乌鲁木齐九家湾断层组末端变形特征分析*

吴国栋， 常想德， 胡伟华

(1.新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011； 2. 中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京 100029)

随着社会经济不断发展，城市尤其是大中型城市的发展不断趋向集中化，人口急剧增加，进而产生城市建设对土地的迫切需求。然而城市内分布的活动断层制约了城市的发展，为减轻地震灾害、保障人民群众的生命和财产安全，城市的规划建设需要避开活动断层带，在土地资源稀缺的情况下对活动断层的准确位置、终止点、位错量等方面的要求更加精确和细致。因而，在进行活动断层探测时工作深入程度较以前有很大提高，揭示的断层变形特征越来越细致，对断层末端的变形特征也有了具体认识。从而在一定程度上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有所缓解。本文中通过对乌鲁木齐九家湾断层组第二条断层(F2)西端开展详细勘探，分析了该断层西端变形的基本特征。

根据早期影像，九家湾断层组在台地上断层陡坎迹象清晰，然而对于该断层向西南、东北是否延伸，延伸至九家湾台地两侧更年轻的地貌面其变形特征如何，都是需要回答的问题。已有工作表明，九家湾断层组第三条(F3)向东北延伸，在低一级地貌面(进入主城区部分)，发现了断层错断的直接地质证据[1]。本文中对九家湾断层组第二条(F2)向西南延伸情况着重进行追索，主要采用了地质探槽开挖直接揭示断层方法。

1 乌鲁木齐地质构造背景

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交汇部位[2-3]，以乌鲁木齐河为界，以西为北天山山前构造发育的NEE向活动构造，以东为博格达西翼发育的NE向活动构造(图1)。前者属于典型的山前薄皮推覆构造体系[3-4]，由发育在上地壳中埋深10～18 km向南缓倾的滑脱层[5]、由南向北逆冲并归于滑脱层的断层系及西山断块掀斜隆起组成；后者属于逆冲推覆构造，由根部逆冲断裂带、中部滑脱层和前缘挤压构造带组成[3,6]。

乌鲁木齐市及周边分布众多晚第四纪活动断层，如乌鲁木齐西山南缘的西山断裂、西山北缘中更新世砾石台地上的王家沟、九家湾断层组等，断层走向以NE、NEE为主(图1)，与东西两侧推覆构造展布方向一致。对这些断层的规模、活动时代、活动性质、活动速率等均有较为详细的研究[7-9]。断层以逆冲性质为主，其中的九家湾断层被认为是全新世正断层。

图1 乌鲁木齐市及周边地震构造示意图

2 九家湾断层组基本特征

九家湾断层组、西山断层及王家沟断层组均属于北天山山前推覆构造体系的前缘断层，为相对独立的西山断隆中发育的断裂构造[7]。九家湾断层组由4条走向NE、主断面NW倾的正断层组成，由北向南编号分别为F1、F2、F3和F4，各条断层间近等间距排列，长度3.2～6.8 km不等(图2)，根据最新资料，其中F3长度超过10 km。该断层组展布于苜蓿沟以东，黑山头以西的中更新世洪积台地上，该台地面与王家沟河谷两岸的高台地是一致的，都属于西山隆起北翼缓坡高台地地貌，九家湾断层组断错了该地貌面，地貌上形成断层沟槽，构造变形迹象非常清晰。

图2 九家湾断层组平面分布图

3 九家湾断层组F2断层西末端特征

图3 九家湾断层组F2西末端探槽位置图

九家湾断层组在Q2砾石台地上在影像上迹象清晰，探槽揭示出呈地堑模式的相向倾斜的一组正断层，形成宽度30～50 m构造槽谷。探槽揭示出北倾正断层垂直位错0.75～1.25 m，南倾正断层垂直位错0.3～0.6 m[7]。而断层向西南延伸，进入年轻地貌面(全新世阶地面)时，地表断层迹象不清晰。根据地球物理勘探结果[10]及断层延伸方向，垂直其走向开挖两条大型探槽(图3)，来揭示断层在晚第四纪地貌面上的活动及变形情况。

探槽TC1长50 m，宽1.5 m，深3.5 m，走向为140°。探槽揭示出3个大的层位，即层U1、层U2、层U3(图4)。

① 层U1为地表土层，含砾石，呈褐红色；

② 层U2为浅黄色卵砾石层，层理不清，泥质胶结，砾石分选较差，磨圆中等，粒径以1～2 cm为主，少数5～10 cm。断层顶部可能延伸至该层底部；

③ 层U3灰色砾石层，略具层理，分选较好，粒径多数以1 cm左右，少数3～5 cm，大者10 cm。夹黄白色、灰黄色砾石薄层，基本没有胶结，为局部洪水形成。通过标志层判断断层垂直错距为3～5 cm。该层又可分为6个小的层，主要表现为层位颜色、粒径大小等方面的差异，以U3-1至U3-6标示(图4)。

