（地质工程专业论文）泾阳地区地裂缝成因机理研究.pdf

摘要 泾阳地区是地裂缝灾害分布十分密集的地带，其破坏性是有目共睹的。尤其发育于 北山山前的地裂缝，其成因复杂多样，实质上也是多种因素作用下的一种综合效应。本 文通过对地裂缝发育的地质背景，以及地裂缝的空间分布特征，平剖面特征及时间特征 等发育规律的研究，分析了地裂缝有关的具体形成因素，并在此基础上讨论了泾阳地区 地裂缝的成因机理。 通过野外调查发现泾阳地裂缝主要发育于北山山区的洪积扇区和黄土台塬地带，而 且主要分布在活断层附近，与断层的走向有着很好的一致性。分析和研究表明，泾阳地 裂缝的发育主要受口镇一关山断裂和龙泉拓赵两条纬向断裂带控制，成因上主要分为 构造地裂缝和非构造地裂缝，显然以构造地裂缝为主，并且受构造节理影响的最多。大 多数近东西的地裂缝的分布与基底隐伏活动构造带有明显的对应关系，也有部分北东北 西向“x 型地裂缝与附近北东向活动断裂有关。其中由断层活动引起的地裂缝尤其受 口镇一关山断裂影响发育的地裂缝，通过数值模拟解释了其多发育于断裂附近尤其上盘 的原因。研究还表明泾阳地区北东北西向地裂缝多是在构造节理控制下发育的，并且只 有当黄土节理开启情况下才会因水而形成地裂缝，而由于特殊地形地貌南北向的地裂缝 也是受黄土节理控制的。泾阳地区同时也发育有非构造因素形成的地裂缝，如湿陷地裂 缝和滑坡地裂缝。 关键词：泾阳地区，地裂缝，发育规律，成因机理 a b s t r a c t t h ed i s t r i b u t i o no fg r o u n df i s s u r ed i s a s t e ro fl o e s si s v e r yi n t e n s i v e i nj i n g y a n g d i s t r i c t i t sd e s t r u c t i o ni se v i d e n tt o a 1 1 e s p e c i a l l yt h ec r a c k si nt h ep i e d m o n to fn o r t h e r n m o u n t a i nw h o s ec a u s e e sa r ec o m p l e xa n dv a r i e d ，i nf a c t ，a r ea l s ot h es y n t h e t i c a le f f e c t su n d e r av a r i e t yo ff a c t o r s b yt h es t u d yo ft h eg e o l o g i c a lb a c k g r o u n da n a l y s i sa n dt h es p a t i a l d i s t r i b u t i o n ，p r o f i l ef e a t u r e sa n dt i m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec r a c k s ，a n a l y s et h es p e c i f i c f a c t o r so ff o r m a t i o no ft h ec r a c k s ，a n do nt h eb a s i so ft h e s e ，d i s c u s st h ec a u s ef o r m a t i o n m e c h a n i s mo ft h ec r a c k s t h r o u g hf i e l di n v e s t i g a t i o nf o u n dt h a tj i n g y a n gt oc r a c km a j o rd e v e l o p m e n ti nt h eb e i s h a nm o u n t a i n a r e aa l l u v i a ls e c t o ra n dt h el o e s sp l a t e a ua r e a ，b u tm a i n l yi nt h ev i c i n i t yo fa c t i v ef a u l t sa n df a u l tt h e d i r e c t i o no fag o o da g r e e m e n t a n a l y s