美国的地裂缝

国是发现地裂缝灾害最早的国家，也是对地裂缝灾害研究较为广泛和深入的国家。美国的地裂缝灾害，最早出现在上世纪20年代休斯敦附近的GooseCreek油田。在此后的几十年中，美国的地面沉降和地裂缝灾害愈演愈烈。到上世纪80年代，其西南部有6个州、14个地区都出现了地面沉降和地裂缝，其中，亚利桑纳、加利福尼亚、内华达、德克萨斯、新墨西哥等州为集中发育区，损失非常严重。至今已在全国许多地区发现了不同规模的地裂缝现象。一、美国地裂缝的类型与分布1、美国地裂缝的类型美国的现代地裂缝主要有张裂缝和剪裂缝，它们都与由于开采地下水或石油而导致的地面沉降有密切的联系。出现在德克萨斯州的GooseCreek油田，它于1918～1926年被发现。随后，于1927年在亚利桑那的Picacho盆地发现张裂缝。1942年以后，在这些沉降区域又发现了许多新的地裂缝。到了70年代，德克萨斯州的休斯敦地区已发现86条地裂缝，累计长度240km，数百处建筑工程遭受破坏。在此期间，随着地面沉降的加剧，美国西南的6个州、14个地区都出现了地裂缝。在9个受到地裂缝影响的城市中，灾害最严重的是休斯敦、长滩和凤凰城。张裂缝，即地面上水平张开的裂缝。它没有剪切运动分量。最长的张裂缝带长3.5km，但几百米的较为常见。裂缝因冲蚀而加宽，常形成1～2m宽的地沟。据测量，最大张开深度为25m，但2～3m的比较普遍。张裂缝仅在内华达州的拉斯维加斯和亚利桑那州的凤凰城两个大城市出现。所幸的是，其影响的大部分是农田，因此破坏造成的损失并不大。剪裂缝，即垂直于地面作剪切滑动的裂缝。是由于抽取地下流体而形成差异沉降所致。其形态酷似正断层，因而容易混淆。它们的差别在于：是否存在季节性蠕滑，或蠕滑运动是否随地下水位波动而变化；是否存在断裂活动与抽取地下流体之间的相关联系，以及断裂错动是否局限在被开采的含水层深度内。这类地裂缝最长达16.7km，地表断坎最高可达1m。抽取地下水使断坎由低变高，其速率从一年几毫米至几厘米。其水平剪切位移量很小，可忽略。2、美国地裂缝的分布在美国，地裂缝密度在各个沉降地区变化很大。主要地裂缝区有：亚利桑那州，在亚利桑那中南部，有50多条张裂缝和4条剪裂缝。受影响区域位于盆地山脉的南部，那里具有沉积盆地与山地以断层为界的特征。未固结沉积层内有主要含水层，其厚度变化大，在盆地边缘只是很薄的一层，而到沉积中心则厚达700余米。从该层中大量抽取地下水导致了水位下降100多米。第1条张裂缝于1927年出现，第2条出现在1949年。还有许多张裂缝出现在亚利桑那州东南部的SulphurSprings盆地和SanSimon盆地。两盆地都因水位下降发生了地面沉降。据测量，1937～1974年，SulphurSprings盆地的最大沉降量为1.63m。张裂缝则形成于1935～1958年。德克萨斯州，休斯敦地区，地表可见地裂缝多达160余条，累计长度500km。但有近一半的地裂缝是古裂缝，活动地裂缝有86条，累计长度240km。含水层底面最大深度约800m，含水层水位下降超过100m，区域水位下降产生了本地区最大的沉降漏斗。在1943～1973年，约12200km2的地面沉降量超过0.15m，最大沉降量逾2.7m。内华达州，拉斯维加斯地区是内华达州南部的冲积盆地，未固结冲积层的最大厚度为200m。有超过125km2的土地受到因抽取地下水而导致的地面沉降的影响。在拉斯维加斯，最早因地下水位下降而形成的张裂缝出现在1957～1961年。最长的裂缝约400m。加利福尼亚州，有3个盆地发生了地裂缝：Fremont、SanJacinto和SanJoaquin盆地。Fremont盆地是一个长约40km、宽10km的沉积盆地，由未固结冲积层组成的含水层系厚约275m。现代地裂缝中既有张裂缝也有剪裂缝。这一区域至少有12个裂缝带和5个现代断坎。SanJacinto盆地是加州洛杉矶东130km处一构造盆地，历史上曾发生过大面积地面沉降。因抽取地下水，诱发了古地裂缝复活。美国两大沉降区域之一的SanJoaquin盆地，面积为13500km2。其沉降中心(Mendota)1925～1977年地面累积沉降量为9m。