美國(guó)的地裂縫

國(guó)是發(fā)現(xiàn)地裂縫災(zāi)害最早的國(guó)家，也是對(duì)地裂縫災(zāi)害研究較為廣泛和深入的國(guó)家。美國(guó)的地裂縫災(zāi)害，最早出現(xiàn)在上世紀(jì)20年代休斯敦附近的GooseCreek油田。在此后的幾十年中，美國(guó)的地面沉降和地裂縫災(zāi)害愈演愈烈。到上世紀(jì)80年代，其西南部有6個(gè)州、14個(gè)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(dá)、德克薩斯、新墨西哥等州為集中發(fā)育區(qū)，損失非常嚴(yán)重。至今已在全國(guó)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(guó)地裂縫的類(lèi)型與分布1、美國(guó)地裂縫的類(lèi)型美國(guó)的現(xiàn)代地裂縫主要有張裂縫和剪裂縫，它們都與由于開(kāi)采地下水或石油而導(dǎo)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(jì)長(zhǎng)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(guó)西南的6個(gè)州、14個(gè)地區(qū)都出現(xiàn)了地裂縫。在9個(gè)受到地裂縫影響的城市中，災(zāi)害最嚴(yán)重的是休斯敦、長(zhǎng)灘和鳳凰城。張裂縫，即地面上水平張開(kāi)的裂縫。它沒(méi)有剪切運(yùn)動(dòng)分量。最長(zhǎng)的張裂縫帶長(zhǎng)3.5km，但幾百米的較為常見(jiàn)。裂縫因沖蝕而加寬，常形成1～2m寬的地溝。據(jù)測(cè)量，最大張開(kāi)深度為25m，但2～3m的比較普遍。張裂縫僅在內(nèi)華達(dá)州的拉斯維加斯和亞利桑那州的鳳凰城兩個(gè)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(dòng)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(yùn)動(dòng)是否隨地下水位波動(dòng)而變化；是否存在斷裂活動(dòng)與抽取地下流體之間的相關(guān)聯(lián)系，以及斷裂錯(cuò)動(dòng)是否局限在被開(kāi)采的含水層深度內(nèi)。這類(lèi)地裂縫最長(zhǎng)達(dá)16.7km，地表斷坎最高可達(dá)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(guó)地裂縫的分布在美國(guó)，地裂縫密度在各個(gè)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(dá)700余米。從該層中大量抽取地下水導(dǎo)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(cè)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(jiàn)地裂縫多達(dá)160余條，累計(jì)長(zhǎng)度500km。但有近一半的地裂縫是古裂縫，活動(dòng)地裂縫有86條，累計(jì)長(zhǎng)度240km。含水層底面最大深度約800m，含水層水位下降超過(guò)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(guò)0.15m，最大沉降量逾2.7m。內(nèi)華達(dá)州，拉斯維加斯地區(qū)是內(nèi)華達(dá)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(guò)125km2的土地受到因抽取地下水而導(dǎo)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(zhǎng)的裂縫約400m。加利福尼亞州，有3個(gè)盆地發(fā)生了地裂縫：Fremont、SanJacinto和SanJoaquin盆地。Fremont盆地是一個(gè)長(zhǎng)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(gè)裂縫帶和5個(gè)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(guò)大面積地面沉降。因抽取地下水，誘發(fā)了古地裂縫復(fù)活。美國(guó)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(yīng)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(zāi)害嚴(yán)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(guó)地裂縫的成因關(guān)于美國(guó)地裂縫的成因，有3種不同的觀點(diǎn)。1、構(gòu)造成因構(gòu)造成因觀點(diǎn)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(rèn)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(dòng)導(dǎo)致了巖層破裂，并使已具破裂面的巖層重新復(fù)活。之后有些學(xué)者，如Savage(1966)、Kreitler(1977)、Fleischer(1982)、Wyatt(1982)、Roquemore(1982)、Lippincott(1985)及Holdahl(1986)等對(duì)亞利桑納、加利福尼亞、德克薩斯等州地裂縫的研究也堅(jiān)持構(gòu)造成因觀點(diǎn)。