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1、乌鲁木齐西山断层活动性鉴定与潜在最大地震震级评估第23卷第2期2oo9年6月内陆地震INLANDEARTHQUAKEV01.23No.2June2OO9文章编号:1ool956(2O09)022o6o9中图分类号:P3l5.2文献标识码:A乌鲁木齐西山断层活动性鉴定与潜在最大地震震级评估李军,沈军,向志勇,吴传勇(新疆维吾尔自治区地震局,新疆乌鲁木齐83ool1)摘要:以20o42O0r7年开展的乌鲁木齐城市活断层探测与地震危险性评价项目之地震危险性评价专题所取得的新资料为基础,重点对乌鲁木齐西山断层活动性和潜在地震最大震级进行评价.西山断层在中更新世一晚更新世中期曾有强烈的活动,最新的活动错
2、断了距今39一l6ka的地层,晚更新世末期以来活动性减弱,没有错断全新世地层,所以为晚更新世断层.该断层晚更新世的垂直滑动速率为0.o50.06rnrra.西山断层具有发生直下型地震的能力,估计其潜在最大地震震级为6.5级.关键词:乌鲁木齐;西山断层;活动性;潜在最大震级城市活断层探测与地震危险性评价是城市规划建设和防震减灾工作中极其重要的基础工作.它的重要目标之一就是对城市地区活动断层进行鉴定,并对其未来地震危险性进行评价,即活动断层是否可能发生破坏性地震,可能发生的最大潜在地震震级是多大,发震的可能性有多少等.在总结分析前人研究结果的基础上,以2o042O07年乌鲁木齐城市活断层探测与地震
3、危险性评价项目之地震危险性评价专题所取得的资料为基础,重点阐述乌鲁木齐西山断层活动性鉴定与最大潜在地震震级评估结果.1西山断层的基本特征乌鲁木齐位于北天山山前逆冲构造与博格达弧形推覆构造西翼的复合部位,北部为准噶尔盆地,南面为柴窝堡盆地,中间为西山隆起,构造较复杂且很活跃.西山断层是乌鲁木齐西部颇具规模的一条重要断裂构造,为西山隆起与柴窝堡中新生代盆地的分界断层(图1)控制着断层两盘的地层和地貌.西山断层西起永光煤矿附近,向东经头屯河水库,西山煤矿,建材陶瓷厂,1o4团,至耐火材料厂附近分为两支.北支经烧碱厂,新疆农业大学可能与碗窑沟断层相连;南支大致沿西山公路北侧延伸,止于市电讯台附近,总长
4、度逾35km.断层总体走向NEE,中,东段走向近EW,平面上呈宽缓的波状,断面倾向北,倾角40.以上.西山断层主要发育在侏罗系中,控制着断收稿日期:2oo8一l】-2l;修回日期:20o91-l2.课题项目:国家十五重大项目中国数字地震观测网络项目活断层分项资助.作者简介:李军,男,副研究员.主要从事地震地质工作.新疆防御自然灾害所.乌鲁木齐目标区地震活动断层鉴定与地震危险性评价专题报告,20o72期李军等:乌鲁木齐西山断层活动性鉴定与潜在最大地震震级评估裂两侧煤层的分布.由于断层向南的逆冲活动,在断层上(北)盘形成向北倾斜的南陡北缓的单斜构造(西山隆起),地貌上形成掀斜式断块低山;断裂下(南
5、)盘广泛沉积第四系,组成向北缓倾斜的戈壁砾质平原.图1乌鲁木齐城市活断层分布图g.1Theactivefaultdistributionm印inUnlmqicity西山断层历史上无5级以上地震的记录.根据19702006年地震台网记录,沿西山断层发生的24级中小地震比较频繁(图2),最大地震为1983年5月17日的4.7级地震,震后2O天内发生1.0以上余震l1次,属孤立型地震,主震震源深度26km,余震深度较浅,市区有感.图3是横跨西山隆起的震源深度分布图.由图可见,西山隆起的地震震源深度较均匀分布在35km内,沿西山断层附近的狭窄地带内地震深度的下界形成北倾45.角的斜坡状分布,与西山断层
