构造活动与地下水抽取是导致中国汾渭地堑系统运城盆地夏县地区地面裂缝群形成的主要原因

地裂缝群发育机制及灾害防治研究：基于Yuncheng盆地Xia县裂缝群的实例分析，揭示了构造应力、地下水超采及岩性差异的耦合作用对裂缝群空间展布、几何特征及演化阶段的影响，建立了三阶段发展模型（构造应力主导期、超采加速期、水侵蚀裸露期），为同类型活动断裂带地裂缝灾害防控提供理论依据和实践指导。

张成新|王飞勇|乔建伟|彭建兵

中国地质大学北京工程学院，北京100083

摘要

汾渭地堑系统的运城盆地共有106条地面裂缝。位于运城盆地青龙地堑内的夏县地面裂缝群由六条独立的裂缝组成。这些裂缝损坏了住宅建筑、农田、道路等基础设施，造成了严重的经济损失。通过实地调查、开沟、钻探和D-InSAR技术，本研究将区域构造、断层以及地下水过度抽取与裂缝的特征和形成原因联系起来。夏县地面裂缝群呈东北走向，总长度为27.6公里，具有连续延伸的特性。这些裂缝呈准等距、近平行分布，走向从东南到西北。这些裂缝表现出同沉积断层的特征。构造活动和地下水过度抽取是导致裂缝形成的主要原因。地面裂缝群的发展过程可以分为三个阶段：构造应力驱动阶段、地下水过度抽取加剧的加速发展阶段以及水蚀作用导致的暴露阶段。本文促进了对该现象形成机制的研究，对当地灾害预防和减轻具有指导意义。

引言

地面裂缝是由构造和非构造过程引起的地质灾害（Lee等人，1996年；Gao和Li，2000年）。人类活动在全球范围内加剧了这些灾害的严重性，例如美国的亚利桑那州（Shipman等人，2008年）、希腊的Mavrovići村（Kalogirou等人，2014年）、墨西哥的Querétaro（Rojas等人，2002年）、中国的汾渭地堑（Jiang等人，1997年；Peng等人，2007年）以及苏锡昌地区（Wu等人，2003年）都有关于地面裂缝的记录。地面裂缝会破坏基础设施（包括房屋、农田和道路），并损害生态系统，威胁人们的生命和经济发展（Liu等人，2006年）。

全球范围内的地面裂缝与构造活动有关，包括断层运动、地震和火山活动（Hauksson，1983年；Sarkar，2004年；Xu等人，2012年）。河套盆地的地面裂缝和石腾山前缘断层表明，这些裂缝与活跃断层相连，导致地层位移，并表现出生长断层的特征。上地幔抬升和中地壳侧向流动形成了浅层伸展应力环境。区域伸展作用与周边地块引起的张力和断层带应力集中共同作用，促进了地面裂缝的形成（Deng等人，2013年）。在龙 Yao地区，深层构造、断层系统和构造地貌共同作用，形成了易于产生裂缝的条件（Xu等人，2012年）。地震活动与地面裂缝形成之间的关系表明，地震引起的应力场可以引发地表岩层的拉伸断裂，形成浅层裂缝（Sarkar，2004年）。地震波会产生剪切应力减弱和正常拉伸应力增强。在能登半岛地震中，主震引起的流体迁移和应力重分布导致了裂缝的扩展（Kato，2024年）。对冰岛克拉夫拉火山的研究揭示了间歇性裂谷扩张与周期性火山喷发之间的动态耦合机制，这种构造-岩浆相互作用机制推动了裂缝带的持续扩展（Hauksson，1983年）。伸展裂谷系统通过三个阶段形成持久的构造地貌：地震启动、水岩相互作用和次生改变。这种过程发生在特定的低震级地震群区域。在埃塞俄比亚裂谷，独特的降雨模式、植被覆盖和地震活动共同作用形成了地面裂缝（Asfaw，1982年）。地面裂缝也与火山活动有关。冰岛的辛格维利尔裂缝群是由于欧亚板块和北美板块之间的持续伸展作用形成的。其分布和扩展受板块边界处构造应力释放和岩浆侵入的共同影响（Hauksson，1983年）。肯尼亚的研究表明，岩浆侵入和岩浆房膨胀会导致地壳变形，这种不连续变形会引发基岩的拉伸-剪切破坏，最终形成地表裂缝（Du等人，2023年）。火山活动会驱动岩浆通过岩脉进入易裂缝区域，引发地表变形和地震活动增强，从而形成地表裂缝带。随后的火山收缩和熔岩湖下沉进一步促进了裂缝的发展（Wang等人，2018年）。这些研究建立了地面裂缝与构造活动之间的联系，为裂缝监测和预防提供了实用方法（见表1）。

