地面为什么会出现沉降？

52监测小编 · 发表于 2023-3-9 16:46

地面沉降是由于自然因素和人为因素作用而形成的地面高程的降低。自然因素包括构造运动、地震、火山活动、气候变化、地应力变化及土体固结等；人为因素是指开采地下流体、固体矿产等工程活动。狭义的地面沉降是指由人为因素引起的较为急剧的地面变形。地面沉降可概括为在自然和人为因素作用下，地壳表面某一局部范围内的总体下降运动。

地面沉降的发生和发展应具备必要的地质环境和诱发因素，即其形成条件包括内在条件和外在条件两大类。内在条件主要是指产生地面沉降的地质环境；外在条件主要是指产生地面沉降的诱发因素，包括自然动力地质因素和人类活动因素。

内在条件

世界许多实例表明，地面沉降一般发生在未完全固结成岩的近代沉积地层中，其密实度较低，孔隙度较高，孔隙中常被液体所充满。地面沉降过程实质上是这些地层的渗透固结过程的继续。由此可将产生地面沉降的主要地质环境分为近代河流冲积环境模式、近代三角洲平原沉积环境模式和断陷盆地沉积环境模式。

01、近代河流冲积环境模式

以河流中向下游高弯度河流沉积相为主。属于这种模式的河流处于现代地壳沉降带中，河床迁移频率高，因而沉积物特征为多旋回的河床沉积土，表现为上粗下细，并以细粒黏性土为主的多层交错叠置结构。一般情况，粗粒土层平面分布呈条带状或树枝状，侧向连续性较差。不同层序的细粒土层相互衔接包围在砂体的上下及两侧。我国东部许多河流冲积平原，如长江中下游平原、黄淮海平原、松嫩平原等均属于此种类型。

02、近代三角洲平原沉积环境模式

三角洲位于河流入海地段，介于河流冲积平原与滨海大陆架的过渡地带。随着地壳的节奏性升降运动，河口地段接受了陆相和海相两种沉积物其沉积结构具有由陆源碎屑到以中细砂为主有机黏土与海相黏性土交错叠置的特征。位于我国长江三角洲的上海、常州、无锡等城市地面沉降的发生和发展均受这种地质环境模式的控制。

03、断陷盆地沉积环境模式

一般位于三面环山，中部以断块下降为主的近代活动性地区。盆地下降过程中不断接受来自周围剥蚀区的碎屑物质，堆积了多种成因的粒度不均一的沉积层。沉积物结构受断陷速率和节奏的控制。在这种地质环境中诱发因素可能导致较严重的地面沉降。按地理位置可分为临海式断陷盆地和内陆式断陷盆地。临海式断陷盆地位于滨海地区，常受到海侵影响，其沉积结构由海陆交互相地层组成。我国台北和宁波盆地均属于这种模式，并已产生了地面沉降现象；内陆式断陷盆地位于内陆高原的近代断陷活动地区，盆地内接受来自周围物源区的多种成因的陆相沉积，由于断陷运动的不均一性，造成沉积物粒度变化和不同的旋回韵律。我国汾渭地堑中的盆地属于此种类型，其中大同盆地随着采煤工业及电厂的建设，工业抽用地下水量与日俱增，地下水位大幅度下降，地面沉降速率约为2mm/a,表明这类地质环境中由人类工程活动引起地面沉降问题的可能性和敏感性。

外在条件

01、自然动力地质因素自然动力地质因素包括地球内营力作用和地球外营力用两大类：

a.地球内营力作用

包括地壳近期下降运动、地震、火山运动等。由地壳运动所引起的地面下降是在漫长的地质历史时期中缓慢地进行的，其沉降速率较低，一般不构成灾害性后果。但是，在地壳沉降区内的不同地点下降速率并非完全一致，常常表现出相对不均一性，这种相对沉降差可能对某些地区的水准基点产生影响，从而影响地面沉降量的测量精度。地震或火山活动常引起地面的陷落，一些已经发生地面沉降的地区，在大震后可能引起短时期的沉降速率增加。1976年唐山7.8级强震后，附近地区出现了三个下沉中心，其展布方向(北东30度)与发震主断裂走向一致，最大沉降速率达1358mm/a，但震后一年即转为平稳。这表明上述作用一般不会造成长期沉降后果。