6、的倾向北的特征相同.在西山断层段附近小震震源深度逐渐变浅,说明断层微破裂可能到达近地表或地表附近.2断层活动性鉴定2.1断裂活动证据对西山断层晚第四纪以来的活动性研究主要始于上世纪8090年代.19831986年新疆维吾尔自治区地震局通过地貌和地层对比研究,认为西山断层为晚更新世一全新世断层.1985l989年冯先岳等在大泉沟西剖面揭示,西山断层错断了热释光测年为距今(24.531.8)(37.13.O)ka的上更新统砾石层,断层上断点被MC年龄为距今新疆地震局地质大队.乌鲁木齐市地震影响小区划及震害预测报告,l986内陆地震23卷(18.740.17)ka地层覆盖.在四道岔天然剖面错断了热释
7、光测年结果为距今l639ka的晚更新世晚期砾石层.19891991年胡军等在四道岔天然断层剖面上发现,断层上断点被砂,坡积物夹炉灰,炉渣的文化层覆盖,盖层的HC和热释光测年结果为距今0.4934.769ka,由此认为西山断层为全新世断层.1997年冯先岳总结以前研究结果,认为西山断层发?jlf2.02-g?jlI3.0一&gMO一4.9M5-0一矗9图2l97O一20o6年乌鲁木齐市区附近中小地震分布图(虚线框为西山断层)Fig.2em.d_smalleanhquakesdisbutionmapneartheurbandistrictofUrumqifmml970to2006昌隧骶挺距
8、离/l图3跨西山隆起l97020o6年地震震源深度分布图(剖面位置见图2)Fig.3Thedistributionmap0ffaldep【hacrossXishanupliflfl阳ml97Oto2o06冯先岳.全新世古地震研究方法和确定性标志研究报告,l989胡军.西山,水磨沟活动断层机制及分段特征研究报告,l991.Om;2期李军等:乌鲁木齐西山断层活动性鉴定与潜在最大地震震级评估2O9生过5次古地震事件,大震复现间隔为4000a左右,最新一次事件发生在距今490a以前.20042007年以来,随着乌鲁木齐城市活断层探测与地震危险性评价项目不断深入,沿西山断层开挖了一系列探槽.在耐火材料厂
9、的2个大型探槽揭示,西山断层错断了热释光年龄为距今(1l3.879.68)(148.9412.66)ka的地层.在四道岔沟谷西侧沿西山主断层开挖的2个大型探槽及1个大型天然剖面组成的组合探槽,其中,大型天然剖面揭露的地层层序(自上而下)和岩性特征如下(图4).12108昌6420246810l2d/m图4四道岔沟谷西侧西山断层剖面土黄色含土砾石层,夹泥,砂质条带层;青灰色砂砾石层与灰黄色含细砾粉土层组成的互层;青灰色,灰黑色含砂卵砾石层;人工洞穴回填物;黑色煤层Fig.4TheXishanfaultsection0nthewestemsideofSidaochar_avine土黄色含土砾石层,
10、夹泥,砂质条带层.具水平层理,砾石多呈角砾状,粒径15cm为主,属上更新统坡冲洪积相沉积.中下部样品的光释光年龄测试结果为>40ka,底部光释光年龄样品测试结果为>距今60ka.青灰色砂砾石层与灰黄色含细砾粉土层组成的互层.单层厚度520cm,松散,具水平层理,砾石多呈次圆-圆状,有一定的分选,属上更新统冲洪积相沉积.下部样品的光释光年龄测试结果为>距今10oka,中部样品的光释光年龄测试结果为距今(37.93.8)ka;青灰色,灰黑色含砂卵砾石层,夹砂透镜体,层理明显,砾石多呈次圆状,粒径大多数<1Ocm,少数103Ocm,极个别大于30cm,砂占25%,分选中等,属
