四川青川縣喬莊鎮城區活動斷裂探測與評價1

黎小剛 周榮軍 劉保金 石金虎 葉友清 梁明劍

1）四川省地震局，成都 610041

2）中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450000

四川青川縣喬莊鎮城區活動斷裂探測與評價1

黎小剛1）周榮軍1）劉保金2）石金虎2）葉友清1）梁明劍1）

1）四川省地震局，成都 610041

2）中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450000

青川縣喬莊鎮主城區坐落于喬莊河Ⅰ級河流階地面上，平武-青川斷裂分為3支呈隱伏狀穿過主城區，地表未見明顯的斷裂新活動形跡。2008年5月12日發生的汶川MS8.0級地震，對青川縣喬莊鎮造成了比較嚴重的破壞，出現了沿平武-青川主干斷裂通過位置震害顯著加重的條帶狀異?，F象，但未見明顯的地表破裂。本文在地面地質調查、淺層地球物理勘探和探槽開挖驗證結果的基礎上，對平武-青川斷裂在喬莊鎮主城區的通過位置進行了重新定位，定位結果與前人研究結果存在一定的差異。結合地表調查發現的零星地表破裂和探槽下部砂礫石層出現的小尺度變形及位錯現象分析，喬莊鎮條帶狀震害加重異?，F象應是平武-青川斷裂在汶川地震時發生的近地表錯動所致。由此聯系到汶川地震的余震條帶與平武-青川斷裂喬莊以東段基本重合的事實，平武-青川斷裂的活動性應是下一步研究工作的方向。

活動斷裂 淺層地球物理勘探 汶川地震 平武-青川斷裂 青川縣

引言

青川縣位于川、陜、甘交界的四川省東北隅（圖1a），縣城喬莊鎮面積約4km2。主城區坐落在平坦的喬莊河Ⅰ級河流階地面上，拔河高程 5—10m，除沿河防護堤外，城區內無大規?；靥睿▓D1）。據工程地質勘察資料2中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，2009. 青川縣人民政府青川縣城重建項目喬莊鎮勘察報告（內部報告）.，喬莊鎮城區的第四系厚度大約在10m左右，巖性分布均一，上部為砂土層，下部為砂礫石層，具典型的河流相二元結構，等效剪切波速平均值為265m/s，為Ⅱ類土場地。城區建筑以磚混結構為主，僅有少量的框架和磚木結構，一般在10層以內，高度不超過30m。在1∶ 20萬區域地質圖（地質部四川省地質局，1966）和1∶5萬區域地質圖（四川省地質礦產局，1993）上，平武-青川斷裂分為3支隱伏于第四系之下穿過城區北半部，其中最北側1支為主干斷裂。

圖1 青川縣喬莊鎮地理位置圖Fig. 1 Geographical location of Qiaozhuang town, Qingchuan county

“5.12”汶川MS8.0級特大地震，對遠離儀測震中250km左右的喬莊鎮造成了比較嚴重的破壞。震后的宏觀考察結果表明，喬莊鎮主城區北半部的震害明顯重于南半部，特別是平武-青川主干斷裂通過位置的房屋大多嚴重破壞或倒塌，地震影響烈度可達Ⅸ度或Ⅸ＋度。而距主干斷裂30—50m遠的房屋破壞明顯減輕，特別是南半城房屋大多僅中等破壞或輕微破壞，地震影響烈度僅Ⅶ度或Ⅶ＋度，青川縣喬莊鎮城區的綜合地震影響烈度為Ⅷ度或Ⅷ＋度（中國地震局汶川地震現場指揮部，2009；李志強等，2008；周榮軍等，2008）。因此，汶川地震時沿平武-青川主干斷裂通過位置存在震害顯著加重的條帶狀異常現象（圖 2）。雖然喬莊鎮城區在汶川地震時未出現明顯的地震地表破裂（徐錫偉等，2008），但聯系到震源破裂過程分析得到的深部破裂已到達喬莊鎮城區，并繼續向北東方向擴展至川、陜、甘三省交界的姚渡附近的事實（王衛民等，2008；張勇等，2008），在排除場地土條件、地形地貌和房屋結構及質量差異等的條件下，上述的條帶狀震害加重異?，F象有可能是平武-青川斷裂的近地表錯動所致。于是，平武-青川斷裂及其分支斷裂在青川縣喬莊鎮城區的具體通過位置及其活動性評價，成為地震災后重建規劃的重要制約因素。

