A study of the characteristics of land subsidence and the main control factors in the alluvial plain: A case study of Beijing plain
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摘要:
北京由于长期过量开采地下水，相继引发了一系列地质环境问题，其中地面沉降问题尤为突出。回顾了北京地面沉降发展历史，从平面和垂向上分析了地面沉降特征，在此基础上对北京冲洪积平原区沉降的主控因素进行了研究。结果表明：①平面上，沉降分为南、北2个大区，7个沉降中心。北区已由多个单独沉降中心区扩展成一个大区域，南区北扩明显；②垂向上，南区第一压缩层为沉降主贡献层，沉降占比42%，浅部地层沉降速率减小，深部地层沉降速率增加。土体变形特征为塑性变形，包含蠕变变形；北区第二压缩层为沉降主贡献层，沉降占比65%，浅部沉降量值很小且波动平缓，深部沉降量相对较大。土体变形特征为浅部以弹性变形为主，深部以塑性变形为主，包含蠕变变形；③沉降受构造作用及基底格架控制，北东方向受冲洪积扇上部单一砂卵砾石的地层条件控制扩展范围有限，沉降整体向北西、南东方向扩张；④地层结构决定沉降平面和垂向分布特征，尤其北部冲洪积与南部湖相沉积的差异，是产生深浅部地层沉降贡献率不同的重要因素；⑤地下水开采仍是沉降产生的主因，地下水漏斗的扩展和沉降中心的分布高度吻合，主要沉降层地下水位下降速率与沉降速率成正比。
Abstract:The long-term excessive exploitation of groundwater in Beijing has triggered a series of geological environment problems, especially the land subsidence. In this paper, the authors reviewed the development history of the land subsidence in Beijing, and analyzed the characteristics of land subsidence in both the horizontal and the vertical aspects. On such a basis, the main control factors of land subsidence in Beijing plain were investigated. Some conclusions have been reached:(1) The land subsidence is divided into two zones and seven settlement centers. The northern part of the subsidence area is composed of many settlement centers, and the extension of the southern part northward is obvious. (2) In the southern part of the subsidence area, the first compression layer is the main contribution layer, which accounts for 42%. The sedimentation rate of the shallow layer is decreased and the deep layer is increased. The deformation characteristics of soil are plastic deformation and creep deformation. In the northern part of the subsidence area, the second compression layer is the main contribution layer, which accounts for 65%. The sedimentation rate of the shallow layer is small and that of the deep layer is relatively large. The deformation characteristics of shallow soil are mainly based on elastic deformation, and the deep part is plastic deformation, which contains the creep deformation. (3) The land subsidence is controlled by structure, and the expansion range of northeast area is limited. The land subsidence area is expanded in northwest and southeast direction. (4) Stratigraphic structure determines the distribution of land subsidence. The difference between the north pluvial facies and the south lake deposition is the important factor responsible for different contribution rates of land subsidence. (5) Exploitation of groundwater is still the main factor which leads to land subsidence. The groundwater funnel area and the center of the land subsidence are highly consistent with each other. The falling rate of groundwater is proportional to the rate of land subsidence.
