北京市地裂缝分布与发育规律

北京市地裂缝分布与发育规律*

刘方翠①②祁生文②彭建兵③罗 勇②④张 彬①

（①中国地质大学（北京）工程技术学院 北京 100083）

（②中国科学院地质与地球物理研究所，中国科学院页岩气与地质工程重点实验室 北京 100029）

（③长安大学地测学院 西安 710054）

（④北京市水文地质工程地质大队 北京 100195）

摘 要：近30年来，北京市人口急剧增多，城市快速扩张，地下水的抽取量逐年加大，地面沉降加剧，形成沉降中心，地裂缝活动性显著加强，成为制约城市发展规划的重要地质问题。目前，对于北京市地裂缝的认识仍然局限在针对单独场地的单一地裂缝的调查评价，缺乏对地裂缝区域性规律的认识。本文通过对有关文献和勘察资料的搜集汇总，结合现场调研，发现北京市地裂缝具有明显的地域性特征，大部分地裂缝的发育与深部断裂带的关系密切。据此我们依据断裂带与地裂缝的关系将北京地裂缝划分为6个区，对各区域内陆裂缝的分布、产状、延伸以及破坏现象等特征进行了归纳，在此基础上对其成因做了简要分析，并对后续地裂缝研究工作的开展提出了建议。

关键词：北京 地裂缝 控制性断裂带

0 引 言

地裂缝是第四系地层中出现的开裂现象，常由内、外动力作用及人类活动诱发产生。内动力作用是地壳内部能量释放引起的区域构造运动，外动力作用是地表在大气、水及重力作用下产生的各种物理现象，人类活动则是工程及经济活动对地面的改造，如建筑加载和抽取地下水引起的地面沉降等（杨健，2002）。王景明等（2000）将地裂缝按其产生的主导因素分为两类：构造地裂缝和非构造地裂缝，其中构造地裂缝是以内动力作用为主导因素，非构造地裂缝是以外动力作用为主导因素。地裂缝的形成和扩展不仅会改造地表，影响地下水的补给、径流、排泄，引发一系列的地面沉降及潜蚀等次生地质灾害，同时也会对道路、桥梁、管道、建筑等基础设施带来破坏（武强等，2002）。我国大华北地区的陕、晋、冀（京、津）鲁、苏、豫、皖是地裂缝的高发地，2000年时估计由地裂缝活动引起的经济损失约63.79亿元（王景明等，2000）。

在20世纪60年代以前，北京并没有地裂缝地质灾害问题。但是新中国成立后，特别是近30年来，人口暴涨，地下水抽取急剧增加，地裂缝灾害日益加重，成为城市发展面临的新问题。前人对北京地裂缝问题进行过一些调查研究，如卢全中等（2014）认为北七家—高丽营地裂缝为构造地裂缝，因其分布位置与黄庄—高丽营断裂北段一致；赵忠海（2001）认为顺义木林—塔河地裂缝是由构造运动、抽取地下水引起的不均匀沉降及砂土液化引起的；刘德成等（2010）认为通州区的地裂缝是由砂土液化造成地面塌陷而形成的地裂缝，是非构造性地裂缝。

目前，北京市地裂缝研究工作仍处在“盲人摸象”的阶段，局限在单条地裂缝研究，缺乏整体性规律性认识，无论是深部构造决定地裂缝，还是过量抽取地下水诱发地裂缝，地下深部及表层是相连一体、相互制约、相互影响的。因此，对北京地裂缝进行系统总结显得尤为必要。笔者通过查阅及实地走访，整理了全市范围内断裂带及地裂缝资料，依据断裂带与地裂缝的关系将地裂缝分布划分为6个区，阐述了各区域内陆裂缝的分布、产状、延伸以及破坏现象等特征，分析了其成因，并对后续研究进行了展望。

1 北京地裂缝发育地质背景

1.1 区域地质背景

北京位于东经115.7°～117.4°，北纬39.4°～41.6°，总面积约16410.54km2；从地形地貌方面看，北京地处华北平原西北部，西北高、东南低，西部和北部为山区，东南部为平原；走向北东的太行山余脉（北京西山）和走向近东西的燕山山脉（军都山）在西部和北部与北京平原相接，在西北南口关沟处相交；平均海拔43.5m，海拔最高为2303m的门头沟区的东灵山，海拔最低为8m的通州区东南边界。