图4 九家湾断层组F2探槽TC1东壁断层附近剖面图

由此可见，探槽TC1揭示出断层未错动该级地貌面顶部，断层上断点埋深1 m左右，并且探槽仅揭示出一条断层，为北倾的主断层，断层产状为330°∠78°，断层垂直断距仅有3～5 cm。断层接近于一条裂缝，同时断层两侧砾石层变形也较为微弱。

探槽TC2长200 m，宽1.5 m，深4～5 m，走向为330°。由于先于TC1开挖的TC2，由北向南挖TC2时，开始未发现断层错动迹象，加之该断层在此段地表迹象不清，位置难于控制，因此开挖了200 m长。最终经仔细辨识在探槽北侧发现了断层错动迹象。探槽揭示出7个层位，即层U1至层U7(图5)。

① 层U1地表土层，淡黄色，含砾石；

② 层U2灰色砾石层，略具水平层理，粒径以1 cm左右为主，少数3～5 cm，分选较好，磨圆呈次圆状；

③ 层U3灰白色砾石层，层理不清，粒径3～6 cm，分选差，泥质胶结，磨圆较好；

④ 层U4土黄色砾石层，泥质胶结，推测为局部气候形成的山洪堆积，砾石层理不清；

⑤ 层U5青灰色砾石层，呈透镜体状，粒径以1 cm左右为主，个别2～3 cm，分选较好，略具层理，磨圆较好；

⑥ 层U6灰色砾石层，略具层理，粒径以1～3 cm为主，少数5～7 cm，分选一般，磨圆中等；

⑦ 层U7灰白色砾石层，该层与上部层相比，粒径显著增大，多数在4～8 cm，少数10 cm左右，分选较差，层理不清，磨圆较好，胶结程度较弱，夹有青灰色砾石透镜体及灰黄色砾石薄层。

图5 九家湾断层组F2探槽TC2西壁断层附近剖面图

根据层U6和层U7之间的灰白色砾石薄层，判断断层垂直错距3～5 cm，同时根据层U7下部深灰色砾石层的上下盘层位对应，断层垂直错距为20～25 cm。断层面倾向335°，断层倾角下部接近直立，上部稍有变缓亦有75°左右，沿断层砾石定向排列特征明显。

综上所述，通过大型探槽开挖，揭示出九家湾断层组F2西末端的错动迹象。已有成果表明[7]，九家湾断层组每条断层为相向倾斜的正断层，小型地堑模式构造，与之相比，此次在九家湾断层组F2末端揭示的断层仅显示了北倾的主断层，同时断层上断点埋深1 m左右，断层垂直错距仅3～25 cm。

另外，九家湾断层组在砾石台地上断层倾角一般50°～70°[11]，而此次探槽揭示的断层倾角均在75°以上。

4 认识及讨论

根据已有研究成果，对比此次探槽开挖揭示的断层变形特征。

(1) 九家湾断层组在九家湾中更新世砾石台地上表现为相向倾斜的正断层地堑构造模式，而向西延伸进入年轻地貌面(Ⅱ、Ⅲ级阶地面)，断层以北倾的主断层活动为主，并且断层带缩小成一条裂隙，断层两侧地层变形程度较弱。

(2) 断层上断点由九家湾台地接近错至地表，至西末端埋深1 m左右，表明断层错断过程中间向两端能量逐渐衰减，到了末端能量仅能错至地表下一定深度处。

(3) 两个探槽揭示的断层垂直位错量3～25 cm，与九家湾台地上断层垂直错断0.3～1.25 m相比，明显较小，同时探槽TC1、TC2平面距离90 m，由东向西断层垂直位错由25 cm降至3 cm，可见末端变形衰减加快。同时探槽TC2底部位错较上部位错大，由25 cm减小到3～5 cm。总之断层变形幅度既有水平方向上向末端衰减，又有垂向上由底部向上衰减的特征。

全面研究九家湾断层组变形特征，需要综合各条断层已有资料，对整条断层变形特征进行分析，同时各条断层之间变形特征存在的差异也应做进一步分析，既要横向又要纵向对比研究。将在后续工作中做进一步研究。

在野外现场工作中，特别感谢吴传勇副研究员、姚远高级工程师的积极参与和现场讨论，为准确认识断层错断特征提供了有益探讨。