（地质工程专业论文）西安地裂缝发育现状及剖面结构特征.pdf

摘要 自上世纪5 0 年代出现地裂缝活动对建筑物的破坏现象以来，在西安市发现的地裂 缝已达1 4 条之多，成为危害西安城市建设的主要地质灾害之一。对西安地裂缝发育现 状、剖面结构及活动性等方面展开全面深入的调查研究，不仅是对西安地裂缝进行进一 步深入研究的前提和基础，而且对于较好地掌握西安地裂缝发展的新动态、新特点，乃 至及时指导西安市的发展规划等方面都具有一定的参考和指导作用。 本文通过野外调查走访及收集整理资料，绘制出包括单条地裂缝平面展布图，工程 地质剖面图、探槽剖面图及实景照片等内容的地裂缝带状图，便于对西安地裂缝做立体 综合的研究。西安地裂缝平面上沿黄土梁以n e e 走向成带发育，与临潼一长安断裂走向 一致，原有裂缝沿走向向两端延伸，次级裂缝一般位于主裂缝南侧，倾向与主裂缝相反； 地裂缝错断地层的断距随深度增加而增加，具有同沉积断层特征，主裂缝南倾南降，主 次裂缝的典型组合形态，间接反映出地裂缝所处应力场的一些特征；地裂缝活动强度随 着超采地下水的减少而减弱，并显示出构造裂缝活动特征，整体活动强度上依然是东部 强于西部，南部强于北部。西安地裂缝在上述各方面表现出如此强的规律性，可见其发 育及分布明显地受到区域构造作用的控制，而过度抽取地下承压水是其超常活动的主要 诱发因素。 关键词：西安地裂缝，带状图，发育现状，剖面特征，活动性 a b s t r a c t x i a ng r o u n df i s s u r e s d a m a g et ot h ec o n s t r u c t i o n sh a sb e e nf o u n ds i n c et h ef i f t i e so f l a s t c e n t u r y n o w a d a y s ，14g r o u n df i s s u r e sh a v eb e e nf o u n di nx i a na r e a ，a n dg r o u n d f i s s u r e sh a v eb e e nt h em a i ne n v i r o n m e n tg e o l o g i c a ld i s a s t e ri nx i a i lc i t y t h er e s e a r c ho nt h e d e v e l o p m e n tc o n d i t i o n ，s e c t i o ns t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ca n da c t i v i t yo fx i a ng r o u n df i s s u r e s ， n o to n l yc o u l db et h ep r e c o n d i t i o na n db a s eo fad e e p e rs t u d yo nt h ef i s s u r e s ，b u ta l s oc o u l d h e l pp e o p l ek n o wt h en e wt r e n d sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i s s u r e ss ot h a tt h e yc a nm a k ea m u c hb e t t e rl a y o u to f x i a nc i t yp l a n n i n g t h i sp a p e rd r e wx i a ng r o u n df i s s u r e s s t r i p c h a r ti n c l u d i n gt h es i n g l eg r o u n df i s s u r e s p l a n ed i s t r i b u t i o n ，e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a ls e c t i o np l a n s ，e x p l o r a t o r yt r e n c hp r o f i l ec h a r ta n d p h o t o so fg r o u n df i s s u r e ，a n dd os o m er e s e a r c ho nt h ed e v e l o p m e n tc h a r a c t e r i s t i co fx i a n g r o u n df i s s u r e ss y n t h e t i c a l l y g r o u n df i s s u r ei nx i a ng oa l o n gw i t ht h el o e s sf o o t h i l la tn e e ， c o n s i s t e n tw i t hl i n t o n g - c h a n