臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶(FN)西段走向研究

李忠生 宋彥輝 高虎艷 袁洪克程耀 叢璐

1)長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安市雁塔路126號(hào) 710054

2)西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，西安 710016

3)中國(guó)地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002

0 引言

臨潼-長(zhǎng)安斷裂是秦嶺北麓斷裂與驪山北麓斷裂之間的1條NE向斷裂帶，是渭河盆地主要活動(dòng)斷裂之一，對(duì)該斷裂帶的研究不僅具有重要的地震地質(zhì)意義，也具有十分重要的工程意義。長(zhǎng)期以來(lái)，許多科研人員對(duì)該斷層進(jìn)行了廣泛深入的研究(張安良等，1991;李永善等，1992;彭建兵等，1992;祝意青等，2005;馮希杰等，2006;戴王強(qiáng)等，2007;師亞芹等，2007、2008;苗康運(yùn)，2008;李曉妮等，2008)，內(nèi)容涉及斷層的位置、走向、活動(dòng)特征等。這些研究中，尤以對(duì)斷裂帶的東北段(神禾塬以東)的研究更為深入;而由于地貌原因?qū)ξ髂隙蔚难芯枯^少，斷裂帶確切位置和走向一直因缺乏直接的研究工作依據(jù)和地質(zhì)地貌證據(jù)而處于推測(cè)狀態(tài)。本文以西安地鐵建設(shè)為平臺(tái)，在臨潼-長(zhǎng)安斷裂西南延伸區(qū)域進(jìn)行了一系列的勘探研究工作，其中包括3條淺層人工地震勘探剖面和1條地質(zhì)鉆探剖面，在3個(gè)不同的地點(diǎn)分別揭示出了臨潼-長(zhǎng)安斷裂(FN)的確切位置，從而確定了該斷裂西南段的走向。

1 臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶概況

臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶位于渭河盆地內(nèi)西安凹陷與驪山凸起的交界部位，屬深部基底斷裂。該斷裂北起臨潼區(qū)驪山老母殿，向西南延伸經(jīng)長(zhǎng)安城區(qū)與秦嶺北麓斷裂交接。全長(zhǎng)逾50km，總體走向NNE-NEE，傾向NW，傾角70°左右。該斷裂帶由數(shù)條平行斷層組成，帶寬5～7km。斷裂帶兩側(cè)地貌差異較大，總體上東南側(cè)為黃土塬區(qū)，西北側(cè)為渭河階地區(qū)，整個(gè)斷裂帶區(qū)域表現(xiàn)為斷層陡坎，并間有構(gòu)造性侵蝕洼地。鑒于該斷裂帶的東、西兩段都是由3條主要斷裂組成，習(xí)慣上由北向南依次稱(chēng)之為FN、FM、FS(圖1)。

圖1 臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶位置及研究區(qū)示意圖

斷裂帶以浐河為界分為東北、西南兩段，其中東北段地形地貌特征顯著，斷層陡坎發(fā)育，斷裂地表出露明顯，活動(dòng)性較強(qiáng);西南段地形高差較小，尤其是神禾塬以西為晚更新世以來(lái)形成的洪積扇裙，地勢(shì)平坦，未發(fā)現(xiàn)斷層地貌跡象，該段斷裂的位置及走向主要依靠河流拐彎、地?zé)釡厝葋?lái)分析和推測(cè)(張安良等，1991;李永善等，1992)。對(duì)于斷裂帶西段的研究，目前僅陜西省地震局在神禾塬西側(cè)進(jìn)行過(guò)深層人工地震勘探工作(地震測(cè)線位置如圖1所示)，勘探剖面清晰顯示了包括3條臨潼-長(zhǎng)安斷裂在內(nèi)的各深大斷裂(師亞芹等，2008)。在此位置西南區(qū)域，基本為研究空白區(qū)。

