宋彥輝李忠生高虎艷叢璐程耀

摘要：論述了西安地裂縫勘察場(chǎng)地類型的劃分，分析了三類勘察場(chǎng)地隱伏地裂縫識(shí)別存在的問題。依據(jù)西安地區(qū)地形地貌類型及地層沉積差異，將西安地裂縫三類勘察場(chǎng)地劃分為3個(gè)亞區(qū)（Ⅲ0區(qū)、Ⅲ1區(qū)和Ⅲ2區(qū)）。Ⅲ0區(qū)位于西安北郊，地貌單元為渭河河漫灘及Ⅰ級(jí)階地，目前尚未發(fā)現(xiàn)地裂縫；Ⅲ1區(qū)位于西安西郊，地貌單元為Ⅰ級(jí)洪積臺(tái)地；Ⅲ2區(qū)位于西安東郊，地貌單元為浐河、灞河Ⅰ級(jí)階地；Ⅲ1區(qū)和Ⅲ2區(qū)地裂縫研究程度低，是西安地裂縫三類勘察場(chǎng)地研究的難點(diǎn)所在。根據(jù)Ⅲ1區(qū)和Ⅲ2區(qū)大量地球物理勘探和工程地質(zhì)鉆探，提出Ⅲ1區(qū)宜采用淺層人工地震勘探和工程地質(zhì)鉆探相結(jié)合的方法，控制鉆孔間距不宜大于40 m，孔深宜為80～100 m；Ⅲ2區(qū)由于存在厚層可對(duì)比的卵石（圓礫）層，可僅采用工程地質(zhì)鉆探方法，建議控制鉆孔間距為60～80 m，孔深60～70 m。

關(guān)鍵詞：地裂縫；地質(zhì)災(zāi)害；勘察；場(chǎng)地分區(qū)；識(shí)別特征；淺層人工地震勘探；工程地質(zhì)鉆探；西安

中圖分類號(hào)：P642.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

自20世紀(jì)50年代中期西安首次發(fā)現(xiàn)地裂縫以來，在西安城區(qū)已發(fā)現(xiàn)14條地裂縫。張家明等對(duì)西安地裂縫的成因、分布、活動(dòng)特征等進(jìn)行過深入的研究和探討[17]，同時(shí)也對(duì)西安地裂縫場(chǎng)地的勘察進(jìn)行了探索和總結(jié)[816]。對(duì)于地裂縫的活動(dòng)規(guī)律，目前比較統(tǒng)一的觀點(diǎn)是人工開采地下水導(dǎo)致地裂縫兩側(cè)土層差異壓縮，這也是西安地裂縫主要集中出現(xiàn)在城區(qū)范圍的主要原因。張家明等認(rèn)為，由于過量開采承壓水，產(chǎn)生不均勻地面沉降，臨潼—長(zhǎng)安斷裂帶西北側(cè)（上盤）一組NE向隱伏地裂縫出現(xiàn)活動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致地表形成破裂，即西安地裂縫[8，1314]。習(xí)慣上把在地表出露的地裂縫和未在地表出露的地裂縫統(tǒng)稱為地裂縫。地裂縫是西安城市建設(shè)中最主要的不良地質(zhì)現(xiàn)象。隨著西安城市規(guī)模迅速向周邊地區(qū)擴(kuò)展，非常有必要對(duì)西安城區(qū)外圍地區(qū)地裂縫的發(fā)育問題進(jìn)行深入探討和研究，其中首要問題之一就是對(duì)隱伏地裂縫的識(shí)別。

張家明等將西安地裂縫勘察場(chǎng)地分為3類[8，14]：一類勘察場(chǎng)地是指地裂縫已造成地表破裂且其與錯(cuò)斷上更新統(tǒng)或中更新統(tǒng)的隱伏地裂縫位置相對(duì)應(yīng)；二類勘察場(chǎng)地是指地表無破裂跡象但場(chǎng)地內(nèi)埋藏有上更新統(tǒng)或中更新統(tǒng)紅褐色古土壤；三類勘察場(chǎng)地是指不符合一、二類勘察場(chǎng)地的所有其他場(chǎng)地。