然而他們對(duì)成因機(jī)制的解釋卻不盡相同，多認(rèn)為構(gòu)造對(duì)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(zhǎng)期觀測(cè)資料，利用Okada的三維位錯(cuò)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(dòng)對(duì)地裂縫成因影響進(jìn)行了分析。認(rèn)為，斷層位移對(duì)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(kāi)采成因地下水開(kāi)采成因觀點(diǎn)在研究早期就被大多數(shù)地裂縫研究者所接受。但對(duì)其成因機(jī)理卻在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)有很大爭(zhēng)議。很多人先后提出了不同的成因機(jī)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(rèn)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(yīng)力，導(dǎo)致了地裂縫的產(chǎn)生；Schumann等于1970年對(duì)這一理論進(jìn)行了更深入的研究，認(rèn)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(dǎo)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(yīng)力集中進(jìn)而產(chǎn)生開(kāi)裂變形。Fletcher等(1954年)和Lofgren等(1969年)認(rèn)為在降落漏斗形成后，地下水滲透速度提高。其形成的動(dòng)水壓力對(duì)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(yīng)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(guān)系，以及地裂縫發(fā)育區(qū)水位下降與排水的關(guān)系。認(rèn)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(duì)這一觀點(diǎn)表示贊同。他所作的模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，含水層疏干會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生明顯的體應(yīng)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(jī)理。他認(rèn)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(guò)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(kāi)采復(fù)合成因陽(yáng)20蜻世紀(jì)吹70溝年代末以來(lái)才，網(wǎng)Holzer帽等人通過(guò)對(duì)亞勢(shì)利桑納州中南效部構(gòu)造盆地地憶裂縫的活動(dòng)性餐、地質(zhì)環(huán)境資辜料及地面沉降淚觀測(cè)資料綜合采分析認(rèn)為閥，錢(qián)該區(qū)域構(gòu)造活到動(dòng)與地下水開(kāi)改采是影響地裂攀縫發(fā)育及活動(dòng)秩的蛇2至個(gè)主要因素。角為了量化評(píng)價(jià)贊構(gòu)造活動(dòng)與地駝面沉降對(duì)地裂特縫活動(dòng)性的影鉗響出，狹Holzer擔(dān)依等將地裂縫的療形變分為錯(cuò)斷錢(qián)(蔑fault)愉和開(kāi)裂鼓(飼fissur鐵e)2忠種形式茂：范錯(cuò)斷主要產(chǎn)生博平行裂面的位啊移偽；榨而開(kāi)裂主要表孟現(xiàn)為垂直裂面奸的位移。構(gòu)造還活動(dòng)對(duì)地表形渴變的影響主要竟表現(xiàn)為錯(cuò)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(kāi)裂岡位移。期Bell(1畜990數(shù)年巖)咬根頁(yè)據(jù)仔LasVe吳gas均盆地的地質(zhì)條遙件級(jí)，錢(qián)分析了地裂縫健的發(fā)育特點(diǎn)國(guó)，賣(mài)認(rèn)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(duì)地裂縫的薄形成過(guò)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(yuǎn)對(duì)地裂縫形變章分類(lèi)的基礎(chǔ)上古將地裂縫成因芝模式分成開(kāi)裂讀模式貼(槐openin落gmode壇)濟(jì)、剪裂模式密(爺sheari撥ngmod旦e)杰及撕裂模式陪(書(shū)tearin胞gmode齒)3嫌種類(lèi)型。鉗總體情況看胡，綱美國(guó)西南部幾污個(gè)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(dòng)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(dòng)控制您。隨著研究的允深入及大量長(zhǎng)厚期觀測(cè)資料的觸積累譜，覆人們?cè)诒容^普唇遍接受地裂縫留的構(gòu)造及地下銜水開(kāi)采復(fù)合成芽因觀點(diǎn)的同時(shí)量，白也深深認(rèn)識(shí)到允地裂縫成因機(jī)端理的多樣性和嘗復(fù)雜性。