太行山山前斷裂帶中北段晚第四紀(jì)活動(dòng)性研究1

高戰(zhàn)武 吳 昊 李光濤 程 理

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太行山山前斷裂帶中北段晚第四紀(jì)活動(dòng)性研究

高戰(zhàn)武 吳 昊 李光濤 程 理

（中國地震災(zāi)害防御中心，北京 100029）

本文通過淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面探測，對太行山山前斷裂中北段內(nèi)相關(guān)斷裂的空間位置和晚第四紀(jì)活動(dòng)性進(jìn)行了探測和研究。綜合認(rèn)為，保定-石家莊斷裂和徐水?dāng)嗔训淖钚禄顒?dòng)時(shí)代為晚更新世早期，而徐水南斷裂晚更新世以來沒有活動(dòng)。上述斷裂的最大潛在地震震級為6.5級。

太行山山前斷裂帶 晚第四紀(jì)活動(dòng)性 淺層地震勘探 鉆孔聯(lián)合剖面

引言

斷裂活動(dòng)性及其地震危險(xiǎn)性和地表位錯(cuò)的可能性評估，是地震地質(zhì)研究領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，對制定防震減災(zāi)對策具有重要意義（鄧起東，2002）。

保定市地處北京、天津、石家莊三角地帶，素有“京畿重地”、“首都南大門”之稱。保定高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)位于保定市西北部，西靠太行山脈，東面是廣闊的華北平原，地勢平坦。但在地質(zhì)歷史時(shí)期，這里曾是太行山隆起區(qū)與華北平原斷陷區(qū)的交接地帶，發(fā)育一條規(guī)模巨大的斷裂帶，地質(zhì)學(xué)上稱之為“太行山山前斷裂帶”。只是到了第四紀(jì)，由于地球動(dòng)力環(huán)境的變化，這條斷裂帶活動(dòng)性逐漸減弱，由太行山區(qū)風(fēng)化侵蝕而來的沉積物覆蓋在斷裂帶上，形成今天由太行山東麓向華北平原過渡的傾斜平原。

應(yīng)保定高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)規(guī)劃局要求，筆者對穿過該開發(fā)區(qū)內(nèi)的太行山山前斷裂帶中北段內(nèi)相關(guān)斷裂（保定-石家莊斷裂、徐水?dāng)嗔押托焖蠑嗔眩┑目臻g位置及活動(dòng)性進(jìn)行了探測研究，并根據(jù)區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境及歷史地震活動(dòng)性對其地震危險(xiǎn)性進(jìn)行了初步評估。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

太行山山前斷裂帶是我國華北地區(qū)一條著名的斷裂帶，構(gòu)成了華北平原裂陷盆地區(qū)與太行山斷塊隆起區(qū)的構(gòu)造分界線，由10多條長數(shù)10km至上100km的北東-北北東向的斷裂組成（圖1）。大致以淶水、隆堯和安陽為界，分為北段（懷柔-淶水段）、中北段（淶水-隆堯段）、中南段（隆堯-安陽段）、南段（安陽-新鄉(xiāng)段）等4段。其中，中北段由徐水?dāng)嗔选⒈６?石家莊斷裂和晉縣斷裂及其控制的保定凹陷、石家莊凹陷、徐水凹陷和晉縣凹陷組成（徐杰等，2000）。