2 臨潼-長(zhǎng)安斷裂(FN)西段走向研究

結(jié)合西安地鐵建設(shè)任務(wù)，本次研究對(duì)象為臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶中最北側(cè)的FN斷裂。為此，分別在西安西南郊西太路、長(zhǎng)安區(qū)五星鄉(xiāng)及戶(hù)縣草堂鎮(zhèn)附近布置了3條淺層人工地震勘探剖面，研究區(qū)域如圖1所示。淺層人工地震勘探采用SUMMIT遙測(cè)數(shù)字地震儀，240道滾動(dòng)，60道備用接收方式。震源采用M18/612型可控震源，工作方式和激發(fā)參數(shù)設(shè)定為:連續(xù)變頻掃描，掃描頻帶30～200Hz，掃描信號(hào)長(zhǎng)度8s，垂直迭加次數(shù)不低于12次，在此基礎(chǔ)上以獲得清晰的反射同相軸為原則。測(cè)線觀測(cè)系統(tǒng)為:道間距3m，炮間距15m，24次覆蓋反射?？碧侥繕?biāo)深度不小于1km。

同時(shí)為驗(yàn)證人工地震勘探成果，在西太路人工地震勘探異常處布置了1條地質(zhì)鉆探剖面，揭示了地層剖面結(jié)構(gòu)，對(duì)異常兩側(cè)的地層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.1 西太路人工地震DZ1剖面及地質(zhì)鉆探剖面

西太路淺層人工地震勘探DZ1測(cè)線位置如圖2所示，測(cè)線布設(shè)長(zhǎng)度約9km，沿西太路由北向南從錦業(yè)二路至張王村附近，獲得的淺層人工地震反射疊加時(shí)間剖面如圖3所示。

圖2 地震測(cè)線位置及臨潼-長(zhǎng)安斷裂FN西段位置、走向示意圖

圖3 西太路淺層人工地震勘探DZ1測(cè)線反射疊加時(shí)間剖面圖

由圖3可見(jiàn)，剖面中反射層位清晰、豐富，各界面呈水平層狀形態(tài)，雙程反射時(shí)間1100ms附近較強(qiáng)的反射層TQ被解釋為第四系底界。在9km長(zhǎng)的剖面中，存在一些明顯斷點(diǎn)異常，斷點(diǎn)處地層自上而下出現(xiàn)不同程度的錯(cuò)斷。其中，與其它斷點(diǎn)存在明顯不同、也是規(guī)模最大的為剖面南端頭的斷裂(FN)，該異常為北傾，傾角較緩，由2條北傾斷裂FN1、FN2組成，在1000ms以下合并成1條，斷裂兩側(cè)TQ反射層存在200～250ms(換算深度約200多米)的斷距。鑒于該斷裂具有錯(cuò)斷清晰、北傾、兩側(cè)TQ的斷距大、傾角較緩等特性，絕非一般小斷裂所能比擬，并考慮其所處的具體位置，推測(cè)其為臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶中的最北側(cè)斷裂FN。同時(shí)，剖面中靠近FN附近上盤(pán)發(fā)育有一系列反向斷裂，這與FN東段和中段在其上盤(pán)發(fā)育有一系列較密集南傾正斷層的特性相吻合，剖面中這些南傾斷層被解釋為西安地裂縫，并在后續(xù)的地鐵勘察中得到證實(shí)。

為獲取上述淺層人工地震勘探異常處的地層結(jié)構(gòu)及其異常變化，在FN2異常處布置了地質(zhì)鉆探工作，鉆探剖面線與人工地震測(cè)線基本重合，勘探孔深度80m，獲得的鉆探剖面如圖4所示。