北京平原是由永定河、潮白河等冲洪积物堆积塑造而成，第四纪沉积物分布广泛，河流冲洪积扇和沉积凹陷是北京平原第四系地质单元的主要类型（蔡向民等，2009）。平原区下伏基岩埋深变化较大，被多条断裂切割，构成了著名的北京断陷盆地（图1）。而地裂缝通常发生在不规则基岩上的冲积土壤中，一旦地下水抽取量超过自然水的补给量，会造成地下水位的严重下降，上覆土层进行压缩固结，形成沉降漏斗，造成边缘地区地裂缝形成并发育（Rojas et al.，2002）。北京满足上述条件，因此北京具备地裂缝发育的地质背景。

在大地构造上，北京位于祁、吕、贺山字形构造反射弧与阴山东西向构造带的交汇部位，经历了多期构造运动，地质构造较为复杂，断裂构造发育（赵忠海，2006）。北京地区现有断裂带8条，按照走向不同将其分为两组，分别为NE向组与NW向组，其中NE向有5条，分别为：黄庄—高丽营断裂、顺义—良乡—前门断裂、南苑—通县断裂、夏垫断裂和礼贤断裂；NW向有3条，分别为南口—孙河断裂、张家湾断裂和永定河断裂（图2）。

1.2 主要断裂带的特征

NE组断裂中规模最大的断裂当属黄庄—高丽营断裂，该断裂整体走向约NE40°，长约132km；北至密云区西略庄，南至涞水附近，途径怀柔、高丽营、西直门、丰台良乡等地；断裂主要表现出正断倾滑性质（焦青等，2006）。按照活动性可分为南、北、中三段（王海刚等，2013）：北段从庙城到高丽营，长40km，NNE走向，倾向SE，倾角75°，属全新世活动段；中段为黄庄段，长52km，NE走向，倾向SE，倾角75°，中、晚更新世有活动；南段为涞水段，长约40km，NEE走向，倾向SE，倾角75°，第四纪期间活动不明显。黄庄—高丽营断裂将第四系地层全部错断，断裂面直接延伸至地表，具有多期活动的特点（柯柏林，2009）。西王路开挖的探槽（图3）显示，黄庄—高丽营断裂的地表断面位置与地裂缝完全一致，贾三满等（2007）认为这说明黄庄—高丽营断裂目前仍在活动。

图1 北京平原区地质构造示意图（赵忠海，2001）
Fig.1 Schematic diagram of the geological structure of the Beijing plain（Zhao，2001）

图2 北京市断裂带及地裂缝分区示意图
Fig.2 Schematic diagram of Beijing fault zone and crack zone

顺义—良乡—前门断裂是北京平原区规模较大的隐伏断裂，北起顺义，南至塔上，途经天竺、孙河、东单、丰台东、良乡、交道，全长100km；断裂总体走向为NE30°～35°，倾向北西，倾角60°～80°，属倾滑正断层。该断裂按几何特征及活动性分为南北两段，北段长约45km，其走向为NE30°～40°，倾向南东，为高角度正断层；南段长约55km，断面倾向北西，与南苑—通县断裂平行展布（焦青等，2006）。

南苑—通县断裂长约110km，呈NE走向，倾向NW，倾角50°～75°；断裂南至南皋村附近，北至平安疃，途经南苑、南磨房、定福庄东等地；按其活动性特征可以将该断裂分为南、北两段，南段为南皋村到定福庄东，长约90km；北段为定福庄至平安疃，长约20km（焦青等，2006）。

夏垫断裂是一条活动断裂，位于北京东部，北自平谷，南至曹家务一带，经马坊、夏垫延至马头、凤河营，全长约100km；总体走向为NE30°，倾向南东，倾角为70°～80°。雍凡等（2014）认为夏垫断裂的北段仍然处在活动状态中。

