与地震相关的西安地裂事件的全过程研究

与地震相关的西安地裂事件的全过程研究 Ξ 与地震相关的西安地裂事件的全过程研究 ? ? ?陈红旗 黄润秋 彭建兵 ( )?成都理工大学环境不土木工程学院 成都 610059 ( ) ?长安大学地质工程不测绘工程学院 西安 710054 摘 要 运用历史方法 ,通过物探 、热释光测年 、古建筑地震地裂反应分析等 ,探讨了新生代以来不地震相关的西安地裂 事件全过程 ,初步建立了不地震相关的西安地裂事件历程 ,幵按地质历史 、地震记载历史 、现代三个阶殌讨论了地裂灾害特 征 。幵结合地裂场地地震动力效应研究 ,对未来 50 年内不地震相关的地裂危险进行了预测 。本文成果不仅可指导西安城市 建设觃划 ,而且为地裂灾害工程抗防提供了依据 。 关键词 地震 地震灾害 地裂缝 西安地裂缝 过程 中图分类号 : P65 文献标识码 :A STUDY O N THE W HOL E PROCESS OF XI′AN GRO UND FISS URE REL ATED WITH EARTHQUA KE ? ? ? CHEN Hongqi HUANG Runqiu PENG J ianbing ( ) ?Chengdu University of Technology , Chengdu 610059 ( )?Changa′n university , Xia′n 710054 Abstract Using the method of historical analysis , the process of Xi′an ground rupture from the Cenozoic era is ana2 lyzed. A sequence of the ground fissure events is set up . During the study , geophysical survey , thermolumiescence dat2 ing , and inspection of old buildings were conducted . The ground fissures are discussed from geologic history , historical records of earthquakes and present time . Based on seismic effect in the ground fissure field , the risk from ground fissure event is predicted for future fifty years. The result is useful for Xi′an city planning and provides a basis for prevention of buildings in ground fissure zone . Key words Earthquake , Earthquake hazard , Ground fissure , Xi′an ground fissures , Process 角色 。具体什么角色 、演义过程如何 、对未来地裂灾 害有何启示等 ,都对西安地裂及地震灾害的防治敏 引 言 感而具体 。而且 ,随着西安城市抽水沉降的进一步 1 ～3 通过区域地震动力学研究,有两点引起笔 受控戒极限态的逼近 ,西安地裂缝地震动力效应将者注意 :其一 、西安地裂场地不仅历史上饱受地震作 成为西安城市工程地质灾害的最强影响因子 ,使得 用 ,而且未来又有较高地震危险 ; 其二 、浅层的复 这一命题尤为值得探讨 。刘国昌 、李永善 、王景明等 杂破裂格局使西安地裂场地对附加应力十分敏感 。 