美国的地裂缝研究.doc

国是发现地裂缝灾害最早的国家，也是对地裂缝灾害研究较为广泛和深入的国家。美国的地裂缝灾害，最早出现在上世纪20年代休斯敦附近的Goose Creek油田。在此后的几十年中，美国的地面沉降和地裂缝灾害愈演愈烈。到上世纪80年代，其西南部有6个州、14个地区都出现了地面沉降和地裂缝，其中，亚利桑纳、加利福尼亚、内华达、德克萨斯、新墨西哥等州为集中发育区，损失非常严重。至今已在全国许多地区发现了不同规模的地裂缝现象。一、美国地裂缝的类型与分布 1、美国地裂缝的类型美国的现代地裂缝主要有张裂缝和剪裂缝，它们都与由于开采地下水或石油而导致的地面沉降有密切的联系。出现在德克萨斯州的Goose Creek油田，它于19181926年被发现。随后，于1927年在亚利桑那的Picacho盆地发现张裂缝。1942年以后，在这些沉降区域又发现了许多新的地裂缝。到了70年代，德克萨斯州的休斯敦地区已发现86条地裂缝，累计长度240km，数百处建筑工程遭受破坏。在此期间，随着地面沉降的加剧，美国西南的6个州、14个地区都出现了地裂缝。在9个受到地裂缝影响的城市中，灾害最严重的是休斯敦、长滩和凤凰城。张裂缝，即地面上水平张开的裂缝。它没有剪切运动分量。最长的张裂缝带长3.5km，但几百米的较为常见。裂缝因冲蚀而加宽，常形成12m宽的地沟。据测量，最大张开深度为25m，但23m的比较普遍。张裂缝仅在内华达州的拉斯维加斯和亚利桑那州的凤凰城两个大城市出现。所幸的是，其影响的大部分是农田，因此破坏造成的损失并不大。剪裂缝，即垂直于地面作剪切滑动的裂缝。是由于抽取地下流体而形成差异沉降所致。其形态酷似正断层，因而容易混淆。它们的差别在于：是否存在季节性蠕滑，或蠕滑运动是否随地下水位波动而变化；是否存在断裂活动与抽取地下流体之间的相关联系，以及断裂错动是否局限在被开采的含水层深度内。这类地裂缝最长达16.7km，地表断坎最高可达1m。抽取地下水使断坎由低变高，其速率从一年几毫米至几厘米。其水平剪切位移量很小，可忽略。2、美国地裂缝的分布在美国，地裂缝密度在各个沉降地区变化很大。主要地裂缝区有：亚利桑那州，在亚利桑那中南部，有50多条张裂缝和4条剪裂缝。受影响区域位于盆地山脉的南部，那里具有沉积盆地与山地以断层为界的特征。未固结沉积层内有主要含水层，其厚度变化大，在盆地边缘只是很薄的一层，而到沉积中心则厚达700余米。从该层中大量抽取地下水导致了水位下降100多米。第1条张裂缝于1927年出现，第2条出现在1949年。还有许多张裂缝出现在亚利桑那州东南部的Sulphur Sp rings 盆地和SanSimon盆地。两盆地都因水位下降发生了地面沉降。据测量，19371974年，Sulphur Sp rings 盆地的最大沉降量为1.63m。张裂缝则形成于19351958年。德克萨斯州，休斯敦地区，地表可见地裂缝多达160余条，累计长度500km。但有近一半的地裂缝是古裂缝，活动地裂缝有86条，累计长度240km。含水层底面最大深度约800m，含水层水位下降超过100m，区域水位下降产生了本地区最大的沉降漏斗。在19431973年，约12200km2的地面沉降量超过0.15m，最大沉降量逾2.7m。内华达州，拉斯维加斯地区是内华达州南部的冲积盆地，未固结冲积层的最大厚度为200m。有超过125km2的土地受到因抽取地下水而导致的地面沉降的影响。在拉斯维加斯，最早因地下水位下降而形成的张裂缝出现在19571961年。最长的裂缝约400m。加利福尼亚州，有3个盆地发生了地裂缝：Fremont、San Jacinto 和San Joaquin 盆地。Fremont盆地是一个长约40km、宽10km的沉积盆地，由未固结冲积层组成的含水层系厚约275m。现代地裂缝中既有张裂缝也有剪裂缝。这一区域至少有12个裂缝带和5个现代断坎。San Jacinto 盆地是加州洛杉矶东130km处一构造盆地，历史上曾发生过大面积地面沉降。因抽取地下水，诱发了古地裂缝复活。美国两大沉降区域之一的San Joaquin盆地，面积为13500km2。其沉降中心(M endota)19251977年地面累积沉降量为9m。相应地，因抽取地下水而形成了3条张裂缝和1条剪裂缝。3条裂缝彼此间距小于12km。该区地裂缝灾害严重，直到90年代仍有因地裂缝损失要求索赔的诉讼案(Corw in et al,1991)。二、美国地裂缝的成因关于美国地裂缝的成因，有3种不同的观点。1、构造成因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。之后有些学者，如Savage ( 1966)、Kreitler(1977)、Fleischer (1982)、Wyatt (1982)、Roquemore(1982)、Lippincott (1985) 及Holdahl (1986) 等对亚利桑纳、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却不尽相同，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。