蘭州新區(qū)潛在地震地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測分析

蘇永奇　馬巍　吳志堅　王謙

摘要：以地處青藏高原東北緣的第五個國家級新區(qū)——蘭州新區(qū)為研究對象，研究蘭州新區(qū)區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境以及秦王川盆地構(gòu)造特征，結(jié)合秦王川盆地區(qū)及其周緣黃土丘陵區(qū)地貌特點、地層特征，從致災(zāi)因子的角度研究總結(jié)了秦王川盆地區(qū)及黃土丘陵區(qū)內(nèi)潛在的地震地質(zhì)災(zāi)害。研究結(jié)果表明：秦王川盆地區(qū)潛在地震地質(zhì)災(zāi)害有粉土震陷、砂土液化、地震滑坡等；黃土丘陵區(qū)潛在地震地質(zhì)災(zāi)害有黃土震陷、地基失效、地震滑坡、地震崩塌等；基于斷裂活動性研究，秦王川盆地內(nèi)發(fā)生地震地表斷錯的可能性不大。最后，建議政府盡快組織實施蘭州新區(qū)地震小區(qū)劃工作。

關(guān)鍵詞：蘭州新區(qū)；秦王川盆地；地震地質(zhì)災(zāi)害

中圖分類號：P542 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）01-0107-07

0 引言

作為一個巨大的生命承載系統(tǒng)，城市及其附近一旦發(fā)生破壞性地震，將造成巨大的生命、經(jīng)濟損失，影響社會經(jīng)濟發(fā)展。20世紀(jì)發(fā)生的1906年美國舊金山7.8級大地震、1923年日本關(guān)東7.9級大地震、1976年我國唐山7.8級大地震、1995年日本阪神7.0級地震、2008年我國汶川8.0級大地震以及2010年海地7.0級地震等均為直下型或近源地震，在地震作用及致災(zāi)因子的耦合作用下，破壞力巨大，致使地震所在的美國舊金山、日本東京及阪神、我國唐山、汶川及北川、海地太子港等城市遭受巨大破壞，部分城市幾乎夷為平地，社會、經(jīng)濟損失慘重。我國西部及華北地區(qū)新構(gòu)造運動強烈，地震多發(fā)，隨著經(jīng)濟發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，人口不斷聚集，建筑類型不斷多樣化，城市內(nèi)的承災(zāi)體不斷增加（劉靜偉等，2014）。隨著城市擴張，新建工程建設(shè)用地的工程地震條件更加復(fù)雜，地震致災(zāi)地質(zhì)因子增多，如隱伏斷裂、可液化砂層、軟土層、回填土、古河道和山前斜坡等（徐錫偉等，1996；崔瑾，2014；姚遠，唐麗華，2015），地震作用和這些致災(zāi)因子的耦合，可能產(chǎn)生巨大的地震災(zāi)害損失。

蘭州新區(qū)是我國繼上海浦東新區(qū)、天津濱海新區(qū)、重慶兩江新區(qū)、浙江舟山群島新區(qū)后的第五個國家級新區(qū)，行政區(qū)劃面積約1700km²，是新絲綢之路上的重要支點，戰(zhàn)略意義重大。蘭州新區(qū)位于青藏高原東北緣，包括蘭州北部秦王川盆地及其周緣黃土丘陵區(qū)，東西寬約30km，南北長約60km，地勢北高南低，呈連續(xù)傾斜狀。秦王川盆地地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，盆地周緣為黃土低山丘陵，盆地兩側(cè)發(fā)育隱伏活動斷裂，存在發(fā)生城市直下型地震的可能性，且致災(zāi)因子復(fù)雜多樣，如隱伏斷裂、粉土層、潛在可液化砂土層、山前斜坡、古河道等，這些致災(zāi)因子在破壞性地震作用下可能產(chǎn)生斷裂地表錯動、地裂縫、震陷、砂土液化、地表或地基的不均勻沉降、滑坡、崩塌以及泥石流等地震地質(zhì)災(zāi)害，可能會造成巨大的經(jīng)濟財產(chǎn)損失?？梢?，隨著蘭州新區(qū)的不斷開發(fā)建設(shè)，地震地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測研究越來越迫切。本文從地震構(gòu)造環(huán)境和致災(zāi)因子著手，對蘭州新區(qū)潛在地震地質(zhì)災(zāi)害類型及分布進行初步預(yù)測研究。