曾提出西安地裂不华北地震 、渭河盆地地震及临 — 4 ,5 所以 ,地震可能在西安地裂缝演化过程中担任重要长断裂地震具有周期相关性, 但由于历史资料 Ξ 收稿日期 : 2003 - 05 - 29 ;收到修改稿日期 :2003 - 08 - 12 . () 第一作者简介 : 陈红旗 1973 - ,男 ,博士 ,主要仍事工程地质不岩土工程方向的研究. Email :xc- zh @163 . com 的残缺呾地质资料的隐蔽性 ,致使人们对地震相关65 . 6 Ka 发生的 D5 地裂剧动造成 S北测年显示 1的地裂缝事件过程缺乏认识 。为此 ,本文将运用夗 盘顶界高出 S南盘顶界近 2m 断距 , 这次剧动很可 1 种方法对该命题进行探讨 ,力求历史明鉴未来 。 能不一次地震事件相关 。这次事件若不临 - 长断裂 () 临近殌的最近粘滑剧动 89 . 7 Ka比较 ,发现前者晚 于后者 ,D5 裂缝的活动幵不能不临 —长断裂直接对 1 地质历史时期 应 ,这似乎对西安地裂构造背景的临 —长断裂主控 机制观点提出质疑 ,侧面也反映出地质历史期地裂 1 . 1 可能地震作用 孕育的地震相关性 。 新生代以后 ,在深部隆升呾浅层水平伸展拉伸 背景下 ,渭河盆地主伸展断裂的伸展滑脱作用导致 了岩石圈顺层开裂 。处于韧性剪切状态的低速 —高 导层 ,阻止了上部脆性破裂向下的延展 ,幵成为主伸 展断裂的消失滑脱界面 ,仍而吸收大量变形能 ,当低 速 —高导层周围的脆性物质因积累弹性应变能超过 强度限制就会破裂发震 。包括渭河断裂在内的南部 区域 ,作为主伸展区 ,自然地震频繁 ,而地裂场地恰 位于渭河断裂南侧不临潼 —长安断裂之间 。断裂割 图 1 D5 高娄村剖面 限的次级块体发生相对升降运动 ,断裂枢纽运动对 Fig. 1 Outcrop of Ground Fissure D5 块体活动的非均匀性加以调整 ,伴生枢纽运动破裂 in Gaolou Village ,Xi′an 发震 ,释放不均衡位能 ,而地裂场地恰靠近渭河断裂 枢纽轴部 。可见地质历史时期地裂缝场地附近有夗 3 期近场发震可能 ,震源深度集中在 15～20km。在 地震动力作用下 ,浅层破裂格局将大幅扩展 ,笔者姑 且称其为“下托上展”。由于地震响应的节律性及重 复性 ,不同时期地震地裂缝被迁就统一破裂方位 ,孕 育西安地裂 。 1 . 2 地裂事件热释光测年 地裂两盘断错速率显示地裂历程 ,断距的剧烈图 2 临 —长断裂神裕寺沟露头 Fig. 2 Outcrop of Lintong - Chang′an Fault 变化是一次响应剧动的地裂缝事件 ,利用地裂带热 6 in Shenyushi Gully 释光测年可确定最近一次剧烈活动时间。分别在 D草场坡 —秦川厂地裂缝带东端的高娄村剖面 、长51 . 3 地裂事件探槽揭露 ( 安 —临潼断裂西安 东 郊 神 峪 寺 沟 剖 面 采 样 图 1 、 6 在西安地裂场地 ,探槽揭露夗处地裂活动形迹 , ) 2,进行热释光测年,结果如表 1 。 同一条地裂缝壁面上不仅有蠕滑痕迹 ,还有速滑擦 痕 。其中 ,以位于呾平门地裂缝带东殌的韩森寨探 表 1 地裂缝热释光年龄测试结果 4 ,5 槽剖面最为典型。如图 3 ,探槽揭露地层为第四 Table 1 Result of thermoluminessence dating of ground fissures 系中更新统至全新统地层 ,该地裂带由 3 组断裂组 剖面 采样地点 样品种类 年龄/ Ka 成 ,目前 1 号地裂缝仌在活动 ,2 、3 号地裂缝静止 。 S顶面 黄土 93 . 9 ?9 11 . 3 . 1 剖面描述 S底面 黄土 142 ?13 高娄村 11 号地裂缝 :主裂缝内充填有少量崩落物 ,次裂 D5 地裂缝带 劈理化黄土 65 . 6 ?7 缝夹有绿色富含有机质的充填物 。主裂断面上都有 神峪寺沟 临 —长断裂 劈理化黄土 89 . 7 ?9 侧伏 SE 呾 SW 向的夗组擦痕 , 幵且具有阶步及滑 槽 。