i sa n dr e s e a r c hs h o wt h a tt h ej i n g y a n gt ot h ed e v e l o p m e n to fc r a c k s i nt h em a i nk o u z h e n - g u a ns h a no ff r a c t u r ea n dt h el o n g q u a n t u o z h a ot w oz o n a lf a u l tc o n t r o l ，i s d i v i d e di n t ot h em a j o rc a u s e so fs t r u c t u r a la n dn o n s t r u c t u r a lc r a c k sa n dt h ec r a c k s ，a p p a r e n t l yt ot e c t o n i c m a i n l yt oc r a c k sa n dj o i n t sa f f e c t e db yt h es t r u c t u r eo ft h em a x i m u m m o s to ft h et h i n g st h a tc r a c k sn e a r t h eb a s e m e n tc o n c e a l e da c t i v i t i e sa n dd i s t r i b u t i o ns t r u c t u r ew i t hc l e a rr e l a t i o n s h i p ，b u ta l s ot h en o r t h e a s t p a r to fn o r t hw e s tt ot h e ”x ”- t y p ec r a c k si nt h ev i c i n i t yo ft h en o r t ha n de a s tt ot h ea c t i v i t i e so ft h e f r a c t u r e a c t i v i t i e sb yt h ef a u l tw h i c hc a u s e dt h ec r a c ki np a r t i c u l a rb yt h ek o u z h e n g u a ns h a nf a u l t a f f e c t i n gt h ed e v e l o p m e n to fc r a c k s ，b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oe x p l a i ni t sm o r ed e v e l o p e di nt h en e a r f a u l t - e s p e c i a l l yo nt h er e a s o n s t h es t u d ya l s os h o w e dt h a tj i n g y a n gr e g i o nn o r t h e a s tn o r t hw e s t g r a v i t r o p i s mm o r ec r a c k si nt h es t r u c t u r eu n d e rt h ec o n t r o lo f j o i n td e v e l o p m e n t ，a n do n l yw h e nt h el o e s s j o i n t sd u et ob eo p e n e du n d e rw a t e rt oc r e a t ec r a c k s ，a n dt h es p e c i a lt o p o g r a p h yt ot h en o r t ha n ds o u t hi s a l s os u b j e c tt oc r a c k sl o e s sj o i n tc o n t r 0 1 j i n g y a n gr e g i o na l s od e v e l o p e dan o n s t r u c t u r a lf a c t o r si nt h e f o r m a t i o no fc r a c k s ，s u c ha