徐水?dāng)嗔言跐M城附近與保定-石家莊斷裂左階斜列，二者之間被徐水南斷裂隔開，而徐水?dāng)嗔延峙c北邊的大興斷裂相連（圖1），它們總體走向北東40°—45°，傾向南東，據(jù)石油地質(zhì)資料（徐杰等，2000），斷面呈上陡下緩，為典型的鏟狀形態(tài)。保定-石家莊斷裂于晚侏羅世―早白堊世開始控制了石家莊-保定斷陷盆地的發(fā)育，斷陷南部上侏羅統(tǒng)―白堊系厚4000余米。到早第三紀(jì)的古新世和始新世，它與徐水?dāng)嗔押痛笈d斷裂一起強(qiáng)烈拉張活動(dòng)，構(gòu)成冀中坳陷的西界，沿?cái)嗔寻l(fā)育了石家莊、保定、徐水、廊（坊）固（安）等凹陷，組成冀中坳陷的西部凹陷帶。其沉積中心在保定凹陷及廊（坊）固（安）凹陷，地層厚達(dá)4000—5000m。至漸新世，保定-石家莊斷裂和徐水?dāng)嗔鸦顒?dòng)減弱。保定-石家莊斷裂早第三紀(jì)的垂直落差為4000—6000m，水平拉張斷距（伸展量）也達(dá)17—19km（徐杰，1986)；晚第三紀(jì)以來，它們的水平拉張斷距和垂直斷距甚小。

晉縣斷裂斜接于保定-石家莊斷裂的南端，走向北東40°，傾向北西，傾角30°—40°。晚侏羅世―早白堊世時(shí)，它與保定-石家莊斷裂南段一起控制了地塹式斷陷盆地的發(fā)育，堆積厚3000—4000m的上侏羅統(tǒng)和白堊系。早第三紀(jì)，斷裂控制了晉縣凹陷，堆積的下第三系厚3000m左右。

關(guān)于太行山山前斷裂帶內(nèi)各斷裂的活動(dòng)性問題，根據(jù)現(xiàn)有資料，其北段活動(dòng)性最強(qiáng)。徐杰等（1992）根據(jù)對地質(zhì)資料的分析，認(rèn)為八寶山斷裂活動(dòng)主要在早更新世，此后活動(dòng)甚弱；黃莊-高麗營斷裂中更新世仍顯著活動(dòng)，其北段活動(dòng)持續(xù)到晚更新世甚至全新世。陳國星等（1994）根據(jù)地質(zhì)剖面分析，認(rèn)為黃莊-高麗營斷裂中段蘆井一帶為晚更新世活動(dòng)。徐錫偉等（2002）通過鉆孔巖芯對比，發(fā)現(xiàn)黃莊-高麗營斷裂北段為全新世活動(dòng)斷裂，距今28ka期間，至少曾發(fā)生過6次錯(cuò)動(dòng)事件，平均間隔約4600a，推測最新一次錯(cuò)動(dòng)發(fā)生在距今（3510±100）a左右。胡平等（2000）認(rèn)為，順義一帶的地裂縫分布與順義-良鄉(xiāng)斷裂的活動(dòng)性有關(guān)，繼而認(rèn)為順義-良鄉(xiāng)斷裂順義段為全新世活動(dòng)。

關(guān)于中北段，劉伯禮等（1991）通過淺層地震勘探，推測保定-石家莊斷裂石家莊段第四紀(jì)無明顯活動(dòng)。最近，石家莊市活斷層探測項(xiàng)目也初步證實(shí)了上述結(jié)論。

關(guān)于中南段，侯治華等（2008）通過淺層地震探測與跨斷層的階地變形分析，認(rèn)為邯鄲斷裂晚更新世以來仍有活動(dòng)。南段活動(dòng)性較北段弱，但較中北段和中南段強(qiáng)，推測為晚更新世活動(dòng)斷裂，但尚未有確切的活動(dòng)性證據(jù)。

2 研究方法

由于太行山山前斷裂帶中的相關(guān)斷裂均為隱伏斷裂，因此本次工作以淺層地震勘探與鉆探，來查明斷裂的位置及其斷錯(cuò)的最新地層。第四系地層測年采用熱釋光測年方法。斷層定位采用手持GPS，定位精度為5m。地震危險(xiǎn)性評價(jià)主要根據(jù)斷裂活動(dòng)性、歷史地震活動(dòng)性及區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境進(jìn)行綜合評估。

