應(yīng)用地球化學(xué)方法確定北京地區(qū)活動斷裂的位置

呂金波，車用太，鄭桂森，劉成龍

（1.北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 102206；2.中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029；3.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

應(yīng)用地球化學(xué)方法確定北京地區(qū)活動斷裂的位置

呂金波1，車用太2，鄭桂森3，劉成龍2

（1.北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 102206；2.中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029；3.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195）

京北地區(qū)有3條活動斷裂，即指黃莊－高麗營斷裂（代號定為HG）、南口－孫河斷裂（代號定為NS）和夏墊斷裂（代號定為XD）。地球化學(xué)探查與觀測，較地球物理探查與觀測，具有技術(shù)簡單、解釋直觀，效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，因此在地震工程與監(jiān)測中得到廣泛的應(yīng)用。本文在收集、歸納、整理已有成果的基礎(chǔ)上，請?jiān)瓬y人員到現(xiàn)場核實(shí)后，補(bǔ)測了測線方位及測線起止點(diǎn)與地球化學(xué)觀測點(diǎn)的坐標(biāo)，使京北地區(qū)活動斷裂有了精確的定位，為將來城市建設(shè)避開活動斷裂的干擾，提供了地質(zhì)技術(shù)支持。

活動斷裂定位；地球化學(xué)探測

0 引言

北京北部有3條活動斷裂，即黃莊—高麗營斷裂（代號定為HG）、南口—孫河斷裂（代號定為NS）和夏墊斷裂（代號定為XD）。對于3條斷裂，前人作過一些地質(zhì)－地球物理探查工作，結(jié)果列于表1[1]。

表1 3條斷裂的基本特征

3條斷裂上的地球化學(xué)探查與觀測工作，始于20世紀(jì)80年代末。地球化學(xué)探查，主要是配合有關(guān)工程的地震安全性評價進(jìn)行的。地球化學(xué)觀測，主要是為首都圈地區(qū)的震情監(jiān)測進(jìn)行的工作。上述工作是由不同單位的不同工作小組在不同時段進(jìn)行的，所用的儀器與方法不盡相同，測項(xiàng)也不同，探查與觀測資料也多分散在不同的單位，發(fā)表在不同的書刊上。

本次工作，從上述實(shí)際情況出發(fā)，主要是收集、歸納、整理了已有的成果。與此同時，為搶救資料，對被匯總資料的測線，均請?jiān)瓬y人員到現(xiàn)場核實(shí)后，補(bǔ)測了測線方位、測線起止點(diǎn)與地球化學(xué)觀測點(diǎn)的坐標(biāo)（圖1）。

圖1 地球化學(xué)探查剖面與測點(diǎn)的現(xiàn)場補(bǔ)測

1 地球化學(xué)探查與觀測方法

地球化學(xué)探查與觀測較地球物理探查與觀測，具有技術(shù)上相對簡單，地質(zhì)解釋很直觀，探測與觀測效果好等優(yōu)點(diǎn)，因此在地震工程與地震監(jiān)測中得到廣泛推廣應(yīng)用。

地球化學(xué)探查主要用于工程場地地震安全性評價工作，目的是初步確定活動性隱伏斷裂的位置，一方面論證前期地質(zhì)調(diào)查的認(rèn)識，另一方面為后期地球物理探查確定范圍。這種探查，一般在地震地質(zhì)野外調(diào)查推測出的斷裂部位上，根據(jù)工作區(qū)的地形地貌、土壤、地下水分布等條件，布設(shè)跨越推測斷裂走向的測線，其長度根據(jù)斷裂帶寬度等具體情況而定，短時100m左右，長時可達(dá)幾千米；測線上的測點(diǎn)間距，以不漏掉異常點(diǎn)為原則，一般初測為20m；有異常時加密復(fù)測。

