順義地裂縫（機(jī)場段）發(fā)育特征與成因分析

田苗壯　趙龍　羅勇　崔文君　劉賀　齊鳴歡

摘 要：順義地裂縫（機(jī)場段）是北京平原區(qū)近年來發(fā)展較為迅速，破壞較為嚴(yán)重的地裂縫之一，直接影響到某機(jī)場航站樓及跑道安全。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地裂縫具有以垂直形變和拉張形變活動特征，南東側(cè)相對于北西側(cè)下降，判斷該段為順義地裂縫向南西的延伸。本文以順義地裂縫（機(jī)場段）為研究對象，通過大量的野外地質(zhì)調(diào)查，詳細(xì)的描述了地裂縫的基本特征，利用探槽、鉆探和地球物理探測工作，分析地裂縫與構(gòu)造的關(guān)系。研究表明：地裂縫（機(jī)場段）受順義斷裂控制影響，第四系厚度差異是內(nèi)在因素，超采地下水誘發(fā)地裂縫為形成因素，人類活動、城市建筑荷載以及地下水位持續(xù)下降是造成地裂縫兩側(cè)不均勻沉降、加劇地裂縫發(fā)育的發(fā)展因素。

關(guān)鍵詞：順義;地裂縫;發(fā)育特征;地下水;成因分析;北京平原區(qū)

中圖分類號：P642.26? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1007-1903（2019）04-0017-05

Abstract： Shunyi ground fissure （airport section） is one of the most rapid and severely damaged ground ones in recent years in the Beijing Plain， which directly affects the safety of the airport terminal and runway. Field investigations show that the ground fissures are characterized by main vertical deformation together with secondary tensile deformation， and the ground fissures on the southeastern side subside more than those on the northwestern side. This section is supposed to be the extension of the Shunyi ground fissure to the southwest. This paper has taken Shunyi ground fissure （airport section） as the research object. The basic characteristic of ground fissures have been described in detail through a large number of field geological survey data， and the relationship between ground fissures and structures has also been analyzed by the methods of trial trench， drill and geophysical exploration. The results show that ground fissures （airport section） are attributed to the Shunyi fault and Quaternary thickness differences. Over-exploitation is blamed to induce the formation of ground fissure， while the human activities， urban building loads， and the continuous decline of groundwater level cause the uneven settlement on both sides of the ground fissure， which also aggravate the development of ground fissures.

Keywords： Shunyi; Ground fissure; Development characteristic; Groundwater; Mechanism analysis; Beijing plain

0 前言

地裂縫是第四紀(jì)地層中出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象，通常由內(nèi)、外動力作用以及人類活動誘發(fā)產(chǎn)生（王景明等，2010;彭建斌等，2012;PENG Jianbing et al，2016）。地裂縫是北京平原區(qū)發(fā)育較為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一（劉方翠等，2016;賈三滿等，2011），目前已發(fā)現(xiàn)多條破壞較嚴(yán)重地裂縫帶，如西王路-八仙別墅地裂縫帶、北小營地裂縫帶、廟圈地裂縫帶以及宋莊地裂縫帶等（趙龍等，2017）。順義地裂縫最早出現(xiàn)自1976年唐山大地震后，主要分布在吳家營—杜各莊—梅溝村—軍營村—順義縣城一線。20世紀(jì)80年代初期，地下水超采區(qū)由近郊逐漸到遠(yuǎn)郊，該區(qū)域連續(xù)發(fā)現(xiàn)多條地裂縫，地裂縫破壞現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，到20世紀(jì)80年代末期，由于地下水嚴(yán)重超采順義地裂縫東南側(cè)形已形成平各莊沉降中心，地裂縫破壞程度逐漸加劇（楊濤等，2010）。趙忠海（2001）認(rèn)為順義木林—塔河地裂縫是由構(gòu)造運(yùn)動、抽取地下水引起的不均勻沉降及砂土液化引起的;張世明等（2005）認(rèn)為超采地下水導(dǎo)致地面不均勻沉降是順義地裂縫活動的主要原因。

最新調(diào)查發(fā)現(xiàn)，順義某機(jī)場T2航站樓向南西方向延伸至天柱東路一帶受地裂縫破壞影響，沿線路面及房屋已遭到嚴(yán)重破壞，部分路面已形成陡坎，判斷該條地裂縫為順義城區(qū)地裂縫向西南延伸帶。本文詳細(xì)描述了順義地裂縫（機(jī)場段）的基本特征，分析了地裂縫成因，為地質(zhì)災(zāi)害防治提供有力支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