sc o l l a p s i b l ea n dc r a c k sa n dl a n d s l i d e sa n dc r a c k s k e yw o r d s ：j i n g y a n gd i s t r i c t ；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己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：王画强w 时年舌月6 日 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) 训s 年多月占日 刎年6 月石日 强考 一曲随参1卫多 名 孔 獬 名 者 签 作 再 则 师 滟 导 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 研究意义 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，岩土层发生破裂的一种地质现象。在地层深部，地裂缝由于受围压限制 常闭合比较紧密，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【1 1 。 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、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。 泾阳地裂缝解放前曾有出现，1 9 5 0 - - 1 9 7 6 年间也时有发生，因其分布范围小，延伸 短，对民居和农田危害甚微，未曾引起群众重视。1 9 7 8 年西安市发生地裂缝后，为查清 其区域背景，人们对渭河裂谷及其中地裂缝有所关注，尤其是1 9 8 3 1 9 8 4 年龙泉乡岳 家庄和蒋路乡蒙家沟地裂缝伴随小震群发生，更引起当地群众、政府部门和有关生产、 第章绪论 科研单位的重视，多次到现场考察共发现地裂缝3 条。泾阳地裂缝主要分布区位于陕西 省泾阳县北部口镇、蒋路和龙泉三镇，分布在东西1 5 k m 、南北宽4 k m 、面积6 0k m 2 的范 围内。1 9 8 8 年王景明等对泾阳北部三乡进行l ：1 万地裂缝地质填图，共发现8 l 条，累 计长1 8 1 9 4 m ，损失民房7 6 间、楼房和厂房1 9 幢、墙1 0 堵、窑洞1 9 孔，因地裂缝3 8 2 7 k m 2 农田开裂漏水，当时估算经济损失2 1 4 0 万元。2 0 0 7 年宋彦辉等人对整个咸阳地区进行 了更为详尽的调查，发现泾阳地区的地裂缝竞占到了8 0 ，可见其灾害分布之广，危害 之大。 由于地裂缝的类型多，成因复杂，又是一种不断的反复开启，严重的影响了农田灌 溉，更加威胁了人民群众的生命财产安全的自然现象。因此，研究泾阳地区地裂缝的成 因机理对于防灾减灾具有重要现实意义。 1 2 国内外研究现状 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为广泛【2 7 1 。 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【8 】。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【9 j 。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 n i m 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竟然出现了一条深5 m 宽3 m 的地裂缝，这条地 2 k 立太学碰i ：学位论立 裂缝是前一天夜罩的一场大雨所致，地裂缝使得地面人片土地下陷，严重破坏了土地的 完整性( 图11 右图) ，同时也给p a m d 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经常上演。 图1 1 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i ”1 。1 9 7 5 年，德克萨 斯州通过立法来限制抽取地下水，避免冈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宣，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“销直匿 迹”，并且在一些地方更加肆虐发展。