沙灣斷裂帶主要特征及災害影響

萬佳威， 陳陵康， 丁妍， 黃長生

(1.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州341000;2.中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院，武漢430074; 3.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢430205)

沙灣斷裂帶主要特征及災害影響

萬佳威1， 陳陵康1， 丁妍2， 黃長生3

(1.江西理工大學資源與環(huán)境工程學院，江西 贛州341000;2.中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)調(diào)查研究院，武漢430074; 3.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，武漢430205)

沙灣斷裂帶是珠江三角洲內(nèi)重要的區(qū)域性活動構造，呈北西向展布，貫穿了整個珠江三角洲，多隱伏于城市和水系之下，是廣州及其周邊城市經(jīng)濟發(fā)展的內(nèi)在隱患.在野外地表調(diào)查、物化探勘察、測年分析等工作的基礎上，結合前人研究成果，發(fā)現(xiàn)沙灣斷裂帶延伸長、分布廣、時代新，具有多期活動的歷史，但在目前活動性較弱，主要從改變地應力和地殼穩(wěn)定性、威脅工程建設的安全、控制震害和次生災害的形成3個方面對沿帶城市產(chǎn)生實際災害影響.

活動斷裂;災害影響;沙灣斷裂;珠江三角洲

活動斷裂一般是指晚更新世以來發(fā)生活動的斷裂構造，其不僅對地震發(fā)生具有直接影響，由其活動產(chǎn)生的地表位移更是對城市工程建設起著不可抗拒的直接破壞，如1906年San Andreas大斷裂對舊金山造成7.9級地震就令30萬人無家可歸[1].我國的活動斷裂研究自20世紀初開始萌芽，80年代開始進入定量化研究階段，至今已完成了不少令人矚目的成果.當前，鄧起東等[2-3]基于城市特征，對活動斷裂的探測技術及評價方法做出了清晰介紹，為相關研究工作提供了寶貴思路.

珠江三角洲經(jīng)濟發(fā)達，人口密集，是中國三大城市群之一.廣州市作為廣東省會，是全省的政治、經(jīng)濟、文化和教育中心，其重要性不言而喻.據(jù)《廣州城市總體規(guī)劃綱要(2011-2020)》顯示，廣州正準備在推動番禺發(fā)展和打造南沙濱海新城的過程中實現(xiàn)“南拓”戰(zhàn)略.而沙灣斷裂帶經(jīng)過珠三角內(nèi)多座城市，特別在廣州的番禺、南沙兩區(qū)密集分布，成為城市發(fā)展的內(nèi)部隱患.作者針對本地區(qū)的實際情況，開展了一系列的調(diào)查，并比對他人研究成果，總結得出了沙灣斷裂帶的主要特征及其災害影響.

1 斷裂帶主要特征

沙灣斷裂帶發(fā)育于三水盆地的東部邊界處，總體呈北西方向展布，與近東西向的廣三斷裂和北東向的廣從斷裂交會，貫穿了整個珠江三角洲.該斷裂帶北起于廣州花都區(qū)白坭村，沿南東方向歷經(jīng)南海、順德、番禺等地，最終從蕉門一帶進入伶仃洋(圖1).沙灣斷裂帶總長125 km，由16條斷裂組成，單條寬度幾米至幾十米不等，主斷裂位于斷裂帶中部的番禺沙灣一帶.除第四系外，沙灣斷裂帶主要通過元古界、寒武系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系地層及志留紀花崗巖.現(xiàn)有研究資料表明，該斷裂帶在10萬年以來存在活動，屬活動斷裂[4-8].

