蘭州市地震活動(dòng)斷層探測(cè)與國(guó)土利用實(shí)效

袁道陽(yáng)

袁道陽(yáng)，博士，研究員，甘肅省地震局、中國(guó)地震局蘭州地震研究所副局（所）長(zhǎng)，中國(guó)地震學(xué)會(huì)理事，甘肅省地震學(xué)會(huì)常務(wù)副理事長(zhǎng)、甘肅省地質(zhì)學(xué)會(huì)常務(wù)理事。2003年獲中國(guó)地震局地質(zhì)研究所構(gòu)造地質(zhì)博士學(xué)位，2007年在中國(guó)地震局地球物理研究所博士后出站，2008年在美國(guó)科羅拉多大學(xué)做交流訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者。主要從事新生代構(gòu)造、活動(dòng)構(gòu)造及其工程應(yīng)用、歷史地震研究等。先后主持國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)地震局“十五”國(guó)家重大建設(shè)項(xiàng)目、甘肅省科技攻關(guān)項(xiàng)目、汶川地震甘肅省災(zāi)后重建和舟曲泥石流災(zāi)后重建等項(xiàng)目。在國(guó)內(nèi)外核心以上期刊發(fā)表第一作者論文70余篇，獲省部級(jí)科技成果一等獎(jiǎng)3項(xiàng)、二等獎(jiǎng)3項(xiàng)、三等獎(jiǎng)3項(xiàng)。

當(dāng)前，我國(guó)防震減災(zāi)事業(yè)發(fā)展的主要矛盾是：人民對(duì)包括安全在內(nèi)的美好生活需要與防震減災(zāi)事業(yè)不平衡不充分發(fā)展之間的矛盾。發(fā)展不平衡問(wèn)題主要體現(xiàn)在“城市高風(fēng)險(xiǎn)、農(nóng)村不設(shè)防”“重震后救災(zāi)、輕震前預(yù)防”“區(qū)域發(fā)展不平衡、風(fēng)險(xiǎn)管理不平衡”“小震大災(zāi)、大震巨災(zāi)”“硬實(shí)力不硬、軟實(shí)力又軟”等方面。就城市地震安全而言，城市地震活動(dòng)斷層的存在是重要的安全隱患，而開(kāi)展活動(dòng)斷層探測(cè)、采取有針對(duì)性的避讓或抗震設(shè)防措施是降低城市地震災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)極為重要的方面。十多年來(lái)，中國(guó)地震局一直在積極推進(jìn)城市活動(dòng)斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作，目前已經(jīng)開(kāi)展了90余個(gè)城市的探測(cè)工作，并已取得了十分顯著的減災(zāi)實(shí)效。蘭州市作為中國(guó)地震局組織實(shí)施“大城市活斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)”項(xiàng)目中首批20個(gè)探測(cè)城市之一，總投資2117萬(wàn)元，自2004年9月正式實(shí)施，到2007年8月順利通過(guò)驗(yàn)收并及時(shí)推廣應(yīng)用。十多年來(lái)，該項(xiàng)探測(cè)成果在蘭州城市規(guī)劃發(fā)展、城市建設(shè)中發(fā)揮了極為重要的作用，為蘭州城市建設(shè)中工程抗震設(shè)防提供了重要的科學(xué)依據(jù)，具有巨大的減災(zāi)實(shí)效。

歷史地震和地震活動(dòng)斷層的存在對(duì)蘭州市發(fā)展的嚴(yán)重制約

蘭州市位于我國(guó)陸域版圖的幾何中心，市區(qū)依山傍水，山靜水動(dòng)，是全國(guó)唯一一座黃河穿城而過(guò)的省會(huì)城市。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的建設(shè)，特別是改革開(kāi)放以來(lái)的快速發(fā)展，蘭州市已成為西部重要的工業(yè)基地和現(xiàn)代化城市。

在構(gòu)造位置上，蘭州市位于新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的青藏活動(dòng)塊體東北緣、南北地震構(gòu)造帶與祁連山地震構(gòu)造帶的交匯復(fù)合部位，具有孕育和發(fā)生中強(qiáng)地震的構(gòu)造條件。蘭州市在歷史上曾多次遭受到地震的侵襲，其中影響最大的是1125年蘭州7級(jí)地震。據(jù)《宋史·五行志》記載:“……七年七月己亥熙河路地震，有裂數(shù)十丈者。蘭州尤甚，陷數(shù)百家，倉(cāng)庫(kù)俱沒(méi)。河?xùn)|諸郡或震裂”?！端问贰ぶ伊x傳》(卷448)記載:“……地震秦隴，金城六城壞……”經(jīng)史料考證和現(xiàn)場(chǎng)考察確認(rèn)，在這次地震中，蘭州附近的益機(jī)灘堡、京玉關(guān)、西關(guān)堡、金城關(guān)、皋蘭堡和阿干堡等六座城堡均遭到了破壞，其災(zāi)害非常嚴(yán)重。

