吳傳勇 沈 軍 史 杰 李 軍 向志勇

1)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 8300112)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

烏魯木齊王家溝斷層組地表變形特征及強變形帶寬度

吳傳勇1)沈 軍1)史 杰2)李 軍1)向志勇1)

1)新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 8300112)中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

王家溝斷層組斷錯了中更新世礫石臺地及王家溝東岸的Ⅲ級階地，地貌形跡非常清晰，地表變形現(xiàn)象主要表現(xiàn)為地震斷層、斷層陡坎和擠壓鼓包等。根據(jù)不同地貌面上跨斷層測量獲得的一系列實測數(shù)據(jù)，得到王家溝Ⅲ級階地上的地表陡坎高度為0.4～1.6m，最大變形帶寬度為50m左右;中更新世臺地上的陡坎高度多為1.5～5.0m，最大變形帶寬度為90m左右。利用探槽開挖揭露出的斷層位置與地表強變形帶測量剖面的疊加對比，初步確定王家溝斷層組上、下盤之間變形寬度的比例為2：1左右，并由此討論了王家溝斷層組上、下盤的“避讓帶”寬度問題。

王家溝斷層組 變形特征 強變形帶寬度 烏魯木齊

0 引言

活斷層不僅是孕育地震的重要原因之一，而且還是產(chǎn)生地震災(zāi)害的主要元兇，緊靠地震斷層的建筑物往往受到地震斷層的直接破壞而完全損毀。世界上近期幾次大地震的災(zāi)害特點之一就是沿著地震破裂帶受災(zāi)特別嚴重，如1999年的土耳其伊茲米特7.8級地震和1999年臺灣集集7.6級地震，沿發(fā)震斷層及兩側(cè)十幾米范圍內(nèi)的建筑物幾乎夷為平地，而兩側(cè)距斷層僅幾十米的建筑物主體結(jié)構(gòu)破壞就輕得多(中國地震局赴土耳其地震現(xiàn)場考察專家組，2000;李錫堤等，2000)。2008年的汶川8.0級地震也具有類似的災(zāi)害特征，龍門山斷裂帶的中央斷裂與山前斷裂地表破裂帶寬度一般＜40m(徐錫偉等，2008;周慶等，2008;于貴華等，2009)，在斷層破裂帶經(jīng)過之處，幾乎所有的建筑物都被毀壞(張培震，2008)，破裂帶之外的破壞情況則明顯輕得多。目前地震地表破裂帶上的建筑物和生命線工程是難以通過抗震設(shè)計的手段實現(xiàn)減災(zāi)的，“避讓”是減輕此類災(zāi)害的首選對策。因此，使一些重要建筑設(shè)施避開活斷層一定的距離，可有效地減輕未來可能遭遇的地震災(zāi)害損失(徐錫偉等，2002)。在城市和人口密集地區(qū)對土地利用率的要求與最大限度地避開潛在地震活斷層之間的矛盾日益突出。

烏魯木齊地區(qū)位于北天山山前斷展褶皺系與博格達推覆構(gòu)造系的轉(zhuǎn)換部位(鄧起東等，2000;沈軍等，2007)，新構(gòu)造運動強烈，活動斷層較為發(fā)育 (圖1)。其中王家溝斷層組是位于烏魯木齊西郊的1條主要的全新世活動斷層組，該斷層組新活動跡象明顯，沿斷層組存在清晰的古地震形變帶(沈軍等，2007;冉勇康等，2007;吳傳勇等，2008，2009)，未來仍具有發(fā)生地震地表破裂的可能，是可能對附近建筑設(shè)施造成地震災(zāi)害的重要斷層。目前，烏魯木齊西郊地區(qū)已經(jīng)被規(guī)劃為重要的能源化工基地，大量的重要建筑設(shè)施鄰近斷層建設(shè)。如何確保這些建筑設(shè)施既能避開地震斷裂帶，又能保證土地的合理利用，是一項亟待解決的問題。我們在沿王家溝斷層組地質(zhì)地貌調(diào)查的基礎(chǔ)上進行了探槽開挖，揭露出了斷層的一些變形特征和變形樣式，同時結(jié)合利用皮尺跨斷層測量獲得的多條形變帶寬度數(shù)據(jù)，對王家溝斷層組的避讓帶寬度進行了初步的討論。