圖1 珠江三角洲沙灣斷裂帶分布圖(資料源于武漢地質(zhì)調(diào)查中心)

1.1 幾何學特征

斷裂帶北部地勢較高，為低山丘陵地貌;南部地勢平緩，為平原殘丘地貌.地表處從北到南，斷裂帶露頭在白坭、松崗、蓮塘、官窯、沙灣、大崗、南村、黃山魯?shù)鹊亓阈浅雎叮溆嗖糠志坏谒南蹈采w，隱伏于城市或水系之下.沙灣斷裂帶對第四系沉積及地表水系均有控制作用.黃玉昆等[9]認為，第四系沉積中心沿著斷裂方向排列，且斷裂兩側的沉積厚度不同，總體展現(xiàn)出上盤大于20 m、下盤小于20 m的現(xiàn)象.經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，斷裂帶南部多條斷裂與水系發(fā)育關系密切，F(xiàn)09、F14、F16沿水道展布.綜合以往研究，結合調(diào)查結果，發(fā)現(xiàn)沙灣斷裂帶內(nèi)部產(chǎn)狀較為復雜，不同斷裂在空間展布及斷裂形跡上存在差異，顯示多次活動的特點.調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，斷裂帶總體走向310°～340°，傾向多為南西方向，部分北東，促使地表形成斷陷、斷隆地貌;傾角多較陡，在50°～80°之間，北部的F01、F06可達80°～85°.

1.2 運動學特征

斷層破碎帶物質(zhì)多被磨碎，膠結松散，構造巖以碎裂巖、構造角礫巖為主.巖石具碎斑結構，礦物成分為石英、蝕變長石等，多見硅化、褐鐵礦化和擠壓透鏡體，可見石英被壓扁拉長.在黃山魯、赤坭、西淋崗等地的露頭處，還可見多組北西向張性裂隙被脈體充填.大崗鎮(zhèn)十八羅漢山有10余條延伸較遠、規(guī)模較大的方解石脈(ESR測年為晚更新世)，方解石在結晶程度及排列方向上存在分帶現(xiàn)象(圖2)，顯示多次拉張充填.由此可見沙灣斷裂帶存在多期活動歷史，是多次逆斷層、走滑斷層及正斷層相互疊加的結果.根據(jù)野外露頭觀察，按照擦痕階步的方向、次級構造及斷層錯斷巖層的情況，結合該區(qū)現(xiàn)有的地震震源機制解，認為近期沙灣斷裂帶主要運動形式為正斷層錯動或平移正斷層錯動.

圖2 十八羅漢山NW走向方解石脈體

1.3 活動性特征

珠江三角洲內(nèi)部的北西向斷裂主要形成于漸新世至上新世的喜馬拉雅運動，更新世進行活動[10-11].最新測年資料顯示，武漢地質(zhì)調(diào)查中心于大崗鎮(zhèn)十八羅漢山獲得北西向方解石脈的ESR年齡為(97± 9.0)ka和(113±11)ka;陳國能等于靈山大崗后山獲得的北西向方解石年齡為(71.3±4.9)ka、(56.6± 4.6)ka和(54.0±3.5)ka;而其他研究人員的測年數(shù)據(jù)均在晚更新世之前[4].為查明斷裂的活動信息，武漢地質(zhì)調(diào)查中心在地表調(diào)查和大比例尺填圖的基礎上，于2012年在沙灣斷裂帶中段布設了多條淺層地震反射波法、高密度電法和土壤氡氣法測量剖面，均未發(fā)現(xiàn)斷裂帶在全新世強烈活動的確鑿證據(jù)[12].另外，任鎮(zhèn)寰等[13]根據(jù)重磁資料解譯判斷斷裂帶深度較淺，約為10 km，不超過20 km.宋方敏等[7]測得15 ka B.P.以來沙灣斷裂帶垂直位移較小，約為0.39 mm/a.近600年來，沿沙灣斷裂帶僅發(fā)生≥4.75級地震2次，未發(fā)生過＞5級地震，現(xiàn)代地震活動微弱.結合上述資料，認為沙灣斷裂帶的最新活動時代為晚更新世，全新世以來活動減弱，故判斷本斷裂為活動性不強的弱活動斷裂.

