用逐一布线法获取探槽地层缩短量——以博—阿断裂中东段为例

耿　昭，李　军，吴国栋

（1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.新疆维吾尔自治区地震局，新疆乌鲁木齐830011）

用逐一布线法获取探槽地层缩短量
——以博—阿断裂中东段为例

耿昭*1，李军2，吴国栋2

（1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.新疆维吾尔自治区地震局，新疆乌鲁木齐830011）

前人对于逆断层探槽近地表缩短量的研究方法主要是依托于角度长度的分段测量数据，依据理论模型计算其缩短量数值。以博—阿断裂中东段托尔逊南苏巴什活动背斜北翼的一个探槽为例，采用逐一布线拟合地层挠曲的方法获取的总缩短量，并与理论模型计算值进行对比。通过分析得知此方法可行且在数据精度上可靠程度更高。

逐一布线拟合地层；探槽剖面；缩短量；长度守恒

地震地表形变具有十分复杂的力学成因和空间几何特点（邓起东等，1989；徐锡伟等，2002、2008）。地表变形量在空间分布上复杂多变，详细精确的测量和对变形量的定量分析对于同震地表变形带的几何学、发震断裂区域构造运动学等具有重要的意义（陈桂华等，2008）。地震断层的近地表缩短量是表征同震地表变形的关键基础数据，获取地震断层的近地表缩短量的准确性关系到断裂最新一期活动的几何学、运动学性质的确定，活动性参数的准确性，以及地震危险性评价的可靠性。在挤压活动构造区往往发生逆冲型大地震，2015年4月25日尼泊尔8.1级特大地震就发生在喜马拉雅逆冲构造带内，震源机制解显示为逆冲性质。2008年汶川8级地震沿龙门山断裂带产生20多公里的逆冲—走滑型地震破裂带（徐锡伟等，2008），其震源机制解也显示此次地震为逆冲型特大地震（张培震等，2008）。位于新疆中天山与北天山交界处的博阿断裂东段以逆冲性质为主，对地震危险性研究具有重要的研究价值。本文以博阿断裂中东段苏巴什活动背斜北翼一探槽为例，采用逐一布线法获取探槽中特征地层缩短量，并进行合理的定量分析。

1　地质构造背景概述

博阿断裂位于中天山与北天山分界处，被认为是一条晚古生代形成的板块缝合带（沈军等，2001）。研究区位于博阿断裂中东段，呈东西向展布延伸入山区中，西段以右旋走滑的性质为主，以乌苏通沟为断裂性质的转折点，东段以低角度逆断层为主兼有一定走滑性质。通过航片解译，我们在博阿断裂北侧山前第四纪地层中观察到断层陡坎、河流冲沟右旋等断层迹象，反映研究区在第四纪以来仍具有一定的活动性。通过数字影像资料解译、野外地质调查，认为苏巴什背斜构造为一条活动背斜构造，该活动背斜构造呈近东西走向，全长约16km。

2　逐一布线法

在第四纪地层缩短量定量分析的过程中，若目标地层符合平衡地质剖面方法的基本假设，即变形过程中地层剖面上的地层长度或面积保持不变，则认为可采用平衡地质剖面的方法将形变后的地层恢复至形变前的地层形态。

