基于地球关键带理论的渭北台塬地裂缝成因机理研究

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1、分类号:P64210710-2014026019博士学位论文基于地球关键带理论的渭北台塬地裂缝成因机理研究乔建伟导师姓名职称彭建兵教授卢全中教授申请学位类别工学博士学科专业名称地质灾害科学与工程论文提交日期2018年5月10日论文答辩日期2018年6月6日学位授予单位长安大学StudyontheformationMechanismofGroundFissuresinWeibeiTerraceBasedonEarth’sCriticalZoneTheoryADissertationSubmittedfortheDe

2、greeofDoctorCandidate：QiaoJianweiSupervisor：PengjianbingLuQuanzhongChang’anUniversity,Xi’an,China摘要地裂缝作为地球关键带中一种复杂的地质过程，是在多种灾变作用力协同作用下产生的一种地表过程，又是地球长期演化过程中一种普遍而又必然的地表岩土体破裂现象。其广泛的发育在我国大华北地区，而又以汾渭盆地地裂缝发育规模大、造成的灾害严重而著称。本文依托中国地质调查局“汾渭盆地地面沉降地裂缝及成因机理研究”和“关中盆地渭南地区地裂

3、缝地质灾害调查”调查项目，以汾渭盆地南端的渭北台塬为研究对象，首先通过详细野外调查、地质勘探、原位测试和室内实验等手段，系统总结了渭北台塬地裂缝的基本特征，并提出了地裂缝的灾变易发区和灾变作用力；然后基于地球关键带理论建立了不同层次的地质模型，并基于典型案例分析了地震动和地下水变动的地裂缝启裂机理；最后得出了渭北台塬地裂缝的成因模式，提出了多种灾变作用力协同耦合的地裂缝成因理论。本文的主要结论有：1.通过野外调查和收集资料发现渭北台塬累计发育地裂缝252条，其主要分布在渭河盆地北侧的泾阳县和盆地东北侧的三原县，两

4、者约占79.4%。地裂缝的空间分布格局为“三带一区”，即渭河断裂沿线地裂缝发育带、口镇-关山断裂沿线地裂缝发育带、礼泉-蒲城-合阳断裂沿线地裂缝发育带和大荔地裂缝发育区；地裂缝的平面分布具有沿断裂带集中发育、顺地貌变异带展布、与地面沉降伴生和在黄土湿陷区散布的分布特征。地裂缝的整体形态有直线型、折线型、弧线型和雁列型；局部形态有锯齿状、台阶状和塌陷坑。地裂缝的剖面结构形态主要有漏斗型、哑铃型、侧羽型、台阶型、“Y”型和“X”型等基本形态。地裂缝的运动方式具有明显的“三向”运动特征，活动特征具有明显的季节差异性、空

5、间差异性、周期性和活动方式多样性。地裂缝的灾害特征具有成带性、不均匀性、多样性、渐进性和不可抗拒性。2.渭北台塬地裂缝的灾变易发区主要有构造断裂带沿线、地貌分界线两侧和黄土湿陷区，地裂缝的灾变作用力主要有深部作用力、中部作用力和浅部作用力。其中深部作用力是指构造作用力，主要包括断裂蠕动和地震动，属于地球关键带外部作用力；中部作用力是指地下水位变动产生的黄土湿陷变形力和土体沉降变形力，浅部作用力是指地表水触动土体产生的渗透潜蚀力，两者均属于地球关键I带内部作用力。3.构造作用是地裂缝孕育和成生的关键因素，构造活动形

6、成的地球关键带多级破裂系统孕育了地裂缝，而断裂蠕滑和地震活动导致破裂系统扩展至地表形成了地裂缝。断裂蠕滑主要引起上盘的已有次级隐伏断裂扩展至地表形成地裂缝，地震活动导致盆地内已有的隐伏断裂两侧的应力状态发生变化从而在隐伏断裂上盘形成剪切裂缝、下盘形成竖向拉张裂缝。4.抽水作用、表水渗透和黄土湿陷是地球关键带内地裂缝成生和扩展的重要因素。抽水作用会导致地球关键带内已有破裂两侧的应力状态发生变化，并在隐伏断裂两侧形成拉张裂缝、剪切裂缝和拉张-剪切型裂缝三种类型；其中剪切12xy型地裂缝与水平面夹角为

7、45arctan。地下水径流22xy潜蚀已有的构造节理形成地下坑道，并在坑道顶部出现拉张应力区从而形成拉张裂缝，随后表水渗透进一步加剧地裂缝的活动。黄土地区水渠渗透的最大水平影响距离约为30m，渗透产生的倾斜浸润线导致黄土不均匀湿陷沉降而在地表形成的拉张应力是地裂缝的灾变作用力，黄土湿陷产生的拉张裂缝最大发育深度一般为10m。5.渭北台塬典型地裂缝的成因模式有四类，即构造断裂控制，断裂活动开启，渗透潜蚀扩展的耦合模式；构造节理控制和渗透潜蚀启裂并扩展的耦合成因模式；构造断裂控制，地震作

8、用开启和地下水位变动复发的耦合成因模式；黄土湿陷变形模式。现今地裂缝均是在下伏构造、构造活动和人类活动的协同耦合作用下形成的，其成生过程可分为三个阶段。关键词：地球关键带；渭北台塬；地裂缝；地质模型；灾变作用力；成因机理。IIAbstractGroundfissure,asacomplexgeologicalprocessinEarthCriticalZone,isasu