1 區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境

蘭州新區(qū)位于新構(gòu)造運動強烈的青藏高原東北緣，處在南北地震帶與祁連山地震帶的復(fù)合部位，在以蘭州新區(qū)為中心，東西長約500km、南北寬約400km的區(qū)域范圍內(nèi)，共發(fā)育4條全新世活動斷裂帶，6條（組）晚更新世活動斷裂帶（圖1），歷史上沿這些斷裂發(fā)生過多次歷史破壞性地震，其中5.0～5.9級地震16次、6.0～6.9級地震6次、7.0～7.9級地震1次、8.0～8.9級地震1次。在海原斷裂帶上曾發(fā)生1920年12月16日海原8.5級大地震，該次地震造成蘭州地區(qū)傷亡百余人，對蘭州新區(qū)的影響烈度為Ⅶ度（國家地震局蘭州地震研究所，1985；中國地震局震害防御司，1999）。在馬銜山斷裂帶上曾發(fā)生1125年蘭州7級大地震，該次地震極震區(qū)位于西固區(qū)以南至河口一帶，中心烈度為Ⅸ～Ⅹ度，永登、樂都、定西等地為Ⅶ～Ⅷ度（袁道陽等，2002a；國家地震局震害防御司，1995），該次地震對蘭州新區(qū)的影響烈度為Ⅶ～Ⅷ度。距蘭州新區(qū)規(guī)劃區(qū)較近的莊浪河斷裂、白楊樹溝斷裂最新活動時代為晚更新世，其中，莊浪河斷裂上曾發(fā)生1440年永登6（1/4）級地震（袁道陽等，2002b）。周德敏等（2014）通過綜合發(fā)震概率研究認(rèn)為莊浪河斷裂帶仍具有發(fā)生中強破壞性地震的可能性。在已發(fā)布的第五代區(qū)劃圖所采用的潛在震源區(qū)劃分方案中，將莊浪河斷裂所在區(qū)域劃為震級上限為7級的潛在震源區(qū)，白楊樹溝斷裂及秦王川西緣斷裂所在區(qū)域劃為震級上限為6.5級的潛在震源區(qū)（高孟潭，2015），50年超越概率10%水準(zhǔn)對應(yīng)的地震烈度為Ⅶ?？傮w而言，蘭州新區(qū)及其周緣活動構(gòu)造發(fā)育，地震活動強烈，歷史地震對蘭州新區(qū)的最大影響烈度為Ⅶ～Ⅷ度。

2 活動構(gòu)造特征

蘭州新區(qū)以秦王川盆地為主體，主要建設(shè)規(guī)劃用地多位于秦王川盆地內(nèi)。蘭州新區(qū)活動構(gòu)造特征主要是秦王川盆地活動構(gòu)造特征（圖2）。該盆地形成于第三紀(jì)，形態(tài)特征與東西兩緣斷裂活動密切相關(guān)，第四紀(jì)以來受南西西一北東東向構(gòu)造擠壓作用，盆地東西兩緣的斷裂向盆地內(nèi)擠壓逆沖，加之南部馬銜山斷裂帶的逆沖及褶皺隆起抬升和北部寶泉山隆起，使該盆地周緣逐漸封閉（袁道陽等，2000），成為典型的封閉式斷陷盆地。已有研究資料顯示秦王川盆地東、西緣均存在隱伏斷裂，分別為秦王川盆地西緣斷裂和秦王川盆地東緣斷裂，它們一起控制了秦王川盆地的發(fā)育，其中西緣斷裂最新活動時代為晚更新世早期，東緣斷裂最新活動時代為早更新世一中更新世（袁道陽等，2000；張向紅等，2000）。