圖2 汶川地震喬莊鎮主城區破壞情況Fig. 2 The damage of buildings in Qiaozhuang town caused by the Wenchuan earthquake

本文采用地面地質調查、淺層地球物理勘探、探槽開挖驗證等目前國內外通用的方法，確定了平武-青川斷裂在喬莊鎮的具體通過位置，并對其活動性進行了初步評價，為青川縣喬莊鎮災后恢復重建中的活斷層避讓問題提供了依據。

1 資料與方法

1.1 地面地質調查

地面地質調查是斷裂定位與活動性評價的基礎。盡管喬莊鎮主城區的地表被第四系所覆蓋，但鄰近地區甚至河床內廣泛出露震旦紀白云巖和志留紀千枚巖、變質砂巖等地層。地面地質調查的目的在于：①為斷裂的探測定位和破碎帶寬度的確定提供直接的地質證據；②判定斷裂的產狀、活動性質及期次等，特別是最新一次活動的運動性質；③通過地貌面及其活動構造地貌研究，判定斷裂的活動時代；④為淺層地球物理勘探測線的布設提供地質依據。

地面地質調查采用的底圖是1∶1000青川縣城區規劃圖1浙江省城鄉規劃設計研究院，2008. 四川省青川縣城鎮體系規劃（內部報告）.，定點方法采用地形、地物、建筑物讀圖，誤差控制在5m以內，高于一般手持式GPS的定位精度。地質調查的觀測點見圖3，該圖還綜合反映了淺層地震勘探和高密度電法測線以及斷層探測定位的最終結果。

圖3 喬莊鎮斷層綜合探測工作布置圖Fig. 3 Map showing the locations of geophysical investigation spots for the fault exploration in Qiaozhuang town

1.2 淺層地球物理勘探

淺層地球物理勘探的目的是查明喬莊鎮第四系覆蓋區斷裂的通過位置及其可能存在的近地表地層錯動情況。針對勘探目標區第四系為松散的河流相砂礫石層（厚度較薄僅10m左右），下伏地層為比較堅硬的白云巖、千枚巖及變質砂巖，基覆界線波阻抗差異明顯，各介質電阻率變化較大和城鎮建筑物密布的特點，我們選取了在城市覆蓋層地區活動斷裂探測效果較好的淺層地震和高密度電法勘探方法，且淺層地震勘探以反射法為主，僅一些重點地段輔以折射法加以驗證。

淺層地震數據采集使用德國 DMT公司生產的 SUMMIT數字地震儀，瞬間動態范圍達120db以上，采樣率最高為1/32ms，最低為8ms，道記錄長度為0.5k—48kms，頻寬1—16kHz，道間串音擬制≥0.0008%，共模擬制比≥100dB，入口噪音≤0.3μV，最大輸入信號2.0V，利用其高采樣率、高寬記錄頻帶、大動態范圍以及能對可控震源資料進行現場實時相關處理等特點，以適應城市內高分辨率淺層地震勘探工作的抗干擾問題。地震波激發源采用美國 IVI公司生產的Metrz 18/612型可控震源，最大出力18 000kg，連續變頻掃描，掃描頻帶30—180Hz，以獲取高能量、高頻帶的反射信息，并滿足可控震源掃描起始頻率與終了頻率之比的技術要求。經反復實驗，檢波器使用了重慶地質儀器廠生產的主頻 60Hz的檢波器（CDJ-Z/P60），每串3個，采用點組合方式接收。地震測線的起點、拐點和終點采用GPS72型衛星定位儀定位，精度在5m以內，檢波點采用測繩量測，測量間距等同于相應測線上的道間距，并對檢波點與激發點高差進行了實測，以滿足靜校正所需的高差數據。