11、上更新统冲积沉积.人工洞穴回填物,为砂砾石夹煤质粉末.煤层,为侏罗系中侏罗统西山窑组底部厚煤层,强风化.新疆防御自然灾害研究所.乌鲁木齐目标区初查与活动断层鉴定专题研究报告,20o62l0内陆地震23卷探槽揭露,西山断层是由5个逆断层面组成的断层带,断面均为倾向南的逆断层,断层带上部宽度约7m,向下各断层面逐渐合并,断层带宽度11.1m.断层错断侏罗系煤层,将上盘侏罗系煤层向南逆冲到上更新统青灰色冲积砾石层(层)之上,沿断面砾石定向排列,断面两侧砾石层发生明显牵引褶曲变形,断层带上断点被层覆盖,但层下部已受影响,近断层处发生倾斜变形,说明当时地表可能形成断层陡坎,之后堆积的层保持原始水平状态,
12、显示在层沉积后断层再没有发生明显错动(图4).该剖面是迄今为止既有被断地层,又有断层上断点被地层覆盖的完整典型剖面,可以作为西山断层活动性鉴定的一个最好证据.2.2断层活动年代判定2.2.1测年结果断层活动性确定的主要内容和关键技术之一是断层活动的定年J.根据上述不同时期的工作,把对西山断层既有地质剖面又有测年结果汇总于表l,并作以下分析.(1)对西山断层活动上限争议较大的是胡军等在四道岔的2个断层剖面,第l剖面是断层上断点错至地表附近,并推测延伸到上覆的含炉灰,炉渣的文化层堆积层,该文化层中烧结物的热释光年龄测定为距今(493土48)ka;第2剖面是断层上部以裂缝形式延至上覆的砂,残坡积物及
13、含炉灰,炉渣的文化层,对该层上部C样品年龄为距今(479692)a.由此,曾确定西山断层为全新世断层.(2)由表1可见,西山断层具有地质证据及有测年数据的剖面有7个,其中被断的第四系最老地层年龄为距今(1l3.87l48.84)ka,最年轻地层年龄为距今(16.311.62)ka,表明西山断层在中更新世晚期以来至晚更新世晚期仍有明显断错活动.但这些剖面显示断层上断点均被一些不同岩性的堆积物覆盖,覆盖层有测年数据的剖面有3个.1个剖面覆盖层为MC测年,结果为距今(18.74土0.17)ka;1个剖面为热释光测年,结果为距今(0.4930.048)ka;1个剖面为光释光测年数据,共有4个结果,1个
14、有效年龄为距今(37.93.8)ka,其余3个结果分别为>距今40ka,>距今60ka和>距今looka.可见这些覆盖于断层之上的地层测年结果有很大差异.2.2.2测年结果的不确定性分析沿西山谷地两侧山体广泛分布着侏罗系厚层煤层,煤质较好,山体多处煤层裸露并有大面积自燃现象,谷地内的晚第四纪堆积普遍掺杂煤层风化剥蚀物,堆积物中的MC样品一般多少会掺杂风化煤屑或受煤质污染而测试结果可能误差较大.因此,受沉积环境影响,西山谷地沉积物中的C样品测年结果可信度较低.释光测年样品的主要条件是物质颗粒较细(细粉砂以下)且充分暴光环境的沉积物,其结果才比较可靠.而西山谷地晚第四纪以来沉积物
15、主要为冲积,冲洪积和坡洪积形成,颗粒较粗且堆积较快,一般很难满足释光测年样品的要求.虽然释光样品取样的离散性和测年结果差异较大,但考虑到这些剖面中的样品多为砂砾石层中所夹的粉砂,粉土的条带层或透镜体,以及取样部位,测年设备和时间不同等诸因素,释光样品测年结果是可以作为西山断层活动定年的依据.胡军.西山,水磨沟活动断层机制及分段特征研究报告,l99l2期李军等:乌鲁木齐西山断层活动性鉴定与潜在最些壁重丝笪!业.lg皇蜓碟1船甘_一n州+.g?寸旧菔恒<_蜊臣旧磊恒<-耋囊余耋袤酬.眯好廿露涎张.眯好廿嚣一伞逛涎00.遐喔蠼簧吼导.咯壮睡啵喽豁常爵噬学o(1I,I,0.n.卜n.n.n
