盆地邊界活動正斷層多尺度構(gòu)造地貌研究
----以京西北蔚廣盆地南緣斷裂帶為例

王 林

(中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029)

京西北盆嶺構(gòu)造區(qū)中發(fā)育有懷涿、蔚廣、延礬、陽原、靈丘、懷安和淶源等一系列斷陷盆地單元，這些斷陷盆地的邊緣大都受到了NE向活動斷裂帶的控制。該區(qū)內(nèi)的蔚廣盆地就是一個受南部邊界正斷層控制的、南深北淺的不對稱的半地塹盆地。而蔚廣盆地南緣斷裂帶即為控制該盆地南邊界的正斷層系，也就是本文的研究對象。

自從蔚廣盆地形成以來，蔚廣盆地南緣斷裂帶已經(jīng)經(jīng)歷了長期的構(gòu)造演化歷程，使得斷裂帶南側(cè)上升盤不斷地抬升，形成山體區(qū)域；而北側(cè)下降盤不斷地沉降和接受沉積，形成盆地區(qū)域。蔚廣盆地南緣斷裂帶是一條活動斷裂帶，自從有歷史記載以來，盆地內(nèi)已經(jīng)發(fā)生過5次地震，主要包括公元前231年6.5級，1581年5.75級，1618年6.5級，1911年5.5級以及1956年4.5級地震。

蔚廣盆地南緣斷裂帶是一個由多條斷層組成的、演變方式比較復(fù)雜的正斷層性質(zhì)的斷裂帶。周廷儒等(1991)對該斷裂帶的新構(gòu)造運動特征進行過一定的研究，認為該斷裂帶先是繼承和利用了燕山運動中、晚期形成的北東向壓型結(jié)構(gòu)面，在此基礎(chǔ)之上才進一步發(fā)展成為張性斷裂體系，存在著一種構(gòu)造反轉(zhuǎn)的過程。徐錫偉等(2002)對該斷裂帶的分段性進行過一定的研究，根據(jù)次級斷層空間展布的幾何結(jié)構(gòu)和長期斷裂作用造成的斷錯地貌差異，蔚廣盆地南緣斷裂帶可以劃分為5個地震破裂段落，自西向東依次為上白羊段、唐山口段、北口段、松枝口段以及上虎盆段。蔚廣盆地南緣斷裂晚更新世以來的活動部位主要集中在松枝口、北口、唐山口等3個段落上，它們是控制蔚廣盆地第四紀持續(xù)活動的主邊界斷裂段，與盆地的沉降中心部位相對應(yīng)。而東、西兩端的上虎盆段向上白羊段晚更新世以來的活動性已經(jīng)十分微弱。程紹平等(1998)對斷裂帶九宮口段的斷層生長現(xiàn)象有過一定的研究，研究表明該處的斷層在晚更新世晚期的沖積扇內(nèi)已經(jīng)向西生長了數(shù)千米。

在“我國地震重點監(jiān)視防御區(qū)活動斷層地震危險性評價”項目的子課題“首都圈地區(qū)蔚縣—廣靈斷裂50 km條帶狀地質(zhì)填圖”的支持下，作者長期參與了蔚廣盆地南緣斷裂帶有關(guān)科研工作。一方面，在地貌面解譯的過程之中，在斷裂帶的附近發(fā)現(xiàn)了大量變形的地貌面，主要包括唐縣期、甸子梁期的兩期地貌面，然而前人對于這些地貌面變形的研究卻不是很多，對這些變形層狀地貌面在整條斷裂帶尺度范圍內(nèi)的空間分布規(guī)律、形變特征規(guī)律缺乏系統(tǒng)的研究和深入的認識。