圖1 天山地區(qū)的數(shù)字地形高程模型圖(a)和烏魯木齊地區(qū)的構(gòu)造簡圖(b)Fig.1 Topographic map generated from the digital elevationmodels of Tianshan mountains area(a)

1 王家溝斷層組的地表變形樣式

王家溝斷層組西起頭屯河?xùn)|岸，向東經(jīng)過王家溝截止于苜蓿溝附近。該斷層組展布在西山北麓向N緩傾的中更新世洪積臺地上，由4條NEE向大致平行的次級斷層近等間距排列組成，自北向南各條斷層的長度分別為8.7km、9km、10.8km和12.7km。該斷層組均為斷面N傾的逆斷層，斷錯了中更新世礫石臺地及王家溝東岸的Ⅲ級階地，地貌形跡非常清晰(吳傳勇等，2008;沈軍等，2008)。地表調(diào)查和探槽開挖顯示，王家溝斷層組的地表變形現(xiàn)象主要表現(xiàn)為地震斷層、斷層陡坎和擠壓鼓包等(圖2)。

1.1 地震斷層

王家溝斷層組的地表破裂樣式多以逆斷層形式出現(xiàn)，斷層切割了西山北麓的中更新世礫石臺地和王家溝東岸的Ⅲ級階地，形成反坡向陡坎，標(biāo)志非常醒目。跨陡坎開挖的一系列探槽剖面顯示，斷層面均為N傾，傾角多在30°～70°之間，斷層運動方式以逆沖為主，未見明顯的走滑分量。很多情況下，斷層在近地表并不是一條簡單的斷面，而是分散成多條傾角不同的滑動面。從多個探槽揭露的情況來看，這些逆沖斷面主要集中在5m寬度的范圍內(nèi)。

在八鋼南的探槽剖面揭露出3條斷層，依次命名為f1，f2，f3(圖3)。f1和f2是剖面上的2條主斷面，均為逆斷層。f1斷層的產(chǎn)狀為60°/NW∠35°～40°，斷面沒有完全斷錯層③，被近地表厚約2.5m的砂礫石層埋藏;f2斷面略陡一些，產(chǎn)狀為60°/NW∠40°～50°，斷層斷錯了剖面中的所有地層，通達地表。在f2斷層的上盤還分裂出1條陡傾的次級斷面，傾角達80°左右，該次級斷面也沒有完全斷錯層③，埋藏于地下。在剖面北側(cè)地層褶曲變形最明顯的地段，還發(fā)育1條正斷層f3，斷層傾向323°，下部傾角63°，上部傾角變緩，僅42°左右，斷層垂直斷距不大，不足0.2m。該正斷層應(yīng)該是在斷層上盤地層褶曲變形的過程中由局部張應(yīng)力形成的。在近地表變形過程中，逆斷層上盤的地層由于局部拉張應(yīng)力常會形成一些次級正斷層或張性裂隙，汶川地震的同震破裂帶上多處可見正斷層陡坎或垮塌型陡坎(于貴華等，2009)，這些次生構(gòu)造對建筑物的破壞作用也是顯著的。

圖2 王家溝斷層組航片影像(a)與古地震形變帶分布圖(b)Fig.2 Aerial photograph image of the Wangjiagou Fault set(a)

圖3 八鋼南王家溝斷層組剖面Fig.3 Profile of theWangjiagou Fault set at south of Bagang.

