川一耀县一三原 一线为界，北区西部为地槽过渡型的下古生界，东部是具双层结构的华北地台型沉积。 ( 3 ) 典型的伸展构造体制 渭河盆地的断裂构造普遍组合成“，型对偶系列，即伸展断裂系，其主要特征是水 平拉伸的地层和旋转的地块。控制盆地生成发展的断裂为四条，自北而南分别为北山山 前断裂、渭河断裂、铁炉子二余下断裂和秦岭北缘断裂。四条断裂均为伸展断裂，近地 表为高角度正断层，向深处产状变缓呈铲状，延至l o 1 5 1 ( x n 处的低速一高导层消失。 后三条断层的上盘多发育反向正断层，组合成y ，型断裂系结构，这四条断裂控制了 渭河盆地的轮廓，决定了盆地的形成和发展。 ( 4 ) 复杂的断块结构 受基底分区和伸展断裂系的控制，盆地盖层表现出明显的复杂断块结构。根据断裂 展稚、沉积规律及现代形变资料，渭河盆地可分为六个亚区，即西部断隆区、北部断坡 区、咸阳断阶区、高陵一固市断陷区、周至一西安断陷区和骊山断隆区，各断块区均被 伸展断裂所围限。 第二章渭河盆地地裂缝形成的构造背景 ( 5 ) 不对称的箕状盆地 由于盆地南部主伸展断裂与北部反向正断层拉伸运动的不对称，南缘断裂垂直断距 近万米，北界断裂仅2 k m ，造成盆地基底北仰南俯、沉积中心南深北浅，形成一个南北 不对称的箕状盆地，被断裂所分割的次级断块也同步地显示南仰北俯的箕状结构。 ( 6 ) 平面上的斜列格局 盆地内部被断裂分割的大小不一的十几个局部断隆和断陷，在平面配置上呈左行斜 列，第四纪沉陷中心的变化明显反映出这一规律。从宏观上看，包括渭河盆地在内的整 个汾渭断陷带，平面上也明显呈现出左行斜列的配置特征，它们是汾渭裂陷带的左行剪 切作用形成的斜列烙印。 2 2区域断裂及与地裂缝分布 渭河盆地是新生代形成的复式地堑型构造盆地，平面上为一东宽西窄的新月形。盆 地内主要发育东西向断裂( 秦岭纬向构造体系) ，北北东一北东向断裂( 新华夏系) ，北 西向断裂( 含陇西系) 及北东东向弧形断裂( 祁吕系) 等四组活动断裂，也有一些南北 向断裂，其断裂活动具有如下特点： ( 1 ) 近东西向活动断裂系，横贯盆地东西，规模大，形成时间早，活动历史长， 继承性明显，为成盆和控盆的主断裂； ( 2 ) 北东向活动断裂系，以东部发育为主，西部少见，控制着翁地东部的断块结 构和地貌特征； ( 3 ) 北北东向活动断裂系，发育于盆地东部，形成时间较晚，改造了盆地东部的 断块结构，影响了东部的地貌和水系的变化。 ( 4 ) 北西向活动断裂系，发育在盆地西部，对新生代沉积有一定的控制作用，决 定了盆地西部的结构特征和地貌水系的变化。 新生代裂陷盆地的显著特征之一是活动断裂极为发育，渭河盆地作为中国大陆典型 的新生代裂陷瓮地，现代地壳活动十分强烈。更由于它处在四个不同构造单元的交接过 渡部位，加之又受整个汾渭裂陷带整体活动的影响，因此其活动断裂更为发育。区内的 活断层纵横成网、相互切割，不仅控制了盆地的生成与发展，而且还决定了盆地的构造 体制和地质灾害的分布规律。根据区内地裂缝的调查和相关资料绘制的断裂与地裂缝的 分布状况如图2 2 1 。 1 0 k 生 学顺f 。学位论空 f i 一茹岭北蜷断翘 n 一# i 。i i i i 阿断裂 n 一雌1 1 i 一恺盐断裂 n l t 钒盖“i 断裂 f 卜一舟水i t l 断裂 f 6 一翱i l i 北缫斯裂 f 7 一洲m 断裂 n 一采f 铁妒j 州捌 葡 f 1 0 一扎泉浦城一行新袭f l8 一川冀j 、销断裂毋 黧f12-蘸f21誉o-f2籍ii 1114leif 2 2 - - i iiii b j f t i i i 小康一j 、扛断裂陇且t “断裂 j 垆 r 1 卜一j l t 蝌县断裂 i 一城i i ：口断裂 e 乩 f 一矗确一i 。