2.1 淺層地震勘探

地震勘探方法是探測地下地質(zhì)構(gòu)造的有效手段，對隱伏斷層的探測目前主要采用地震反射波法。該方法利用多次覆蓋技術(shù)壓制干擾，提高地震資料的信噪比，利用地震疊加時(shí)間剖面上豐富的反射波信息判斷構(gòu)造形態(tài)和斷層的位置、上斷點(diǎn)的埋深、斷面的傾向和傾角、斷層的性質(zhì)等。因此，本次斷層控制性淺層地震勘探工作中，采用多次覆蓋反射波勘探方法。

地震勘探工作采用北京水電物探研究所生產(chǎn)的SWS-5型數(shù)字地震儀。震源采用2000kg吊錘震源。檢波器采用固有中心頻率為48Hz的高靈敏度檢波器，并采用三只串的組合形式。

在正式進(jìn)行地震勘探工作前做了噪聲測試，目的是了解勘探區(qū)內(nèi)的有效波和干擾波特征，選擇最佳工作參數(shù)及觀測方式。通過噪聲試驗(yàn)記錄的分析對比，確定本次地震工作根據(jù)勘探深度不同采用兩套觀測系統(tǒng)。其中，G1、G2、G3、G4、G5、G6線采用反射波多次覆蓋技術(shù)，6次覆蓋，24道檢波器接收，道間距5m，炮間距10m，偏移距160m；G7、G8、G9測線采用反射波多次覆蓋技術(shù)，6次覆蓋，24道檢波器接收，道間距3m，炮間距6m，偏移距84m（圖2）。

使用北京水電物探公司CSP3.3軟件對地震資料進(jìn)行處理，得到各測線的地震時(shí)間疊加剖面。

這里選擇其中幾條典型剖面進(jìn)行說明。

G1測線北起徐水縣界（39°00′35″N，115°25′49″E），南至西家莊村南（38°58′54″N，115°25′48″E），近南北走向，測線長2.9km。地震時(shí)間疊加剖面上存在3組連續(xù)性較好，能量較強(qiáng)的反射波同相軸（圖3）。根據(jù)與本次工作其他測線反射界面的對比，自上而下編號為T、T、T，其雙程反射時(shí)間分別為210ms、330ms、410ms。G1測線存在一個(gè)斷點(diǎn)F，南傾。斷點(diǎn)距測線起點(diǎn)750m，上斷點(diǎn)埋深約100m，由于T界面以上，再無明顯的反射界面，因此，T界面以上地層斷錯(cuò)情況不明。

G3測線北起西賢臺村南（38°58′19″N，115°26′10″E），南至東賢臺村北（38°57′26″N，115°26′13″E），近南北走向，測線長1.5km。地震時(shí)間疊加剖面上存在5組連續(xù)性較好、能量較強(qiáng)的反射波同相軸（圖4），根據(jù)與本次工作其他測線反射界面的對比，自上而下編號為T、T、T、T、T，其雙程反射時(shí)間分別為160ms、250ms、330ms、430ms、490ms。G3測線存在一個(gè)斷點(diǎn)F，南傾。主要表現(xiàn)為T、T、T反射波同相軸同步位錯(cuò)，斷距60m，其上T、T反射波同相軸連續(xù)。斷層在距測線起點(diǎn)830m，上斷點(diǎn)埋深約189m。

G7測線沿小徐城村北公路布置，近東西走向（38°59′28″N，115°24′38″E至38°59′28″N，115°25′5″E），測線長615m。地震時(shí)間疊加剖面上存在6組連續(xù)性較好，能量較強(qiáng)的反射波同相軸（圖5）。根據(jù)與本次工作其他測線反射界面的對比，自上而下編號為T、T、T、T、T、T，其雙程反射時(shí)間分別為120ms、150ms、200ms、220ms、260ms、290ms。G7測線存在一個(gè)斷點(diǎn)F，斷面東傾。斷層在距測線起點(diǎn)477m，上斷點(diǎn)埋深約102m。