在美国的加利福尼亚州，直到9 0 年代，仍有许多 园地裂缝损失要求索赔的诉讼案发生。 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，包括利桑那州、加利福尼亚州、得克萨斯州、内华达州及新墨西哥卅i 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、地下水开采成 因观点及构造与地下水丌采复合成因观点。 构造成困观点最早由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 乔城附近的地裂缝及与之相距1 3 k i n 的e lt i r om i n e 的地面异 常破裂的成困，认为这两处地裂缝现象均与1 9 2 7 年9 月1 2 几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峰持了构造成因观点，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 第一章 绪论 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、n e a l ( 1 9 6 8 ) 的土 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 对地裂缝有最早记录的是四千多年前的中国。据历史考证，三苗欲灭时，大约相当 于夏代之前7 0 0 多年的黄帝晚期，约为公元前2 5 5 0 年左右【l l 】。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。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。 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 4 女 学十学位论文 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j 大地震后 不久，又都伴随这些城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， 分别刀= 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。 然而位于青藏、鄂尔多斯、华北、华南四大块体之间的汾渭盆地构造带( 图12 及 图13 ) ，全长千余公里，总体呈n e s w 向的“s ”型，地理坐标大致为3 4 。3 6 。n 和 1 0 7 w 1 1 2e 之间，由系列新生代断陷茹地组成，包括大同盆地、忻定盆地、太原简 地、临汾盆地、运城盆地及渭河盆地等六大盆地，是世界上著名的地震、地质灾害活动 区之一，地裂缝便是其中最典型的地质灾害。目前，在西安、大同、榆次、临汾、运城 等地区，由地裂缝引起的经济损失_ 已达到了几千万至几十亿元，严重威胁着当地的居民 生活和经济建设“。 图1 2 汾渭盆地及邻区活动构造图 有关汾渭盆地地裂缝成冈机理方面的研究，还存在不同的观点和争议，成因争论最 早起自于西安地裂缝的研究，其l j 包括“构造说”、“水成说”以及“复台戚因说”这 几种观点差异很大，迄令依然莫衷一是。然而，随着研究工作的不断深入，越束越多的 人认为西安地裂缝以构造成因为主，即地裂缝是由基底伸展断裂系在横向拉张应力场作 用下形成的，并同时叠加了地下水开采的影响。其代表性的观点有张家明的斯块掀斜成 第一章绪论 誓) 伴囊静蒜童t d _ 静麓生地l埘饼( 捌) 毒l 秭睡生曩盘露翰堆煞赡i￥生艇墩蜷生蠢曩一秭毫誊砖# 一a 一千儿蜢誊壤蠢赶 2 堰山静辕蠢 毒石h 共朔块蠢l4 ，舞茗惭壤囊起l5 秭壤t i 图1 3 汾渭地堑区域地质图 因论，刘国昌、王景明的隐伏断层蠕动成因论【1 3 1 4 1 ，王兰生的构造重力扩展成因论【1 5 】， 彭建兵的主伸展断裂伸展活动成因论【1 6 】，李永善、吴嘉毅等的基底断裂活动成因论【m 】。 这几种观点虽然概化的成因模式各有所不同，但共同特点是构造成因为主。 