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班公湖-怒江结合带(BNS)位于青藏高原北部, 西起班公湖, 向东经改则、东巧、丁青与昌宁-孟连带相连, 向西延伸向克什米尔, 与东地中海特提斯蛇绿岩相连, 在中国境内长达2000km, 是青藏高原一条重要的结合带[1]。班公湖-怒江结合带中存在规模巨大的蛇绿岩、增生杂岩, 以及夹持其中的残余弧或岛弧变质地块, 发育韧性剪切带、逆冲断层、构造混杂岩、复杂褶皱等多种构造行迹, 沿断裂还发育晚白垩世-新近纪陆相火山岩、新生代陆相走滑拉分盆地和第四纪谷地[2]。为更好地认识班公湖-怒江结合带内物质的形成机制及相关的构造背景, 需要对其开展深入的研究。
通过对沉积岩中的碎屑锆石进行U-Pb定年分析, 可有效地探讨其源区并开展历史时期的古大陆重建。本文对该地区早白垩统多尼组(原1:25万区调划为上三叠统巫嘎组)砂岩的碎屑锆石开展了形态学及U-Pb年代学研究, 为揭示班公湖-怒江缝合带内该地层单元的物源区提供新的证据, 同时为探讨班公湖-怒江结合带的构造演化史提供一定的依据。
1. 地质特征
多尼组出露于改则县南西的洞错一带(图 1), 呈近东西向带状分布, 区域上为一套灰色-深灰色含煤碎屑岩地层。岩性主要为泥岩、砂岩、板岩、页岩、粉砂岩、石英砂岩、长石石英砂岩, 局部含火山岩, 产植物、菊石、双壳类、腹足类、珊瑚、层孔虫、海胆、腕足类、介形类等化石。根据野外实测剖面特征, 研究区多尼组主要岩性为深灰色、灰色泥质粉砂岩、粉砂岩, 局部夹灰色钙质岩屑石英砂岩、长石石英砂岩及少量灰岩等, 在灰岩中局部可见生物碎屑, 未见完整化石。
2. 样品采集与分析方法
样品采集于西藏改则县洞错乡南约15km处欧仁一带的PM009地层剖面上。样品岩性主要为灰色中细粒长石石英砂岩, 主要由石英(84%)、长石(13%)、岩屑(2%)、胶结物等组成, 颗粒大小以0.15~ 0.60mm为主, 分选性好, 磨圆度一般, 呈次棱角状, 次圆状。石英主要为单晶石英, 长石类以斜长石为主, 岩屑成分主要为灰岩、泥岩、粉砂岩等, 孔隙式胶结(图 2)。
样品锆石的分离和挑选由廊坊市地岩矿物分选有限公司完成, 在双目镜下挑选出晶形和透明度好的锆石颗粒, 粘贴在环氧树脂表面, 抛光后将锆石进行透射光、放射光和阴极发光显微照相。锆石制靶及阴极发光图像制备由北京中美美科科技有限公司完成, LA-ICP-MS锆石U-Pb定年测试分析在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。其中LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素年龄分析仪器为Elan6100DRC型激光剥蚀系统, 激光器为193nmArF准分子激光器。激光剥蚀斑束直径为32μm, 激光剥蚀深度为20~40μm。实验中采用氦气为剥蚀物质的载气, 采用标准锆石91500为外标, 采用美国国家标准物质局人工合成硅酸盐玻璃NIST SRM610为内标。详细的实验原理、流程和仪器参数见Yuan等[3]的文献。
3. 分析结果
多尼组砂岩碎屑锆石U-Pb年龄数据见表 1。在多尼组砂岩样品中, 随机挑选71粒锆石进行分析。从阴极发光(CL)图像(图 3)看出, 锆石颗粒大小在50~180μm之间。研究表明, 不同成因的锆石具有不同的Th/U值, 岩浆锆石的Th/U值较大(一般大于0.4);而变质锆石的Th/U值较小(一般小于0.1)[4]。多尼组砂岩碎屑锆石的Th/U值较大, 51颗锆石的Th/U值大于0.4, 平均值约为0.64, 说明锆石大部分为岩浆成因, 部分可能为变质成因。
表 1 洞错地区多尼组砂岩碎屑锆石U-Th-Pb同位素年龄数据Table 1. Detrital zircons U-Th-Pb data of sandstones in the Duoni Formation from Dongcuo area
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图 3 洞错地区多尼组砂岩碎屑锆石阴极发光图（年龄单位为Ma）Figure 3. Cathodoluminescene images of detrital zircons of sandstones in the Duoni Formation from Dongcuo area4. 分析与讨论
4.1 测年结果
对于年轻锆石而言, 207Pb/206Pb年龄误差较大, 而对于古老锆石而言, 206Pb/238U年龄的误差较大。本文在年龄选取时, 对小于1000Ma的锆石, 选取206Pb/238U计算年龄值; 年龄大于1000Ma的锆石, 选取207Pb/206Pb计算年龄值[5]。从碎屑锆石年龄分布频率直方图(图 4)可以看出, 多尼组砂岩碎屑锆石年龄值分布在125~3261Ma之间。其中125~1000Ma的锆石有37粒, 最年轻年龄值为125Ma(测点号为PM009/26-17, 和谐度为97%); 大于1000Ma的年龄值为34个, 最老年龄值为3261Ma(测点号为PM009/26-35, 和谐度为96%)。碎屑锆石主要年龄区间(或峰值)为3261Ma、2739~2335Ma、1880~ 1750Ma、1006~657Ma、577~510Ma、456~409Ma和252~202Ma(表 1)。