g a nf a u l t t h ef i s s u r e se x t e n dt ot h et w oe n d sa l o n gt h el i n eo f s t r i k e s e c o n d a r yf i s s u r e sl i ei nt h es o u t ho ft h em a i nf i s s u r e sa n dt h ed i po f t h e mi so p p o s i t e t ot h em a i nf i s s u r e s t h ed i s p l a c e m e n to ff a u l ti nt h es a m es t r a t u mi n c r e a s e sw i t ht h ed e p t h ， h a v i n gm a n yc h a r a c t e r i s t i c so fg r o w t hf a u l t t h et y p i c a lc o m b i n a t i o nm o d a l i t yo ft h em a i n a n ds e c o n d a r yf i s s u r e sr e f l e c t si n d i r e c t l yt h ec h a r a c t e r i s t i co fs t r e s sf i e l dw h i c hf i s s u r e s1 i ei n t h ef i s s u r e s a c t i v i t yi n t e n s i t yw e a k e n sw i t ht h ed e c r e a s eo fe x c e s s i v e l yp u m p i n gg r o u n d w a t e r , a n ds h o w sm a n yt e c t o n i cf i s s u r ea c t i v i t yf e a t u r e s o nt h ew h o l e ，t h ea c t i v i t yi n t e n s i t yi s s t i l ls t r o n g e ro nt h ee a s tp a r to ft h ec i t yt h a nt h ew e s tp a r ta n d s t r o n g e ro nt h es o u t hp a r to f t h e c i t yt h a nt h en o r t hp a r t i nt h e s ea s p e c t sc i t e da b o v e ，g r o u n df i s s u r e si nx i a ns h o ws t r o n g r e g u l a r i t y a p p a r e n t l y , t h e i rg r o w t ha n dd i s t r i b u t i o na r ec o n t r o l l e db yt h ea c t i o no fr e g i o n s t r u c t u r ea n do v e r - e x t r a c t i o no fw a t e ru n d e r g r o u n di st h em a j o rr e a s o nf o rs t r o n ga c t i o n i n t e n s i t y k e yw o r d s ：x i a l lg r o u n df i s s u r e s ；s t r i p c h a r t ；d e v e l o p m e n tc o n d i t i o n ；s e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c ；a c t i v i t y 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：以训1 年占月? e t 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：叭 导师签名：彩吃 o 婿年5 月甲e l 7 年厂月甲e l 长安大学硕士学位论文 1 1 课题背景及研究意义 第一章绪论 汾渭盆地地处我国华北地区，现代构造活动强烈，各种地质灾害频发，地裂缝灾害 便是其中最为典型的一种。自2 0 世纪中、后期以来，5 0 余县( 市) 相继不断地出现地 裂缝，灾害十分严重，位居全国之首【1 9 】。地裂缝所到之处，给城乡建设带来了巨大的 经济损失，也给人们的正常生产和生活造成了重要影响，已成为一种独立的地质灾害灾 种。西安地区位于渭河盆地中部，地形自南向北递降，地貌由北而南分为渭河及支流河 谷阶地、冲洪积平原、黄土台塬，山前冲洪 积平原和基岩山地等5 种地貌单元。