乌鲁木齐王家沟断层组地表变形特征及强变形带宽度

吴传勇 沈 军 史 杰 李 军 向志勇

1)新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 8300112)中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

乌鲁木齐王家沟断层组地表变形特征及强变形带宽度

吴传勇1)沈 军1)史 杰2)李 军1)向志勇1)

1)新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐 8300112)中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

王家沟断层组断错了中更新世砾石台地及王家沟东岸的Ⅲ级阶地，地貌形迹非常清晰，地表变形现象主要表现为地震断层、断层陡坎和挤压鼓包等。根据不同地貌面上跨断层测量获得的一系列实测数据，得到王家沟Ⅲ级阶地上的地表陡坎高度为0.4～1.6m，最大变形带宽度为50m左右;中更新世台地上的陡坎高度多为1.5～5.0m，最大变形带宽度为90m左右。利用探槽开挖揭露出的断层位置与地表强变形带测量剖面的叠加对比，初步确定王家沟断层组上、下盘之间变形宽度的比例为2：1左右，并由此讨论了王家沟断层组上、下盘的“避让带”宽度问题。

王家沟断层组 变形特征 强变形带宽度 乌鲁木齐

0 引言

活断层不仅是孕育地震的重要原因之一，而且还是产生地震灾害的主要元凶，紧靠地震断层的建筑物往往受到地震断层的直接破坏而完全损毁。世界上近期几次大地震的灾害特点之一就是沿着地震破裂带受灾特别严重，如1999年的土耳其伊兹米特7.8级地震和1999年台湾集集7.6级地震，沿发震断层及两侧十几米范围内的建筑物几乎夷为平地，而两侧距断层仅几十米的建筑物主体结构破坏就轻得多(中国地震局赴土耳其地震现场考察专家组，2000;李锡堤等，2000)。2008年的汶川8.0级地震也具有类似的灾害特征，龙门山断裂带的中央断裂与山前断裂地表破裂带宽度一般＜40m(徐锡伟等，2008;周庆等，2008;于贵华等，2009)，在断层破裂带经过之处，几乎所有的建筑物都被毁坏(张培震，2008)，破裂带之外的破坏情况则明显轻得多。目前地震地表破裂带上的建筑物和生命线工程是难以通过抗震设计的手段实现减灾的，“避让”是减轻此类灾害的首选对策。因此，使一些重要建筑设施避开活断层一定的距离，可有效地减轻未来可能遭遇的地震灾害损失(徐锡伟等，2002)。在城市和人口密集地区对土地利用率的要求与最大限度地避开潜在地震活断层之间的矛盾日益突出。

乌鲁木齐地区位于北天山山前断展褶皱系与博格达推覆构造系的转换部位(邓起东等，2000;沈军等，2007)，新构造运动强烈，活动断层较为发育 (图1)。其中王家沟断层组是位于乌鲁木齐西郊的1条主要的全新世活动断层组，该断层组新活动迹象明显，沿断层组存在清晰的古地震形变带(沈军等，2007;冉勇康等，2007;吴传勇等，2008，2009)，未来仍具有发生地震地表破裂的可能，是可能对附近建筑设施造成地震灾害的重要断层。目前，乌鲁木齐西郊地区已经被规划为重要的能源化工基地，大量的重要建筑设施邻近断层建设。如何确保这些建筑设施既能避开地震断裂带，又能保证土地的合理利用，是一项亟待解决的问题。我们在沿王家沟断层组地质地貌调查的基础上进行了探槽开挖，揭露出了断层的一些变形特征和变形样式，同时结合利用皮尺跨断层测量获得的多条形变带宽度数据，对王家沟断层组的避让带宽度进行了初步的讨论。

图1 天山地区的数字地形高程模型图(a)和乌鲁木齐地区的构造简图(b)Fig.1 Topographic map generated from the digital elevationmodels of Tianshan mountains area(a)

