邢台隆尧典型断层蠕滑型地裂缝成因初析

宋 伟，马学军，贾国欣

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

邢台隆尧典型断层蠕滑型地裂缝成因初析

宋 伟，马学军，贾国欣

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

1966年邢台地震发生后，震中所在地隆尧地区多次发生规模较大的地裂缝现象，通过实地调查工作，在隆尧县南(经过震中所在地白家寨村)发现一条断续分布的长约17km的地裂缝，在局部伴有地层错动现象。通过地球物理勘探对华北平原地质构造及断层近期运动规律特征做了进一步调查，认为隆尧地裂缝的地层错断现象主要原因是由于断层蠕滑活动形成的，表现为地壳构造运动产生的内应力的积累与释放。另外，长期干旱和过量开采等自然及人类活动因素也会使地下水逐年下降引起地裂缝。

地裂缝;地球物理勘探;地下水动态;成因分析;河北邢台

0 引言

1966年发生在邢台的里氏6．8级地震，造成了极大的破坏和损失，地震震中位于隆尧县白家寨村附近。在1966年邢台地震后，隆尧县地区多次发生规模较大的地裂缝现象，在邢台地震震中马栏村、白家寨村东西两侧的延伸区域内破坏程度尤为明显，地裂缝总长度约为30km，总体走向为北东向60°(图1)，是目前华北平原规模最大的地裂缝。地裂缝延伸分布的方向上所在的村庄有不同程度的破坏，虎中村、南小河等村有40余户民房出现墙体开裂和道路塌陷并伴有开裂等现象，莲子镇西店子村发生了较为明显的地层错动现象，地层垂直位移明显(图2)，地表部分出露可见，已导致村中10余户房屋不同程度的墙体开裂和地面倾斜;在裂缝影响范围内的道路每年雨季都发生开裂和塌陷现象，在西店子村村西农田地表有明显的出露。

图1 邢台隆尧地区地震构造分布示意图

图2 华北地区垂直形变速率图

我国较为典型的断层蠕滑型地裂缝主要分布在西安地区，特征是垂直错动量大，剖面形状多呈锯齿状或阶梯状，个别有擦痕，倾角陡，地裂缝错距随深度增加而加大。产生垂直错动的地裂缝的主要成因可归为两类：一是深部断裂在统一区域应力场作用下，长期蠕动而成隐伏微细地裂缝，并在断陷盆地中断块差异沉降作用下，应力场环境产生加速变化，导致垂直错动位移;二是在地下水活动这一附加因素下，使隐伏地裂缝扩张，并发生位移(易学发，1984)。

调查工作中，通过部分物探手段及在重点裂缝位置布置探槽等工作，分析相关裂缝是否为断层蠕滑型裂缝。

通过分析地震时间剖面，表现为剖面上地层节理及开启的地裂缝地震反射波组的特点是反射相位较其两侧明显增多，呈水平或倾斜的整体错动，形成梳状外貌特征，第四系原状结构已经改变，出现更多的地层间的孔隙和间隔，从而导致应力场环境的变化，使隐伏裂缝逐步扩张，进而发生位移。

王景明(2000)研究的华北平原地裂缝分布资料显示，1966年邢台6．8级地震地裂缝主要分布在60km×20km的区域内，调查的隆尧地裂缝就分布在这一区域内，并且与这一区域内的一条走向为北北东的隐伏断层基本吻合(图3)。

图3 冀中坳陷区域断裂构造图

根据王景明(1992)的研究表明，20世纪50年代初以来，大华北区地壳活动逐步增强加速，尤其在1966年地震后，地壳运动加速过程中，变动以弹性、塑性和破裂等变形形式来释放应变，应变表现为非线性变形，表现形式是微裂隙发育，从而引起地壳破裂开启形成地裂缝。近40年来，华北平原地堑系在大华北地区变动明显的构造带中活动尤其明显，并形成了地裂缝密集带分布。

依托华北平原地裂缝调查与评价项目，在野外工作和大量区域地质、水文地质、槽探和物探资料的基础上，对隆尧县断层蠕滑地裂缝的分布、延伸特征、形成机制进行了简单分析，并主要对西店子村出现的断层蠕滑型地裂缝的垂直地层错断现象进行了初步研究。