西安地 裂缝是世界上最著名的城市地质灾害，分布 之广泛，活动之剧烈，致灾之严重在世界范 围尚属少见。自2 0 世纪5 0 年代以来，在西 安城区发现的地裂缝已达1 4 条之多，分布 在1 5 5 k m 2 的范围内，与地面沉降范围基本 一致，总体走向7 0 0 8 0 0 左右，各地裂缝带 间呈1 1 5 k m 等间距排列，地裂缝向东西 两侧延伸，东过灞河，西过渑河。这些地裂 缝穿越工厂、民房，横切地下洞室、路基， 图1 1 地铁2 号线与地裂缝位置分布图 造成建筑破坏、机器停转、道路变形、管道破裂，给城市建设带来了一系列灾害。截至 目前，西安地裂缝带给西安市的直接经济损失已经超过了4 0 亿，而且西安地裂缝还在 不断出现和发展，严重制约着西安市的建设用地使用和城市规划。如拟建的西安地铁2 号线工程，自北向南穿越1 0 条地裂缝和2 条次级裂缝( 图1 1 ) ，地裂缝的存在势必威 胁到地铁2 号线的施工及运营【1 0 1 。如何确保施工过程中的安全及地铁工程建成后的安全 运营，已成为该工程设计的首要技术难题。因此，尽快开展深层次的地裂缝研究，把握 地裂缝的未来扩展趋势并提出相应的防治对策，对于城市规划及城市建设已显得尤为迫 切和必要。 为此，许多专家对探明西安地裂缝的分布、活动特征和成因做了大量的工作，并在 此基础上提出相应的防灾对策，为科学地治理西安市环境地质灾害提供有效的对策依 第一章绪论 据。从8 0 年代以来，陕西第一水文地质工程地质队，话安市地震局、西安市勘测院、机 械工业勘察院、陕西省地质矿产局、长安大学等多家单位，先后开展了西安地裂缝研究， 从不同侧面加深了对地裂缝的认识，提出了许多有益的见解。 西安地裂缝之所以引起人们的极大关注，不仅在于其灾情的严重性，而且还在于西 安地裂缝发育特征的规律性【m 】。本文在搜集汇总前人相关研究资料的基础上，通过实 地详细的野外调查，结合探槽、钻孔、物化探等调查手段，对西安地裂缝的发育现状及 剖面结构特征作以系统的、具体的、详细的研究，据此不仅可以进行西安地裂缝的成因 机理的初析，为西安地裂缝更进一步的深入研究提供更为翔实的资料，而且也可以从地 裂缝的发育特征这一角度来揭示地裂缝的工程致灾机理，从而为通过地裂缝地段的工程 的规划、设计、施工以及对地裂缝的预测、防治等方面提供重要基础。 1 2 国内外研究现状 地裂缝是一种表生地质现象，俗称“地峡 ，是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的地质事件。 地裂缝古已有之并且分布范围甚广，对于这种表生的地质灾害现象，古今中外都有 零星记载。我国早在几千年前就有关于地裂缝的记载，如“黄帝将亡则地裂”( 北宋太 平御览第八百八十卷) ，“昔者三苗大乱，天命殛之地坼及泉”( 墨子非攻下) 等等，诸多古典上都有相关记载。尽管如此，但中国古代对地裂缝灾害的原因并未达到 真知，占主导思想的常常是与其他自然灾难联系起来或者从超自然的关系中寻求原因。 由于地裂缝常与地震相伴生，在古时候，世界上很多地区的人民对地震地裂事件都 有宗教性的解释。圣经中也不乏对地裂的记述，如其中的典故“地裂开，吞下大坍， 掩盖亚比兰一党的人 ，“穹苍降下公义，地面开裂 等。对古代地裂缝的许多引喻还可 在其他宗教著述中见到。 随着时代的进步、经验的积累和技术的发展，人们对于自然灾害本质的认识水平也 逐步提高。但是直至上世纪初期之前，人们对发生地裂缝的事件还都是简单记载，或者 只是简要说明表观原因。 2 0 世纪二十年代后期，美国德州油田发现了第一条与地面不均匀沉降相伴而生的地 裂缝，之后由于大规模的生产活动，美国的地面沉降和地裂灾害一发而不可收，至今已 在全国许多地区发现了不同规模的地裂缝现象。随着人类工程活动的发展和地震科学研 究及野外地质考察的深入，世界各地发现的地裂缝愈来愈多。据初步统计，美国、意大 2 长安大学硕士学位论文 利、新西兰、俄罗斯、土耳其、日本、蒙古、墨西哥、瑞士、智利、德国、秘鲁、加拿 大等国家都出现过不同类型的地裂缝。 我国现代地裂出现相对较晚，首例地裂缝是2 0 世纪5 0 年代末在西北大学校园内发现 的。1 9 7 6 年唐山地震之后，地裂缝灾害加剧，分布范围迅速遍及全国各省，其中大华北 地区的陕西、河北、山西、江苏、山东、安徽、河南七省的地裂缝灾害最为严重【6 】。 1 2 1 国外地裂缝研究现状 1 9 世纪，英国著名的自然科学家c 莱伊尔曾经在其著作地质学原理中描述了 不同成因的地裂缝。2 0 世纪，随着自然科学和工业建设的发展及地震科学研究和野外地 质调查的深入，世界各地发现的地裂缝越来越多。根据国外地裂缝研究成果的检索情况， 国外地裂缝问题的研究以美国开展得最广泛，研究的程度较深【1 1 卅6 1 。其他国家如土耳其 的安纳托利亚地裂缝、泰国曼谷地裂缝、利比亚萨里尔地裂缝等，尽管近年也进行了一 定程度的研究，但研究的程度相对较低。 1 9 1 8 1 9 2 6 年之间，在美国德克萨斯州的g o o s ec r e e k 油田发现了第一条地裂缝， 随后，于1 9 2 7 年在亚利桑那州的p i c a c h o 盆地又发现了地裂缝【1 7 】。