2 斷裂帶的災害影響

珠江三角洲內(nèi)常見的地質(zhì)災害有崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降及軟基沉降，存在發(fā)生破壞性地震的地質(zhì)背景，對工程建設和居民的生命財產(chǎn)造成了安全威脅.沙灣斷裂帶為此提供了一定的構造基礎.但是，本區(qū)情況較內(nèi)陸山地有所不同.珠江三角洲濱臨南海，氣候濕潤，持續(xù)強降雨和臺風現(xiàn)象頻發(fā)，常常單獨成災，并對地質(zhì)巖土體發(fā)生強烈作用，形成相應災害鏈;同時，三角洲內(nèi)人類活動強烈(如削坡建房、地下工程建設、大量抽取地下水等)，原有地質(zhì)環(huán)境條件頻繁遭受改造破壞，人為因素往往成為災害發(fā)生的主導;然而，三角洲內(nèi)斷裂的活動性總體不強，構造作用對除地震外的地質(zhì)災害控制作用有限.故對于本區(qū)除地震外的表層地質(zhì)災害而言，斷裂構造造成的影響遠不及氣象因素和人類活動[14].因此，綜合分析后，按照本區(qū)的災害事實，本文認為沙灣斷裂帶對造成的災害影響主要為以下三個方面.

2.1 改變地應力和地殼穩(wěn)定性

地應力是地質(zhì)環(huán)境和區(qū)域穩(wěn)定性評價的基礎資料.在斷裂構造的影響下，地應力場隨之改變，并發(fā)生復雜變化.不同斷裂，甚至一條斷裂上的不同區(qū)段，因為規(guī)模大小、幾何形態(tài)、巖性和斷裂性質(zhì)等情況的不同，應力狀態(tài)也將發(fā)生不同變化.有學者[15-16]認為，水平主應力通常隨深度的增加而增大，局部裂隙將導致應力值偏低或偏高，應力方向甚至也可能發(fā)生近90°逆轉，出現(xiàn)各種量值的突變的現(xiàn)象;而活動斷裂附近的地應力隨時間而改變，具體情況與斷裂的活動情況有關.當前，還未有對沙灣斷裂帶和周圍地應力場之間相互關系的研究，但珠三角地區(qū)隧道管線工程發(fā)達，地應力變化產(chǎn)生的圍巖垮塌等災害值得關注.此外，斷裂構造本身的規(guī)模和活動性對地殼穩(wěn)定性還起著直接控制作用[17].張志強等[18]以此為主要參數(shù)，對珠江三角洲的區(qū)域地殼穩(wěn)定性進行綜合評價，認為沙灣斷裂帶北部的廣州部分地區(qū)為不穩(wěn)定區(qū)域.

2.2 威脅工程建設的安全

斷裂活動發(fā)生后，巖層的整體性和均一性發(fā)生變化，結合地下水的作用，場地地質(zhì)條件變得十分復雜.而斷層的活動，無論蠕滑或粘滑，都將引發(fā)位移變形，對淺層地質(zhì)體產(chǎn)生直接錯動，導致對建構筑物的剪切破壞.沙灣斷裂帶主要隱伏于地表之下，大面積分布于廣州市番禺區(qū)和南沙區(qū)，其存在和活動性成為隧道管線工程的安全隱患.斷層破碎帶總體結構松散，相對于周邊基巖屬軟弱夾層，在隧道施工時易造成涌水、坍塌等事故.另外，沙灣斷裂帶中發(fā)育的硅化角礫巖等硬巖使局部巖石力學性質(zhì)陡然增大，將會直接阻礙盾構機的掘進.更重要的是，沙灣斷裂帶屬活動斷裂，上下兩盤的相對位移可對道橋、管線等線狀工程產(chǎn)生直接錯斷作用.特別是廣州作為全國第三大城市，僅地鐵線路現(xiàn)就有9條正在運營，因而本斷裂帶活動性造成的影響不容忽視.

2.3 控制震害和次生災害的形成

珠江三角洲地區(qū)人口密集、震害明顯，具備發(fā)生6級地震的構造條件，已被列為中國21個地震重點監(jiān)視防御區(qū)之一.據(jù)統(tǒng)計[19]，珠江三角洲共發(fā)生Ms≥4.75級地震12次(表1)，其中4次與沙灣斷裂帶有關.宿文姬等[20]判斷，珠江三角洲未來震害主要出現(xiàn)在北西向和北東向的活動斷裂上，尤其是二者交會的部位.沙灣斷裂帶作為珠江三角洲內(nèi)主要的活動斷裂之一，與多條北東向活動斷裂交會，具有一定的發(fā)震可能.