1 隆尧地区地质构造概况及其与隆尧地裂缝的成因关系

隆尧县地处于滹沱河冲积扇的西南缘，太行山山前洪积—冲积倾斜平原的前缘，古宁晋泊湖积—冲积洼地及冲积平原之间，滏阳河自西南向东北流经1966年震区中部。

构造上，属于邢台地堑区，东邻沧县隆起，北接冀中坳陷，西界太行隆起，南邻内黄隆起(车兆宏等，1992)。

邢台地堑的总体构造以北北东向为主，内部发育有一系列较大的北北东—北东向断裂带，局部尚发育有北西—北西西向断裂。根据物探资料，地堑的凸起和凹陷之间有两条隐伏断层：一条在南部，方向为由两端的北西西向转为东端的北东向;另一条在北部，方向为北北东，前者的东北端点与后者的西南端点相距20km。而此次发现的地层错断地裂缝就位于两条隐伏断层之间。

1966年，邢台地震震中位于新河断裂的上盘，地面形成长50余km的密集地裂缝带，它们基本沿新河断裂分布。地震的内圈等烈度线近于椭圆形，长轴约为18km，短轴约为12km，走向为北北东，与新河断裂走向相符(图4)。震源机制解表明，震源断层面走向与新河断裂大体吻合，所以，发震断裂在平面上与新河断裂基本一致(徐杰等，1988)。

图4 1966年邢台地震区域断裂构造图

通过邢台地震区域断裂构造图分析，隆尧地裂缝与隆尧南构造断裂带走向大体相吻合。其中，新河断裂是束鹿断陷盆地的断陷主断裂，为正断层，控制了中生界和古近系地层的分布，向上延入新近系和第四系。因此，隆尧地裂缝可能为活动断裂错断了第四系地层之后，直接出露于地表之后的继续活动。

无论从地表垂直向错断(最大42cm)还是从对建筑物的破坏来看，隆尧地裂缝的活动强度都与其他小型地裂缝有明显的区别。显然，对于如此大活动强度的地裂缝的开启能量，只有区域构造应力场和深部的活动断裂才能提供。

垂向错动距离自上而下逐步增大(图5)，该地裂缝发育过程具有自下而上逐步扩展发育的基本特征。因此，这可能反映了深部断裂活动过程中，由于在断层面两侧介质体相对运动过程中，上部土层受到牵引作用而发生开裂，并逐步向上作递进式扩展的基本发育特征。

图5 西店子村西探槽素描图

2 隆尧西店子村地裂缝分布概况

据访问了解和有关调查资料，本区域内的地裂缝开始发生于2000年左右，为雨季后地表出露，部分裂缝伴有垂直向错动位移。1966年地震时，伴有翻砂和冒黑水现象，并有轰隆的声音从地下发出，部分村民家中井水出现污浊现象。

根据实地调查的资料，裂缝自西向东贯穿西店子村—东店马村边的河道中(已干枯)，局部地面有明显出露，据布置的探槽的编录数据可知，错动量呈西高东低，约为10cm～35cm。

2006年春至2010年10月下旬的4年时间，西店子村内房屋垂直开裂错动最大达20cm，水平错动最大达6cm(图6)。据此初步计算，该地裂缝的平均垂直错动速率约为5cm/a，水平错动速率约为1.25cm/a。隆尧地裂缝运动特征与华北平原北西西向的断裂普遍存在的左旋滑移特征相吻合。

图6 隆尧地裂缝左旋走滑错动特征

图7 西店子村地层剖面断裂错动示意图

图8 探槽剖面地层错动示意图

3 隆尧西店子村浅层地震勘探分析

3．1 隆尧西店子村浅层地震勘探时间剖面解译

从图9上看，剖面存在4个反射波组(T1、T2、T3、T5)。T1反射波组在时间210ms左右，反射波组连续，且T1反射波组平直，埋藏深度在140m左右。T2反射波组在时间260ms左右，反射波组连续，且T2反射波组平直，埋藏深度在200m左右。T3反射波组在时间410ms左右，反射波组较连续，且反射波组平直，埋藏深度在360m左右。T4反射波组缺失。T5反射波组在时间610ms左右，且反射波组不连续，在CMP250处反射波组缺失，推测为断层，埋藏深度在670m左右。