在此后的时间内， 美国地裂缝事件时有发生。到了7 0 年代，美国西南的6 个州、1 4 个地区都出现了地裂 缝，给美国人民带来了巨大的经济损失。其中，亚利桑那州便是地裂缝灾害最严重的地 区之一( 图1 1 ) 。早在4 0 多年以前，美国的有关地质学家就已经提醒人们要注意美国 西南部亚利桑那州的地裂缝灾害，但人们对此并不在意【l 引。在过去，由于地裂缝通常发 生在未被开发且人烟十分稀少的地区，地裂缝曾经仅被人们看作是一种好奇的地质现象 ( a ni n t e r e s t i n gp h e n o m e n o n ) ，其灾害性并没有引起人们的注意。近年来，随着人口的 迅速增长，美国人口逐渐向西南部地区转移，加之这些地方以前出现的一些地裂缝已被 充填而成为隐伏地裂缝，人们才开始对这种潜在的地质灾害担忧。对于一些刚搬迁到发 育有地裂缝地区的居民，根本不知道自己的院子或住宅下面是否“隐藏着地裂缝，经 常因此而遭受突如其来的打击。例如，2 0 0 5 年8 月的一个早晨，p a md e v r i e s 惊讶地发 现在自己新买的亚利桑那州的院子里一夜之间突然出现了一条深5 m 宽3 m 的地裂缝， 这条地裂缝是前一天夜里的一场大雨所致，地裂缝使得地面大片土地下陷，严重破坏了 土地的完整性( 图1 1 右图) ，同时也给p a md e v r i e s 一家人带来了很大的震惊。诸如此 类的事件在美国其他一些地区也时有发生。 3 第一章绪论 图1 0 美国亚利桑那州地裂缝( 据r a y h a r r i s - 1 9 9 7 & 2 0 0 5 ) 美国的地裂缝灾害破坏性极大，引起了有关政府部门的注意。1 9 7 5 年，德克萨斯 州通过立法来限制抽取地下水避免因此而引发地裂缝灾害；1 9 9 1 年，亚利桑那州成立 了专门的地裂缝灾害委员会，统一管理地裂缝减灾各项事宜，并提出了普及地裂减灾的 科普教育、地裂早期监测与识别和及时处置相结合的对策。这些措施的实施对减轻地裂 缝灾害起到了一定的作用但随着人类工程活动的加剧，地裂缝灾害并没有“销声匿迹”， 并且在一些地方更加肆虐发展。在美国的加利福尼亚卅1 直到9 0 年代，仍有许多阻地 裂缝损失要求索焙的诉讼案发生。 目前，美国的地裂缝研究主要集中在位于其国土西南部新构造活动比较活跃的盆地 和谷地中，包括亚利桑那卅i 、得克萨斯州、加利福尼亚州、内华达州及新墨西哥州等。 由于这些地方的部分地裂缝是伴随着因长期超采地下水而引发的地面沉降产生的，因 此，关于地裂缝成因的认识，形成了三种不同的观点，即构造成因观点、地下水丌采成 因观点及构造与地下水开采复合成因观点。 构造成因观点最早由l e o n a r d ( 1 9 2 9 ) 提出，他从地震角度分析了1 9 2 7 年9 月1 2 日出现于亚利桑那州皮卡乔城附近的地裂缝及与之相距1 3 k m 的e it i r om i n e 的地面异 常破裂的成因，认为这两处地裂缝现象均与1 9 2 7 年9 月1 2 日出现于亚利桑那州东南部 图森城附近的地震有关。后来其他一些学者也坚持了构造成因观点，但他们的成因机制 解释却不尽相同，其中大多认为构造因素对地裂缝的影响表现为控制性，并不排除其他 因素对地裂缝形成发展的间接影响。 地下水开采成因观点是在研究早期被大多数地裂缝研究者所接受的观点，很多人先 后提出了不同的成因机理，包括f l e t c h e r ( 1 9 5 4 ) 的渗透变形机理、h e a l ( 1 9 6 8 ) 的土 长安大学硕士学位论文 层失水收缩变形机理、l o f g r e n ( 1 9 6 9 ) 的渗透应力拖曳作用机理、s c h u m a n n ( 1 9 7 0 ) 的差异压密变形机理及b o u w e r ( 1 9 7 7 ) 的刚性折裂机理。 h o l z e r 等人经过对亚利桑那州南部p i c a c h o 盆地内地裂缝的活动性、地质环境资料 及地面沉降观测数据的综合分析，认为该区域内的构造条件和地下水开采是影响地裂缝 形成和活动的两个主要因素。 截至目前，国外其他一些国家也进行了地裂缝观测和理论研究，总结了当地地裂缝 的发育规律及影响因素，另外，一些有关地裂缝的预测预报方法也被相继提出，对这些 地方的减灾防灾工作具有重要的指导意义，然而，至于其有效性及实用性还有待进一步 验证。 1 2 2 国内地裂缝研究现状 1 国内地裂缝灾害研究现状 中国对地裂缝的记载比国外早四千多年。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 一 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，伴随的泉涌、喷水现象，对宫室、民房和水井的损坏等， 少数史籍对地裂缝的成因和危害进行了简单的论述，虽然还不够深入，但汇集分析这些 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。 建国后地裂缝研究是伴随探索地震预报和捕捉地震前兆研究开始的。