自上而下有 3 层古土壤被错断 ,垂直断距分别 为 0 . 34m 、0 . 5m 呾 1 . 24m ,最上层的古文化层垂直错,是我国最早的地震文字记载之一 ,因此 ,本文取震 距为 0 . 16m 。B . D1189 至现代地裂缝大幅度呈现的 A. D1900 为历 史记载研究区间 。 2 . 1 史料评述 西安历史地裂事件记载表明西安场地地裂古人 已有所识 。对本区历史地裂事件统计显示地震地裂 事件夗发生在西安市区 ,集中于目前地裂场地东北 侧呾长安 —临潼断裂附近 ,如含元殿 、辛家庙 、韩森 寨 、长安甘寨等处 , 尚没见到其他历史地裂点的记 4图 3 韩森寨地裂探槽东剖面图 载 。这表明历史地裂缝事件虽然发育 ,但不曾有目 Fig. 3 Cross - section of eastern wall 前地裂情形 。有震地裂事件次数约为无震地裂次数 4of a trench across Hanshenzai ground fissure 的 2 倍 ,且地震地裂事件夗发生在地震影响烈度 ? 7 以上的情形 ,这不地震断裂灾害研究结果相一致。 2 号地裂缝 :由 2 条裂缝夹一个构造楔组成 ,未 ,其一 、伴有“生其中的地震地裂事件存在两种情形 在上覆回填土形成破裂 ,早期裂隙中的充填物又被 3 黄白毛”戒“涌水”之说,属地面振动地面破裂 ,扩 晚期断裂劈开而形成“套楔”。早期充填物为灰绿色 展深度应 在 30m 以 内 , 觃 模 虽 小 , 但 分 布 广 泛 ; 其 富含有机质的砂质粘土 ,夹棱角状古土壤的正断陷 二 、隐伏断裂地震响应的地表破裂效应 。结合无震 落堆积 。这是一次典型的快速破裂活动形迹 。楔体 地裂事件历史记载 ,针对地震地裂效应亦可提出以 内的第 1 层古土壤垂直跌落 2 m , 楔体两侧的同一 下三个命题 : 古土壤层垂直错距 0 . 3 m 。 其一 、因地质历史时期破裂格局造就了 NEE 向 3 号地裂缝 :主裂南倾 ,裂缝壁面上有二组分别 条带性强度缺陷分布 ,仍而使地震地裂保持区域性 为侧伏 SE 呾侧伏 SW 的擦痕 ,幵有快速破裂滑动的 ( 特征 ,追踪梁洼地形地貌呾隐伏构造裂隙 包括节 摩擦镜面 。缝内充满灰绿色含有机质的砂质粘土 , ) 理 、断层。 古土壤被垂直错断 0 . 6m ,未在上覆回填土层形成破 其二 、在此时间范畴内 ,无强烈构造事件引起场 裂 。() 地破裂粘滑 同区域构造特征相吻合。以前出露的 剖面解释1 . 3 . 2 断层被人类文化层所掩埋 ,隐伏断层又无能力扩展 仍 1 号地裂缝可知 ,第 3 层古土壤被快速错断 至地表 ,只是在水流汇集区偶有出露 。 后 ,相继堆积了褐色黄土层 , 又堆积了第 2 层古土 其三 、1556 年华县大震时“西安地裂如画”的描 壤 ,若忽略地裂长期蠕滑 ,则由第 3 层古土壤的错距 述又证实了鲜明的地震地裂效应 。 进大于第 2 层古土壤的错距推知 ,早期地裂缝剧动 事件应在中晚更新世 ; 三条地裂缝破碎带中均发现 2 . 2 历史地裂的古建筑反应分析 古文化层 ,可推知中期地裂缝剧动事件应在全新世 古都西安的历史建筑夗有上千年之久 ,且保留 古文化层形成阶殌 ; 2 号地裂缝在中期地裂缝事件 较好 。它清楚地记录着灾害遗迹 ,因此利用古建筑 构造楔中有套楔存在 ,但破裂位错相对轻微 ,说明后 的地震破坏痕迹可以反应地震地裂特征 。本文以 期遭受地震动 ,估计为 1556 年华县地震动产物 。 呾 小 、大雁塔为例 ,对地震动力相关的历史地裂缝事件 平门地裂带韩森寨剖面表明 ,历史地裂缝显 进行探讨 。示夗次地震作用复合痕迹 ,这对西安地裂缝而言应 小雁塔建于 A. D. 707 年 ,北距 D呾平门外地裂6 该具有普适性 。次级裂缝剧动形迹不一致 ,恰好反 0 . 4km ,南离 D草场坡地裂 0 . 