1.2 斷層陡坎

斷層陡坎分布最為廣泛，主要發(fā)育在西山北麓的中更新世礫石臺地以及王家溝東岸的Ⅲ級階地上。在王家溝東岸，F(xiàn)1斷層斷錯了河流的Ⅲ級階地，在地表形成明顯的反坡向陡坎，陡坎較連續(xù)，除階地面上的現(xiàn)代沖溝內(nèi)沒有斷錯變形外，其余地段均發(fā)育有明顯的陡坎。陡坎高度0.4～1.6m，最大坡角4°左右;F3斷層也斷錯了王家溝東岸的Ⅲ級階地，形成較為連續(xù)的反坡向陡坎，坎高0.9 ～1.4m，最大坡角3°～4°(圖4a，5)。頭屯河至王家溝之間，F(xiàn)2、F3和 F4斷錯了中更新世礫石臺地面，在地表形成清晰的反坡向陡坎，其中F2上的陡坎較為連續(xù)，高度多在3.0～5.0m 之間，最大坡角10°左右;與F2相比，F(xiàn)3的斷層陡坎高度明顯減小，多在1.5～3.0m之間，僅在王家溝以東的局部地段高度達到5m左右;陡坎不連續(xù)，由一系列斷續(xù)分布的陡坎斜列組成，最大坡角5°左右(圖4b)。F4斷層位于西山斷隆北坡的山嶺與中更新世礫石臺地的銜接部位，斷層活動形成的反向陡坎使得水流受阻改向，水流將原始陡坎侵蝕改造，平面上呈舒緩的波狀形態(tài)，陡坎的高度也大大增加，十分醒目。我們在王家溝東岸沒有遭受明顯剝蝕改造的地段進行了測量，陡坎高度在3.5～4.0m之間，最大坡度10°左右。

1.3 擠壓鼓包

主要分布在F2斷層上。在頭屯河至王家溝之間發(fā)育有9個擠壓鼓包，鼓包長軸方向多為80°左右，與斷層走向基本平行，僅在煙塵處理場東側(cè)的2個鼓包長軸方向略有差異，為90°～100°。這些鼓包大小不一，其中以煙塵處理場西側(cè)和牧民點南側(cè)的規(guī)模最大，最長達350m左右，隆起寬度為80m左右。鼓包呈不規(guī)則的長橢圓形態(tài)，高度多在3m左右，個別可達5m以上，剖面上不對稱，東南坡明顯高于西北坡;東南坡最大坡角15°左右，西北坡最大坡角為10°(圖6)?？绻陌_挖的探槽顯示，鼓包東南坡多發(fā)育有逆沖斷層，斷層錯距不大，而非錯動形式的地層彎曲褶皺變形十分明顯，占整個變形量的一半以上。

圖4 王家溝斷層組上發(fā)育的斷層陡坎Fig.4 The fault scarps of theWangjiagou Fault set.

圖5 王家溝Ⅲ級階地上的實測變形地貌及地形剖面圖Fig.5 Measured fault scarps and topographic profile on the third terrace of theWangjiagou river.

圖6 頭屯河?xùn)|岸F2斷層上的擠壓鼓包Fig.6 Compressional upheaval on fault F2 at east bank of the Toutun river.

2 王家溝斷層組強變形帶寬度的確定

斷錯地表的大地震給人類帶來災(zāi)難損失的同時，也在地表留下了一系列的變形痕跡，為研究地震的地表破裂特點和寬度等問題提供了很好的機會。前人通過對1999年土耳其伊茲米特7.8級地震(中國地震局赴土耳其地震現(xiàn)場考察專家組，2000)、1999年臺灣集集7.6級地震(李錫堤等，2000)、2001年昆侖山口西8.1級地震(徐錫偉等，2002)以及2008年汶川8.0級地震(徐錫偉等，2008;周慶等，2008)的地表變形進行詳細的測量調(diào)查，獲得了重要的定量數(shù)據(jù)，為斷層的避讓問題提供了一些參考。然而，國內(nèi)絕大部分地震斷層在短期內(nèi)可能不會產(chǎn)生地震地表破裂，如何對這些構(gòu)造的地表變形問題進行討論，前人尚未進行嘗試。本文通過跨斷層進行的一系列古地震形變帶和陡坎的細致測量，獲得了重要的定量數(shù)據(jù)。

王家溝斷層組主要斷錯了2個地貌面：西山北麓的中更新世礫石臺地和王家溝東岸的Ⅲ級階地。我們沿王家溝斷層組測量獲得的變形數(shù)據(jù)共39個(表1)，變形帶寬度采用皮尺測量，地形坡度采用地質(zhì)羅盤測量。考慮到測量過程中地形地貌以及地質(zhì)羅盤的誤差等因素的影響，測量數(shù)據(jù)會存在一定的誤差，估計誤差在10%以內(nèi)。