地球化學(xué)觀測，主要用于地震前兆監(jiān)測，為地震預(yù)測提供依據(jù)。這種觀測，在已確定的活動斷裂帶上選取固定觀測點(diǎn)，首先施工1～3m深的取樣孔，孔內(nèi)放置塑料護(hù)孔管；孔底裸露，以便釋放的氣體聚集于孔內(nèi)；孔口平時用橡皮塞賭死，以防聚集于孔內(nèi)的氣體逸散和孔口外的空氣進(jìn)入孔內(nèi)；每天或隔1～2天取樣一次，然后送實(shí)驗(yàn)室測定有關(guān)氣體的濃度。

地球化學(xué)探查與觀測中，測定的主要?dú)怏w組分有氡(Rn)、汞(Hg)、氫(H2)、氦(He)與二氧化碳(CO2)等5種。每種氣體組分測定使用的儀器與方法如表2所列[2]。

表2 地球化學(xué)探查與觀測儀器與方法一覽表

2 測線與觀測點(diǎn)坐標(biāo)補(bǔ)測

在3條斷裂上補(bǔ)測了11條測線，匯總了4個觀測點(diǎn)10個測項(xiàng)100多個月的觀測資料。

（1） 被匯總的測線

本次工作匯總的隱伏斷裂位置的地球化學(xué)探查資料，共3條斷裂上的11條測線，測線總長度約為11km（表3）。

表3 被匯總的3條斷裂隱伏地段地球化學(xué)探查資料一覽表

（2） 被匯總的觀測點(diǎn)

被匯總的地球化學(xué)固定觀測點(diǎn)的資料，共4個觀測點(diǎn)10個測項(xiàng)100多個月的斷續(xù)觀測資料（表4）。由于地球化學(xué)在地震監(jiān)測預(yù)報中一直處于探索階段，多為科學(xué)研究而觀測，因此觀測數(shù)據(jù)都不連續(xù)。

表4 被匯總的地球化學(xué)觀測點(diǎn)資料一覽表

上述地球化學(xué)探查測線與觀測點(diǎn)的分布，如圖2所示。

圖2 地球化學(xué)探查測線與觀測點(diǎn)分布

（3）測線方位與觀測點(diǎn)坐標(biāo)補(bǔ)測

測線方位用地質(zhì)羅盤測量，每條測線上測定3個點(diǎn)的坐標(biāo)值，即起點(diǎn)、異常點(diǎn)與終點(diǎn)；觀測點(diǎn)上測定坐標(biāo)值。坐標(biāo)值的測定是利用手持式GPS進(jìn)行，讀數(shù)精度為0.1″，絕對誤差在10m左右。

測線的方位見表3，測線上3個點(diǎn)的坐標(biāo)值補(bǔ)測結(jié)果見表5，地球化學(xué)連續(xù)觀測點(diǎn)的坐標(biāo)值補(bǔ)測結(jié)果見表6。

表5 地球化學(xué)測線上3點(diǎn)坐標(biāo)值測定結(jié)果

表6 地球化學(xué)連續(xù)觀測點(diǎn)坐標(biāo)測定結(jié)果

3 黃莊—高麗營（HG）斷裂帶上的測線坐標(biāo)補(bǔ)測

黃莊—高麗營斷裂（HG）共補(bǔ)測了洼邊村（HG-1）、太平莊村(HG-2)和北七家（HG-3）等3條測線。探查結(jié)果如圖2所示[3]。

(1) 洼邊村（HG-1）測線

洼邊村測線位于朝陽區(qū)洼里鄉(xiāng)洼邊村西南。測線長1700m，走向SE→NW。測項(xiàng)為土壤氣汞（Hg）。

探查結(jié)果，如圖3(a)所示。全測線氣汞平均值為250ng/m3。異常的標(biāo)準(zhǔn)是超過平均值加4倍均方差，即測值達(dá)到或超過該值時為異常測段（下同）。超過異常下限值的異常段有3段，其中第1段為200～300m（測線SE 端起點(diǎn)為0m）、第2段為800～850m，第3段為1000～1100m地段；最高異常測值為700ng/m3，為平均值2.8倍，最小異常測值為330ng/m3，為平均值的1.3倍，異常較為顯著。分析結(jié)果認(rèn)為，測線上存在2條隱伏斷裂，第1異常段為一條，第2、3異常段合為另一條，后者推測為黃莊—高麗營斷裂的主干斷裂。