3．2 隆尧西店子村浅层地震勘探时间剖面解译

从图10上看，剖面存在5个反射波组(T1、T2、T3、T4、T5)。在CMP224和CMP233两处，反射波组T1、T2和T3错断，推断为断层。T1反射波组在时间200ms左右，且T1反射波组平直，埋藏深度在140m左右。T2反射波组在时间260ms左右，且T2反射波组较平直，埋藏深度在200m左右。T3反射波组在时间400ms左右，且反射波组较平直，埋藏深度在 360m左右。T4反射波组在 CMP152—CMP205地段缺失(图7椭圆部分)，且T4反射波组在时间500ms左右变化，埋藏深度在500m左右。T5反射波组在时间600ms左右，且反射波组不连续，埋藏深度在660m左右。地面上地裂缝对应(图7)CMP152点位置。

3．3 隆尧西店子村浅层地震勘探时间剖面解译

从图11上看，剖面存在5个反射波组(T1、T2、T3、T4、T5)。T1反射波组在时间200ms左右，反射波组连续，且T1反射波组较平直，埋藏深度在140m左右。T2反射波组在时间260ms左右，反射波组连续，且T2反射波组平直，埋藏深度在200m左右。在CMP320处，反射波组T3、T4和T5错断，推断为断层。在 CMP360—CMP550地段，T3、T4、T5反射波组缺失(图8中椭圆部分)，推测为破碎带。T3反射波组在时间390ms左右，埋藏深度在350m左右。T4反射波组在时间480ms左右，埋藏深度在480m左右。T5反射波组在时间550ms左右，埋藏深度在605m左右。

3．4 隆尧西店子村浅层地震勘探时间剖面解译

从图12上看，剖面存在5个反射波组(T1、T2、T3、T4、T5)。T1反射波组在时间180ms左右，反射波组连续，且T1反射波组较平直，埋藏深度在126m左右。T2反射波组在时间210ms左右，反射波组连续，且T2反射波组平直，埋藏深度在168m左右。T3反射波组在时间380ms左右，反射波组连续，且T2反射波组平直，埋藏深度在342m左右。在CMP144—CMP155地段，反射波组T4缺失，推断为断层。T4反射波组在时间500ms左右，埋藏深度在500m左右。T5反射波组在时间580ms左右，埋藏深度在638m左右。

图12 西店子村浅层地震时间剖面4

3．5 反射波速度表

/ms T1 T2 T3 T4 T5速度/(m/s)层位1 400 1 600 1 800 2 000 2 200

3．6 α杯观测曲线图解译

从以下6幅α杯观测曲线图线可以清楚地看到在200m地裂缝位置，大多数脉冲值都处于峰值、其两侧明显下降。其中隆尧wab-e线跨多条地裂缝。依此可以认为地裂缝位置正是氡气从地下深部沿断裂层面运移到地表的出口，地裂缝影响带宽30m左右。对于峰值比较大的区域，依此可以推断为隐伏地裂缝。

图13 隆尧wab-a线α杯曲线图

图14 隆尧wab-b线α杯曲线图

图15 隆尧wab-c线α杯曲线图

4 总述

通过华北平原地裂缝的成因和构造关系可知，华北平原地裂缝一般发生在山前与平原交接部位。主要地裂缝分布在太行山东侧断裂带，邢台—唐山断裂带(涉县—卢龙断裂)，晋县—邢台—安阳断裂带，大别山北麓郑州—商丘—徐州、卢氏—确山—固始、桐柏—信阳—商城、淮河断裂带和郯城—庐江断裂带附近。大多与区域构造线的方向一致。反映了构造运动的动力及控制因素。

图16 隆尧wab-d线α杯曲线图

图17 隆尧wab-e线α杯曲线图

图18 隆尧wab-f线α杯曲线图

结合本次浅层地震勘探分析的结果，隆尧区域的地表出露的地裂缝符合邢台地区的基底构造分布延伸，具有位于凹陷与隆起相交的边界附近的特点。

华北平原基底深度在3 000m以下，基底构造形态一般不会对第四系地裂缝有直接影响，但由于新生代以来，华北构造区是一个内部结构复杂、断裂活动强烈的地区。新华夏系NNE向断裂是发生过多次强震的活动断裂。因此，在华北盆地内控制拗陷与隆起，凹陷与凸起的活动断层对地裂缝的发生具有重要的成生关系(杨旭东等，2008)。

另外，根据2007年河北省水资源公报，“宁(晋)柏(乡)隆(尧)”降落漏斗面积达1 956km2，中心地区地下水埋深 64.20m，比2006年降低了3.57m。流经西店子村的澧河，从20世纪70年代干涸后，西店子村开始掀起打井热，如今，该村约3 500人、面积3km2，120口机井。据调查，在1980年以前，生产队集体挖土井5m～6m深即可取水，之后逐渐已挖不出水，便开始打机井。最初，一般打25m左右出水，到2010年，机井一般要打120多m深，水位约60m。所以，过量开采地下水引起的地面沉降也进一步加剧了地裂缝活动。