逆斷層在變形過程中，一部分位移量在近地表轉(zhuǎn)化為地層的褶曲，這部分變形雖然沒有直接斷錯地層，但卻使地層和地貌面發(fā)生了明顯的褶曲或傾斜，這也是造成地表建筑物倒塌或損毀的重要因素，汶川地震的震害特點也證明了這一點(于貴華等，2009)。離開斷層一定距離后，雖然斷層兩盤也存在相對運動，但是地層沒有發(fā)生斷錯或褶曲變形，地貌面也沒有產(chǎn)生明顯的地表變形梯度(即單位距離內(nèi)地表坡度的變化幅度很小)，而是表現(xiàn)為整體的抬升或沉降，在這樣的地區(qū)地表建筑物的破壞就要輕得多(于貴華等，2009)(圖7)。因此，本文中將地形坡度沒有發(fā)生明顯變化的地段做為斷層強變形帶的邊界。

圖7 逆斷層地表破壞特征示意圖Fig.7 Sketch map of the characteristics of surface damage along reverse fault.

古地震研究表明，王家溝斷層組的古地震具有原地復(fù)發(fā)特征(冉勇康等，2007)，那么不同的地貌面所經(jīng)歷的古地震期次也不同。西山北麓的中更新世礫石臺地是距今20～30萬a以來形成的;而王家溝的Ⅲ級階地是晚更新世的產(chǎn)物，形成于距今約4萬 a左右(吳傳勇等，2008，2009)。顯而易見，形成年代更久遠的中更新世臺地經(jīng)歷的古地震次數(shù)更多，錯動面經(jīng)歷了多次錯動，累積了更大的位移量和變形寬度，測量數(shù)

據(jù)也證實了這一點;而斷層在王家溝Ⅲ級階地上的變形寬度要稍小一些。因此，在確定斷層強變形帶寬度的問題上，我們根據(jù)不同的地貌面進行了區(qū)別對待。表1中，在王家溝Ⅲ級階地上的測量數(shù)據(jù)有6個，其變形帶寬度在20～40m之間，地表陡坎高度在0.4～1.6m之間，考慮到測量數(shù)據(jù)的誤差以及斷層所引起的地殼縮短，確定王家溝斷層組在Ⅲ級階地上的最大變形帶寬度為50m左右。中更新世礫石臺地上的變形帶寬度主要集中在25～65m之間，僅個別觀測點變形寬度達到80m左右;陡坎高度多為1.5～5.0m?？紤]到測量數(shù)據(jù)的誤差以及斷層所引起的地殼縮短，確定王家溝斷層組在中更新世臺地上的最大變形帶寬度為90m。我們得到的強變形帶寬度略大于汶川8.0級地震、集集7.6級地震等同為擠壓逆斷層型地震的單次地表破裂帶寬度是合理的。

表1 王家溝斷層組強變形帶測量數(shù)據(jù)Table 1 Strong deformation data of the Wangjiagou Fault set

逆斷層的地表破裂過程是十分復(fù)雜的，在主斷面明顯斷錯地表的同時，抬升盤往往發(fā)育牽引褶皺、彎曲褶皺、斷彎褶皺或基底壓縮褶皺，以及次級背沖斷層、張性裂縫等次生構(gòu)造(徐錫偉等，2002)，使得逆斷層上盤的強變形帶寬度遠大于下盤。汶川8.0級地震的地表破裂特征也印證了這一點，逆斷層上、下盤的地表破裂或強變形存在著明顯的差異，下盤變形量和次生破裂(裂縫)較少，上盤近斷層附近則發(fā)育大量的張性裂縫等次生構(gòu)造(徐錫偉等，2008)。多個探槽揭露出王家溝斷層組的地表變形樣式也具有類似的特點，斷層上盤的變形寬度明顯大于下盤。因此，在確定逆斷層兩側(cè)的變形帶寬度時，不能對變形帶總寬度進行簡單的平均。目前，關(guān)于逆斷層上、下兩盤變形帶寬度的比例關(guān)系尚無專門的研究和可供參考的數(shù)據(jù)，我們根據(jù)多個大型探槽開挖揭露出的斷層位置與對應(yīng)變形帶測量數(shù)據(jù)的對比(圖5，6，8)，初步確定王家溝斷層組斷層上、下盤之間變形寬度的比例為2：1左右，由此分別確定出中更新世礫石臺地和王家溝Ⅲ級階地上斷層上、下盤強變形帶的寬度分別為60m、30m和33m、17m。

圖8 王家溝斷層組上、下盤強變形帶寬度示意圖Fig.8 The width of the intense deformation between the two walls of the Wangjiagou Fault set.