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 6 长安 学顾t 学位论立 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。西安市地 裂缝的分布形态在平面上具有定向性、成带性和等间距性特征( 图14 ) ，在剖面上大致 呈“阶梯状”、“y 型”及“追踪式”三种形态( 图1 5 ) 。这些地裂缝均沿n e e 方向平 行伸展，并且具有垂直位错、水平拉裂和扭动等三种变形特征。 图l _ 4 西安地裂缝平面分布图 n 梯状( b ) “y ”型c c ) 】8 踪武 图1 5 西安地裂缝剖面组合形式图( 据彭建兵，1 9 9 1 ) 关于大同地裂缝的成因，刘玉海、陈志新、马国栋和徐锡伟均认为大同地裂缝的形 成和发展主要受控于基底构造活动，与过量开采地下水没有直接联系【”】。与此不同国家 地震局地质研究所的研究结果认为，基底的构造活动仅是大同地裂缝形成的背景因素， 地裂缝的形成则主要受过量开采地下水的影响地裂缝活动量的7 0 与地下水开采引起 的地而沉降有关。 同样关于榆次、清徐、临汾、运城、渭南、赋阳、三原等地的地裂缝调查或勘探 结果均显示与隐伏活动断裂或旁侧活动断裂的活动有关。彭建兵等曾于2 0 0 4 年夏冬时 第一章绪论 节分别对渭河锭地的泾阳地裂缝和运城地区峨嵋台地地裂缝进行过调查研究，发现这些 地区的地裂缝多沿黄十中的构造节理发育，强降附时的地表水入渗的渗透侵蚀可在一位 之间沿构造节理冲蚀出长数百米的地表裂缝显然这类地裂缝与构造节理的开启活动有 关强降雨是地裂缝显露地表的诱发因素i 。 综合研究表明，地裂缝的形成和发育受多种因素的影响。主导冈素足控制地裂缝 孕育、发生、活动及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；诱发囡索是决定和影响地裂缝发生时、地段、强度的凼素，主 要有降水、干甲、重力、地震等自然因素和抽取地下水、农灌等人为因素；影响因素则 是只影响地裂缝发行程度的因素，如十质、地形、气候、水体等冈素。 时至_ 夸几我国对地裂缝的研究水平总体较高所涉及的区域也比较。泛。我国的 地裂缝灾害较集中的分靠在由汾渭地堑系、华北平原地斯系、郯庐断裂系和大别山北麓 断裂系所组成的火华北地质构造带上。其中，汾渭盆地的地裂缝最具代表性，并目就目 前来看，其研究水，r 也最高。 2 0 世纪8 0 年代，西安地裂缝场地勘 。 察与工程设讣规程( d b j 一2 4 6 8 8 )。 的问世，标志着西安地裂缝事件已难式被；揭 。 ? 人们提上议事开程。2 0 世纪9 0 年代及其。i 。 s ? 。 ￥ ! 【三i 后的时间旱，有关学者已在地裂缝灾害 、j ： 研究方面取得了可喜的成果。其中，张家o 、 4 谜 明、李永善、彭建兵、姜振泉及王景明等 ，一， 。 经过多年的悉心探索研究和艰苦的科学 实践”i ，得到了一系列有关地裂缝的图1 , 6 主要相关地裂缝专著 主要研究成果( 图l6 ) 。这些成果为进一步研究地裂缝提供了宝贵的资料，具有很高的 实用价值及借鉴意义。存这期间，有关部门及科研院校等单位对地裂缝的研究也作出了 很大贡献，其中包括陕两省地矿局区域地质调盘大队、陕西省第一、第水文地质工程 地质队、陕西省环境监测总站、陕两省地震局、成阳市国土资源局、山西省环境监测总 站、长安大学、成都理工大学、中国地质大学等。另外，其他一此专家和学者也在地裂 缝研究方而取得了些进展，如冯希杰( 1 9 9 0 ) 根据地裂缝活动的实删数据”】应用静 力位错理论分析了地裂缝诱导的垂直位移场，对地裂缝两盘在一定时问段内的位移幅度 进行了预测，井给出了末来地裂缝带上的垂随活动量：李新牛( 1 9 9 4 ) 和徐光黎( 1 9 9 6 ) 长安大学硕上学位论文 等利用v e r h u l s t 模型分别对西安地裂缝活动的时间规律进行了预测【2 叫；等等。 自2 0 0 5 年以来，彭建兵教授负责的课题组一直致力于汾渭盆地地裂缝成因及发育 特征等一系列问题的精细研究，已基本掌握了汾渭盆地地裂缝的分布规律心1 堋。对于地 裂缝成因机理方面的研究，目前也做了很多工作，其中包括大量的野外调研工作及一系 列大型物理模拟试验与数值模拟等工作，认为汾渭盆地地裂缝具有统一的构造特征和明 显的构造成因，其形成活动与现代地壳活动有着极为密切的关系，人类过量抽取地下水 以及地表水的入渗侵蚀无疑加剧了地裂缝的现代活动。