順義城區(qū)地處北京迭斷陷東北段，基底組成包括中上元古界、古生界及中生界，新生界第四系沉積厚度約200～900m。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育4條活動斷裂，其中3條斷裂呈北東-南西走向，自西向東為黃莊-高麗營斷裂、順義斷裂、南苑-通縣斷裂（圖1），南口-孫河斷裂走向北西-南東，分別與上述三條斷裂相交。

區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件具有明顯的分帶性，含水層分布呈明顯的規(guī)律性。地下水主要以第四系孔隙水為主，含水層巖性分帶性比較復(fù)雜，總的規(guī)律是由北向南平原厚度由薄變厚，顆粒由粗變細(xì)，開采層主要為300m以淺的中深層地下水。

2 地裂縫特征

2.1 分布特征

地裂縫（機(jī)場段）位于順義地裂縫帶南西段（圖2）。1976年唐山大地震后，順義地裂縫沿吳家營—杜各莊—梅溝村—軍營村—順義縣城一線開始發(fā)育（任俊杰等，2007）2009年后地裂縫（機(jī)場段）活動開始顯現(xiàn)并逐漸加劇。地裂縫（機(jī)場段）北起順義區(qū)某機(jī)場T2航站樓，南至天柱東路，全長2.3km，整體走向NE45°。地裂縫沿線地表小塌陷坑呈串珠狀展布，房屋及墻體開裂、地面土體錯動變形（圖2）。

2.2 剖面特征

為了深入研究地裂縫結(jié)構(gòu)面和活動特征，前人在順義地裂縫出露明顯地段開挖探槽，探槽東西長15m，南北向?qū)?m，深7m（圖3）。

按巖性特征、形成年代劃分，探槽內(nèi)共揭露7個地層單元，地層巖性從老到新依次為：第一層淺灰色粘土、第二層肉紅色粘土與鐵灰色粉砂（下）和鐵灰色粉砂（上）互層、第三層灰黃色細(xì)砂或砂質(zhì)粉土、第四層灰黃色粉質(zhì)粘土、第五層黃色細(xì)砂、第六層黃色粉砂、第七層表層耕植土。在槽壁上可清楚看到一條正斷裂，斷裂向上延至地表，走向NE40°，傾向南東，傾角近80 °。探槽斷面地表下4～5m處互層間有明顯地層錯斷，斷裂面兩側(cè)發(fā)育多條小型裂隙，錯斷具有典型的構(gòu)造成因特征。剖面揭示地層錯動面粗糙，裂面新鮮，裂面兩側(cè)裂隙發(fā)育方向性差，兩側(cè)地層連續(xù)完整，巖性均勻，顏色單一，具有近期形成的特征（圖3）。

2.3 活動特征

順義地裂縫（機(jī)場段）具有明顯的垂向變形特征與水平拉張活動特征，表現(xiàn)為南東側(cè)下降，北西側(cè)上升。裂縫兩側(cè)沉降差異較為明顯，部分路面已形成陡坎（圖2-a），最大錯位量達(dá)15cm，地裂縫所過之處已造成地表變形（圖2-b），土體及建筑物均不同程度受到張裂破壞（圖2-d），最大寬達(dá)15cm，農(nóng)田出現(xiàn)塌陷坑，直徑可達(dá)30cm（圖2-e）。通過衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)解譯獲取地裂縫多時段影像圖（圖4），地裂縫2009年開始逐漸顯現(xiàn)，隨后不斷呈不連續(xù)斷裂面發(fā)育，截至2017年地表開裂現(xiàn)象嚴(yán)重，已形成陡坎，最大沉降速率約45mm/a。

3 成因分析

3.1 深部構(gòu)造控制

地球物理勘探技術(shù)是探測斷裂最主要的方法之一，其中，淺層人工地震勘探法由于探測其原理，使其具有較高的分辨率，對于第四系內(nèi)部不同的反射層具有很好的識別效果（王景明等，2010）。為揭示順義地裂縫（機(jī)場段）與構(gòu)造的關(guān)系，在地裂縫發(fā)育明顯區(qū)域布設(shè)一條淺層人工地震勘探線（圖2），測線全長共計(jì)500m，地震剖面反射結(jié)果如圖5，剖面共識別出兩個反射界面，反射波相同軸發(fā)生錯段，分別為L1、L2。地震反射剖面結(jié)果表明斷裂向上延伸至第四系內(nèi)部，樁號240-340之間錯動較明顯，形成“鏟式”斷層結(jié)構(gòu)。根據(jù)相關(guān)監(jiān)測資料顯示，順義斷裂活動性微乎其微。斷層的緩變?nèi)鋭幼冃紊胁蛔阋詫Φ乇硇巫儺a(chǎn)生影響，判該條斷層構(gòu)造是順義地裂縫（機(jī)場段）形成的控制因素。

