华北陆缘盆地地裂缝成因机理研究
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摘要
地裂缝既是一种以地面破裂变形为显著特征的宏观地质现象，又是一种对地表土体直接破坏的表生地质灾害，在华北平原地区乃至整个华北板块区域发育之广、危害之大，世属罕见。随着人类工程实践活动向自然领域拓展，地质活动也愈加反作用于人类自身，两者之间的矛盾日益凸显，地裂缝等灾种的危害日益突出。本质而言，地裂缝是致裂因素在一定介质中按照某种法则演进而成的地表破裂现象，反映了连续性时空对非连续性地质事件或工程事件的突变响应关系。本次研究以“华北平原地面沉降地裂缝调查与监测”项目为依托，探讨华北地裂缝成因本质的相关理论问题，旨在摸清地裂缝活动规律、破解地裂缝孕发机理、探寻地裂缝减灾措施，为农业生产、民居民生、工程建设、经济发展提供科学依据和实践指导。本文利用地质调查、勘探、测绘、监测、试验等工程手段，以及事实归纳、理论分析、模型演绎、逻辑论证等理论方法，从深部与表部、整体与局部、宏观与微观等角度，对华北陆缘拗陷盆地——华北平原地裂缝全面展开研究，得出六个方面的成果：
1）通过调查研究，新近查明了华北地裂缝分布现状。华北地裂缝分布格局为“一带四区”，即太行山前地裂缝发育带、冀中拗陷地裂缝发育区、沧县隆起地裂缝发育区、临清拗陷地裂缝发育区，以及其他零散发育区，在构造上基本布于太行山前断裂以东、沧东断裂以西、燕山褶皱带以北这一带状区域；具有扩展方向性、分布群集性、构造关联性、形成复杂性、活动周期性等五个属性。
2）通过理论研究，全面阐释了华北地裂缝孕裂机理。华北平原地裂缝的孕育、成生和演化联系于一定的时空环境，包括大尺度的构造环境和小尺度的局部环境。从微观上看，地裂缝是土体介质材料连续性的中断，土体所处环境发生变化，造成了维持土体平衡状态的固有条件改变而诱发土体微观结构重新分布，当变化累积到极限而发生破坏。从宏观上看，地裂缝作为一种地质要素，与其他空间地质要素、动力地质要素、时间地质要素形成一个有机的、相互联系的体系，地裂缝的形成是这一体系自身变化、演化的结果。从地裂缝的孕裂环境的要素组成来看，地层结构是地裂缝形成的介质因素，地质结构是其构造因素，现代构造应力和现代地壳变动是其动力因素，块体演化是其时间因素。
3）通过事实研究，重点分析了华北地裂缝启裂机理。地裂缝在长期缓慢的变化过程中因某些因素的突变，而使在一定深度和范围内的土体持力性质发生弱化，破裂活动被较大规模、较大速度地启动并扩展，最终在地表显化。构成地裂缝的启裂条件包括深部构造拱裂作用、基底伸展抻裂作用、断层活动错裂作用、水体活动渗裂作用、埋藏地貌陷裂作用、岩溶构造蚀裂作用、采掘活动塌裂作用等七个方面。
4）通过勘探研究，首次归纳了华北典型地裂缝成裂模式。地裂缝的形成过程包括孕育、开启、发展、演化、休止、复活等环节，这些环节并非由简单因素始终控制，而是糅合了内动力、外动力因素的复杂过程。华北平原典型地裂缝成裂模式可以划分为盆缘断裂牵动式（邯郸）、断块升降位错式（隆尧）、隐伏断裂蠕动式、深部剪切开花式（河间）、地震活动响应式（唐山）、抽水作用加剧式、表水渗透潜蚀式、埋藏地貌沉陷式（大名）、内外动力耦合式等九种模式。
5）通过区域研究，尝试探讨了华北地裂缝群发机制。在板块尺度上，华北地区地处欧亚板块与太平洋板块交汇地带，被燕山隆起、太行山隆起及泰山隆起围限。青藏高原隆升带来的远程效应及太平洋板块南北偏移带来的阻挡效应，造成深部物质运动并向地表转化，形成华北地区近EW向拉张应力场，共同促生了地裂缝的群发现象，表现为时空选择发育特征。
6）通过评价研究，初步划分了华北地裂缝危险区域。利用层次分析法将华北地区地裂缝危险区划分为四个等级——高度区、中高度区、中度区及轻度区，其中太行山前断裂、沧东断裂及冀中拗陷西缘断裂带为地裂缝监测、预报的重点区。
最后，地裂缝的理论价值在于解释已发现事实、预测未知事实，更多新事实的探索、更新、验证，不仅有助于科学认识的深入，也有助于工程实践的推进。
Ground fissure is a geological phenomenon with ground rupture and significantdeformation. It is also a geological disaster of the Earth’s surface with direct destruction tosoil. This kind of hazard happens widely, destructively and uncommonly distributed in theregion of North China Plain, and even in the plate. With the practice of human’s engineeringactivities being expanded in natural areas, geological activity has become even more reactionto human beings, the contradiction between the two has become increasingly pronounced, aswell as the disasters. In essence, ground fissures are the phenomena of surface rupture whosefracturing factors are developing with some rules in certain media. It reflects the abruptresponse relationship between the non-continuous events of geology or engineering and thecontinuity space-time. Based on the research project “investigation and monitoring to landsubsidence and ground fissures in North China Plain”, the article probed the theory of groundfissures’ nature in order to find out the crack-acting mechanism, the crack-gestated laws, andthe crack-protected measures. This study will provide scientific basis and practical guidancefor the agricultural production, the people's livelihood, engineering construction, andeconomic development. In this paper, the author analyzed the ground fissures in North ChinaEpicontinental Basin through the means of geological survey, exploration, surveying andmapping, monitoring, test engineering, as well as theoretical analysis, model interpretation,logical argumentation and other theoretical methods. The results of this research include sixaspects.