一類勘察場(chǎng)地中，地裂縫直接出露地表，通過野外工程地質(zhì)填圖及測(cè)繪就能準(zhǔn)確確定地裂縫的位置、走向等特征，無需利用其他工程地質(zhì)勘探手段；二類勘察場(chǎng)地中，由于存在識(shí)別地裂縫的古土壤標(biāo)志層，使地裂縫的勘察工作變得較為容易，方法主要是根據(jù)古土壤層是否被錯(cuò)斷且錯(cuò)斷特征是否符合西安地裂縫的特征來確定；三類勘察場(chǎng)地中，由于沒有標(biāo)志層的存在，如何識(shí)別地裂縫仍處于摸索階段。王立峰等通過實(shí)例研究認(rèn)為，對(duì)三類勘察場(chǎng)地地裂縫的識(shí)別可通過一套灰色中更新統(tǒng)湖積粉質(zhì)黏土的頂板錯(cuò)斷來判別[9]，但這一方法并不具有普適性。根據(jù)多條隱伏地裂縫識(shí)別項(xiàng)目的研究結(jié)果，大多數(shù)情況下中更新統(tǒng)湖積灰色粉質(zhì)黏土的頂板（其上為上更新統(tǒng)沖洪積黃褐色粉質(zhì)黏土）并沒有錯(cuò)斷跡象（如西安里花水立交場(chǎng)地f8地裂縫等），因此，王立峰等提出的方法[9]可能僅對(duì)個(gè)別三類勘察場(chǎng)地有效。李亞圣總結(jié)了三類勘察場(chǎng)地地裂縫兩側(cè)上更新統(tǒng)地層厚度及細(xì)粒相粉質(zhì)黏土層厚度的差異，得出地裂縫上盤兩者厚度較下盤均明顯增厚的統(tǒng)計(jì)結(jié)論[10]，但由于統(tǒng)計(jì)分析樣本限于一定地質(zhì)地貌條件，所以其應(yīng)用性受到限制。

本文基于西安地裂縫三類勘察場(chǎng)地內(nèi)的大量工程實(shí)踐，首先按照西安近郊區(qū)的地形地貌及地層沉積特征對(duì)西安地裂縫三類勘察場(chǎng)地進(jìn)行分區(qū)，在此基礎(chǔ)上分析研究了各區(qū)地裂縫兩側(cè)地層沉積差異、人工地震反射剖面異常特征等，提出了不同勘察場(chǎng)地分區(qū)內(nèi)隱伏地裂縫的有效識(shí)別方法，對(duì)指導(dǎo)今后的勘察工作，進(jìn)一步完善地裂縫勘察設(shè)計(jì)規(guī)范具有借鑒意義。

1西安近郊區(qū)地形地貌特征及三類勘察場(chǎng)地分布

西安位于渭河盆地東南隅，地貌類型單元自南向北可分為黃土臺(tái)塬（Ⅰ～Ⅲ級(jí)）、黃土臺(tái)塬前緣的沖洪積平原、渭河階地（Ⅰ、Ⅱ級(jí)）和黃土臺(tái)塬間的河流階地（Ⅰ～Ⅴ級(jí)）。西安地區(qū)主要位于臨潼—長(zhǎng)安斷裂帶西北側(cè)（上盤）黃土臺(tái)塬前緣的沖洪積平原區(qū)（圖1）。不同地貌單元發(fā)育有相應(yīng)的地層。表1列出了西安地區(qū)各類主要地貌單元的地層結(jié)構(gòu)特征。

從不同地貌單元對(duì)應(yīng)的地層結(jié)構(gòu)特征可以看出：渭河及支流的河漫灘、Ⅰ級(jí)階地及Ⅰ級(jí)洪積臺(tái)地由于不存在古土壤標(biāo)志層，所以屬于地裂縫三類勘察場(chǎng)地；它們主要分布在西安北郊、西郊和東郊（圖1）。其中，西安北郊地區(qū)臨近渭河，主要為渭河河漫灘及Ⅰ級(jí)階地，包括部分灞河河道、河漫灘，該區(qū)域由于到目前為止未有地裂縫發(fā)育，所以不屬于地裂縫勘察研究的范圍。