(2) 太平莊村（HG-2）測線

太平莊村測線位于昌平區(qū)東小口鄉(xiāng)太平莊村南，跨越立水橋→小湯山公路。測線長1100m，走向E→W。測項(xiàng)為土壤氣汞（Hg）。

探查結(jié)果，如圖3(b)所示。全測線氣汞平均值為190ng/m3。達(dá)到異常標(biāo)準(zhǔn)的異常段有2段：第1段為280～320m（測線E端起點(diǎn)為0m）,第2段為540～610m；最小異常值為300ng/m3，最高異常峰值為700ng/m3，分別為平均值的1.6～3.7倍，異常較為顯著。分析結(jié)果認(rèn)為，測線上存在2條隱伏斷裂，最高異常峰值所在處為黃莊—高麗營斷裂主干斷裂所在處。

(3) 北七家（HG-3）測線

北七家測線位于昌平縣北七家鄉(xiāng)北七家村西。測線長590m，走向SE→NW。測項(xiàng)為土壤氣氡（Rn）。

探查結(jié)果，如圖3（c）所示。全測線氣氡平均值為3.9脈沖/分。達(dá)到異常標(biāo)準(zhǔn)的異常段有3段：第1段為70～120m（測線SE端起點(diǎn)為0m）,第2段為230～250m，第3段為310～470m地段；第1段與第3段異常明顯，異常峰值分別為9脈沖/分與19脈沖/分，為平均值的2.3～4.9倍。初步分析認(rèn)為，該測線上也有2條隱伏斷裂，第3個高值異常段為黃莊—高麗營斷裂的主干斷裂所在處。

圖3 黃莊—高麗營斷裂帶上的3條測線探查結(jié)果

4 南口—孫河（NS）斷裂帶上的測線坐標(biāo)補(bǔ)測

南口—孫河斷裂(NS)共補(bǔ)測了富豪村（NS-1）、東三旗（NS-2）、白浮（NS-3）、百泉莊（NS-4）和雪山村（NS-5）等5條測線。探查結(jié)果如圖3所示[4]。

(1) 富豪村（NS-1）測線

富豪村測線位于通州區(qū)富豪村東南，測線走向與公路大體平行。測線總長度為1500m ，走向SW→NE。測項(xiàng)為土壤氣汞（Hg）。

探查結(jié)果，如圖4（a）所示。全測線氣汞平均值為46ng/ m3。超過平均值的異常段有2段，第1段為0～350m（測線SW端起點(diǎn)為0m）；第2段為650～975m，異常峰值分別為76ng/L與82ng/L，達(dá)不到異常標(biāo)準(zhǔn)，故視為正常起伏，不作為隱伏斷裂的標(biāo)志。因此，認(rèn)為南口—孫河斷裂帶不通過此測線，推測該斷裂在此處已尖滅。

(2) 東三旗（NS-2）測線

東三旗測線位于昌平區(qū)東三旗村西。測線總長度為2500m ，走向S→N。測項(xiàng)為土壤氣汞（Hg）。

探查結(jié)果，如圖4（b）所示。全測線氣汞平均值為80ng/m3。測線上達(dá)到異常標(biāo)準(zhǔn)的測段有2處，第1段為280～380m（測線S端起點(diǎn)為0m），第2段是30～600m；異常峰值分別為160ng/m3與220ng/m3，為平均值的2.0～2.8倍，異常顯著。分析結(jié)果認(rèn)為，2個異常峰值之間存在長約100m的低值段，可能是地層較為完整，沒有地殼放氣的通道，因此認(rèn)為測線上可能存在2條隱伏斷裂，后1個異常段作為南口—孫河斷裂的主干斷裂所在處。