在喬莊鎮城區及其未來的規劃重建區共布設了 11條淺層地震勘探測線，測線的空間分布位置見圖 3。在每條測線施工前，均進行了擴展排列實驗和地震波激發實驗，以選取最佳的數據采集參數。最終選取的參數為：最小偏移距0—6m；接收道數為120道；道間距1—2m；炮間距4—8m；覆蓋次數均為15次；采樣間隔為0.5ms；記錄長度1024ms。為保證測線資料，對地震儀器、可控震源進行了全面的系統檢查及性能測試，對發現的不合格采集單元和檢波器及時更換，并對單張共炮點記錄進行實時監控，對不合格者進行補炮改正。

高密度電法測試采用重慶地質儀器廠生產的DUK-2型高密度電法儀，電極極距為0.8m、1m和5m，均采用溫納裝置進行測試，最小間隔系數為1，最大為16，最大探測深度約39m，共布設了10條測線（圖3）。其目的在于：①加密物探測線，解決淺層地震勘探測線過長，不易在建筑物密布的城市區施工的問題，同時為更加準確地確定隱伏斷裂通過位置提供更加翔實的資料；②多手段物探結果的相互印證，為更加準確地確定隱伏斷裂的上斷點提供基礎信息，并指導探槽場地的選取與開挖工作。

1.3 探槽開挖驗證

在地面地質調查和淺層地球物理勘探結果的基礎上，進行探槽了開挖。目的在于：①對淺層地球物理勘探結果進行驗證；②通過探槽內第四紀地層層序的分析，對斷裂活動性進行評價。

在地面地質調查和淺層地球物理勘探結果的基礎上，共布設了4個探槽場地進行開挖。探槽布設的位置見圖3，分別對F1、F2和F3進行控制。其中的縣聯社TC3探槽垮塌嚴重，因無法清理而被迫放棄。而趕場埡TC4探槽內僅揭示一套中更新世棕黃色砂礫石和粘土層，未見底，亦不存在第四系變形或錯位現象，淺層地震和高密度電法揭示的斷裂實為砂礫石層和粘土層的相變界線。

2 結果與分析

2.1 地面地質調查

地面地質調查結果可歸納如下：

① 在喬莊鎮城區共觀測到7個基巖斷裂破碎帶點，其空間分布位置表明確實存在3條斷裂通過城區北半部。F1為平武-青川主干斷裂，走向NEE-近EW，破碎帶寬度在80—100m左右，主要斷于震旦紀白云巖內部或白云巖與志留紀千枚巖、變質砂巖之間。F2和F3為平武-青川斷裂的分支斷裂，走向北東，破碎帶寬度在20—40m不等，主要斷于白云巖與千枚巖、變質砂巖之間或千枚巖、變質砂巖內部，最終在城區東橋以東交匯于主干斷裂。

② 基巖破碎帶物質主要由構造角礫巖、碎裂巖、擠壓透鏡體以及密集的劈理帶等組成，斷層面均傾向西，傾角較陡，一般在60°以上，顯示出高角度逆沖斷裂特征（圖4）。通過對斷層面的仔細觀察，一些斷層面上主要發育有2組擦痕，其中1組近于垂直；另1組擦痕側伏角近于水平，僅15°—20°，且明顯錯切了近于垂直的擦痕，表明斷裂最新一次的運動性質為水平剪切運動為主，擦痕的階步特征為右旋剪切運動兼具一定的逆沖分量。

