耿　昭，李　軍，吳國棟

（1.新疆大學地質與礦業(yè)工程學院，新疆烏魯木齊830047；2.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆烏魯木齊830011）

用逐一布線法獲取探槽地層縮短量
——以博—阿斷裂中東段為例

耿昭*1，李軍2，吳國棟2

（1.新疆大學地質與礦業(yè)工程學院，新疆烏魯木齊830047；2.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆烏魯木齊830011）

前人對于逆斷層探槽近地表縮短量的研究方法主要是依托于角度長度的分段測量數(shù)據(jù)，依據(jù)理論模型計算其縮短量數(shù)值。以博—阿斷裂中東段托爾遜南蘇巴什活動背斜北翼的一個探槽為例，采用逐一布線擬合地層撓曲的方法獲取的總縮短量，并與理論模型計算值進行對比。通過分析得知此方法可行且在數(shù)據(jù)精度上可靠程度更高。

逐一布線擬合地層；探槽剖面；縮短量；長度守恒

地震地表形變具有十分復雜的力學成因和空間幾何特點（鄧起東等，1989；徐錫偉等，2002、2008）。地表變形量在空間分布上復雜多變，詳細精確的測量和對變形量的定量分析對于同震地表變形帶的幾何學、發(fā)震斷裂區(qū)域構造運動學等具有重要的意義（陳桂華等，2008）。地震斷層的近地表縮短量是表征同震地表變形的關鍵基礎數(shù)據(jù)，獲取地震斷層的近地表縮短量的準確性關系到斷裂最新一期活動的幾何學、運動學性質的確定，活動性參數(shù)的準確性，以及地震危險性評價的可靠性。在擠壓活動構造區(qū)往往發(fā)生逆沖型大地震，2015年4月25日尼泊爾8.1級特大地震就發(fā)生在喜馬拉雅逆沖構造帶內，震源機制解顯示為逆沖性質。2008年汶川8級地震沿龍門山斷裂帶產生20多公里的逆沖—走滑型地震破裂帶（徐錫偉等，2008），其震源機制解也顯示此次地震為逆沖型特大地震（張培震等，2008）。位于新疆中天山與北天山交界處的博阿斷裂東段以逆沖性質為主，對地震危險性研究具有重要的研究價值。本文以博阿斷裂中東段蘇巴什活動背斜北翼一探槽為例，采用逐一布線法獲取探槽中特征地層縮短量，并進行合理的定量分析。

1　地質構造背景概述

博阿斷裂位于中天山與北天山分界處，被認為是一條晚古生代形成的板塊縫合帶（沈軍等，2001）。研究區(qū)位于博阿斷裂中東段，呈東西向展布延伸入山區(qū)中，西段以右旋走滑的性質為主，以烏蘇通溝為斷裂性質的轉折點，東段以低角度逆斷層為主兼有一定走滑性質。通過航片解譯，我們在博阿斷裂北側山前第四紀地層中觀察到斷層陡坎、河流沖溝右旋等斷層跡象，反映研究區(qū)在第四紀以來仍具有一定的活動性。通過數(shù)字影像資料解譯、野外地質調查，認為蘇巴什背斜構造為一條活動背斜構造，該活動背斜構造呈近東西走向，全長約16km。

2　逐一布線法

在第四紀地層縮短量定量分析的過程中，若目標地層符合平衡地質剖面方法的基本假設，即變形過程中地層剖面上的地層長度或面積保持不變，則認為可采用平衡地質剖面的方法將形變后的地層恢復至形變前的地層形態(tài)。