2.1 秦王川盆地西緣斷裂

秦王川盆地西緣斷裂位于秦王川盆地的西側(cè)，北起廟灣，向南經(jīng)方家槽、金家廟、達家灣、賴家窯、陳家井、使拉口、劉家灣至哈家嘴，由3條斷裂雁列組成，全長37km，由北向南可分為方家槽段、馬家山段和劉家灣段，長度分別為11.5km、14km、11.5km?？傮w走向近南北向，傾向W，傾角70°～80°，為一條隱伏的逆斷層。該斷裂在地貌上線性特征清晰，地形上表現(xiàn)為線性良好的20～60m高的臺坎。斷裂西側(cè)為黃土丘陵及南北走向的低緩壟崗狀殘丘，地層以晚更新統(tǒng)風(fēng)成黃土為主，海拔為2000～2100m；東側(cè)為平坦的由全新統(tǒng)砂礫石、亞砂土及粉土層組成的沖洪積盆地平原，海拔約2000m。物探探測揭示下部新近系頂面沿斷裂兩側(cè)斷距為2～20m，為了驗證物探可靠性，在蘭州中川機場北2號道口及西槽公路北側(cè)布置聯(lián)合鉆孔，鉆探結(jié)果顯示該斷裂存在，新近系頂面斷距分別為9m和4m，且上覆晚更新統(tǒng)地層底部被斷錯（袁道陽等，2000；張向紅等，2000）。

筆者在進行蘭州新區(qū)相關(guān)建設(shè)工程地震安全性評價項目過程中，沿秦王川盆地西緣斷裂布置了多條走向近東西向的高密度電法測線（道間距為5m），典型的3條測線反演結(jié)果見圖3。

金家廟測線（I-I）自東向西探測，測線長900m，有效探測深度為98m，沿測線方向300m處低電阻率存在橫向變異，呈向西傾，傾角約75°，西側(cè)為相對高阻體，東側(cè)為相對低阻體，并可見左側(cè)高阻體逆沖于右側(cè)低阻體之上，垂直斷距約20m，上部穩(wěn)定電阻層厚度約10m；使拉口測線（Ⅱ-Ⅱ）自東向西探測，測線長720m，有效探測深度為105m，斷面顯示沿測線方向288～348m距地表約50m以下為相對低阻體，與兩側(cè)的高阻體形成明顯差異，可能為斷層破碎帶；蘭州機場南側(cè)公路邊測線（Ⅲ-Ⅲ）自西向東探測，線長1050m，探測深度78～98m，斷面顯示有3條次級隱伏斷裂發(fā)育，為秦王川西緣斷裂馬家山段南端的3條分支斷裂。

通過物探探測及聯(lián)合鉆孔驗證，都證實了該斷裂的存在，且斷錯了第三系地層及上覆晚更新統(tǒng)地層的底部。

2.2 秦王川盆地東緣斷裂

秦王川盆地東緣斷裂位于秦王川東部，為一條近南北向展布的隱伏斷裂，該斷裂北起甘露池，向南延伸至山子墩，全長約30km，走向NNW，傾向E，傾角陡立。斷裂東側(cè)為丘陵區(qū)，西側(cè)為沖洪積盆地平原區(qū)。兩側(cè)地層最大高差為20～30m，沿甘露池至四墩子發(fā)育一古河道，可能受該斷裂控制。據(jù)袁道陽等（2000）研究推測斷裂東側(cè)奧陶系地層由東向西逆沖于新近系地層之上，但上覆晚更新統(tǒng)沖洪積物未見變動，電測深結(jié)果證實斷裂二側(cè)新近系（N₂）頂面無明顯斷距，但新近系地層內(nèi)斷距大于60m，因此推測該斷裂應(yīng)是一條早更新世一中更新世斷裂。