南口—孙河断裂是北京地区规模最大的一条NW向裂带，属地表第四纪活动断裂。该断裂北起昌平南口镇，沿南东走向经百泉、孙河、通县到达郎府，总体走向为NW 310°，长度约80km，为枢纽断裂（焦青等，2006）。

永定河断裂北起军庄，沿南东走向经永成庄至立垡村，总体走向为NW320°，长约30km；该断裂沿永定河河谷延伸，前人经物探推测为隐伏正断裂。黄庄—高丽营断裂将该断裂分为两段，北西段长16km，倾向南西；东南段长14km，倾向北东（焦青等，2006）。

1.3 水文地质条件

北京地下水主要存在于第四系松散孔隙介质中，含水层岩性分带比较复杂，由山前至平原，第四系厚度逐渐增大，含水层颗粒由粗变细，地下水位埋深由深变浅。由于第四纪以来发生新构造运动，同时受不同断裂活动影响和地理环境限制，沉积厚度有明显的差异。

北京位于北温带，是半湿润大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，春、秋相对较短，降水季节分配很不均匀，夏季6、7、8 3个月降水较多，约占全年80％。自1999年以来，北京市年均降雨量仅为457mm，主要河流和水库来水严重不足，因此地下水成为全市用水的主要来源，其使用量约占全市用水量的三分之二以上，而地下水的开采又以在第四系松散沉积物中开采为主，其开采量占全市总地下水开采量的90％以上（蔡向民等，2009）。水资源紧缺，供需矛盾突出。

随着北京用水量逐步增大，过量抽取地下水来补给人们生产生活用水，地下水位埋深不断增加（图4），使得本来就很脆弱的水生态环境进一步受到损害；同时，局部的含水层厚度不同会导致局部产生不均匀压密，极易产生地裂缝（Jachens et al.，1982）。由此，北京平原区地裂缝活动速度大幅提高。2014年12月，南水北调中线正式通水，长江水于27日进入北京市。Bankher et al.（1999）指出当松散土壤被浸湿的时候也极易发生地裂缝。据此笔者认为，长江水进入北京后，是重新开启一些地裂缝，还是会减缓原有地裂缝的发展进程，这都是值得研究的问题。

图3 西王路探槽东壁断面剖面示意图（贾三满等，2007）
Fig.3 Xiwanglu trench eastwall section diagram（Jia et al.，2007）

图4 北京地下水位埋深变化图（杨勇等，2013）
Fig.4 Variation diagram of groundwater level in Beijing（Yang et al.，2013）

2 北京市地裂缝分区及发育特征

2.1 北京市地裂缝分布

如图2所示，北京市地裂缝主要分布在顺义、昌平等地区，多与断裂带相伴而生，具有明显的地域性特征，可划分出6个地裂缝分布区，具体划分情况如下：

a区域：黄庄—高丽营裂缝带，位于黄庄—高丽营断裂带区域内。

b区域：顺义城区及北小营地裂缝带，位于顺义—良乡断裂带区域内。

c区域：平谷地裂缝带，位于夏垫断裂带区域内。

d区域：通州地裂缝带。

e区域：房山及大兴地裂缝带，前者位于南苑—通县断裂带区域内，后者位于礼贤断裂带区域内。

f区域：昌平南新村地裂缝带，位于南口—孙河断裂带区域内。

2.2 a区域

a区域为黄庄—高丽营地裂缝带，该区是北京地区地裂缝规模最大、致灾最为严重、最具有典型特征的地裂缝带。黄庄—高丽营地裂缝带活动始于20世纪70年代，从北向南依次通过西王路村、唐自头村、土沟村、北七家原卫生院、普罗旺斯和八仙别墅小区（图5），贯穿昌平、顺义两区，总长度超过7km，断续发育长度约为10km，带宽30～70m。主裂缝东南低、西北高，裂缝宽度一般几毫米到十几毫米不等。该段地裂缝走向明显分段，以温榆河为界，北地段总体走向NE55°，南地段总体走向NE25°，地裂缝呈断续分布。

