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国外地面沉降:最新研究揭示的成果

时间:2023-10-08 理论教育 版权反馈
【摘要】:到1995 年,地面沉降超过0.3 m 的面积至少达9 500 km2。地下水抽取和随后的测压面下降导致了区域性地面沉降。美国加州爱德华兹空军基地也受到地面沉降的危害。调查结果显示,地下水位下降和伴随的含水层压缩引起了差异性地面沉降,造成了凹坑、地裂缝和湖底的加速风化。此外,第四系沉积物的自然固结和前第四系基底的构造作用也增加了地面沉降。泥炭层的分布对地面沉降产生了重要影响。

国外地面沉降:最新研究揭示的成果

据文献资料记载,中美洲墨西哥城于1891 年最早发现地面沉降现象,但当时沉降量微小,危害性未显现,且将其归因于地壳板块运动等自然因素,没能引起足够重视。但现在该城市已经形成大面积区域性沉降区,平均沉降量达到0.3 cm/a,最大累计沉降量超过7.5 m。

日本于1898 年在新潟最早发生地面沉降,至1958 年地面沉降速率达530 mm/a,1952—1956 年新潟是日本地面沉降最严重的地区。日本东京附近因海底水溶性天然气开采引起的地面沉降也在得到重视。日本东京附近的平原是在几十万年甚至几百万年的海洋环境地质活动作用下形成的,储存了高质量的水溶性天然气等矿物。从1930 年以来,特别是1969 年以来的大规模开采水溶性天然气,在过去的35 年中,最大累计沉降达到0.88 m,沉降面积800 km2海岸线后退了20~50 m,2002 年沉降20 mm 左右,工作井处的最大沉降有40 mm/a。地面沉降的城市或地区还有东京、大阪和佐贺县平原,其他地区还有名古屋、川崎、山口、尼崎及西宫等。

美国于1922 年最早在加州萨克拉门托San Joaquin 流域发现沉降,1920—1969 年地下水位下降达137 m,累积地面沉降达2.6 m,影响范围9 100 km2。休斯敦地区的地面沉降开始于19 世纪后期,地下水一直是该地区市政用水、工业用水和农业用水的主要来源。地下水抽取导致了区域性地面沉降。到1995 年,地面沉降超过0.3 m 的面积至少达9 500 km2。根据精密水准、GPS 和分层标测量的结果,1906—2000 年的最大地面沉降量达3.0 m。

美国休斯敦-加尔维斯敦(Houston-Ga1veston)地区开发始于19 世纪后叶,地下水也一直是该地区市政用水、工业用水和农业用水的主要来源。地下水抽取和随后的测压面下降导致了区域性地面沉降。到1995年,地面沉降超过0.3 m 的面积至少达9 500 km2。根据精密水准测量全球定位系统测量和分层标测量的结果,1906—2000 年的最大地面沉降量估计达3.0 m。

美国加州爱德华兹空军基地也受到地面沉降的危害。其主要是作为飞行器(包括航天飞机)的着陆跑道,原是一个干涸湖底,1988 年开始出现裂缝和空洞。调查结果显示,地下水位下降和伴随的含水层压缩引起了差异性地面沉降,造成了凹坑、地裂缝和湖底的加速风化。从20 世纪20 年代末到1992 年年末地下水位下降了45 m,由此造成附近地区地面沉降超过1.2 m。分层标数据显示在1990 年5 月到2004 年9 月含水层压缩大约0.2 m,而相应的地下水位下降为2 m,分层标数据与1992 年、1998 年的重复GPS 和水准测量数据对比,结果显示1/3 的沉降量来自分层标所在深度256 m 以下的土层压缩。1970 年以来几乎所有的沉降量都是由中间含水层之内及相邻的两个厚弱透水层的残余压缩造成的。

在意大利,人类活动引起的地面沉降从20 世纪以来一直广泛地影响着北部的维尼托地区。工业、生活和农业抽取地下水,矿泉水、疗养温泉沼气水的开发和农业开垦时的泥炭氧化在整个地区引起了地面沉降。此外,第四系沉积物的自然固结和前第四系基底的构造作用也增加了地面沉降。