筆者在進行蘭州新區(qū)相關(guān)建設(shè)工程地震安全性評價項目過程中，通過衛(wèi)星影像分析和現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該斷裂在衛(wèi)星影像上線性特征不明顯，斷裂活動未到達地表，其展布位置很難精確確定。為了探測查明該隱伏斷裂的性質(zhì)、形態(tài)及展布位置，在野外調(diào)查中采用高密度電法儀器對該斷裂進行探測，沿斷裂方向共布置4條高密度電法測線（道間距為5m），測線方向基本與斷裂走向垂直，均由東向西探測。兩條典型測線反演結(jié)果見圖4。

甘露池測線（Ⅳ-Ⅳ）長720m，反演結(jié)果顯示，在沿測線方向180m處存在地電阻率的橫向變異，傾角約50°，推測可能為秦王川東緣斷裂兩側(cè)巖性差異所致。東側(cè)為含基巖裂隙水的前新近系巖層，西側(cè)為第四系沉積層及新近系致密狀泥巖、細(xì)砂巖等。五墩子測線（V-V）長1080m，反演結(jié)果顯示，沿測線方向620～700m處出現(xiàn)一豎向低阻體，與左右兩側(cè)低電阻率形成明顯差異，該低阻體從上到下延伸深度超過百米，且呈上窄下寬狀，推測該處可能為一古河道，后因河流流量減小直至消失，古河道被晚第四系沉積物填埋覆蓋，因地形和土質(zhì)原因，含水量較高，表現(xiàn)為低阻體，該段古河道可能沿秦王川東緣斷裂發(fā)育。

以上兩條高密度測線反演結(jié)果顯示的電阻率橫向異變處可能與斷裂活動有關(guān)，但另外兩條測線并沒有明顯的電阻率橫向異變特征，不能證明斷裂的存在和具體位置。目前對于秦王川盆地東緣斷裂的認(rèn)識還局限在有限的地球物理勘探基礎(chǔ)上的推測階段，對于該斷裂是否存在以及其具體位置和活動年代等都還沒有明確的地質(zhì)證據(jù)。

3 地震地質(zhì)災(zāi)害分析

蘭州新區(qū)包括秦王川盆地及周邊山地，根據(jù)形態(tài)特征和成因類型可分為秦王川盆地區(qū)和黃土丘陵區(qū)兩類地貌單元。兩類地貌單元潛在的地震地質(zhì)災(zāi)害也存在明顯的差異，下面根據(jù)構(gòu)造特征、土層類型及地貌特點對兩類地貌單元上可能發(fā)生的地震地質(zhì)災(zāi)害分別進行預(yù)測分析。

3.1 秦王川盆地區(qū)

秦王川盆地面積720km2，南北長約42km，東西寬8～20km。盆地內(nèi)部平緩，北部為低山，東、西、南三面為黃土丘陵，東西緣均有斷裂發(fā)育。盆地基底為上新近系河湖相及山麓相的碎屑堆積物，厚約400～500m，盆地內(nèi)沖洪積砂礫石層厚度30～60m，上覆薄層次生黃土（黃土狀粉土）。該區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生的地震地質(zhì)災(zāi)害分析如下：

3.1.1 地表斷錯

秦王川東緣斷裂為第四紀(jì)早中期活動斷裂，活動性微弱，可不考慮其產(chǎn)生地表錯動的可能性。秦王川西緣斷裂為晚更新世活動斷裂，全長37km，最大分段長度14.5km，考慮到該斷裂全新世以來無明顯活動，活動性較弱，因此不考慮級聯(lián)破裂，利用斷裂分段上可能發(fā)生的潛在最大地震震級與斷裂長度的經(jīng)驗關(guān)系（M=4.21+1.85lgL）推算（鄧啟東等，1992），方家槽段、馬家山段和劉家灣段上潛在最大地震震級分別為6.2、6.4和6.2級，在我國西部地區(qū)以往發(fā)生的6.5級以下地震中，很少產(chǎn)生地震地表破裂，且秦王川西緣斷裂上斷點上部一般覆蓋了20m以上的第四系松散覆蓋層，對地震破裂應(yīng)力具有稀釋緩沖作用，在發(fā)生6.4級直下型地震時，不易產(chǎn)生貫穿地表的地震破裂帶。