根據(jù)三類勘察場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)特征的差異，將西安地裂縫三類勘察場(chǎng)地劃分為3個(gè)區(qū)：①Ⅲ0區(qū)，位于西安北郊，地貌單元為渭河河漫灘及Ⅰ級(jí)階地；②Ⅲ1區(qū)，位于西安西郊，地貌單元為Ⅰ級(jí)洪積臺(tái)地；③Ⅲ2區(qū)，位于西安東郊，地貌單元主要為浐河、灞河Ⅰ級(jí)階地。

2三類勘察場(chǎng)地地裂縫識(shí)別

2.1Ⅲ1區(qū)

文獻(xiàn)[14]指出，西安地裂縫三類勘察場(chǎng)地主要應(yīng)通過中更新統(tǒng)河湖相地層的沉積旋回或相應(yīng)地層

0為河漫灘；1為Ⅰ級(jí)階地；2為Ⅱ級(jí)階地；3為Ⅰ級(jí)臺(tái)地；4為Ⅱ級(jí)臺(tái)地；5為Ⅲ級(jí)臺(tái)地；6為Ⅳ、Ⅴ級(jí)臺(tái)地；7為Ⅴ、Ⅵ級(jí)臺(tái)地；

8為Ⅰ～Ⅲ級(jí)臺(tái)塬；9為現(xiàn)代沖積扇

圖1西安地裂縫三類勘察場(chǎng)地分區(qū)及地貌單元分布

Fig.1Distribution of Geomorphic Units and Zoning for the Third Investigation Site of Xian Ground Fissure

表1西安地區(qū)主要地貌單元地層結(jié)構(gòu)特征

Tab.1Characteristics of Stratum Structures for Main Geomorphic Units in Xian Area

地貌單元類型地層結(jié)構(gòu)特征

渭河、浐河、灞河河漫灘全新統(tǒng)沖積砂、卵石層

渭河及支流Ⅰ級(jí)階地河流相二元結(jié)構(gòu)，上部為河漫灘相黃土狀土或黏性土，下部為卵石、砂類土與黏性土沉積

渭河及支流Ⅱ級(jí)階地上部發(fā)育上更新統(tǒng)風(fēng)積馬蘭黃土及一層殘積古土壤，下部為上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土和砂類土

Ⅰ級(jí)臺(tái)地上部為全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)洪積黃土狀土、黏性土、砂類土，下部為中更新統(tǒng)以灰色為主的湖積黏性土、砂類土

Ⅱ～Ⅵ級(jí)臺(tái)地上部發(fā)育一層至多層黃土古土壤地層（第一個(gè)黃土古土壤地層序列屬晚更新世堆積，其下為中更新世堆積），下部為上更新統(tǒng)沖積砂類土和黏性土（Ⅱ級(jí)臺(tái)地）、中更新統(tǒng)湖積砂類土和黏性土（Ⅲ～Ⅴ級(jí)臺(tái)地）及下更新統(tǒng)湖積砂類土和黏性土（Ⅵ級(jí)臺(tái)地）

Ⅰ～Ⅲ級(jí)黃土臺(tái)塬上部為大于20層的黃土古土壤地層序列，下部為下更新統(tǒng)湖積地層或第三系泥巖、砂巖

的錯(cuò)斷來識(shí)別地裂縫，或通過人工淺層地震的方法來確定。前期工程實(shí)踐中，由于西安城區(qū)內(nèi)淺層人工地震勘探往往受到施工條件的限制，所以多采用工程地質(zhì)鉆探進(jìn)行隱伏地裂縫的判別。實(shí)踐表明：三類勘察場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中更新統(tǒng)地層主要為湖積粉質(zhì)黏土及砂類土，其中砂類土多呈中、薄層或透鏡體狀與黏性土交織在一起；粗、細(xì)粒相沉積旋回規(guī)律表現(xiàn)得不太清晰，在很多情況下給西安地裂縫的識(shí)別帶來了困難。

