彭建兵：我28年的地裂缝研究之旅
▲ 彭建兵
长安大学二级教授、博士生导师，西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室主任，国家973项目首席科学家，李四光奖获得者，我国工程地质和地质灾害领域的主要学术带头人之一。在黄土地裂缝、黄土滑坡、黄土洞穴等三类灾害成因与防控研究方面取得系统性创新性成果。
我涉足汾渭盆地地裂缝研究最早可追溯到28年前。那是1988年，当时我国著名工程地质学家刘国昌教授已从长春地质学院移教于西安地质学院8年多，开创了西安地质学院的水文地质与工程地质博士点学科建设。其间，先生先后主持了国家自然科学基金项目“西安市环境地质研究”和陕西省科技项目“渭河盆地活动断层及其对工程建筑的影响研究”等两个项目。但由于先生身体原因，这两个项目一直未能结题。先生的助手刘玉海教授在当年末将这两个项目一并交给我，要求我在两年时间内作完这两件事。虽然那时经费很少，但我还是竭尽全力按时完成了这一任务。这两个项目分别涉及西安地裂缝和渭河盆地地裂缝问题，也就开始了我长达28年的地裂缝研究。如今这两位刘先生已故去经年，当本书（《汾渭盆地地裂缝灾害》彭建兵等著.北京：科学出版社，2017.1，下同）付梓时，我首先想到的是这两位刘先生，感谢他们为我的地裂缝研究铺路搭桥，开启了我的汾渭地裂缝研究之旅。
自那以后一直到2001年，我一直断断续续地关注着、研究着西安和渭河盆地的地裂缝，一直企盼着有机会对汾渭地裂缝开展系统的科学研究。于是，2002年我开始以汾渭盆地地裂缝为题，申请国家基金委的重点基金项目。那时候的重点项目领域既无工程地质也无地质灾害，我只好把本子送到大陆动力学领域去。可想而知，要得到大陆动力学领域的专家学者们认可，其难度何其大也。
从2002年到2005年，我像贾平凹先生写小说那样，每年隆冬时节把自己封闭在长安县的一个小宾馆里长达月余，根据网评专家反馈意见反复修改申报书，年年递交申报书。直到2005年，终于迎来了专家们的认可，我申报的“汾渭盆地地裂缝成因与大陆动力学”重点基金项目历经四年终于获得了批准。回想那四年，虽然艰辛，但收获还是满滿的，正是因为那四年的磨砺，才奠定了我对汾渭盆地地裂缝科学本质问题的把握，也铸就了我以后在申报各类重大项目时较好地把握关键科学问题和合理拟定研究方案的思维习性，也才有了后来获得的一项又一项重大科研资助。
我们地裂缝研究的高峰期应当是从2003年开始的。时任中国地质调查局水环部主任殷跃平教授和灾害处处长张作辰教授独具慧眼地意识到汾渭地裂缝研究的重要性和迫切性，及时启动了汾渭盆地地裂缝地面沉降调查、监测、成因与减灾综合研究的计划项目。自2003年至2014年，围绕汾渭盆地地裂缝研究这个重大主题，我们先后主持承担了国土资源大调查计划项目3项和工作项目7项，每年都有一笔可观的经费支持着我们的研究工作。
正是由于有了国土大调查项目和国家自然科学基金项目的持续资助，我们才得以甩开膀子，撸起袖子，撒开脚丫子，在汾渭大地上开展系统的科学研究：通过持续12年的野外地质调查和240多幅不同尺度的地质填图，查明了汾渭盆地地裂缝的分布状况，揭示了地裂缝的区域分布规律；通过27000m进尺的地质钻探、22个大型科学探槽、230km长的浅层地震勘探和4km²的三维地震勘探，发现了地裂缝的立体破裂结构模式，揭示其三向产出规律和运动规律；通过天地一体化监测，掌握了地裂缝的动态变化特征，揭示了地裂缝的时间活动规律；通过历时6年的多组大型物理模拟试验，以及数百组数值仿真模拟，再现了地裂缝的形成演化过程和地裂缝破坏工程建构筑物的细节过程，揭示了地裂缝的生成规律和工程致灾规律；在上述工作基础上，继续辅以大型物理数值模拟和理论分析，研究提出了城市地裂缝综合防治技术体系，突破了地铁、高铁、高速公路和长输管线等生命线工程的地裂缝减灾难题。这些系统工作使我们对汾渭地裂缝的认识逐步上升到一个全新的境界，并慢慢形成了地裂缝成因与减灾的系统理论，本书即是这些成果的集成和表述。