1 王家沟断层组的地表变形样式

王家沟断层组西起头屯河东岸，向东经过王家沟截止于苜蓿沟附近。该断层组展布在西山北麓向N缓倾的中更新世洪积台地上，由4条NEE向大致平行的次级断层近等间距排列组成，自北向南各条断层的长度分别为8.7km、9km、10.8km和12.7km。该断层组均为断面N倾的逆断层，断错了中更新世砾石台地及王家沟东岸的Ⅲ级阶地，地貌形迹非常清晰(吴传勇等，2008;沈军等，2008)。地表调查和探槽开挖显示，王家沟断层组的地表变形现象主要表现为地震断层、断层陡坎和挤压鼓包等(图2)。

1.1 地震断层

王家沟断层组的地表破裂样式多以逆断层形式出现，断层切割了西山北麓的中更新世砾石台地和王家沟东岸的Ⅲ级阶地，形成反坡向陡坎，标志非常醒目。跨陡坎开挖的一系列探槽剖面显示，断层面均为N倾，倾角多在30°～70°之间，断层运动方式以逆冲为主，未见明显的走滑分量。很多情况下，断层在近地表并不是一条简单的断面，而是分散成多条倾角不同的滑动面。从多个探槽揭露的情况来看，这些逆冲断面主要集中在5m宽度的范围内。

在八钢南的探槽剖面揭露出3条断层，依次命名为f1，f2，f3(图3)。f1和f2是剖面上的2条主断面，均为逆断层。f1断层的产状为60°/NW∠35°～40°，断面没有完全断错层③，被近地表厚约2.5m的砂砾石层埋藏;f2断面略陡一些，产状为60°/NW∠40°～50°，断层断错了剖面中的所有地层，通达地表。在f2断层的上盘还分裂出1条陡倾的次级断面，倾角达80°左右，该次级断面也没有完全断错层③，埋藏于地下。在剖面北侧地层褶曲变形最明显的地段，还发育1条正断层f3，断层倾向323°，下部倾角63°，上部倾角变缓，仅42°左右，断层垂直断距不大，不足0.2m。该正断层应该是在断层上盘地层褶曲变形的过程中由局部张应力形成的。在近地表变形过程中，逆断层上盘的地层由于局部拉张应力常会形成一些次级正断层或张性裂隙，汶川地震的同震破裂带上多处可见正断层陡坎或垮塌型陡坎(于贵华等，2009)，这些次生构造对建筑物的破坏作用也是显著的。

图2 王家沟断层组航片影像(a)与古地震形变带分布图(b)Fig.2 Aerial photograph image of the Wangjiagou Fault set(a)

图3 八钢南王家沟断层组剖面Fig.3 Profile of theWangjiagou Fault set at south of Bagang.

1.2 断层陡坎

断层陡坎分布最为广泛，主要发育在西山北麓的中更新世砾石台地以及王家沟东岸的Ⅲ级阶地上。在王家沟东岸，F1断层断错了河流的Ⅲ级阶地，在地表形成明显的反坡向陡坎，陡坎较连续，除阶地面上的现代冲沟内没有断错变形外，其余地段均发育有明显的陡坎。陡坎高度0.4～1.6m，最大坡角4°左右;F3断层也断错了王家沟东岸的Ⅲ级阶地，形成较为连续的反坡向陡坎，坎高0.9 ～1.4m，最大坡角3°～4°(图4a，5)。头屯河至王家沟之间，F2、F3和 F4断错了中更新世砾石台地面，在地表形成清晰的反坡向陡坎，其中F2上的陡坎较为连续，高度多在3.0～5.0m 之间，最大坡角10°左右;与F2相比，F3的断层陡坎高度明显减小，多在1.5～3.0m之间，仅在王家沟以东的局部地段高度达到5m左右;陡坎不连续，由一系列断续分布的陡坎斜列组成，最大坡角5°左右(图4b)。F4断层位于西山断隆北坡的山岭与中更新世砾石台地的衔接部位，断层活动形成的反向陡坎使得水流受阻改向，水流将原始陡坎侵蚀改造，平面上呈舒缓的波状形态，陡坎的高度也大大增加，十分醒目。我们在王家沟东岸没有遭受明显剥蚀改造的地段进行了测量，陡坎高度在3.5～4.0m之间，最大坡度10°左右。