另一方面，通過對斷裂帶的遙感解譯和多次的野外地質(zhì)考察，在斷裂帶上的許多地方還發(fā)現(xiàn)了各種形式的山前構(gòu)造地貌，尤其是多處典型的斷層線性陡坎或線性形跡。這些典型的山前構(gòu)造地貌在地貌演化、幾何展布以及斷層活動性等方面，各自都反映出了多種不同的特征。然而前人對于這些典型山前構(gòu)造地貌的研究卻相當有限，僅程紹平等(1998)對斷裂帶九宮口段的一處斷層陡坎的生長現(xiàn)象有過一定的研究?？偟膩碚f，對斷裂帶局部斷層尺度范圍之內(nèi)活斷層控制的構(gòu)造地貌，以及有關(guān)活斷層的幾何結(jié)構(gòu)、活動性及其演化方式和特點等方面缺乏充分的研究和認識。

此外，在更小的尺度范圍內(nèi)，在斷層最新活動的控制之下，形成了各種典型微地貌，尤其是山前扇體中的斷層陡坎。然而前人對于這些典型的微地貌在古地震方面的研究也不是很多。在這些地方，關(guān)于古地震事件期次、復(fù)發(fā)周期、斷層活動等方面的許多問題，都是值得進一步深入研究的。

在上述的研究背景之下，基于在實際的野外、室內(nèi)工作中所獲得的大量最新的數(shù)據(jù)和資料，本文通過不同尺度的構(gòu)造地貌，以蔚廣盆地南緣斷裂帶為例，對盆地邊界活動正斷層進行了研究。主要是針對前人在上述一些研究方面的空白或者不足之處進行了開創(chuàng)性或者補充性的研究，并取得了一些新的結(jié)論和認識，主要包括以下幾個方面：①斷裂帶上升盤斷塊的構(gòu)造運動方式，究竟是構(gòu)造抬升還是掀斜旋轉(zhuǎn)；②斷裂帶的運動學(xué)模型及相應(yīng)的演化階段；③斷裂帶的分段性；④斷層的復(fù)發(fā)周期和活動速率等。

所謂的尺度，包括兩個方面的尺度，即時間尺度和空間尺度。時間尺度是指構(gòu)造地貌所經(jīng)歷的構(gòu)造演化時期的長短，空間尺度是指構(gòu)造地貌分布范圍的大小。而空間尺度又進一步分為平面尺度和高程尺度。本文研究中大尺度的構(gòu)造地貌主要是各種變形的夷平面，以唐縣面、甸子梁面為主；小尺度的構(gòu)造地貌主要是山前活動斷層控制形成的各種山前構(gòu)造地貌，以各種典型的斷層線性陡坎或形跡為主；微尺度的構(gòu)造地貌主要是局部典型的活斷層微地貌，以研究區(qū)域內(nèi)宜興鄉(xiāng)附近山前晚更新世扇體中的斷層陡坎為主。

1 夷平面形變研究

變形夷平面研究的主要內(nèi)容是各種夷平面的具體變形特征，目的是通過這些變形特征弄清半地塹構(gòu)造體系中地塊的運動方式，包括具體的運動形式、運動方向、運動時代以及運動幅度(量)等方面。首先從Google Earth提取出變形夷平面的圖層數(shù)據(jù)，再將夷平面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成ArcGIS平臺支持的數(shù)據(jù)格式。提取出的變形夷平面屬于面數(shù)據(jù)，首先對該面數(shù)據(jù)進行空間三維分析，找到面數(shù)據(jù)中發(fā)生變形的部位及具體的變形方式。對于面數(shù)據(jù)中形變顯著的部分，選取適當?shù)奈恢米鞒龈叱唐拭婢€，那么通過剖面線之中的高程變化形態(tài)就能夠直觀地反映出地貌面的變形方式。接下來找到高程變化形態(tài)中由于構(gòu)造運動而造成的變形部分，通過對該部分進行定量分析、參數(shù)提取，便可以進一步提取出地貌面構(gòu)造變形的定量數(shù)據(jù)。

