国内外地裂缝

一、研究工作领域国内外发展趋势及认识 　　从20世纪中期以来，地裂缝在我国发生的频率、规模逐年加剧，已成为一种区域性的主要地质灾害。国内外地裂缝发生特征规律大致相同，主要由超采地下水、地面沉降等问题引起。目前，全国共有上海、天津、江苏、浙江、陕西等16省(区、市)的46个城市、县城出现了地面沉降问题，总面积达4.87万km2，地裂缝出现在陕西、河北、山东、广东、河南等17省(区、市)共434处，1073条以上，总长超过346.78km。在发达国家也因抽取地下水引发地裂缝，如美国的亚利桑那州、内华达州、德克萨斯州、加利福尼亚州地区从20世纪初就开始出现地面沉降地裂缝灾害并逐年加剧发展。美国学者较早涉及地裂缝，在成因研究上有显著进展，但缺乏系统研究；其它国家，如土耳其、泰国、利比亚等国的安纳托利亚、曼谷 、萨里尔等处发现地裂缝，但对其研究程度不高。近年来国内科研院所对当地地裂缝属性、分布、活动特征、成因和成灾机制，灾害效应与对策进行了系统研究，经过大量物理勘查、理论、数值模拟，逐步发展充实了关于地面沉降地裂缝的理论认知。 　　1、地裂缝成因认识 　　国内外学者在地裂缝成因认识上具有相似性，他们根据所掌握的资料和侧重的专业理论分别从地质构造、人类活动、地层地质条件和层土壤岩性进行研究。 　　①、构造成因 　　认为地裂缝由活动性构造引起，持此种观点学者主要依据是地裂缝所在位置往往与区域地形、下伏断裂构造方向一致。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EiTiro Mine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。此后一些学者对亚利桑纳、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仅能从宏观定性角度进行解释，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。 　　对西安地裂缝的研究中，人们普遍认为汾渭地堑是我国比较典型的新构造活动区域，该区域地裂缝集中发生与区域性构造活动的强化在时间上明显同步，并且地裂缝展布、活动方式等诸多方面均明显表现有统一的构造特征。许多学者先后从不同角度提出了西安地裂缝的构造成因机制概化模式,其中最具有代表性的是张家明1990年提出的断块掀斜成因说，认为在NNW向区域引张应力作用下，以断块掀斜为主要活动形式的西安伸展断裂系的活动构成了西安地裂缝形成和发展的本质。 　　②、地下水开采成因 　　地下水开采成因观点是在研究地面沉降机理的基础上发展起来的，虽然很早就被提出来，但对地下水开采引发地面沉降的机理认识上曾在较长时间内存在争议，直到近年来对这一问题认识才基本统一。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。这一研究过程较全面总结了地裂缝成因机制，代表了当前的认识水平，也是研究平原区地裂缝的主要指导思想。我国国内的苏锡常地裂缝、华北平原地裂缝、山西临汾地裂缝都属于超采地下水引发的，西安地裂缝虽然在成因中提出了构造原因，但也有学者提出地下水诱因说。 　　③、构造与地下水开采复合成因 　　20世纪70年代末以来，Holzer等人通过对亚利桑纳州中南部构造盆地地裂缝的活动性、地质环境资料及地面沉降观测资料综合分析认为，该区域构造活动与地下水开采是影响地裂缝发育及活动的2个主要因素。为了量化评价构造活动与地面沉降对地裂缝活动性的影响，Holzer 等将地裂缝的形变分为错断和开裂2种形式：错断主要产生平行裂面的位移；而开裂主要表现为垂直裂面的位移。构造活动对地表形变的影响主要表现为错断位移；而土层差异压密变形的影响则表现为开裂位移。Bell(1990年)根据Las Vegas 盆地的地质条件，分析了地裂缝的发育特点，认为地面沉降盆地内部呈放射状分布的地裂缝，是隐伏破裂面经渗透变形诱发而成，并对地裂缝的形成过程提出了不同的分析模式。Haneberg(1993年)在Holzer对地裂缝形变分类的基础上将地裂缝成因模式分成开裂模式、剪裂模式及撕裂模式3种类型。 　　