宿遷城市活動(dòng)斷層探測多方法技術(shù)運(yùn)用的典型案例

曹 筠 冉勇康 許漢剛 李彥寶張 鵬 馬興全 李麗梅

1)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083

2)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

3)河北省地震局，石家莊 050021

4)江蘇省地震局，南京 210014

5)河南省地震局，鄭州 450016

0 引言

中國絕大多數(shù)的城市處在平原或盆地地區(qū)，城市活動(dòng)斷層大多處于隱伏或半隱伏狀態(tài)，而隱伏活動(dòng)斷層定位及其最新活動(dòng)時(shí)代研究，多年來一直是技術(shù)難題(汪一鵬，2004)。城市活動(dòng)斷層是城市潛在重大危害之一，因此，對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確定位及活動(dòng)性鑒定是城市活動(dòng)斷層探測與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)，可為地震危險(xiǎn)性和危害性評(píng)價(jià)，以及合理規(guī)劃城市“避讓帶”提供可靠依據(jù)(鄧起東等，2003，2007a)。目前，對(duì)城市活動(dòng)斷層的定位普遍采用淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面相結(jié)合的方法，并在多年探索和實(shí)踐中取得了一些具有開創(chuàng)性和代表性的成果(劉保金等，2002，2008;柴熾章等，2006;雷啟云等，2011)。由于淺層地震勘探存在一定的誤差，而鉆孔聯(lián)合剖面只能將斷層及其上斷點(diǎn)限定在一定范圍內(nèi)。近年在宿遷市合歡路場地，采用地質(zhì)地貌調(diào)查、淺層地震勘探、鉆孔聯(lián)合剖面探測和槽探相結(jié)合的多方法、多層次探測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隱伏活動(dòng)斷層的準(zhǔn)確定位及其最新活動(dòng)時(shí)代的判定，可為后續(xù)開展的宿遷市地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作和規(guī)劃城市“避讓帶”寬度提供可靠的定量化參數(shù)。

1 宿遷市地震地質(zhì)構(gòu)造背景

宿遷市位于華北平原東南部的華北陸塊與蘇魯造山帶結(jié)合部位。中國東部著名的郯廬斷裂帶穿城而過，區(qū)內(nèi)沉積了中、新生代以來陸相碎屑巖層。郯廬斷裂帶在蘇北由5條近于平行的斷層組成，自東向西分別是昌邑－大店斷裂(F1)、安丘－莒縣斷裂(F5)、白芬子－浮來山斷裂(F2)、沂水－湯頭斷裂(F3)和鄌郚－葛溝斷裂(F4)，其中F1，F(xiàn)2和F3，F(xiàn)4分別是中生代東、西地塹的邊界斷層，形成“兩塹夾一壘”的構(gòu)造樣式，F(xiàn)5是在東地塹F1和F2之間新發(fā)育的一條斷層(國家地震局地質(zhì)研究所，1987;晁洪太等，1994a)。郯廬斷裂帶的F1，F(xiàn)5，F(xiàn)2和F34條斷層經(jīng)過宿遷城區(qū)，在城北的京杭大運(yùn)河附近，還發(fā)育一條NWW向的宿遷閘－皂河鎮(zhèn)斷裂(F6)，屬于蘇錫常斷裂的一條分支斷層(圖1)。宿遷城區(qū)范圍內(nèi)這幾條斷層均處于隱伏狀態(tài)。

圖1 宿遷市及周邊地質(zhì)構(gòu)造略圖Fig.1 Geological sketch map of Suqian City and its surrounding area.