1) The latest distribution of ground fissures in North China Plain was investigated. Itspattern is “one band and four zones”. They are Taihang-faulted band, Cangxian-swelled zone,Jizhong-depressed zone, Linqing-depressed zone, and other zones in the east of TaihangMountain fault, all of which are located in the west of Cangdong fault and the north ofYanshan Mountain Fold belt. The ground fissures have five characteristics that are directionalexpansion, concentrated distribution, associated structure, complexity formation and periodicactivities.
2) The crack-gestated mechanism of ground fissures was explained comprehensivelythrough the theoretical research in North China Plain. The gestating, forming and developing of ground fissures contact with a certain time-space environment, including large-scale oneand small-scale one. In the view of microscopic point, ground fissures reflect continuityinterrupt in soil material medium, and they are damaged when the environment changes,which leads to the change of natural conditions that maintain the soil equilibrium and to themicrostructure redistribution. In the view of macro point, as a kind of geological factors, theground fissure with the factors of space, time and dynamic, forms an organic andinterconnected system of ground fissure. The formation of ground fissures is the result of itschange and evolution. In the view of gestating environmental elements, stratigraphic structureis the media factor, and geological structure is the constructed one, and modern tectonic stressand crustal movement are the power ones, and evolution of the block is the time one.
3) The mechanism of ground fissures’ formation is analyzed selectively by studying thegeological facts. Due to some factors developing slowly in the long-term and changingsuddenly, the mechanical properties of soil has be weaken so much that the cracks are openedfast and widely and appear on the surface ultimately. They form the crack-opening condition,that is, the mechanisms of deep material, basement tectonics, active faults, groundwater,buried landforms, karst structure and extractive activities.
4) The forming modes of ground fissures in North China are summarized for the firsttime through exploration and research. The process of the formation of ground fissuresincludes gestating, opening, developing, evolving, reposing and resurrecting. These sectorsare not always controlled by simple function, but the complex process combining the Earth’sinner power and outside one. The typical modes can be divided into the chaining reaction ofbasin margin’s fault, the lifting dislocation of fault’s block, the creeping reaction of buriedfault, the shearing function of deep structure, the responding to earthquake, aggravation bygroundwater pumping, permeating reaction of surface water, the subsidence of buriedlandforms, and the coupled function of internal and external power.
5) The mass mechanism of ground fissures in North China Plain is approached throughthe regional research. At plate scale, the North China region is located in the intersection zonebetween the Eurasian Plate and the Pacific Plate, which is surround by YanshanMountain-uplift, Taihang Mountain-uplift and Taishan Mountain-uplift, and the groundfissures’ distribution reflects the characteristics of selective development in time and space. The remote effects of Qinghai-Tibet-plateau uplifting and the obstructive effects of the Pacificplate offsetting promote the mass phenomenon of ground fissures.
