耿大于 李忠盛
陕西省地震局 710068 中国西安
摘要
在中国和美国都有由地裂缝导致的巨大灾害，中国有7个省，美国有6个州都受到了巨大的影响，地裂缝通常发生在地面沉降区，分别比较这两个国家的地裂缝，包括地裂缝的形成，演化，破坏及其对策等方面。美国的破坏性地裂缝发生的比中国早一个半世纪，通过对各类地裂缝进行跨学科的研究，发现在现代地裂缝的基础上，一些人类活动，如过度抽取地下水，或石油等会加速地裂缝的发展，破坏大量工程建筑，一些针对减轻地裂缝灾害的政策的提出，不仅在科学技术上有进步，而且对社会管理也有很大的帮助，本文以这两个国家的成功的一些政策作为例子讲解。 关键词：中国 美国 地裂缝 地面沉降 灾害 减灾对策
CLC number：P315.9 文档代码：A
wb193
引言
地裂缝是常见的地球表面现象，显示断裂或破碎的地球表面，他们往往和其他灾害伴随发生，它包括多种地裂缝，其中构造裂缝包括断层裂缝，地震裂缝，火山裂缝，slip—collapse裂缝包括滑坡裂缝，矿业裂缝。地裂缝在中国有悠久的历史。最早的地面裂缝记录约五千年前,“黄帝将死则地裂缝发生”(太平御览,第880)。圣经中也记录了很多地裂缝现象。那些古老的地面裂缝的发生都是因为自然因素。然而,自20世纪初，由自然和人为活动一起的现代地面裂缝很常见。目前,在许多国家，地裂缝都是作为自然环境破坏的一种，其中,中国和美国是地裂缝破坏最严重的国家。
最早的现代地面裂缝发生在1918到1926年的美国德克萨斯州的鹅溪油田。从那时起,在美国，地面裂缝发生的越来越频繁。在20世纪80年代，地面裂缝,张力裂缝的长度不同而导致的地面沉陷，分布在美国西南部的14个地区。这些地面裂缝与地面沉降和地下的松散沉积物物质有关。由于地裂缝而遭受经济损失最大的地区是休斯顿和加尔维斯顿,德克萨斯州,大多数城市已经有超过86%表面缺陷，已造成数百万美元的财产损失(霍尔泽,1984)。
虽然地面裂缝在中国的历史很长,但现代地面裂缝比美国出现的晚。1958年，在中国西安发
现第一条现代地裂缝,它出现在第一个沉降中心附近。刚开始地裂缝发展非常缓慢,且很难造成破坏。因此,人们不注意。然而,自1970年代中期以来,在很多地震发生的期间，地裂缝发展迅速,并且在西安造成了很大的破坏——(李,1986)。大约2000个地裂缝分布在6000平方公里的范围内(谢,1988),主要在华北地区(主要省份位于黄河下流区域:陕西、山西、河南、河北、山东、江苏和安徽)。
地裂的垂直剪切蠕滑运动是其致灾的元凶,在中国最快可达7 cm/a,而美国为6 cm/a.他们破坏了严密的工程结构,造成损害,特别是在大城市，像休斯顿和西安。损失主要来自受损房屋、办公楼、工厂、地下管道，公用事业和道路。在泰梅库拉地区,西南河滨县,加利福尼亚州,在三年内地裂缝造成的损害加起来有五千万美元(科文等,1991)。随着城市化进程的发展,越来越多的地方可能会面临地裂缝的问题。在美国和中国，在地面裂缝危害方面，取得了丰硕的科研成果，在这个领域的交流与合作将有利于减灾。
1 美国地裂缝
1.1 美国地裂缝的历史
美国现代地面裂缝发生在约七十年前。地面裂缝等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(图1)。1918年到1926年，当三个陡坡出现在沉降范围的边缘时，第一条地裂缝在德克萨斯州的鹅溪油田被发现,(Minor,1925)。然后在1927年亚利桑那州中南部，地球裂缝Picacho盆地形成,。1942年以后,在这些沉降区域又发现了许多新地裂缝。一般来说,在地面沉降的初期阶段裂缝是比较稀少的。到了施图伦70年代,德克萨斯州的休斯敦地区已发现86条地裂,累计长度240 km,数百处建筑工程遭受破坏(图2).在此期间在美国的6个州以及14个地区越来越多的地裂缝在严重的地面沉降后形成(图3)。在9个遭受严重随时的城市中,休斯顿,长滩和菲尼克斯是最严重的。 1.2 美国地裂缝的形态
张力裂缝,地球表面裂缝是最壮观的一种变形，与地下水原因有关。他们的对立双方更多的垂直于平面无剪切破坏，来自于它们的长度和增大的侵蚀。最长的裂隙带是3.5公里长，但数百米的长度是常见的。裂缝通常扩大成宽深冲沟，一般为1~2m。最大的宽度裂隙测量深度是25米，而2 ~ 3米深处更常见。已知的地裂缝存在在两个大都市地区，拉斯维加斯，内华达州，凤凰，亚利桑那州。受影响的领域大多数是农业，因此损失不大。
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.。所不同的是：活动断层的季节性或地下水位波动与断层运动相关；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。最长为16.7公里长断层崖。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.
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 Springs盆地和San Simon盆地.两盆地都因水位下降发生了地面沉降.据测量，1937--1974年，Sulphur Spring、盆地的最大沉降量为1. 63 m.张裂缝则形成于1935--1958年.