图5 高丽营—北七家地裂缝分布示意图
Fig.5 Gaoliying-Beiqijia ground fissure distribution diagram

西王路村、唐自头村、土沟村、八仙别墅为该地裂缝发育的典型区域，其建（构）筑物的破坏也最为严重。由于本区域是北京市地裂缝重点研究区域，贾三满等（2007）曾在土沟村沿地裂缝带挖探槽，所挖探槽揭露地层错断明显，主裂缝倾角平均为80°左右，表现为正断性质，上盘（东南盘）下降，倾角50°～82°。顺义西王路村建有北京唯一的一处地裂缝监测站，监测显示黄庄—高丽营地裂缝具三维活动特征：垂向变形为主，横向变形为辅，经现场测量垂向错距一般几厘米到十几厘米，水平拉张和水平扭动量较小。该地裂缝带具有年际周期性以及年内跳跃性，每年4～6月的变形量为全年变形的60％～70％（刘明坤等，2014）。该地裂缝带受黄庄—高丽营断裂控制，具有断裂活动的继承性，走向与黄庄—高丽营断裂带基本一致；同时，从致灾特征上来看，地裂缝沿线的墙体开裂情况及道路破坏均为东南侧下降，西北侧相对上升，与黄庄—高丽营断裂带上下盘运动情况一致。图6为昌平八仙别墅被地裂缝剪断的别墅墙体，图7为顺义西王路地裂缝监测站内陆裂缝致弯的钢架。

2.3 b区域

图6 北京昌平区八仙别墅墙体开裂图
Fig.6 Beijing Changping District Eight immortals Villa wall cracking diagram

图7 北京顺义西王路地裂缝监测站致弯钢架图
Fig.7 Beijing Shunyi Xiwanglu crack monitoring station steel bending steelmap

b区域为顺义城区和北小营地裂缝带，沿顺义—良乡—前门断裂发育（图8）。顺义区位于北京东北部的燕山南麓，华北大平原的北缘，地质环境比较脆弱，隐伏断裂较为发育，地壳活动性强，地震活动较为频繁、地下水资源匮乏并且污染较为严重，水土流失、土地沙化等较为普遍，地裂缝及地面沉降等地质灾害较为常见。

2.3.1 顺义城区地裂缝

顺义城区内的地裂缝主要沿顺义—良乡—前门断裂两侧分布，整体走向与顺义断裂基本一致，沿NE30°～50°方向展布，东南侧相对西北侧下降；地裂缝均为张拉性裂缝，其主裂缝宽度一般为4～5cm，最宽可达9cm；在不同地段，地裂缝带的宽度出现较明显的变化，平均宽度为5m，最宽处可达12m，最窄处仅为一主裂缝的宽度。图9是北京顺义财政局锅炉房墙体裂缝示意图，原顺义区橡胶二厂已拆除，现今为新建永欣嘉园小区，笔者曾多次组织现场考察，地裂缝及其致裂墙体已不能观察到（杨清全等，2010）。

图8 顺义区地裂缝分布示意图（杨涛等，2010）
Fig.8 Shunyi District ground fissure distribution diagram（Yang et al.，2010）

2.3.2 北小营地裂缝

北小营镇地裂缝的发育方向大致呈北东向，与经过顺义城区的顺义—良乡—前门断裂的走向基本一致，约为NE30°～50°；与顺义城区地裂缝不同，北小营镇裂缝西侧地面相对下降。在北小营镇，地裂缝成条带状集中分布，分布区内有部分房屋开裂和地表路面裂缝的情况，大部分房屋和墙体的呈北东向开裂或垂直开裂（杨涛等，2010）。

2.3.3 顺义地裂缝诱因

顺义地区地裂缝受控于顺义—良乡断裂，任俊杰等（2007）指出：在平面分布上，顺义地裂缝与顺义—良乡—前门断裂北段相一致。胡平等（2000）认为：顺义地裂缝就是顺义—良乡—前门断裂仍在活动的证据。同时，顺义平原区地表由大面积的砂、卵、砾石层及淤泥层组成，较大部分地区地下水呈承压状态，含饱和水，水位较浅，不同地区沉积物厚度不均，颗粒度不等，地层结构复杂。如遇地震，这种地质结构极易发生砂土液化，促进地裂缝扩展。另外，顺义城区属地下水严重超采区，城区附近更有北京市水源八厂等需水量极大的单位，这些单位持续快速地抽水，使得地下水位大幅度下降且得不到迅速补充，导致地面沉降。综上三项，赵忠海（2002）认为该区地裂缝是由内、外动力及人为活动3种因素联合造成的。