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。国内对地裂缝的研究主要分 成以下几个部分：冀京津区地裂缝、陕晋地裂缝、苏鲁豫区地裂缝、粤桂地裂缝和辽吉 地裂缝【6 1 。 我国现代对地裂缝的研究晚于国外近2 0 年，但涉及区域广，目前较系统的研究主 要围绕汾渭地堑区的地裂缝展开，研究的中心内容是关于地裂缝的成因及成因机制问 题。其中，西安地裂缝的研究开展较早，成果也最为丰富。 谢广林( 1 9 7 9 ) 根据地裂缝区域性分布特点和地壳活动趋势的关联，提出区域地裂 缝的构造成因，认为地裂缝是区域性地壳剧烈变动在地表产生的一种缓慢形变。 李永善( 1 9 8 6 ) 和王景明( 1 9 8 9 ) 通过对汾渭地堑地裂缝的成因研究，提出中国现 5 第一章绪论 代区域地裂现象是近期区域性构造运动强化的结果。 王绍中( 1 9 8 5 ) 等根据地裂缝的分布、发育特点，提出地裂缝是现代构造活动、外 力作用和人为因素共同作用的结果。 夏其发( 1 9 9 0 ) 和张咸恭( 1 9 9 0 ) 等认为汾渭地堑地裂缝主要由构造作用或地震活 动形成，其后又受外力作用或人类活动的诱发作用加速了地裂缝的发生和发展，形成灾 j 亨 吉。 张家明等( 1 9 9 0 ) 对陕西泾阳龙泉、礼泉昭陵、韩城市和山西运城鸣条岗等地裂缝 进行了认识性观察，认为它们都是构造地裂缝，都与隐伏断裂和地震活动有关。 彭建兵教授在对汾渭盆地地裂缝进行调查监测的基础上，研究了汾渭盆地地裂缝形 成、活动与内动力的关系，建立了地裂缝区域成灾动力学模式。 我国地裂缝研究的重点地区是西安、邯郸和大同。对于邯郸地裂缝的成因有水成说 ( 李宏宇等，1 9 9 0 ) 、构造说( 江胜利等，1 9 8 5 ) 和综合成因说三种观点。刘玉海( 1 9 9 0 ) 等对大同地裂缝提出了构造成因的观点，认为大同地裂缝的形成和发展均主要受控于基 底构造的活动。 2 西安地裂缝灾害研究现状 西安地裂缝问题的研究在国内开展的较早。西安地裂缝的系统研究始于2 0 世纪7 0 年 代中期，最初其主要目的是落实震兆，研究初期以地裂缝灾害勘查为工作重点，查明地 裂缝的发育规律及灾害特点为主要研究目的，重点研究西安地裂缝的成因机制问题。 张家明等( 1 9 9 0 ) 认为地裂缝是由基底伸展断裂系在横向拉张应力场作用下形成， 提出了西安地裂缝的断块掀斜成因机制。 王兰生等( 1 9 9 4 ) 通过“西安地裂缝与地面沉降及其控制”课题的研究，提出了构造 重力扩展成因说的观点。 赵其华等( 1 9 9 4 ) 采用灰色动态关联时序分析模型，对地下水超采与地裂缝活动的 关系进行了量化分析，解释了地下水开采对地裂缝形成的作用机制。晏同珍( 1 9 9 0 ，1 9 9 4 ) 采用了矿产基质预测模型和泊松旋回模型进行了此项内容的研究。这些研究成果对于地 裂缝形变和地面沉降的动态关系预测具有重要意义。 冯希杰( 1 9 9 0 ) 根据西安地裂缝发育历史活动性时空特征的实测数据，应用静力位 错理论分析了地裂缝诱导的垂直位移场，对地裂缝两盘在今后一定时期内的位移幅度进 行预测。 陕西地矿局和中国地质大学( 1 9 9 0 ) 采用信息量方法提出了西安地裂缝活动的空间 6 长安大学硕士学位论文 预测预报模型，并根据预测模型计算结果，编制了西安地裂缝活动程度空间预测图。 李新生( 1 9 9 4 ) 和徐光黎( 1 9 9 6 ) 等还利用v e r h u l s t 模型分别对西安地面沉降和地 裂缝活动的时间规律进行了预测。 进入2 1 世纪，随着国家经济水平的普遍提高，中国各大城市已加快建设步伐，人 类工程活动也日益加剧，地裂缝问题如“雨后春笋”般再次摆在了人们面前，其发展的 肆虐性及破坏的巨大性使人们不得不对其进行更深一步的研究，目前以汾渭盆地的地裂 缝灾害研究最为火热。 2 0 0 4 年以来，陕西省地质环境监测总站和长安大学合作，承担了中国地质调查局下 达的西安地区地裂缝调查任务，如今已分别完成了西安地裂缝1 ：1 0 0 0 0 地质填图、地 下水位、水准测量、分层标及自动化仪器监测等监测工作与g p s 观测网建设以及2 0 k m 的浅层地震勘探工作，进一步查明了西安市地裂缝的发育规律和活动状况。 2 0 0 5 年，以彭建兵教授为首的长安大学研究团队承担了中国地质调查局下达的汾 渭盆地典型地区地裂缝地面沉降监测与防治研究( 1 2 1 2 0 1 0 6 4 1 4 0 3 ) 项目任务，该项目 旨在解决当前地裂缝和地面沉降等地质灾害调查、探测、监测、评价及防治中的一些关 键科学技术问题，预测地裂缝的发展趋势及其可能引发的城市地质环境潜在危机及工程 建设安全性隐患，为城市规划、建设与管理以及社会公众信息需求提供服务。 上述许多国内生产、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。