(3) 白?。∟S-3）測線

白浮測線位于昌平區(qū)白浮村西，測線與公路平行。測線總長度為2500m ，走向NWW→SEE。測項(xiàng)為土壤氣汞（Hg）。

探查結(jié)果，如圖3（c）所示。全測線氣汞平均值為60ng/m3。測線上達(dá)到異常標(biāo)準(zhǔn)的異常段有1處：750～850m（測線W端起點(diǎn)為0m）段，異常峰值為160ng/ m3，為平均值的2.7倍，異常顯著。分析結(jié)果認(rèn)為，該異常段作為南口－孫河斷裂的主干斷裂所在處。

(4) 百泉莊（NS-4）測線

百泉莊測線位于昌平區(qū)馬池口鄉(xiāng)百泉莊西。測線總長度為250m ，走向NE→SW。測項(xiàng)為土壤氣汞（Hg）。

探查結(jié)果，如圖4（d）所示。全測線氣汞平均值為115ng/m3。測線上達(dá)到異常標(biāo)準(zhǔn)的異常段有一處：35～55m地段異常峰值為480ng/m3，為平均值的4.2倍，異常十分顯著。分析結(jié)果認(rèn)為，該異常段作為南口—孫河斷裂所在處。

在該異常段上，實(shí)施了槽探，開挖出南口—孫河斷裂的剖面（圖5），證實(shí)了地球化學(xué)探測結(jié)果的可靠性。

(5) 雪山村（NS-5）測線

雪山村測線位于昌平區(qū)南口鎮(zhèn)雪山村東，測線與公路平行。測線總長度為800m。測項(xiàng)為土壤氣汞（Hg）。

探查結(jié)果，如圖4（e）所示。全測線氣汞平均值為140ng/m3。測線上達(dá)到異常標(biāo)準(zhǔn)的異常段有二：第1段為150～250m（測線S端起點(diǎn)為0m）段，第2段是550～610m段，異常峰值分別為310ng/m3與360ng/m3，為平均值的2.2～2.6倍，異常顯著。分析結(jié)果認(rèn)為，測線上有2條隱伏斷裂，后1個異常段作為南口—孫河斷裂的主干斷裂所在處。

圖4 南口—孫河斷裂帶上5條測線探查結(jié)果

5 夏墊（XD）斷裂帶上的測線坐標(biāo)補(bǔ)測

夏墊斷裂(XD)共補(bǔ)測了潘各莊磚廠東（XD-1）、潘各莊磚廠西（XD-2）、二里半村東（XD-3）等3條測線，探查結(jié)果如圖6（a）所示[5]。

（1） 潘各莊磚廠東（XD-1）測線

潘各莊磚廠東測線位于河北省三河縣夏墊鎮(zhèn)潘各莊村與村西磚廠間的取土坑以東。測線長230m，走向NW→SE。測項(xiàng)為土壤氣氡（Rn）。

探查結(jié)果，如圖6（a）所示。全測線氣氡平均值為19脈沖/分。測線上超過平均值的異常段主要出現(xiàn)在80～160m段（測線NW端起點(diǎn)為0m），存在3個異常峰值，分別是34，59，49脈沖/分，為平均值的1.8～3.1倍，異常較為明顯。分析結(jié)果認(rèn)為，該異常段作為夏墊斷裂所在處，且斷裂在該處可能分為多支。

該測線的不足是測線長度較短，但在該測線以西約50m處磚廠取土坑內(nèi)已揭露出夏墊斷裂剖面，其位置與上述分析結(jié)果完全吻合。

（2） 潘各莊磚廠西（XD-2）測線

潘各莊磚廠西測線位于河北省三河縣夏墊鎮(zhèn)潘各莊磚廠以西。測線總長度為385m ，走向NW→SE。測項(xiàng)為土壤氣氡（Rn）。

探查結(jié)果，如圖6（b）所示。全測線氣氡平均值為41脈沖/分。測線上達(dá)到異常標(biāo)準(zhǔn)的異常段出現(xiàn)在90～180m處（測線NW端起點(diǎn)為0m），有2個異常峰值，分別為151脈沖/分與93脈沖/分，為平均值的3.7～2.3倍，異常顯著。分析結(jié)果認(rèn)為，該異常段為夏墊斷裂所在處，且斷裂在此處分為2支。