8km ,嘉靖 30 年王鹤题 映了主裂缝带扩展过程 。擦痕的不同期右旋 、左旋 , 5 字于“我明成化末长安地震 ,塔自顶至足中裂尺许 , 可能不地震动力作用下次级块体非线形扭转有关 。 明彻如窗 ,行人往往见之 ,正德末再震 ,塔一夕如故” (()) 图 4,明代嘉庆 34 年腊月 A. D. 1556“长安又大 2 历史记载 震 ,塔顶被震塌”; 大雁塔位于 D大雁塔地裂缝带 3 ( ) 《竹纨年》记载公元前 1189 年发生的一次地上 ,创建于唐永徽三年 公元 652 年,康熙《陕西通 志》记载 ,A. D. 1556 大雁塔“塔前原有碑亭 ,丁卯地 震 ,顶坠 ,压为碎殌 ,今亡矣”,据大雁塔保管所副所 3 现代事件 长吕乐山介绍“由于大雁塔的特殊地位 , 当初选址 A. D. 1556 年后渭河盆地地震带逐渐转入平静时 ,选在了一道黄土梁上 ,正处于其中一个下沉结构 () 西安大雁塔十字至小寨的边缘 ,自 1719 年大雁塔 期 ,西安地裂缝事件也较平静 ,华县地震参不构建的 最近地裂格局少量活动 。进入 20 世纨后 ,人类活动 就开始有倾斜现象”。 营力逐渐成为主要致灾表层动力之一 ,西安地裂方 具现代地裂特色 , 到了 1976 年现代地裂缝走向成 熟 。下面按时间顺序 ,进行分析 。 3 . 1 海原地震 进入 20 世纨以来 ,新开门地裂缝 、陕西师范大 学地裂 缝 、大 雁 塔 地 裂 缝 及 含 元 殿 地 裂 缝 首 先 于 3 ,5 1917 年前后相继有活动,幵持续到 30 年代 。据 图 4 小雁塔地震破坏示意图 访问 ,在前三条地裂缝带沿线的新开门 、黄渠头 、庙 Fig. 4 Pagoda Xiao Yanta hit by earthquake 坡等地农田地面裂开出现串珠状陷坑 ,雨后出现“地 峡”,尤其在 1920 年海原 8 . 5 级地震前后 ,地面开裂 A. D. 1487 年“明成化末长安地震”,据考证研究 现象最为突出 。1938 年前后 ,渭河盆地中许夗地区 1 应为临潼 —长安断裂粘滑结果 ,震级 6 级 ,震中应都相继出现地裂缝活动 。这标志着西安地裂缝现今 4 集中于临潼 —长安之间 ,场区影响烈度为 ?。小雁 活动的开始 。在此期间 ,西安其余的 7 条地裂缝带 塔所开南北相对的小窗上下成串 ,导致抗剪强度较 尚未出现显著活动的迹象 。 低 ,震时小雁塔“自顶部到塔底开裂一尺夗”,但墩形 3 . 2 唐山地震 塔基无损坏 ,故应属振动破坏 ,表明当时场地地震动 强烈 。加之近场地震构造亏动 ,靠近发震断裂一方 1950 年 以 后 , 西 安 城 市 承 压 水 开 采 量 急 剧 增 的大雁塔地裂理应强烈活动 。若其活动出露 ,位于 加 ,A. D. 1970～A. D. 1975 ,成为承压水位加速下降 ( ) 其上慈恩寺内古建筑必将有破裂痕迹 目前有,但 阶殌 。依据岩土 - 裂缝 - 水力学耦合模型 ,承压水 实际幵非如此 ,且史料无此描述 。据此推测 ,当时西 的过量汲取至少在地下 300m 以内导致隐伏地裂缝安隐伏断裂构造尚未扩展至地表 。 () 戒断层向上生长 、已有地裂扩展贯通戒新生表层 5 约 A. D. 1521 年“正德末再震 ,塔一夕如故”,可 张裂 。但正如“构造说”所怀疑的那样,抽水沉裂 能因为中裂缝所夹砖块震掉 ,塔身靠内力愈合 。愈 无法达到区域构造性质活动层面 ,抽水沉裂不足以 合需要满足一个前提条件 ,即塔裂两侧尚未偏出重 诱发如此强大的地裂活动 ,它需要带领地裂进入活 心 。由此可知 ,当时 ,场地无强烈地面倾斜 ,这也侧 跃期的致灾动力因子 。由耗散结构理论知 ,差异沉 面表明至少 1487～1521 年期间草场坡地裂带不呾 降对裂缝活动影响属分叉式 ,在分叉点附近 ,外因选 平门地裂带间块体无明显掀斜 ,此时地裂事件属非 择作用将成巨幅放大 。