圖4 典型地質觀察點照片與剖面圖Fig.4 Profiles and image of typical geological survey spots

2.2 淺層地球物理勘探

通過地震采集數據和電法數據的處理，共獲取了質量良好的11張地震反射、3張折射和10張高密度電法測線剖面，典型剖面結果見圖5。淺層地球物理勘探結果可歸納為：

① 喬莊鎮第四系覆蓋區存在3條隱伏斷裂通過主城區北半部，斷層面視傾角一般較陡，都在50°以上，傾向北西，剖面上顯示為逆斷層性質。

② 3條隱伏斷裂上斷點的埋深不盡相同，即使是同一條斷裂在不同測線上的上斷點埋深也存在較大的差異，呈由東向西逐漸變深的趨勢。其中F1和F2上斷點埋深較淺，最淺埋深僅 3—4m左右，錯切了基覆界線延入第四系中下部，表明其具有一定的第四紀活動性，而F3上斷點埋深相對較大，在19—34m之間，向上未切入第四系。

2.3 探槽分析與斷裂活動性評價

TC1和TC2探槽揭示出了第四系的變形和錯位現象，現分析如下：

2.3.1 喬莊派出所TC1探槽

TC1探槽位于喬莊派出所，現為房屋倒塌廢墟，用于控制 F1斷裂，探槽開挖方向為北30°西，探槽長13m，深5m，揭示出的地層層序（圖6）如下：

① 混凝土地面及碎磚：為汶川地震后房屋倒塌形成的廢墟。

② 磚混地基：為原喬莊派出所用房地基，最深到達了地表下2.8m處。

③ 卵礫石回填土夾建筑垃圾層：為建房時回填土層。

④ 灰白色粉質粘土層：灰白色，以透鏡體的形式存在于探槽南東側。

⑤ 棕黃色粉質粘土層：棕黃色，在探槽內連續分布，為河流相二元結構的上部沉積。

圖5 典型淺層地震與高密度電法測線探測結果圖Fig. 5 Profiling images from shallow seismic exploration and high-density resistivity tomography

圖6 喬莊派出所探槽南西壁照片與素描圖Fig. 6 Profile and mosaic photography of the southwest wall of a trench near Qiaozhuang police station

⑥ 砂卵礫石層：探槽內分布連續，呈棕黃色，卵礫石成分一般以石英巖、火成巖為主，次為砂巖、灰巖等。微風化，亞圓形，分選性一般，卵礫石含量 30%左右，礫徑以 3—8cm居多，孔隙間充填中砂及小圓礫。

⑦ 褐黃色細砂層：褐黃色，探槽內分布連續，此層被斷層斷錯，底部垂直錯距15cm。

⑧ 灰黑色砂礫石層：此層呈透鏡狀分布于探槽北西側，灰黑色，被斷層斷錯，底部垂直錯距20cm。。

⑨ 青灰色砂卵礫石層：為河流相二元結構的下部沉積，連續分布，未見底。該層呈青灰色，卵石成分一般以石英巖、火成巖為主，次為砂巖、灰巖等。微風化，亞圓形，分選性差，卵石含量70%左右，礫徑以5—10cm居多，孔隙間充填中砂及小圓礫。斷層斷錯此層，斷面上礫石呈明顯的定向排列。

從該探槽揭露的情況分析，⑦、⑧層明顯被斷層斷錯，垂直錯距15—20cm；⑨層中沿斷面礫石呈明顯定向排列。

2.3.2 運管站TC2探槽

TC2探槽位于喬莊運管站院內，用于控制F2斷裂。探槽開挖方向為北60°西，長10m，深4m，揭露到基巖破碎帶，地層層序（圖7）如下：

圖7 運管站探槽南西壁照片與素描圖Fig. 7 Profile and mosaic photography of the southwest wall of a trench near the passenger transport station

① 混凝土層：為混凝土路面。

② 回填土層：雜色，松散，主要由粘性土、砂礫，磚、瓦和混凝土碎塊組成，新近堆積。

③ 灰白色砂卵礫石層：卵石成分一般以石英巖、火成巖為主，次為砂巖、灰巖等。微風化，亞圓形，分選性較差，卵石含量50%左右，卵石礫徑大者20cm左右，以4—12cm居多，孔隙間充填中砂及小圓礫，探槽內分布穩定。