16、n.nn.0n.导ng,暑n._l憾靼随着_l_【,0_【.s褶殴H幡.喽礤N恒菰n8.妖宣氓叠遐楼霉哑.疃妻涎蕞_【蓍f蹲回._【.寸H.一.0nn.n寸.nn暑哒塔料媒Hn.隧.曼.靶L葵篷媳n8N.舂艰簧暇噗暮圃导.略妾I瀵蕞_【嗵蹲凰.窝.H.0寸.0nn.寸n.nnnlI10._【憾靶嵝.喽斛媒N暑n隧.E=.靶鞲一L龚葵窿H恻蠕堕o6_【.哩窝凶粤皿凇好嘲臻.畦龚噬艇器,学会0.0口寸喽钗.一.乙.0._ln.0.导nn议靼喽蔷.蹬蔷捌撩n翼f臣瓣0_【.妖褪陋.咯妻涎蕞好_噬议期,器姐念寸0.0n寸.0隧噬蔷媒_【g恒.gn.旧菇H媳蜊圜羁媳0.曾暖哑哥.略妾蕞嗵匿会.叫翻噢.一
17、夏.0n.0哒落斛媒_【咯妻涎.瓣蝮被一0_【.暇摧菪哑七b.略妻I霰一遐蠼舞凶艇皿凇蝌晦咯棼一念.0_I噢州会鳟._【*nN0州_【.ngn般靼噬蔷.哒礤n扈苗,褂,廿器鼗咯棼.辖廿】I籍廿iEi!1靛楣莨蔷嘲蹬蔷磐鉴磐辍哑鼋靶鞲蜡萁蕊瘤!睬!声;富匿幂蕊赛噬豁弓_2l2内陆地震23卷总体来看,被断地层的上限年龄主要集中在距今1639ka.2.2.3地质地貌调查结果对西山断层的地貌和第四纪地质调查表明,西山岭南侧的大泉沟,小泉沟,苜蓿沟一带分布着大面积的级河流阶地,属晚更新世沉积,阶地堆积呈二元结构,直接覆于基岩之上.I级阶地多呈堆积阶地,为全新世沉积.四道岔位于苜蓿沟的中部,级以上阶地较发
18、育,I级阶地不发育.上述的四道岔剖面中的砾石层均为河流级沉积,测年结果为距今l639ka,属晚更新世晚期沉积,这与区域地貌和第四纪地质特征基本吻合,亦说明释光测年结果比较可信.沿西山断层追踪调查,在横穿断层的小泉沟,大泉沟等河谷均没有发现I级阶地被错动或发生变形现象.新疆防御自然灾害研究所与冉永康等合作在小泉沟东沿西山南麓带跨西山断层布设了2个长分别为l7Om和6Om的大型探槽,在探槽深度内45m厚的全新统灰黄色砂土,角砾石坡洪积层均未见到被错动迹象.在小泉沟东岸平行河谷开挖的长输油管道剖面上,也未见西山断层错动23m厚的全新统灰黄色含砾砂土层迹象.通过对西山断层比较详细的地质地貌调查,未见断
19、层全新世以来的活动迹象.对上述资料进行系统整理和分析,判断西山断层的强烈活动时代应在中更新世一晚更新世中期,最新活动错断了距今1639ka的地层,晚更新世末期以来活动性减弱,没有错断全新世地层,其活动上限为晚更新世末期.根据剖面揭露西山断层晚更新世的垂直位移4.61m,推算断层在晚更新世的垂直滑动速率为0.050.06mna.剖面揭示西山断层错动具有快速破裂特征,前人曾发现断层有古崩积楔堆积.沿西山断层现代中小地震活动比较频繁,发生过l983年5月l7日的4.7级地震,中小地震微破裂可能到达近地表.综合认为西山断层为晚更新世地震活动断层.3西山断层最大潜在地震震级评估3.1技术途径像西山断层这
20、类晚更新世活动断层的一个显着特征是断层仍然在活动,但活动强度已减弱而不至于产生明显的地震地表破裂或同震错动,这并不能代表这类断层未来仍存在发生无地表破裂的中强地震的可能.文献4中规定,这类弱活动的非全新世断层的潜在地震的最大震级不能采用震级.地表(或地下)破裂长度经验关系估计.探测研究表明,我国许多大中城市不同程度地分布着弱活动的非全新世断层.然而,目前对于这类断层的地震危险性定量评价尚无比较可行的方法.在我国华南,东北等城市的弱活断层潜在地震最大震级评估,采用了震级,地震矩或矩震级与同震位错的经验关系推算,断层小区震级一频度关系的估计方法L5J.对于乌鲁木齐地区晚更新世有明显活动断层的潜在地