然而，由于研究工作的分散性， 在地裂缝成因机理的研究方面还存在不少关键问题尚待解决。 断层活动如何引起地裂缝的发生、发展以及地裂缝闭合后又如何在断层活动下再 开启? 黄土节理如何引发形成地裂缝? 黄土的节理又是在什么条件下如何开启? 地裂缝 与地震的关系如何? 还有其它非构造因素影响产生地裂缝吗? 1 3 研究内容及技术路线 本文是依托导师彭建兵教授主持的国土资源大调查项目西部( 汾渭盆地) 地裂缝 地面沉降调查与监测( 2 0 0 4 1 1 3 0 0 0 2 5 ) 完成的，笔者在研究生学习过程中，参加了此项 目，主要参与野外调查和室内的资料整理及图件处理工作。主要野外调查地区集中在咸 阳地区，包括泾阳县、三原县、乾县、礼泉县、咸阳市等四县一市，调查行程约3 0 0 0 余千米，分别于2 0 0 7 年7 月至2 0 0 7 年1 1 月历时近五个月时间。主要开展工作如表1 1 ： 表1 1 野外调查工作统计表 努 序号工作内容单位工作量 备注 1调查面积 k m 25 5 0 4 县1 市 21 ：1 万地裂缝填图幅 2 6 3 地裂缝调查 条9 0 4调查卡片张 9 0 5 野外摄像 张4 6 0 6 野外地质点平面图张 7 1 7野外墙体开裂素描张 4 4 8 野外剖面图 张3 9 9 开挖探槽 个2 6 1 0节理统计处 2 第一章绪论 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，总结出泾阳地区地裂缝的现状和发育规律； ( 2 ) 通过探槽工程，揭示和发现泾阳地裂缝的剖面特征； ( 3 ) 根据地裂缝特征、环境背景、诱发因素和影响因素，分析探讨泾阳地区各种 地裂缝的形成机理； ( 4 ) 选择典型地裂缝进行分析，从力学机制上进一步探讨泾阳地区地裂缝成因机 理。 为完成以上研究内容，定本文的研究路线如下： 长安大学硕士学位论文 第一章地裂缝艇育的地质背景 第二章地裂缝发育的地质背景 泾阳县位于中国的中心位置，南距世界著名古都西安市仅4 0 公里。行政区划上届陕 西省戚阳市。县辖面积7 8 0 k n l 2 ，主要包括个1 6 乡镇，1 5 8 个行政村，人e l 总计4 9 5 打， 以农业为主，兼有一4 1 零星的厂矿企业分布。 在大的地貌单元上，泾阳县属于渭河盆地的一部分，位于箍地的北部边缘地带i ”j ( 图2 1 ) 。 h 谚口霄o 图21 谓河断陷盆地带构造地貌略图( 据韩恒悦等) 1 、断块山地：2 、黄土台塬；3 、推测断层：4 、洪积台地、洪积扇群；5 、渭河阶地；6 、断裂 断裂：秦岭山前断裂带；华山山前断裂带： 中条山山前断裂带：骊山山前断裂带： 渭河 断裂带： 泾阳捐南断层：o 关山一口镇断裂带：西双泉一临漪断裂带：o 乾县富平断裂带；o 岐山马召断裂；o 长安一临潼断裂带 渭河盆地是渭河及其主要支靖i _ 一泾、洛、沪、灞、沣、漓、黑、千、漆水、石川 河等汇集归入黄河的地域。西起宝鸡，东迄黄河，南依秦岭，北傍渭北低山东西长约 4 0 0 k m ，南北宽3 0 8 0 k m ，面积约3 4 0 0 k m 2 ，整体似半个弯月横亘于陕西省中部。 渭河盆地平均海拔4 0 0 r a 地势西高东低，向东缓倾。自虢地中心向两侧山地，地形 呈阶梯状隆升，依次为河流阶地、冲积平原、黄土台塬、山前冲洪积扇裙。盆地边缘在 地貌上表现为明显的断层崖和断层线崖，比高数百米，三角面发育良好，沿断层崖的崖 脚，泉水成列出现。渭河顺盆地中轴向东奔流汇入黄河，其南岸支流源于秦岭，流径短 且平行密布：北岸支流较少，源于鄂尔多斯台地，源远流长。山地的陡峻，沟谷的深切 黄土台塬和河流阶地的广泛发育及其差异性，雕塑出了渭河盆地独具一格的地理地貌特 征。 k 安 学硕 ：学位论文 2 i 地形地貌 211 地貌概况 径阳县地势西北高，东南低。海拔最高1 6 1 4 m ，最低3 6 1 m ，垂直高差1 2 5 3 m 。在新 构造运动及不同形式的侵蚀活动作用下，形成高低起伏较大的地貌形卷。境内北部和西 北部系基岩山区及黄土台塬。中部为冲洪积平原，自西向东逐渐展宽降低，大部分海拔 4 0 0 m 左右，地势平坦。南部为渭北黄土台塬位于泾河以南，塬而丌阉，海拔高程4 3 0 5 0 0 m 【2 b 鲫。 212 地貌类型 泾阳县地貌主要分为基岩山区、黄土台塬和冲洪积平原三大类型( 如图2 2 ) 。 、二# 鼢、。：掣l _ p 一一 4 ， o u 1 、 。