2 宿遷市合歡路隱伏活動(dòng)斷層多方法探測

我們擬定量確定斷層在地表或近地表的準(zhǔn)確位置，并鑒定斷層的晚第四紀(jì)活動(dòng)性，包括明確斷層上斷點(diǎn)，斷錯(cuò)地層和蓋層年齡，獲取斷層全新世以來的古地震事件，得到斷層活動(dòng)規(guī)律。本次工作中采用了地質(zhì)地貌調(diào)查→淺層地震勘探→鉆孔聯(lián)合剖面探測→槽探逐步精細(xì)化的研究程序。

前人資料(晁洪太等，1994b)顯示，郯廬斷裂帶安丘－莒縣斷裂(F5)經(jīng)過宿遷城北曉店。城北合歡路橫穿曉店鎮(zhèn)附近的丘陵地形，因此選定宿遷市合歡路附近開展有針對(duì)性的多方法技術(shù)探測工作。

2.1 地質(zhì)地貌調(diào)查

安丘－莒縣斷裂(F5)是曉店一帶東側(cè)平原和西側(cè)山體的分界斷層(晁洪太，1994b)。由于風(fēng)化侵蝕，人類改造以及斷層沿線植被覆蓋程度高等因素，使得該斷層處于隱伏狀態(tài)。斷層沿線極少有野外地質(zhì)露頭，高分辨率遙感影像線性特征不太明顯。依據(jù)曉店鎮(zhèn)附近丘陵起伏狀態(tài)，沿?cái)鄬拥孛沧屑?xì)追索，發(fā)現(xiàn)宿遷市宿豫區(qū)曉店鎮(zhèn)合歡路安順駕校東600m范圍內(nèi)地形坡度變化非常大(圖2a)。該位置恰處于曉店丘陵隆起的東坡，地質(zhì)地貌顯示安丘－莒縣斷裂應(yīng)從此經(jīng)過，選定此處作為進(jìn)一步探測場地。合歡路北側(cè)主要是麥田，麥田中有疑似斷層陡坎存在，但有被后期人為改造的痕跡，路南是宿遷市未成年人社會(huì)實(shí)踐基地(圖2a，c)。

圖2 合歡路場地照片F(xiàn)ig.2 Photo of Hehuan Road site.

2.2 淺層地震勘探

根據(jù)合歡路場地沿線基巖埋深和地層變化大的實(shí)際情況，布設(shè)淺層地震勘探測線QL2(圖1)。測線全長3 723m，點(diǎn)距3m，偏移距36m，72道接收，12次覆蓋。采用可控震源，沖擊震源2次施工。

在淺層地震發(fā)射波疊加時(shí)間剖面上明顯分辨出4條斷層，自西向東分別標(biāo)記為F、F5－1、F5－2和F1。剖面0～1 510m樁號(hào)段，基巖面埋深較淺，反射波組同相軸能量強(qiáng)，起伏大，基巖埋深大致在20～130m之間;1 510～1 986m樁號(hào)段，因受F5－1和F5－2斷層控制，其間所有地層反射均向西傾，且斷層附近繞射波特征明顯，基巖頂面埋深最深處達(dá)200m以下;1 986m樁號(hào)以東，T3、T5反射同相軸分布較為穩(wěn)定，宿遷組埋深約50m左右，基巖埋深約為130m(圖3a)。

4條斷層中F5－1斷層特征清晰，斷層斷錯(cuò)淺層地震勘探范圍內(nèi)全部反射波組所代表的地層，應(yīng)是最新活動(dòng)斷層。F5－1斷層上激發(fā)的原始記錄中斷層兩側(cè)地層差異很大，波組發(fā)育特征完全不同。西側(cè)波組發(fā)育單一，直達(dá)波以下基本沒有發(fā)射波發(fā)育;東側(cè)75～500ms發(fā)育了一系列反射波組，且這些反射波組特征差異明顯，有正常走時(shí)波組、有倒轉(zhuǎn)走時(shí)波組，充分反映出F5－1兩側(cè)地層的巨大差異及對(duì)地層的切割(圖3b)。測線折射原始記錄中，61道兩側(cè)直達(dá)波速度明顯不同，西側(cè)(1～61道)為1 950m/s，對(duì)應(yīng)地層是上新統(tǒng)宿遷組(N2s);東側(cè)(61～120道)直達(dá)波速度為1 700m/s左右，對(duì)應(yīng)第四紀(jì)地層(圖3c)。綜合反射和折射剖面信息，初步判斷F5－1斷層地面投射點(diǎn)為1510樁號(hào)附近。

圖3 合歡路場地淺層地震勘探典型剖面Fig.3 Typical section of shallow seismic profile at the Hehuan Road site.

