蘭州市地震活動斷層探測與國土利用實效

袁道陽

袁道陽，博士，研究員，甘肅省地震局、中國地震局蘭州地震研究所副局（所）長，中國地震學會理事，甘肅省地震學會常務副理事長、甘肅省地質學會常務理事。2003年獲中國地震局地質研究所構造地質博士學位，2007年在中國地震局地球物理研究所博士后出站，2008年在美國科羅拉多大學做交流訪問學者。主要從事新生代構造、活動構造及其工程應用、歷史地震研究等。先后主持國家自然科學基金、中國地震局“十五”國家重大建設項目、甘肅省科技攻關項目、汶川地震甘肅省災后重建和舟曲泥石流災后重建等項目。在國內外核心以上期刊發表第一作者論文70余篇，獲省部級科技成果一等獎3項、二等獎3項、三等獎3項。

當前，我國防震減災事業發展的主要矛盾是：人民對包括安全在內的美好生活需要與防震減災事業不平衡不充分發展之間的矛盾。發展不平衡問題主要體現在“城市高風險、農村不設防”“重震后救災、輕震前預防”“區域發展不平衡、風險管理不平衡”“小震大災、大震巨災”“硬實力不硬、軟實力又軟”等方面。就城市地震安全而言，城市地震活動斷層的存在是重要的安全隱患，而開展活動斷層探測、采取有針對性的避讓或抗震設防措施是降低城市地震災害高風險極為重要的方面。十多年來，中國地震局一直在積極推進城市活動斷層探測與地震危險性評價工作，目前已經開展了90余個城市的探測工作，并已取得了十分顯著的減災實效。蘭州市作為中國地震局組織實施“大城市活斷層探測與地震危險性評價”項目中首批20個探測城市之一，總投資2117萬元，自2004年9月正式實施，到2007年8月順利通過驗收并及時推廣應用。十多年來，該項探測成果在蘭州城市規劃發展、城市建設中發揮了極為重要的作用，為蘭州城市建設中工程抗震設防提供了重要的科學依據，具有巨大的減災實效。

歷史地震和地震活動斷層的存在對蘭州市發展的嚴重制約

蘭州市位于我國陸域版圖的幾何中心，市區依山傍水，山靜水動，是全國唯一一座黃河穿城而過的省會城市。經過數十年的建設，特別是改革開放以來的快速發展，蘭州市已成為西部重要的工業基地和現代化城市。

在構造位置上，蘭州市位于新構造活動強烈的青藏活動塊體東北緣、南北地震構造帶與祁連山地震構造帶的交匯復合部位，具有孕育和發生中強地震的構造條件。蘭州市在歷史上曾多次遭受到地震的侵襲，其中影響最大的是1125年蘭州7級地震。據《宋史·五行志》記載:“……七年七月己亥熙河路地震，有裂數十丈者。蘭州尤甚，陷數百家，倉庫俱沒。河東諸郡或震裂”。《宋史·忠義傳》(卷448)記載:“……地震秦隴，金城六城壞……”經史料考證和現場考察確認，在這次地震中，蘭州附近的益機灘堡、京玉關、西關堡、金城關、皋蘭堡和阿干堡等六座城堡均遭到了破壞，其災害非常嚴重。

在地貌上，蘭州市為一個狹長的河谷盆地，黃河縱貫其中，四周高山環繞，總體呈NWW向，東西長約50千米，南北寬4～15千米。以皋蘭山—九州臺為界，蘭州盆地可分為東西兩個盆地，呈現兩山夾一谷的特殊地貌(見圖1)，因此，蘭州的城市發展空間和建設用地十分有限。前人研究中曾提出蘭州市區內存在6條晚第四紀活動斷層，包括金城關斷層、劉家堡斷層、雷壇河斷層、深溝橋斷層、寺兒溝斷層和西津村斷層，其中劉家堡斷層是橫穿市區的全新世活動斷層。蘭州盆地即是由上述活動斷層所圍限的斷陷盆地，盆地中心為七里河第四紀斷陷盆地。如果按照《建筑抗震設計規范》將劉家堡全新世活斷層兩側各200米作為避讓帶劃出的話，蘭州市建設規劃將失去10.8平方千米的建設用地，占整個城區可利用面積的0.6%。這對于建設用地已十分緊張的蘭州來說，將更是雪上加霜。

前人對蘭州盆地及其活動斷層的研究歷史大體經歷了三個階段：1925—1949年：安特生（1925年）、陳夢熊（1947年）等對蘭州的地文期和新生代地層劃分進行了初步研究；新中國成立后至20世紀70年代末：根據部分水文工程地質勘察資料，多數地學工作者認為蘭州盆地的構造形態主要是一個新生代向斜盆地，其內部并無活動斷層；20世紀80年代：蘭州盆地開展了一些電法勘探和水文鉆探工作，并根據這些資料提出了蘭州七里河斷陷盆地的認識，并在盆地內畫出了金城關、劉家堡、雷壇河、深溝橋、寺兒溝和西津村6條晚第四紀活動斷層。由此確立了“蘭州是一個存在多條活斷層的斷陷盆地”的主流認識。其中，對蘭州市影響最大的是橫穿市區的劉家堡斷層，為全新世活動斷層，并認為是1125年蘭州7級地震的發震斷層。這些活動斷層的分布及其活動性問題，長期以來困擾和影響著蘭州市的城市規劃和建設，是歷屆政府想解決但又未能解決的城市地震安全隱患問題，也是未來城市發展過程中可能面臨的災害風險源。