G9測線位于北外環(huán)北，近東西走向（38°56′47″N，115°25′39″E至38°56′47″N，115°26′4″E），測線長612m。地震時(shí)間疊加剖面上存在4組連續(xù)性較好、能量較強(qiáng)的反射波同相軸（圖6）。根據(jù)與本次工作其他測線反射界面的對比，自上而下編號為T、T、T、T，其雙程反射時(shí)間分別為160ms、200ms、230ms、266ms。G9測線存在一個(gè)斷點(diǎn)F，東傾。斷層同步位錯(cuò)T、T、T反射波同相軸，但沒有斷錯(cuò)T反射波同相軸，斷距15m。斷層在距測線起點(diǎn)222m，上斷點(diǎn)埋深約111m。

2.2 鉆探

為驗(yàn)證淺層地震勘探結(jié)果，在G7測線發(fā)現(xiàn)的F斷點(diǎn)的位置，布設(shè)1組4個(gè)深100m，孔距30—150m的鉆孔，進(jìn)行鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測。各鉆孔位置見表1。

表1 鉆孔位置及深度

圖7是鉆孔聯(lián)合柱狀圖。4個(gè)鉆孔中所揭露的地層可分為15—19層，這些分層可概括為以下八組。

第一組為表層耕植土及雜填土，厚0.5—2.0m。

第二組為一套淺黃色的粉、細(xì)砂或粉土層，其中，1、2、4號孔以粉、細(xì)砂為主，3號孔以粉土為主。該組地層總厚5.0—7.3m。

第三組為一層灰黑色淤泥質(zhì)粘土，僅1、2、3號孔有揭露，厚1.0—3.0m。

第四組為一套淺黃色粉質(zhì)粘土與粉土互層，局部夾粉砂層，其中，3號孔夾二層厚分別為1.2m和1.7m的粉砂層，4號孔夾一層厚1.0m的粉砂。該組地層總厚28.0—31.0m。

第五組為一層質(zhì)地較硬的灰白色鈣板層，其中，2、3、4號鉆孔由一層鈣板層組成，厚0.5—1.0m，1號鉆孔由二層鈣板層夾一層粉土組成，厚4.5m。

第六組為一套棕黃色、淺棕紅色的粉土與粉質(zhì)粘土互層，含較多鈣質(zhì)結(jié)核，其中，1、4號鉆孔夾有較多細(xì)砂層，厚17.5—41.5m。

第七組為一層較薄的質(zhì)地堅(jiān)硬的灰白色鈣板層，厚0.4—1.3m。

第八組以淺紅褐色、棕黃色粉質(zhì)粘土為主，普遍含鐵、錳質(zhì)結(jié)核，其中，2號鉆孔夾較多粉砂層，厚15.0—41.0m。

其中在1號鉆孔深81.6—87.5m處，見多條斷層（圖8）。這些斷層面平行發(fā)育，斷層面光滑，斜向擦痕明顯，沿?cái)鄬用姘l(fā)育高嶺土薄膜樣的斷層泥，鐵錳結(jié)核被明顯錯(cuò)斷。在2號鉆孔深49.3m處，于紅褐色粉質(zhì)粘土夾粉土地層中見一條斷層滑動(dòng)面，但斷層面上滑動(dòng)現(xiàn)象較弱，無明顯位移斷錯(cuò)現(xiàn)象。在4號鉆孔深83.9—97.3m處，亦見多條磨擦面，斷面上見明顯的斜向擦痕及較薄的斷層泥（圖8）。

根據(jù)鉆孔揭露的斷層位置，及各套地層的對比，認(rèn)為鉆孔1于81.6—87.5m處揭露的斷層為主斷層，它錯(cuò)斷了第六、七、八組地層，向上延伸至2號鉆孔49.3m處已表現(xiàn)很弱，第五套地層沒有錯(cuò)斷。4號鉆孔所揭露的斷層為次級斷層。