2、地裂缝分布特征认识 　　综合各项研究，地裂缝灾害分布具有如下基本特征： 　　①、成带性 　　沿地裂缝走向,在建筑物上具有明显的带状分布，在一定宽度范围内灾害具有在不同类型建筑物上连续显示的特点，地裂缝带长可达数十公里，宽一般在数公里范围内。裂缝两侧具有对称分布的特点，裂缝发育的数量和严重程度，随着远离主裂缝带逐渐减轻而具对称性特点。 　　②、方向性、对称性 地裂缝具有明显的方向性，如北东向，东西向，这与断裂构造相似，但也不完全一致，一般地裂缝在地表的形迹除总体方向明确外，局部并不易区分，多数呈“S”形弯曲延伸，有些地裂缝甚至呈环形分布。如苏锡常地区地裂缝多呈NNE向，西安地裂缝多呈NEE向。 　　③、破坏性 　　凡地裂缝通过的地方，建筑物无论新旧、材料结构类型如何，最终均被破坏，无一幸免；位于地裂缝带上的建筑物无论怎么加固，都抗拒不了地裂缝的破坏。 　　3、地裂缝模拟预测研究 　　地裂缝的模拟可概括为解释时空分布问题。随着计算机技术发展，在地裂缝空间分析中主要采用了GIS的空间分析手段，以地质学相关理论为指导，筛选出若干影响因子，分别量化形成空间影响分布图，同时引入层次分析思想，对各因子分配影响权重，最后再借助GIS空间综合叠加分析方法建立预测评价模型（武强、董东林等，1996，1997）。在临汾地裂缝、苏锡常地裂缝研究中都曾运用到此项技术，值得注意的是，综合人工神经网络和GIS两项技术来作地裂缝的空间预测也取得了成效（陈佩佩，2001），人工神经网络主要处理具有非线性和灰色系统的问题，GIS则从空间分析的角度使问题明确化。 董东林等（1997）在临汾盆地地裂缝研究中，运用数值模型对由地下水开采引起的地面沉降进行了模拟，把压缩地层概化为粘性土和砂层两个层组，分析了地面沉降发生发展的过程及空间分布特征，并结合地貌和地表形变两方面从定性的角度对地裂缝产生的地质条件作了阐述，而在发生时间上也只简单提及与地面沉降的发生相关性问题。对于地裂缝发生的时间维分析，由于受地下水等动态因素的影响，一直是预测的难点，地裂缝的数值模型方法研究仍以地面沉降模拟为基础，易学发等（1999年）依据弹性形变理论和土力学应力应变关系，采用二维有限元法对西安地裂缝进行了数值模拟，模拟计算的结果与西安地裂缝活动的特征基本一致。 　　在地裂缝的发展趋势分析上多采用灰色模型，如王四海（2001年）、高金川（1999年）等根据灰色理论，把西安地裂缝多年垂直活动量作为一定范围内变化的灰色量，通过建立多因素影响的动态模型ＧＭ(1，1)、ＧＭ(1，3)、ＧＭ(1，4)数学模型，定量评价了各影响因素对地裂缝垂直活动量的贡献，分析西安地裂缝的活动性，发现和寻找西安地裂缝活动规律，预测后几年的地裂缝活动量。 　　4、地裂缝勘查研究 　　①、地质调查方法 调查地裂缝的分布、先存断裂、隐伏断裂和地层形态。第一，可采用航空照片解释法研究有关区域的地貌特征。航空照片判读对于指导野外调查、寻找地表高程梯度带是非常有帮助的；第二，进行有目的的实地考察。对潜在地裂缝灾害区域的实地调查会找到裂缝的一些迹象，因为处于向上扩展阶段的隐伏地裂缝在致灾前会使建筑物上出现一定规律的细缝；第三，采用地震勘探、重力勘测、电法测量以及氡测量等物探手段，查明地裂缝的地下形态特征，2000-2003年，在苏锡常地裂缝勘查使用了包括面波、三维地震、浅地震再结合钻探的多种方法，取得了含水层以上不同时期成因土层的分布厚度和地裂缝从地表向下切割含水层至基岩面的勘查成果。在调查中，探槽和钻孔数据是非常有用的，在西安地裂缝调查中，工作人员就曾利用开挖形式追踪到25米深地下，为了解地裂缝的空间分布提供了最直接的证据。 　　②、地面形变监测技术 主要有大地水准测量、跨断面形变测量、工程地质测量等，监测地面不均匀沉降的变化，并寻找差异沉降曲线的最大梯度点，预测未来地裂缝灾害的确切位置。美国亚利桑那州已采用GIS和GPS来监测地裂缝，我国在苏锡常地区也采用包括自动化三维形变监测、GPS监测、人工水准测量在内的多项技术，监测数据表明地裂缝处于5mm/a的差异沉降变化中。