图9 北京顺义财政局锅炉房墙体裂缝图
Fig.9 Beijing Shunyi Finance Bureau boiler room wall cracks diagram

2.4 c区域

c区域位于平谷区，该区曾于1679年9月2日发生三河—平谷8级地震，是北京连同周边地区历史上记录到的最大地震。此次地震的发震断层以倾滑为主，表现为张扭性地震形变带（冉勇康等，1997），后期多年间产生一些地震地裂缝。但由于城市规划建设，早期的地裂缝现象已被掩盖，所以现如今地裂缝现象无法得见。因此，关于该地区域地裂缝的研究缺乏。

需要注意的是，北京市近些年由于抽水较为严重，已经形成较多的沉降中心（图10），图中所示平谷区为新的沉降漏斗区，虽然目前没有在地面出现明显的地表裂缝，但是隐藏在地表以下的水土活动却在不停地进行，随着抽水的进一步增加，一旦达到某个临界点，势必会产生大规模的地面沉降及地裂缝灾害。

2.5 d区域

d区域位于通州区，关于通州区的地裂缝研究相对较少，该区地裂缝主要分布在河流沿线的两岸，顺河堤方向发育。由于通州区的地裂缝并没有与断裂走向相一致，同时结合通州区的构造断裂分布及其活动性、第四纪覆盖层工程地质特征以及水文地质条件综合分析认为，该区地裂缝主要受地貌形态控制，是由于砂土液化因其地面塌陷引发的地裂缝，属于非构造性地裂缝（刘德成等，2010）。

图10 1969～1999年PS—INSAR结果与水准轮廓的比较（顾兆芹等，2014）
Fig.10 1969～1999 the comparison of PS-INSAR results and the level profile（Gu et al.，2014）

2.6 e区域

e区域主要分布在北京西山地区的房山和门头沟，该区地裂缝多为采空塌陷地裂缝（贾三满等，2011），在塌陷沉降区的边缘地带，是岩土体不均匀下降过程中形成的张性地裂缝。在采空区上方发育的地裂缝，大部分呈下宽上窄形。北京西部房山门头沟地区在明清时期为采石场，长期采石产生诸多采空区，因此在20世纪产生部分地裂缝，但由于后期城市规划，以前的地裂缝现象如今已经观察不到。

2.7 f区域

f区域位于北京市昌平区南新村（图11），呈带状分布，总体上沿宽约10m，走向NW290°～300°的范围展布。受1976年唐山大地震的影响，南新村楼房曾毁裂13幢（姜媛等，2014），因此笔者认为本区地裂缝可能由地震活动引起。南赟（2008）认为：南新村地区地下水水位变化可能是导致地裂缝的原因之一。另外，由于南口—孙河断裂在距本地不远处通过，且走向与本区地裂缝大体一致，因此本区地裂缝可能与南口—孙河断裂有一定的关系。裂缝近20年来未发生大的活动，活动性不明显。

图11 北京市昌平区南新村地理位置
Fig.11 Beijing Changping Nanxin village's location

3 结论及建议

本文整理汇总了北京市断裂带及地裂缝的现有研究成果，结合多次现场实地考察，阐述了各区域内陆裂缝的特征，得出结论如下：

（1）北京地区地裂缝分布较广，地裂缝优势方向为NE向，大部分地裂缝与断裂带相伴相生，构造地裂缝多沿断裂带走向分布。北京地裂缝多由原有断裂带主导，过量抽取地下水导致不均匀沉降诱发开启。

（2）地裂缝的分布具有明显的区域性特征，据此可划分为黄庄—高丽营裂缝带、顺义城区及北小营地裂缝带、平谷地裂缝带、通州地裂缝带、房山及大兴地裂缝带以及昌平南新村地裂缝带6大区域。