其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、长安大学、成都理工大学、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、成都理工大学等都做了大量工作，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。 经过一些学者先辈的调查研究，已基本摸清了西安地裂缝的分布特点，( 图1 4 ) ， 以及剖面结构上的一些特征。本文在总结前人相关研究资料的基础上，通过实地详细的 野外调查，具体针对单条地裂缝，通过对其平面扩展、剖面结构及活动性的综合分析， 7 第一章绪论 总结地裂缝发育发展的规律，并对其成因机理做初步分析。 1 3 研究内容及技术路线 图1 3 西安地裂缝平面分布图 本文是依托导师彭建兵教授主持的汾渭盆地典型地区地裂缝地面沉降调查与监测 项目完成的，笔者在研究生学习过程中参加了此项目，主要参与了野外实地调查，以及 通过探槽、探井、钻孔及地震等手段对地裂缝剖面进行勘察研究。野外调查以1 ：2 5 万地形图作为手图，对整个地裂缝影响区实地走访调查，野外观测点用手持g p s 定位， 或利用地形图中的明显标志用皮尺量测，对调查区内的典型地裂缝灾害点进行详细描述 和拍照。地裂缝剖面研究中，本项目尽可能多地在典型灾害点进行探槽、钻孔等勘察方 法，有些地点受条件所限则结合地震等间接手段了解地表以下地层的开裂错断情况；另 方面与实际工程项目合作( 如西安地铁项目等) ，以求更大限度地获取具体翔实的资 料对地裂缝剖面进行分析研究。 根据项目内容及本人的论文，确定了本文的研究内容如下： ( 1 ) 通过野外大量的调查研究，做出详细反应西安地裂缝平剖面特征的带状图， 总结西安地区地裂缝的分布和发育规律； ( 2 ) 通过钻孔、探槽及地震等工程，揭示和发现西安地裂缝的剖面特征； ( 3 ) 对西安地裂缝活动特征进行描述分析； ( 4 ) 结合地裂缝平面发育规律、剖面结构特征及其活动特征对西安地裂缝的成因 8 长安大学硕士学位论文 机理进行初析。 为完成以上研究内容，确定本文的研究路线如下： 图1 4 本文的主要技术路线图 9 第二章西安地裂缝发育的地质背景 2 1 自然地理 第二章西安地裂缝发育的地质背景 西安市座落在渭河冲积平原中段南部( 图2 1 ) ，北临渭河，南依秦岭，东达骊山， 西至沣河，位于北纬3 3 。3 9 ，_ 3 4 0 4 5 ，东经1 0 7 0 4 0 - - 1 0 9 。4 9 之间。地势总格局是东南高 而西北低。东南为黄土台塬，由东南往西北呈阶梯状下降，西北是大片冲积平原，地势 开阔平坦。全区海拔3 6 0 - - 7 0 0 m ，河谷冲积平原区多低于5 5 0 m ，黄土台塬区一般为5 5 0 - 7 0 0 m 。 图2 1 西安市地理位置图 气候属暖温带半干旱、半湿润大陆季风气候，一年四季分明，其特点是冬干旱，秋 多阴雨，夏有伏旱，形成旱涝不均的气候特征。多年平均气温1 3 3 ，极端最高气温4 5 2 c ( 1 9 3 4 年7 月1 4 日) ，极端最低气温2 0 6 ( 1 9 5 5 年1 月2 2 日) 。年平均降水量5 8 6 1 m m ， 最大9 0 3 2 m m ( 1 9 8 3 年) ，最小2 8 5 2 m m ( 1 9 3 2 年) ，降水量由南向北递减。多年平均 蒸发量1 5 6 2 m m ，且由西南向东北递增。市内河流主要有渭河及其支流灞河、沪河、沣 河等。 1 0 长妻 学颤学位论i 2 2 地形地貌 2 2 1 西安市整体地貌 西安市区座落于渭河冲积平原中部渭河南岸，南依秦岭，北临渭河，东抵骊山，西 至沣河。地势东南高而两北低，依次分布有黄土台塬、冲洪积平原和河流阶地。全区海 拔3 6 0 m - 7 0 0 m ，从东南往西北呈阶梯状降低。 2 2 2 西安市区的梁、洼地貌 在洪积平原区发育有构造作用形成的黄土梁洼地貌，由十条北东东走向狨长的黄土 梁和依次相问的沣地组成。分布在南北宽约1 2 1 a n ，东西长约1 4 k m 的范围内。黄土梁 地貌的总地势为东南高，西北低，它与骊山的强烈隆升相适应( 图22 ) 。黄土梁与沣地 在平面上均呈北东东向展布的长条形，近乎平行等间距排列；二者横剖面不对称，南陡 北缓，洼地则北深南浅；纵剖面东高西低，最大高差可达5 0 m ，一般在1 0 2 5 m 之间； 每条黄土粱南侧坡脚下都发育有南倾南降的正断层。1 0 条梁与洼相间分布，且由南向北 高程迓次下降。 图2 2 骊山逆冲断层面图图2 3 西安地区地貌与地裂缝分布略图 2 3 地层岩性 西安市区沉积有第四系和第三系。第四系松散层岩性以砂砾卵石、砂、粉士、粉质 耕土、黄土为主，其底界埋深3 0 0 9 0 0 r a ，埋深由东南向西北逐渐加深，为西安市地下水 含水层。第三系主要岩性为泥岩、砂质泥岩与砂砾岩，顶板埋深4 0 0 - - 4 0 0 0 m ，地层厚度 第二章西安地裂缝发育的地质背景 4 0 0 - 3 0 0 0 m ，富含地下热水，其中埋深1 0 0 0 - - - 3 0 0 0 m 层段为主要地热开采层。主要地 层岩性见表2 1 。 