28年的地裂缝研究之旅，我深深体会到，地裂缝如何分布，具有什么样的结构，怎样活动，如何形成，怎样危害人类，如何规避和减轻其危害，这些问题重重叠叠、环环相扣，要破解这些问题，除了需要持之以恒的与大地亲近、与地裂缝深交、与国家需求共振、与人民安危共鸣外，还必须学会掌握和运用科学思维方法，我的28年地裂缝研究之旅实际上是养成科学思维禀赋之旅。
与其他学科相比，地质科学更异彩纷呈，富有多样性和多解性，研究者们需要具有良好的科学思维品质。地裂缝是一种复杂的地质现象，分布广泛，具有显著区域性，人们必须把相距很远的地裂缝现象拿来比较，由少数特点表示出比较结果，并由此找出它们之间的本质联系，这必须借助于横向思维。横向思维的思维主体由点到面，由此到彼，由局部到整体，从横向上、多角度、多方面去认识地裂缝现象。例如，从单个地裂缝看，长达1km以上的地裂缝多沿盆缘断裂、盆内块间断裂或盆内隐伏断裂成带出露，形成断层、主裂缝与次级裂缝共同生长的局面；至盆地尺度上，地裂缝又主要集中在关中、运城、临汾、太原和大同等五个拉张断陷盆地内，各盆地地裂缝发育规模和产出特征又各不相同，但同一盆地上百条地裂缝又具有同生规律，并在大中城市形成集中发育的格局；到大区域上，地裂缝又在整个汾渭盆地构造带形成区域群发的格局。显然，我们的横向思维是既要立足于单条地裂缝的生长，又要顾及盆地多条地缝的同生，还要面向大区域地裂缝的群发，以便进行对比研究，寻找它们的异同，揭示它们之间的内在联系。我们不断完善用图形和图表解释地裂缝的时空发育特征和立体产出规律，最终将遗留问题一一解决，并捋顺了所有前后矛盾的说法，从而开拓了对地裂缝自然本质的新认识。
不仅如此，当我们放大成因研究的纵横坐标时，我们的思维视野必然扩展到汾渭盆地周围的更大区域。汾渭五个盆地同步群发500余条地裂缝,且总体走向多为北东-南西向，其群发可能与区域大陆构造动力有关。为此，我们实施了大区域GPS监测，发现汾渭盆地现今以2～5mm/a的速率呈北西-南东向伸展，其驱动力可能主要来自青藏块体的隆升东挤作用力，但也可能叠加了鄂尔多斯地块的左旋扭动作用力，前者给汾渭盆地构造带施加的是北东-南西向的挤压力,后者给汾渭盆地构造带施加的是右旋剪切力，它们共同造成整个汾渭盆地构造带呈北西-南东向伸展，从而为北东-南西向地裂缝的大规模群发提供了区域拉张应力源。
▲渭河盆地区域拉张应力环境与地裂缝分布图(据瞿伟)
地裂缝的发育具有空间延拓的广阔性和结构上的多层次性，这就使得立体思维方法成为地裂缝研究的重要思路。立体思维的主体由平面到立体，由单向到多向，合纵连横地去认识地裂缝，才可能在不同现象间找到联系，洞察出隐蔽在现象之后的奥秘。为此，我们十分注重地裂缝的立体勘探，进而发现地裂缝在平面上既分段，又分支，还分叉；在剖面上是一个奇妙的三层结构：地表形成多道断坎，直接错断工程建筑；浅部主、次破裂分带，制约着工程破坏范围；深部转变为单剪面，与下伏断层相连且断距随深度增大，具同沉积断层特征，显示其发育深度大，防控极为困难。