用逐一布線(xiàn)法獲取探槽地層縮短量
——以博—阿斷裂中東段為例

耿　昭，李　軍，吳國(guó)棟

（1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)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(xiàn)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(guó)棟2

（1.新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)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(duì)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(zhǎng)度的分段測(cè)量數(shù)據(jù)，依據(jù)理論模型計(jì)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(dòng)背斜北翼的一個(gè)探槽為例，采用逐一布線(xiàn)擬合地層撓曲的方法獲取的總縮短量，并與理論模型計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)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(xiàn)擬合地層；探槽剖面；縮短量；長(zhǎng)度守恒

地震地表形變具有十分復(fù)雜的力學(xué)成因和空間幾何特點(diǎn)（鄧起東等，1989；徐錫偉等，2002、2008）。地表變形量在空間分布上復(fù)雜多變，詳細(xì)精確的測(cè)量和對(duì)變形量的定量分析對(duì)于同震地表變形帶的幾何學(xué)、發(fā)震斷裂區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)學(xué)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(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲取地震斷層的近地表縮短量的準(zhǔn)確性關(guān)系到斷裂最新一期活動(dòng)的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)的確定，活動(dòng)性參數(shù)的準(zhǔn)確性，以及地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的可靠性。在擠壓活動(dòng)構(gòu)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(jí)特大地震就發(fā)生在喜馬拉雅逆沖構(gòu)造帶內(nèi)，震源機(jī)制解顯示為逆沖性質(zhì)。2008年汶川8級(jí)地震沿龍門(mén)山斷裂帶產(chǎn)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(jī)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(zhì)為主，對(duì)地震危險(xiǎn)性研究具有重要的研究?jī)r(jià)值。本文以博阿斷裂中東段蘇巴什活動(dòng)背斜北翼一探槽為例，采用逐一布線(xiàn)法獲取探槽中特征地層縮短量，并進(jìn)行合理的定量分析。

1　地質(zhì)構(gòu)造背景概述

博阿斷裂位于中天山與北天山分界處，被認(rèn)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(zhì)為主，以烏蘇通溝為斷裂性質(zhì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，東段以低角度逆斷層為主兼有一定走滑性質(zhì)。通過(guò)航片解譯，我們?cè)诓┌嗔驯眰?cè)山前第四紀(jì)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(jì)以來(lái)仍具有一定的活動(dòng)性。通過(guò)數(shù)字影像資料解譯、野外地質(zhì)調(diào)查，認(rèn)為蘇巴什背斜構(gòu)造為一條活動(dòng)背斜構(gòu)造，該活動(dòng)背斜構(gòu)造呈近東西走向，全長(zhǎng)約16km。

2　逐一布線(xiàn)法

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

依據(jù)平衡地質(zhì)剖面原理結(jié)合研究區(qū)活動(dòng)性質(zhì)，可將逐一布線(xiàn)法的流程概括如下：

（1）數(shù)字影像資料解譯：通過(guò)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(diào)的異?；蚝恿魍驈澢取?/p>

（2）野外地質(zhì)調(diào)查：根據(jù)數(shù)字影像解譯資料進(jìn)行野外地質(zhì)調(diào)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(zhì)。

（3）識(shí)別第四紀(jì)活動(dòng)構(gòu)造：主要解決斷裂的斷裂性質(zhì)、是否為活動(dòng)斷層、在何處開(kāi)挖探槽等一系列問(wèn)題。這一步驟是確定開(kāi)挖探槽進(jìn)一步研究前的關(guān)鍵步驟。

（4）確定典型地點(diǎn)開(kāi)挖探槽：開(kāi)挖探槽的基本原則是最大限度地從地質(zhì)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(xiàn)法地層條件的特征地層應(yīng)滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件：

①特征地層在變形過(guò)程中是相對(duì)強(qiáng)硬的地層，在變形過(guò)程中無(wú)塑性變形；

②特征地層在變形前的厚度和長(zhǎng)度基本保持恒定；

③特征地層在變形過(guò)程中沒(méi)有物質(zhì)的流入流出。

（6）獲取地層縮短量：特征地層符合平衡地質(zhì)剖面的基本假設(shè)。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(zhǎng)度守恒原理，在探槽現(xiàn)場(chǎng)擬合特征地層的面積或長(zhǎng)度。在探槽現(xiàn)場(chǎng)，我們采用釘線(xiàn)的方式擬合特征地層的每一個(gè)變形點(diǎn)。在釘線(xiàn)時(shí)，應(yīng)選用收縮性小，擬合過(guò)程中長(zhǎng)度基本不變的線(xiàn)繩才能盡可能準(zhǔn)確的擬合特征地層的長(zhǎng)度。對(duì)比特征地層變形前后的長(zhǎng)度差即可得到該地層準(zhǔn)確的縮短量。