表2 1 西安地区地层岩性简表 地层代地层厚度 系统号 ( m ) 岩性简述 以冲洪积相为主，次为风积相，下部岩性为砂、砂 全新统 q 4 砾石、不稳定亚粘土层，上部为亚粘土，项部为黄 土状亚粘土。 第上更新沉积相主要为冲积、洪积、风积相，下部为砂卵石 四 统 q 3 3 0 0 9 0 0 层，上部为弧粘士或黄土状土，夹1 _ 2 层古土壤 系 中更新冲洪积层分布于黄土源前，岩性以黄士状亚粘土为 统 q 2 主，夹薄层砂、砾石层。 下更新沉积相自南而北可分为洪积、冲洪积、湖积相、相 统 q l 互呈相变关系，其物质组成亦因岩相而异。 上部为黄棕、浅灰绿色泥岩；中部为浅紫褐、黄棕 上新统 n 2 色砂质泥岩与砂砾岩互层，富含灰质，下部为浅紫 第褐色泥岩、浅棕色砂岩。 4 0 0 为棕黄色河湖相砂、泥岩沉积、含灰质及钙质结核中新统 n i 3 0 0 0 系 渐新统 e 3 以灰白色块状砂岩夹红棕色泥岩为特征。 以大套红色为特征，下部以泥岩为主，上部为砂泥 始新统 e 2 岩互层。 前第 主要由寒武、奥陶系的灰岩、石炭系及二叠系的海 陆交互相碎屑岩和含煤地层以及太古界、元古界花 三系 岗岩混合岩组成。 2 4 地质构造 西安地处渭河盆地中央的西安凹陷区的东南部位，在深部构造上为一地幔隆起带， 莫霍面埋深仅3 4 k m ，向南北两侧，莫霍面深度明显增加。大地电磁测深资料反映出西 安地区中上地壳l o - - - 2 0 k m 深度范围内存在厚约6 8 k m 的低阻高导层，为地壳的软 弱带；新生代以来，本区一直处于南北向引张应力场作用下的伸展拉伸环境之中。这种 深部构造背景和构造应力场背景，为西安地区断裂的活动提供了有利的条件。西安四周 被序次不同的正断层所围限，市区内分布有渭河断裂、长安临潼断裂、沪河、灞河断 裂、沣河断裂以及次一级的小断裂( 图2 3 ) ，其中渭河断裂以及临潼长安断裂带延伸 及切割深度大，活动性强，为区域性活动大断裂，对本区构造稳定性影响较大。断裂以 正断层为主，走向呈北东、近东西、北西向分布。断裂的继承性活动对地层分布、岩性 厚度变化、地貌发育、水文地质特征及地热分布均有重要的影响。 1 2 长安大学硕士学位论文 西安地区涉及到的构造分区、主要断层、新构造运动和地貌特征等，归纳起来有如 下几点： ( 1 ) 西安地区处于渭河地堑南北向强烈拉张的构造环境中，南北向的伸展构造和 掀斜断块是该区域的基本构造特征； 图2 4 西安地区地质构造略图 ( 2 ) 西安地区又处于西安凹陷的东西向次级伸展构造与掀斜断块的构造环境中， 这种复式地堑构造增加了西安地区构造运动的复杂性； ( 3 ) 不同序次的同向或反向平行断裂组在西安地区广泛发育，这是西安地区地质 构造的一个突出特点； ( 4 ) 盆地两侧断裂长期的垂直差异运动造成了西安地区巨厚的冲积、沉积层，该 层又具有明显的横向及垂向不均匀性。西安地区属历史上中强地震活动带，是渭河盆地 强震密度最高的地区。据历史地震记载，自公元前1 1 8 9 年至今3 0 0 0 多年间，近场内共 发生破坏性地震( m 4 三) 1 5 次，最大地震是1 5 6 8 年在西安以北发生的6 三级地震，震 44 中烈度高达度，其次是1 4 8 7 年成阳临潼问发生的6 三级地震。自1 6 0 7 年最后一次m 4 1 = 4 地震以来，西安地区平静了近4 0 0 年。但自1 9 7 7 年以来，西安北面的草滩又陆续 4 有小震发生，如1 9 7 7 年和1 9 8 4 年前后西安东北草滩地区曾有微震发生，其中1 9 7 7 年8 月2 3 日草滩地震最大震级为2 9 级，震中烈度达v 度。这说明本区构造活动近年来又趋 1 3 第二章西安地裂缝发育的地质背景 于一个活跃时期。 2 5 水文地质条件 根据地下水埋藏条件及水力性质，结合开发利用实际，将区内含水层划分为第四系 松散岩类孔隙水和第三系碎屑岩类裂隙孑l 隙水。 ( 1 ) 第四系松散岩类孔隙水 以开采段深度约6 0 7 0 m 的作为潜水含水层底板，承压水含水岩组底界埋深定为 3 0 0 m 左右。 潜水含水岩组 主要由第四系全新统、上中更新统冲积、冲洪积、洪积砂砾卵石及风积黄土单层或 多层的含水层组成。自南向北，随地貌单元的更替，其含水层颗粒由粗变细再变粗，含 水层厚度由厚变薄再变厚。潜水位海拔由高到低，底板埋深3 0 8 0 m ，总体含水层厚度 1 0 7 0 m ，是目前农田供水和城市傍河水源地的主要开采层位，在集中开采区已形成水位 降落漏斗( 图2 5 ) 。 1 等水位线2 地裂缝 图2 5 西安市潜水流场图( 2 0 0 7 年8 月) 承压水含水岩组 承压水含水岩组埋藏于全区，由第四系中下更新统上部冲洪积和河湖积松散岩层组 1 4 长安大学硕士学位论文 成。是一套以砂层为主，砂、砂砾卵石、粉土、粉质粘土互相叠置不等厚互层。底板埋 深3 0 0 m 左右，含水层厚5 0 - - - 1 8 0 m 。含水岩组的结构和分布受基底构造和古地理环境 控制，其特点是层数多、厚度大，由东南向西北方向增厚，是目前城市供水水源，尤其 是西安城郊自备井区的主要开采层位。从二十世纪5 0 年代到9 0 年代，承压水井从2 口 猛增到5 3 3 口，开采量从7 7 x 1 0 4 m 3 a 剧增，到1 5 4 0 0 x 1 0 4 m 3 a 。