意大利波河三角洲自第二次世界大战后出现的大范围地面沉降,也是20 世纪70 年代以来大量抽取地下水造成的。由于含水层之间黏土弱透水层存在滞后压缩,海岸带地区存在明显沉降,滨海地区成为环境最脆弱的地方。

意大利托斯卡纳南部的岩溶地貌中有很多地热泉。沉降现象在激活斜坡运动的过程中起着重要作用,特别是在开采率巨大、表面工程很多的矿区。由自然或采矿引起的地面沉降都加速了重力活动,提高上覆山坡中的应力状态。自然原因引起的沉降,由灰岩中的空洞引起,这个空洞是深层地热循环形成的喀斯特孔隙。金属矿山区采矿过程中的热水和淡水循环,也对沉降造成了影响。

意大利南部地区由于缓慢重力变形和岩盐开采也引发了地面沉降。其影响因素包括绵延2.5 km 的圆弧形断裂,以及岩盐开挖,还包括地下水引发的化学溶解。发生地面沉降的层位包括遭受过海侵的中新世含盐黏土层,以及下伏于中新世含盐黏土层下的混杂层中的鳞状泥板岩层。

意大利、斯洛文尼亚与阿尔巴尼亚也都关注到因地下水开采引起了沼泽地的地面沉降。

威尼斯环礁湖因在过去和现代地质形态多变为很多人所知。环礁湖的环境受自然和人类控制因素的影响很大。在20 世纪,人类做的较大的改变就是把它的南部地区变成了农田。这片开垦地中的二氧化碳释放到空气中,土地氧化,开垦地的泥土转变成泥炭土。碳的流失导致了地面沉降,目前的地面低于环礁湖的平均高度。这使防洪成为一个问题,增加了排水系统的运作和维护费用。这70 年来泥炭土总的沉降为1.5 m 左右,现在的速度为1.5~2 cm/a,物理化学反应决定于泥土的含水量和温度,也受农业和种植的庄稼及地下水面的影响。在24 km2 汇水区内布置仪器来监测基本的参数和地面的运动,采用场地测量和远程感应数据相结合的方法来弄清楚地面沉降特性。

自20 世纪60 年代以来,西班牙洛尔卡市所在的上瓜达兰丁盆地一直受到地下水位严重变化的影响发生持续的地面沉降(见图 1.1-1)。瓜达兰丁盆地位于西班牙,它包括一个含水层系统覆盖一个地区约277 km2,由上第四纪碎屑和冲积物质(包括黏土、砂土和砾岩)、中新世碎屑砾岩和砂层、三叠系碳酸盐岩石组成。自1960 年以来,由于农业的发展,对区域含水层的过度开采,引起了地面的持续下沉,当地政府在1979 年宣布暂时停止地下水过度开发。

图1.1-1 瓜达兰丁盆地的累积位移(1992—2012 年)(单位:m)

阿尔巴尼亚马里奇沼泽地,是由第四纪和新第三纪冲积土以及没有分化的上新世和上新世第四纪沉积物组成。泥炭层的分布对地面沉降产生了重要影响。最年轻的泥炭层厚30~35 m,由两种细颗粒黏质土层组成。因此在最初形成的时候,沼泽地的深度未超30 m。马里奇凹陷一直处于不断沉陷中,1952—1977 年的监测中发现沼泽地的沉陷一般为0.5~3 m。

墨西哥市附近地区的地面沉降演化过程如图1.1-2所示。墨西哥市附近地区的地面沉降是由上部弱透水层压缩引起的,这些弱透水层主要由饱和淤泥质黏土沉积物组成,并夹有火山灰砂质透镜体。对该地层序列上部15 m 的物理和力学性质进行了包括重力含水率、密度、粒度、固结试验、X 光衍射等测试,该地层序列中有5 层不同的淤泥质黏土层,以水铝英石和蒙脱石为主要矿物。结果表明,最大黏土含量为 28%,最小密度为1.61 g/cm3,孔隙度高达86%,重力含水率高达350%左右,该地层最高压缩指数为 3.11。该上部弱透水层中裂隙有进一步发展的趋势。裂隙和砂岩透镜体的出现增大了水力传导系数,加速了沉降。作为地面沉降的形成因素,强调了最上层弱透水层的黏土矿物学、物理特性和力学特性之间的关系。墨西哥部分地区的地面沉降也与断裂面扩张有关系。(www.xing528.com)

