烏魯木齊九家灣斷層組末端變形特征分析*

吳國棟， 常想德， 胡偉華

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011； 2. 中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與火山重點實驗室，北京 100029)

隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市尤其是大中型城市的發(fā)展不斷趨向集中化，人口急劇增加，進而產(chǎn)生城市建設(shè)對土地的迫切需求。然而城市內(nèi)分布的活動斷層制約了城市的發(fā)展，為減輕地震災害、保障人民群眾的生命和財產(chǎn)安全，城市的規(guī)劃建設(shè)需要避開活動斷層帶，在土地資源稀缺的情況下對活動斷層的準確位置、終止點、位錯量等方面的要求更加精確和細致。因而，在進行活動斷層探測時工作深入程度較以前有很大提高，揭示的斷層變形特征越來越細致，對斷層末端的變形特征也有了具體認識。從而在一定程度上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有所緩解。本文中通過對烏魯木齊九家灣斷層組第二條斷層(F2)西端開展詳細勘探，分析了該斷層西端變形的基本特征。

根據(jù)早期影像，九家灣斷層組在臺地上斷層陡坎跡象清晰，然而對于該斷層向西南、東北是否延伸，延伸至九家灣臺地兩側(cè)更年輕的地貌面其變形特征如何，都是需要回答的問題。已有工作表明，九家灣斷層組第三條(F3)向東北延伸，在低一級地貌面(進入主城區(qū)部分)，發(fā)現(xiàn)了斷層錯斷的直接地質(zhì)證據(jù)[1]。本文中對九家灣斷層組第二條(F2)向西南延伸情況著重進行追索，主要采用了地質(zhì)探槽開挖直接揭示斷層方法。

1 烏魯木齊地質(zhì)構(gòu)造背景

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)造系的交匯部位[2-3]，以烏魯木齊河為界，以西為北天山山前構(gòu)造發(fā)育的NEE向活動構(gòu)造，以東為博格達西翼發(fā)育的NE向活動構(gòu)造(圖1)。前者屬于典型的山前薄皮推覆構(gòu)造體系[3-4]，由發(fā)育在上地殼中埋深10～18 km向南緩傾的滑脫層[5]、由南向北逆沖并歸于滑脫層的斷層系及西山斷塊掀斜隆起組成；后者屬于逆沖推覆構(gòu)造，由根部逆沖斷裂帶、中部滑脫層和前緣擠壓構(gòu)造帶組成[3,6]。

烏魯木齊市及周邊分布眾多晚第四紀活動斷層，如烏魯木齊西山南緣的西山斷裂、西山北緣中更新世礫石臺地上的王家溝、九家灣斷層組等，斷層走向以NE、NEE為主(圖1)，與東西兩側(cè)推覆構(gòu)造展布方向一致。對這些斷層的規(guī)模、活動時代、活動性質(zhì)、活動速率等均有較為詳細的研究[7-9]。斷層以逆沖性質(zhì)為主，其中的九家灣斷層被認為是全新世正斷層。

圖1 烏魯木齊市及周邊地震構(gòu)造示意圖

2 九家灣斷層組基本特征

九家灣斷層組、西山斷層及王家溝斷層組均屬于北天山山前推覆構(gòu)造體系的前緣斷層，為相對獨立的西山斷隆中發(fā)育的斷裂構(gòu)造[7]。九家灣斷層組由4條走向NE、主斷面NW傾的正斷層組成，由北向南編號分別為F1、F2、F3和F4，各條斷層間近等間距排列，長度3.2～6.8 km不等(圖2)，根據(jù)最新資料，其中F3長度超過10 km。該斷層組展布于苜蓿溝以東，黑山頭以西的中更新世洪積臺地上，該臺地面與王家溝河谷兩岸的高臺地是一致的，都屬于西山隆起北翼緩坡高臺地地貌，九家灣斷層組斷錯了該地貌面，地貌上形成斷層溝槽，構(gòu)造變形跡象非常清晰。

圖2 九家灣斷層組平面分布圖

3 九家灣斷層組F2斷層西末端特征

圖3 九家灣斷層組F2西末端探槽位置圖

九家灣斷層組在Q2礫石臺地上在影像上跡象清晰，探槽揭示出呈地塹模式的相向傾斜的一組正斷層，形成寬度30～50 m構(gòu)造槽谷。探槽揭示出北傾正斷層垂直位錯0.75～1.25 m，南傾正斷層垂直位錯0.3～0.6 m[7]。而斷層向西南延伸，進入年輕地貌面(全新世階地面)時，地表斷層跡象不清晰。根據(jù)地球物理勘探結(jié)果[10]及斷層延伸方向，垂直其走向開挖兩條大型探槽(圖3)，來揭示斷層在晚第四紀地貌面上的活動及變形情況。

探槽TC1長50 m，寬1.5 m，深3.5 m，走向為140°。探槽揭示出3個大的層位，即層U1、層U2、層U3(圖4)。

① 層U1為地表土層，含礫石，呈褐紅色；

② 層U2為淺黃色卵礫石層，層理不清，泥質(zhì)膠結(jié)，礫石分選較差，磨圓中等，粒徑以1～2 cm為主，少數(shù)5～10 cm。斷層頂部可能延伸至該層底部；