3　案例分析

在博阿斷裂帶中東段1∶5萬(wàn)活斷層填圖工作中，為準(zhǔn)確獲取研究區(qū)內(nèi)最新一次事件的縮短量，我們?cè)谘芯繀^(qū)地貌陡坎比較平直連續(xù)、沖溝右旋跡象明顯的地點(diǎn)嘗試選取探槽開(kāi)挖的方式來(lái)準(zhǔn)確的獲取縮短量。

在蘇巴什活動(dòng)背斜隆起處開(kāi)挖的探槽中，發(fā)現(xiàn)3條錯(cuò)動(dòng)第四紀(jì)地層的斷層。受南側(cè)反沖斷層（F1）的擠壓作用影響，第四紀(jì)地層出現(xiàn)明顯的錯(cuò)位揉皺現(xiàn)象，在探槽剖面上顯示出明顯的地層撓曲，通過(guò)觀察認(rèn)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(biāo)志地層并采用逐一布線(xiàn)發(fā)獲取其形變長(zhǎng)度，采用標(biāo)志地層恢復(fù)方法將標(biāo)志地層恢復(fù)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(chǎn)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(chǎn)狀無(wú)法取得。斷層上下盤(pán)地層可清晰對(duì)應(yīng)，近斷層處可見(jiàn)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(chǎn)狀183° ∠25°，斷層兩側(cè)地層明顯不同，上下盤(pán)無(wú)法對(duì)應(yīng)，有一套崩積楔礫石堆積。F3為逆掩斷層，產(chǎn)狀185°∠25°，斷層上下盤(pán)地層對(duì)應(yīng)較清晰，近斷層處上下盤(pán)地層對(duì)應(yīng)較明確，出現(xiàn)兩套崩積楔礫石堆積。探槽內(nèi)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(pán)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(pán)形成的地層撓曲僅由斷層F1的錯(cuò)動(dòng)形成，未受到斷層F2的錯(cuò)動(dòng)影響。

3.2地層分層

探槽剖面如圖1所示，在探槽中共計(jì)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(pán)出露6套地層，下降盤(pán)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(dá)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(xì)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(dá)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(xì)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(pán)分布。其中層位（3）～（5）在斷層F1的上升盤(pán)分布，層（6）～（8）在斷層F1的下降盤(pán)分布。通過(guò)對(duì)F1斷層南北兩側(cè)地層觀察對(duì)比認(rèn)為層（3）和層（6）、層（4）和層（7）、層（5）與層（8）呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，認(rèn)為震前各自對(duì)應(yīng)為同一地層。

（9）黃白色含鹽土層，質(zhì)地堅(jiān)硬，含有細(xì)礫，局部略顯層理，鹽呈圓粒狀膠結(jié)，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(pán)靠近斷裂處測(cè)得10°左右的層理，有向斷層F3彎曲的趨勢(shì)，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(jié)一般，相對(duì)松軟。

（12）黃白色含鹽土層，質(zhì)地堅(jiān)硬，含有細(xì)礫，局部略顯層理，鹽呈圓粒狀膠結(jié)。

（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(gè)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(jié)一般，相對(duì)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(pán)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(pán)分布。其中層（9）～（11）在斷層F3的上升盤(pán)分布，層（12）～（16）在斷層F3的下降盤(pán)分布。通過(guò)對(duì)F3斷層南北兩側(cè)地層觀察對(duì)比認(rèn)為上層（9）和層（12）、層（10）和層（13）呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，震前為同一地層；層（11）和層（14）雖包含物質(zhì)成分相近但含鹽層無(wú)法對(duì)應(yīng)；層（15）、（16）認(rèn)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(cè)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(xì)粗砂互層，選取其中一套細(xì)砂層為測(cè)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(shí)度較好，不含礫石鹽堿等脆性較大的物質(zhì)，在變形過(guò)程中是相對(duì)強(qiáng)硬的地層，其層位的錯(cuò)動(dòng)撓曲可以被認(rèn)為僅由斷層活動(dòng)導(dǎo)致該地層受力平衡結(jié)構(gòu)改變?cè)斐?，不存在發(fā)生塑性變形，在變形過(guò)程中無(wú)物質(zhì)流入流出。其次，該砂層的砂礫大小、質(zhì)地均一、層理近水平，可以認(rèn)為是自然沉積過(guò)程中的平整連續(xù)地層，符合平衡地質(zhì)剖面的基本假設(shè)。運(yùn)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(shí)值之間的關(guān)系。再次，該細(xì)砂層的厚度較小且基本無(wú)變化，雖然在斷層附近產(chǎn)生撓曲有部分未完全錯(cuò)斷開(kāi)，在層厚均勻且厚度較小的情況下，面積守恒原則可簡(jiǎn)化為長(zhǎng)度守恒來(lái)運(yùn)用。由此可見(jiàn)該細(xì)砂層在粒度、厚度、物質(zhì)等各方面具有獲取縮短量的優(yōu)勢(shì)條件。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，特征地層位錯(cuò)后上下盤(pán)總體相應(yīng)呈水平層理，僅在斷層F1附近有部分撓曲。因此認(rèn)為在斷層F1附近的縮短量?jī)H由斷層F1的一次錯(cuò)動(dòng)造成。而斷層F1上升盤(pán)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(wú)應(yīng)力作用使特征地層產(chǎn)生形變。