在地貌上，蘭州市為一個(gè)狹長(zhǎng)的河谷盆地，黃河縱貫其中，四周高山環(huán)繞，總體呈NWW向，東西長(zhǎng)約50千米，南北寬4～15千米。以皋蘭山—九州臺(tái)為界，蘭州盆地可分為東西兩個(gè)盆地，呈現(xiàn)兩山夾一谷的特殊地貌(見(jiàn)圖1)，因此，蘭州的城市發(fā)展空間和建設(shè)用地十分有限。前人研究中曾提出蘭州市區(qū)內(nèi)存在6條晚第四紀(jì)活動(dòng)斷層，包括金城關(guān)斷層、劉家堡斷層、雷壇河斷層、深溝橋斷層、寺兒溝斷層和西津村斷層，其中劉家堡斷層是橫穿市區(qū)的全新世活動(dòng)斷層。蘭州盆地即是由上述活動(dòng)斷層所圍限的斷陷盆地，盆地中心為七里河第四紀(jì)斷陷盆地。如果按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》將劉家堡全新世活斷層兩側(cè)各200米作為避讓帶劃出的話(huà)，蘭州市建設(shè)規(guī)劃將失去10.8平方千米的建設(shè)用地，占整個(gè)城區(qū)可利用面積的0.6%。這對(duì)于建設(shè)用地已十分緊張的蘭州來(lái)說(shuō)，將更是雪上加霜。

前人對(duì)蘭州盆地及其活動(dòng)斷層的研究歷史大體經(jīng)歷了三個(gè)階段：1925—1949年：安特生（1925年）、陳夢(mèng)熊（1947年）等對(duì)蘭州的地文期和新生代地層劃分進(jìn)行了初步研究；新中國(guó)成立后至20世紀(jì)70年代末：根據(jù)部分水文工程地質(zhì)勘察資料，多數(shù)地學(xué)工作者認(rèn)為蘭州盆地的構(gòu)造形態(tài)主要是一個(gè)新生代向斜盆地，其內(nèi)部并無(wú)活動(dòng)斷層；20世紀(jì)80年代：蘭州盆地開(kāi)展了一些電法勘探和水文鉆探工作，并根據(jù)這些資料提出了蘭州七里河斷陷盆地的認(rèn)識(shí)，并在盆地內(nèi)畫(huà)出了金城關(guān)、劉家堡、雷壇河、深溝橋、寺兒溝和西津村6條晚第四紀(jì)活動(dòng)斷層。由此確立了“蘭州是一個(gè)存在多條活斷層的斷陷盆地”的主流認(rèn)識(shí)。其中，對(duì)蘭州市影響最大的是橫穿市區(qū)的劉家堡斷層，為全新世活動(dòng)斷層，并認(rèn)為是1125年蘭州7級(jí)地震的發(fā)震斷層。這些活動(dòng)斷層的分布及其活動(dòng)性問(wèn)題，長(zhǎng)期以來(lái)困擾和影響著蘭州市的城市規(guī)劃和建設(shè)，是歷屆政府想解決但又未能解決的城市地震安全隱患問(wèn)題，也是未來(lái)城市發(fā)展過(guò)程中可能面臨的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)源。

蘭州盆地究竟是一個(gè)向斜盆地，還是一個(gè)斷陷盆地？斷層是否存在，其危險(xiǎn)性如何？對(duì)蘭州盆地及其構(gòu)造特征前后認(rèn)識(shí)上的巨大反差，說(shuō)明蘭州地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜性和不確定性。要徹底查清它們，具有相當(dāng)大的難度。因此，該項(xiàng)目一開(kāi)始，就是一個(gè)不同于一般工程項(xiàng)目、存在著許多難點(diǎn)的科學(xué)工程。