依據(jù)平衡地質剖面原理結合研究區(qū)活動性質，可將逐一布線法的流程概括如下：

（1）數(shù)字影像資料解譯：通過數(shù)字影像資料的解譯觀察是否存在明顯的斷層跡象，如數(shù)字影像條帶狀色調的異?；蚝恿魍驈澢取?/p>

（2）野外地質調查：根據(jù)數(shù)字影像解譯資料進行野外地質調查。采用以追索法為主穿越法輔助的原則追蹤斷層跡象，確定斷層基本性質。

（3）識別第四紀活動構造：主要解決斷裂的斷裂性質、是否為活動斷層、在何處開挖探槽等一系列問題。這一步驟是確定開挖探槽進一步研究前的關鍵步驟。

（4）確定典型地點開挖探槽：開挖探槽的基本原則是最大限度地從地質記錄中揭露和獲取古地震信息（鄧起東等，2004）。

（5）符合逐一布線法地層條件的特征地層應滿足以下幾個條件：

①特征地層在變形過程中是相對強硬的地層，在變形過程中無塑性變形；

②特征地層在變形前的厚度和長度基本保持恒定；

③特征地層在變形過程中沒有物質的流入流出。

（6）獲取地層縮短量：特征地層符合平衡地質剖面的基本假設。因此，在確定了特征地層之后，就可以根據(jù)特征地層的特征采用面積守恒或長度守恒原理，在探槽現(xiàn)場擬合特征地層的面積或長度。在探槽現(xiàn)場，我們采用釘線的方式擬合特征地層的每一個變形點。在釘線時，應選用收縮性小，擬合過程中長度基本不變的線繩才能盡可能準確的擬合特征地層的長度。對比特征地層變形前后的長度差即可得到該地層準確的縮短量。

3　案例分析

在博阿斷裂帶中東段1∶5萬活斷層填圖工作中，為準確獲取研究區(qū)內最新一次事件的縮短量，我們在研究區(qū)地貌陡坎比較平直連續(xù)、沖溝右旋跡象明顯的地點嘗試選取探槽開挖的方式來準確的獲取縮短量。

在蘇巴什活動背斜隆起處開挖的探槽中，發(fā)現(xiàn)3條錯動第四紀地層的斷層。受南側反沖斷層（F1）的擠壓作用影響，第四紀地層出現(xiàn)明顯的錯位揉皺現(xiàn)象，在探槽剖面上顯示出明顯的地層撓曲，通過觀察認為地表形成的陡坎屬于斷層與撓曲疊加形成的陡坎。本文選取形變跡象明顯的標志地層并采用逐一布線發(fā)獲取其形變長度，采用標志地層恢復方法將標志地層恢復至震前形態(tài)，取得近地表縮短量。

3.1斷層描述

圖1　探槽剖面圖

如圖1所示，探槽中由南向北共出露3條斷層，依次命名為F1、F2、F3。其中，F(xiàn)1為反沖斷層，產狀345° ∠34°，該斷層下部有一小分支斷層，后與主斷層合并為一條，分支斷層跡象不甚明顯產狀無法取得。斷層上下盤地層可清晰對應，近斷層處可見因斷層作用地層出現(xiàn)的明顯撓曲揉皺現(xiàn)象。F2為逆掩斷層，產狀183° ∠25°，斷層兩側地層明顯不同，上下盤無法對應，有一套崩積楔礫石堆積。F3為逆掩斷層，產狀185°∠25°，斷層上下盤地層對應較清晰，近斷層處上下盤地層對應較明確，出現(xiàn)兩套崩積楔礫石堆積。探槽內跡象表明，反沖斷層F1是在逆掩斷層F2、F3之后形成的，而斷層F1的上升盤在斷層F2附近未發(fā)現(xiàn)礫石定向排列、部分地層撓曲等地層受力形變等情況。由此可知，斷層F1上下盤形成的地層撓曲僅由斷層F1的錯動形成，未受到斷層F2的錯動影響。

3.2地層分層

探槽剖面如圖1所示，在探槽中共計出露17套地層。除表層土和斷層F2形成的崩積楔堆積以外，上升盤出露6套地層，下降盤出露8套地層，現(xiàn)根據(jù)圖1將各套地層描述如下。

（1）表層土，褐紅色砂土，下部含鹽，厚10～15cm。

（2）灰黑色含礫表土層，厚約15～30cm，有近水平層理。

（3）青灰色鹽堿礫石層，發(fā)育斜層理，礫石粒徑約1～3cm，少量達5cm，與上伏表層土呈角度不整合接觸。

（4）青灰色礫石層，厚0.5～1m，層理不發(fā)育，礫石粒徑約3～5cm，少量10cm，分選度較好，磨圓度一般。

（5）灰黃色細砂與灰色粗砂互層，發(fā)育近水平層理，單層厚度約0.1m，夾少量礫石薄層，靠近斷層F1處形變明顯。

（6）青灰色鹽堿礫石層，發(fā)育斜層理，礫石粒徑約1～3cm，少量達5cm，與上覆表層土呈角度不整合接觸。

（7）青灰色礫石層，厚0.5～1m，層理不發(fā)育，礫石粒徑約3～5cm，少量10cm，分選度較好，磨圓度一般。

（8）灰黃色細砂與灰色粗砂互層，發(fā)育近水平層理，單層厚度約0.1m，夾少量礫石薄層，靠近斷層F1處形變明顯。

上述層（3）～（8）在斷層F1上下盤分布。其中層位（3）～（5）在斷層F1的上升盤分布，層（6）～（8）在斷層F1的下降盤分布。通過對F1斷層南北兩側地層觀察對比認為層（3）和層（6）、層（4）和層（7）、層（5）與層（8）呈對應關系，認為震前各自對應為同一地層。