21、震最大震级评估,我们主要是结合本地区的地震活动和地质构造特点,以及中国地震活动断层探测技术系统规程和活动构造定量研究与应用的一些最新成果J,通过地震活动性分析确定的震级一频度关系推算,区域构造对比和发震构造模型判定等多方法综合评估西山断层潜在新疆防御自然灾害研究所.乌鲁木齐目标区初查与活动断层鉴定专题研究报告,20o62期李军等:乌鲁木齐西山断层活动性鉴定与潜在最大地震震级评估2l3地震的最大震级.3.2震级.频度关系推算结果中国地震活动断层探测技术系统规程推荐了几种估计非全新世弱活动断层潜在地震最大震级的方法,其中之一是由目标区或工作区历史及现今地震震级-频度关系外推的方法.但如何建立起特定
22、地区长期,稳定,合理的震级一频度关系和如何外推,中国地震活动断层探测技术系统规程没有明确的技术要求,而可供借鉴的相关研究成果又很少.为此,本专题特邀请新疆地震局分析预报室有关专家进行了乌鲁木齐市地震活动分析专项研究.这项工作结合天山地区以及乌鲁木齐活动构造背景和地震活动特点,摸索出一套新的研究思路,从大区域强震背景逐步缩小到局部地区的乌鲁木齐周围活动断层与中小地震的相关性研究上,从区域应力场逐步缩小到乌鲁木齐局部应力场的研究上,并提炼出符合城市活断层探测及地震危险性预测技术要求的分析方法.研究工作的重点之一是对研究区中强地震和目标区中小地震的时空分布以及深度分布特点与断层之间的关系展开较深入分
23、析.为了更好地把握乌鲁木齐地区地震活动规律,以地震构造几何结构和深部背景的相似性,历史中强地震破裂的类型和相关程度,以及沿断层带的现今地震分布密度等,将原定的工作区和目标区作了适当扩大,划分出天山地震带,天山中东段和乌鲁木齐地区3个不同空间层次的研究区域.通过地震活动性分析,得到乌鲁木齐地区的震级一频度关系式,Lg,=4.44一O.70.(1)式中,为地震频度,为震级.由(1)式外推,得到乌鲁木齐目标区晚更新世活动断层未来发生地震的最大震级为6.3级.3.3发震构造及其震级评价结果天山北麓山前坳陷属于挤压构造作用区,发育多个逆冲薄皮构造,形成了3排逆断层背斜带.乌鲁木齐西山隆起就是其中之一,它
24、是昌吉一喀拉扎背斜的东延部分,为北天山山前坳陷的第一排活动构造带(山麓背斜带)(图1,2).邓起东等曾对北天山活动构造进行过详细调查和研究,并建立了北天山山前典型发震构造的地震地质模型,认为山前根部逆断坡具有发生7级以上地震的能力,其北侧的一系列薄皮逆冲推覆体只具备发生中等强度(56级)地震的能力.本专题根据乌鲁木齐地表活动断层资料,深部探测资料,石油地震剖面资料,流动观测和小震精确定资料,通过与北天山山前典型发震构造对比以及逆断层-褶皱构造的基本结构特征,初步建立了乌鲁木齐目标区发震构造的地震地质模型.乌鲁木齐主要可分为2个地震构造,西部为北天山山前逆冲推覆构造,由根部逆断裂,中部滑脱面和前
25、缘挤压褶皱隆起带组成,根部逆断具有发生7级地震的能力.而前缘挤压褶皱隆起构造,即西山隆起及其相伴生的西山断层,王家沟断层组和九家湾断层组,不具备发生大于6.5级地震的条件.综合以上结果,认为西山断层具有发生直下型地震的能力,其潜在地震的最大震级为6.5级.4结论与讨论在对前人资料系统整理分析的基础上,通过乌鲁木齐城市活动断层探测与地震危险性高国英.乌鲁木齐城市活断层地震活动性分析报告,2oo6214内陆地震23卷评价项目对西山断层大量和全面的地质地貌调查,探槽开挖,被断和未断地层测年等研究结果,以及对北天山和乌鲁木齐地区地震活动性分析,地震构造对比,深浅构造及发震构造模型等研究,综合确定西山断