圖4 人工地震異常對(duì)應(yīng)的地質(zhì)鉆探剖面圖

鉆探剖面顯示第四系全新統(tǒng)地層連續(xù)性較好，無(wú)明顯錯(cuò)斷跡象。上更新統(tǒng)底界被明顯錯(cuò)斷，但斷距不大。中更新統(tǒng)地層由于厚度較大，在80m深度范圍內(nèi)未穿透，由于該套地層主要為湖積的黏性土與砂土交互沉積，沉積相較為復(fù)雜，無(wú)可供對(duì)比的標(biāo)志層，故對(duì)于地層的連續(xù)性及斷層識(shí)別帶來(lái)一定困難。即便如此，從圖4中仍可看出，人工地震勘探異常(斷裂FN2)兩側(cè)砂類(lèi)土的分布具有突變性和不連續(xù)性，表現(xiàn)在兩側(cè)層位不對(duì)等，地層分布不符合自然地層沉積規(guī)律，表明后期曾經(jīng)受過(guò)構(gòu)造變動(dòng)，存在斷層不連續(xù)地質(zhì)構(gòu)造面，仔細(xì)辨認(rèn)可以看出，剖面北側(cè)地層下降。該鉆探剖面確定的斷裂位置與人工地震勘探異常(FN2)位置吻合，誤差小于20m。鉆探剖面中自上而下的地層不連續(xù)現(xiàn)象，為臨潼-長(zhǎng)安斷裂的存在提供了直接證據(jù)。

2.2 五星鄉(xiāng)人工地震DZ2剖面

五星鄉(xiāng)淺層人工地震勘探DZ2測(cè)線沿五星鄉(xiāng)北側(cè)的南北向道路布置，總長(zhǎng)約5.5km，其平面位置如圖2所示，其淺層人工地震反射疊加時(shí)間剖面如圖5所示。

圖5 五星鄉(xiāng)淺層人工地震勘探DZ2測(cè)線反射疊加時(shí)間剖面圖

從圖5中可見(jiàn)，雙程反射時(shí)間1500ms以?xún)?nèi)具有清晰的反射界面，該剖面反射信息豐富，有多組較強(qiáng)的反射波組。從這些反射波組所反映的界面特征可以看出，界面呈層狀展布，明顯南傾;剖面中存在一些反射波同相軸錯(cuò)斷現(xiàn)象，根據(jù)各波組錯(cuò)斷及界面產(chǎn)狀變化等特征，剖面上共存在3個(gè)斷點(diǎn)異常，其中以FN斷點(diǎn)最為明顯，其兩側(cè)多組強(qiáng)反射層位存在明顯錯(cuò)斷，錯(cuò)斷可從近地表一直延續(xù)到1700ms以下。其形態(tài)為一視傾向北的正斷層。在5km長(zhǎng)的剖面中，F(xiàn)N斷裂規(guī)模最大，結(jié)合西太路淺層人工地震勘探結(jié)果，該斷點(diǎn)異常解釋為臨潼-長(zhǎng)安斷裂FN。由于該剖面的地層南傾，與該區(qū)域總的地層傾向相反，推測(cè)在該剖面南側(cè)應(yīng)有一規(guī)模宏大的構(gòu)造，該構(gòu)造控制了其北側(cè)和FN之間的地塊使其呈“翹起”構(gòu)造形態(tài)。

2.3 草堂鎮(zhèn)人工地震ZD3剖面

草堂鎮(zhèn)淺層人工地震勘探DZ3測(cè)線沿草堂鎮(zhèn)南北方向道路布置，由北向南經(jīng)草堂鎮(zhèn)直達(dá)秦嶺山太平峪口內(nèi)，總長(zhǎng)約12km，其平面位置如圖2所示，人工地震反射疊加時(shí)間剖面如圖6所示。

圖6 草堂鎮(zhèn)淺層人工地震勘探DZ3測(cè)線反射疊加時(shí)間剖面圖

與前2條測(cè)線相同，圖6中雙程反射時(shí)間1500ms以?xún)?nèi)具有清晰的多組較強(qiáng)反射界面?？傮w看，剖面上反射層明顯北傾，但局部有水平甚至南傾現(xiàn)象。根據(jù)各波組錯(cuò)斷及界面產(chǎn)狀變化等特征判斷，剖面上共存在6個(gè)斷點(diǎn)異常，由南向北各斷點(diǎn)特征及解釋如下:

Fp1為秦嶺北麓斷裂，斷裂兩側(cè)反射層位差異極其明顯。

Fp3斷點(diǎn)兩側(cè)地層傾向存在差異，其南側(cè)地層呈北傾，北側(cè)地層局部南傾，斷點(diǎn)兩側(cè)反射層位存在明顯同相軸錯(cuò)斷，視傾向北，錯(cuò)斷可從近地表一直延續(xù)到1000ms以下。

Fp4斷點(diǎn)兩側(cè)反射層位存在明顯同相軸錯(cuò)斷，視傾向北，錯(cuò)斷可從300ms一直延續(xù)到1500ms以下，近地表300ms以?xún)?nèi)層位連續(xù)性較好。

結(jié)合區(qū)域斷裂研究成果(周厚云等，2001;楊曉平等，2005)，F(xiàn)p3、Fp4構(gòu)成一規(guī)模較大的北傾斷層性質(zhì)的斷裂帶，寬度約400m，其特征及位置與余下-鐵爐子斷裂(也稱(chēng)周至-余下斷裂)吻合度較好，應(yīng)是該斷裂在剖面中的反映。

FN斷點(diǎn)兩側(cè)地層傾向存在明顯差異，其南側(cè)地層微向南傾，北側(cè)則呈北傾，斷點(diǎn)兩側(cè)反射層位存在明顯同相軸錯(cuò)斷，錯(cuò)斷可從近地表一直延續(xù)到1500ms以下。其形態(tài)為一視傾向北的正斷層。在此斷層再向北約4.7km的反射剖面上，除南傾的Fp5異常外，再無(wú)其它北傾斷層。據(jù)此可以推斷，該斷層為臨潼-長(zhǎng)安斷裂中的最北側(cè)斷層FN。同時(shí)該斷裂南側(cè)地層南傾，與五星鄉(xiāng)DZ2剖面中FN南側(cè)地層南傾吻合。

Fp5斷點(diǎn)兩側(cè)地層傾角存在一定差異，反射層位存在明顯同相軸錯(cuò)斷，錯(cuò)斷可從近地表一直延續(xù)到1500ms以下，其形態(tài)為一視傾向南的正斷層，推斷為一南傾斷裂，有發(fā)育成西安地裂縫的可能。

2.4 其它資料

除了本次有針對(duì)性的研究工作外，在西太路張王村西側(cè)場(chǎng)地進(jìn)行大范圍地裂縫勘察時(shí)，在多條北西或南北向的地質(zhì)鉆探剖面上，均發(fā)現(xiàn)存在傾向北且呈正斷性質(zhì)的斷裂①機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，2012，西安高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)場(chǎng)地地裂縫勘察報(bào)告。鑒于該場(chǎng)地位于西太路人工地震測(cè)線DZ1和五星鄉(xiāng)人工地震測(cè)線DZ2之間，且這些斷裂點(diǎn)的連線與DZ1、DZ2的人工地震勘探異常(FN)的連線正好處于同一延伸方向上(圖2)，因此認(rèn)為這些鉆探剖面中的北傾斷裂點(diǎn)應(yīng)是FN在近地表的活動(dòng)跡象，同時(shí)也佐證了前述對(duì)人工地震勘探剖面異常FN的解釋判斷。

根據(jù)上述各淺層人工地震勘探剖面解釋的臨潼-長(zhǎng)安斷裂(FN)西南段(神禾塬以西)位置，連同西太路西側(cè)場(chǎng)地內(nèi)工程地質(zhì)鉆探異常位置和文獻(xiàn)(師亞芹等，2008)中深層人工地震勘探剖面解釋的FN位置，以虛線形式標(biāo)注于圖2。由圖2可見(jiàn)，該段斷裂(FN)西端大致以SW240°向西南方向延伸，延續(xù)了該斷裂中段的走向，這一走向與張安良等(1991)依據(jù)東大熱異常和草堂熱異常宏觀推斷的FN(張安良等(1991)稱(chēng)之為斜口-東大斷裂)基本一致。