Carpenter(1993 年) 根据Picacho盆地地裂缝变形和地面沉降的长期观测资料，利用Okada 的三维位错理论(1985年)及Matsuura等的构造裂变修正模型(1975年)，就构造活动对地裂缝成因影响进行了分析。认为，断层位移对地裂缝在水平方向的张裂变形及垂直方向的差异变形都有一定影响。2、地下水开采成因地下水开采成因观点在研究早期就被大多数地裂缝研究者所接受。但对其成因机理却在较长时间内有很大争议。很多人先后提出了不同的成因机理解释。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。Fletcher等(1954年)和Lofgren等(1969年)认为在降落漏斗形成后，地下水渗透速度提高。其形成的动水压力对土层产生潜蚀作用并逐步发展至管涌，使土层结构松弛，引起上覆土层拉张应力集中并在地表发生张裂变形。Neal等(1968年)、Holzer和Davis(1976年)研究了地裂缝与地下水位的关系，以及地裂缝发育区水位下降与排水的关系。认为由于水位下降引起上部土层失水后在水平方向发生收缩，是地裂缝产生的主要原因；Narasimhan(1979年)对这一观点表示赞同。他所作的模拟试验结果表明，含水层疏干会导致其产生明显的体应变，并引起土层在水平方向的收缩变形。Bouwer(1977年)提出刚性折裂机理。他认为随着地下水位的下降，松散土层不断固结变形，与下伏土层的固结变形量相比，地表土层的变形微不足道。因此，在地面沉降过程中将整体产生刚性翻转，从而在沉降盆地边缘产生折裂。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(fault)和开裂(fissure)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(opening mode)、剪裂模式(shearing mode)及撕裂模式(tearing mode)3种类型。总体情况看，美国西南部几个构造盆地或构造谷地内地裂缝的分布有着相似的特征。地裂缝活动虽然与地面沉降表现有明显的联系，但主要地裂缝的展布明显受构造活动控制。随着研究的深入及大量长期观测资料的积累，人们在比较普遍接受地裂缝的构造及地下水开采复合成因观点的同时，也深深认识到地裂缝成因机理的多样性和复杂性。三、地裂缝灾害管理 1、地裂缝灾害预测根据地裂缝的特性、地质环境和形成机制，可对地裂缝灾害进行预测。预测分下列3个步骤：(1) 地质调查 调查目前地裂缝的分布、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，查明先存断裂或其它类型的不整合地层的位置。在调查中，探槽和钻孔数据是非常有用的。(2) 监测地面形变 对于隐伏地裂灾害区域，可采用包括大地水准测量、跨断层形变测量和工程地质测量等方法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。而监测和分析蠕滑速率的变化趋势将有助于预测灾害发生的时间。短水准的重复测量可用来预测未来地裂缝带位置。美国亚利桑那州已采用GIS和GPS来监测地裂缝。(3) 裂缝附近抽水量的变化预测 地裂缝的主要位移是由不均匀沉降引起的。 沉降速率、地裂缝蠕动速率和活断层滑动速率3者之比为100/0/(指数量级之比)。其中，90%的垂直剪切位移来自差异沉降。一个区域的地下水抽取量的估算对预测地裂缝在该区域的活动性有很大帮助，甚至对具体工程场地的地裂缝灾害预测也是适用的。综合以上3个步骤的工作，就可以对一个区域内的地裂缝灾害作出预测。2、地裂缝灾害减灾法规为减轻地裂缝灾害，在可能致灾的区域应建立专门的法规或条例。可以在有关科研成果的基础上，会同各有关方面的专家讨论制定，并由当地政府颁布实施。美国加利福尼亚州政府于1958 年颁布了地面沉降法(加利福尼亚公共资源条例3315，3347条)，严格控制开采地下水和石油。该法令对减缓地面沉降和地裂缝起到了很大作用。当时，长滩市已沉降了7m，法令实行34年后，长滩的地裂缝、地面沉降问题就缓解了。德克萨斯州于1975 年通过立法(德克萨斯州立法第64条，1975)，并成立了限制开采地下水的地方机构。对于休斯敦沉降区的所有抽水井实行15年的抽水量审批制度。按抽水量核收审批费，并鼓励开发与应用地表水源。针对地裂缝灾害，亚利桑那州成立了专门的地裂缝灾害委员会，统一管理地裂缝减灾各项事宜，并提出了普及地裂缝减灾的科普教育、地裂缝早期监测与识别和及时处置相结合的对策。3、引地表水工程为减轻地裂缝灾害，在过量开采地下水的地区，最主要的对策是限制开采地下水。因此，采用引进地表水源来解决城市缺水问题是从根本上减轻地裂缝灾害的措施。在美国地裂缝灾害最为严重的上述地区，如加利福尼亚州、德克萨斯州和亚利桑那州都完成了向地面沉降区引进地表水源的工程，并收到了很好的效果。四、结 语现代地裂缝灾害是一种特殊的环境地质灾害。在由自然因素和人为因素两者共同作用引起的诸多灾害中，地裂缝灾害具有典型性。为了减轻地裂缝灾害，不仅需要多学科综合研究的科技对策，而且也需要政府的社会管理对策。美国的地裂缝减灾对策可以总结为：普及环境与资源的知识、加强对地面沉降和地裂缝的监测和早期识别、建立有关的法令法规以及工程规范等；而限制开采地下水、引进地表水源则是解决地面沉降和地裂缝灾害的根本对策。