2.3 鉆孔聯(lián)合剖面探測

依據(jù)淺層地震勘探解譯的F5－1斷層?xùn)|傾，斷層西側(cè)基巖埋深淺、東側(cè)深的實(shí)際情況，又鑒于淺層地震勘探存在一定的定位誤差，我們于樁號(hào)1 510兩側(cè)各35m處布設(shè)了Hh1#和Hh2#鉆孔(圖4)。Hh1#孔揭露白堊系王氏組頂界為61.2m，王氏組上部為第四紀(jì)地層;而Hh2#孔王氏組頂界則為18.6m，王氏組與宿遷組不整合接觸，兩孔地層序列差異與地震勘探解譯的斷層兩側(cè)地層情況吻合，因此斷層存在于兩孔之間。在兩孔中間樁號(hào)1 510處布設(shè)Hh3#孔，其揭露的地層序列與Hh2#相近，而與Hh1#相差非常大，參考對(duì)折定位方法原理(雷啟云等，2011)，斷層應(yīng)位于Hh1#和Hh3#之間?？紤]到淺層地震所解譯的F5－1斷點(diǎn)東傾，其斷點(diǎn)上延后，斷層應(yīng)更接近Hh3#孔，因此，在距Hh3#孔15m處布設(shè)了Hh4#孔。Hh4#孔在34.1～34.6m揭露斷層，斷層下盤為王氏組，上盤為第四系棕黃色黏土，斷層帶主要是灰白色黏土(圖5)。為進(jìn)一步縮小斷層上斷點(diǎn)范圍，在距離Hh3#孔東8m處又布設(shè)Hh5#孔，該鉆孔在24.8～25.3m揭露斷層，斷層上、下盤地層及斷層泥與Hh4#揭露完全一致(圖5)，至此可以確定斷層上斷點(diǎn)應(yīng)在Hh3#和Hh5#之間。鉆孔Hh3#和Hh5#之間的孔間距為8m，兩孔孔口標(biāo)高差約0.2m，層⑧底界差0.3m，而標(biāo)志性層⑨底界只差0.1m，難以合理說明斷層斷錯(cuò)最新層位。為進(jìn)一步縮小斷層上斷點(diǎn)范圍，明確斷層斷錯(cuò)的最新地層，在Hh3#和Hh5#之間布設(shè)了Hh6#孔。Hh6#孔揭露的地層序列與Hh3#孔相近，且宿遷組與王氏組之間不整合接觸。Hh5#和Hh6#之間孔間距5m，孔口標(biāo)高差0.13m，標(biāo)志性層⑨底界沒有位差，而層⑧底界依然存在0.3m位差。綜合各孔地層關(guān)系，判斷斷層上斷點(diǎn)在Hh5#和Hh6#孔之間5m范圍內(nèi)，斷層斷錯(cuò)層⑧底界，上斷點(diǎn)位于層⑧4.4～6.1m。

圖4 合歡路井位布設(shè)位置圖Fig.4 The relative position of boreholes at the Hehuan Road site.

后期層⑧～層?的測年結(jié)果明顯偏老，都在25ka BP以上，有可能這些地層是在修路過程中后期人為填入或者受到修路時(shí)人為擾動(dòng)影響，且現(xiàn)今合歡路瀝青路面較北側(cè)麥田有約4m多的高差(圖2b)。需開挖探槽確定斷層上斷點(diǎn)及斷層活動(dòng)性的準(zhǔn)確信息，并利用探槽確定斷層斷錯(cuò)的最新地層年齡與鉆探結(jié)果相互校正。

總之，合歡路鉆孔聯(lián)合剖面共布設(shè)了6個(gè)鉆孔，孔深19.8～83m，孔間距3～35m，有效限定了合歡路場地?cái)鄬拥奈恢?圖4，5)，為開挖探槽位置提供了可靠依據(jù)。

圖5 合歡路場地鉆孔聯(lián)合剖面Fig.5 The composite drilling section at the Hehuan Road site.

