河套斷陷帶包頭斷裂第四紀(jì)活動性研究

馬興全 孫 杰 趙顯剛 王文旭 蔡穎哲 萬 娜

(河南省地震局，鄭州 450016)

河套斷陷帶包頭斷裂第四紀(jì)活動性研究

馬興全 孫 杰 趙顯剛 王文旭 蔡穎哲 萬 娜

(河南省地震局，鄭州 450016)

已有資料表明包頭斷裂呈NE走向隱伏展布于河套斷陷帶內(nèi)次級盆地白彥花凹陷的東邊界，目前關(guān)于該斷裂的活動性資料尚需補(bǔ)充。鑒于包頭斷裂發(fā)育于由烏拉山山前斷裂帶和大青山山前斷裂帶組成的傳遞斜坡內(nèi)部，研究其活動性不僅有助于深入討論相鄰活動斷裂帶的連接方式及活動響應(yīng)，還可為更全面地認(rèn)識河套斷陷帶的地震構(gòu)造特征提供資料。控制性淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面綜合探測是當(dāng)前研究隱伏斷裂活動性非常有效的方法之一?？绨^斷裂的淺層人工地震縱波反射剖面顯示該斷裂為傾向NW的正斷層，深度約75m處的強(qiáng)反射層(Tg)位錯量約為25m； 在此基礎(chǔ)上實(shí)施的聯(lián)合鉆探結(jié)果進(jìn)一步揭示了該斷裂具有明顯的生長斷層特征，其上斷點(diǎn)止于地層頂部埋深45.6m的早更新世棕紅色黏土層中，上覆上更新統(tǒng)與其為平行不整合接觸。包頭斷裂屬于早更新世斷裂。

河套斷陷帶 傳遞斜坡 包頭斷裂 淺層地震勘探 鉆孔聯(lián)合剖面

0 引言

自20世紀(jì)90年代起，部分學(xué)者即開始利用淺層地震勘探結(jié)合鉆孔聯(lián)合剖面來研究隱伏斷裂的活動性(向宏發(fā)等，1992，1993)。隨后一些學(xué)者嘗試?yán)勉@孔地層以及年代學(xué)結(jié)果來恢復(fù)活動斷裂的古地震記錄(徐錫偉等，2000； 江娃利，2001； Blais-Stevensetal.，2001； Kukkonenetal.，2010； Stockheckeetal.，2012； Wangetal.，2014; Ezquerroetal.，2015)。近年來借助于城市活斷層探測工程的廣泛開展，該方法得到了大規(guī)模的應(yīng)用和改進(jìn)(Moreyetal.，1998； Chowetal.，2001； Prattetal.，2002； Improtaetal.，2003； 張學(xué)輝等，2006； 劉保金等，2008； 雷啟云等，2008； 郭永鋒等，2009)。目前，利用淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面綜合探測已成為研究隱伏斷裂的重要手段之一。

圖1 研究區(qū)地震構(gòu)造圖Fig. 1 Sketch map of seismic tectonics in the target zone.F1 烏拉山山前斷裂帶； F2 大青山山前斷裂帶； F3 包頭斷裂；F4 沙河-沙慶斷裂； F5 大樹灣斷裂； F6 達(dá)拉特?cái)嗔眩?右上角小圖中的紅框?yàn)檠芯繀^(qū)

包頭斷裂為河套斷陷帶內(nèi)白彥花凹陷的東邊界，亦是白彥花凹陷與包頭凸起的分界斷裂。根據(jù)現(xiàn)有資料，包頭斷裂(F3)與沙河-沙慶斷裂(F4)呈NE走向共同展布于由烏拉山山前斷裂帶東段與大青山山前斷裂帶西段夾持的傳遞斜坡(relay ramp)中(圖1)，它們的活動程度關(guān)系著該傳遞斜坡的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響著這2條斷裂帶的連接方式及其在未來大地震中發(fā)生級聯(lián)破裂的可能性(Gawthorpeetal.，1993； Peacocketal.，1994； Cartwrightetal.，1995； Childsetal.，1995； Crideretal.，1998； Ferrilletal.，1998； Vermilyeetal.，1999； McLeodetal.，2000； Imberetal.，2004； Solivaetal.，2008)。因此，為了更全面地認(rèn)識該區(qū)的地震構(gòu)造，不僅要深入研究烏拉山山前斷裂帶和大青山山前斷裂帶的活動性，還要對這2條斷裂帶之間傳遞斜坡內(nèi)部的斷裂活動情況展開討論。烏拉山山前斷裂帶和大青山山前斷裂帶均為全新世以來強(qiáng)烈活動的斷裂帶(“鄂爾多斯周緣活動斷裂系”課題組，1988； 江娃利等，2000b； 聶宗笙等，2010，2011)，目前關(guān)于它們的幾何特征及活動性等方面的研究已取得豐碩成果(聶宗笙等，1986； “鄂爾多斯周緣活動斷裂系”課題組，1988； 吳衛(wèi)民等，1995； 梁金鵬等，1997； 馬保起等，1998，2000； 江娃利等，2000a； 江娃利，2001； 冉勇康等，2002，2003； 李彥寶，2013； 李彥寶等，2015)。沙河-沙慶斷裂(F4)與大青山山前斷裂西段一起構(gòu)成了包頭凸起的東邊界，為第四紀(jì)早期活動斷裂*中國地震災(zāi)害防御中心，2015，標(biāo)準(zhǔn)鉆孔與第四紀(jì)地層剖面建立報(bào)告。。而包頭斷裂(F3)目前仍缺乏可靠的活動性資料。