基于西安地鐵建設(shè)工程對(duì)地裂縫的勘察研究，綜合采用淺層人工地震勘探方法及工程地質(zhì)鉆探手段開展研究。

研究工作分兩步進(jìn)行：首先對(duì)Ⅲ1區(qū)可能發(fā)育地裂縫地段布置淺層人工地震勘探工作，然后在地震勘探異常點(diǎn)布置工程地質(zhì)鉆探獲得地質(zhì)剖面以確定是否存在地層錯(cuò)斷或不連續(xù)現(xiàn)象，從而綜合判定地裂縫是否存在。

2.1.1淺層人工地震勘探異常特征

為獲得高質(zhì)量的地震反射剖面，采用具有高抗干擾能力、高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍的遙測(cè)數(shù)字地震儀，經(jīng)解譯分析，疑似地裂縫的地層斷點(diǎn)異常在地震反射剖面上具有4個(gè)主要特征（圖2）：①反射波同相軸中斷和波形紊亂；②斷點(diǎn)南側(cè)地層反射波界面埋深大于對(duì)應(yīng)的北側(cè)地層；③斷點(diǎn)兩側(cè)反射層位數(shù)量有時(shí)存在一定差異；④斷點(diǎn)異常界面視傾向與西安地裂縫一致（傾向S或SE）。

圖2淺層人工地震反射剖面顯示的地裂縫

Fig.2Ground Fissures Discovered by Shallow Artificial Seismic Reflection Profile

2.1.2地層異常特征

由于人工地震勘探的多解性，單純依靠地震反射剖面來判別地裂縫有時(shí)難免出現(xiàn)誤判，如果在地震異常點(diǎn)處的地質(zhì)剖面也能反映地層的錯(cuò)斷或其他異常特征，則兩者結(jié)合可使地裂縫的識(shí)別更加可靠，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上，能夠發(fā)現(xiàn)并總結(jié)三類勘察場(chǎng)地地裂縫存在的地層學(xué)特征和標(biāo)志。

通過分析西安西郊位于Ⅲ1區(qū)內(nèi)的多條地裂縫勘探剖面（均在前期進(jìn)行了人工地震勘探），發(fā)現(xiàn)地裂縫兩側(cè)地層的沉積變化及錯(cuò)斷特征主要具有如下特征：

（1）大多數(shù)情況下，全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)沖洪積地層較連續(xù)，沉積規(guī)律相對(duì)較好，無明顯地層錯(cuò)斷跡象。由于上更新統(tǒng)底界埋深通常在30～40 m之間，所以無法利用地質(zhì)剖面判斷地裂縫的存在（圖3）。

（2）中更新統(tǒng)地層在地裂縫兩側(cè)由于本身沉積韻律不清晰，難以進(jìn)行地層的有效對(duì)比，但在橫向上出現(xiàn)突變和不連續(xù)現(xiàn)象。地裂縫兩側(cè)中更新統(tǒng)地層沉積相出現(xiàn)明顯差異，一側(cè)為粗粒相沉積，另一側(cè)為細(xì)粒相沉積。中更新統(tǒng)湖積地層（Q12）地裂縫左側(cè)與右側(cè)在沉積韻律上出現(xiàn)明顯差異，其中左側(cè)（下盤）砂類土沉積層少且薄，有時(shí)呈透鏡體存在，而右側(cè)（上盤）砂類土沉積層多且厚，連續(xù)分布，從而造成沉積韻律的不協(xié)調(diào)及突變現(xiàn)象（圖3）。有時(shí)，裂縫一側(cè)砂類土成層性好，至另一側(cè)該層突然消失，不存在尖滅現(xiàn)象（圖4）。