6) The risk area of ground fissures in North Chain Plain is divided into four grades-theheight district, the middle-height district, the middle district and the low district, in which theareas in Taihang Mountain faults, Cangdong faults and the western margin faults ofJizhong-depression are the point districts of monitoring and forecasting.
Finally, the theoretical value of the ground fissures is that it can help to not only explainthe facts of existing ground fissures, but also forecast the ones being unfound. This study willhelp not only deepen the scientific understanding, but also promote the engineering practice.
1）通过调查研究，新近查明了华北地裂缝分布现状。华北地裂缝分布格局为“一带四区”，即太行山前地裂缝发育带、冀中拗陷地裂缝发育区、沧县隆起地裂缝发育区、临清拗陷地裂缝发育区，以及其他零散发育区，在构造上基本布于太行山前断裂以东、沧东断裂以西、燕山褶皱带以北这一带状区域；具有扩展方向性、分布群集性、构造关联性、形成复杂性、活动周期性等五个属性。
2）通过理论研究，全面阐释了华北地裂缝孕裂机理。华北平原地裂缝的孕育、成生和演化联系于一定的时空环境，包括大尺度的构造环境和小尺度的局部环境。从微观上看，地裂缝是土体介质材料连续性的中断，土体所处环境发生变化，造成了维持土体平衡状态的固有条件改变而诱发土体微观结构重新分布，当变化累积到极限而发生破坏。从宏观上看，地裂缝作为一种地质要素，与其他空间地质要素、动力地质要素、时间地质要素形成一个有机的、相互联系的体系，地裂缝的形成是这一体系自身变化、演化的结果。从地裂缝的孕裂环境的要素组成来看，地层结构是地裂缝形成的介质因素，地质结构是其构造因素，现代构造应力和现代地壳变动是其动力因素，块体演化是其时间因素。
3）通过事实研究，重点分析了华北地裂缝启裂机理。地裂缝在长期缓慢的变化过程中因某些因素的突变，而使在一定深度和范围内的土体持力性质发生弱化，破裂活动被较大规模、较大速度地启动并扩展，最终在地表显化。构成地裂缝的启裂条件包括深部构造拱裂作用、基底伸展抻裂作用、断层活动错裂作用、水体活动渗裂作用、埋藏地貌陷裂作用、岩溶构造蚀裂作用、采掘活动塌裂作用等七个方面。
4）通过勘探研究，首次归纳了华北典型地裂缝成裂模式。地裂缝的形成过程包括孕育、开启、发展、演化、休止、复活等环节，这些环节并非由简单因素始终控制，而是糅合了内动力、外动力因素的复杂过程。华北平原典型地裂缝成裂模式可以划分为盆缘断裂牵动式（邯郸）、断块升降位错式（隆尧）、隐伏断裂蠕动式、深部剪切开花式（河间）、地震活动响应式（唐山）、抽水作用加剧式、表水渗透潜蚀式、埋藏地貌沉陷式（大名）、内外动力耦合式等九种模式。
5）通过区域研究，尝试探讨了华北地裂缝群发机制。在板块尺度上，华北地区地处欧亚板块与太平洋板块交汇地带，被燕山隆起、太行山隆起及泰山隆起围限。青藏高原隆升带来的远程效应及太平洋板块南北偏移带来的阻挡效应，造成深部物质运动并向地表转化，形成华北地区近EW向拉张应力场，共同促生了地裂缝的群发现象，表现为时空选择发育特征。
6）通过评价研究，初步划分了华北地裂缝危险区域。利用层次分析法将华北地区地裂缝危险区划分为四个等级——高度区、中高度区、中度区及轻度区，其中太行山前断裂、沧东断裂及冀中拗陷西缘断裂带为地裂缝监测、预报的重点区。
最后，地裂缝的理论价值在于解释已发现事实、预测未知事实，更多新事实的探索、更新、验证，不仅有助于科学认识的深入，也有助于工程实践的推进。
Ground fissure is a geological phenomenon with ground rupture and significantdeformation. It is also a geological disaster of the Earth’s surface with direct destruction tosoil. This kind of hazard happens widely, destructively and uncommonly distributed in theregion of North China Plain, and even in the plate. With the practice of human’s engineeringactivities being expanded in natural areas, geological activity has become even more reactionto human beings, the contradiction between the two has become increasingly pronounced, aswell as the disasters. In essence, ground fissures are the phenomena of surface rupture whosefracturing factors are developing with some rules in certain media. It reflects the abruptresponse relationship between the non-continuous events of geology or engineering and thecontinuity space-time. Based on the research project “investigation and monitoring to landsubsidence and ground fissures in North China Plain”, the article probed the theory of groundfissures’ nature in order to find out the crack-acting mechanism, the crack-gestated laws, andthe crack-protected measures. This study will provide scientific basis and practical guidancefor the agricultural production, the people's livelihood, engineering construction, andeconomic development. In this paper, the author analyzed the ground fissures in North ChinaEpicontinental Basin through the means of geological survey, exploration, surveying andmapping, monitoring, test engineering, as well as theoretical analysis, model interpretation,logical argumentation and other theoretical methods. The results of this research include sixaspects.