圖1 蘭州市地貌及推測(cè)活斷層分布圖（探測(cè)前）

對(duì)蘭州市地震活動(dòng)斷層的探測(cè)和否定，為城市發(fā)展松了綁

蘭州市活動(dòng)斷層探測(cè)的主要目標(biāo)就是要查明前述6條斷層的準(zhǔn)確位置、幾何結(jié)構(gòu)、晚第四紀(jì)活動(dòng)性及其活動(dòng)習(xí)性，甄別出地震活動(dòng)斷層和非地震活動(dòng)斷層；對(duì)地震活動(dòng)斷層未來(lái)有限時(shí)段的地震危險(xiǎn)程度和地震危害程度做出定量評(píng)價(jià)；提供大比例尺活動(dòng)斷層分布圖和近斷層強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)分布圖；建立活動(dòng)斷層基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和地理信息系統(tǒng)，為蘭州市政府和相關(guān)部門(mén)的城市發(fā)展規(guī)劃、土地利用、重大工程選址以及防震減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

蘭州市活動(dòng)斷層探測(cè)過(guò)程可謂是艱難曲折。最初，項(xiàng)目組一直認(rèn)為根據(jù)前人提供的資料，蘭州市區(qū)活動(dòng)斷層位置大體清楚，探測(cè)應(yīng)該相對(duì)容易。因此，在前期準(zhǔn)備和工程設(shè)計(jì)階段，蘭州市活動(dòng)斷層探測(cè)項(xiàng)目的進(jìn)度一直比較順利。但是在具體實(shí)施過(guò)程中，項(xiàng)目組苦苦追尋，一直找不到斷層新活動(dòng)的任何證據(jù)。與此同時(shí)，在蘭州城區(qū)內(nèi)開(kāi)展的隱伏斷層淺層人工地震探測(cè)工作也遇到了很大困難和挑戰(zhàn)。由于新近系巖層陡傾，第四系礫卵石層厚達(dá)300多米，作為主要探測(cè)手段的大型震源車(chē)數(shù)據(jù)采集很不理想，致使探測(cè)工作一度陷入了困境。

總結(jié)和反思發(fā)現(xiàn)，多年來(lái)蘭州盆地內(nèi)除地礦、水文等部門(mén)曾開(kāi)展過(guò)一些地質(zhì)普查，地震部門(mén)進(jìn)行過(guò)一些工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)等零星工作外，并沒(méi)有開(kāi)展過(guò)系統(tǒng)的研究和探測(cè)工作，研究基礎(chǔ)非常薄弱。因此，前人對(duì)蘭州盆地活動(dòng)斷層的一些認(rèn)識(shí)多是基于不多或不系統(tǒng)的研究得出的，存在一些不確定因素。對(duì)此，項(xiàng)目組開(kāi)始對(duì)一些斷層的存在依據(jù)產(chǎn)生了懷疑。為了搞清楚蘭州市活動(dòng)斷層研究的來(lái)龍去脈，項(xiàng)目組查閱了自1925年以來(lái)有關(guān)蘭州盆地及活動(dòng)斷層研究的全部文獻(xiàn)資料。發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)80年代初對(duì)蘭州盆地地質(zhì)構(gòu)造的認(rèn)識(shí)有了很大的轉(zhuǎn)變，盆地內(nèi)的主要活動(dòng)斷層都是那個(gè)時(shí)期才提出來(lái)的。項(xiàng)目組決定以大家公認(rèn)活動(dòng)性最強(qiáng)的劉家堡斷層為突破口。為了取得劉家堡斷層存在與否的可靠地質(zhì)證據(jù)，在物探、鉆探工作基礎(chǔ)上，選擇文華嘉苑工程場(chǎng)地進(jìn)行10米深的大探槽開(kāi)挖，探槽所揭示的現(xiàn)象不是斷層，而是掀斜地層的巖性界線(xiàn)（見(jiàn)圖2）。

圖2 文華嘉苑探槽揭示劉家堡斷層為地層接觸界線(xiàn)而非斷層

圖3 鄧起東院士現(xiàn)場(chǎng)考察深溝橋斷層大型探槽開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)