本文首先通過淺層地震勘探解譯斷點(diǎn)位置，后在包頭東烏素圖公園北側(cè)開展聯(lián)合鉆探，建立鉆孔聯(lián)合剖面，通過對比各地層于各鉆孔的出露深度及厚度差異，劃分出斷錯地層序列，再結(jié)合該區(qū)豐富的地層及年代學(xué)資料，討論包頭斷裂的第四紀(jì)活動性。

1 控制性淺層地震勘探

淺層地震勘探是探測地下地質(zhì)構(gòu)造的有效手段，目前針對隱伏斷裂的探測主要使用地震反射波法。本次淺層地震勘探使用18ton可控震源車，基本參數(shù)如下：

(1)觀測系統(tǒng) 接收道數(shù)192道，偏移距0m，道間距3m，炮點(diǎn)距9m或18m，16—32次覆蓋，采用中間激發(fā)。

(2)數(shù)據(jù)采集 使用408UL地震采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采樣間隔0.5ms，記錄長度2s，前放增益12dB，記錄格式SEG-D，全通帶接收。

(3)激發(fā)因素 激振頻率為20～120Hz，掃描長度8s，掃描次數(shù)8次，驅(qū)動電平70%。

(4)接收參數(shù) 60Hz檢波器2串2并組合，同點(diǎn)堆置。

測線DZ-1布設(shè)見圖1。結(jié)果顯示在地震時間剖面0.05～0.3s出現(xiàn)1組連續(xù)性好，能量強(qiáng)，多以1、 2相位出現(xiàn)的反射波組(Tg)。在樁號2,842～2,922，由于受到斷層影響，深度約75m的強(qiáng)反射層(Tg)位錯量約25m(圖2)。由于本區(qū)地層波阻抗差異小，反射系數(shù)小，特征波組不突出，且斷層淺部的落差小，造成斷層在Tg層以上的延伸情況和上斷點(diǎn)位置不清楚，確定其活動性需要進(jìn)一步地開展鉆探。

圖2 淺層人工地震縱波反射時間剖面DZ-1(道間距3m)Fig. 2 Interpretation of shallow seismic profile，DZ-1.

2 鉆孔聯(lián)合剖面及地層單元劃分

根據(jù)淺層地震勘探解譯的斷點(diǎn)位置在烏素圖公園的北側(cè)布置250m長的鉆孔剖面。由于該區(qū)廣泛接受來自烏拉山的坡洪積物、 黃河漫灘河流相以及湖相沉積物、 風(fēng)積物的混合堆積，造成地層復(fù)雜多變且較多礫石層和礫石透鏡體，鉆探和取芯具有一定的難度。通過孔內(nèi)不同時代地層的縱向?qū)Ρ纫约巴坏貙釉诟骺?橫向)的揭露情況，發(fā)現(xiàn)各地層在各孔均有良好的對應(yīng)關(guān)系，指示了橫向上較為穩(wěn)定的沉積環(huán)境。根據(jù)土層的顏色、 粒度等物理性質(zhì)和標(biāo)志層將地層由淺至深分為3套(圖3)。分述如下：

圖3 烏素圖公園北側(cè)鉆孔聯(lián)合剖面Fig. 3 Composite drilling section on the north of Wusutu Park.Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ為3套地層序號，以較粗黑線分開； ①—⑦為地層單元編號

Ⅰ套地層自地表至22.3m深度附近，該套地層以棕黃色—淺棕黃色砂層、 粉砂層為主，夾有若干礫石層(透鏡體)，含水量低，松散；

Ⅱ套地層深度22.3～36.5m左右，該套地層頂、 底均以富含黃褐色鐵質(zhì)結(jié)核斑點(diǎn)和云母顆粒的綠色黏土、 粉質(zhì)黏土、 綠色含礫中砂為標(biāo)志。頂部標(biāo)志層深度為22.3～23.6m，底部位于35～36.5m；