（3）當(dāng)?shù)亓芽p兩側(cè)沉積相具有粗略可比性時(shí)，下降盤的相應(yīng)地層厚度會(huì)大于上升盤，且沉積旋回常多于上升盤。如圖4剖面中，勘探深度可大致劃分成4個(gè)沖洪積沉積旋回，上盤各沉積旋回厚度均大于相應(yīng)下盤，且勘探深度越大，沉積旋回的厚度差越大。

（4）由于地層中粗粒相砂類土對(duì)比性差，且勘探時(shí)一般不能揭穿中更新統(tǒng)地層，所以地層斷距除少數(shù)情況下可粗略估算外，一般難以確定。

2.2Ⅲ2區(qū)

浐河及灞河河漫灘、Ⅰ級(jí)階地的地層結(jié)構(gòu)普遍發(fā)育2層以上厚度較大的卵石（圓礫）層，局部為中粗砂層。這些粗粒相地層厚度較大，上更新統(tǒng)沖積卵石（圓礫）層厚度最大超過20 m，中更新統(tǒng)單層沖積卵石（圓礫）層厚度也大多超過4 m，這些層位一般在較大范圍內(nèi)分布相對(duì)較穩(wěn)定且連續(xù)。當(dāng)勘察場(chǎng)地內(nèi)發(fā)育隱伏地裂縫時(shí)，上更新統(tǒng)底部及中更新統(tǒng)沖積地層往往被錯(cuò)斷，一般表現(xiàn)為地裂縫南盤（或南東盤）地層下降，而北盤（或北西盤）相對(duì)抬升，這與目前已出露地表的西安地裂縫表現(xiàn)一致（圖5）。

圖3Ⅰ級(jí)洪積臺(tái)地地裂縫剖面

Fig.3Cross Section of Ground Fissure in Ⅰorder Diluvial Platform

圖4殘留Ⅱ級(jí)洪積臺(tái)地地裂縫剖面

Fig.4Cross Section of Ground Fissure in Remaining Ⅱorder Diluvial Platform

圖5灞河Ⅰ級(jí)階地的地裂縫剖面

Fig.5Cross Section of Ground Fissure in Ⅰorder Terrace of Ba River

3三類勘察場(chǎng)地地裂縫勘探方法

文獻(xiàn)[12]對(duì)西安地裂縫三類勘察場(chǎng)地的勘探給出了指導(dǎo)性方案，但由于當(dāng)時(shí)受工程建設(shè)條件限制，并未在三類勘察場(chǎng)地開展大量的地質(zhì)工作，所以指導(dǎo)性方案未按照不同的分區(qū)分別考慮?；谖靼驳罔F工程建設(shè)需要，根據(jù)Ⅲ1區(qū)和Ⅲ2區(qū)不同的地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及地裂縫兩側(cè)地層錯(cuò)斷變化規(guī)律，分別提出相應(yīng)的勘探布置方案，以便更好地為今后的勘探工作服務(wù)。

3.1Ⅲ1區(qū)

由于Ⅲ1區(qū)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地裂縫勘探在條件許可的情況下應(yīng)盡量采用淺層人工地震勘探和工程地質(zhì)鉆探相結(jié)合的方法，這樣可以彌補(bǔ)由于地層復(fù)雜或人工地震多解性造成的誤判，從而提高地裂縫識(shí)別的可靠度。當(dāng)采用工程地質(zhì)鉆探時(shí)，由于該區(qū)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若鉆孔間距過大，將導(dǎo)致地層劃分、連接出現(xiàn)錯(cuò)誤。建議控制鉆孔間距不大于40 m，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)應(yīng)進(jìn)行加密勘探，并使確定地裂縫存在的相鄰鉆孔間距最終不大于10 m。對(duì)于勘探深度，在進(jìn)行勘探研究時(shí)均采用孔深80 m；實(shí)踐表明這一深度基本能夠反映地層剖面的變化，但某些場(chǎng)地仍略顯不足，因此，建議勘探深度采用80～100 m為宜。