要想否定已經(jīng)得到認(rèn)可的斷層需要有相當(dāng)大的勇氣，并需付出雙倍、甚至十倍的努力，還得承受巨大的壓力，必須拿出確鑿的證據(jù)。項(xiàng)目組也意識(shí)到，若能否定一條多年來(lái)困擾蘭州市規(guī)劃發(fā)展的活動(dòng)斷層意味著什么：如果該斷層確實(shí)不存在，將為蘭州城市發(fā)展提供更加廣闊的空間，為蘭州廣大市民提供重要的安全保障，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常巨大，其長(zhǎng)期利益更是無(wú)法估計(jì)，這是利國(guó)利民、造福地方的大好事。因此，為了穩(wěn)妥起見(jiàn)，項(xiàng)目組接下來(lái)按照同樣的思路和方法，沿劉家堡斷層走向又選擇了2個(gè)場(chǎng)點(diǎn)進(jìn)行物探和鉆探驗(yàn)證，揭示的是同樣的地層接觸關(guān)系，均無(wú)斷層存在。同樣，根據(jù)物探和鉆探結(jié)果，項(xiàng)目組又在深溝橋斷層上開(kāi)挖了2個(gè)深達(dá)12米，長(zhǎng)50余米的特大型探槽，其結(jié)果證實(shí)深溝橋斷層也僅只是不同巖性的分界線(xiàn)，并不是斷層，同樣印證了項(xiàng)目組的看法。為了得到同行專(zhuān)家認(rèn)可，項(xiàng)目組特地邀請(qǐng)全國(guó)活動(dòng)斷層探測(cè)項(xiàng)目總監(jiān)理鄧起東院士、首席科學(xué)家徐錫偉研究員和蘭州地質(zhì)界、工程界和高校的十多位知名專(zhuān)家到現(xiàn)場(chǎng)召開(kāi)咨詢(xún)討論會(huì)，確認(rèn)了劉家堡斷層和深溝橋斷層不是斷層的結(jié)論性意見(jiàn)（見(jiàn)圖3）。

項(xiàng)目組進(jìn)一步采用地質(zhì)地貌填圖、差分GPS測(cè)量、淺層人工地震探測(cè)、鉆孔探測(cè)、測(cè)年技術(shù)及地震學(xué)等綜合探測(cè)技術(shù)，揭示了前人提出的劉家堡斷層、深溝橋斷層等晚第四紀(jì)活動(dòng)斷層實(shí)際上為新近紀(jì)上新世泥巖與早更新世膠結(jié)礫石層之間不同巖性的分界線(xiàn)，而不是斷層的重要結(jié)論。同時(shí)，通過(guò)綜合探測(cè)還修正了金城關(guān)斷層、雷壇河斷層、寺兒溝斷層和西津村斷層4條晚第四紀(jì)活動(dòng)斷層的最新活動(dòng)時(shí)代，證實(shí)其均為第四紀(jì)早中期斷層，為非發(fā)震斷層（見(jiàn)圖4）。同時(shí)，肯定了馬銜山北緣斷層西段為晚更新世—全新世活動(dòng)斷層，是1125年蘭州7級(jí)地震的發(fā)震斷層。上述一系列新認(rèn)識(shí)的提出，消除了過(guò)去對(duì)蘭州市地震構(gòu)造環(huán)境的一些模糊認(rèn)識(shí)，具有極為重要的科學(xué)意義和實(shí)用價(jià)值，對(duì)蘭州的城市規(guī)劃和工程建設(shè)松了綁，特別是對(duì)蘭州市安寧區(qū)和西固區(qū)的建設(shè)發(fā)展具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

探測(cè)成果的及時(shí)推廣應(yīng)用，取得了顯著實(shí)效

項(xiàng)目取得的探測(cè)成果，不僅消除了過(guò)去數(shù)十年對(duì)蘭州市地震構(gòu)造環(huán)境的一些模糊認(rèn)識(shí)，而且為蘭州市的土地利用和城市建設(shè)規(guī)劃提供了極為重要的科學(xué)依據(jù)。通過(guò)對(duì)劉家堡全新世斷層的否定，進(jìn)而確定無(wú)需采取避讓措施，客觀(guān)上等于為蘭州市增加了約10.8平方千米土地，僅按照項(xiàng)目實(shí)施時(shí)期2006年“蘭州市基準(zhǔn)地價(jià)”平均0.45萬(wàn)/平方米計(jì)算，其總價(jià)值就達(dá)486億元，其長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益更是無(wú)法估計(jì)。對(duì)蘭州活動(dòng)斷層的全新認(rèn)識(shí)，最大限度地減少了“地震盲目性”，為廣大市民提供了安全保障，對(duì)改善蘭州發(fā)展和生活環(huán)境、構(gòu)建和諧社會(huì)具有深遠(yuǎn)意義。該項(xiàng)目獲得2007年度甘肅省優(yōu)秀工程勘察一等獎(jiǎng)和2009年中國(guó)地震局防震減災(zāi)優(yōu)秀成果二等獎(jiǎng)。項(xiàng)目所取得的成果和認(rèn)識(shí)得到了甘肅省建設(shè)主管部門(mén)和專(zhuān)家的肯定和高度贊揚(yáng)，為此，甘肅省建設(shè)廳和省地震局聯(lián)合召開(kāi)表彰大會(huì)，對(duì)蘭州市活動(dòng)斷層探測(cè)項(xiàng)目組進(jìn)行表彰獎(jiǎng)勵(lì)。

