地裂縫構造背景與坳陷伸展構造環境的關系

邵長慶

(中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

地裂縫構造背景與坳陷伸展構造環境的關系

邵長慶

(中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

地裂縫；形成機理；伸展構造；河北平原

首次從坳陷伸展構造環境的角度出發，分析和總結了前人對冀中坳陷伸展構造環境的研究和系統的建立，探討了6處河北平原典型構造成因地裂縫發育帶區域地質背景和伸展構造環境，認為伸展構造環境為地裂縫發育提供了內部空間、外源動力等條件，并控制了地裂縫發育區域與主要特征。在此環境下，地裂縫的產生是伸展構造環境下第四系土體演化過程中的地質現象之一，地裂縫的差異性主要是由基底起伏、伸展斷層(變換斷層)、第四系覆蓋土體的物理性質、人類工程活動等內外因素造成的。

地裂縫是地表巖、土體在自然或人為因素作用下產生開裂，并在地面形成一定長度和寬度的裂縫的一種地質現象，在我國華北平原和汾渭平原發育廣泛，其發生和發展嚴重影響當地經濟發展。依據成因，可將地裂縫分為構造地裂縫和非構造地裂縫兩種基本類型，而根據自然內營力作用不同，又可將構造地裂縫進一步分為斷層活動、基底構造作用和區域微破裂開啟3種動力類型，其中斷層活動包括了速滑和蠕滑[1]，基底構造作用是指基底伸展構造作用。根據前人關于伸展構造和變質核雜巖的研究成果，斷層包括了伸展斷層、變換斷層(帶)和拆離斷層，而這些正是伸展構造環境的組成要素。不同的斷層類型緊密聯系、構成系統，孕育了地裂縫的發育環境。在參與河北平原地裂縫調查與評價的基礎上，筆者首次從坳陷伸展構造環境的角度出發，探討地裂縫構造背景與坳陷伸展構造環境的關系，認為坳陷伸展構造環境為地裂縫的發育提供了伸展空間和動力來源，并且控制了地裂縫的發育產狀。為了更好地表征地裂縫的帶狀特征，以區分形狀不規則的塌陷，首次引入了長寬比λ，為地裂縫研究提供了一個半量化的指標，有助于日后室外調查和室內研究的開展。

1 區域地質概況

河北地區西北部山巒重疊，東南部平原遼闊，可分為壩上高原、冀北山地、冀西北間山盆地、冀西山地、河北平原5個地形區。區內地層發育齊全，巖漿作用強烈，基底由太古界的一套復雜的變質巖系組成，蓋層由中上元古界、古生界、中生界和新生界組成，區內第四系沉積厚度主要受基底構造形態和地貌單元控制。地質構造十分復雜，特別是進入喜馬拉雅旋回后，該區處在了NW—SE方向的拉張應力場中，燕山旋回以來形成或復活的一些主干斷裂，由擠壓轉換為引張，并發生一側沉降，從而孕育了新生代的主要斷陷盆地和裂谷盆地，逐步形成了著名的華北平原和其外側的若干坳陷[2]，冀中坳陷就是其中之一。

冀中坳陷位于渤海灣盆地西北隅，是渤海灣盆地內的一個二級負向構造單元，西鄰的太行山隆起發育贊皇、阜平變質核雜巖[3]，坳陷內部則發育NE、NEE向的伸展斷層和不同層次的拆離斷層[4]，以及不同伸展區段之間的變換斷層[5]。冀中坳陷由11個發育在燕山運動基底上以古近系為沉積主體的中小規模的半地塹和7個凸起、低凸起聯合而成。冀中坳陷以中部高陽—無極低凸起、牛駝鎮凸起和河西務構造帶為界，劃分了西部坳陷帶和東部坳陷帶，這些構造單元構成了NNE—NE向展布的“二坳夾一凸”的格局[6]，冀中坳陷伸展構造綱要見圖1。

2 伸展構造環境

20世紀90年代初，馬杏垣院士提出了“中國東部中新生代的裂陷作用和伸展構造”，并討論了中、新生代伸展構造的動力學特征和設想了其形成機制[7]；楊明慧博士在伸展構造系統理論研究基礎之上，重點分析冀中坳陷的伸展構造和伸展作用，建立了冀中坳陷伸展構造系統，并指出地殼伸展作用主要有水平伸展離散和垂直差異沉降等不同形式[8]，分析了水平伸展、基底沉降和伸展的差異性，認為冀中坳陷內部的水平伸展量不均一，伸展量大的部位多分配在控坳邊界斷層附近。