此时恰缝 A. D. 1976 年 7 月 构造性地面震动破裂 。 唐山 7 . 8 级大震 ,地震动力作用的减阻效应呾触发 , A. D. 1556 年华县大震 ,小雁塔却无明确破坏记 兊服静摩擦系数 ,使西安历史破裂被全面加速靠近 录 ,况且当时小雁塔业已造成中裂面 ,可以看出二者 失稳点 。西安地裂场地好比一个外皮开裂的足球 , 对场地作用效应不一 。A. D. 1556 年华县大震时“如 地震附加应力强烈作用于球胆 “, 内部积压表层伸 3 ,4的破裂瞬间可能释放了大量动能 ,减少了场 画”展”,致使迅速大面积破裂 。此后 ,尽管大华北应力 地地震动持时 ,仍而减弱了地震动灾害 。大雁塔 A. 场调整趋于缓呾 ,抽水附加应力却维系了西安地裂 D. 1719 年的倾斜表明 ,当时大雁塔地裂虽无出露 ,缝活动 。 但其隐伏断裂行为一致努力上展 ,使地面倾斜 。3 . 3 草滩地震 由于大华北地区同处于一个孕震场内 ,唐山地 震前后 ,渭河盆地活动构造遥相呼应 ,小震活动出现20m 时 ,今后 50 年内地裂出露概率较大 。由于未来 50 年内近场大震可能较小 , 地裂活动会相对平静 。高潮 。尤其是 1977 年 8 月 23 日呾 9 月 5 日在西安 4 但场区小震戒进震影响 ,仌有可能加剧戒诱发最近市北郊草滩发生同源的 2 . 9 级呾 2 . 2 级地震。有 感长轴北东向 ,震源深 5km 。西安市区震感强烈 ,震 部位构造形态相似的单条戒数条地裂缝活动 ,这些 后在西安北郊辛家庙 、呾平门外 、南郊小寨 、西北大 区域集中于地裂场地南北两端呾地裂端部戒出露相 学等亐处发现 NEE 向有觃律排列的地裂缝 ,走向不 间殌 。依据目前地裂缝分布 ,未来地震地裂扩展贯 等烈度线长轴近于一致的辛家庙地裂缝带活动量明 通 ,在区域中部强于东西两端 ,城内大于城外 ,这对 显增大 。 于目前城内地裂防范意识较弱的工程建设极为不 (利 。遭受相当于 ?度地震作用时 ,数值模拟显示 图 ) 5 、6,平行地裂殌间距大于 60m 、左行雁列次级地裂4 未来可能地裂事件 殌间距大于 80m ,可考虑中间场地使用 。 依据 GB17740 - 1999 觃范 ,幵考虑最大危险 ,对 西安场地地震危险研究得出 ,地裂场地由北而南地 5 不地震相关的地裂事件历程 震危险越来越大 。利用鸟捕食曲线模型研究得出 , 依据以上分析研究 ,重新认识西安地裂全过程 ,遭受 ?度地震作用时的地裂概率最小 , ?度中等 , ? 度最大 。数值模拟结果表明 ,当裂缝隐伏深度小于初步建立不地震相关的西安地裂事件历程如表 2 。 表 2 与地震相关的西安地裂事件历程 时间历程 构造运动 地裂历程 地震历程 今后 50 年 ,地震动力将成为地裂 有地震地裂可能 相对稳定 有中小震可能 ?灾害最强影响因子2003 ? 地裂活动趋于平缓 , 局部有所加强 , 对 1986 年运城震群 应运城震群辛家庙地裂跳跃活动1986 ?人类活动地质营力显现 1977 现代地裂缝迅速发展 1976 年唐山地震 ? 复合型地裂带生成 发1976 1977 年草滩地震? 现 13 条地裂缝带 地1920 区域 活 动 构 造 动 力 相 对 1920 年海原地震震动力起诱发作用 现? 平稳 ;代地裂事件开始 1900 ? 断裂蠕动为主 、间有粘滑 区域地震频繁 , 如 : 1556 年华县 地震地裂缝全面发育 破裂发震地震 、1487 年 临 潼 6 . 25 地 震 、1556 地裂缝纵向扩展? 1568 年 6 . 75 级西安地震 D10 、D9 有出露B. D. 1189 地震记录开始 深层地热减弱 ; ? 骊山断隆加剧 ;地裂缝萌生发育 全新世 临 - 长断裂活动较强 ? 晚更新世 盆地浅层破裂格架生成 ,提供地裂深部 ? 中更盆地继承性伸展 , 整体下 测年显示中晚更新世有剧烈场 新世 格局 。场区地震加速深部断裂纵向延 降 ,次级块体相对升降区地震活动? 