3.1.2 粉土震陷

黃土狀粉土在該區(qū)內(nèi)廣泛分布，多位于地表，為沖洪積成因，厚度一般在1.0～2.5m，多呈稍濕狀，震陷危害較小。但在盆地西緣山前古河道區(qū)黃土狀粉土層厚度較大，最厚可達20余米，具有濕陷性，在地震作用下可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的震陷破壞。如蘭州中川機場二期工程場地中，預(yù)測在遭遇烈度為Ⅷ、Ⅸ地震影響時，黃土狀粉土層可分別產(chǎn)生輕微和嚴(yán)重的地表震陷破壞（表1）。

3.1.3 砂土液化

飽和砂層在地震作用下可能發(fā)生液化災(zāi)害，對建筑物的地基穩(wěn)定性構(gòu)成潛在威脅。秦王川盆地內(nèi)的秦川鎮(zhèn)及中川鎮(zhèn)局部，地層中分布細(xì)砂、粉砂層，目前調(diào)查收集的水文資料顯示，該地區(qū)地下水位多在20m以下，細(xì)砂、粉砂層為非液化土層。但近年來隨著蘭州新區(qū)的建設(shè)發(fā)展，地下水位逐年上升，具體建設(shè)場地應(yīng)考慮地下水文的浮動和變化趨勢，按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）的規(guī)定進行液化判別。

3.1.4 地震滑坡

秦王川盆地東、西、南三面為黃土丘陵，盆地邊緣分布一系列黃土邊坡，多數(shù)山體坡度較緩，自然狀態(tài)下多處于穩(wěn)定狀態(tài)。盆地南部周緣山體與山體高差相對較大，坡體較陡，存在地震滑塌的可能性。筆者在蘭州新區(qū)調(diào)查期間，在盆地邊緣道路、建筑施工開挖區(qū)，小規(guī)模的滑塌現(xiàn)象較多。因此，應(yīng)防范工程活動開挖、削坡擾動、強降雨與地震作用的耦合而引發(fā)的地震滑坡災(zāi)害，對開挖邊坡及時進行加固處理。

3.2 黃土丘陵區(qū)

該區(qū)主要位于秦王川盆地的東部、南部及西部，相對高差一般在30-60m，秦王川東南部相對高差50～150m，黃土覆蓋厚度一般為10～35m，最厚地段近50m。該區(qū)內(nèi)溝谷發(fā)育，多呈“V”字型，侵蝕作用強烈，水土流失嚴(yán)重，植被覆蓋率低，丘陵頂部圓渾。該區(qū)域內(nèi)可能發(fā)生的地震地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測分析如下：

3.2.1 黃土震陷

該區(qū)內(nèi)上覆第四系土層主要為黃土（馬蘭黃土），蘭州新區(qū)及周圍范圍內(nèi)氣候干燥，在天然狀態(tài)下，位于地表的馬蘭黃土含水率較低，震陷量也可忽略不計。但震陷性是馬蘭黃土水敏性及動力敏感性特征的重要表現(xiàn)，在降雨、灌溉或管道漏水等情況與地震耦合作用下該地貌區(qū)內(nèi)的黃土震陷也不容忽視，存在地表震陷破壞的可能，建議進行室內(nèi)試驗?zāi)M研究，預(yù)測震陷量。

3.2.2 地基失效

在黃土丘陵半填半挖建設(shè)區(qū)，填土源多為黃土，填土厚度差異大、土質(zhì)疏松、孔隙比高、欠固結(jié)、易壓縮；而開挖區(qū)正好相反。在地震作用下，此類建筑往往會因為地基不均勻沉降而導(dǎo)致基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)開裂破壞。因此建筑物應(yīng)避免將基礎(chǔ)置于半填半挖區(qū)之上。

