本文发表于《Engineering Geology》期刊2021年第294卷，题为《Formation mechanism of pumping-induced earth fissures associated with a pre-existing normal fault, Beijing, China》。该研究由Jiawei Wan、Bin Li、Chengxuan Tan、Chengjun Feng和Peng Zhang等作者共同完成，研究机构包括中国地质科学院地质力学研究所、中国地质大学（北京）以及自然资源部活动构造与地质安全重点实验室。

研究背景与目的

该研究聚焦于北京市顺义区的地裂缝现象，这些地裂缝与地下水抽取活动密切相关，并对北京首都国际机场（BCIA）等基础设施造成了严重破坏。顺义地裂缝主要沿顺义-良乡（SL）断层带分布，该断层带为一条北东-南西走向的正断层。尽管已有研究表明，SL断层的下盘（西北侧）形成了沉降盆地，但研究团队通过观测发现，沉降主要发生在断层的上盘（东南侧），表现出类似断层激活的特征。这种复杂的变形模式使得顺义地裂缝的形成机制尚不明确。因此，本研究旨在通过数值模拟，揭示顺义地裂缝的形成机制，并探讨地下水抽取与已有断层之间的相互作用。

研究方法与流程

研究采用了基于地质和水文地质条件的数值模拟方法，分为两种情景进行模拟：情景I中，地下水抽取位于断层的下盘；情景II中，抽取位于上盘。研究使用有限元分析软件Abaqus进行瞬态数值模拟，模拟了地下水抽取引起的地表变形过程。模型基于北京地区的地质剖面，将复杂的地层系统简化为七层结构，包括一层非承压含水层、三层承压含水层和三层隔水层。SL断层被建模为贯穿整个地层系统的正断层，倾角为70°。

主要结果

1. 沉降区域分布：无论抽取位置如何，模拟结果显示在断层模型中均存在两个沉降区域。第一个沉降区域围绕抽水井形成，表现为区域性沉降盆地；第二个沉降区域则位于断层上盘附近，表现为局部沉降，且与地表剪切应变的集中相关，导致地裂缝的形成。
2. 应力与应变分布：模拟结果表明，断层带对水平应力和水平应变的分布具有显著影响。最大水平应变发生在断层带附近，而非抽水井附近，表明断层带经历了最大的水平变形。
3. 剪切应变与地裂缝形成：剪切应变在断层带附近的狭窄区域内迅速累积，导致地表土壤的剪切破坏，进而形成地裂缝。这种剪切变形表现为次生断层活动，与已有断层的特性密切相关。
4. 垂直位移：模拟结果显示，区域性沉降与局部沉降同时发生，局部沉降的最大速率远低于区域性沉降盆地的速率，这与顺义地裂缝的实际变形模式一致。

结论与意义

研究揭示了已有正断层在地下水抽取引起的地表变形中的关键作用。地下水开采可能引发次生断层活动，导致地裂缝的形成。研究结果为顺义地裂缝的形成机制提供了新的解释，并为其他断层区域的地裂缝研究提供了重要参考。此外，研究还强调了断层带的特殊性质（如较低的杨氏模量和渗透性）在地表变形中的重要性，这些特性在以往的研究中常被忽视。

研究亮点

1. 创新性方法：研究采用有限元模拟方法，结合地质和水文地质条件，系统分析了地下水抽取与已有断层之间的相互作用。
2. 重要发现：研究揭示了已有断层在地裂缝形成中的关键作用，提出了地下水抽取可能引发次生断层活动的新观点。
3. 实际应用价值：研究结果为北京地区的地裂缝防治提供了科学依据，并为其他类似地区的地质灾害研究提供了参考。

其他有价值的内容

研究还指出，模拟结果与实际观测数据的一致性验证了模型的可靠性。然而，模拟中的沉降速率低于实际观测值，这可能与模型中对水力压降的保守假设以及未考虑隔水层的弹塑性压缩有关。未来的研究可以进一步优化模型参数，以提高预测精度。

总之，该研究通过数值模拟揭示了顺义地裂缝的形成机制，强调了已有断层在地下水抽取引起的地表变形中的重要作用，为相关领域的研究和实践提供了重要启示。