（3）目前，北京市活动性最强的地裂缝带为黄庄—高丽营断裂诱发的一条地裂缝带，该地裂缝带在昌平区和顺义区均沿断裂分布，破坏性较大；其次是顺义区内由顺义—良乡断裂主导的北小营镇地裂缝及顺义城区地裂缝。

（4）除黄庄—高丽营地裂缝带及顺义城区和北小营地裂缝带外，北京市其他的地裂缝带现今活动性较弱。除却昌平南新村地裂缝是由地震引发外，其他地裂缝多是由抽水引起，与构造活动相关性较小，由于城市规划，许多地裂缝现象已观察不到。

我们建议对于北京市地裂缝的防治应该注意以下几点：

（1）对于北京市地裂缝的研究应当“重要次要一起抓”，对于活动性较强的黄庄—高丽营地裂缝带及顺义城区和北小营地裂缝带要重点研究，对于现今活动性较弱但存在潜在风险的平谷、通州等地裂缝带要实时监控，避免不必要的财产损失。

（2）顺义城区地层成分特殊，多为砂、卵石、砾石等，随着南水北调工程的竣工投产，应当考虑引水进京后对顺义城区水文地质的影响，并对其是否影响地裂缝活动作出判断。

（3）现今平谷区的地面沉降情况较为严重，虽然目前地表没有明显的地裂缝，但是随着未来抽水的进一步增加，该地区地裂缝依旧有发展扩大的可能，因此应当加大本区的地裂缝预防工作。

（4）通州、房山等地的地裂缝研究较少，未来研究应当明析各区地裂缝分布规律，大范围上掌握北京市地裂缝发展的动态，并能够对未来地裂缝的发展进行预测与规避。

（5）未来地裂缝的科学研究工作应致力于定量的研究，根据地下水运动情况结合地质结构，对可能产生地裂缝的部位作出准确预测，以便进行更好的防治。

致 谢 郭松峰博士、李星星博士、詹志发、郑博文、邹宇同学参加了野外考察工作，特此致谢！

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CHARACTERSOF THE GROUND FISSURESDEVELOPING IN BEIJING

LIU Fangcui①②QIShengwen②PENG Jianbing③LUO Yong②④ZHANG Bin①
（①School of Engineering and Technology，China University of Geosciences，Beijing 100083）
（②Key Laboratory of Engineering Geomechanics，Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029）
（③School of Geology Engineering and Geomatics，Chang'an University，Xi'an 710054）
（④Beijing Institute of Hydrogeology and Engineering Geology，Beijing 100195）

Abstract：In the past30 years，the population in Beijing has gota sharp increase leading to the rapid expansion of the city，the extraction of groundwater resources increases year by year，aggravates the land subsidence，forms subsidence center，the activity of the ground fissures has significantly accelerated which becomes the important geological problem for the city development planning.At present，the knowledge of Beijing ground fissures are still limited to the investigation and evaluation of the individual space and a single crack evaluation，we still lack the understanding of the regional law.By collecting and summarizing related literature and survey data，conjointly fracture site surveying，we find that ground fissures in Beijing have obvious regional characteristics，the development of most ground fissures are closely associated with deep fault belt.Therefore，according to the relationship between the fault zone and ground fissures，the author divides the ground fissure zones into six regions，summarizes the distributions、occurrences、extension and the phenomena of destruction about the ground fissures，analyzes briefly about the reason of the ground fissures.Finally，several suggestions for future researches of ground fissures are put forward.

Key words：Beijing，Ground fissures，Controlling fault zone

中图分类号：P642.27

文献标识码：：A

DOI：10.13544／j.cnki.jeg.2016.06.029

*收稿日期：2015－10－19；

收到修改稿日期：2016－05－23.

基金项目：国土资源部公益性行业科研专项经费项目（201411096－02）资助.

第一作者简介：刘方翠（1991－），女，硕士生，主要从事地质灾害研究与防治工作.Email：[e-mail]

通讯作者简介：祁生文（1975－），男，博士，研究员，主要从事岩体工程地质力学研究.Email：[e-mail]