3.2.3 地震滑坡

黃土丘陵區(qū)山體坡度一般在15°～20°之間，因黃土垂直節(jié)理發(fā)育，在地震作用下存在發(fā)生滑坡的可能性。尤其在人類建筑活動較為密集的盆地邊緣及較寬闊的溝谷內(nèi)，坡前開挖破壞了邊坡的天然穩(wěn)定狀態(tài)，部分地點在未遭受地震的情況下已產(chǎn)生小型滑坡。因此應(yīng)做好建設(shè)用地規(guī)劃及不穩(wěn)定邊坡治理工作，減少人類工程活動對不穩(wěn)定坡體的擾動，防范地震作用下可能發(fā)生的滑坡災(zāi)害。 3.2.4 地震崩塌

位于秦王川盆地南部的堿溝在鹽堿地至樹屏鎮(zhèn)一帶由于流水沖蝕形成了寬28～35m，深20～25m的深切溝槽，兩岸坡體近于直立，小型崩塌發(fā)育，地震作用會加劇崩塌災(zāi)害的發(fā)生，影響兩岸建筑物的安全，且崩塌物也會為下游溝道潛在的泥石流災(zāi)害提供大量的固體物質(zhì)來源，應(yīng)加強防范。

4 結(jié)論與建議

本文通過研究蘭州新區(qū)區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境、秦王川盆地構(gòu)造特征和盆地東、西緣斷裂活動性，結(jié)合秦王川盆地區(qū)及其周緣黃土丘陵區(qū)地貌特點、地層特征，從致災(zāi)因子的角度研究總結(jié)了秦王川盆地區(qū)及黃土丘陵區(qū)內(nèi)潛在的地震地質(zhì)災(zāi)害。

（1）距蘭州新區(qū)地理中心150km的區(qū)域范圍內(nèi)存在發(fā)生7級以上地震的發(fā)震構(gòu)造，歷史地震對蘭州新區(qū)的最大影響烈度為Ⅶ～Ⅷ度，50年超越概率10%水準(zhǔn)對應(yīng)的地震烈度為Ⅶ度。

（2）秦王川盆地是蘭州新區(qū)的建設(shè)主體，為一斷陷盆地，秦王川盆地西緣斷裂線性地貌特征清晰，高密度電法、鉆孔勘探都表明該斷裂存在，且斷錯晚更新世底部地層。但秦王川盆地東緣斷裂地貌線性特征不明顯，活動性較弱，沒有地表露頭，目前的認(rèn)識還局限在有限的地球物理勘探基礎(chǔ)上的推測階段，對于該斷裂是否存在以及其具體位置和活動年代等都還沒有明確的地質(zhì)證據(jù)。

（3）本文研究分析了秦王川盆地區(qū)及黃土丘陵區(qū)內(nèi)潛在的地震地質(zhì)災(zāi)害，其中秦王川盆地區(qū)潛在地震地質(zhì)災(zāi)害有粉土震陷、砂土液化、地震滑坡等，但發(fā)生地震地表斷錯的可能性不大；黃土丘陵區(qū)潛在地震地質(zhì)災(zāi)害有黃土震陷、地基失效、地震滑坡、地震崩塌等。

蘭州新區(qū)作為國家級新區(qū)，對甘肅省經(jīng)濟社會發(fā)展意義重大，其行政區(qū)劃面積約1700km²，本文所收集資料及研究深度極其有限，目的在于拋磚引玉，建議對蘭州新區(qū)主要建設(shè)規(guī)劃區(qū)進行詳細(xì)的地震小區(qū)劃及地震地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測工作，查明秦王川盆地東、西緣斷裂的空間展布、確切位置、最新活動年代以及潛在發(fā)震能力等，查明規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)的主要地震地質(zhì)災(zāi)害類型、分布、規(guī)模以及危害程度，為蘭州新區(qū)建設(shè)用地規(guī)劃提供地震安全性方面的科學(xué)依據(jù)。