兰州市地震活动断层探测与国土利用实效

袁道阳

袁道阳，博士，研究员，甘肃省地震局、中国地震局兰州地震研究所副局（所）长，中国地震学会理事，甘肃省地震学会常务副理事长、甘肃省地质学会常务理事。2003年获中国地震局地质研究所构造地质博士学位，2007年在中国地震局地球物理研究所博士后出站，2008年在美国科罗拉多大学做交流访问学者。主要从事新生代构造、活动构造及其工程应用、历史地震研究等。先后主持国家自然科学基金、中国地震局“十五”国家重大建设项目、甘肃省科技攻关项目、汶川地震甘肃省灾后重建和舟曲泥石流灾后重建等项目。在国内外核心以上期刊发表第一作者论文70余篇，获省部级科技成果一等奖3项、二等奖3项、三等奖3项。

当前，我国防震减灾事业发展的主要矛盾是：人民对包括安全在内的美好生活需要与防震减灾事业不平衡不充分发展之间的矛盾。发展不平衡问题主要体现在“城市高风险、农村不设防”“重震后救灾、轻震前预防”“区域发展不平衡、风险管理不平衡”“小震大灾、大震巨灾”“硬实力不硬、软实力又软”等方面。就城市地震安全而言，城市地震活动断层的存在是重要的安全隐患，而开展活动断层探测、采取有针对性的避让或抗震设防措施是降低城市地震灾害高风险极为重要的方面。十多年来，中国地震局一直在积极推进城市活动断层探测与地震危险性评价工作，目前已经开展了90余个城市的探测工作，并已取得了十分显著的减灾实效。兰州市作为中国地震局组织实施“大城市活断层探测与地震危险性评价”项目中首批20个探测城市之一，总投资2117万元，自2004年9月正式实施，到2007年8月顺利通过验收并及时推广应用。十多年来，该项探测成果在兰州城市规划发展、城市建设中发挥了极为重要的作用，为兰州城市建设中工程抗震设防提供了重要的科学依据，具有巨大的减灾实效。

历史地震和地震活动断层的存在对兰州市发展的严重制约

兰州市位于我国陆域版图的几何中心，市区依山傍水，山静水动，是全国唯一一座黄河穿城而过的省会城市。经过数十年的建设，特别是改革开放以来的快速发展，兰州市已成为西部重要的工业基地和现代化城市。

在构造位置上，兰州市位于新构造活动强烈的青藏活动块体东北缘、南北地震构造带与祁连山地震构造带的交汇复合部位，具有孕育和发生中强地震的构造条件。兰州市在历史上曾多次遭受到地震的侵袭，其中影响最大的是1125年兰州7级地震。据《宋史·五行志》记载:“……七年七月己亥熙河路地震，有裂数十丈者。兰州尤甚，陷数百家，仓库俱没。河东诸郡或震裂”。《宋史·忠义传》(卷448)记载:“……地震秦陇，金城六城坏……”经史料考证和现场考察确认，在这次地震中，兰州附近的益机滩堡、京玉关、西关堡、金城关、皋兰堡和阿干堡等六座城堡均遭到了破坏，其灾害非常严重。

在地貌上，兰州市为一个狭长的河谷盆地，黄河纵贯其中，四周高山环绕，总体呈NWW向，东西长约50千米，南北宽4～15千米。以皋兰山—九州台为界，兰州盆地可分为东西两个盆地，呈现两山夹一谷的特殊地貌(见图1)，因此，兰州的城市发展空间和建设用地十分有限。前人研究中曾提出兰州市区内存在6条晚第四纪活动断层，包括金城关断层、刘家堡断层、雷坛河断层、深沟桥断层、寺儿沟断层和西津村断层，其中刘家堡断层是横穿市区的全新世活动断层。兰州盆地即是由上述活动断层所围限的断陷盆地，盆地中心为七里河第四纪断陷盆地。如果按照《建筑抗震设计规范》将刘家堡全新世活断层两侧各200米作为避让带划出的话，兰州市建设规划将失去10.8平方千米的建设用地，占整个城区可利用面积的0.6%。这对于建设用地已十分紧张的兰州来说，将更是雪上加霜。

前人对兰州盆地及其活动断层的研究历史大体经历了三个阶段：1925—1949年：安特生（1925年）、陈梦熊（1947年）等对兰州的地文期和新生代地层划分进行了初步研究；新中国成立后至20世纪70年代末：根据部分水文工程地质勘察资料，多数地学工作者认为兰州盆地的构造形态主要是一个新生代向斜盆地，其内部并无活动断层；20世纪80年代：兰州盆地开展了一些电法勘探和水文钻探工作，并根据这些资料提出了兰州七里河断陷盆地的认识，并在盆地内画出了金城关、刘家堡、雷坛河、深沟桥、寺儿沟和西津村6条晚第四纪活动断层。由此确立了“兰州是一个存在多条活断层的断陷盆地”的主流认识。其中，对兰州市影响最大的是横穿市区的刘家堡断层，为全新世活动断层，并认为是1125年兰州7级地震的发震断层。这些活动断层的分布及其活动性问题，长期以来困扰和影响着兰州市的城市规划和建设，是历届政府想解决但又未能解决的城市地震安全隐患问题，也是未来城市发展过程中可能面临的灾害风险源。