汾渭各盆地同生着多条地裂缝并具有相似的产出规律，其同生可能与盆地多层次的构造动力作用有关，因此在成因研究中我们十分注重盆地立体构造结构尤其是深部地球动力对地裂缝形成的影响。各种地球物理探测成果都揭示了下述一些重要事实:汾渭各盆地上地幔都处于隆升状态，盆地中心的地壳厚度较两侧山体均减薄近10km,各盆地中下地壳普遍发育一个具有流展特性的低速高导层;中上地壳则普遍发育多组伸展断裂，它们向深部均收敛于低速高导层中,向浅部则将各盆地基底分割成若干个次级构造块体，并驱动着这些构造块体差异运动,进而牵动着上覆第四系松散层破裂。显然，各盆地上地幔上隆、中下地壳流展和基底断块差异运动的多层次构造动力自下而上驱动着盆地盖层断裂系统伸展活动，进而为盆地松散层中的破裂系统的形成提供了深部动力学条件。
由于自然界展现在我们面前的地裂缝常常是残缺不全的，或仅暴露极为局部的现象在我们眼前，怎样才能找到未知的部分以恢复其全貌，这就要求我们借助于模式思维。模式思维的主体将构成地质体的各种主要元素依照不同的参照系抽象或提炼成为模型，把时空相关、因果相关的东西架构起来建立各种模型。
汾渭地区地裂缝基本上与断裂带相伴共生,但具有什么样的模式尚无法由地表现象解析。我们通过立体勘探和物理模拟发现，断层伸展活动的局部构造应力明显牵动着两盘土层破裂，形成主、次地裂缝与断裂带共生的格局，其共生模式可概括为顺主断面垂向生长、在断层上盘伴生、在断层下盘伴生、在上下盘同步伴生和局部扭动派生等五类，各自由不同规模的主、次地裂缝构成不同宽度的分带破裂格局，并成为汾渭盆地地裂缝的主要共生模式，决定着地裂缝破裂带和影响带的宽度，并影响着地裂缝防治应对策略的制订。
由于地裂缝是一个具有动态开放性和演化多阶段性的系统，这就使得动态思维和系统思维方法成为我们的重要思路。动态思维的主体从变化的角度去认识动态的、变化的地裂缝，思维不能停留在一个平面上，或一个阶段上，而是应根据变化动态地调整自己的思维导向和思维方法；系统思维的主体是要把握地裂缝系统与部分、结构、环境变化和运动等辩证关系的几个思维方向。我们运用多种监测手段对地裂缝的活动状况进行动态监测，发现地裂缝活动以垂直位错为主，水平拉张和扭动很小，与盆地断层活动方式一致；晩更新世以来，地裂缝经历过3～4次周期性开裂，与盆地伸展拉裂的周期相对应；近50年来经历过4～5次周期性复活，与经济建设高峰期相对应。这些表明，地裂缝形成演化历史非常漫长，其活动与地质构造和人类活动密切关联。
我们还注意到地裂缝的形成是一个复杂的动力学过程，具有不同阶段的力学响应规律，不同阶段以不同作用为主：萌生阶段以内动力为主，无外动力，形成隐伏构造破裂面；形成阶段以内动力为主，外动力为辅，地裂缝部分隐伏、部分显露；加速或复活阶段以外动力为主，内动力为辅，地裂缝通达地表，加速活动，毫无疑问这是一个动态变化和多阶段演化的过程。地裂缝形成后一直处于动态变化中，地应力、地下水和地表水的活动起着重要的激发作用：当构造活动处于高潮时，地裂缝活动比较容易启动，这时先存断裂处于解锁状态，断层两盘摩擦阻力已由静摩擦减小为动摩擦，造成断层中和附近产生的新破裂及旧裂缝重新开启；超釆地下水引起的压缩层的差异沉降和含水层的水平运动所派生的拉张应力既可激活隐伏旧裂缝，使其扩展至地表成缝，也可直接引起地面沉降而链生出新地裂缝；灌溉、引水、蓄水可使地下水位抬升，常引起土体潜蚀和湿陷变形开裂，形成浅而小的地裂缝。认识到这些，有利于提高我们对地裂缝机制认识和制定地裂缝缓解措施以减轻灾害。
