美國的地裂縫

國是發(fā)現(xiàn)地裂縫災害最早的國家，也是對地裂縫災害研究較為廣泛和深入的國家。美國的地裂縫災害，最早出現(xiàn)在上世紀20年代休斯敦附近的GooseCreek油田。在此后的幾十年中，美國的地面沉降和地裂縫災害愈演愈烈。到上世紀80年代，其西南部有6個州、14個地區(qū)都出現(xiàn)了地面沉降和地裂縫，其中，亞利桑納、加利福尼亞、內(nèi)華達、德克薩斯、新墨西哥等州為集中發(fā)育區(qū)，損失非常嚴重。至今已在全國許多地區(qū)發(fā)現(xiàn)了不同規(guī)模的地裂縫現(xiàn)象。一、美國地裂縫的類型與分布1、美國地裂縫的類型美國的現(xiàn)代地裂縫主要有張裂縫和剪裂縫，它們都與由于開采地下水或石油而導致的地面沉降有密切的聯(lián)系。出現(xiàn)在德克薩斯州的GooseCreek油田，它于1918～1926年被發(fā)現(xiàn)。隨后，于1927年在亞利桑那的Picacho盆地發(fā)現(xiàn)張裂縫。1942年以后，在這些沉降區(qū)域又發(fā)現(xiàn)了許多新的地裂縫。到了70年代，德克薩斯州的休斯敦地區(qū)已發(fā)現(xiàn)86條地裂縫，累計長度240km，數(shù)百處建筑工程遭受破壞。在此期間，隨著地面沉降的加劇，美國西南的6個州、14個地區(qū)都出現(xiàn)了地裂縫。在9個受到地裂縫影響的城市中，災害最嚴重的是休斯敦、長灘和鳳凰城。張裂縫，即地面上水平張開的裂縫。它沒有剪切運動分量。最長的張裂縫帶長3.5km，但幾百米的較為常見。裂縫因沖蝕而加寬，常形成1～2m寬的地溝。據(jù)測量，最大張開深度為25m，但2～3m的比較普遍。張裂縫僅在內(nèi)華達州的拉斯維加斯和亞利桑那州的鳳凰城兩個大城市出現(xiàn)。所幸的是，其影響的大部分是農(nóng)田，因此破壞造成的損失并不大。剪裂縫，即垂直于地面作剪切滑動的裂縫。是由于抽取地下流體而形成差異沉降所致。其形態(tài)酷似正斷層，因而容易混淆。它們的差別在于：是否存在季節(jié)性蠕滑，或蠕滑運動是否隨地下水位波動而變化；是否存在斷裂活動與抽取地下流體之間的相關聯(lián)系，以及斷裂錯動是否局限在被開采的含水層深度內(nèi)。這類地裂縫最長達16.7km，地表斷坎最高可達1m。抽取地下水使斷坎由低變高，其速率從一年幾毫米至幾厘米。其水平剪切位移量很小，可忽略。2、美國地裂縫的分布在美國，地裂縫密度在各個沉降地區(qū)變化很大。主要地裂縫區(qū)有：亞利桑那州，在亞利桑那中南部，有50多條張裂縫和4條剪裂縫。受影響區(qū)域位于盆地山脈的南部，那里具有沉積盆地與山地以斷層為界的特征。未固結(jié)沉積層內(nèi)有主要含水層，其厚度變化大，在盆地邊緣只是很薄的一層，而到沉積中心則厚達700余米。從該層中大量抽取地下水導致了水位下降100多米。第1條張裂縫于1927年出現(xiàn)，第2條出現(xiàn)在1949年。還有許多張裂縫出現(xiàn)在亞利桑那州東南部的SulphurSprings盆地和SanSimon盆地。兩盆地都因水位下降發(fā)生了地面沉降。據(jù)測量，1937～1974年，SulphurSprings盆地的最大沉降量為1.63m。張裂縫則形成于1935～1958年。德克薩斯州，休斯敦地區(qū)，地表可見地裂縫多達160余條，累計長度500km。但有近一半的地裂縫是古裂縫，活動地裂縫有86條，累計長度240km。