采用逐一布線(xiàn)法獲取縮短量，用伸縮性小的線(xiàn)繩及釘子沿特征地層的下沿?cái)M合該地層的撓曲情況，并在斷層F3上下盤(pán)特征地層產(chǎn)狀均一處釘線(xiàn)，測(cè)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(jié)果對(duì)比及分析與討論

4.1采用模型計(jì)算方法的縮短量分析

被揉皺第四紀(jì)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(jì)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(lái)計(jì)算該套地層的近地表縮短量，相當(dāng)于認(rèn)為該地層被直接錯(cuò)斷，忽略了撓曲縮短量，計(jì)算結(jié)果必然是偏小的。

基于前人對(duì)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(cuò)地表形成陡坎、撓曲變形陡坎和斷層與撓曲疊加型的復(fù)合陡坎三種理想類(lèi)型。結(jié)合地表地貌及探槽剖面的形變形式，認(rèn)為本文研究的目標(biāo)探槽為斷層與撓曲疊加型復(fù)合陡坎，可采用以下變形模型進(jìn)行計(jì)算。

如圖2所示，粗線(xiàn)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(cuò)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(zhǎng)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(jì)算值與真實(shí)值之差（△）為：

測(cè)量出α、β值、θ值及Sc值即可求得真實(shí)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(shí)地測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)帶入上式并將結(jié)果保留至其萬(wàn)分位計(jì)算得θ=4.18°，△=0.50m，ST=1.10±0.05m。

將實(shí)地觀測(cè)結(jié)果帶入斷層撓曲計(jì)算公式所得水平縮短量為1.10±0.05cm，與采用逐一布線(xiàn)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(jié)果誤差在0.5m在可行性范圍之內(nèi)。通過(guò)斷層撓曲水平縮短模型計(jì)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(jì)算模型將弧度的撓曲量轉(zhuǎn)化為三角函數(shù)計(jì)算其數(shù)值，必然造成計(jì)算結(jié)果較實(shí)際測(cè)量擬合結(jié)果偏小。同時(shí)，由于斷層傾角小于45°使得這種用直線(xiàn)代替曲線(xiàn)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(yīng)力而產(chǎn)生的撓曲，這部分撓曲在采用模型計(jì)算時(shí)難以分段測(cè)量及分析討論，因此采用模型計(jì)算的方法只能忽略此部分撓曲。這也是模型計(jì)算的水平縮短量偏小的一個(gè)重要原因。

5　結(jié)論

采用逐一布線(xiàn)擬合地層撓曲的方式縮短量有如下優(yōu)點(diǎn)：一、在探槽中擬合變形地層的形態(tài)是較為直觀的測(cè)得該特征地層縮短量的手段；二、數(shù)據(jù)結(jié)果涵蓋信息全面，在擬合撓曲過(guò)程中不會(huì)忽略任一方面應(yīng)力變化而產(chǎn)生的縮短量，這是本方法最顯著的優(yōu)點(diǎn)；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(zhǎng)度提供了誤差較小的新方法，與前人獲通常采用測(cè)量角度及分段長(zhǎng)度建立模型計(jì)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(xiàn)擬合地層撓曲的方式縮短量需要滿(mǎn)足一定條件：一、特征地層的條件，即：（1）特征地層在變形過(guò)程中是相對(duì)強(qiáng)硬的地層，在變形過(guò)程中無(wú)塑性變形；（2）特征地層在變形前的厚度和長(zhǎng)度基本保持恒定；（3）特征地層在變形過(guò)程中沒(méi)有物質(zhì)的流入流出；二、規(guī)范操作的條件，擬合斷層的釘線(xiàn)點(diǎn)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(zhǎng)度基本保持恒定的強(qiáng)硬地層，則可對(duì)每一套地層分別采用逐一布線(xiàn)法，進(jìn)而獲取更加系統(tǒng)和完整的探槽近地表縮短量數(shù)據(jù)。

［1］中國(guó)地震局地質(zhì)研究所.2015年4月25日尼泊爾M8.1級(jí)地震震源破裂過(guò)程［EB/OL］.http：//www.eq-igl.ac.cn/contents/43/3262.html，2015-04-26.

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A

1004-5716（2016）09-0143-05

2015-09-17

2015-09-21

項(xiàng)目資助：本論文由財(cái)政部重大專(zhuān)項(xiàng)“我國(guó)地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)活動(dòng)斷層地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)”資助。

耿昭（1991-），女（漢族），江蘇徐州人，新疆大學(xué)地質(zhì)與礦業(yè)工程學(xué)院地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生，研究方向：地球探測(cè)與信息技術(shù)。