除了构造作用外，地下水过度抽取也会导致地层差异性变形，进而引起差异性沉降。沉降漏斗边缘的拉伸应力会促进裂缝的扩展（Pacheco等人，2013年），这解释了为什么裂缝常与沉降灾害同时发生，例如西安和中国北方平原（Geng等人，2000年）。当前的研究利用干涉合成孔径雷达（InSAR）、物理建模、数值模拟和实验室实验来探索地下水过度抽取与地面裂缝形成之间的关系。在亚利桑那州中南部和南部，过度抽水会导致地面沉降和地面裂缝，改变区域排水系统并干扰油井作业（Conway，2016年）。虽然机制仍有争议，但目前的研究证实了地下水过度抽取与地面裂缝之间存在显著关联。经典理论将裂缝直接归因于抽水引起的沉降（Holzer等人，1979年；Holzer和Pampeyan，1981年）。当拉伸应力超过临界阈值时，地表层会发生断裂，类似于干涸河床的裂缝（Bell，1981年；Sheng等人，2003年）。季节性的含水层变化即使在沉降稳定后也会重新激活休眠的裂缝（Burbey，2002年）。在中国北方，过度抽水导致的持续地下水位下降会加速裂缝在临界阈值以下的扩展（Wang等人，2016年）。数值模拟显示，过度抽水会导致土壤像海绵一样压缩，改变垂直/水平应力，从而在薄弱区域形成地面裂缝（Tang等人，2022年）。

汾渭地堑是中国裂缝最集中的地区之一，位于鄂尔多斯地块的活跃裂谷带内。该地区包括五个子盆地：大同、太原、临汾、运城和渭河。这里的地质复杂性为地面裂缝群的形成提供了有利条件（Peng，2017年）。大同盆地的研究表明，地壳活动会导致地面裂缝的形成，而地下水过度抽取会加速裂缝的扩展（Yang等人，2014年）。太原、临汾和渭河盆地的研究表明，地面裂缝的发展受到地壳运动和断层活动的影响，在地下水位快速下降的区域裂缝扩展更为明显（Peng等人，2018年）。运城盆地的地面裂缝研究始于20世纪80年代，后续研究确定了构造运动、地下水过度抽取、地层条件和地貌环境是主要成因（Xu等人，2010年）。运城盆地的班坡地区，活跃断层向地表的延伸是地面裂缝形成的主要控制因素（Wang，1983年）。运城盆地的地面裂缝具有三个显著特征：同向延伸、周期性活动和断层控制的分布。它们的形成主要是由于地垒-地堑构造运动和裂谷带内的基底活动，而地下水过度抽取和黄土的可压缩性是次要诱因（Xu等人，2010年）。

本研究重点研究了运城盆地内的夏县地面裂缝群，该裂缝群具有稳定的走向。这些裂缝损坏了多个城镇和村庄的房屋、道路和农田。以往的研究主要集中在单个裂缝上，对裂缝群特征的分析有限。因此，本研究通过深化理论理解推进了地面裂缝群的研究，并为夏县的灾害预防和减轻提供了科学依据，同时也为其他地区的裂缝群研究提供了方法论参考。

地质背景

夏县地面裂缝群位于中国山西省运城盆地（北纬34°55′–35°19′，东经111°09′–111°41′）。从构造上看，该盆地位于汾渭地堑的中南部，北界为峨眉台地，西界为黄河，东界和南界为中条山脉，涵盖了苏水河流域。从结构上看，该盆地由三个南北向单元组成：峨眉隆起、运城凹陷和中条山隆起（图1b）。

地面裂缝群的发展特征

夏县最早的地面裂缝记录出现在20世纪80年代的运城盆地青龙地堑（图1b）。自1990年以来，这些裂缝向东扩展，并伴随着六条新的东北-东北东走向裂缝：中条山断层悬壁上的f₁和f₂以及明条高地断层悬壁上的f₃-f₆。目前这些裂缝仍在活动，造成了严重的局部经济损失。这些裂缝总长度为27.6公里，具有连续性和扩展性。

裂缝的结构特征

本研究进行了全面的实地调查，包括（1）六个挖掘的沟槽和（2）六个村庄的钻探线（图3），从而详细分析了地下结构。每个沟槽和钻孔都记录了裂缝的位置、方向、发育特征和地层位移。

区域和深部构造应力的拉伸驱动效应

汾渭地堑由四个构造块（鄂尔多斯地块、东藏地块、华南地块和华北地块）围成，具有复杂的地质结构和显著的地貌差异，形成了S形的交替子盆地和构造隆起带（图9）。该盆地经历着西北-东南方向的伸展应变，被深部断层划分为多个活跃的构造块，显示出显著的地壳差异变形（Qu等人，2016年）。

结论

本研究调查了运城盆地夏县地面裂缝群的发展特征和起源。主要结论如下：

• （1）夏县地面裂缝群是在多种因素的共同影响下形成的，包括区域和深部构造作用、地块作用、断层活动以及地下水过度抽取。
• （2）在青龙地堑地区，强烈的构造活动导致了许多原有的裂缝。

未引用的参考文献

Gudmundsson, 1987; Peng et al., 2020; Xiao et al., 2020; Xu, 2012; Zhang et al., 2022.

CRediT作者贡献声明

张成新：撰写初稿、方法论制定、数据分析、概念化。 王飞勇：撰写与编辑、监督、资源协调、方法论制定、资金筹集、数据分析、概念化。 乔建伟：资源协调、数据分析。 彭建兵：资源协调、资金筹集、数据分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国科学技术部雄安科技创新专项项目（2024XAGG0019）、国家自然科学基金（编号42577203、42207202）、重点实验室开放基金（编号GKF2024-06、EFGD20240604、300102264501-01）、深地探测与矿产资源勘探国家科技重大项目（2024ZD1000405）以及北京地铁建设有限公司（编号2025-GD-12）的资助。