含水層底面最大深度約800m，含水層水位下降超過100m，區(qū)域水位下降產(chǎn)生了本地區(qū)最大的沉降漏斗。在1943～1973年，約12200km2的地面沉降量超過0.15m，最大沉降量逾2.7m。內(nèi)華達州，拉斯維加斯地區(qū)是內(nèi)華達州南部的沖積盆地，未固結(jié)沖積層的最大厚度為200m。有超過125km2的土地受到因抽取地下水而導致的地面沉降的影響。在拉斯維加斯，最早因地下水位下降而形成的張裂縫出現(xiàn)在1957～1961年。最長的裂縫約400m。加利福尼亞州，有3個盆地發(fā)生了地裂縫：Fremont、SanJacinto和SanJoaquin盆地。Fremont盆地是一個長約40km、寬10km的沉積盆地，由未固結(jié)沖積層組成的含水層系厚約275m?，F(xiàn)代地裂縫中既有張裂縫也有剪裂縫。這一區(qū)域至少有12個裂縫帶和5個現(xiàn)代斷坎。SanJacinto盆地是加州洛杉磯東130km處一構(gòu)造盆地，歷史上曾發(fā)生過大面積地面沉降。因抽取地下水，誘發(fā)了古地裂縫復活。美國兩大沉降區(qū)域之一的SanJoaquin盆地，面積為13500km2。其沉降中心(Mendota)1925～1977年地面累積沉降量為9m。相應地，因抽取地下水而形成了3條張裂縫和1條剪裂縫。3條裂縫彼此間距小于12km。該區(qū)地裂縫災害嚴重，直到90年代仍有因地裂縫損失要求索賠的訴訟案(Corwinetal,1991)。二、美國地裂縫的成因關于美國地裂縫的成因，有3種不同的觀點。1、構(gòu)造成因構(gòu)造成因觀點最早由Leonard(1929年)提出。他從地震角度分析了1927年9月12日出現(xiàn)于亞利桑納州Picacho城附近的地裂縫及相距13km的EiTiroMine地面異常破裂的成因。認為是1927年9月11日發(fā)生于亞利桑納州東南部Tucso城附近的地震活動導致了巖層破裂，并使已具破裂面的巖層重新復活。之后有些學者，如Savage(1966)、Kreitler(1977)、Fleischer(1982)、Wyatt(1982)、Roquemore(1982)、Lippincott(1985)及Holdahl(1986)等對亞利桑納、加利福尼亞、德克薩斯等州地裂縫的研究也堅持構(gòu)造成因觀點。然而他們對成因機制的解釋卻不盡相同，多認為構(gòu)造對地裂縫的影響表現(xiàn)為控制性的，但不排除其它因素的間接影響。Carpenter(1993年)根據(jù)Picacho盆地地裂縫變形和地面沉降的長期觀測資料，利用Okada的三維位錯理論(1985年)及Matsuura等的構(gòu)造裂變修正模型(1975年)，就構(gòu)造活動對地裂縫成因影響進行了分析。認為，斷層位移對地裂縫在水平方向的張裂變形及垂直方向的差異變形都有一定影響。2、地下水開采成因地下水開采成因觀點在研究早期就被大多數(shù)地裂縫研究者所接受。但對其成因機理卻在較長時間內(nèi)有很大爭議。很多人先后提出了不同的成因機理解釋。Feth(1951年)研究了亞利桑納州中南部1949年出現(xiàn)的地裂縫，認為由于含水層局部厚度變化引起不均勻沉降，從而產(chǎn)生拉應力，導致了地裂縫的產(chǎn)生；Schumann等于1970年對這一理論進行了更深入的研究，認為基巖表面形態(tài)的突變或具壓縮性土層厚度分布的明顯差異，導致松散土層的差異壓密沉降。地表壓密沉降差異最大部位形成拉張應力集中進而產(chǎn)生開裂變形。