由于地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地裂縫每個(gè)勘察場(chǎng)地至少應(yīng)布置3條勘探線，線距可與控制鉆孔間距一致，也可根據(jù)工程情況做適當(dāng)調(diào)整，只有當(dāng)3條勘探線均出現(xiàn)地層異常且符合西安地裂縫的發(fā)育規(guī)律，才能確定地裂縫的存在，否則應(yīng)進(jìn)行論證和補(bǔ)充勘探工作。

3.2Ⅲ2區(qū)

根據(jù)Ⅲ2區(qū)地層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該區(qū)地裂縫勘探可只采用工程地質(zhì)鉆探進(jìn)行，勘探標(biāo)志層為上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)沖積卵石（圓礫）層。這些地層單層厚度大，分布相對(duì)較穩(wěn)定，埋深30～60 m的地層常被明顯錯(cuò)斷，因此，該區(qū)勘探深度可取60～70 m，控制鉆孔間距可放大至60～80 m范圍。為確定地裂縫的走向，地裂縫每個(gè)勘察場(chǎng)地仍至少需要2條勘探線。

4存在問題

西安地裂縫在城區(qū)范圍內(nèi)的研究程度較高，外圍地區(qū)（如Ⅲ1區(qū)、Ⅲ2區(qū)）前期研究程度低，且外圍地區(qū)與西安城區(qū)已知地裂縫發(fā)育區(qū)之間仍存在空白區(qū)，如Ⅲ1區(qū)、Ⅲ2區(qū)勘探發(fā)現(xiàn)的地裂縫目前仍無法與已有西安地裂縫（f1～f14）建立聯(lián)系，它們是不是已有西安地裂縫的拓展延伸尚不明確，尤其是Ⅲ1區(qū)更是如此。由于目前西安地裂縫三類勘察場(chǎng)地一般均處于隱伏狀態(tài)，地表較少有活動(dòng)跡象，所以利用各種手段在地裂縫研究程度低的地區(qū)查明的地質(zhì)異常是否屬于西安地裂縫還缺少更多直接證據(jù)的支持。

本文提出了三類勘察場(chǎng)地地裂縫的一些識(shí)別特征，但這些特征不像二類勘察場(chǎng)地靠古土壤的錯(cuò)斷來識(shí)別那么直觀，仍需要對(duì)地層的沉積特征進(jìn)行分析判斷，因此，不同專家可能對(duì)同一地質(zhì)剖面會(huì)有不同的解讀和判斷。

5結(jié)語

（1）根據(jù)西安近郊區(qū)地形地貌類型及地層沉積差異，將西安地裂縫三類勘察場(chǎng)地劃為3個(gè)亞區(qū)（Ⅲ0區(qū)、Ⅲ1區(qū)和Ⅲ2區(qū)）。Ⅲ0區(qū)尚未發(fā)現(xiàn)地裂縫；Ⅲ1和Ⅲ2區(qū)地裂縫研究程度低，隨著城市空間的不斷拓展，這兩個(gè)區(qū)是今后地裂縫勘探研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

（2）分別提出了Ⅲ1和Ⅲ2區(qū)地裂縫的識(shí)別原則和方法。Ⅲ1區(qū)包括淺層人工地震反射剖面異常特征和地質(zhì)剖面的沉積相異常特征；Ⅲ2區(qū)主要為第四系卵石（圓礫）層的錯(cuò)斷特征等。

（3）依據(jù)三類勘察場(chǎng)地地裂縫的識(shí)別原則和方法，提出Ⅲ1區(qū)宜以淺層人工地震勘探與工程地質(zhì)鉆探相結(jié)合的方法查明地裂縫，控制鉆孔間距不宜超過40 m，孔深宜為80～100 m；Ⅲ2區(qū)可主要采用工程地質(zhì)鉆探查明地裂縫，控制鉆孔間間距以60～80 m為宜，孔深60～70 m。

（4）隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，城市空間不斷向外圍擴(kuò)展，西安潛在地裂縫區(qū)（如Ⅲ1區(qū)和Ⅲ2區(qū)）是今后工程研究的重點(diǎn)區(qū)域。就勘探方法而言，目前仍限于地球物理勘探和地質(zhì)鉆探，其他手段的應(yīng)用仍十分有限。

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