人为因素是地面变形灾害的重要原因吗？

表生地质灾害是形成并影响于地球表层的不良地质现象，包括地面沉降、地面塌陷、地裂缝等灾害类型。这些地质灾害发生的原因既有地质构造因素，也有人类工程活动因素，它们共同影响着地表地质环境的长治久安。

本文来自微信公众号：科学杂志1915（ID：kexuemag），作者：徐继山 彭建兵 卢全中，原文标题：《谁主沉浮大地——浅谈几种表生地质灾害》，题图来自：视觉中国（广西乐业“大石围”天坑）

所谓表生地质灾害，就是在地球表层（主要为第四系物质）形成的不良地质现象或作用。地球表层（简称“地表”）是岩石（土）圈与大气圈的交汇地带，天地相交、阴阳转化，自然赋予了地面太多的美好——人类也是这种变化的产物。

同样地，地面也时刻变化着，或沉、或塌、或裂。随着人类活动加强，人为因素已愈加成为地面变形灾害的重要原因。正如一幅漫画所绘，人类正拿着各种“锛凿斧锯”，一点点地破坏着这条共渡的船，浑然不觉自己与这条船休戚与共。

地面沉降

地面沉降是一种“慢性病”，慢到人看不见、摸不着。可是，当我们把几十年来监测的资料放在一起、做成曲线图的时候，就会发现，脚下的大地明显在下沉。世界各地争先恐后“低调”起来，上海沉降2.6米，日本东京沉降4.6米，美国加州沉降8.5米；沿海地区已经开始进入“负海拔”时代，长三角地区海拔为－2米，这意味着海水可以轻易淹没上海；华北地区大于20厘米沉降量的地区超过7万千米²，占华北平原60%以上 ^[1]，“楼沉沉”“楼歪歪”“楼偏偏”事件屡见于报端。

地面沉降可造成地基下沉、港口失效、海水倒灌、管线错断等问题。这使人不得不重新审视脚下的大地，它并不是铁板一块——它是含有水及各种资源的地层，取走了资源，就要填补那一份空间，担那一部分的“忧”。地面沉降的原因有两个方面：构造因素和人为因素。构造作用造成的每年沉降量只有几毫米，而地面沉降已经达到十几到几十厘米。可见，人为的采煤、抽水作用对沉降的“贡献”是占绝大部分的。

现在，我国已经出台许多控沉措施，如禁采地下水、回灌地下水、加强重点监测等。所谓“病去如抽丝”，这种地面慢性病“治疗”起来也是个“慢”过程。

地面塌陷

地面塌陷是地表岩土体在自然或人为因素作用下，造成向下陷落，并在地面形成塌陷坑（洞）的一种地质现象。根据发育条件和作用因素，可以划分为岩溶塌陷、第四系塌陷和采空塌陷等。

岩溶塌陷是岩溶作用的“剧烈化”，是指在岩溶地区，下部可溶岩层中的溶洞或上覆土层中的土洞，因自身洞体扩大或在自然与人为因素影响下，顶板失稳产生塌落或沉陷的现象。它的实质是大气层与岩石圈假借水的力量而发生的“战争”——是大气圈（水圈）向岩石圈的“进军”。岩溶塌陷，无疑造成了大气圈的局部扩张。

可溶性岩包括碳酸盐、硫酸盐和卤素岩（如石盐），分布广泛，但岩溶塌陷主要分布于华南大部分地区以及华北零星地区。这是因为可溶性岩见之于地表，就成了地上岩溶；埋之于地下，才能形成塌陷。塌陷不仅出现于陆地，也会出现在海洋中。

如中国广西乐业“天坑群”，在20千米²的区域内，密集排列着28个天坑，其中的“大石围”天坑，直径为420~600米，垂直深度613米，坑底还有原始森林、地下暗河，堪称超级“世外桃源”；在中美洲伯利兹外海，有一个“大蓝洞”，其实就是一个海下大型岩溶塌陷——直径300米，深度125米，像一直巨大深邃的蓝色眼睛注视着天空，吸引着探险者的到来。

广西乐业“大石围”天坑

中美洲伯利兹“大蓝洞”

第四系塌陷是地面水动力条件改变，而诱发地表土层塌陷的现象。这是因为“第四系”是最近地质时期（第四纪）期间形成的堆积物，如黄土、河道冲积土等，它们往往具有多孔结构，松散而软弱，极易被水侵蚀（如黄土陷穴、古河道塌陷等）。

采空塌陷则是由人类活动所主导的一种灾害，由于地下矿体（煤、石膏矿等）被采出，悬空的上覆地层发生弯曲变形、破坏，从而导致地表陷落。

地面塌陷就像“定时炸弹”一样，影响着区域内的建（构）筑物，造成房屋、道路、矿山、水库、堤防等工程的破坏，同时也造成了土地资源的损毁。治理它们，就像“排雷”工作，找准原因，才能对症下药。