依据平衡地质剖面原理结合研究区活动性质，可将逐一布线法的流程概括如下：

（1）数字影像资料解译：通过数字影像资料的解译观察是否存在明显的断层迹象，如数字影像条带状色调的异常或河流同向弯曲等。

（2）野外地质调查：根据数字影像解译资料进行野外地质调查。采用以追索法为主穿越法辅助的原则追踪断层迹象，确定断层基本性质。

（3）识别第四纪活动构造：主要解决断裂的断裂性质、是否为活动断层、在何处开挖探槽等一系列问题。这一步骤是确定开挖探槽进一步研究前的关键步骤。

（4）确定典型地点开挖探槽：开挖探槽的基本原则是最大限度地从地质记录中揭露和获取古地震信息（邓起东等，2004）。

（5）符合逐一布线法地层条件的特征地层应满足以下几个条件：

①特征地层在变形过程中是相对强硬的地层，在变形过程中无塑性变形；

②特征地层在变形前的厚度和长度基本保持恒定；

③特征地层在变形过程中没有物质的流入流出。

（6）获取地层缩短量：特征地层符合平衡地质剖面的基本假设。因此，在确定了特征地层之后，就可以根据特征地层的特征采用面积守恒或长度守恒原理，在探槽现场拟合特征地层的面积或长度。在探槽现场，我们采用钉线的方式拟合特征地层的每一个变形点。在钉线时，应选用收缩性小，拟合过程中长度基本不变的线绳才能尽可能准确的拟合特征地层的长度。对比特征地层变形前后的长度差即可得到该地层准确的缩短量。

3　案例分析

在博阿断裂带中东段1∶5万活断层填图工作中，为准确获取研究区内最新一次事件的缩短量，我们在研究区地貌陡坎比较平直连续、冲沟右旋迹象明显的地点尝试选取探槽开挖的方式来准确的获取缩短量。

在苏巴什活动背斜隆起处开挖的探槽中，发现3条错动第四纪地层的断层。受南侧反冲断层（F1）的挤压作用影响，第四纪地层出现明显的错位揉皱现象，在探槽剖面上显示出明显的地层挠曲，通过观察认为地表形成的陡坎属于断层与挠曲叠加形成的陡坎。本文选取形变迹象明显的标志地层并采用逐一布线发获取其形变长度，采用标志地层恢复方法将标志地层恢复至震前形态，取得近地表缩短量。

3.1断层描述

图1　探槽剖面图

如图1所示，探槽中由南向北共出露3条断层，依次命名为F1、F2、F3。其中，F1为反冲断层，产状345° ∠34°，该断层下部有一小分支断层，后与主断层合并为一条，分支断层迹象不甚明显产状无法取得。断层上下盘地层可清晰对应，近断层处可见因断层作用地层出现的明显挠曲揉皱现象。F2为逆掩断层，产状183° ∠25°，断层两侧地层明显不同，上下盘无法对应，有一套崩积楔砾石堆积。F3为逆掩断层，产状185°∠25°，断层上下盘地层对应较清晰，近断层处上下盘地层对应较明确，出现两套崩积楔砾石堆积。探槽内迹象表明，反冲断层F1是在逆掩断层F2、F3之后形成的，而断层F1的上升盘在断层F2附近未发现砾石定向排列、部分地层挠曲等地层受力形变等情况。由此可知，断层F1上下盘形成的地层挠曲仅由断层F1的错动形成，未受到断层F2的错动影响。

3.2地层分层

探槽剖面如图1所示，在探槽中共计出露17套地层。除表层土和断层F2形成的崩积楔堆积以外，上升盘出露6套地层，下降盘出露8套地层，现根据图1将各套地层描述如下。

（1）表层土，褐红色砂土，下部含盐，厚10～15cm。

（2）灰黑色含砾表土层，厚约15～30cm，有近水平层理。

（3）青灰色盐碱砾石层，发育斜层理，砾石粒径约1～3cm，少量达5cm，与上伏表层土呈角度不整合接触。

（4）青灰色砾石层，厚0.5～1m，层理不发育，砾石粒径约3～5cm，少量10cm，分选度较好，磨圆度一般。

（5）灰黄色细砂与灰色粗砂互层，发育近水平层理，单层厚度约0.1m，夹少量砾石薄层，靠近断层F1处形变明显。

（6）青灰色盐碱砾石层，发育斜层理，砾石粒径约1～3cm，少量达5cm，与上覆表层土呈角度不整合接触。

（7）青灰色砾石层，厚0.5～1m，层理不发育，砾石粒径约3～5cm，少量10cm，分选度较好，磨圆度一般。

（8）灰黄色细砂与灰色粗砂互层，发育近水平层理，单层厚度约0.1m，夹少量砾石薄层，靠近断层F1处形变明显。

上述层（3）～（8）在断层F1上下盘分布。其中层位（3）～（5）在断层F1的上升盘分布，层（6）～（8）在断层F1的下降盘分布。通过对F1断层南北两侧地层观察对比认为层（3）和层（6）、层（4）和层（7）、层（5）与层（8）呈对应关系，认为震前各自对应为同一地层。