京津唐地区1975~1976年（地震期）水准点平均沉降速率图（据胡惠民，1987）

b.地球外营力作用

它包括溶解、氧化、冻融等作用。地下水对土中易溶盐类的溶解、土壤中有机组分的氧化、地表松散沉积物中水分的蒸发等，均可能造成土体孔隙率或密度的变化，促进土体自重固结过程而引起地面下降。就全球范围而言，大气圈的温度变化可以引起极地冰盖和陆地小冰川的融化或冻结，其后果除在气候上的累积效应外，还将引起海水体积的变化和海平面的升降(郑铣鑫等，2001)。据NASA统计数据，2000~2009年是有气温纪录以来最热的10年，而2011~2016年是全球连续的最热年，2016年是有记录以来地球上最热的一年，全球气温相对于1961~1990年间的平均14℃,高出0.88℃2009年，《哥本哈根诊断》报告指出，近25年来，地球气温每0年上升0.19℃，从当前的温室气体排放情况看，本世纪全球气温平均可能提高4~7℃；NASA数据表明，目前全球平均海平面较1870年升高了20cm(莫杰和彭娜娜，2018)。这一方面导致了大陆沿海地带地面相对降低，出现现代海侵和海岸后退现象；另一方面，由于海水基准面的变化给陆地水准测量带来误差，直接影响对地面沉降量的精确测定。

02、人类活动因素

人类活动是诱发高速率地面沉降的重要因素。在诸多人类活动因素中，与地面沉降的发生和发展关系最为密切的因素是抽取地下液体的活动。

a.持续性超量抽取地下水

在松散介质含水系统中，长期地周期性开采地下水，当开采量超过含水系统的补给资源(即动储量)限额时，将导致地下水位的区域性下降，从而引起含水砂层本身的压密以及其顶底部一定范围内饱水黏性土层中的孔隙水向含水层运移(即越流作用)。在渗流的动水压力和土层孔隙水排出相当于附加有效应力作用下，黏土层发生压密固结，从而综合影响导致地面沉降。此外，通过大量的观测资料还可以得出以下关系：地面沉降中心与地下水开采所形成的漏斗形中心区相一致；地面沉降的速率与地下水的开采量以及开采速率成正比；地面沉降区与地下水集中开采区域基本相一致。因此，地面沉降与地下水开采的动态变化同样有着密切关系。

1921~2011年上海市地面沉降变化示意图

上海陆家嘴地面沉降

b.开采石油

开采石油是人工抽取地下液体的另一种重要形式。在某些埋藏较浅的半固结砂岩含油层中，抽取石油可引起砂岩孔隙液压的下降，未完全固结的砂岩在上覆岩层自重压力作用下继续固结，引起采油区地面下降。典型实例是美国长滩威明顿油田，该地区含油气层位于地下600~1500m深度内，1926~1968年共钻2800口油井，采出油气5.2×10m3，其地面总沉降量达9.0m，使油田设施遭到严重破坏。经向油层注水(1.75103m3/d)后沉降停止并有少量地面回弹。此外，某些封闭油藏中存在着异常孔隙压力(超孔隙体压力)，当采油过程导致超孔隙液压消散时，含油砂岩孔隙结构将发生调整，孔隙率下降，岩层总体积减小，在上覆地层随之“松动”的条件下，可能导致油田地面沉降。

c.开采水溶性气体平全本

日本新潟因开采水溶性天然气—甲烷，而持续地大量抽水，导致开采层地下水位下降及含气层的压缩，产生了大幅度的地面沉降。

d.其他

大面积农田灌溉引起敏感性土的水浸压缩；地面高荷载建筑群相对集中时，其静荷载超过土体极限荷载而引起的地面持续变形；在静荷载长期作用下软土的蠕变引起的地面沉降；地面震动荷载引起的地面沉陷等。

转自“岩土”