水惭鞋 托n 、断裂o 例，磊a 打 f5 一幡域o f j ! 惭靶| 4 ( 。f 一f ， n 6 帏城# 断裂( = f 掣0 ，l ，一， 博i i 二7 ，k。7 =，hj h 牲 鬻 糕 、扩# n 图2 , 2 1 渭河盆地断裂与地裂缝分布 由图2 2i 可以看山地裂缝的分靠与断层分种存在如下关系： 近东西向断裂系 该断裂系包括口镇关山断裂，渭河南、北岸断裂，骊ii 北侧断裂，余f 一铁炉子 断裂和秦岭前断裂等六条断裂。其中口镇一关山断裂和渭河北岸断分布在盆地北部， 断面南倾，其余四条断裂分布在翁地南部，断面北倾。大地电磁测深资料证实，这些断 裂一般旨为高角度j f 断层，但秦岭山前断裂具铲形特点。它们在前新g 玳皆以压性活动 为特征，至新牛代早期，由于燕山运动后的构造应力调整使这些断裂力学性质发生变 化表现为张性诉断层活动，现今仍且明显的继承性。 秦岭山胁断裂：使渭河笳地与秦岭i i i 地的分界线。泼断裂总体卜呈东西走向局部 发生北东向拐弯，断面北倾，倾角5 0 0 c 右，向深部还有变缓的趋势。断裂在新生代前 的活动| 三l 压件为千，基岩区破碎带宽一达数一米，挤压透镜体，片理及小的逆冲断层发 育，新生代以来，断裂以正断层活动为士。由丁断裂活动，其两盘河流阶地有明强错位， 从尸县到潼关段穿越断裂的2 4 条河流阶地位错幅度数据来看，具巾，i 级阶地相对河 床高度在上升盘为5 10 1 1 1 ，f 降盘为2 7 m ，垂直位错2 9 m ，l i 级阶地在上升盘相 对河床高度为1 2 1 8 m 下降盘5 1 7 m ，垂宣位错5 1 6 m 。 余下一铁炉子断裂：西起周至楼观台，东延入秦岭山区到山要以东，全长在2 0 0 k m 以上，断裂呈东西走向，断面多倾向北，倾角6 0 。8 0 。二迭系，侏罗系，白垩系等均 冁 缱翳麓 冒冒 第二章渭河盆地地裂缝形成的构造背景 受到断裂带控制，并受断裂晚期活动的切割和破坏。断裂向西延伸进入渭河盆地，呈隐 伏状，控制了下第三系沉积而成为该时期盆地的南界。 骊山北侧断裂：西起华清池，经老虎沟，坡房村，柳沟，庙湾，东端交汇于秦岭山 前断裂( 华山西侧山前段) ，全长3 5 公里。断裂总体上呈折线状延伸，西段老虎沟一老 鸦崖段，呈北西走向，产状3 5 0 2 6 1 0 ，坡房村一高刑村段，为北东7 0 0 走向，断面向北 陡倾。上升盘为骊山山地，下降盘为山前洪积平原，东段( 坡房村以东) 断裂走向为北 西西向，上升盘为横岭塬，下降盘为阳廓塬，两塬面高差达1 0 0 - 2 5 0 米。 渭河断裂带：包括呈东西向，大致平行展布的渭河南、北岸两条断裂，它们活动历 史长，控制了渭河盆地基底岩相分布，据物探资料，断裂带以北基岩主要为下古生界， 以南为太古界，元古界和花岗岩侵入体。大地电磁测深资料证实，其切深大于2 0 公里， 为高角度正断层。断裂带以西安为界，东、西两段的活动性有明显差异。西段，北岸断 裂迹象清楚，其北为下降盘( 渭河冲积平原) ，其南为上升盘( 黄土台塬) ，这种分异， 同时表现在断裂带对沉积物厚度有明显的控制作用。除此之外，野外可见断裂位错更新 统及全新统文化层。沿断裂带有地热异常，温泉，地裂缝分布，跨断裂带有明显的地球 化学异常显示，在断裂带与其它方向断裂之交汇部位，历史上曾发生过多次地震，这些 均表明该断裂带第四系以来仍有活动。 渭河断裂带北岸断裂主要在盆地中部咸阳段表现出了较强的活动性，南岸断裂在盆 地东部如华县和渭南段表现了很强的活动性。调查范围内沿该断裂分布的地裂缝主要有 华县七四一厂地裂缝、渭南临渭良田乡金花村地裂缝、咸阳地裂缝群和宝鸡马营镇袁家 坪地裂缝。七四一厂地裂缝原来只有一条，长15 0 m ，开裂宽度为0 0 2 c m ，由于受断 裂活动继续活动的影响，目前地裂缝仍在加剧，现已发展成3 条，最长一条达4 0 0 m ，最 宽达1 0 c m ，剧烈活动的地裂缝迫使整个工厂搬迁。