26、层的强烈活动时代在中更新世一晚更新世中期,最新活动错断了距今39l6ka的地层,晚更新世末期以来活动性减弱,没有错断全新世地层,其活动上限为晚更新世末期,断层晚更新世的垂直滑动速率为0.050.O6mm/a.西山断层具有发生直下型地震的能力,其潜在地震的最大震级为6.5级.我国许多大中城市不同程度地分布着非全新世的弱活动断层,弱活动断层通常难以较准确获得断层的破裂分段,同震位移及古地震事件等定量数据,用单一方法来评定这类断层的地震危险性一般是不严格的,尚存在许多不确定性.如何定量评价这类弱活动断层地震危险性,是一个既有重要现实意义,但又相当困难的问题,需要多方探索.参考文献:1冯先岳.新疆古地
27、震M.乌鲁木齐:新疆科技卫生出版社,1997.2胡军,栾超群,胡方秋,等.乌鲁木齐西山断层新构造运动特征J.新疆地质,1996,l4(3):228-237.3邓起东,卢造勋,杨主恩.城市活动断层探测和断层活动性评价问题J.地震地质,2oo7,29(2):l9o-199.4中国地震局.中国地震活动断层探测技术系统规程M.北京:地震出版社,20o5.5闻学泽,徐锡伟.福州盆地的地震环境与主要断层潜在地震的最大震级评价J.地震地质,2oo3,25(4):499-524.6闻学泽,徐锡伟,龙峰,等.中国大陆东部中一弱活动断层潜在地震最大震级评估的震级-频度关系模型J.地震地质,2Oo7,29(2):2
28、36.253.7陈立春,梁辉,冉勇康,等.哈尔滨市主要断裂未来地震危险性评价J.地震地质,20o6,28(4):675_688.8邓起东,陈立春,冉勇康.活动构造定量研究与应用J.地学前缘,20o4,ll(4):383-392.9邓起东,冯先岳,张培震,等.天山活动构造M.北京:地震出版社,2Ooo.1O沈军,宋和平,李军.乌鲁木齐城市活断层发震构造模型初探J.内陆地震,2oo7,2l(3):193_2o4.APPRAISALoFACTIVITYANDPoTENTIALMAX-MAGNITUDEoFXISHANFAULTINURUMQILIJun,SHENJun,XIANGZhi-y0ng,W
29、UChuanyong(蛔udkAdntnAl幻,lo啪冠gn,九正呻83oo1l,扣,c眦)Abstract:Onthebasis0fnewdataobtainedintheprojectofseismogenicactivefaultsunreyandriskau暑sessmentinUrumqifrom2O04to2007,theactivityandpotentialma)【-magnitudeofXishanfaultinUrIlmqiwereevaluatedmainly.Therewerestr0ngactivitiesduringmid-PleistocenetolatePlei
30、stoceneandthe1atestactivedislocated39to16kaoldstratum.Theactivitvbecameweaksincelate.Pleistoceneanddidntdis1ocatetheH0l0cenestmtum.s0XishanfaultwaslateP1eistoceneflault.Xishanfau1thasthecapacityto0flfsp订ngright-undereanhquakeandthemaxmagnitudewillheab0ut6.5.KeywOrds:Urumqi;Xishanfault;ActiVity;Potentia1maxmagnitude