德克萨斯州.在休斯顿和加尔维斯顿地区有超过160条，总长度超过500公里的地裂缝。将近一半的这些裂缝只在历史上活跃。因此，自然过程的历史断层在该地区的相对贡献是一
个重要的考虑因素。含水层底面最大深度约800m,最大跌幅超过100米的区域含水层的水位下降形成了一个最大的区域沉降碗。约12公里的土地塌陷超过0.15米，从1943到1973，最大的地方沉降了2.7米。
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200 m.有超过125 千赫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，最早的因地下水位下降而形成的张裂缝出现在1957--1961年.最长的裂缝约400 m.
加利福尼亚。有三个危险的区域：弗里蒙特谷，圣哈辛托谷和圣华金河谷。弗里蒙特的山谷是一个封闭的冲积盆地，约40公里长，10公里宽。组成的沉积岩和火山单位沉积有3公里厚。盆地复杂断块，和许多的裂缝有清晰的陡坎。含水层系统组成的松散冲积层厚约275米。现代地面裂缝由地球表面裂缝和断层组成。至少12个裂区和5个现代陡坡已经被确认。圣哈辛托谷是位于加利福尼亚洛杉矶以东130公里的深部构造谷。它的范围分别是在东北和西南边缘的圣哈辛托断层和卡萨罗玛城堡。这两个裂缝是技术上的活动，具有明显的陡坎和抵消的全新世沉积。该区地面沉降发生有着长远的历史。历史地裂缝与地面排水同是这一地区的首次报道。
三个表面裂缝和断层在圣华金河谷的沉降面积为13500公里,最大的两个在美国,服务质量管理已被归因于抽取地下水,从1925年到1977年Mendota附近的最大沉降为9米。三个裂缝一共12公里。通过在压缩的基础上测量的含水层系统和季节性水位差异的大小,甘氨酸亚铁可以看出现代断裂可能是由差压实引起的局部沉降。
2 中国地裂缝
2.1 中国现代地裂缝的历史
第1条现代地裂缝于1958年出现在西安的西北大学校园内.随着开采地下水的加剧,地面沉降愈演愈烈,地裂缝也越来越长,地表断坎越来越高.但由于只出现在不大的区域内,故未引起人们足够的重视.直到70年代中期唐山大地震后,地裂缝现象变得相当严重,这才引起人们重视(李永善等, 1986).此间,华北的许多省份,如河南、河北、山西、山东、江苏和安徽等省,也都相继出现了地裂缝.到了80年代,地裂缝在许多地方已酿成了相当严重的地质灾害(谢广林, 1988).
地裂缝活动在美国被称为“表面缺陷”在中国被称为剪裂缝。有相对两侧平行移动的断裂平
面，通常一边下沉而另一个相对上升，,以同样的方式正断层。通常，已经存在的裂缝是地裂缝的基础。当裂缝看起来正断层，它们也被称为“构造地裂缝”。然而，蠕变率（12毫米/西安地区的平均值）大于在同一地区的正常活动断层的十倍。地裂缝这一特点在中国很典型。陡崖是镀镍设备0.2 ~ 0.5米，长度为几公里。最长的一个（12.5公里）位于西安，沿地裂缝0.4米的高度平均崖，陡坎是变化的，越靠近沉降中心，断崖高。
2.2 中国地裂缝的分布
主要有四种：汾渭盆地地裂缝带地裂缝带，河南河北平原地裂缝带，郯庐断裂带地裂缝带，山断层和地裂缝带，在中国北部地区，包括七个省：河北，河南，山西，陕西，江苏，山东，安徽。也有地裂缝被发现在以下8个省：辽宁，吉林，甘肃，宁夏，湖北，江西，广东和云南，有点危险（谢，1988）。汾渭盆地地裂缝带是四种地裂缝中最典型、最严重的。
汾渭盆地是由汾河流域和卫河流域，在那里许多破坏性地震发生和目前的地震活动仍在较高的水平。盆地内有典型的正断层，与最大偏移距8公里。地裂缝灾害在该区最具灾难性的和典型的差动是垂直位移的水平运动。超过50个县遭受了一轮裂缝。大多数现代地裂缝
的表面缺陷，发生在邻近的活动断裂的次级断裂。煤炭开采和地下水的开采是人为因素造成的裂缝。
西安是50个遭受地裂缝灾害最严重的城市之一。大同市，韩城，和榆次其他大城市（人口在每个城市一百万）都有严重地裂缝问题。西安城区先后出现的10条地裂缝也都位于相邻沉降槽的一侧,其累计长度达72 km,影响面积155 km2,平均蠕滑速率为12 mm/a（垂直剪切运动），在沉降速率最快(超过200 mm/a)的地区,地裂蠕滑速率最大,达70 mm/a.。这10条地裂缝具有近乎平行的走向(约N70°E,平行于临潼—长安断裂)和相同的运动特征.它们以75°～陈独秀身世婚恋后代85°的高倾角南倾,相互间隔约1 km,且具有相同的构造特征(图4).这10条地裂缝逐渐形成10条破坏带,裂毁了位于破坏带上的建(构)筑物、道路和地下管道等设施,损失逾亿元，在上世纪80年代(耿大玉等, 1992).人们已经注意到，在提取地表水的体积，地面沉降和地裂缝的活动有密切的相关性。在沉降中心区域地下水位的下降速度增加到4米/a。
3 地裂缝机理
3.1 地裂缝的自然原因
在中国和美国地裂缝灾害具有相同的自然原因。首先，地裂缝发生在这两个国家的广泛的塌陷区。厚松散沉积物冲积盆地的沉降和地裂缝灾害典型地质环境。在一些地区地裂缝灾害在两国的第四纪松散沉积物的厚度几乎是相同的：西安冲积盆地，大于700 m；拉斯维加斯冲积盆地大于700米；南内华达州中部冲积盆地大于700米。
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