蘭州盆地究竟是一個向斜盆地，還是一個斷陷盆地？斷層是否存在，其危險性如何？對蘭州盆地及其構造特征前后認識上的巨大反差，說明蘭州地質構造的復雜性和不確定性。要徹底查清它們，具有相當大的難度。因此，該項目一開始，就是一個不同于一般工程項目、存在著許多難點的科學工程。

圖1 蘭州市地貌及推測活斷層分布圖（探測前）

對蘭州市地震活動斷層的探測和否定，為城市發展松了綁

蘭州市活動斷層探測的主要目標就是要查明前述6條斷層的準確位置、幾何結構、晚第四紀活動性及其活動習性，甄別出地震活動斷層和非地震活動斷層；對地震活動斷層未來有限時段的地震危險程度和地震危害程度做出定量評價；提供大比例尺活動斷層分布圖和近斷層強地面運動分布圖；建立活動斷層基礎數據庫和地理信息系統，為蘭州市政府和相關部門的城市發展規劃、土地利用、重大工程選址以及防震減災提供科學依據。

蘭州市活動斷層探測過程可謂是艱難曲折。最初，項目組一直認為根據前人提供的資料，蘭州市區活動斷層位置大體清楚，探測應該相對容易。因此，在前期準備和工程設計階段，蘭州市活動斷層探測項目的進度一直比較順利。但是在具體實施過程中，項目組苦苦追尋，一直找不到斷層新活動的任何證據。與此同時，在蘭州城區內開展的隱伏斷層淺層人工地震探測工作也遇到了很大困難和挑戰。由于新近系巖層陡傾，第四系礫卵石層厚達300多米，作為主要探測手段的大型震源車數據采集很不理想，致使探測工作一度陷入了困境。

總結和反思發現，多年來蘭州盆地內除地礦、水文等部門曾開展過一些地質普查，地震部門進行過一些工程場地地震安全性評價等零星工作外，并沒有開展過系統的研究和探測工作，研究基礎非常薄弱。因此，前人對蘭州盆地活動斷層的一些認識多是基于不多或不系統的研究得出的，存在一些不確定因素。對此，項目組開始對一些斷層的存在依據產生了懷疑。為了搞清楚蘭州市活動斷層研究的來龍去脈，項目組查閱了自1925年以來有關蘭州盆地及活動斷層研究的全部文獻資料。發現20世紀80年代初對蘭州盆地地質構造的認識有了很大的轉變，盆地內的主要活動斷層都是那個時期才提出來的。項目組決定以大家公認活動性最強的劉家堡斷層為突破口。為了取得劉家堡斷層存在與否的可靠地質證據，在物探、鉆探工作基礎上，選擇文華嘉苑工程場地進行10米深的大探槽開挖，探槽所揭示的現象不是斷層，而是掀斜地層的巖性界線（見圖2）。

圖2 文華嘉苑探槽揭示劉家堡斷層為地層接觸界線而非斷層

圖3 鄧起東院士現場考察深溝橋斷層大型探槽開挖現場

要想否定已經得到認可的斷層需要有相當大的勇氣，并需付出雙倍、甚至十倍的努力，還得承受巨大的壓力，必須拿出確鑿的證據。項目組也意識到，若能否定一條多年來困擾蘭州市規劃發展的活動斷層意味著什么：如果該斷層確實不存在，將為蘭州城市發展提供更加廣闊的空間，為蘭州廣大市民提供重要的安全保障，其經濟效益和社會效益非常巨大，其長期利益更是無法估計，這是利國利民、造福地方的大好事。因此，為了穩妥起見，項目組接下來按照同樣的思路和方法，沿劉家堡斷層走向又選擇了2個場點進行物探和鉆探驗證，揭示的是同樣的地層接觸關系，均無斷層存在。同樣，根據物探和鉆探結果，項目組又在深溝橋斷層上開挖了2個深達12米，長50余米的特大型探槽，其結果證實深溝橋斷層也僅只是不同巖性的分界線，并不是斷層，同樣印證了項目組的看法。為了得到同行專家認可，項目組特地邀請全國活動斷層探測項目總監理鄧起東院士、首席科學家徐錫偉研究員和蘭州地質界、工程界和高校的十多位知名專家到現場召開咨詢討論會，確認了劉家堡斷層和深溝橋斷層不是斷層的結論性意見（見圖3）。