Fletcher等(1954年)和Lofgren等(1969年)認為在降落漏斗形成后，地下水滲透速度提高。其形成的動水壓力對土層產(chǎn)生潛蝕作用并逐步發(fā)展至管涌，使土層結(jié)構(gòu)松弛，引起上覆土層拉張應力集中并在地表發(fā)生張裂變形。Neal等(1968年)、Holzer和Davis(1976年)研究了地裂縫與地下水位的關系，以及地裂縫發(fā)育區(qū)水位下降與排水的關系。認為由于水位下降引起上部土層失水后在水平方向發(fā)生收縮，是地裂縫產(chǎn)生的主要原因；Narasimhan(1979年)對這一觀點表示贊同。他所作的模擬試驗結(jié)果表明，含水層疏干會導致其產(chǎn)生明顯的體應變，并引起土層在水平方向的收縮變形。Bouwer(1977年)提出剛性折裂機理。他認為隨著地下水位的下降，松散土層不斷固結(jié)變形，與下伏土層的固結(jié)變形量相比，地表土層的變形微不足道。因此，在地面沉降過程中將整體產(chǎn)生剛性翻轉(zhuǎn)，從而在沉降盆地邊緣產(chǎn)生折裂。3、構(gòu)造與地下水開采復合成因陽20蜻世紀吹70溝年代末以來才，網(wǎng)Holzer帽等人通過對亞勢利桑納州中南效部構(gòu)造盆地地憶裂縫的活動性餐、地質(zhì)環(huán)境資辜料及地面沉降淚觀測資料綜合采分析認為閥，錢該區(qū)域構(gòu)造活到動與地下水開改采是影響地裂攀縫發(fā)育及活動秩的蛇2至個主要因素。角為了量化評價贊構(gòu)造活動與地駝面沉降對地裂特縫活動性的影鉗響出，狹Holzer擔依等將地裂縫的療形變分為錯斷錢(蔑fault)愉和開裂鼓(飼fissur鐵e)2忠種形式茂：范錯斷主要產(chǎn)生博平行裂面的位啊移偽；榨而開裂主要表孟現(xiàn)為垂直裂面奸的位移。構(gòu)造還活動對地表形渴變的影響主要竟表現(xiàn)為錯斷位奴移皆；或而土層差異壓宣密變形的影響肺則表現(xiàn)為開裂岡位移。期Bell(1畜990數(shù)年巖)咬根頁據(jù)仔LasVe吳gas均盆地的地質(zhì)條遙件級，錢分析了地裂縫健的發(fā)育特點國，賣認為地面沉降磚盆地內(nèi)部呈放揭射狀分布的地莖裂縫朱，乎是隱伏破裂面色經(jīng)滲透變形誘分發(fā)而成俱，抬并對地裂縫的薄形成過程提出付了不同的分析噸模式。哨Hanebe給rg(199頓3合年程)親在柿Holzer遠對地裂縫形變章分類的基礎上古將地裂縫成因芝模式分成開裂讀模式貼(槐openin落gmode壇)濟、剪裂模式密(爺sheari撥ngmod旦e)杰及撕裂模式陪(書tearin胞gmode齒)3嫌種類型。鉗總體情況看胡，綱美國西南部幾污個構(gòu)造盆地或捧構(gòu)造谷地內(nèi)地拍裂縫的分布有努著相似的特征蠻。地裂縫活動勝雖然與地面沉枯降表現(xiàn)有明顯茂的聯(lián)系廈，體但主要地裂縫尺的展布明顯受松構(gòu)造活動控制您。隨著研究的允深入及大量長厚期觀測資料的觸積累譜，覆人們在比較普唇遍接受地裂縫留的構(gòu)造及地下銜水開采復合成芽因觀點的同時量，白也深深認識到允地裂縫成因機端理的多樣性和嘗復雜性。齒三、地裂縫災彩害管理蟲辣1理、醫(yī)地裂縫災害預慧測位根據(jù)地裂縫的沖特性、地質(zhì)環(huán)偽境和形成機制比，裂可對地裂縫災焦害進行預測慘。喘預測分下列徑3怒個步驟運：招(犯1)怖地質(zhì)調(diào)查仍項調(diào)查目前地裂悟縫的分布、先徐存斷裂、隱伏堡斷裂和地層形騾態(tài)滑。