齒三、地裂縫災(zāi)彩害管理蟲(chóng)辣1理、醫(yī)地裂縫災(zāi)害預(yù)慧測(cè)位根據(jù)地裂縫的沖特性、地質(zhì)環(huán)偽境和形成機(jī)制比，裂可對(duì)地裂縫災(zāi)焦害進(jìn)行預(yù)測(cè)慘。喘預(yù)測(cè)分下列徑3怒個(gè)步驟運(yùn)：招(犯1)怖地質(zhì)調(diào)查仍項(xiàng)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(xiàng)有關(guān)區(qū)域的地齊貌特征捎。卵航空照片判讀羽對(duì)于指導(dǎo)野外緒調(diào)查、尋找地你表高程梯度帶對(duì)是非常有幫助賓的疼；芽第鍬二，俊進(jìn)行有目的的乒實(shí)地考察島。牛對(duì)潛在地裂縫菌災(zāi)害區(qū)域的實(shí)野地調(diào)查會(huì)找到爛裂縫的一些跡淚象晨，緞因?yàn)樘幱谙蛏峡粩U(kuò)展階段的隱什伏地裂縫在致魯災(zāi)前會(huì)使建筑疫物上出現(xiàn)一定宣規(guī)律的細(xì)縫貢；疏第擦三，亦采用地震勘探怖、重力勘測(cè)、什電法測(cè)量以及圣氡測(cè)量等物探煮手段，查明先禍存斷裂或其它訓(xùn)類(lèi)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(cè)地面形聾變皇干似對(duì)于隱伏地裂聾災(zāi)害區(qū)域馳，暫可采用包括大耕地水準(zhǔn)測(cè)量、卻跨斷層形變測(cè)并量和工程地質(zhì)峽測(cè)量等方法監(jiān)疏測(cè)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(diǎn)此，功預(yù)測(cè)未來(lái)地裂身縫災(zāi)害的確切注位置聲。覽而監(jiān)測(cè)和分析費(fèi)蠕滑速率的變攏化趨勢(shì)將有助葵于預(yù)測(cè)災(zāi)害發(fā)暴生的時(shí)間貓。擁短水準(zhǔn)的重復(fù)覺(jué)測(cè)量可用來(lái)預(yù)污測(cè)未來(lái)地裂縫糾帶位置秧。透美國(guó)亞利桑那品州已采用本GIS角和見(jiàn)GPS勸來(lái)監(jiān)測(cè)地裂縫戶(hù)。造(斃3)劍裂縫附近抽水萌量的變化預(yù)測(cè)致錦地裂縫的主要?dú)W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(dòng)速率類(lèi)和活斷層滑動(dòng)額速率既3則者之比為叮100慚/察0頸/武(土指數(shù)量級(jí)之比餓)趨。申其中夫，贊90%定的垂直剪切位福移來(lái)自差異沉裳降糠?；靡粋€(gè)區(qū)域的地著下水抽取量的興估算對(duì)預(yù)測(cè)地?fù)p裂縫在該區(qū)域遙的活動(dòng)性有很畫(huà)大幫助謙，槐甚至對(duì)具體工批程場(chǎng)地的地裂獄縫災(zāi)害預(yù)測(cè)也切是適用的觀。絹綜合以上送3校個(gè)步驟的工作傭，蔥就可以對(duì)一個(gè)赤區(qū)域內(nèi)的地裂脫縫災(zāi)害作出預(yù)跨測(cè)午。唇2辦、地裂縫災(zāi)害混減災(zāi)法規(guī)腰為減輕地裂縫努災(zāi)害趣，手在可能致災(zāi)的中區(qū)域應(yīng)建立專(zhuān)嬌門(mén)的法規(guī)或條關(guān)例塌。食可以在有關(guān)科給研成果的基礎(chǔ)強(qiáng)上置，馬會(huì)同各有關(guān)方點(diǎn)面的專(zhuān)家討論溪制定誦，腳并由當(dāng)?shù)卣祛C布實(shí)施膏。晨美國(guó)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(yán)格控制開(kāi)采撒地下水和石油骨。界該法令對(duì)減緩屆地面沉降和地吳裂縫起到了很愈大作用串。皂當(dāng)時(shí)答，傷長(zhǎng)灘市已沉降的了譯7m欄，桂法令實(shí)行允3雷～赴4銳年后險(xiǎn)，遺長(zhǎng)灘的地裂縫賢、地面沉降問(wèn)嗚題就緩解了細(xì)。彎德克薩斯州于查1975踐年通過(guò)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(kāi)采地下水的斧地方機(jī)構(gòu)蓋。亂對(duì)于休斯敦沉迫降區(qū)的所有抽窩水井實(shí)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(fèi)簽，狀并鼓勵(lì)開(kāi)發(fā)與飾應(yīng)用地表水源牛。低針對(duì)地裂縫災(zāi)忽害限，叢亞利桑那州成本立了專(zhuān)門(mén)的地鋪裂縫災(zāi)害委員懶會(huì)當(dāng)，途統(tǒng)一管理地裂漢縫減災(zāi)各項(xiàng)事案宜峰，臥并提出了普及興地裂縫減災(zāi)的綿科普教育、地皮裂縫早期監(jiān)測(cè)條與識(shí)別和及時(shí)寄處置相結(jié)合的偶對(duì)策婦。肅3喜、搬引地表水工程鴿為減輕地裂縫黨災(zāi)害窮，扒在過(guò)量開(kāi)采地潑下水的地區(qū)放，橡最主要的對(duì)策飯是限制開(kāi)采地體下水。因此鈴，棗采用引進(jìn)地表憲水源來(lái)解決城群市缺水問(wèn)題是舞從根本上減輕瓣地裂縫災(zāi)害的介措施漏。慣在美國(guó)地裂縫咬災(zāi)害最為嚴(yán)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