综上所述，1966年邢台地震诱发的地震断裂的震后长期蠕滑活动及人类对地下水的开采利用是形成隆尧地裂缝的主要原因。

5 结语

断层蠕滑型地裂缝的特征是垂直错动量大，剖面形状多呈锯齿状或阶梯状，个别有擦痕，倾角陡，地裂缝错距随深度增加而加大。通过对重点区域的调查走访、相关探槽的布置及相关的物探工作布置，结合调查所整理和相关构造资料的分析，邢台隆尧地区的地裂缝，特别是出现错断的裂缝现象应属于断层蠕滑型地裂缝，原因有以下3点。

(1)隆尧地裂缝其地表走向有较为明显规律特征(东西西向)，对应其展布方向与此区域的构造有紧密联系。通过实地物探反射波剖面上反应的相位的错断、扭曲，可判断是从隐伏的断层蠕滑型地裂逐步发展成为地表地裂缝，特别是不同地层结构差别大的地区产生地面的不均匀沉降而形成地裂缝。主控因素为动力类型断层蠕滑、断层速滑和区域微破裂形成第四系地层节理开启，表现为地壳构造运动产生的内应力的积累与释放(图19)。

图19 东店马村探槽揭露的主裂缝擦痕

(2)通过对当地的具体调查和布置探槽所得出的数据分析，隆尧地区地裂缝的成因是区域构造应力场的作用下形成的第四系地层节理以及地下水水位下降。由于这个地区地表水的渗漏、冲刷、潜蚀和地面沉降幅度以及附近工厂大量开采地下水(隆尧莲子镇为华龙集团所在地，是其下属的今麦郎纯净水的取水范围)，导致地面沉降引发地层节理延及地表开裂，这是地裂不可忽略因素。

(3)隆尧地区地裂缝及地层节理在相关地震时间剖面上的特点(主要针对1966年邢台地震)是反射相位较其两侧明显增多，呈水平或倾斜的整体错动，形成梳状扰动的反射震相外貌特征，表明第四系地层原状结构已被改变。所以，为初步推断此区域发生地裂缝为断层蠕滑型地裂缝提供了特征标志和依据。

车兆宏，范燕．1992．华北地区断层现今活动速率与特征［J］．地震地质，21(1)：69 －76．

王景明．1992．华北区地裂缝与地震活动周期性分析［J］．地震研究，15(1)：53 －62．

王景明．2000．地裂缝及其灾害的理论与应用［M］．西安：陕西科学技术出版社．

徐杰，方仲景，杨理华．1988．1966年邢台7．2级地震的地震背景和发震构造［J］．地震地质，10(4)：51－59．

杨旭东，孙党生，彭成，等．2008．华北平原地裂缝地球物理勘查项目成果报告［R］．保定：中国地质调查局水文地质环境地质调查中心．

易学法．1984．西安市地面沉降及地裂缝成因的讨论［J］．地震，(6)：46 －60．

Cause analysis of creep type ground fissures for Longyao typical faults in Xingtai

SONG Wei，MA Xue-jun，JIA Guo-xin

(Center for Hydrogeolog and Environmental Geology，CGS，Baoding 071051，Hebei)

When Xingtai Earthquake occurred in 1966，many occasions of ground fissures took place in the epicenter location around Longyao area．Through field investigation，the authors found that a discontinuous distribution of ground fissure about 17km long in south Longyao(through the epicenter location of the Baijiazhai Village)，locally associated with the phenomenon of formation dislocation．By geophysical investigations on the geological structures in North China Plain and the recent fault movement research and analysis，the authors found that the stratigraphic fault phenomenon for Longyao ground fissure was resulted from fault creep activities，showing the accumulation and release of internal stress occurred by crustal tectonic movement．In addition，some natural and human activities like long-terms of drought and excessive exploitation of groundwater were the affecting factors of ground water level decrease year by year．

Ground fissures;Geophysical exploration;Groundwater movement;Cause analysis;Xingtai，Hebei

P694

A

1674－3636(2011)04－0405－08

10．3969/j．issn．1674-3636．2011．04．405

2011－05－06;

2011－07－17;编辑：侯鹏飞

宋伟(1985—)，男，工程师，主要从事水文地质、环境地质调查与研究，E-mail：sw262914595@126．com