④ 棕黃色砂粘土層：呈透鏡狀分布，褐黃色，含少量鐵錳質氧化物。此層為被斷層斷錯，垂直錯距約40cm，礫石定向排列帶內有此層形成的團塊。

⑤ 細砂層：青灰色，以透鏡體的形式存在，可能被斷層錯斷，垂直錯距約50cm。

⑥ 灰褐色砂卵礫石層：卵石成分以石英巖、火成巖為主，含少量砂巖、灰巖等。微風化，亞圓形，分選中等，卵石含量60%左右，礫徑一般5—15cm，大者可達25cm左右，孔隙間充填中砂及小圓礫，此層在探槽內分布穩定，斷面附近礫石出現明顯的定向排列。

⑦ 基巖破碎帶：為茂縣群絹云母千枚巖的構造角礫巖和碎裂巖。

該探槽揭示出的F2斷裂的基巖破碎帶中發育有大量的次級斷面，其中有3支向上延入第四系，致⑥層形成礫石定向排列帶和④、⑤層40—50cm的垂直位錯，③層的礫石定向排列現象似乎仍依稀可辨，但②層及混凝土層未見錯動現象。

3 討論

（1）平武-青川斷裂的主干斷裂F1和中支斷裂F2確實存在新活動的地質證據，導致了喬莊河Ⅰ級階地中下部砂礫石的變形和位錯現象，最大垂直位錯量在40—50cm左右，而南支斷裂F3未見第四紀活動的地質地貌證據。根據區域對比資料1中國地震局地質研究所，四川省地震局工程地震研究院，2006. 821廠址地震安全性評價報告（內部報告）.，嘉陵江及其支流Ⅰ級階地形成的時代在3000—5000a，因此可以判定F1和F2斷裂的青川喬莊鎮段應具有全新世活動性。汶川地震科學考察結果表明，在岷江、涪江和湔江等及其支流的Ⅰ級階地和河漫灘上，僅可見到汶川地震形成的斷層陡坎，而在Ⅱ級及其以上階地上則可見到多次地震形成的斷層陡坎，且呈階地時代越老，斷層陡坎越高的現象（徐錫偉等，2008；周榮軍等，2008；冉勇康等，2008；田勤儉等，2009）。這意味著上述喬莊鎮Ⅰ級階地中下部砂礫石層的變形與位錯現象，應是汶川地震的近地表錯動所致，并導致了零星的地表破裂現象（圖8、圖9），這也與汶川地震時青川喬莊鎮附近亦發生了深部破裂和城區建筑物的條帶狀破壞異常增高現象相吻合。

圖8 青川縣板橋鎮震時出現地裂縫及噴砂現象Fig. 8 Ground fissure and sand spouts during Wenchuan earthquake in Banqiao town,Qingchuan county

圖9 喬莊河河堤震時出現地裂縫，顯示右旋走滑性質Fig. 9 Ground fissure on the riverbank showing the dextral-slip movement near Qiaozhuang river

（2）汶川地震時青川縣喬莊鎮沿平武-青川斷裂北支F1和中支F2斷裂出現的近地表錯動現象表明，單一的地面地震地質調查工作對于第四系覆蓋區斷裂活動性的判定存在風險和不足，在這種情況下，合適的淺層地球物理勘探對于隱伏斷裂活動性的評價具有重要的幫助和價值。由此看來，雖然目前在地表尚未獲取平武-青川斷裂全新世活動的地質地貌證據，但從該斷裂深部存在次級布格重力異常帶（張季生等，2009）、非常清晰的線性影像特征以及沖溝和河流的大尺度同步右旋扭曲（樊春等，2008）和在漢江源Ⅳ級河流階地面上發育的斷層槽地（楊曉平等，2008）等現象分析，平武-青川斷裂尚難排除晚第四紀以來活動的可能性，陡峭的地形和強烈的侵蝕作用、人工的開墾與耕作以及低速率的斷層活動，有可能是平武-青川斷裂晚第四紀以來活動的地質地貌證據不易保留的重要原因。因此，今后對平武-青川斷裂活動性的進一步研究，對于該地區的地震風險評估以及地震監測預報等都具有重要的現實意義和科學價值。