（9）黃白色含鹽土層，質地堅硬，含有細礫，局部略顯層理，鹽呈圓粒狀膠結，該層上界局部有小范圍崩積楔堆積（17）。

（10）灰色鹽堿層，在斷層F3上升盤靠近斷裂處測得10°左右的層理，有向斷層F3彎曲的趨勢，下部為礫石堆積。

（11）灰色砂礫石互層，呈水平層理，含有鹽堿層，厚15～25cm，此地層下部含有3cm厚的黃色粉土，膠結一般，相對松軟。

（12）黃白色含鹽土層，質地堅硬，含有細礫，局部略顯層理，鹽呈圓粒狀膠結。

（13）灰色鹽堿層，有斜層理，此層下部為崩積楔礫石堆積層，中部夾砂層透鏡體，存在一個微角度不整合，約4°左右。

（14）灰色砂礫石互層，呈水平層理，含有鹽堿層，厚15～25cm，膠結一般，相對松軟。

（15）崩積楔礫石堆積，在（10）層與（13）層下部均有出現(xiàn)。

（16）崩積楔礫石堆積，位于F3下降盤近斷層處表層土覆蓋下部。

（17）崩積楔礫石堆積，在（9）層上界局部堆積。

層（9）～（16）在斷層F3上下盤分布。其中層（9）～（11）在斷層F3的上升盤分布，層（12）～（16）在斷層F3的下降盤分布。通過對F3斷層南北兩側地層觀察對比認為上層（9）和層（12）、層（10）和層（13）呈對應關系，震前為同一地層；層（11）和層（14）雖包含物質成分相近但含鹽層無法對應；層（15）、（16）認為是兩次不同地震事件形成的崩積楔礫石堆積，在第一次地震事件（15）之后形成地層再沉積，發(fā)生第二次地震事件形成（16）。

3.3測量縮短量特征地層的選取及縮短量獲取

在F1斷層附近的地層（5）和（8）是一套細粗砂互層，選取其中一套細砂層為測量縮短量的特征地層的原因如下。

首先，該套砂層的成分單一壓實度較好，不含礫石鹽堿等脆性較大的物質，在變形過程中是相對強硬的地層，其層位的錯動撓曲可以被認為僅由斷層活動導致該地層受力平衡結構改變造成，不存在發(fā)生塑性變形，在變形過程中無物質流入流出。其次，該砂層的砂礫大小、質地均一、層理近水平，可以認為是自然沉積過程中的平整連續(xù)地層，符合平衡地質剖面的基本假設。運用面積守恒原則（尼可拉斯·B·伍德華特等，1991）能夠較好地反映近斷層縮短量與真實值之間的關系。再次，該細砂層的厚度較小且基本無變化，雖然在斷層附近產生撓曲有部分未完全錯斷開，在層厚均勻且厚度較小的情況下，面積守恒原則可簡化為長度守恒來運用。由此可見該細砂層在粒度、厚度、物質等各方面具有獲取縮短量的優(yōu)勢條件。

通過觀察發(fā)現(xiàn)，特征地層位錯后上下盤總體相應呈水平層理，僅在斷層F1附近有部分撓曲。因此認為在斷層F1附近的縮短量僅由斷層F1的一次錯動造成。而斷層F1上升盤的特征地層北部近斷層F2處并未發(fā)現(xiàn)撓曲，礫石定向排列等受力跡象，因此推斷斷層F2僅起到阻擋作用，并無應力作用使特征地層產生形變。

采用逐一布線法獲取縮短量，用伸縮性小的線繩及釘子沿特征地層的下沿擬合該地層的撓曲情況，并在斷層F3上下盤特征地層產狀均一處釘線，測得該套地層的縮短量為187cm，垂直斷距為115cm，水平縮短為159±5cm。

4　結果對比及分析與討論

4.1采用模型計算方法的縮短量分析

被揉皺第四紀特征地層在斷層F1附近呈現(xiàn)折曲形式，因此采用理想的縮短量計算公式，即S=H/tanθ （S為斷層水平縮短量理論值，θ為斷層傾角，H為垂直斷距）來計算該套地層的近地表縮短量，相當于認為該地層被直接錯斷，忽略了撓曲縮短量，計算結果必然是偏小的。