圖4 蘭州市活斷層分布圖（探測(cè)后）

為了及時(shí)做好該成果的推廣應(yīng)用，促進(jìn)蘭州市新版城市規(guī)劃的科學(xué)性、合理性和前瞻性，最大限度地利用好城市土地建設(shè)資源，提高城市地震安全水平，改善蘭州市投資環(huán)境，經(jīng)甘肅省建設(shè)廳和地震局共同發(fā)文（甘建設(shè)[2007]437號(hào)），提出了明確的推廣使用意見(jiàn)。

1.要充分認(rèn)識(shí)“蘭州市活斷層探測(cè)”項(xiàng)目成果在城市規(guī)劃、建設(shè)和防震減災(zāi)工作中的重要意義，各級(jí)建設(shè)、規(guī)劃、地震等部門(mén)要認(rèn)真學(xué)習(xí)、大力宣傳、準(zhǔn)確把握“蘭州市活斷層探測(cè)”主要成果和技術(shù)要點(diǎn)，加強(qiáng)成果宣傳，促進(jìn)社會(huì)和諧，改善投資環(huán)境。

2.蘭州市第四版城市規(guī)劃和蘭州市抗震設(shè)計(jì)規(guī)程要吸收、采用“蘭州市活斷層探測(cè)”項(xiàng)目的主要成果，做好“規(guī)劃”“規(guī)程”與“蘭州市活斷層探測(cè)”項(xiàng)目主要成果的有機(jī)結(jié)合，增強(qiáng)城市規(guī)劃和抗震設(shè)計(jì)規(guī)程的科學(xué)性、指導(dǎo)性和實(shí)用性。

3.各有關(guān)單位要將“蘭州市活斷層探測(cè)”項(xiàng)目主要成果及其結(jié)論運(yùn)用到城市和工程規(guī)劃、建設(shè)工程設(shè)計(jì)、勘察以及抗震設(shè)防要求管理的具體工作中去。省市建設(shè)、規(guī)劃和地震部門(mén)要組織省內(nèi)有關(guān)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、勘察等單位，采取學(xué)術(shù)報(bào)告、通報(bào)會(huì)、講座等形式，在有關(guān)專(zhuān)業(yè)單位和科技人員中宣傳、普及“蘭州市活斷層探測(cè)”主要成果及其結(jié)論，提升該成果推廣應(yīng)用的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

4.成果已經(jīng)被新修編的蘭州市第四版城市規(guī)劃、DB62/T25-3037-2006《蘭州市區(qū)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》和甘肅省DB62/T25-3055-2011《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程》所吸收。為城市土地利用和工程建設(shè)規(guī)劃、減輕地震災(zāi)害、保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供了極為重要的科學(xué)依據(jù)。

經(jīng)驗(yàn)和啟示

1.綜合探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用是成功的關(guān)鍵。在工作中，項(xiàng)目組針對(duì)蘭州盆地厚層黃土和粗顆粒沉積物等特殊的地質(zhì)地貌條件和極為復(fù)雜的探測(cè)環(huán)境，采用了地球物理、地球化學(xué)、地震地質(zhì)和地震學(xué)等綜合探測(cè)技術(shù)。開(kāi)拓性地在蘭州市區(qū)內(nèi)運(yùn)用特大型探槽技術(shù)，對(duì)否定劉家堡斷層和深溝橋斷層起了決定性作用。消除了過(guò)去對(duì)蘭州市地震構(gòu)造環(huán)境的一些模糊甚至錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，糾正了以往根據(jù)鉆探“一孔之見(jiàn)”得到結(jié)論的局限性，對(duì)蘭州盆地形成演化等重要科學(xué)問(wèn)題提出了全新的認(rèn)識(shí)，其科學(xué)意義重大。

2.地下搞清楚是確保城市地震安全的前提和基礎(chǔ)。蘭州四周高山環(huán)繞，城市發(fā)展空間和建設(shè)用地十分有限。本成果為蘭州市區(qū)內(nèi)以前的禁建區(qū)土地規(guī)劃利用松了綁，為城市發(fā)展提供了廣闊空間。上述工作的前提和基礎(chǔ)就是城市地下搞清楚了，其地震安全才會(huì)有保障，未來(lái)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)大大降低。這也進(jìn)一步凸顯了中國(guó)地震局提出的城市活動(dòng)斷層探測(cè)工作的重要性和對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的積極貢獻(xiàn)。