4 結論

平武-青川斷裂分為3支，呈隱伏狀通過青川縣喬莊鎮北半部，其中北支F1為平武-青川主干斷裂，破碎帶寬度在80—100m左右，走向北東東-近東西，通過馬家院、縣人民醫院、縣財政局和東橋；中支F2和南支F3為平武-青川斷裂的分支斷裂，破碎帶寬度在30—60m之間，走向北東，F2通過青川縣金生水業有限公司、趕場埡、縣人民武裝部、明欣廣場和縣運管所；F3通過森宇竹木制品有限公司、趕場埡和青川中學。上述3條斷裂最終交匯于東橋以東，剖面上顯示為壓性逆斷層性質，從基巖斷面上的擦痕和階步可以判定，平武-青川斷裂最新一次活動主要表現為右旋走滑剪切運動，兼具一定的逆沖分量，與汶川地震震源機制解結果具有較好的一致性。通過對物探結果與探槽開挖結果的分析，平武-青川斷裂的喬莊鎮段應具有全新世活動性。

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Active Fault Surveying and Assessment of Qiaozhuang Town,Qingchuan County, Sichuan Province

Li Xiaogang1), Zhou Rongjun1), Liu Baojin2), Shi Jinhu2),Ye Youqing1)and Liang Mingjian1)

1) Earthquake Administration of Sichuan Province, Chengdu 610041,China
2) Geophysical Prospecting Center, China Earthquake Administration, Zhengzhou 450002, China

Qiaozhuang town of Qingchuan county is located on the terrace I of the Qiaozhuang river，where Pingwu-Qingchuan fault consists of three buried fault segments, crossing the main area of Qiaozhuang town. There are not new active evidence of the fault found on the ground. On May 12 of 2008, the Wenchuan earthquake caused serious damages to the city zone of Qiaozhuang town. The damages, along the main fault zone of the Qingchuan fault, are more serious and engendered a abnormal damage belt. However, there is no obvious surface rupture caused in the ground. Through geological investigation, shallow geophysical exploration and trenching, the segments of Pingwu-Qingchuan fault in the city zone were repositioned. Through some surface rupture and the slight deformation and offset of the sand-gravel layer under the trench, we proposed that the abnormal damage belt in Qiaozhuang town was due to the near-surface offset of the Pingwu-Qingchuan fault caused by the Wenchuan earthquake. This is consistent with the fact that the aftershock belt of the Wenchuan earthquake extend to the eastern segment of Pingwu-Qingchuan fault. Therefore, more work should be done for the new activity of Pingwu-Qingchuan fault in the future.

Active fault; Shallow geophysical exploration; Wenchuan earthquake; Pingwu-Qingchuan fault;Qingchuan county

黎小剛，周榮軍，劉保金，石金虎，葉友清，梁明劍，2010. 四川青川縣喬莊鎮城區活動斷裂探測與評價. 震災防御技術，5（4）：428—438.

國家自然科學基金項目（40841010）和國家科技支撐計劃資助項目（2006BAC13B02-107，2006BAC13B01-604）共同資助

2010-04-11

黎小剛，男，生于1975年。高級工程師。主要從事工程地震和活動構造方面的研究。E-mail：lxg@eqsc.gov.cn

致謝：感謝國家自然科學基金（40841010）和國家科學支撐計劃項目（2006BAC13B02-107，2006BAC13B01-604）的資助。感謝錢洪研究員、馬保起研究員和李勇教授等在現場工作時的交流與指導。更加不會忘記青川縣各級政府和喬莊鎮廣大人民群眾在經歷了汶川特大地震的慘痛損失后，仍對該項工作給予的理解和支持。感謝匿名審稿者對本文提出了建設性的修改意見，讓本文更加嚴謹和科學。