③ 層U3灰色礫石層，略具層理，分選較好，粒徑多數(shù)以1 cm左右，少數(shù)3～5 cm，大者10 cm。夾黃白色、灰黃色礫石薄層，基本沒有膠結(jié)，為局部洪水形成。通過標志層判斷斷層垂直錯距為3～5 cm。該層又可分為6個小的層，主要表現(xiàn)為層位顏色、粒徑大小等方面的差異，以U3-1至U3-6標示(圖4)。

圖4 九家灣斷層組F2探槽TC1東壁斷層附近剖面圖

由此可見，探槽TC1揭示出斷層未錯動該級地貌面頂部，斷層上斷點埋深1 m左右，并且探槽僅揭示出一條斷層，為北傾的主斷層，斷層產(chǎn)狀為330°∠78°，斷層垂直斷距僅有3～5 cm。斷層接近于一條裂縫，同時斷層兩側(cè)礫石層變形也較為微弱。

探槽TC2長200 m，寬1.5 m，深4～5 m，走向為330°。由于先于TC1開挖的TC2，由北向南挖TC2時，開始未發(fā)現(xiàn)斷層錯動跡象，加之該斷層在此段地表跡象不清，位置難于控制，因此開挖了200 m長。最終經(jīng)仔細辨識在探槽北側(cè)發(fā)現(xiàn)了斷層錯動跡象。探槽揭示出7個層位，即層U1至層U7(圖5)。

① 層U1地表土層，淡黃色，含礫石；

② 層U2灰色礫石層，略具水平層理，粒徑以1 cm左右為主，少數(shù)3～5 cm，分選較好，磨圓呈次圓狀；

③ 層U3灰白色礫石層，層理不清，粒徑3～6 cm，分選差，泥質(zhì)膠結(jié)，磨圓較好；

④ 層U4土黃色礫石層，泥質(zhì)膠結(jié)，推測為局部氣候形成的山洪堆積，礫石層理不清；

⑤ 層U5青灰色礫石層，呈透鏡體狀，粒徑以1 cm左右為主，個別2～3 cm，分選較好，略具層理，磨圓較好；

⑥ 層U6灰色礫石層，略具層理，粒徑以1～3 cm為主，少數(shù)5～7 cm，分選一般，磨圓中等；

⑦ 層U7灰白色礫石層，該層與上部層相比，粒徑顯著增大，多數(shù)在4～8 cm，少數(shù)10 cm左右，分選較差，層理不清，磨圓較好，膠結(jié)程度較弱，夾有青灰色礫石透鏡體及灰黃色礫石薄層。

圖5 九家灣斷層組F2探槽TC2西壁斷層附近剖面圖

根據(jù)層U6和層U7之間的灰白色礫石薄層，判斷斷層垂直錯距3～5 cm，同時根據(jù)層U7下部深灰色礫石層的上下盤層位對應，斷層垂直錯距為20～25 cm。斷層面傾向335°，斷層傾角下部接近直立，上部稍有變緩亦有75°左右，沿斷層礫石定向排列特征明顯。

綜上所述，通過大型探槽開挖，揭示出九家灣斷層組F2西末端的錯動跡象。已有成果表明[7]，九家灣斷層組每條斷層為相向傾斜的正斷層，小型地塹模式構(gòu)造，與之相比，此次在九家灣斷層組F2末端揭示的斷層僅顯示了北傾的主斷層，同時斷層上斷點埋深1 m左右，斷層垂直錯距僅3～25 cm。

另外，九家灣斷層組在礫石臺地上斷層傾角一般50°～70°[11]，而此次探槽揭示的斷層傾角均在75°以上。

4 認識及討論

根據(jù)已有研究成果，對比此次探槽開挖揭示的斷層變形特征。

(1) 九家灣斷層組在九家灣中更新世礫石臺地上表現(xiàn)為相向傾斜的正斷層地塹構(gòu)造模式，而向西延伸進入年輕地貌面(Ⅱ、Ⅲ級階地面)，斷層以北傾的主斷層活動為主，并且斷層帶縮小成一條裂隙，斷層兩側(cè)地層變形程度較弱。

(2) 斷層上斷點由九家灣臺地接近錯至地表，至西末端埋深1 m左右，表明斷層錯斷過程中間向兩端能量逐漸衰減，到了末端能量僅能錯至地表下一定深度處。

(3) 兩個探槽揭示的斷層垂直位錯量3～25 cm，與九家灣臺地上斷層垂直錯斷0.3～1.25 m相比，明顯較小，同時探槽TC1、TC2平面距離90 m，由東向西斷層垂直位錯由25 cm降至3 cm，可見末端變形衰減加快。同時探槽TC2底部位錯較上部位錯大，由25 cm減小到3～5 cm。總之斷層變形幅度既有水平方向上向末端衰減，又有垂向上由底部向上衰減的特征。

全面研究九家灣斷層組變形特征，需要綜合各條斷層已有資料，對整條斷層變形特征進行分析，同時各條斷層之間變形特征存在的差異也應做進一步分析，既要橫向又要縱向?qū)Ρ妊芯?。將在后續(xù)工作中做進一步研究。

在野外現(xiàn)場工作中，特別感謝吳傳勇副研究員、姚遠高級工程師的積極參與和現(xiàn)場討論，為準確認識斷層錯斷特征提供了有益探討。