1.3 挤压鼓包

主要分布在F2断层上。在头屯河至王家沟之间发育有9个挤压鼓包，鼓包长轴方向多为80°左右，与断层走向基本平行，仅在烟尘处理场东侧的2个鼓包长轴方向略有差异，为90°～100°。这些鼓包大小不一，其中以烟尘处理场西侧和牧民点南侧的规模最大，最长达350m左右，隆起宽度为80m左右。鼓包呈不规则的长椭圆形态，高度多在3m左右，个别可达5m以上，剖面上不对称，东南坡明显高于西北坡;东南坡最大坡角15°左右，西北坡最大坡角为10°(图6)。跨鼓包开挖的探槽显示，鼓包东南坡多发育有逆冲断层，断层错距不大，而非错动形式的地层弯曲褶皱变形十分明显，占整个变形量的一半以上。

图4 王家沟断层组上发育的断层陡坎Fig.4 The fault scarps of theWangjiagou Fault set.

图5 王家沟Ⅲ级阶地上的实测变形地貌及地形剖面图Fig.5 Measured fault scarps and topographic profile on the third terrace of theWangjiagou river.

图6 头屯河东岸F2断层上的挤压鼓包Fig.6 Compressional upheaval on fault F2 at east bank of the Toutun river.

2 王家沟断层组强变形带宽度的确定

断错地表的大地震给人类带来灾难损失的同时，也在地表留下了一系列的变形痕迹，为研究地震的地表破裂特点和宽度等问题提供了很好的机会。前人通过对1999年土耳其伊兹米特7.8级地震(中国地震局赴土耳其地震现场考察专家组，2000)、1999年台湾集集7.6级地震(李锡堤等，2000)、2001年昆仑山口西8.1级地震(徐锡伟等，2002)以及2008年汶川8.0级地震(徐锡伟等，2008;周庆等，2008)的地表变形进行详细的测量调查，获得了重要的定量数据，为断层的避让问题提供了一些参考。然而，国内绝大部分地震断层在短期内可能不会产生地震地表破裂，如何对这些构造的地表变形问题进行讨论，前人尚未进行尝试。本文通过跨断层进行的一系列古地震形变带和陡坎的细致测量，获得了重要的定量数据。

王家沟断层组主要断错了2个地貌面：西山北麓的中更新世砾石台地和王家沟东岸的Ⅲ级阶地。我们沿王家沟断层组测量获得的变形数据共39个(表1)，变形带宽度采用皮尺测量，地形坡度采用地质罗盘测量。考虑到测量过程中地形地貌以及地质罗盘的误差等因素的影响，测量数据会存在一定的误差，估计误差在10%以内。

逆断层在变形过程中，一部分位移量在近地表转化为地层的褶曲，这部分变形虽然没有直接断错地层，但却使地层和地貌面发生了明显的褶曲或倾斜，这也是造成地表建筑物倒塌或损毁的重要因素，汶川地震的震害特点也证明了这一点(于贵华等，2009)。离开断层一定距离后，虽然断层两盘也存在相对运动，但是地层没有发生断错或褶曲变形，地貌面也没有产生明显的地表变形梯度(即单位距离内地表坡度的变化幅度很小)，而是表现为整体的抬升或沉降，在这样的地区地表建筑物的破坏就要轻得多(于贵华等，2009)(图7)。因此，本文中将地形坡度没有发生明显变化的地段做为断层强变形带的边界。

图7 逆断层地表破坏特征示意图Fig.7 Sketch map of the characteristics of surface damage along reverse fault.

古地震研究表明，王家沟断层组的古地震具有原地复发特征(冉勇康等，2007)，那么不同的地貌面所经历的古地震期次也不同。西山北麓的中更新世砾石台地是距今20～30万a以来形成的;而王家沟的Ⅲ级阶地是晚更新世的产物，形成于距今约4万 a左右(吴传勇等，2008，2009)。显而易见，形成年代更久远的中更新世台地经历的古地震次数更多，错动面经历了多次错动，累积了更大的位移量和变形宽度，测量数