表1 珠江三角洲Ms≥4.75級地震情況

歷史上，沿沙灣斷裂帶共發(fā)生4.0～4.9級地震7次，5.0級地震1次 (1683年于佛山南海)，4.0級以下地震頻發(fā)，大多震源深度較淺，約1 km.由于本區(qū)震源較淺，地震對地面容易產(chǎn)生較大影響，并促成以下三類次生災害的形成.第一、沙灣斷裂帶周圍河道密布，地下水位較高，在地震的振動效應下易使全新世沉積的砂土發(fā)生液化，從而引發(fā)路面拉裂、噴砂冒水、地基強度失效、建構筑物開裂等災害.第二、珠江三角洲軟土大面積分布，沿沙灣斷裂帶向南，其厚度逐步遞增，南部萬頃沙地區(qū)甚至達40 m，在地震的作用下極易發(fā)生軟土震陷，危害地表工程設施的安全.如1976年11月20日，佛山順德瀾石河附近發(fā)生3.3級地震，由于河流相軟泥發(fā)生震陷，促使地震烈度達到Ⅵ度，引起大量房屋開裂甚至倒塌.第三、沙灣斷裂帶不僅為地面塌陷、崩塌、滑坡等突發(fā)性地質(zhì)災害提供了構造基礎，在地震波動作用下，處于穩(wěn)定狀態(tài)的采空區(qū)、巖溶區(qū)及河岸斜坡或也將受到影響失穩(wěn)成災.

3 結論與討論

沙灣斷裂帶是珠江三角洲內(nèi)重要的區(qū)域性活動構造，由北、中、南三段共16條斷裂組成，多隱伏于城市和水系之下，呈北西向貫穿整個三角洲，成為城市發(fā)展的內(nèi)在安全隱患.對斷裂帶的主要特征進行綜合分析后，可認為沙灣斷裂帶延伸長、分布廣、影響面積大且具有一定活動性，對沿帶城市的地質(zhì)環(huán)境條件存在改變作用，但由于全新世以后斷裂帶的活動性減弱，認為其當前的致災能力有限，除去地震情況，其主要的災害影響在于威脅地下工程的安全.

值得關注的是，沙灣斷裂帶經(jīng)過廣州等四座大型城市，當?shù)毓こ袒顒宇l繁，地上地下建筑密集，不論是林立的大、重型建筑對地面施加的靜載荷，還是網(wǎng)布的地下工程在施工和運營過程中產(chǎn)生的動載荷，都將對斷裂帶的活化產(chǎn)生直接影響，從而引發(fā)地下失穩(wěn)、突水等災害[21-22].因此，在進行災害防御設計的同時，還應繼續(xù)對沙灣斷裂帶進行監(jiān)測和研究，避免由斷裂活動引起的災害損失.

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Main features and disaster impacts of Shawan fault zone

WAN Jiawei1，CHEN Lingkang1，DING Yan2，HUANG Changsheng3
(1.School of Resource and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China; 2.Institute of Geological Survey，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China; 3.Wuhan Center of Geological Survey，China Geological Survey，Wuhan 430205，China)

The Shawan fault zone，important and regional in active tectonics of the Pearl River Delta and buried beneath the cities and rivers，crosses the whole delta in NW-trending and restricts the economic development of Guangzhou city and other cities nearby.According to the surface survey，the date of geophysical and geochemical prospecting and previous studies，the zone was found to be extended，widespread，young，hazardous with a history of multi-periodic activities yet weak ones at present，and creates disaster from changing the in-situ stress and crustal stability，controlling the generation of earthquake and secondary disaster，damaging construction.

active fault;hazard effects;Shawan fault;Pearl River Delta

2095-3046(2015)01-0064-05

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.01.011

P694

A

2014-07-29

中國地質(zhì)調(diào)查局科技項目(1212011140031)

萬佳威(1991- )，男，碩士研究生，主要從事地質(zhì)災害理論及控制方法等方面的研究，E-mail:wjw199105@163.com.

黃長生(1964- )，男，教授級高級工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)等方面的研究，E-mail:185236157@qq.com.