3.2 隱伏斷裂與第四系厚度差異

順義地裂縫（機(jī)場段）發(fā)育方向與順義斷裂的走向基本一致， 總體上沿NE35°～ 50°方向展布，根據(jù)地裂縫北東端某機(jī)場鉆孔地層剖面所示（圖6），將100m深的地層劃分為5個沉積旋回，5個鉆孔Ⅴ段的厚度、底界面標(biāo)高大致相同，但21號鉆孔和22號鉆孔第Ⅳ段地層存在明顯差異，Ⅳ段底部地層埋深分別為34.8m和38.5m，厚度相差3.7m;21號鉆孔和22號鉆孔第Ⅲ段底部地層埋深分別為48.7m和56.8m，厚度相差8.1m，鉆孔深部剖面錯動特征與上述探槽剖面淺部錯動特征具連續(xù)性，判斷順義斷裂的從21號、22號之間通過。

前人鉆孔證實(shí)，位于順義-良鄉(xiāng)斷裂北西盤的順4鉆孔474m處見新生界與元古界白云巖分界線，位于南東盤順5鉆孔791m處見新生界與侏羅系泥巖分界線，兩盤新生界底界高差近300m，第四系松散沉積層厚度總體差異相對較大。地裂縫的形成受是隱伏斷裂的向上延伸，沉積厚度差異是地裂縫形成的內(nèi)在因素。

3.3 超采地下水誘發(fā)地裂縫

研究表明，過量超采地下水，引發(fā)地下水位持續(xù)下降，形成地下水漏斗，引發(fā)不均勻沉降（姜媛等，2014;喬建偉等，2015）。順義地裂縫（機(jī)場段）位于地下水漏斗嚴(yán)重區(qū)域（圖7），在持續(xù)超采地下水情況下地裂縫兩側(cè)含水層發(fā)生不同應(yīng)力變化，水位持續(xù)下降使得發(fā)生垂向運(yùn)動。

地下水動態(tài)監(jiān)測井（圖8），S1123監(jiān)測井位于地裂縫南東側(cè)（上盤），S1129監(jiān)測井位于地裂縫北西側(cè)（下盤）。水位動態(tài)變化曲線（圖8），S1123-1A監(jiān)測井（孔深52.83m）2010年潛水位埋深為9.1m，到2017年底水位上升至10.46m。S1129-1A監(jiān)測井（孔深54m）2010年水位埋深為12.61m，到2017年底水位下降到11.15m。通過地裂縫兩側(cè)地下水位變幅比對表明，潛水位動態(tài)變化呈相反趨勢，中、深層水位呈下降趨勢。綜合地下水漏斗與地下水位動態(tài)變化表明，地裂縫位于第一層地下水漏斗邊緣，兩側(cè)潛水水位變化呈相反動態(tài)變化發(fā)展產(chǎn)生地表應(yīng)力差異，中、深層水位持續(xù)下降導(dǎo)致壓縮層持續(xù)發(fā)生固結(jié)造成土體不均勻沉降，超采地下水是誘發(fā)地裂縫形成因素。

3.4 成因模式

綜上述分析可知，順義地裂縫（機(jī)場段）的形成可分為3個階段：1）孕育階段：早期地裂縫下伏存在先期斷裂面，由于斷裂面是土體中應(yīng)力面的缺陷部位，其抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度較低，為地裂縫形成提供了誘發(fā)動力環(huán)境。2）誘發(fā)階段：在持續(xù)超采地下水，地下水向漏斗中心滲流過程中使粘土層產(chǎn)生動能，發(fā)生拖拽作用，地表形成地裂縫。3）加劇階段：伴隨著地下水為持續(xù)下降，垂向應(yīng)變逐漸增加，與此同時粘土層發(fā)生垂直運(yùn)動，產(chǎn)生不均勻沉降加劇地裂縫發(fā)育。

4 結(jié)論

順義地裂縫（機(jī)場段）分布于某機(jī)場T2航站樓向南西方向延伸至國航賓館—機(jī)場高速—小王莊村南林地—天柱東路一帶，南東側(cè)相對于北西側(cè)下降，最大垂向錯動達(dá)20cm，探槽揭示斷層錯動整個第四系，發(fā)育特征主要以垂向發(fā)育變形特征為主，水平拉張變形特征為輔。

順義地裂縫（機(jī)場段）受斷裂控制，第四系厚度差異較大，是內(nèi)在控制因素。過量開采地下水，形成地下水降落漏斗，引起地裂縫兩側(cè)粘土層發(fā)生不均勻沉降，是誘發(fā)地裂縫的形成因素。地下水位持續(xù)下降、城市建筑荷載以及人類活動等多種因素疊加，是加劇地裂縫發(fā)展因素。

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