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《科学画报》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

由中国科学社于1933年8月创刊,距今已有80年的历史。《科学画报》在80年的办刊历程中,形成了通俗生动、图文并茂地介绍最新科技知识,形式多样地普及科学技术的特点,对提高广大群众的科学水平,启发青年爱好科学、投身科学事业起了很大的作用,当今的不少著名学者、教授、科学家,青少年时代都曾受到它的熏陶和启发。

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陷坑惊魂

2012-03-16 10:31:56

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/马志飞

2010530,濒临加勒比海的中美洲国家危地马拉的首都危地马拉城遭受“阿加莎”热带风暴的侵袭,暴雨倾盆,洪水肆虐。洪水过后,在潮湿的城市地面上留下了一个直径约20米的巨大深坑,位于街道路口的一幢3层建筑整体坠入该100米深的坑中。这种令人恐怖的景象在危地马拉城并不是第一次发生,2007年也曾发生过类似事件。实际上,在世界各地都有陷坑出现。为何会出现这些陷坑?它们的分布有什么特点?会不会有一天,我们所站立的地面会突然陷下去?

 

地下水浸蚀而成的陷坑

根据不同的诱因,陷坑可分为天然陷坑和人为陷坑。虽然说陷坑的形成基础是自然条件,但是人类活动通常是灾害发生的诱因,大多数岩溶塌陷均与人类活动有关。有数据显示,在已经发生的陷坑灾害中,约70%为人类活动诱发,主要表现为抽排地下水、拦蓄地表水、铁路工程施工等,所以陷坑灾害往往发生在人类活动强、人口密度大的城市里、矿山或交通干线上。

天然陷坑常常形成于岩溶地区。石灰岩、大理岩、白云岩等碳酸盐类岩石最容易发生岩溶现象,构成这类岩石成分的碳酸钙在含有二氧化碳的水的作用下,溶解为钙离子和重碳酸根离子而被水带走。所以,碳酸盐类岩石在特定的地质条件与气候条件下,并在各种机械作用下(如流水侵蚀和沉积、重力崩塌和堆积等),易于产生大小不一的空洞和各种形态的岩溶地形。

我国是世界上岩溶发育最强烈的国家之一,可溶岩分布面积达356万平方公里,占全部国土面积的三分之一还多。在已经发生过岩溶塌陷的24个省(市、区)中,共有30多个大中城市、420多个县市处于高风险区,主要集中在西南地区,仅广西、云南、贵州、四川和重庆等5个西部省(市、区),已经发生的岩溶塌陷就占到全国的78%,其次为河北、山东、辽宁等省份。

在岩溶作用强烈的地方,地下形成的空洞长年累月地发展,一旦造成顶部岩层坍塌,便会在地表形成坑的形状。虽然陷坑出现在地面,但其形成过程却是始于天空。美国密苏里州立大学的地质学家道格·格乌泽说:“当水从大气中降落时,自然会携带微量的二氧化碳。”如此一来,降落的雨水就具有了弱酸性,它透过土壤和地表浅层的沉积物渗入基岩,慢慢地将其溶解,开辟自己的流动通道。

随着这些细小的流动通道不断增大,水流动时就将溶解后的物质带走了。其结果是,因为泥土颗粒和土壤下面的岩石流失而造成地面下沉。陷坑的形成过程有些像沙漏计时器的工作过程:由于沙子是从沙漏的颈部流过,我们会看到沙漏上部的沙子在逐渐下降,并开始形成一个锥形。若是这种锥形沉降发生在地面上,就可能成为一个陷坑。

大多数地面沉降都不会成为新闻,因为它们通常沉降得十分缓慢,可能一年才几毫米,没有人会注意到地面这么微弱的下沉。即使地面下出现大的空洞,也不会引起人们的关注。然而,等人们开始关注这个空洞时,灾难已经出现了,因为人们关注之日就是陷坑出现之时。当地下的空洞承受不住上面的地层时,可能瞬间在地表形成一个大窟窿。这种陷坑的出现可能是毫无征兆的,令我们因措手不及而感到十分恐慌。

 