圖1 冀中坳陷伸展構造綱要(華北油田研究院，2013年改編)

冀中坳陷伸展構造多伴生單側主干斷層發育，控制坳陷的走向、邊界和構造樣式，但受變換構造影響：在徐水—安新變換帶以北，大興、牛東—河東斷層斷面東傾，廊固、霸縣和武清等坳陷西斷東超；在徐水—安新變換帶與衡水變換斷層之間，保定—石家莊斷層斷面東傾，而馬西斷層等斷面西傾，饒陽坳陷東斷西超；在衡水變換斷層以南，寧晉、新河斷層斷面西傾，晉縣、束鹿和前磨頭坳陷也呈東斷西超樣式[8]。

2.1 伸展斷層(正斷層)與拆離斷層

(1)太行山山前斷裂帶(簡稱太東斷裂)。太東斷裂屬興安嶺東側到太行山東側斷裂的一部分。作為其重要的組成部分，保定—石家莊斷裂是控制冀中坳陷形成演化的邊界伸展斷層，淺部表現為伸展斷層，而在深層具有拆離斷層的特征[9]，斷層帶整體走向為NE40°—45°，傾向SE，斷面上陡下緩，呈犁式，傾角20°～35°，全線被第四系覆蓋。

(2)其他伸展斷層。冀中坳陷中其他典型的伸展斷層還有大興斷層、牛東斷層、河東斷層、滄西斷層和寧晉斷層等，主要發育特征見表1。

表1 冀中坳陷部分伸展斷層統計

(3)拆離斷層。冀中坳陷發育深、淺兩個層次的拆離斷層，深層次滑脫向(南)東運動，淺層次滑脫向(北)西運動。前者發育早，如保定—石家莊斷層、大興斷層等；后者發育晚，如牛東、馬西斷層等[10]。

2.2 變換斷層(變換帶)

變換斷層或變換帶在走向上平行或微角度斜交于伸展方向，是具有走滑或斜滑斷層作用的不連續帶[11]。冀中坳陷的變換斷層或變換帶一般形成一個伸展域突變的橫向邊界，并在空間上連接相互分隔的伸展域，主要包括了衡水變換斷層帶、徐水—安新變換帶和牛東—馬西S形斷裂構造[12]。

總之，在冀中坳陷伸展構造區，發育了北東、北東東向的伸展斷層、不同層次的拆離斷層[4]和橫向變換斷層(變換帶)，主干伸展斷層控制了坳陷的走向、邊界和構造樣式，但受變換構造影響，斷層與坳陷呈現了多樣性和復雜性。

3 典型構造地裂縫分布及發育特征

自20世紀70年代中后期，我國幾個新構造活動區域相繼發生較大規模的區域性地裂縫現象，以汾渭平原、華北平原地裂縫最為典型。根據現有調查結果，綜合對比分析河北平原地裂縫，篩選了幾條典型構造成因地裂縫，其分布位置、主要發育特征等見表2。

4 響應關系探討

對于地裂縫的成因，謝廣林根據地裂縫的區域性分布特點、唐山地震前后中國東部和華北地區的地殼運動趨勢，認為大華北平原為構造成因，是區域性地殼劇烈運動在地表的一種緩慢形變[13]。隨后我國多位學者先后從不同角度提出了地裂縫成因機制模式，雖然所考慮的因素不盡相同，但是觀點基本一致，即地裂縫是由基底伸展斷層在橫向拉張應力場作用下形成的，并隨著工業化發展和城鎮化建設的推進，在地下水開采的助推作用下，造成伸展斷層帶上覆土體的開裂。筆者認為華北地裂縫的形成與冀中坳陷基底伸展斷層、變換斷層(變換帶)、基底的斷隆有密切的關系，冀中坳陷基底構造單元界定了地裂縫發育的區域和形態。以列舉的典型地裂縫為例，分析兩者的響應關系。

4.1 L1、L2與L3受控分析

L1、L2和L3發育在大城隆起與饒陽坳陷之間，東臨滄西斷層帶，西鄰馬西—牛東S形斷層帶，北靠近徐水—安新—文安變換帶，滄西斷層帶是控制冀中坳陷的東邊界，關系圖見圖2。這些伸展斷層、深部拆離斷層和變換斷層帶共同構成了此區域的伸展構造環境。在冀中坳陷伸展構造環境中，坳陷內部水平伸展量和垂直伸展量并不均一，伸展量大的部位往往發育在控坳邊界斷層附近，多條伸展斷層和變換斷層(帶)的疊加，使此區域的拉張應力場大于臨近區域，構成了地裂縫的發育區。