渭河北岸断裂经过咸阳市区，在地 表水入渗及过度抽取地下水诱发因素下在断裂两侧产生与断裂走向一致的多条地裂缝， 造成直接经济损失达9 5 0 7 万元。 口镇一关山断裂：西起口镇西东三庄一带，向东经口镇、鲁桥、阎良到关山后成为 隐伏状向东延伸，断裂近东西走向，总长在2 0 0 公里以上，表层倾向南，倾角4 0 。 - 7 0 。 左右，大地电测测深资料反映其深部向北陡倾。地貌上该断裂为渭河盆地北侧基岩山地 和黄土塬与渭河冲积平原的分界线。调查范围内，沿口镇一关山断裂地裂缝比较多，且 比较集中，其中在口镇发现地裂缝1 8 条，三原鲁桥镇发现地裂缝9 条( 7 条已填埋) ， 西安阎良区2 条，三原县城关镇楼南村1 条。地裂缝的走向与口镇关山断裂的走向有着 1 2 长安人学硕士学位论文 很好的一致性或呈小角度斜交。由于口镇一关山断裂近几年的活动性仍较强，沿线的地 裂缝也表现出很强的活动性。但口镇一关山断裂在阎良区延伸向东活动性明显弱于西 段。三原县鲁桥镇由于处于口镇一关山断裂和礼泉一蒲城一合阳断裂带的交界部位，其 地裂缝的走向也呈现出了不一致性，正谊中学处地裂缝走向n e 6 5o - 7 0o ，与口镇关山 隐伏段断裂走向一致，但鲁桥地税所地裂缝呈1 1 0 0 走向，既不与口镇一关山断裂一致， 与礼泉一蒲城一合阳断裂带走向也没有一致性。 北东东向弧形断裂系 分布于盆地北缘的岐山，乾县，富平，蒲城一带，由近平行展布的两支组成。蒲城 以东，北支( f 1 0 右端) 走向为北东东向，经合阳至韩城附近。南支( f 1 1 ) 走向近东西， 经双泉进入山西境内。断裂沿走向具有分段性特点。 西段( 泾河以西) 该段内北支断裂走向北东6 0 0 ，倾向南南东，倾角4 0 0 , - , 5 0 0 ，南支断裂倾向多为北 西。重磁和人工地震等资料反映断裂深切基底。钻孔资料揭示，北支、南支断裂在中新 世一全新世，断距分别为4 0 0 米，5 0 0 米。调查范围内沿西段主要有礼泉县赵镇石鼓西 村地裂缝和骏马乡上南宁村地裂缝。赵镇石鼓西村地裂缝主裂缝与断裂呈现出垂直的特 点，并呈小角度的“s ”走向，但其一条次级裂缝与断裂走向一致。骏马乡上南宁村地裂 缝与断裂走向吻合的较好。 中段( 泾河到洛河之间) 断裂带中段走向北东- ：i t ；东东向，同时发育一系列次级断层，在剖面上组成由北而 南向盆地中心逐级下降的阶梯状断裂带局部组合呈小型地堑，地垒构造，显示了拉张性 质。据钻探资料，南支断裂渐新世到全新世，断距8 0 0 - 1 0 0 0 米，北支断裂上新世以来， 断距9 4 0 米。沿断裂带在蒲城发育有狭长的凹地，有些部位亦可见温泉出露。调查范围 内受中段断裂影响的地裂缝有泾阳县白王镇范李村四条地裂缝和云阳镇两条地裂缝，三 原县城关镇三里店一条地裂缝和陵前镇曹师凹油房沟三条地裂缝，富平县东上管乡五星 村一条地裂缝，乾县关头乡淡村一条地裂缝。北东东向弧形断裂带从中段开始表现出了 较强的活动性，其中，在乾县、三原和富平段地裂缝，地裂缝走向与口镇一关山断裂走 向相近，但吻合的不是很好，应该是在口镇关山断裂控制下，受北东东向断裂影响作用 下形成。 东段( 洛河以东) 北支断裂与长安一临潼一韩城交汇后走向发生明显转变，变为北东一北北东向。上 1 3 第二章渭河盆地地裂缝形成的构造背景 新世以来，断距1 5 0 0 - 1 8 0 0 米；南支断裂则以北东东向继续向东延伸至临猗附近，为 峨眉台地的南缘，并控制了中新世沉积，影响了上新世和第四纪沉积，为运城盆地北界。 调查区内东段与断裂有关的地裂缝有大荔县高明镇龙贾村地裂缝和东白池村地裂缝、大 荔县段家乡花城水站地裂缝、大荔县安仁