兰州盆地究竟是一个向斜盆地，还是一个断陷盆地？断层是否存在，其危险性如何？对兰州盆地及其构造特征前后认识上的巨大反差，说明兰州地质构造的复杂性和不确定性。要彻底查清它们，具有相当大的难度。因此，该项目一开始，就是一个不同于一般工程项目、存在着许多难点的科学工程。

图1 兰州市地貌及推测活断层分布图（探测前）

对兰州市地震活动断层的探测和否定，为城市发展松了绑

兰州市活动断层探测的主要目标就是要查明前述6条断层的准确位置、几何结构、晚第四纪活动性及其活动习性，甄别出地震活动断层和非地震活动断层；对地震活动断层未来有限时段的地震危险程度和地震危害程度做出定量评价；提供大比例尺活动断层分布图和近断层强地面运动分布图；建立活动断层基础数据库和地理信息系统，为兰州市政府和相关部门的城市发展规划、土地利用、重大工程选址以及防震减灾提供科学依据。

兰州市活动断层探测过程可谓是艰难曲折。最初，项目组一直认为根据前人提供的资料，兰州市区活动断层位置大体清楚，探测应该相对容易。因此，在前期准备和工程设计阶段，兰州市活动断层探测项目的进度一直比较顺利。但是在具体实施过程中，项目组苦苦追寻，一直找不到断层新活动的任何证据。与此同时，在兰州城区内开展的隐伏断层浅层人工地震探测工作也遇到了很大困难和挑战。由于新近系岩层陡倾，第四系砾卵石层厚达300多米，作为主要探测手段的大型震源车数据采集很不理想，致使探测工作一度陷入了困境。

总结和反思发现，多年来兰州盆地内除地矿、水文等部门曾开展过一些地质普查，地震部门进行过一些工程场地地震安全性评价等零星工作外，并没有开展过系统的研究和探测工作，研究基础非常薄弱。因此，前人对兰州盆地活动断层的一些认识多是基于不多或不系统的研究得出的，存在一些不确定因素。对此，项目组开始对一些断层的存在依据产生了怀疑。为了搞清楚兰州市活动断层研究的来龙去脉，项目组查阅了自1925年以来有关兰州盆地及活动断层研究的全部文献资料。发现20世纪80年代初对兰州盆地地质构造的认识有了很大的转变，盆地内的主要活动断层都是那个时期才提出来的。项目组决定以大家公认活动性最强的刘家堡断层为突破口。为了取得刘家堡断层存在与否的可靠地质证据，在物探、钻探工作基础上，选择文华嘉苑工程场地进行10米深的大探槽开挖，探槽所揭示的现象不是断层，而是掀斜地层的岩性界线（见图2）。

图2 文华嘉苑探槽揭示刘家堡断层为地层接触界线而非断层

图3 邓起东院士现场考察深沟桥断层大型探槽开挖现场

要想否定已经得到认可的断层需要有相当大的勇气，并需付出双倍、甚至十倍的努力，还得承受巨大的压力，必须拿出确凿的证据。项目组也意识到，若能否定一条多年来困扰兰州市规划发展的活动断层意味着什么：如果该断层确实不存在，将为兰州城市发展提供更加广阔的空间，为兰州广大市民提供重要的安全保障，其经济效益和社会效益非常巨大，其长期利益更是无法估计，这是利国利民、造福地方的大好事。因此，为了稳妥起见，项目组接下来按照同样的思路和方法，沿刘家堡断层走向又选择了2个场点进行物探和钻探验证，揭示的是同样的地层接触关系，均无断层存在。同样，根据物探和钻探结果，项目组又在深沟桥断层上开挖了2个深达12米，长50余米的特大型探槽，其结果证实深沟桥断层也仅只是不同岩性的分界线，并不是断层，同样印证了项目组的看法。为了得到同行专家认可，项目组特地邀请全国活动断层探测项目总监理邓起东院士、首席科学家徐锡伟研究员和兰州地质界、工程界和高校的十多位知名专家到现场召开咨询讨论会，确认了刘家堡断层和深沟桥断层不是断层的结论性意见（见图3）。