表2 河北平原部分典型地裂縫統計

圖2 L1、L2、L3在伸展構造環境中的發育分布

4.2 L4受控分析

辛安深饒地裂縫西起辛集市中里廂至饒陽縣北馬村，橫貫了辛集市北、安平縣南、深州市北和饒陽縣南，斷續延伸，總長度約36 km，總體走向NEE，略呈向東南突出的弧形，北側地面微有下降。該地裂縫與無極—饒陽斷層位置基本吻合，稍偏南。無極—饒陽伸展斷層東起饒陽坳陷，西至衡水變換斷層帶，南側有相鄰近的EW向展布、略向北突出的深縣伸展斷層，斷層與坳陷的組合構成了該區域伸展構造環境，如圖3。

4.3 L5與L6受控分析

柏鄉與隆堯位于冀中坳陷的西南部， 主要發育了寧晉—衡水NNE低凸，因受NE向斷層切割，形成了NE向相間排列的凸起和坳陷，L5和L6分布在寧晉低凸一側邊坡上，下伏古近系伸展斷層——隆堯南斷層帶和寧晉斷層帶，伸展斷層帶、低凸起和坳陷共同構成了該區伸展構造環境的組成要素，孕育了地裂縫的形成。主要受寧晉低凸的影響，隆堯南斷層帶主要走向NEE，傾向為SE，隆堯地裂縫的走向和傾向與之相同。寧晉斷層帶主要走向NE，傾向為NW，柏鄉地裂縫的發育特征與之相對應，關系見圖4。

圖3 L4在伸展構造環境中的發育分布

圖4 L5、L6在伸展構造環境中的發育分布

5 結論與建議

根據前人關于冀中坳陷伸展構造單元和河北平原地裂縫的研究成果，筆者認為在伸展構造環境中，巖土體長期處于一定的拉張應力場中，并且巖土體中的拉張應力隨伸展構造環境的演化而發生變化，當作用在巖土體上的拉張應力大于巖土體本身的抗剪強度和抗拉強度時，巖土體發生開裂，開裂處由底面逐漸向上、向兩側延伸，直至在地表面產生裂縫，二者的響應關系具體有以下幾點：

(1)已有的地裂縫地表位移監測數據表明，地裂縫位移的產生并沒有簡單地體現在某一個方向或者是平面上，而是具有三維特征，與冀中坳陷伸展構造環境的構造應力場相一致。

(2)地裂縫發育的長度規模、雁形分布、斷續發育等特征呈現出了伸展斷層的特點。

(3)伸展斷層系位于拆離斷層上部的脆性變形域，斷面產狀較陡，但平面延伸規模有限，一般在斷層中部垂向斷距大，而向兩端逐漸變小，直至為零，冀中坳陷中區東部的馬西斷層、河間斷層、滄西斷層是這類伸展斷層系的典型代表[14]。在地裂縫典型發育區，地裂縫垂直斷距和水平斷距明顯，以及裂縫向兩端逐漸消失的特征與之相呼應。

(4)土體開裂產生的垂直位移主要是因為土體中的剪切力大于土體的抗剪強度，而土體中的剪切力是由土體本身的重力在拉張環境提供的空間中所產生的，這也是地裂縫傾角均較大甚至是近似垂直的原因所在。

(5)筆者認為地表裂縫逐漸向下延伸，甚至伸展至斷層處，在土體內部地裂縫轉變成斷面，受圍壓的影響，不會產生水平裂縫。由于斷面傾角與土體厚度的原因，地表裂縫與伸展斷層并不完全在同一垂直面上，地裂縫往往發育在伸展斷層的一側。在野外調查和資料整理中，該特征得到了很明顯的印證，如塞里西村地裂縫(L6)較無極—饒陽斷層位置稍偏南。

(6)伸展斷層地裂縫的差異性主要與土體沉積的厚度、沉積環境、巖性等有關。伸展構造環境的研究成果——重力滑動、反轉構造和走滑斷層等將對地裂縫差異性和復雜性研究起到推動作用。

(7)地裂縫的發展演化將帶來長寬比的變化，因此長寬比λ的引入將有助于地裂縫野外調查和室內研究工作的開展，為構造型地裂縫研究提供一半量化的指標。

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(責任編輯 李楊楊)

P642.26

A

1000-0941(2015)04-0053-04

邵長慶(1985—)，男，山東濰坊市人，工程師，碩士，主要從事水文地質、工程地質、環境地質方向的研究工作。

2014-10-08