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图 4 青藏高原碎屑锆石U-Pb年龄频率图（据参考文献[15]修改）Figure 4. Age distributions of detrital zircons from the Tibetan Plateau4.2 讨论
多尼组的碎屑锆石年龄数据跨度较大, 不同的年龄峰值代表不同的地质意义。
(1) 3261Ma, 大于3000Ma的碎屑锆石在样品中仅出现1粒, 表明物源区存在古老地壳的残留[6], 为研究班怒带物源区的形成和演化奠定了物质基础。
(2) 2739~2335Ma年龄组包含10颗碎屑锆石, 代表物源区可能存在构造-岩浆事件。从全球地质背景看, 华北、北美、瑞芬及其他克拉通在2.5Ga左右发生了大规模的拼合事件(如Grenville事件、Pan-Afriean事件等), 形成有记载的最古老的超级大陆[7]。近年来, 众多学者在羌塘盆地发现1.8~ 2.7Ga的锆石, 如盆地中央隆起带差桑-茶布一带的戈木日群[8], 盆地西南部龙木错-双湖缝合带南侧荣玛温泉地区石英岩[9], 以及羌塘盆地北部唐古拉山温泉地区雁石坪群[10]。暗示羌塘盆地有太古宙的地壳物质, 支持羌塘盆地存在前寒武纪结晶基底的可能性。这也说明, 研究区多尼组的物源很可能为北部的南羌塘地块。
(3) 1880~1750Ma年龄组包含16颗碎屑锆石, 指示源区存在古元古代早期的构造热事件。研究表明[11-12], Columbia超级大陆各个组成陆块是在2.1~ 1.8Ga碰撞事件中拼合在一起的, 并在中元古代早-中期Columbia超级大陆边缘向外增生, 随后开始裂解, 1880~1750Ma可能也是羌塘结晶基底的主期变质年龄。
(4) 1006~657Ma年龄组包含13颗碎屑锆石, 该期是全球构造运动演化的一系列重大热事件时期, Grenvillian碰撞造山期(1000~900Ma)形成了罗迪尼亚超大陆, 在850~750Ma开始隆升、裂解[13]。在700Ma发生分解, 反映了早期的泛非碰撞, 中国大陆主要的构造表现为普遍存在张裂, 在羌塘结晶基底的戈木日群中发现1016~929Ma的热事件, 说明此时羌塘地块存在构造热事件[1]。
(5) 577~510Ma年龄组包含5颗碎屑锆石, 指示了新元古代晚期的一次构造热事件, 该组年龄值可能是泛非造山运动(550±100Ma)在物源区的记录。
(6) 456~409Ma年龄组包含8颗碎屑锆石, 可能指示了冈瓦纳大陆北缘在早泥盆世-奥陶纪的增生过程[14]。
(7) 252~202Ma年龄组包含5颗碎屑锆石, 指示拉萨地块与羌塘地块之间发生了俯冲消减及碰撞与缝合作用。
(8) 最小年龄125Ma和126Ma, 可能代表该套地层的沉积时代, 说明该套地层于早白垩世沉积形成。
班公湖地区中生代沙木罗组和日松组碎屑锆石显示, 其沉积物的物源区可能为北部的羌塘地块[1]。商旭地区中生代沉积物中含有部分来自其北部南羌塘地块中的物质, 暗示班公湖-怒江洋壳在中生代向北俯冲[15]。南羌塘与特提斯喜马拉雅沉积变质岩的碎屑锆石年龄具有相似的频率分布特征, 且二者的主要年龄峰值为530Ma、950Ma, 其与高喜马拉雅新元古代沉积变质岩碎屑锆石的年龄主峰一致, 表明其在古生代与高喜马拉雅相邻; 同时, 拉萨地块与澳大利亚西部的碎屑锆石具有一致的年龄峰值1170Ma, 表明拉萨地块可能在石炭纪-二叠纪与澳大利亚西北部毗邻[16]。从锆石年龄分布频率图可见, 研究区碎屑锆石年龄分布直方图与南羌塘更具相似性, 西藏洞错地区班公湖-怒江结合带早白垩世沉积物的物源可能来自北部的南羌塘地块。
5. 结论
(1) 班公湖地区早白垩世多尼组砂岩碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb测年结果显示, 碎屑锆石最年轻颗粒的年龄值为125Ma, 说明其形成时代晚于早白垩世; 最老碎屑锆石年龄值为3261Ma, 表明物源区存在古老地壳的残留。
(2) 将研究区早白垩世碎屑锆石的年龄分布频率图与南部的拉萨地块及北部的南羌塘地块对比, 其与南羌塘地块更具相似性, 说明研究区的早白垩世沉积物的物源可能来自北部的南羌塘地块。
致谢: 在项目研究和成文过程中得到北京市地质研究所贾三满教授级高工、北京大学地空学院潘懋教授，北京市地质调查研究院蔡向民教授级高级工程师的指导和帮助，在此一并表示衷心的感谢。 -
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图 1 北京平原区累计地面沉降分区（1955—2012 年）
Figure 1. The cumulative land subsidence contour map of Beijing plain (1955-2012)
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图 2 榆垡地面沉降站分层监测成果（2008—2014 年）
Figure 2. Land subsidence monitoring results of Yufa station (2008-2014)