由于长期超采，承压水 水位降幅从o 5 o 8 m a 增至5 m a ，最大降幅达1 0 m a 。已形成西北工业大学、陕西财院 及仁厚庄等四个比较大的降落漏斗( 图2 6 ) ，目前降落漏斗中心水位降深累计达 7 0 1 2 0 m ，由此造成了城郊区严重的地面沉降。 团- 圈z 团3 1 承压水等压线( m m )2 降量等值线( m m )3 地裂缝 图2 6 承压水开采漏斗、地面沉降及地裂缝分布图( 0 7 年8 月) ( 2 ) 第三系碎屑岩类裂隙孔隙水 该层裂隙孔隙水主要用于采暖、洗浴等。目前，有1 3 9 眼井，井深一般1 5 0 0 - 3 5 0 0 m ， 水温4 0 1 1 3 ，开采量3 0 0 x 1 0 4 m 3 a 。由于1 0 多年的超量开采，导致地热水水头大幅度 急骤下降，由成井时的地上几十米下降到目前的埋深1 5 0 m 左右，形成了区域性降落漏 斗( 图2 7 ) ，并出现吊泵、开采量减少等一系列问题。实地调查发现，主要由第三系泥 岩、砂质泥岩与砂砾岩构成。由于富含地热水，为城市地热开采含水层。二十世纪9 0 年代初，西安市各单位纷纷开凿地热井，抽汲地热，在许多地热井的周围，出现不同程 度的地面沉降。 第二章西安地裂缝发育的地质背景 1 水头等值线2 地裂缝 图2 7 地热水头等值线图( 2 0 0 6 年9 月) 2 6 人类工程经济活动 西安属于水资源紧缺地区，为解决居民的生活及生产问题，对第四系松散层潜水和 承压水的开采日益加重，并在集中开采区形成了水位降落漏斗，造成了城郊区严重的地 面沉降，加剧了地裂缝的活动程度。用于采暖、洗浴等的地热开发，也形成了区域性第 三系裂隙水降落漏斗，其对地面沉降是否存在影响还未定论。随着经济的发展，城市建 设规模不断扩大，高层建筑日益增多，地下管道等生命线工程和人防工程都对地面沉降 和地裂缝存在一定的影响。 1 6 长安大学硕士学位论文 第三章西安地裂缝平面分布规律 西安地裂缝是一种地区性的灾害地质现象，包括已出露地表的地裂缝和未在地表出 露的隐伏地裂缝。八十年代在西安市区就已发现地裂缝七条，到九十年代初在西安市区 及近郊发现地裂缝条数升至十条。通过近几年工作，目前已发现1 4 条( 表2 1 ，其中f i 4 是在2 0 0 6 年地铁勘探时发现) ，同时还有明显活动的次级地裂缝f 5 、f 6 及f 9 。 3 1 西安地裂缝发育概况 表3 1 地裂缝名称一览表 地裂缝带编号地裂缝带名称 f i辛家庙地裂缝带 龟红庙坡一米家岩地裂缝带 北石桥一劳动公园一官亭西地裂缝带 i丈八路一幸福北路地裂缝带 6丈八路一和平门一灞桥热电厂地裂缝带 坛丈八路一草场坡一纺渭路地裂缝带 岛北岭一小寨一国棉四厂地裂缝带 最石羊村一大雁塔一新兴南路地裂缝带 s齐王村一陕师大一大唐芙蓉园地裂缝带 r i o西姜村一射击场一长鸣路地裂缝带 f l l南寨子一交警总队一南窑村西地裂缝带 f i 2三森家居一东三爻一雁南四路地裂缝带 f i 3雁鸣小区一新开门地裂缝 f i 4下塔坡村一长安路 1 4 条地裂缝均匀分布在临潼一长安断裂带上盘，呈近平行等间距排列展布，其间以 洼地、黄土梁相隔，间距约1 0 1 5k m 。其多成群成带发生，每条地裂缝带由一条或数 条不同等级的裂缝组成，次裂缝与主裂缝走向较相近。地裂缝向东西两侧延伸，东过沪 河，西到皂河边，分布面积约2 5 0 k m 2 ，总延伸长度1 6 0 多公里，地表出露7 0 余公里，单 条地裂缝地表出露最长1 3 公里( 地铁一号线勘察) ，一般宽度0 1 8 c m 。多数地裂缝都是 南降北升的地表陡坎，南盘相对于北盘下降。地裂缝的破坏宽度为上盘宽度2 0 m ，下盘 宽度1 5 m ，主变形区上盘宽0 5 m ，下盘宽o , - , 3 m ；弱变形区上盘宽5 l o m ，下盘宽3 8 m ； 微变形区上盘宽l o 2 0 m ，下盘宽8 1 5 m 。 1 7 第三章西安地裂缝平面分布规律 3 2 西安地裂缝的发育位置及其特征 由西安市在西安凹陷中所处的位置可知，其地貌的大形是东南高而西北低。它的地 貌单元包括：渭河河漫滩、渭河一级阶地、渭河二级阶地、渭河三级阶地、古河道洼地、 黄土塬和黄土梁等。西安市从南到北有1 0 条黄土梁( 表3 2 ) ，其高程自南向北逐次下降， 1 4 条地裂缝就发育在这种梁洼相间的地貌单元上，除最南边的f ；和f l o 的一部分发育在黄 土梁的北侧外，其余的都发育在黄土梁的南侧。无论黄土梁的高度如何变化，也不管黄 土梁的局部走向如何改变，地裂缝总是与其相伴( 图3 1 ) 。 图3 1 西安地裂缝带分布图 表3 2 西安黄土梁分布表 名称位置规模及走向形态特征备注 光大西安最北东西长5 千米，南属渭河二级阶地。从东向西顶面高程由4 1 3 米辛家庙地裂f l 门黄 边，与辛家北宽1 千米，走向降至3 9 8 米，南侧缘比北侧缘高约7 米。南坡 即位于该梁 土梁庙洼地相n e e陡，高出洼地4 7 米。北坡缓，向北过渡到的南坡 连渭河三级阶地 龙首南接八