通過對提取出的變形唐縣面以及唐縣寬谷的總體空間展布特征進行分析，發(fā)現(xiàn)山前斷層幾乎都展布于唐縣寬谷分布的范圍之內(nèi)，很少能有山前斷層展布于這個范圍之外，更沒有山前斷層能夠穿過、斷錯唐縣寬谷范圍之外的甸子梁面以及蝕余山體。也就是說山前斷層普遍地穿越并斷錯了唐縣寬谷以及谷內(nèi)的唐縣寬谷面。從唐縣寬谷以及唐縣面展布位置和山前斷層展布位置之間良好的一致性和對應(yīng)關(guān)系來看，唐縣寬谷及唐縣寬谷面的形成受到了斷層活動的控制和影響，也就是說唐縣寬谷及寬谷面與邊界斷層之間存在著成生關(guān)系。在唐縣寬谷及寬谷面的形成過程之中，雖然盆地尚未開始裂陷，但是邊界斷層應(yīng)該已經(jīng)有所活動，只不過活動程度要弱于后來盆地裂陷時期內(nèi)的山前斷層。在邊界斷層微弱活動的控制之下，首先使得水系主要沿著斷裂帶的走向展布；而隨著水系的進一步展寬、側(cè)蝕，才逐漸形成了唐縣寬谷以及唐縣寬谷面，最終使得唐縣寬谷及寬谷面主要沿著邊界斷層的走向展布。

對于被山前斷層斷錯的唐縣寬谷的展布方向，有的與山前斷層的走向近于垂直或者大角度相交，相應(yīng)地這些寬谷內(nèi)的唐縣寬谷面延伸和展布的方向也與山前斷層的走向近于垂直或者大角度相交。在研究區(qū)域內(nèi)的東大云疃、瓦窯子、北口、大探口村、東莊頭村、坡巖村、直峪村、唐山口附近，都存在這樣的唐縣寬谷以及唐縣寬谷面。還有的寬谷面的展布方向與山前斷層的走向近于平行或者小角度相交，相應(yīng)地這些寬谷內(nèi)其中一側(cè)的唐縣寬谷面的展布方向也與山前斷層的走向近于平行或者小角度相交，形成所謂的山麓階梯面；而另一側(cè)的寬谷面則由于被山前斷層斷錯而發(fā)生下降，目前已被第四紀沉積層所掩埋和覆蓋，已經(jīng)無法見到。在研究區(qū)域內(nèi)的東大云疃與瓦窯村之間的段落、東莊頭村與坡巖村之間的段落以及宜興鄉(xiāng)鄭家莊村、大探口村、南馬莊等處附近的段落，都有這樣的唐縣寬谷以及山麓階梯面。通過將各個地方各種類型的變形唐縣面的剖面形態(tài)累加在一起，得到了上升盤地塊在山前斷層附近掀斜運動的方式和規(guī)律。從唐縣面變形剖面的累加結(jié)果來看，寬谷面的掀斜運動主要包括兩種分量，一種是順時針方向的旋轉(zhuǎn)分量，另一種是垂直方向的抬升分量。隨著寬谷面掀斜區(qū)域內(nèi)掀斜程度的逐漸增加，斷層崖頂點被抬升到的高度也在逐漸增加，也就是說旋轉(zhuǎn)分量和抬升分量表現(xiàn)為同步的增加，與此同時山前斷層崖區(qū)域內(nèi)斷層崖坡面的出露長度也在增大，而坡面的傾角則在逐漸減小。通過對掀斜運動的各項參數(shù)進行相關(guān)分析和回歸分析，估算出控制唐縣面發(fā)生變形的局部掀斜旋轉(zhuǎn)軸的長度約為1 300～1 400 m。

此外，唐縣面抬升高度沿斷層走向還存在著橫向的變化，而且抬升高度曲線的幾何形態(tài)與斷層的幾何形態(tài)存在著對應(yīng)一致的關(guān)系。一方面，與平坦形態(tài)的曲線對應(yīng)的斷層段落的幾何形態(tài)也是相對平直的；另一方面，與彎曲形態(tài)曲線對應(yīng)的斷層段落的幾何形態(tài)同樣也是相對彎曲的。對于唐縣面抬升高度曲線的這些形態(tài)變化特征的可能原因也進行了分析?？赡艿脑蛑饕幸韵聝煞N。