看似简单的地表裂缝确有着深刻和复杂的内在地质背景和原因，它是大陆动力与区域构造动力、深部动力与浅部构造动力、内动力与外动力等多重耦合作用的结果，因此可以通过解剖地裂缝来理解地球的最新变动在地表留下的痕迹。这些思想是在2011年的一个夏日的半夜，我从梦中醒来突然顿悟到的。科学的基本观念本质上大都是简单的，通常都可以用人人皆知的语言来表达。自那个决定性夜晚之后，寻求一个简约的、易于理解的地裂缝成因解读就成了我的主要目标，并最终形成了“构造控缝、应力导缝、抽水扩缝和浸水开缝”的多因耦合共生成缝新观点。
科学研究必须面向国家目标，与国家发展同频共振，我们一直试图把解决国家经济建设中的重大地质问题作为最重要的科学论文来写。西安14条地裂缝，大同10条地裂缝不断地肢解着这两个城市的肌体，实属世上罕见。我们在查明地裂缝发育规律和成因的基础上，基于模式思维的思路，通过大型物理模拟试验，模拟发现地裂缝引起工程建构筑物开裂模式为竖向拉裂、斜向陷裂、水平剪裂、平面褶裂、镜向开裂和三维扭裂等六类，提出了控制采水、合理避让、适应变形和局部加固的综合减灾理论，形成了城镇地裂缝防控理论准则和技术标准。
▲西安地铁1、2号线与地裂缝相交情况
西安14条地裂缝与拟建的15条地铁相交上百处，地铁隧道可能被地裂缝剪断，这个挑战在世界上是独一无二的。在《西安地裂缝灾害》那本书里，我们已对这一挑战作出了有效的应对，但后来的3号地铁又遭遇到了地裂缝与地铁小角度相交和二者近距离平行等两类特殊工况。为此我们又基于模式思维，开展了两组大型物理模拟试验和多组数值模拟，再现了地裂缝活动下小角度相交的地铁隧道三维变形破坏的细节过程，在此基础上提出了适应变形的隧道结构措施，解决了西安3号地铁建设中的技术难题。大同—西安高铁24处与活动地裂缝相交，面临着重大灾难风险，这在世界高铁建设史上尚无先例。我们通过大型物理模拟试验再现了地裂缝活动下高铁路基和桥梁的变形破坏细节过程，提出了基于适应变形和动态调整的高铁跨地裂缝的科学方案，为大西高铁工程建设提供了技术支撑，其成果也在其他长输生命线工程中得到推广应用。显然，在地裂缝减灾防灾研究中，基于模式思维的模拟试验是极为重要的研究路径。
汾渭盆地是那么深沉与厚重，山西盆地是我国地面文物最多的地方，陕西关中盆地是中华民族历史上建都最悠久、最豪华、最风流和最大气的地方，这里深藏着华夏民族的根与魂，也是我们发挥科研想象力的沃土。我发自内心地热爱这片沃土，它的一草一木都是那样迷人。在我的脑海里，汾渭盆地的区域、深部、浅部和表部，所有这些地质结构翻来覆去、搬来移去，提示着我，地裂缝事件的发生不是孤立的，它与这些不同层次的地质结构及其动力有着密切的成生联系，同时也与地貌、气候及人类历史等的变迁过程紧密相连。
一个个盆地，一条条土梁，一道道沟谷，一座座村镇，一位位汾渭人，都承载、记录和讲述着地裂缝的故事：大陆构造动力造成汾渭盆地数千万年的持续沉降，盆地构造动力自下而上驱动着盆地表土层伸展破裂，断裂构造蠕动形成了地裂缝的破裂原型，异常的水动力激发了地裂缝的扩展和复活，一道道裂缝将盆地与山脉分割开来，将平地破解成台地和洼地，将城市肢解的七零八落……我们研究地裂缝不是为了荣誉或名利，只是因为乐在其中——发现大自然的运行规律，保障汾渭这块沃土上的城市、工程和人民的安宁，这就是我们持之以恒的原因。