（a）（b） （c） （d）（e）

3 斷裂活動(dòng)性分析

3.1 地震反射界面地質(zhì)時(shí)代確定

地震勘探獲得的反射時(shí)間剖面上存在7組震相比較清楚、基本可以追蹤的反射波（圖3—圖6）。

中國地層指南及中國地層指南說明書（全國地層委員會，2001）對我國第四紀(jì)地層系統(tǒng)年代格架做了如下規(guī)定。N/Q界線取古地磁松山-高斯極性時(shí)界線，簡稱古地磁M/G界線，年代為2.58Ma或約2.60Ma；早/中更新世界線取古地磁布容-松山極性時(shí)界線，簡稱古地磁B/M界線，年代為0.78Ma；晚更新世的開始取相當(dāng)深海氧同位素5階段開始的古地磁布萊克（Blake）亞帶底界，年代約0.128Ma；全新世底界取大體相當(dāng)深海氧同位素1階段開始的0.01Ma。

由于保定地區(qū)沒有進(jìn)行過古地磁研究的鉆孔資料，因此，根據(jù)王強(qiáng)等（2003）對華北平原第四系的研究結(jié)果，對保定地區(qū)第四系厚度及第四系內(nèi)部地層界線做出推測，以確定地震反射時(shí)間剖面中各反射界面的地質(zhì)時(shí)代。

王強(qiáng)等（2003）對華北平原第四系下限的研究結(jié)果認(rèn)為，華北平原第四系底界（M/G界線）258—493m，平均350m。早/中更新世界線（B/M界線）深90—200m，平均145m，早更新世厚度占整個(gè)第四系60%。

保定地區(qū)位于華北平原西部，太行山東麓，其第四系厚度應(yīng)小于華北平原的平均值。通過對地震反射時(shí)間剖面中的7組反射界面（表2）的對比分析，T界面能量較強(qiáng)，各測線中雙程反射走時(shí)290—370ms，深230—250m，確定為第四系底界。T界面雙程反射走時(shí)150—160ms，深90m，確定為早/中更新世界線。各測線地質(zhì)解釋剖面見圖3—圖6。

表2 淺層地震勘探剖面中各反射界面地質(zhì)年代

3.2 斷裂活動(dòng)性分析

根據(jù)地震勘探獲得的反射時(shí)間剖面的反射波組特征，通過波組的對比和追蹤，確定了斷點(diǎn)位置及其基本屬性。并根據(jù)各斷點(diǎn)兩側(cè)反射波組特征的差異對斷點(diǎn)進(jìn)行了可靠性評價(jià)，評價(jià)分為可靠、較可靠、一般三級。本次評價(jià)斷點(diǎn)7個(gè)，其中可靠4個(gè)，較可靠2個(gè)，一般1個(gè)（表3）。

表3 淺層地震勘探斷點(diǎn)屬性

通過對斷點(diǎn)特征（包括傾向、傾角、斷距）的分析及其平面位置的分布、活動(dòng)性等特征的仔細(xì)分析，基本確定了徐水、保定、徐水南三條斷裂的位置（圖2）。下面對上述三條斷裂的活動(dòng)性進(jìn)行分析。

徐水南斷裂：G3測線與G8測線是為控制徐水南斷裂而布設(shè)的測線。其中G3測線發(fā)現(xiàn)斷裂，斷錯(cuò)埋深250m左右的第四系底界面。G8測線有效探測深度130m，沒有發(fā)現(xiàn)斷裂。上述資料說明徐水南斷裂為早中更新世斷層。