第一種原因可能是由于斷層平面跡線的不規(guī)則性。在山前斷層平面跡線不規(guī)則，而地塊掀斜旋轉(zhuǎn)軸線相對平直的情況下，如果整個地塊繞著掀斜旋轉(zhuǎn)軸線發(fā)生整體性的掀斜旋轉(zhuǎn)，那么斷層平面跡線的平直段落所對應(yīng)的變化曲線段落的形態(tài)也是平直的，而彎曲段落所對應(yīng)的變化曲線段落的形態(tài)也是彎曲的。與此同時，越是往山前的方向，唐縣面的抬升高度越大，而越是往山里的方向，唐縣面的抬升高度越小，從而造成唐縣面抬升高度沿著斷層走向的橫向變化。

第二種原因可能是掀斜程度自身的橫向變化和不均一性。對于掀斜程度相對穩(wěn)定的段落，地塊掀斜角相對穩(wěn)定，傾滑量以及唐縣面的抬升高度也都相對穩(wěn)定，相應(yīng)的變化曲線的形態(tài)也相對平直。在這種情形之下，斷層崖的坡面會近似地成為三維空間內(nèi)一個坡面長度和傾角均比較穩(wěn)定的傾斜平面，該傾斜平面與水平的形態(tài)平直的交線的位置即為斷層的位置，因此，此時斷層幾何形態(tài)也是相對平直的。而對于掀斜程度變化或波動程度較大的段落，地塊掀斜角度變化和波動較大，相應(yīng)的傾滑量以及唐縣面的抬升高度也會發(fā)生較大的波動和變化，相應(yīng)的變化曲線的形態(tài)也會出現(xiàn)波狀起伏的彎曲形態(tài)。在這種情形之下，如果斷層的幾何形態(tài)是平直的，那么斷層崖的坡面就會在三維空間內(nèi)形成不規(guī)則的曲面形態(tài)，而這種不規(guī)則曲面在形態(tài)上凸凹不平，在結(jié)構(gòu)上也缺乏穩(wěn)定性，不利于斷層面的發(fā)育；而如果將斷層的幾何形態(tài)稍加彎曲，便可以將斷層崖坡面構(gòu)建成類似于研究區(qū)域內(nèi)多個地方的實際的坡面形態(tài)，而這種坡面的三維空間形態(tài)更加平滑，在力學(xué)結(jié)構(gòu)上也更加趨于穩(wěn)定，因此這種曲面形態(tài)能夠更好地適應(yīng)并滿足斷層面正常發(fā)育的要求。總的來說，對于掀斜程度變化或波動程度較大的段落，斷層幾何形態(tài)的平直性是以犧牲掉斷層崖坡面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及坡面形態(tài)的平滑性為代價的；反過來說，要想在一定程度上維持住斷層崖坡面的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)以及平滑形態(tài)，就要在一定程度上犧牲掉斷層平直的幾何形態(tài)?？梢哉f，這兩個方面是相互制約、相互矛盾的，只能滿足其中的一個方面，不可能兩方面同時滿足。然而斷層面能夠進行正常的發(fā)育往往是具有優(yōu)先權(quán)的，是處于第一位的，因此為了適應(yīng)這樣的要求，會優(yōu)先選擇犧牲掉斷層幾何形態(tài)的平直性，來提高斷層崖坡面的穩(wěn)定性、平滑性，以利于斷層面的正常發(fā)育。因此，對于掀斜程度變化或波動程度較大的段落，其唐縣面抬升高度變化曲線的形態(tài)相對彎曲，同時所對應(yīng)的斷層段落的幾何形態(tài)往往也是相對彎曲的。

此外，通過對提取出的甸子梁面和唐縣面的變形情況進行綜合分析和疊加分析，發(fā)現(xiàn)整個上升盤地塊的掀斜程度隨著遠離山前斷層呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢。

