上海北京西安天津地面沉降和地裂缝成因

梁光河

中国科学院矿产资源研究重点实验室，中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院大学 lgh@mail.iggcas.ac.cn

引言

地面沉降是指地壳浅表层局部范围的下降运动，其特点是以缓慢的、难于察觉的向下垂直运动为主，只有少量的或基本没有水平位移。地裂缝是指地表岩层、土体在自然因素或人为因素作用下开裂,并在地面形成裂缝的一种宏观地表破坏现象。地面沉降和地裂缝给建筑物、公路、地下设施和耕地带来重大损失。其中上海和天津是我国地面沉降最为严重的两个城市，西安是我国地裂缝灾害最严重的城市。而北京和西安兼具地面沉降和地裂缝灾害。这些地面沉降和地裂缝是怎样形成的？如何应对？对这些城市的发展规划和城市建设等方面都有重要的参考和指导作用。

地面沉降和地裂缝成因包括自然构造成因和人为成因，本文说明这些地裂缝和地面沉降的主因是大地构造差异运动造成的，人为因素只是诱因或者辅助因素。过去很多地方，特别是我国中东部地区，在一些既没有采矿历史也没有超强地下水开采的城市，发生了众多地面塌陷、地面沉降和地裂缝，让很多工程施工单位背了黑锅。

上海地面沉降

关于上海地面沉降的报导最早见于1921年，到1965年在市区已形成了一个碟形洼地，其中心处的最大沉降量达2.63米。从1966—1987年22年间。累计沉降量36.7毫米，年平均沉降量为1.7毫米。目前中国地面沉降严重的地区有:上海、天津、北京、西安、太原等。上海外滩百年巨变，外滩防汛墙不断加高的过程从侧面反映了地面沉降的演化历史（图1），由于地面沉降使潮位相对上升，防汛墙逐次加高，严重影响了防汛能力。

图1 上海外滩百年巨变-外滩防汛墙不断加高的过程

北京地裂缝

北京地裂缝分布范围也很广,地裂缝走向大致平行于主要断裂带走向（图2-3），同时还伴随着比较严重的地面沉降。地裂缝也是活动断层的一种表现。

图2 北京市地裂缝分布区

图3 北京市部分地裂缝照片

西安地裂缝

从上世纪50年代开始正规观测以来，西安市发现的大型地裂缝达14条，它们似平行等间距分布，将西安分割开来，成为危害西安城市建设的主要地质灾害之一。目前已经初步掌握了西安市地裂缝分布规律（图4-5）。

图4 西安市地裂缝分布图

图5 地裂缝照片

图6显示的是一个浅地表土壤断面，它反映了12万年以来地裂缝和断裂的变化情况，特别注意图中的断裂下降盘红土层厚度比上升盘大，说明这个正断层是一个同沉积断层，是拉伸构造环境下的产物。

图6 西安高楼村地裂缝及断裂剖面照片

   图7给出了西安地裂缝成因模型，该模型说明浅地表的地裂缝受深层大断裂的控制。符合“宏观约束微观-深部制约浅部”的规律。

图7 西安地裂缝成因模型

天津北京地面沉降

   华北存在大范围地面沉降（图8），传统观念认为主要是开采地下水造成了地面沉降。但实际观测却与此相悖，以天津和北京为例，天津市的地面沉降远远高于北京市，但天津市的地下水开采量和开采强度远小于北京市。北京市面积约1.6万平方公里，其中平原面积约0.6万平方公里，年开采地下水约18亿吨。而天津市面积约1.2万平方公里，平原面积约1万平方公里，年开采地下水约5亿吨。地下水开采主要集中在平原地区，天津市的平原地下水开采强度约每平方公里每年5万吨，而北京市的平原地下水开采强度约为每平方公里每年30万吨。

这说明华北的地面沉降主要是受构造拉伸作用造成的整体地面沉降。北京处于拉伸的边缘，沉降较小，而天津处于拉伸的中央地带，因此遭受了更大幅度的地面沉降。地下水开采造成的地面沉降只是在整体构造沉降基础上的一个附加分量。

特别值得关注的是天津塘沽区，该区地势低洼平坦，海拔高度一般1.3-3.8米，还有局部区域甚至低于海平面。该区地面沉降量在地下水开采量（2000-2009年）持续减小的条件下，于2005年开始反而增大就说明了这个问题。

图8 华北部分地区地面沉降等值线图

构造运动与地面沉降和地裂缝成因

作者在“中国东部石油盆地是怎样形成的？”一文中，分析了中国东部和欧亚大陆东缘新生代和当前受力情况（图9），欧亚大陆自白垩纪开始从泛大陆裂解后向东漂移，新生代开始又受到印度板块向北漂移与欧亚大陆碰撞并产生向东南挤出的逃逸构造影响，加上北美板块向北西漂移对欧亚板块产生的软碰撞力，在这些力的综合作用下，在欧亚板块东部和中国东部都表现为伸展-拉涨环境，日本从中国东南大陆裂解后向北东方向漂移，朝鲜半岛从华北裂解漂移，同步产生了渤海、黄海和东海，由此产生了一系列拉分盆地。渤海湾盆地的沉降史说明这个裂解漂移过程主要发生在新生代（图10）。

图9 中国东部和欧亚东缘受力情况和沉降区分布图

图10渤海湾盆地渤中凹陷埋藏史

这个拉涨裂解沉降区域得到了实测数据的支持，图11显示的是中国东部当前地面沉降主要城市及沉降区分布，该图北部的区域与图9的伸展沉降区完全吻合，而下部细长的部分事实上是指日本地块裂解漂移后，当前仍处于拉伸作用中，使得中国东部板块边缘产生了沉降作用。

中国华北当前存在大面积地裂缝，作为一种重要的地质灾害，过去一直对其成因机制认识不清，事实上当前中国的裂缝主要分布区也基本上与伸展沉降区一致（图12），主要是受构造作用所形成的自然现象。本文并不否认地下水开采对地裂缝和地面沉降的作用，地下水的超采会形成局部区域的地下漏斗，产生地面沉降和地裂缝加剧的现象，但总体而言，构造沉降是区域大背景，人工作用只是在这个大背景下的叠加分量。

图11中国东部当前地面沉降主要城市及沉降区分布图

图12中国东部部分地区地裂缝分布图(据王景明,2000)

地面沉降和地裂缝防治

（1）  首先需要查清局部区域地裂缝和地面沉降分布和发展规律，做到对症下药。

（2）  对于地裂缝，建筑物应尽量避让，规划设计中地表建筑物尽量沿地裂缝走向展布，与地裂缝平行。

（3）  对地裂缝必须跨越的，要采取措施；同时要限制地下水的开采并加强监测工作。如在地铁施工中不可避免要跨越地裂缝区域，跨地裂缝地段需采用分段结构设计并采用柔性接头进行处理。

（4）  对地面沉降，区域性的地面沉降是地球大构造作用力的影响产生的，人类无法防止，但人们可以尽量减少局部因地下水开采造成的地面沉降。在沉降区往地下注水也是一个可行选择。