地裂缝

地裂缝是一种地表破裂，但是并非所有的地上裂缝都叫“地裂缝”，因它要求具有一定的规模和特定的形态。它能够造成断裂（即破裂）、错动（垂直方向或水平方向）和塌陷 ^[2]，使地表变得崎岖破碎，使地基变得不稳当。论其成因，既有地质作用因素，又有人为活动因素。最近越来越多的研究表明，人类的影响在加大，构造只是告诉地表在哪里“裂”，而人类活动却让这数百年、数千年的过程，几乎变成了“一瞬间”。

同属一片大地，古人也见识过它的身影、领略过它的威力。在《太平御览》中就记载了一个故事——“黄帝亡则地裂” ^[3]。据说，在黄帝（有熊氏）时期（公元前2598年），天下发生地裂，预示着黄帝将亡。后人奇怪，为什么把黄帝的命运与地裂联系在一起呢？这是因为古人认为黄帝是土命，“以土德王，应地裂而陟”。

不过，能和帝王相提并论的“地裂缝”，规模一定小不了，至少也有十几公里至几十公里长。科学地讲，黄帝开创了“穿井”取水法（地下水），从事农业生产 ^[4]，间接改变了河北平原地下水的赋存状态，这或许是地裂缝的起因。

在古代典籍中，类似这样的记载还有很多，然而这些丰富的现象记录并没有孕育出中国古典地质学科，这是很值得思考的。第一次具有科学意义的记载，始于莱伊尔（C. Lyell）的《地质学原理》（1830年）一书，书中描述了多种不同类型的地裂缝，如干旱地裂缝、沉降地裂缝、地震地裂缝、火山地裂缝等 ^[5]。现代地裂缝的研究始于1926年，研究者在美国西南盆地的皮卡乔地区发现地裂缝，并推测它是断层错动造成的 ^[6]。

全球地裂缝典型分布

从世界范围看，地裂缝主要分布在人类活动剧烈的平原、盆地区域，在北美西缘、欧洲中部、非洲东北、亚洲大部，都有集中分布。如美国西南部地区、冰岛北部板块边界区域、沙特阿拉伯地区，有些是断层活动引起的，有些是地下水、石油开采引起的，有些则是地震、火山等构造作用引起的。

在全球地裂缝中，西安地裂群是最壮观的，也是最有魅力的。西安地裂缝，就像老人额上深深的皱纹一样，刻画在这座古城的大街小巷。

14条地裂缝等间距、平行地分布在这片大地上。一下火车，你就站在第4条上了。从北往南走，几乎每穿一条街道，你就会跨越一条地裂缝。你经过繁忙的长安立交，桥下就是第6条缝；你身在繁华的小寨，脚下就伏着第7条缝；大雁塔恰压在第8条上，在唐代建成30年后就塌了一回（现在的大雁塔是多次修缮而成的），或许身为设计者的玄奘并不知道其中的原委。

西安地裂缝 ^[7]

仔细观察，你会发现所有的裂缝均在临潼—长安断裂以北，且出奇地平行，它们是怎么形成的呢？许多人都提出了不同的看法。彭建兵院士和他的团队研究了半个世纪，提出了一个“三层楼”模型：上地幔隆升→基底伸展→上部盖层响应 ^[7]，即熔融的上地幔物质向上隆起，基底做伸展运动，带动上面的盖层发生破裂，这些破裂贯通到地表，就形成了一条条地裂缝。可见，这个模型很好地解释了地裂缝和断层的伴生关系。

西安地裂缝成因模型 ^[7]

解释成因的目的在于防治。地裂缝已经成为这个城市的一部分，考验着设计者的智慧，地铁、高桥、管线的建设，都面临着前所未有的世界难题。早在1300年前的唐代（公元707年），义净和尚就受到“不倒翁”的启发，将小雁塔设计成半球状基座，虽然它立于第5条缝和第6条缝之间，又历经了几十次地震（最大的为1556年关中地震，8级），却毫发未伤。

现代修建的长安立交桥，也建在地裂缝上，因为不知道地裂缝具体在哪里开裂，工程师们采取了“化整为零”的方法，将“桥身—桥墩”分割成若干块，这样无论地裂缝怎么活动，也只能破坏一段，而修建一段的成本远远小于整体。

同样，地铁隧道也不可避免地贯通那些“地裂缝”们，地裂缝随时都在活动，势必会造成隧道的错断，这对高速运行的机动车组，无疑是极大的威胁。工程师们在“化整为段”的基础上，采用“以柔克刚”的方式，将隧道段与地裂缝结合地更加柔和，从而使隧道安然通过地裂缝。可见，灾害本身并不可怕，因为人总会有无穷的智慧。

西安小雁塔的“不倒翁”基座

结语

以上介绍了三种表生地质灾害，有构造因素，也有人为（工程活动）因素，我们不禁要问，是谁在主导着大地？如何才能让地表“安稳”下来？在《易经》“否”卦中，有这么一句话，“有命，无咎，畴离祉。”这就是告诫人类，一分耕耘，一分收获；取之一分，也要还之一分。

人类与自然是一对共生关系，作为万物之灵长的人类，更要以“感恩者”和“照看者”的态度对待自然，这样才能实现“人—地”共长安。

本文来自微信公众号：科学杂志1915（ID：kexuemag），作者：徐继山 彭建兵 卢全中