地质研究看似是一种游山玩水的职业，你永远不知道明天会发现什么，它的好处是会不断有新的发现。在我28年的地裂缝研究之旅中，深深打动我的是，与地裂缝相关的各种地质现象常表现出一种朴素的品质，然而当你深入细节时，它又是那么复杂而令人迷惑，有着令人难以抵挡、总想更深入地去探究的诱惑。不过，要完成这些创造性活动，除了必须投入情感和信仰外，还得具有这些重要素养：专心致志、观察敏锐、思想活跃、思维敏捷、超然物外、陈述简约……而且能够在不同观点，不同学科之间架起桥梁。科学研究的美就在于从一大堆令人迷惑的细枝末节中概括出优雅的基本规律，我对此一直乐此不疲，完成这本历经28年集成的著作所获得的快感在许多方面可能类似于陈忠实、路遥和贾平凹完成了他们最得意作品时的感觉，我之所以作出这样的比较，是因为这三位大师的作品伴随和影响了我四十余年。这相似的感觉是一种超脱个人和自然，但又与社会和自然相和谐的感觉。
历经28年的研究，我们基本完成了西安地裂缝—汾渭盆地地裂缝—华北平原地裂缝研究的三部曲，这本书是其中的第二部，书中的字里行间肯定会遗留下许多错误或不当之处，敬请大家拨正。明年或后年我们将把第三部——《华北平原地裂缝灾害》呈现出来，与大家共享，请大家批评。
我们深深地感到，没有我们的老师、我们的领导、我们的朋友、我们的同事、我们的亲人和我们的学生们鼎力支持，这份成果不可能集成的。在前言中我已对方方面面的支持致过谢忱，这里我还要再次感谢多年支持和帮助过我们的所有人!感谢28年来先后与我们共同攻关过的所有同仁和始终甘居幕后、理解与支持我们事业的各位家人！
彭建兵
2016年国庆节于西安大雁塔下
本文摘编自《汾渭盆地地裂缝灾害》（彭建兵等著. 责任编辑：张井飞 韩鹏. 北京：科学出版社，2017.1） 一书“前言”，有大幅删减，文中图片来自该书正文相关章节，标题为编者所加。
（新世纪工程地质学丛书）
ISBN 978-7-03-051676-3
定价：498.00元
《汾渭盆地地裂缝灾害》论述了汾渭盆地地裂缝形成的地质背景；通过大量野外调查，系统总结了汾渭盆地地裂缝在拉张盆地区群发、沿活动断裂带集中、顺地貌变异带展布、在地面沉降区出露、在黄土湿陷区散布的发育分布规律；通过各种勘探和监测手段，发现了汾渭盆地地裂缝走向分段、平面分支、垂向分异、剖面分带的立体结构特征，揭示了其垂直位错为主、水平拉裂较小、水平扭动甚微的运动规律以及周期性开裂、分段活动性差异和人类营力增强的活动规律；通过模型试验、数值模拟和理论分析，揭示了地裂缝的区域群发机制、盆地同生机制、断裂共生机制和水动力再生机制，提出了构造控缝、应力导缝、抽水扩缝和浸水开缝的地裂缝成因理论；揭示了工程建(构)筑物在地裂缝活动下的致灾规律，提出了控制采水、合理避让、适应变形、局部加固的减灾技术；研究了高铁与地裂缝相交以及地铁与地裂缝小角度相交时的变形破坏特征及致灾机理，提出了高铁及地铁工程的地裂缝减灾技术体系。
《新世纪工程地质学丛书》
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《新世纪工程地质学丛书》由中国地质学会工程地质专业委员会组织，科学出版社出版，设有丛书规划委员会。
丛书以近年来广泛关注的工程地质问题为主线，以重大科研成果为基础，融传统与创新为一体，采用开放自由的方式组织出版。旨在总结新时期工程地质学科的新成果，提炼工程地质新理论，推进工程地质新技术、新方法的发展。
丛书以作者申请和丛书规划委员会推荐相结合的方式选题，由规划委员会审批出版。目前，黄润秋、彭建兵、殷跃平、许强等的著作已在丛书中出版。
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——张井飞
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