据也证实了这一点;而断层在王家沟Ⅲ级阶地上的变形宽度要稍小一些。因此，在确定断层强变形带宽度的问题上，我们根据不同的地貌面进行了区别对待。表1中，在王家沟Ⅲ级阶地上的测量数据有6个，其变形带宽度在20～40m之间，地表陡坎高度在0.4～1.6m之间，考虑到测量数据的误差以及断层所引起的地壳缩短，确定王家沟断层组在Ⅲ级阶地上的最大变形带宽度为50m左右。中更新世砾石台地上的变形带宽度主要集中在25～65m之间，仅个别观测点变形宽度达到80m左右;陡坎高度多为1.5～5.0m。考虑到测量数据的误差以及断层所引起的地壳缩短，确定王家沟断层组在中更新世台地上的最大变形带宽度为90m。我们得到的强变形带宽度略大于汶川8.0级地震、集集7.6级地震等同为挤压逆断层型地震的单次地表破裂带宽度是合理的。

表1 王家沟断层组强变形带测量数据Table 1 Strong deformation data of the Wangjiagou Fault set

逆断层的地表破裂过程是十分复杂的，在主断面明显断错地表的同时，抬升盘往往发育牵引褶皱、弯曲褶皱、断弯褶皱或基底压缩褶皱，以及次级背冲断层、张性裂缝等次生构造(徐锡伟等，2002)，使得逆断层上盘的强变形带宽度远大于下盘。汶川8.0级地震的地表破裂特征也印证了这一点，逆断层上、下盘的地表破裂或强变形存在着明显的差异，下盘变形量和次生破裂(裂缝)较少，上盘近断层附近则发育大量的张性裂缝等次生构造(徐锡伟等，2008)。多个探槽揭露出王家沟断层组的地表变形样式也具有类似的特点，断层上盘的变形宽度明显大于下盘。因此，在确定逆断层两侧的变形带宽度时，不能对变形带总宽度进行简单的平均。目前，关于逆断层上、下两盘变形带宽度的比例关系尚无专门的研究和可供参考的数据，我们根据多个大型探槽开挖揭露出的断层位置与对应变形带测量数据的对比(图5，6，8)，初步确定王家沟断层组断层上、下盘之间变形宽度的比例为2：1左右，由此分别确定出中更新世砾石台地和王家沟Ⅲ级阶地上断层上、下盘强变形带的宽度分别为60m、30m和33m、17m。

图8 王家沟断层组上、下盘强变形带宽度示意图Fig.8 The width of the intense deformation between the two walls of the Wangjiagou Fault set.

3 结论与讨论

王家沟断层组断错了中更新世砾石台地及王家沟东岸的Ⅲ级阶地，地貌形迹非常清晰，地表破裂现象主要表现为地震断层、断层陡坎和挤压鼓包等。根据不同地貌面上跨断层测量的一系列数据，得到王家沟Ⅲ级阶地上的地表陡坎高度在0.4～1.6m之间，最大变形带宽度为50m左右;中更新世台地上的陡坎高度多在1.5～5.0m之间，最大变形带宽度为90m左右。

利用探槽开挖揭露出的断层位置与地表强变形带测量剖面的叠加对比，初步确定王家沟断层组上、下盘之间变形宽度的比例为2：1左右，由此分别确定出中更新世砾石台地和王家沟Ⅲ级阶地上断层上、下盘强变形带的宽度分别为60m、30m和33m、17m。这一定量数据为确定王家沟断层附近建筑物的避让距离提供了参考。考虑到地震破裂过程的复杂性和不确定性，保守起见，建议确定断层避让距离时采用最大的变形宽度，即断层上、下盘需要避让的宽度分别为60m、30m，这一宽度远小于《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)规定的200～300m发震断裂的最小避让距离。

本文中的“避让带”宽度仅是根据地表测量的强变形带宽度确定的，是避免地震断层直接错动地表而导致建筑物破坏的最小距离，希望这一定量数据能够给王家沟断层组附近地区的规划设计和断层避让问题提供参考。另外，对于逆断层上、下盘之间强变形带的分配比例关系，还需今后进行专门的研究。

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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。

中国地震局“天山北麓活动构造及地震危险性评价技术”项目(20080813)和新疆地震科学基金(200903)共同资助。

吴传勇，男，1978年生，2002年毕业于吉林大学地球科学学院，2005年在中国地震局兰州地震研究所获得硕士学位，助理研究员，主要从事活动构造方面的研究，电话：0991-3820426，E-mail：wuchuanyong 001@163.com。