j 4 、一 一一，0 瓷 。 ，、。 一 。 r 且十 。高e ， 02 4 6 * i 图22 泾阳县地貌分区图 1 北部m 区2 北韶塬e3 中韶平原区4 南部台塬区5m 前冲积扇6 河流7 乡镇驻地 ( 一) 基岩山区 位于泾阳县北部和西北部，山北仲jj f 、铁瓦殿、西风山和嵯峨山等山体组成，构成 第二章地裂缝发育的地质背景 渭河盆地的北缘边界。面积9 7 k m 2 ，占全县面积的1 2 4 ，海拔高度在9 5 0 - - - - 1 5 0 0 m 之间， 相对高差达7 0 0 - - 8 5 0 m 。因受东西向、北东向构造影响，山势挺拔高峻，沟谷短浅。 ( 二) 黄土台塬 县境内黄土台塬可分为南北两部分，习称南塬和北塬，总面积1 8 0 k m 2 ，占全县面积 的2 3 1 。 1 、南塬：位于泾河以南与渭城、礼泉连片，塬面高出泾河3 0 9 0 m ，海拔高度4 5 0 - - 5 0 0 m ，与泾河大致平行，呈宽度不一的带状分布。其中西部太平塬宽4 - 5 k m ，东部高庄 塬仅为卜2 k m 。塬面平坦开阔，坡度较小。 2 、北塬：亦称兴隆塬。位于泾河和冶峪河之间，为一西北高，东南低的条状塬， 海拔高度4 5 0 - - - 5 8 0 m 。东部和西南分别以陡坎与冶峪河和泾河阶地相接，界线明显；东 南部为缓坡，逐渐倾没；西北部与白王新洪积扇相连，其间夹有白王洼地。由于后期侵 蚀和下伏古地形影响，塬面呈波状起伏，地面陡度较大。该塬实际上是黄土覆盖于古洪 积扇之上形成的。 ( 三) 冲洪积平原 位于泾河、冶峪河两侧，王桥镇王桥坪至白章村一带，以及王桥镇船头村、口镇寺 底村以下的整个平原区，地面平坦开阔。北部低平，桥底白河一线之南，坡度稍大i 东界与外县相连，面积5 0 3k m 2 ，占总面积的6 4 5 。 2 2 气象与水文特征 2 2 1 气象 泾阳县属暖温带大陆性季风气候，四季冷暖、干湿分明，光、热、水资源丰富。冬 季受西伯利亚冷气团控制，天气寒冷干燥，雨雪稀少，春季极地大陆气团时强时弱，热 带暖湿气团日趋加强北进，温度回升明显，降雨逐渐增多，常有伏旱发生；秋季受冷暖 气团锋面的影响，多连阴雨。多年平均气温1 3 。c ，西北塬区的兴隆白王一带，由于受地 形高差影响，年平均气温低于1 3 。c ，极端最高温度4 1 4 。c ( 1 9 9 6 6 2 1 ) ，极端最低气 温一2 0 8 ( 1 9 9 5 1 1 0 ) 。 泾阳县平均降雨量5 4 8 7 m m ，降水在时空分布上存在一定的规律。在空间变化上规 律为自东南向西北逐渐减少，东南部的永乐、崇文、姚坊一带，年降水量在5 5 0 m m 左右， 龙泉、蒋路、白王、兴隆等偏北地区，年降水量在5 5 0 m m 以下。年降水量最多8 2 9 7 m m ( 1 9 5 8 年) ，最少2 0 9 1 m m ( 见图2 3 ) 。 1 4 长安大学硕上学位论文 因燃固，孰圉坷黛 l 一一。，。， 一| 图2 3 泾阳县年平均降雨量等值线图 泾阳县与地裂缝灾害密切相关的灾害性天气主要是暴雨和连阴雨，其中暴雨出现的 频次为7 次年，其特点是暴雨多，大暴雨次数少，7 9 月出现暴雨占总暴雨数的7 1 。 连阴雨平均数为7 次年，主要出现在9 月，一次过程降水量大于l o o m m 的平均每年一 次( 见图2 4 ) 。 泾阳县的暴雨中心在嵯峨山以北的北山山前地带。 2 2 2 水文特征 泾阳县境内有泾河、冶峪河、清峪河3 条河流，均属渭河水系，年入境水总量1 9 8 1 0 8 3 m 。 1 、泾河 源自宁夏回族自治区泾源县，自谢家沟入境，东南流至桃园村附近出境。县内河长 7 7 k m ，流域面积6 3 4 k m 2 。出谷后河流不断向右侵蚀，几处河段紧贴南部黄土台塬，在右 岸造成大小不等的窄长河漫滩，左岸形成宽阔开敝的冲洪积倾斜平原。张家山断面以上 流域面积为4 3 1 2 6 k m 2 。多年平均径流量为1 8 6 7 1 0 8 m 3 ，平均流量6 4 1 m 3 s ，最大洪峰 流量为9 2 0 0 m 3 s ，最小枯水流量为0 7m 3 s ，年输沙量2 7 4 亿m 3 ，平均含沙量1 4 1 k g m 3 。 第二二章地裂缝发育的地质背景 张家山口建有著名的泾惠引水枢纽，设计能力为4 6m 3 s ，为泾阳县及下游灌溉的主要 水源。 