图1.1-2 1895—2015 年墨西哥市附近地区地面沉降演化过程

印度的第四纪沉积层覆盖了该国地表约 1/30。宽阔的印度恒河平原由各类第四纪沉积物构成,其中包括黏土、砾石、砂—粉砂—黏土的多期层序,体现了悠久的河流沉积和地貌历史。每一个地貌单元都是一定资源与灾害的独特集合体,自然或人为原因的地貌形态的损害将引起灾难性后果,地面沉降是其中一种重要的表现。最早有关印度恒河平原西北部的地面沉降的记载是在公元前2500—前2200 年。埋藏于地下的公元前2200—前1700 年和公元前850—前400 年的城市考古挖掘结果表明,盆地的下沉伴随着大洪水和沉积作用,直接导致了那段时期古文明的消失。由于深部采矿缺乏足够的支撑,过度开采引起了地面沉降,这一灾害在煤矿区逐步凸现。

对印度恒河平原的调查,揭示了地下水的环境条件,含水层系统由水平分布的砂质层和黏土层或粉土层构成。几十年来人口的不断膨胀也引起了对地下水的大量开采,地下水位不断下降。1986 年8、9 月间,恒河左岸古城附近马路上出现了直径3.65~12.19 m、深度4.57~6.10 m 的几个坑洞。2003 年8 月开始出现破裂,路面沉降引起了地面塌陷,导致多辆重载卡车陷入其中,并导致多层公寓出现倾斜。对冲积平原的时空认识、含水层补给和排泄都是研究印度恒河平原地面沉降的关键

印度尼西亚首都雅加达的地面沉降历史也很长,当地的地面沉降与过度的地下水开采有关。1982、1991、1997 年进行的高程测量显示:1982—1991 年沉降达到80 cm,1991—1997 年沉降达到160 cm。GPS 测量方法测出1997—2002 年沉降达到50 cm左右。用InSAR 技术得出1993—1995年每年的沉降量为5~10 cm。在雅加达的中东部和西北地区测到的沉降最大,在南部地区沉降最小,沉降速率随空间和地域变化。

伊朗也面临农业抽取地下水产生的地面沉降问题。地下水的抽取方式和速度与地面沉降的速度有很大的关系。

斯里兰卡对断裂硬质岩石中腐蚀引起的地面沉降做了分析。通过对一个不稳定斜坡的剖析,了解到该地区下垫层是高度破裂的岩石,但没有迹象表明会发生滑坡。房屋墙面的倒塌是地面沉降引起的。山底部流出的地下水将可溶性离子及细的固体破裂岩石颗粒带出。固体颗粒的减少在岩石自身内部产生孔洞,上部的细的岩石材料和上部的覆土向下填充孔洞。这种表土的减少是由于地表下同类材料腐蚀引起上面土体向下运动产生的。这种腐蚀过程产生了地面沉降。

另外,在许多沿海和三角洲城市,地面沉降速率现已超过绝对海平面上升速率的10 倍(见图1.1-3)。沿海城市严重地面沉降的主要原因是与快速城市化有关的过度地下水开采和人口增长。由于没有采取行动,雅加达、胡志明市、曼谷和其他许多沿海城市的部分地区城市将下沉到海平面以下。地面沉降增加了洪水的易损性(频率、淹没深度和洪水持续时间),洪水造成重大的经济损失和生命损失,据估计,全球每年的损失总额达数十亿美元。

沿海城市沉降情况

海平面上升(SLR)

图1.1-3 全球海平面上升(SLR)和几个沿海城市的平均地面沉降

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