相应地，因抽取地下水而形成了3条张裂缝和1条剪裂缝。3条裂缝彼此间距小于12km。该区地裂缝灾害严重，直到90年代仍有因地裂缝损失要求索赔的诉讼案(Corwinetal,1991)。二、美国地裂缝的成因关于美国地裂缝的成因，有3种不同的观点。1、构造成因构造成因观点最早由Leonard(1929年)提出。他从地震角度分析了1927年9月12日出现于亚利桑纳州Picacho城附近的地裂缝及相距13km的EiTiroMine地面异常破裂的成因。认为是1927年9月11日发生于亚利桑纳州东南部Tucso城附近的地震活动导致了岩层破裂，并使已具破裂面的岩层重新复活。之后有些学者，如Savage(1966)、Kreitler(1977)、Fleischer(1982)、Wyatt(1982)、Roquemore(1982)、Lippincott(1985)及Holdahl(1986)等对亚利桑纳、加利福尼亚、德克萨斯等州地裂缝的研究也坚持构造成因观点。然而他们对成因机制的解释却不尽相同，多认为构造对地裂缝的影响表现为控制性的，但不排除其它因素的间接影响。Carpenter(1993年)根据Picacho盆地地裂缝变形和地面沉降的长期观测资料，利用Okada的三维位错理论(1985年)及Matsuura等的构造裂变修正模型(1975年)，就构造活动对地裂缝成因影响进行了分析。认为，断层位移对地裂缝在水平方向的张裂变形及垂直方向的差异变形都有一定影响。2、地下水开采成因地下水开采成因观点在研究早期就被大多数地裂缝研究者所接受。但对其成因机理却在较长时间内有很大争议。很多人先后提出了不同的成因机理解释。Feth(1951年)研究了亚利桑纳州中南部1949年出现的地裂缝，认为由于含水层局部厚度变化引起不均匀沉降，从而产生拉应力，导致了地裂缝的产生；Schumann等于1970年对这一理论进行了更深入的研究，认为基岩表面形态的突变或具压缩性土层厚度分布的明显差异，导致松散土层的差异压密沉降。地表压密沉降差异最大部位形成拉张应力集中进而产生开裂变形。Fletcher等(1954年)和Lofgren等(1969年)认为在降落漏斗形成后，地下水渗透速度提高。其形成的动水压力对土层产生潜蚀作用并逐步发展至管涌，使土层结构松弛，引起上覆土层拉张应力集中并在地表发生张裂变形。Neal等(1968年)、Holzer和Davis(1976年)研究了地裂缝与地下水位的关系，以及地裂缝发育区水位下降与排水的关系。认为由于水位下降引起上部土层失水后在水平方向发生收缩，是地裂缝产生的主要原因；Narasimhan(1979年)对这一观点表示赞同。他所作的模拟试验结果表明，含水层疏干会导致其产生明显的体应变，并引起土层在水平方向的收缩变形。Bouwer(1977年)提出刚性折裂机理。他认为随着地下水位的下降，松散土层不断固结变形，与下伏土层的固结变形量相比，地表土层的变形微不足道。因此，在地面沉降过程中将整体产生刚性翻转，从而在沉降盆地边缘产生折裂。3、构造与地下水开采复合成因阳20蜻世纪吹70沟年代末以来才，网Holzer帽等人通过对亚势利桑纳州中南效部构造盆地地忆裂缝的活动性餐、地质环境资辜料及地面沉降泪观测资料综合采分析认为阀，钱该区域构造活到动与地下水开改采是影响地裂攀缝发育及活动秩的蛇2至个主要因素。角为了量化评价赞构造活动与地驼面沉降对地裂特缝活动性的影钳响出，狭Holzer担依等将地裂缝的疗形变分为错断钱(蔑fault)愉和开裂鼓(饲fissur铁e)2忠种形式茂：范错断主要产生博平行裂面的位啊移伪；榨而开裂主要表孟现为垂直裂面奸的位移。构造还活动对地表形渴变的影响主要竟表现为错断位奴移皆；或而土层差异压宣密变形的影响肺则表现为开裂冈位移。期Bell(1畜990数年岩)咬根页据仔LasVe吴gas均盆地的地质条遥件级，钱分析了地裂缝健的发育特点国，卖认为地面沉降砖盆地内部呈放揭射状分布的地茎裂缝朱，乎是隐伏破裂面色经渗透变形诱分发而成俱，抬并对地裂缝的薄形成过程提出付了不同的分析吨模式。