基于前人對汶川MS8.0地震中大量剖面的觀察，地震同震地表變形樣式可分為逆斷層斷錯地表形成陡坎、撓曲變形陡坎和斷層與撓曲疊加型的復合陡坎三種理想類型。結合地表地貌及探槽剖面的形變形式，認為本文研究的目標探槽為斷層與撓曲疊加型復合陡坎，可采用以下變形模型進行計算。

如圖2所示，粗線示意逆斷層，α為逆斷層傾角，β為陡坎坡角，h為逆斷層垂直錯距，U示意不同地層單元，ABCD示意震后陡坎微地貌面，abc示意將地層U4展平后長度，Sc示意地層U4展平后與展平前差值，即撓曲造成的水平縮短量。

斷層水平縮短量計算值與真實值之差（△）為：

測量出α、β值、θ值及Sc值即可求得真實的縮短量：

式中：α——逆斷層傾角；

β——陡坎坡角；

h——逆斷層垂直斷距；

Sc——撓曲造成的水平縮短量。

在實地測量中我們獲得如下數(shù)據(jù)：

α=34°、β=4.3°、h=1.15m、SC=1.60±0.05m。

將上述測量數(shù)據(jù)帶入上式并將結果保留至其萬分位計算得θ=4.18°，△=0.50m，ST=1.10±0.05m。

將實地觀測結果帶入斷層撓曲計算公式所得水平縮短量為1.10±0.05cm，與采用逐一布線擬合地層撓曲的方法獲取的水平縮短量差值為0.5m。

4.2分析與討論

（1）結果誤差在0.5m在可行性范圍之內。通過斷層撓曲水平縮短模型計算得出的近斷層水平縮短量可能存在著縮短局部化現(xiàn)象（王虎等，2010）。這種縮短局部化現(xiàn)象可能由以下原因造成：由于計算模型將弧度的撓曲量轉化為三角函數(shù)計算其數(shù)值，必然造成計算結果較實際測量擬合結果偏小。同時，由于斷層傾角小于45°使得這種用直線代替曲線的替代模型誤差增大。

（2）由于斷層F1下部分支斷裂影響，造成特征地層局部有第二次受斷裂應力而產生的撓曲，這部分撓曲在采用模型計算時難以分段測量及分析討論，因此采用模型計算的方法只能忽略此部分撓曲。這也是模型計算的水平縮短量偏小的一個重要原因。

5　結論

采用逐一布線擬合地層撓曲的方式縮短量有如下優(yōu)點：一、在探槽中擬合變形地層的形態(tài)是較為直觀的測得該特征地層縮短量的手段；二、數(shù)據(jù)結果涵蓋信息全面，在擬合撓曲過程中不會忽略任一方面應力變化而產生的縮短量，這是本方法最顯著的優(yōu)點；三、可操作性高，直接量取縮短量在野外工作中便于操作，提高野外工作效率；四、為獲取斷層撓曲疊加型地層的長度提供了誤差較小的新方法，與前人獲通常采用測量角度及分段長度建立模型計算所得數(shù)據(jù)相比，本方法獲取的數(shù)據(jù)可靠度較高。

然而采用逐一布線擬合地層撓曲的方式縮短量需要滿足一定條件：一、特征地層的條件，即：（1）特征地層在變形過程中是相對強硬的地層，在變形過程中無塑性變形；（2）特征地層在變形前的厚度和長度基本保持恒定；（3）特征地層在變形過程中沒有物質的流入流出；二、規(guī)范操作的條件，擬合斷層的釘線點要盡可能的密集才能最大程度上擬合地層形變之后的形態(tài)；三、合理分析的條件，合理分析地層受到哪些方面的作用力才能合理的給出縮短量。

此外，若探槽中連續(xù)沉積地層較多，能夠發(fā)現(xiàn)多套厚度長度基本保持恒定的強硬地層，則可對每一套地層分別采用逐一布線法，進而獲取更加系統(tǒng)和完整的探槽近地表縮短量數(shù)據(jù)。

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P315

A

1004-5716（2016）09-0143-05

2015-09-17

2015-09-21

項目資助：本論文由財政部重大專項“我國地震重點監(jiān)視防御區(qū)活動斷層地震危險性評價”資助。

耿昭（1991-），女（漢族），江蘇徐州人，新疆大學地質與礦業(yè)工程學院地質資源與地質工程專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向：地球探測與信息技術。