3 結(jié)論與討論

王家溝斷層組斷錯了中更新世礫石臺地及王家溝東岸的Ⅲ級階地，地貌形跡非常清晰，地表破裂現(xiàn)象主要表現(xiàn)為地震斷層、斷層陡坎和擠壓鼓包等。根據(jù)不同地貌面上跨斷層測量的一系列數(shù)據(jù)，得到王家溝Ⅲ級階地上的地表陡坎高度在0.4～1.6m之間，最大變形帶寬度為50m左右;中更新世臺地上的陡坎高度多在1.5～5.0m之間，最大變形帶寬度為90m左右。

利用探槽開挖揭露出的斷層位置與地表強變形帶測量剖面的疊加對比，初步確定王家溝斷層組上、下盤之間變形寬度的比例為2：1左右，由此分別確定出中更新世礫石臺地和王家溝Ⅲ級階地上斷層上、下盤強變形帶的寬度分別為60m、30m和33m、17m。這一定量數(shù)據(jù)為確定王家溝斷層附近建筑物的避讓距離提供了參考?？紤]到地震破裂過程的復(fù)雜性和不確定性，保守起見，建議確定斷層避讓距離時采用最大的變形寬度，即斷層上、下盤需要避讓的寬度分別為60m、30m，這一寬度遠小于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011-2001)規(guī)定的200～300m發(fā)震斷裂的最小避讓距離。

本文中的“避讓帶”寬度僅是根據(jù)地表測量的強變形帶寬度確定的，是避免地震斷層直接錯動地表而導(dǎo)致建筑物破壞的最小距離，希望這一定量數(shù)據(jù)能夠給王家溝斷層組附近地區(qū)的規(guī)劃設(shè)計和斷層避讓問題提供參考。另外，對于逆斷層上、下盤之間強變形帶的分配比例關(guān)系，還需今后進行專門的研究。

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SURFACE DEFORMATION OF THEWANGJIAGOU FAULT SET IN URUMQIAND THE SAFETY DISTANCE FROM IT

WU Chuan-yong1)SHEN Jun1)SHIJie2)LIJun1)XIANG Zhi-yong1)

1)Earthquake Adminsstration of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，China

2)Lanzhou Institute of Seismology，China Earthquake Administration，Lanzhou 730000，China

The Wangjiagou Fault set，a set of Holocene active faults，is located atwestern suburbs of Urumqi City.The faults dislocated the gravel platform of themid Pleistocene and the third level terrace of the Wangjiagou east bank，generating apparent fault scarps of opposite-slope direction on the surface with clear geomorphic traces.There are a series of deformation indications on landform，such as seismic fault，scarp and upheaval.In the field，thirty-nine groups of data weremeasured by using line tape along the fault.Among them，six were measured on the third level terrace of the Wangjiagou，and the others on themid Pleistocene platform.Based on the datameasured across the fault，we obtain that the height of the scarps is 0.4 ～ 1.6m and the width of the fault deformation is about 50m on the third level terrace.And on themid Pleistocene platform，the heightof scarps is1.5 ～5.0m and thewidth of the deformation is about90m.After comparing the profile of strong topographic deformation zone with the trench section，we primarily recognize that the ratio of hanging wall to footwall deformation width is 2：1approximately.The widths of strong surface deformation belt on the mid Pleistocene platform and the third level terrace on the two walls are 60m，30m and 33m，17m，respectively.

Wangjiagou Fault set，deformation feature，safety distance，Urumqi

P315.2

A

0253-4967(2011)01-0056-11

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.006

2009-08-20收稿，2010-12-03改回。

中國地震局“天山北麓活動構(gòu)造及地震危險性評價技術(shù)”項目(20080813)和新疆地震科學(xué)基金(200903)共同資助。

吳傳勇，男，1978年生，2002年畢業(yè)于吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，2005年在中國地震局蘭州地震研究所獲得碩士學(xué)位，助理研究員，主要從事活動構(gòu)造方面的研究，電話：0991-3820426，E-mail：wuchuanyong 001@163.com。