（9）黄白色含盐土层，质地坚硬，含有细砾，局部略显层理，盐呈圆粒状胶结，该层上界局部有小范围崩积楔堆积（17）。

（10）灰色盐碱层，在断层F3上升盘靠近断裂处测得10°左右的层理，有向断层F3弯曲的趋势，下部为砾石堆积。

（11）灰色砂砾石互层，呈水平层理，含有盐碱层，厚15～25cm，此地层下部含有3cm厚的黄色粉土，胶结一般，相对松软。

（12）黄白色含盐土层，质地坚硬，含有细砾，局部略显层理，盐呈圆粒状胶结。

（13）灰色盐碱层，有斜层理，此层下部为崩积楔砾石堆积层，中部夹砂层透镜体，存在一个微角度不整合，约4°左右。

（14）灰色砂砾石互层，呈水平层理，含有盐碱层，厚15～25cm，胶结一般，相对松软。

（15）崩积楔砾石堆积，在（10）层与（13）层下部均有出现。

（16）崩积楔砾石堆积，位于F3下降盘近断层处表层土覆盖下部。

（17）崩积楔砾石堆积，在（9）层上界局部堆积。

层（9）～（16）在断层F3上下盘分布。其中层（9）～（11）在断层F3的上升盘分布，层（12）～（16）在断层F3的下降盘分布。通过对F3断层南北两侧地层观察对比认为上层（9）和层（12）、层（10）和层（13）呈对应关系，震前为同一地层；层（11）和层（14）虽包含物质成分相近但含盐层无法对应；层（15）、（16）认为是两次不同地震事件形成的崩积楔砾石堆积，在第一次地震事件（15）之后形成地层再沉积，发生第二次地震事件形成（16）。

3.3测量缩短量特征地层的选取及缩短量获取

在F1断层附近的地层（5）和（8）是一套细粗砂互层，选取其中一套细砂层为测量缩短量的特征地层的原因如下。

首先，该套砂层的成分单一压实度较好，不含砾石盐碱等脆性较大的物质，在变形过程中是相对强硬的地层，其层位的错动挠曲可以被认为仅由断层活动导致该地层受力平衡结构改变造成，不存在发生塑性变形，在变形过程中无物质流入流出。其次，该砂层的砂砾大小、质地均一、层理近水平，可以认为是自然沉积过程中的平整连续地层，符合平衡地质剖面的基本假设。运用面积守恒原则（尼可拉斯·B·伍德华特等，1991）能够较好地反映近断层缩短量与真实值之间的关系。再次，该细砂层的厚度较小且基本无变化，虽然在断层附近产生挠曲有部分未完全错断开，在层厚均匀且厚度较小的情况下，面积守恒原则可简化为长度守恒来运用。由此可见该细砂层在粒度、厚度、物质等各方面具有获取缩短量的优势条件。

通过观察发现，特征地层位错后上下盘总体相应呈水平层理，仅在断层F1附近有部分挠曲。因此认为在断层F1附近的缩短量仅由断层F1的一次错动造成。而断层F1上升盘的特征地层北部近断层F2处并未发现挠曲，砾石定向排列等受力迹象，因此推断断层F2仅起到阻挡作用，并无应力作用使特征地层产生形变。

采用逐一布线法获取缩短量，用伸缩性小的线绳及钉子沿特征地层的下沿拟合该地层的挠曲情况，并在断层F3上下盘特征地层产状均一处钉线，测得该套地层的缩短量为187cm，垂直断距为115cm，水平缩短为159±5cm。

4　结果对比及分析与讨论

4.1采用模型计算方法的缩短量分析

被揉皱第四纪特征地层在断层F1附近呈现折曲形式，因此采用理想的缩短量计算公式，即S=H/tanθ （S为断层水平缩短量理论值，θ为断层倾角，H为垂直断距）来计算该套地层的近地表缩短量，相当于认为该地层被直接错断，忽略了挠曲缩短量，计算结果必然是偏小的。