项目组进一步采用地质地貌填图、差分GPS测量、浅层人工地震探测、钻孔探测、测年技术及地震学等综合探测技术，揭示了前人提出的刘家堡断层、深沟桥断层等晚第四纪活动断层实际上为新近纪上新世泥岩与早更新世胶结砾石层之间不同岩性的分界线，而不是断层的重要结论。同时，通过综合探测还修正了金城关断层、雷坛河断层、寺儿沟断层和西津村断层4条晚第四纪活动断层的最新活动时代，证实其均为第四纪早中期断层，为非发震断层（见图4）。同时，肯定了马衔山北缘断层西段为晚更新世—全新世活动断层，是1125年兰州7级地震的发震断层。上述一系列新认识的提出，消除了过去对兰州市地震构造环境的一些模糊认识，具有极为重要的科学意义和实用价值，对兰州的城市规划和工程建设松了绑，特别是对兰州市安宁区和西固区的建设发展具有巨大的经济和社会效益。

探测成果的及时推广应用，取得了显著实效

项目取得的探测成果，不仅消除了过去数十年对兰州市地震构造环境的一些模糊认识，而且为兰州市的土地利用和城市建设规划提供了极为重要的科学依据。通过对刘家堡全新世断层的否定，进而确定无需采取避让措施，客观上等于为兰州市增加了约10.8平方千米土地，仅按照项目实施时期2006年“兰州市基准地价”平均0.45万/平方米计算，其总价值就达486亿元，其长期经济效益更是无法估计。对兰州活动断层的全新认识，最大限度地减少了“地震盲目性”，为广大市民提供了安全保障，对改善兰州发展和生活环境、构建和谐社会具有深远意义。该项目获得2007年度甘肃省优秀工程勘察一等奖和2009年中国地震局防震减灾优秀成果二等奖。项目所取得的成果和认识得到了甘肃省建设主管部门和专家的肯定和高度赞扬，为此，甘肃省建设厅和省地震局联合召开表彰大会，对兰州市活动断层探测项目组进行表彰奖励。

图4 兰州市活断层分布图（探测后）

为了及时做好该成果的推广应用，促进兰州市新版城市规划的科学性、合理性和前瞻性，最大限度地利用好城市土地建设资源，提高城市地震安全水平，改善兰州市投资环境，经甘肃省建设厅和地震局共同发文（甘建设[2007]437号），提出了明确的推广使用意见。

1.要充分认识“兰州市活断层探测”项目成果在城市规划、建设和防震减灾工作中的重要意义，各级建设、规划、地震等部门要认真学习、大力宣传、准确把握“兰州市活断层探测”主要成果和技术要点，加强成果宣传，促进社会和谐，改善投资环境。

2.兰州市第四版城市规划和兰州市抗震设计规程要吸收、采用“兰州市活断层探测”项目的主要成果，做好“规划”“规程”与“兰州市活断层探测”项目主要成果的有机结合，增强城市规划和抗震设计规程的科学性、指导性和实用性。

3.各有关单位要将“兰州市活断层探测”项目主要成果及其结论运用到城市和工程规划、建设工程设计、勘察以及抗震设防要求管理的具体工作中去。省市建设、规划和地震部门要组织省内有关规划、设计、勘察等单位，采取学术报告、通报会、讲座等形式，在有关专业单位和科技人员中宣传、普及“兰州市活断层探测”主要成果及其结论，提升该成果推广应用的社会和经济效益。

4.成果已经被新修编的兰州市第四版城市规划、DB62/T25-3037-2006《兰州市区建筑抗震设计规程》和甘肃省DB62/T25-3055-2011《建筑抗震设计规程》所吸收。为城市土地利用和工程建设规划、减轻地震灾害、保障社会经济可持续发展提供了极为重要的科学依据。

经验和启示

1.综合探测技术的应用是成功的关键。在工作中，项目组针对兰州盆地厚层黄土和粗颗粒沉积物等特殊的地质地貌条件和极为复杂的探测环境，采用了地球物理、地球化学、地震地质和地震学等综合探测技术。开拓性地在兰州市区内运用特大型探槽技术，对否定刘家堡断层和深沟桥断层起了决定性作用。消除了过去对兰州市地震构造环境的一些模糊甚至错误的认识，纠正了以往根据钻探“一孔之见”得到结论的局限性，对兰州盆地形成演化等重要科学问题提出了全新的认识，其科学意义重大。

2.地下搞清楚是确保城市地震安全的前提和基础。兰州四周高山环绕，城市发展空间和建设用地十分有限。本成果为兰州市区内以前的禁建区土地规划利用松了绑，为城市发展提供了广阔空间。上述工作的前提和基础就是城市地下搞清楚了，其地震安全才会有保障，未来地震灾害风险就会大大降低。这也进一步凸显了中国地震局提出的城市活动断层探测工作的重要性和对社会经济发展的积极贡献。