3 臨潼-長(zhǎng)安斷裂走向?qū)こ探ㄔO(shè)的影響

有關(guān)臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶的研究不僅為西安地區(qū)的地震預(yù)測(cè)、地震地質(zhì)研究提供了基礎(chǔ)性資料，而且其研究成果對(duì)目前的工程建設(shè)也有著十分重要的影響。已有研究表明，西安地裂縫是發(fā)育在臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶上盤(pán)的一系列次生隱伏斷裂構(gòu)造，其產(chǎn)生受控于臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶的伸展活動(dòng)(張家明，1990;李永善等，1992;彭建兵等，2012)，即西安地裂縫的分布范圍取決于臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶的位置和走向。根據(jù)30多年西安地裂縫的研究成果，《西安地裂縫場(chǎng)地勘察與工程設(shè)計(jì)規(guī)程(DBJ61-6-2006)》②陜西省建設(shè)廳，2006，西安地裂縫場(chǎng)地勘察與工程設(shè)計(jì)規(guī)程(DBJ61-6-2006)將西安地裂縫的分布范圍限定在臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶西北側(cè)(上盤(pán))。據(jù)此，若該斷裂帶具體位置及走向能確定下來(lái)，則西安地裂縫的分布范圍也將明確。眾所周知，西安地裂縫是西安市最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一，已對(duì)西安早期的城市建筑及設(shè)施造成了巨大的損害，并嚴(yán)重制約了城市后期的規(guī)劃與建設(shè)。由于西安地裂縫自20世紀(jì)50年代開(kāi)始出現(xiàn)以來(lái)，主要發(fā)生在西安市城區(qū)，故有關(guān)城區(qū)地裂縫的研究較多。近年隨著西安城市建設(shè)的發(fā)展，城區(qū)范圍不斷向外圍方向擴(kuò)展，而對(duì)于這些地區(qū)西安地裂縫的研究非常薄弱，甚至是空白。新區(qū)建設(shè)面對(duì)的首要地質(zhì)問(wèn)題就是這些拓展區(qū)域是否存在西安地裂縫，而與這一問(wèn)題關(guān)聯(lián)的就是臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶(FN)的位置和走向問(wèn)題，它是西安地裂縫存在與否的前提。

前已述及，臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶的東段(神禾塬以東)位置和走向比較清楚，西段則因缺少實(shí)際研究工作，其推測(cè)的位置和走向具有較大的不確定性。本文通過(guò)淺層人工地震勘探等工作揭示了臨潼-長(zhǎng)安斷裂(FN)西南段的具體位置和走向，由此也確定了西安市西南區(qū)域西安地裂縫的分布界限，對(duì)今后的工程建設(shè)具有重要的指導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

通過(guò)3條淺層人工地震勘探剖面和工程地質(zhì)鉆探工作，結(jié)合已有研究成果，確定了臨潼-長(zhǎng)安斷裂(FN)西南段(神禾塬以西)的位置和走向，該走向延續(xù)了臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶中段走向趨勢(shì)，以約SW240°方向繼續(xù)向西南方向延伸。此外，該斷裂西南段位置和走向的確定，界定了在該區(qū)域內(nèi)西安地裂縫的發(fā)育范圍，為西安地裂縫的研究奠定了基礎(chǔ)，對(duì)后續(xù)工程建設(shè)提供了有針對(duì)性的指導(dǎo)依據(jù)。

致謝：感謝機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院張家明教授、中國(guó)有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計(jì)研究院林頌恩教授和陜西省地震局馮希杰研究員對(duì)該項(xiàng)工作的指導(dǎo)。