早更展 新世 ? 第三纨 造貌运动开始 区域控盆断裂格架生成 ,提供浅层破裂 ? 断裂成盆环境 ? 参 考 文 献 陈红旗. 西安地裂缝地震动力效应研究 D . 西安 : 长安大学博 1 士学位 ,2002 . Chen Hongqi . The Study of Seismic Dynamic Effect of Xi ’an : Ground Fissure D . Xi ′an Chang′an University ,2002 . ( ) 彭建兵. 区域稳定动力学研究 一———理论分析不方法体系2 () J . 工程地质学报 ,2001 ,8 1:3～11 . Peng Jianbing. theory —method system in the study of the stability J . () Journal of Engineering Geplogy ,2001 ,8 1:3～11 . 3 彭建兵等著. 渭河盆地活动断裂不地质灾害 M . 西安 : 西北大 学出版社 ,1992 ,81～153 ()图 5 剪应力等值线图 垂直裂缝加载 ,间距 60m Peng Jianbing et al . Active fault and geological hazards in Weihe Basin Fig. 5 Shear stress contour M. Xian : Xibei Industry University Press ,1992 ,81 ～153 李永善等()loading vertical to fissure loading ,spacing = 60m 4 著. 西安地裂及渭河盆地活断层研究 M . 北京 : 地震 出版社 ,1992 ,53～61 . Li Yongsan ,et al . Study the Xi‘an ground fissure and active faults in Weihe BasinM. Beijing : Seismological Press ,1992 ,53 ～61 . 王景明等著. 地裂缝及其灾害的理论不应用 M . 西安 : 陕西省 科技出5 版社 ,2000 Wang Jingming ,et al . Study the theory and it ’s application of ground fissure and hazardM. Xi ’an : Shanxi Scientific Press ,2000 . 6 孙建中 ,张景昭 ,彭建兵等. 关中活断层呾地裂缝的年代学研究 () J . 地质力学学报 ,1998 ,4 4:88～97 . Sun Jianzhong ,Zhang Jingshao , Peng Jianbing. Study the chronology of active faults and groundfissures in GuanzhongJ . Geomechanics ,1998 , () 4 4:88～97 . 7 蒋溥 ,梁小华. 关于工程地震实践若干问题 J . 工程地质学报 , () 1998 ,6 1:22～23()图 6 剪应力等值线图 垂直裂缝加载 、间距 80m Jiang Pu ,Liang Xiaohua . Some problems and study results in engineering Fig. 6 Shear stress contour () earthquake practice J . Journal of Engineering Geplogy ,1998 , 6 1:22 ()loading vertical to fissure ,spacing = 80m ～23 . 致 谢 孙建中 、李忠生 、王庆良等同志为本文提供 资料 ,在此深表谢意 !