基于前人对汶川MS8.0地震中大量剖面的观察，地震同震地表变形样式可分为逆断层断错地表形成陡坎、挠曲变形陡坎和断层与挠曲叠加型的复合陡坎三种理想类型。结合地表地貌及探槽剖面的形变形式，认为本文研究的目标探槽为断层与挠曲叠加型复合陡坎，可采用以下变形模型进行计算。

如图2所示，粗线示意逆断层，α为逆断层倾角，β为陡坎坡角，h为逆断层垂直错距，U示意不同地层单元，ABCD示意震后陡坎微地貌面，abc示意将地层U4展平后长度，Sc示意地层U4展平后与展平前差值，即挠曲造成的水平缩短量。

断层水平缩短量计算值与真实值之差（△）为：

测量出α、β值、θ值及Sc值即可求得真实的缩短量：

式中：α——逆断层倾角；

β——陡坎坡角；

h——逆断层垂直断距；

Sc——挠曲造成的水平缩短量。

在实地测量中我们获得如下数据：

α=34°、β=4.3°、h=1.15m、SC=1.60±0.05m。

将上述测量数据带入上式并将结果保留至其万分位计算得θ=4.18°，△=0.50m，ST=1.10±0.05m。

将实地观测结果带入断层挠曲计算公式所得水平缩短量为1.10±0.05cm，与采用逐一布线拟合地层挠曲的方法获取的水平缩短量差值为0.5m。

4.2分析与讨论

（1）结果误差在0.5m在可行性范围之内。通过断层挠曲水平缩短模型计算得出的近断层水平缩短量可能存在着缩短局部化现象（王虎等，2010）。这种缩短局部化现象可能由以下原因造成：由于计算模型将弧度的挠曲量转化为三角函数计算其数值，必然造成计算结果较实际测量拟合结果偏小。同时，由于断层倾角小于45°使得这种用直线代替曲线的替代模型误差增大。

（2）由于断层F1下部分支断裂影响，造成特征地层局部有第二次受断裂应力而产生的挠曲，这部分挠曲在采用模型计算时难以分段测量及分析讨论，因此采用模型计算的方法只能忽略此部分挠曲。这也是模型计算的水平缩短量偏小的一个重要原因。

5　结论

采用逐一布线拟合地层挠曲的方式缩短量有如下优点：一、在探槽中拟合变形地层的形态是较为直观的测得该特征地层缩短量的手段；二、数据结果涵盖信息全面，在拟合挠曲过程中不会忽略任一方面应力变化而产生的缩短量，这是本方法最显著的优点；三、可操作性高，直接量取缩短量在野外工作中便于操作，提高野外工作效率；四、为获取断层挠曲叠加型地层的长度提供了误差较小的新方法，与前人获通常采用测量角度及分段长度建立模型计算所得数据相比，本方法获取的数据可靠度较高。

然而采用逐一布线拟合地层挠曲的方式缩短量需要满足一定条件：一、特征地层的条件，即：（1）特征地层在变形过程中是相对强硬的地层，在变形过程中无塑性变形；（2）特征地层在变形前的厚度和长度基本保持恒定；（3）特征地层在变形过程中没有物质的流入流出；二、规范操作的条件，拟合断层的钉线点要尽可能的密集才能最大程度上拟合地层形变之后的形态；三、合理分析的条件，合理分析地层受到哪些方面的作用力才能合理的给出缩短量。

此外，若探槽中连续沉积地层较多，能够发现多套厚度长度基本保持恒定的强硬地层，则可对每一套地层分别采用逐一布线法，进而获取更加系统和完整的探槽近地表缩短量数据。

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P315

A

1004-5716（2016）09-0143-05

2015-09-17

2015-09-21

项目资助：本论文由财政部重大专项“我国地震重点监视防御区活动断层地震危险性评价”资助。

耿昭（1991-），女（汉族），江苏徐州人，新疆大学地质与矿业工程学院地质资源与地质工程专业在读硕士研究生，研究方向：地球探测与信息技术。