哨Hanebe给rg(199顿3合年程)亲在柿Holzer远对地裂缝形变章分类的基础上古将地裂缝成因芝模式分成开裂读模式贴(槐openin落gmode坛)济、剪裂模式密(爷sheari拨ngmod旦e)杰及撕裂模式陪(书tearin胞gmode齿)3嫌种类型。钳总体情况看胡，纲美国西南部几污个构造盆地或捧构造谷地内地拍裂缝的分布有努着相似的特征蛮。地裂缝活动胜虽然与地面沉枯降表现有明显茂的联系厦，体但主要地裂缝尺的展布明显受松构造活动控制您。随着研究的允深入及大量长厚期观测资料的触积累谱，覆人们在比较普唇遍接受地裂缝留的构造及地下衔水开采复合成芽因观点的同时量，白也深深认识到允地裂缝成因机端理的多样性和尝复杂性。齿三、地裂缝灾彩害管理虫辣1理、医地裂缝灾害预慧测位根据地裂缝的冲特性、地质环伪境和形成机制比，裂可对地裂缝灾焦害进行预测惨。喘预测分下列径3怒个步骤运：招(犯1)怖地质调查仍项调查目前地裂悟缝的分布、先徐存断裂、隐伏堡断裂和地层形骡态滑。捆第胁一，或可采用航空照垮片解释法研究项有关区域的地齐貌特征捎。卵航空照片判读羽对于指导野外绪调查、寻找地你表高程梯度带对是非常有帮助宾的疼；芽第锹二，俊进行有目的的乒实地考察岛。牛对潜在地裂缝菌灾害区域的实野地调查会找到烂裂缝的一些迹泪象晨，缎因为处于向上炕扩展阶段的隐什伏地裂缝在致鲁灾前会使建筑疫物上出现一定宣规律的细缝贡；疏第擦三，亦采用地震勘探怖、重力勘测、什电法测量以及圣氡测量等物探煮手段，查明先祸存断裂或其它训类型的不整合德地层的位置清。破在调查中砌，友探槽和钻孔数趟据是非常有用牌的由。壳(痛2)然监测地面形聋变皇干似对于隐伏地裂聋灾害区域驰，暂可采用包括大耕地水准测量、却跨断层形变测并量和工程地质峡测量等方法监疏测地面不均匀洗沉降的变化柳，用并寻找差异沉勤降曲线的最大在梯度点此，功预测未来地裂身缝灾害的确切注位置声。览而监测和分析费蠕滑速率的变拢化趋势将有助葵于预测灾害发暴生的时间猫。拥短水准的重复觉测量可用来预污测未来地裂缝纠带位置秧。透美国亚利桑那品州已采用本GIS角和见GPS劝来监测地裂缝户。造(毙3)剑裂缝附近抽水萌量的变化预测致锦地裂缝的主要欧位移是由不均包匀沉降引起的慢。粥毒沉降速率、地桃裂缝蠕动速率类和活断层滑动额速率既3则者之比为叮100惭/察0颈/武(土指数量级之比饿)趋。申其中夫，赞90%定的垂直剪切位福移来自差异沉裳降糠。幻一个区域的地著下水抽取量的兴估算对预测地损裂缝在该区域遥的活动性有很画大帮助谦，槐甚至对具体工批程场地的地裂狱缝灾害预测也切是适用的观。绢综合以上送3校个步骤的工作佣，葱就可以对一个赤区域内的地裂脱缝灾害作出预跨测午。唇2办、地裂缝灾害混减灾法规腰为减轻地裂缝努灾害趣，手在可能致灾的中区域应建立专娇门的法规或条关例塌。食可以在有关科给研成果的基础强上置，马会同各有关方点面的专家讨论溪制定诵，脚并由当地政府察颁布实施膏。晨美国加利福尼恭亚州政府于钢1958晒年颁布了地面么沉降法革(驼加利福尼亚公剑共资源条例栏331出5边，慎3347胀条棵)慧，砌严格控制开采撒地下水和石油骨。界该法令对减缓届地面沉降和地吴裂缝起到了很愈大作用串。皂当时答，伤长滩市已沉降的了译7m栏，桂法令实行允3雷～赴4锐年后险，遗长滩的地裂缝贤、地面沉降问呜题就缓解了细。弯德克萨斯州于查1975践年通过立法右(立德克萨斯州立搜法第侨64上条我，拔1975貌)响，铅并成立了限制顾开采地下水的斧地方机构盖。乱对于休斯敦沉迫降区的所有抽窝水井实行编1拴～艘5腹年的抽水量审陆批制度。按抽浊水量核收审批找费签，状并鼓励开发与饰应用地表水源牛。低针对地裂缝灾忽害限，丛亚利桑那州成本立了专门的地铺裂缝灾害委员懒会当，途统一管理地裂汉缝减灾各项事案宜峰，卧并提出了普及兴地裂缝减灾的绵科普教育、地皮裂缝早期监测条与识别和及时寄处置相结合的偶对策妇。肃3喜、搬引地表水工程鸽为减轻地裂缝党灾害穷，扒在过量开采地泼下水的地区放，橡最主要的对策饭是限制开采地体下水。因此铃，枣采用引进地表宪水源来解决城群市缺水问题是舞从根本上减轻瓣地裂缝灾害的介措施漏。惯在美国地裂缝咬灾害最为严重纷的上述地区汗，恳如加利福尼亚葬州、德克萨斯坝州和亚利桑那吗州都完成了向貌地