1) The latest distribution of ground fissures in North China Plain was investigated. Itspattern is “one band and four zones”. They are Taihang-faulted band, Cangxian-swelled zone,Jizhong-depressed zone, Linqing-depressed zone, and other zones in the east of TaihangMountain fault, all of which are located in the west of Cangdong fault and the north ofYanshan Mountain Fold belt. The ground fissures have five characteristics that are directionalexpansion, concentrated distribution, associated structure, complexity formation and periodicactivities.
2) The crack-gestated mechanism of ground fissures was explained comprehensivelythrough the theoretical research in North China Plain. The gestating, forming and developing of ground fissures contact with a certain time-space environment, including large-scale oneand small-scale one. In the view of microscopic point, ground fissures reflect continuityinterrupt in soil material medium, and they are damaged when the environment changes,which leads to the change of natural conditions that maintain the soil equilibrium and to themicrostructure redistribution. In the view of macro point, as a kind of geological factors, theground fissure with the factors of space, time and dynamic, forms an organic andinterconnected system of ground fissure. The formation of ground fissures is the result of itschange and evolution. In the view of gestating environmental elements, stratigraphic structureis the media factor, and geological structure is the constructed one, and modern tectonic stressand crustal movement are the power ones, and evolution of the block is the time one.
3) The mechanism of ground fissures’ formation is analyzed selectively by studying thegeological facts. Due to some factors developing slowly in the long-term and changingsuddenly, the mechanical properties of soil has be weaken so much that the cracks are openedfast and widely and appear on the surface ultimately. They form the crack-opening condition,that is, the mechanisms of deep material, basement tectonics, active faults, groundwater,buried landforms, karst structure and extractive activities.
4) The forming modes of ground fissures in North China are summarized for the firsttime through exploration and research. The process of the formation of ground fissuresincludes gestating, opening, developing, evolving, reposing and resurrecting. These sectorsare not always controlled by simple function, but the complex process combining the Earth’sinner power and outside one. The typical modes can be divided into the chaining reaction ofbasin margin’s fault, the lifting dislocation of fault’s block, the creeping reaction of buriedfault, the shearing function of deep structure, the responding to earthquake, aggravation bygroundwater pumping, permeating reaction of surface water, the subsidence of buriedlandforms, and the coupled function of internal and external power.
5) The mass mechanism of ground fissures in North China Plain is approached throughthe regional research. At plate scale, the North China region is located in the intersection zonebetween the Eurasian Plate and the Pacific Plate, which is surround by YanshanMountain-uplift, Taihang Mountain-uplift and Taishan Mountain-uplift, and the groundfissures’ distribution reflects the characteristics of selective development in time and space. The remote effects of Qinghai-Tibet-plateau uplifting and the obstructive effects of the Pacificplate offsetting promote the mass phenomenon of ground fissures.
6) The risk area of ground fissures in North Chain Plain is divided into four grades-theheight district, the middle-height district, the middle district and the low district, in which theareas in Taihang Mountain faults, Cangdong faults and the western margin faults ofJizhong-depression are the point districts of monitoring and forecasting.
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引文
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