捆第脅一，或可采用航空照垮片解釋法研究項有關區(qū)域的地齊貌特征捎。卵航空照片判讀羽對于指導野外緒調(diào)查、尋找地你表高程梯度帶對是非常有幫助賓的疼；芽第鍬二，俊進行有目的的乒實地考察島。牛對潛在地裂縫菌災害區(qū)域的實野地調(diào)查會找到爛裂縫的一些跡淚象晨，緞因為處于向上炕擴展階段的隱什伏地裂縫在致魯災前會使建筑疫物上出現(xiàn)一定宣規(guī)律的細縫貢；疏第擦三，亦采用地震勘探怖、重力勘測、什電法測量以及圣氡測量等物探煮手段，查明先禍存斷裂或其它訓類型的不整合德地層的位置清。破在調(diào)查中砌，友探槽和鉆孔數(shù)趟據(jù)是非常有用牌的由。殼(痛2)然監(jiān)測地面形聾變皇干似對于隱伏地裂聾災害區(qū)域馳，暫可采用包括大耕地水準測量、卻跨斷層形變測并量和工程地質(zhì)峽測量等方法監(jiān)疏測地面不均勻洗沉降的變化柳，用并尋找差異沉勤降曲線的最大在梯度點此，功預測未來地裂身縫災害的確切注位置聲。覽而監(jiān)測和分析費蠕滑速率的變攏化趨勢將有助葵于預測災害發(fā)暴生的時間貓。擁短水準的重復覺測量可用來預污測未來地裂縫糾帶位置秧。透美國亞利桑那品州已采用本GIS角和見GPS勸來監(jiān)測地裂縫戶。造(斃3)劍裂縫附近抽水萌量的變化預測致錦地裂縫的主要歐位移是由不均包勻沉降引起的慢。粥毒沉降速率、地桃裂縫蠕動速率類和活斷層滑動額速率既3則者之比為叮100慚/察0頸/武(土指數(shù)量級之比餓)趨。申其中夫，贊90%定的垂直剪切位福移來自差異沉裳降糠?；靡粋€區(qū)域的地著下水抽取量的興估算對預測地損裂縫在該區(qū)域遙的活動性有很畫大幫助謙，槐甚至對具體工批程場地的地裂獄縫災害預測也切是適用的觀。絹綜合以上送3校個步驟的工作傭，蔥就可以對一個赤區(qū)域內(nèi)的地裂脫縫災害作出預跨測午。唇2辦、地裂縫災害混減災法規(guī)腰為減輕地裂縫努災害趣，手在可能致災的中區(qū)域應建立專嬌門的法規(guī)或條關例塌。食可以在有關科給研成果的基礎強上置，馬會同各有關方點面的專家討論溪制定誦，腳并由當?shù)卣祛C布實施膏。晨美國加利福尼恭亞州政府于鋼1958曬年頒布了地面么沉降法革(駝加利福尼亞公劍共資源條例欄331出5邊，慎3347脹條棵)慧，砌嚴格控制開采撒地下水和石油骨。界該法令對減緩屆地面沉降和地吳裂縫起到了很愈大作用串。皂當時答，傷長灘市已沉降的了譯7m欄，桂法令實行允3雷～赴4銳年后險，遺長灘的地裂縫賢、地面沉降問嗚題就緩解了細。彎德克薩斯州于查1975踐年通過立法右(立德克薩斯州立搜法第僑64上條我，拔1975貌)響，鉛并成立了限制顧開采地下水的斧地方機構(gòu)蓋。亂對于休斯敦沉迫降區(qū)的所有抽窩水井實行編1拴～艘5腹年的抽水量審陸批制度。按抽濁水量核收審批找費簽，狀并鼓勵開發(fā)與飾應用地表水源牛。低針對地裂縫災忽害限，叢亞利桑那州成本立了專門的地鋪裂縫災害委員懶會當，途統(tǒng)一管理地裂漢縫減災各項事案宜峰，臥并提出了普及興地裂縫減災的綿科普教育、地皮裂縫早期監(jiān)測條與識別和及時寄處置相結(jié)合的偶對策婦。肅3喜、搬引地表水工程鴿為減輕地裂縫黨災害窮，扒在過量開采地潑下水的地區(qū)放，橡最主要的對策飯是限制開采地體下水。因此鈴，棗采用引進地表憲水源來解決城群市缺水問題是舞從根本上減輕瓣地裂縫災害的介措施漏。慣在美國地裂縫咬災害最為嚴重紛的上述地區(qū)汗，懇如加利福尼亞葬州、德克薩斯壩州和亞利桑那嗎州都完成了向貌地