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图 3 榆垡站浅—深典型压缩层土体变形特征
a—浅部地层（埋深2~27m）土体变形随时间变化关系及相应含水层水位周期变化；b—浅部地层（埋深2~27m） 土体累计变形与含水层水位变化关系曲线；c—深部地层（埋深116~170m）土体变形随时间变化关系及相应 含水层水位周期变化；d—深部地层（埋深116~170m）土体累计变形与含水层水位变化关系曲线
Figure 3. Shallow and deep soil deformation characteristics of Yufa station
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图 4 天竺地面沉降站分层监测成果（2008—2014 年）
Figure 4. Land subsidence monitoring results of Tianzhu station (2008-2014)
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图 5 天竺站浅-深部典型压缩层土体变形特征
a—浅部地层（埋深2~35m）土体变形随时间变化关系及相应含水层水位周期变化；b—浅部地层 （埋深2~35m）土体累计变形与含水层水位变化关系曲线；c—深部地层（埋深102~117m） 土体变形随时间变化关系及相应含水层水位周期变化；d—深部地层 （埋深102~117m）土体累计变形与含水层水位变化关系曲线
Figure 5. Shallow and deep soil deformation characteristics of Tianzhu station
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图 6 水准测量地裂缝两侧不同距离累计垂直 变化量曲线年度对比
Figure 6. The level measurement results of ground fissure
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图 7 平原区断裂构造与沉降（累计沉降量大于300mm）分布范围变化关系
Figure 7. The relationship between the faults and the land subsidence of plain area (cumulative land subsidence value＞300mm)
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图 8 不同层位含水层地下水开采漏斗与沉降区(1955—2012 年)分布对比
a—第一含水层地下水漏斗与沉降区（2012 年）分布对比；b—第二含水层地下水漏斗 与沉降区（2012 年）分布对比；c—第三含水层地下水漏斗与沉降区（2012 年） 分布对比；d—第四含水层地下水漏斗与沉降区（2012 年）分布对比
Figure 8. Comparison of groundwater exploitation in different aquifers with land subsidence area (1955-2012)
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图 9 天竺地面沉降站内沉降变化与地下水动态变化关系曲线
Figure 9. The relationship between land subsidence and groundwater level in Tianzhu station
表 1 北京市地面沉降发展历史概况
Table 1 The history of land subsidence in Beijing
发展时期 时间/年 沉降面积/km2 沉降速率/（mm· a-1） 沉降区 累计最大沉降量/mm ≥50mm ≥100mm 形成阶段 1955—1966 局部 -- 4.8 东八里庄 58 2.5 酒仙桥 30 1966—1973 400 -- 28.2 东八里庄—大郊亭 230 16 来广营 126 发展阶段 1973—1983 600 190 30.2 东八里庄—大郊亭 590 18.1 来广营 367 扩展阶段 1983—1987 1557 860 15.5 东八里庄—大郊亭 652 15 来广营 367 33.7 昌平沙河—八仙庄 303 34.5 大兴礼贤—榆垡 298 5.3 东八里庄—大郊亭 722 19.8 来广营 565 1987—1999 2815 1826 29.6 昌平沙河—八仙庄 688 24.2 大兴礼贤—榆垡 661 19.2 顺义平各庄 250 快速发展阶段 1999—2014 4341 4002 134.1 三间房 1494 91.7 通州城区 1153 144.2 黑庄户 1424 94.5 昌平沙河—八仙庄 1585 142 朝阳金盏 1624 85 海淀上庄 745 55.9 大兴榆垡—礼贤 1245 
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