人类活动造成的陷坑

本文开头提到的危地马拉城陷坑不是自然形成,而是由于人类活动造成的,是一种人为陷坑。那里的土地并非容易形成天然陷坑的岩溶区,而是由松散的火山岩石颗粒即火山灰组成的沉积层,不过它们也很容易被地下水浸蚀。由于管理机构的失误,危地马拉城的下水道和排水管多有泄漏,导致危地马拉城地下出现了一些空洞,其中一些空洞甚至十分巨大。最终,空洞上方土层在暴雨的冲刷下塌陷了,巨大的陷坑显露出来。

如同危地马拉城所发生的那样,陷坑并不总是出现在荒凉的野外或乡村,在城市中也出现了越来越多的陷坑。虽然大多数城市的选址会避开那些容易出现空洞的岩溶区,城里人不大会受到天然陷坑的“骚扰”,但是,城里人避不开人类活动造成的陷坑。由于地下水管密密麻麻地分布在城市中,形成一个错综复杂的网络,在管理上稍有不善就会漏水,导致地面塌陷。因此,人为陷坑在世界各地的城市中很常见。例如,20031125,葡萄牙首都里斯本市的一辆公共汽车就在突然出现的城市陷坑里栽了跟头。

除了水管网络外,每个城市的地下还布满了错综复杂的电线管道、通信光缆管道、天然气管道等,它们被埋设在人工开挖的沟槽内。如果施工后回填不密实,地下松散土体就会逐渐被流水冲走,形成地下空洞,最终导致地面塌陷。比如,新疆乌鲁木齐市红山东路在2008年进行地下热力管网的建设,由于回填不实,结果造成了1300米路面整体塌陷。此外,对于许多长期运行年久失修的地下水管,如果发生了腐蚀、渗漏或者爆裂,水体不断渗入土层中,也会发生塌陷。

在地下进行地铁或隧道施工时,也会扰动原有的地下土层,使地下土体形成某些空洞、疏松带、松散区等不稳定空间,在外界因素如地震、水体等诱发作用下会不断坍塌,使得地下不稳定空间逐渐向地表扩大,最终导致地面塌陷。这样的事情时有发生,北京、上海、南京、广州等都发生过类似事故。甚至在公路上,大量的车辆长期扰动地下土层,也时常出现大小不一的塌陷坑洞。201112日上午11,在重庆省道103线上,一段约70米长的公路整体塌陷,断口最深处达3米。事发当时,正好有两辆汽车驶进该路段,不幸被困塌陷区,幸亏拯救及时,未有伤亡。

除了城市管道引发的陷坑外,矿区出现的陷坑也是一种常见的人为陷坑。矿区陷坑是采空塌陷引起的,其中又以煤矿采空塌陷最为突出。据不完全统计,在我国20个省区内,共发生采空塌陷180处以上,塌陷面积超过1000平方公里。全国发生采空塌陷灾害的矿业城市近40个,其中严重者有25个,如山西大同、河北开滦、辽宁抚顺、安徽淮南、江苏徐州、黑龙江七台河、河南焦作、山东枣庄等。

20101223,江西省会昌县周田镇新圩村一块农田开始发生地面塌陷事件,最大陷坑的直径超过50米。陷坑附近的84457名村民紧急转移,未造成人员伤亡。后经专家勘查,初步认为该塌陷是由于盐矿采空所致。

更为蹊跷的事情莫过于最近发生在陕西榆林的一次地震事件。20101228231816,陕西省榆林市神木县发生里氏3.0级地震。说出来或许还有很多人不相信,经过调查发现,这次地震竟然是地面塌陷引发的。在榆林一带,这并不是什么新鲜事儿,只不过这样的地震震级多在里氏2.03.5之间,危害并不大,当地人民早已经习以为常了。

美国地质学家考夫曼曾经表示:“统计数据表明,在你现在站的那个地方,形成陷坑的概率是非常非常小的。不过,这个概率在某一个区域内,却要高得多。”或许,陷坑灾害可能不会降临在我们头上,但是它们可能降临于我们的同胞。而其中不少灾害并非自然灾害,而是我们可以通过种种努力避开的人祸。


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