（3） 二里半村東（XD-3）測線

二里半村東測線位于河北省三河縣夏墊鎮(zhèn)二里半村東，起點(diǎn)在北塢村東頭。測線總長度為1050m ，走向NW→SE。測項(xiàng)為土壤氣氡（Rn）。

圖5 南口—孫河斷裂百泉異常點(diǎn)探槽素描圖（據(jù)向宏發(fā)）

探查結(jié)果，如圖6（c）所示。全測線氣氡平均值為22脈沖/分。測線上達(dá)到異常標(biāo)準(zhǔn)的異常段有2處：第1段為100～250m地段（測線NW端起點(diǎn)為0m），第2段為380～520m地段；異常峰值分別為88脈沖/分與65脈沖/分，為平均值的4.0~2.9倍，異常十分顯著。分析結(jié)果認(rèn)為，此2個異常段為夏墊斷裂所在處，且斷裂明顯分為2支。

圖6 夏墊斷裂帶3條測線探查結(jié)果

6 結(jié)論

隱伏斷裂帶上普遍表現(xiàn)出斷層氣異常。北京地區(qū)黃莊—高麗營（HG）、南口—孫河（NS）與夏墊（XD）等3條活動斷裂，在地球化學(xué)探查中都表現(xiàn)出土壤氣Rn與Hg的異常，因此Rn與Hg異常出現(xiàn)處即可視為隱伏斷裂所在處。然而，土壤氣異常段與隱伏斷裂的關(guān)系仍較復(fù)雜。這種復(fù)雜性，一方面來自斷裂的分叉性，即一條斷裂可能由多個破裂面構(gòu)成；另一方面可能還來自環(huán)境干擾，如一些人工填土中Hg的測值高，因此實(shí)際工作中必須排除可能存在的干擾異常。

致謝 感謝王基華、魚金子、高清武、張培仁和孫天林等中國地震局專家給予的幫助。

[1]高文學(xué)，馬 瑾.首都圈地震地質(zhì)環(huán)境與地震災(zāi)害[M].北京：地震出版社，30～52. 1993.

[2]車用太，魚金子等.地震地下流體學(xué)[M].北京：氣象出版社. 2006.

[3]王基華，高清武，林元武等.首都圈地區(qū)斷層氣動態(tài)特征及未來地震活動性分析.見：國家地震局地質(zhì)研究所.1997年度地震危險性預(yù)測研究[C].北京：地震出版社：81～85. 1996.

[4]王基華，王 亮，孫鳳民等.隱伏斷層性狀的汞地球化學(xué)標(biāo)志研究[J].中國地震，10（2）：114～122. 1994.

[5]高清武.首都圈斷層氣地震前兆監(jiān)測與試驗(yàn)研究.見：國家地震局科技監(jiān)測司編.首都圈地震短臨預(yù)報新方法觀測與研究[C].北京：地震出版社：93～104. 1994.

Confirming Location of Active Faults in Beijing Area with Geochemistry Method

LüJinbo1CHE Yongtai2ZHENG Guisen3LIU Chenglong2
(1.Beijing Geological Survey, Beijing 102206; 2.Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029; 3.Beijing Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development, Beijing 100195)

There are 3 active faults in North Beijing, which are named Huangzhuang-Gaoliying fault (ab. HG), Nankou-Sunhe fault (NS) and Xiadian fault (XD). Comparing to geophysics, the geochemical exploration and observation has the characteristics of easy operation, intuitional interpretation and obvious showing result. So it is widely used in earthquake engineering and monitoring. Based on data collection and local verify of original investigators, we surveyed coordinates of geodesic azimuth, point of begin-end and observation station of geochemistry, to confirm location of active faults. It provided geological technical support for city constructions to keep away from disturbs of active faults.

Confirm locality of active faults; Geochemical exploration; North Beijing area

P632

A