2.4 探槽研究

圖6 合歡路探槽剖面Fig.6 Cross section of the trench at Hehuan road.

根據(jù)合歡路場地鉆孔聯(lián)合剖面確定的斷層范圍，在合歡路北側(cè)斷層延長線約30m左右的農(nóng)田內(nèi)，并跨越田間疑似斷層陡坎，布設(shè)一個(gè)中型上下兩階探槽(圖2c，圖6)。探槽長16m，深5m，上階高2.7m，下階高2.3m。探槽開挖結(jié)果證明田間疑似斷層陡坎是受后期人為因素影響形成。探槽揭露斷層上斷點(diǎn)位于探槽中從東向西第8個(gè)1m格子中間。對(duì)探槽中控制古地震事件的每個(gè)分層采光釋光測年樣品，從中選取了15個(gè)樣品送到中國地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測定，除其中有6個(gè)樣品年齡明顯偏老外，其余9個(gè)樣品呈現(xiàn)從深部到淺部越來越年輕的正常年齡趨勢。這些樣品很好限定了合歡路探槽揭示的4次古地震事件。第1次事件斷層斷錯(cuò)沉積地層U3，并造成U3、U4地層變形，利用U3，U5地層年齡限定事件在(83.9±4.7)～(57.6±2.2)ka BP。第2次事件斷層斷錯(cuò)地層U5，事件后堆積U6楔狀地層，并被后期堆積U7地層所覆蓋。利用U5和U6地層限定事件在(50.4±1.6)～(45.3±1.2)ka BP。第3次事件斷層斷錯(cuò)事件發(fā)生前的堆積地層U7，U8，被后期形成的U9所覆蓋，當(dāng)時(shí)的地表和震后的沉積物一起填充楔體A的底部，利用楔體底部年齡和U8年齡，限定事件在(15.8±0.6)～(6.2±0.3)ka BP。最新一次事件斷層斷錯(cuò)(5.9±0.3)ka BP以來的堆積地層U9，被后期小沖溝帶來約20cm厚的礫石層覆蓋，事件限定發(fā)生在(5.9±0.3)ka BP以后。間接說明了鉆孔聯(lián)合剖面頂部地層可能受到人為因素的影響，有可能致使地層光釋光樣品測年結(jié)果偏老。

通過探槽確定的合歡路場地安丘－莒縣斷裂位于探槽中間，斷層最新一次活動(dòng)事件發(fā)生在(5.9±0.3)ka BP以后，屬于全新世活動(dòng)斷層。

3 小結(jié)

利用前人成果作為安丘－莒縣斷裂宿遷段地質(zhì)地貌調(diào)查的區(qū)域參考;通過地質(zhì)地貌調(diào)查，選擇合歡路附近開展淺層地震探測工作;利用淺層地震勘探方法初步判定斷層的位置;依據(jù)優(yōu)選法(對(duì)折法)布設(shè)鉆孔聯(lián)合剖面，將斷層上端點(diǎn)限定在5m寬、4.4～6.1m深的范圍內(nèi);在鉆孔確定的斷層位置的往北延長線上30m處開挖探槽，于探槽中間揭露出斷層帶，完成斷層近地表的精確定位。通過序列的年代樣品測試，很好地揭示了斷層的活動(dòng)性和古地震事件。顯然，利用多層次，多手段綜合探測方法，在合歡路場地安丘－莒縣斷裂宿遷段的斷層精定位及其活動(dòng)性研究中取得了很好的效果。

合歡路探槽顯示距今80ka以來，該斷層至少發(fā)生過4次古地震事件。最新一次事件發(fā)生在(5.9±0.3)ka BP以后，說明安丘－莒縣斷裂宿遷段，至少在宿遷北的合歡路一帶為全新世活動(dòng)斷層。