徐水?dāng)嗔眩篏1、G6、G7是為控制徐水?dāng)嗔讯贾玫臏y線。上述3條測線均發(fā)現(xiàn)斷裂，上斷點(diǎn)最淺100—102m。鉆孔聯(lián)合剖面中在1號孔中揭露斷層規(guī)模最大，地層對比表明，埋深65—80m的鈣板層（測年結(jié)果為距今157.83±17.36ka—177.98±19.58ka）被斷錯(cuò)15m，斷層向上至49.3m處，已表現(xiàn)較弱。鉆孔剖面中深41—43m的鈣板層（測年結(jié)果為距今92.61±7.87ka—115.26±9.80ka）在4個(gè)鉆孔中標(biāo)高基本一致，說明斷層在此鈣板沉積以后，沒有活動(dòng)。由此認(rèn)為，徐水?dāng)嗔言谕砀率涝缙谌杂谢顒?dòng)。

保定斷裂：G4、G5、G9是為控制保定斷裂而布置的測線。上述3條測線均發(fā)現(xiàn)斷裂，上斷點(diǎn)最淺111m。上述各測線中保定斷裂斷錯(cuò)層位與徐水?dāng)嗔严嗨?，因此，其最新活?dòng)時(shí)代應(yīng)與徐水?dāng)嗔严嘟?，為晚更新世早期?/p>

4 討論

斷裂活動(dòng)性鑒定是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，對于隱伏斷裂，由于目前廣泛采用的淺層地震勘探、鉆探等方法精度均較低，其結(jié)果往往具有較大的不確定性。本文關(guān)于太行山山前斷裂中北段內(nèi)的徐水?dāng)嗔?、保定斷裂和徐水南斷裂的活?dòng)性評價(jià)結(jié)果肯定也具有較大的誤差，希望隨著探測方法與手段的不斷改進(jìn)，本文的結(jié)果能得到修正或驗(yàn)正。

本文所論述的太行山山前斷裂中北段位于華北平原西北側(cè)。前人根據(jù)歷史地震活動(dòng)及地質(zhì)構(gòu)造分析，認(rèn)為華北平原地區(qū)存在2條北東向和1條北西向的地震構(gòu)造帶（徐杰等，1996；高戰(zhàn)武等，2004），6級以上地震活動(dòng)明顯受上述地震帶控制。太行山山前斷裂中北段正好夾于2條地震帶之間。同時(shí)考慮到我國東部地區(qū)歷史上發(fā)生6.5級以上地震的斷裂一般均具有明顯的晚更新世活動(dòng)現(xiàn)象，而太行山山前斷裂中北段內(nèi)各條斷裂的最新活動(dòng)時(shí)代僅延續(xù)到晚更新世早期，且活動(dòng)較弱。因此，筆者認(rèn)為，對太行山山前斷裂中北段內(nèi)的保定斷裂和徐水?dāng)嗔训淖畲鬂撛诘卣鹉芰σ硕?.5級；徐水南斷裂的最大潛在地震能力宜定為6.0級。

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Late Quaternary Activity of the Central-North Segment of Taihang Mountain Piedmont Fault Zone

Gao Zhanwu, Wu Hao, Li Gangtao and Chen Li

(China Earthquake Disaster Prevention Center, Beijing 100029, China)

The location and late Quaternary activity of the Central-North Segment of the Piedmont fault zone in Taihang Mountain have been studied by shallow seismic survey and combined drill exploration. Our results show that the Baoding-Shijiazhuang fault and the Xushui fault was active in late Pleistocene, but the fault in south of Xushui was inactivity since late Pleistocene. The maximum magnitude of potential earthquake of the faults is 6.

Piedmont fault zone of Taihang Mountain; Activity in late Quaternary; Shallow seismic survey; Combined drill section

1基金項(xiàng)目 我國地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)活斷層地震危險(xiǎn)性評價(jià)項(xiàng)目資助

2013-07-22

高戰(zhàn)武，男，生于1970年。博士，副研究員。主要研究方向：地震構(gòu)造與工程地震。E-mail: 515214334@qq.com

高戰(zhàn)武，吳昊，李光濤，程理，2014．太行山山前斷裂帶中北段晚第四紀(jì)活動(dòng)性研究. 震災(zāi)防御技術(shù)，9（2）：159—170.