2 山前構(gòu)造地貌的研究

山前構(gòu)造地貌研究的內(nèi)容主要是斷裂帶上多處典型的斷層線性陡坎/形跡的構(gòu)造地貌特征、斷層幾何結(jié)構(gòu)特征以及斷層陡坎的活動性等方面，目的是通過對各處斷層陡坎在這些方面的特征進行對比分析和總結(jié)，弄清最新活動斷層的形跡展布特征與幾何結(jié)構(gòu)演化，以及相應(yīng)的控制或影響因素。

通過野外地質(zhì)地貌調(diào)查、高分辨率遙感影像解譯、3D分析、探槽挖掘以及探地雷達探測(GPR)等技術(shù)手段，在斷裂帶上的多處發(fā)現(xiàn)了各種類型的斷層線性陡坎和形跡。斷層陡坎集中發(fā)育于兩類地方，第一類是斷層錯列區(qū)，第二類是斷層幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則的段落。

通過對各種典型的斷層陡坎地貌的特點進行對比分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)斷層陡坎往往形成和發(fā)育于幾何形態(tài)發(fā)生不規(guī)則的段落或區(qū)域內(nèi)，也就是說斷層幾何結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性是影響或決定斷層陡坎是否發(fā)育的主要因素，同時陡坎的發(fā)育對這種不規(guī)則性具有“截彎取直”式的消除和平滑作用。斷層陡坎的這種發(fā)育特點是具有內(nèi)在的構(gòu)造成因的。就本文所討論的蔚廣盆地南緣斷裂帶來說，斷裂帶由于繼承了燕山期的某些構(gòu)造面、弱化帶，增加了其幾何結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜程度、不規(guī)則性，或者可以統(tǒng)一地說成粗糙度。在晚更新世晚期以來新的拉張應(yīng)力場的作用之下，一方面，這種粗糙度在一定程度上增加了盆地內(nèi)半地塹地塊下滑運動面所受的摩擦阻力，對地塊滑動產(chǎn)生阻礙作用；另一方面，在重力場的作用之下，盆地內(nèi)的半地塹地塊又具有著一種自然而持續(xù)的沿滑動面進行下滑的趨勢。因此，在這樣一種情況下，為了克服斷層幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則性帶來的阻礙作用，斷層陡坎集中地形成和發(fā)育于斷裂帶上的這些不規(guī)則處，逐漸截斷、去除這些棱角、曲折或間斷等一系列的不規(guī)則形態(tài)，使斷層的幾何結(jié)構(gòu)以及斷層滑動面變得更加規(guī)則和平滑，這樣便降低了滑動面的粗糙度，更加有助于半地塹地塊的下滑運動。

此外，斷層陡坎發(fā)育和活動的時間還受到斷層段落最大位移值的影響。隨著斷層段落最大位移值的增大，斷層陡坎活動時間越長；反之，則越短。

3 活斷層微地貌和古地震的研究

活斷層微地貌與古地震研究的主要內(nèi)容包括，活斷層控制之下形成的微地貌的地形特點、影響因素以及演變方式等，以及古地震事件期次、復(fù)發(fā)周期以及斷層活動速率等定量參數(shù)的分析和研究。

通過橫跨陡坎開挖探槽，可以識別古地震的各種變形標志和沉積標志，比如斷錯標志地層、斷錯扇體表面、斷層破碎帶、地震構(gòu)造楔、地震崩積楔、古地震地層沉積序列等方面，一共確定了2次地震事件E1和 E2。E1距今(16.66±1.39)～(10.62±0.87) ka，E2距今(9.20±0.79)～(7.85±0.14) ka，可能更靠近(9.20±0.79) ka。復(fù)發(fā)間隔約為2.7～7.5 ka。此外，單次古地震事件的位錯量約為3.5 m，地震震級估計為7.9級左右。通過進一步研究發(fā)現(xiàn)，斷裂帶的唐山口段和北口段先是隨著斷層截彎取直式的發(fā)育特點逐漸地發(fā)生聯(lián)合，之后在聯(lián)合破裂段的活動和控制之下才發(fā)生了E1和 E2。

最后，對以上3個方面的分析結(jié)果進行歸納和綜合，總結(jié)出了蔚廣盆地南緣斷裂帶山前活動斷層的具體演化過程。