項目組進一步采用地質地貌填圖、差分GPS測量、淺層人工地震探測、鉆孔探測、測年技術及地震學等綜合探測技術，揭示了前人提出的劉家堡斷層、深溝橋斷層等晚第四紀活動斷層實際上為新近紀上新世泥巖與早更新世膠結礫石層之間不同巖性的分界線，而不是斷層的重要結論。同時，通過綜合探測還修正了金城關斷層、雷壇河斷層、寺兒溝斷層和西津村斷層4條晚第四紀活動斷層的最新活動時代，證實其均為第四紀早中期斷層，為非發震斷層（見圖4）。同時，肯定了馬銜山北緣斷層西段為晚更新世—全新世活動斷層，是1125年蘭州7級地震的發震斷層。上述一系列新認識的提出，消除了過去對蘭州市地震構造環境的一些模糊認識，具有極為重要的科學意義和實用價值，對蘭州的城市規劃和工程建設松了綁，特別是對蘭州市安寧區和西固區的建設發展具有巨大的經濟和社會效益。

探測成果的及時推廣應用，取得了顯著實效

項目取得的探測成果，不僅消除了過去數十年對蘭州市地震構造環境的一些模糊認識，而且為蘭州市的土地利用和城市建設規劃提供了極為重要的科學依據。通過對劉家堡全新世斷層的否定，進而確定無需采取避讓措施，客觀上等于為蘭州市增加了約10.8平方千米土地，僅按照項目實施時期2006年“蘭州市基準地價”平均0.45萬/平方米計算，其總價值就達486億元，其長期經濟效益更是無法估計。對蘭州活動斷層的全新認識，最大限度地減少了“地震盲目性”，為廣大市民提供了安全保障，對改善蘭州發展和生活環境、構建和諧社會具有深遠意義。該項目獲得2007年度甘肅省優秀工程勘察一等獎和2009年中國地震局防震減災優秀成果二等獎。項目所取得的成果和認識得到了甘肅省建設主管部門和專家的肯定和高度贊揚，為此，甘肅省建設廳和省地震局聯合召開表彰大會，對蘭州市活動斷層探測項目組進行表彰獎勵。

圖4 蘭州市活斷層分布圖（探測后）

為了及時做好該成果的推廣應用，促進蘭州市新版城市規劃的科學性、合理性和前瞻性，最大限度地利用好城市土地建設資源，提高城市地震安全水平，改善蘭州市投資環境，經甘肅省建設廳和地震局共同發文（甘建設[2007]437號），提出了明確的推廣使用意見。

1.要充分認識“蘭州市活斷層探測”項目成果在城市規劃、建設和防震減災工作中的重要意義，各級建設、規劃、地震等部門要認真學習、大力宣傳、準確把握“蘭州市活斷層探測”主要成果和技術要點，加強成果宣傳，促進社會和諧，改善投資環境。

2.蘭州市第四版城市規劃和蘭州市抗震設計規程要吸收、采用“蘭州市活斷層探測”項目的主要成果，做好“規劃”“規程”與“蘭州市活斷層探測”項目主要成果的有機結合，增強城市規劃和抗震設計規程的科學性、指導性和實用性。

3.各有關單位要將“蘭州市活斷層探測”項目主要成果及其結論運用到城市和工程規劃、建設工程設計、勘察以及抗震設防要求管理的具體工作中去。省市建設、規劃和地震部門要組織省內有關規劃、設計、勘察等單位，采取學術報告、通報會、講座等形式，在有關專業單位和科技人員中宣傳、普及“蘭州市活斷層探測”主要成果及其結論，提升該成果推廣應用的社會和經濟效益。

4.成果已經被新修編的蘭州市第四版城市規劃、DB62/T25-3037-2006《蘭州市區建筑抗震設計規程》和甘肅省DB62/T25-3055-2011《建筑抗震設計規程》所吸收。為城市土地利用和工程建設規劃、減輕地震災害、保障社會經濟可持續發展提供了極為重要的科學依據。

經驗和啟示

1.綜合探測技術的應用是成功的關鍵。在工作中，項目組針對蘭州盆地厚層黃土和粗顆粒沉積物等特殊的地質地貌條件和極為復雜的探測環境，采用了地球物理、地球化學、地震地質和地震學等綜合探測技術。開拓性地在蘭州市區內運用特大型探槽技術，對否定劉家堡斷層和深溝橋斷層起了決定性作用。消除了過去對蘭州市地震構造環境的一些模糊甚至錯誤的認識，糾正了以往根據鉆探“一孔之見”得到結論的局限性，對蘭州盆地形成演化等重要科學問題提出了全新的認識，其科學意義重大。

2.地下搞清楚是確保城市地震安全的前提和基礎。蘭州四周高山環繞，城市發展空間和建設用地十分有限。本成果為蘭州市區內以前的禁建區土地規劃利用松了綁，為城市發展提供了廣闊空間。上述工作的前提和基礎就是城市地下搞清楚了，其地震安全才會有保障，未來地震災害風險就會大大降低。這也進一步凸顯了中國地震局提出的城市活動斷層探測工作的重要性和對社會經濟發展的積極貢獻。