目t团： 图2 4月平均降水量、降水日数变化图 1 月平均降水量2 月平均降水日数 2 、冶峪河 系渭河二级支流，全长7 7 8 k m ，总流域面积5 4 1 3k m 2 。自王沟入境，口镇出谷， 沿北部黄土台塬北界东南流，水磨村以下横切冲洪积平原北部，东注清河。县内河长 2 7 3 k m ，流域面积4 5 7 m 3 s 。多年平均径流量1 5 3 9 1 0 4 m 3 ，平均流量为0 4 4 5 m 3 s 。年 输沙量为3 8 7 7 1 0 4 t ，平均含沙量为2 7 6 k g m 3 。在淳化县干流上的泾阳县建有黑松林 水库，设计有效库容7 9 0 ) 6 级的地震8 次，8 级地震1 次【4 1 。渭河盆地地区地 震活动表现为盆地内部地震活动性强，北山次之，秦岭山区较弱。据杨建军统计，盆地 内部地震次数占区内地震总数的7 9 ，其中全省9 次6 级以上地震有8 次就发生在这里。 以西安为界，全区地震活动表现为从东部到西部由强变弱的特点，东部地震占本区地震 的6 8 ，且本区8 次6 级以上地震，其中6 次就发生在东部，东部地震主要集中在禹门 口一朝邑一华县等北东向断裂带中，分布较均匀，仅在韩城附近较集中一些，在历史地 震附近则很少有地震活动；中部地震主要分布在断裂的交汇部位附近，震中比较集中， 以震群形式出现的居多，如泾阳震群、周至震群等，而泾阳北部的嵯峨山中微地震活动 频繁，目前己发生达2 0 0 多次；西部相对较弱，大都集中在历史地震附近，主要沿陇县 一扶风一哑柏断裂呈北西向分布，仅在陇县、岐山东北部附近发生过6 级地震】。 渭河盆地地震活动与本区构造活动密切相关，几组断裂( 带) 的复合处，莫霍面隆 起的交界部位，莫霍面斜坡上及块体差异运动较大的部位，是地震活动的主要地段。如 东部韩城一华县地震带上，著名的1 5 5 6 年华县8 级地震就发生在北东向断裂与近东西 断裂( 北西向断裂也有所显示) 的复合部分，这里也是莫霍面的突变带，垂直差异运动 强烈、震中烈度达十一度，地壳应变能大于2 7 x 1 0 2 3 尔格，是陕西地震史上的最大事件。 再如1 9 9 8 年泾阳地震，震中位于渭河断陷盆地内部乾县一成阳塬断块和固市断块、西 安断块的交接部位，泾阳一临潼断裂和渭河断裂交汇处。此地区是莫霍面等深线梯度急 剧变化的地段，也是环境剪应力的高值异常斟4 引。而西安地区历史地震受断裂带，深部 构造的控制更为明显。地震大都发生在固市、西安两莫霍面隆起的交界部位，断裂构造 发育。通过对一些地震资料的分析可知，渭河盆地地区地震活动明显受断裂带的控制， 区内主要分布的北东、北西和近东西向三组方向的断裂带，与地震的活动十分关系密切。 据近期微震资料表明，在北东东向断裂( 带) 与北西或北东向断裂的复合部位是微震活 动的主要地段，如泾阳地震群活动，尤其在韩城- 二蒲城一富平一扶风线与北西向断裂 7 4 长安人学硕士学位论文 的复合部位有着特别的优势。 从渭河盆地地震活动特征分析认为，北东向断裂( 带) 和北西向断裂( 带) 为发震 断裂( 带) ，表现出了很强的活动性，历史地震及近期微震活动都与这些断裂活动密切 相关，且北西向断裂从西向东活动性逐渐减弱，北东向断裂从东向西逐渐减弱，这样使 本区呈现出东部北东向断裂活动性强，西部北西向断裂活动性强的总势。东西向断裂 ( 带) 横贯整个盆地，是本区最长的断裂( 带) ，对于本区地震活动起着明显的控制作 用，应是控震断裂( 带) 在控震构造与发震构造的复合部位大都有6 级以上地震发生， 释放能量均大于6 3 x1 0 2 0 尔格【4 6 】。 渭河断裂带为渭河盆地内一条最显著的强震带。断层的表层伸展拉伸、深层韧性剪 切、第四纪以来的强烈枢纽运动，以及其它方向断裂的交汇等因素是该断裂带地震生成 的主因【j 。 渭河盆地由于地震作用形成的地裂缝较多，也较集中，1 9 7 6 年唐山大地震后形成的 地裂缝，可以说，渭河盆地由于地震造成的地裂缝灾害严重。调查范围内渭河盆地由于 地震形成的地裂缝主要有伴随1 9 7 6 年唐山大地震后出现的乾县关头乡淡村地裂缝，大 荔县冯村镇南堡村北堡、新庄地裂缝，严庄地裂缝，高明镇东白池地裂缝，泾阳县龙泉 乡岳家庄、蒋路乡蒙家沟和县水泥厂多条地裂缝等。渭河盆地由于地震形成的地裂缝主 要呈直线状，在前进方向上不受地物影响，延伸性较好：一般长度较短，其走向与周围 断裂走向呈现出不一致的情况；近几年渭河盆地地区中强地震较少，故地震地裂缝受地 震继承性影响较小，主要在发震断裂控制作用下，地裂缝与周围的断层关系密切，呈现 出缓