Ⅲ套地層自36.5m深度向下，為1套棕紅色黏土、 礫石層、 粉質(zhì)黏土以及棕紅色含鈣質(zhì)結(jié)核粉土互層，厚度巨大。

為了明確斷層性質(zhì)及斷錯地層序列，校正各孔高程后，自下而上細(xì)分出如下7個地層單元(圖3)：

①鈣質(zhì)結(jié)核層 該層為較厚的、 高度密實(shí)的鈣質(zhì)結(jié)核，主體呈現(xiàn)淺肉紅色，據(jù)其與上部地層明顯的物理特征差異推測其可能為反射層Tg。該層由BTZ-1和BTZ-2孔揭露，前者出現(xiàn)深度為95.1m，后者為78.4m，兩者落差16.7m。

表1 層①—⑤頂?shù)茁裆罴拔诲e量

Table1 The depth of the top and bottom of the strata ①—⑤ and the respective displacements

m

注 “/”代表該層的頂即上部地層的底； “—”表示未見底。②薄層棕紅色黏土、 粉質(zhì)黏土 該層的厚度比較穩(wěn)定，各個鉆孔均有出露，其厚度為1.1～1.3m。其中，上盤BTZ-1、 BTZ-5與BTZ-7出現(xiàn)深度分別為75.1～76.3m、 72～73.5m和75.4～76.6m； 下盤BTZ-6、 BTZ-4、 BTZ-3和BTZ-2孔出現(xiàn)深度分別為58.3～59.6m、 60.8～61.9m、 60.1～61.2m和68.5～69.5m。

③厚層棕紅色黏土 該層在上下盤沉積的厚度不等，BTZ-5、 BTZ-7孔揭露深度分別為59～65.6m與59.3～66.7m，平均厚度6.7～6.8m； 下盤沉積較薄，BTZ-4、 BTZ-3、 BTZ-6孔分別于54.8～58.6m、 54.7～57m、 54.3～56.2m深度出現(xiàn)該層。

④厚層棕紅色粉土，夾雜礫石 該層亦出現(xiàn)上盤厚度大于下盤的現(xiàn)象，BTZ-5、 BTZ-7孔出現(xiàn)深度為52.5～59m、 52.1～59.3m，平均厚度6.8m； 下盤BTZ-6、 BTZ-4、 BTZ-3中該層出露深度為49.1～54.3m、 49.1～54.8m、 49.5～54.7m，平均厚度5.1～5.3m。

⑤厚層棕紅色黏土 該層特征與層③厚棕紅黏土類似，上盤BTZ-5、 BTZ-7孔中的出現(xiàn)深度分別為45.6～52.5m、 45.1～52.1m，平均厚度為7m； 下盤BTZ-6、 BTZ-4、 BTZ-3孔分別于45.6～49.1m、 45.6～49.1m、 46～49.5m深度出現(xiàn)，平均厚3.5m。

⑥綠色黏土、 粉質(zhì)黏土，底部為綠色含礫中砂 該層富含黃褐色的鐵質(zhì)結(jié)核斑點(diǎn)和云母顆粒，下部呈現(xiàn)水平微層理，表現(xiàn)出湖相沉積的特點(diǎn)。

⑦綠色黏土、 粉質(zhì)黏土，底部為綠色中粗砂，與層⑥類似。各層的厚度及位錯量見表1。

包頭斷裂具有明顯的生長斷層的特征。層⑤，層④以及層③在斷層下降盤的沉積厚度(分別為6.9m、 6.5m和6.6m)均明顯大于其在上升盤的沉積厚度(3.5m、 5.2m和1.9m)。從層①到層⑤，位錯量隨著地層年代的逐漸年輕而減小，層⑤的頂面在斷層上、 下盤均埋深45.6m，說明包頭斷裂的活動限于層⑤沉積結(jié)束之前。

3 地層年代及包頭斷裂活動性

前人在河套地區(qū)廣泛開展的關(guān)于地層學(xué)和古環(huán)境研究已取得的豐碩成果(聶宗笙等，1988； 馬保起等，2004； 李建彪等，2005；李建彪，2006； 梁阿如娜，2011； 蔣復(fù)初等，2012)，為我們判斷包頭斷裂的活動時代提供了豐富的年代學(xué)資料。包頭地區(qū)廣泛沉積薩拉烏蘇組與城川組2套湖相地層，年代分別對應(yīng)晚更新世早期與晚期(聶宗笙等，1988； 李建彪，2006)，呼包盆地的下更新統(tǒng)主要為棕紅—棕黃色黏土、 黏土質(zhì)粉砂，中更新統(tǒng)以灰色、 深灰色黏土和棕黃—淺灰色黏土為主(李建彪等，2007)。

通過對比鉆孔聯(lián)合剖面(圖3)與現(xiàn)有的研究成果，地層單元②—⑤整體以棕紅色黏土，夾雜棕紅色粉土及粉質(zhì)黏土、 粗砂層為主，其年代應(yīng)為早更新世。標(biāo)志層⑥、 ⑦為綠色黏土、 粉質(zhì)黏土，底部為綠色中—細(xì)砂并具有水平微層理，具有典型湖泊相的沉積特征，認(rèn)為其分別對應(yīng)著薩拉烏蘇組和城川組，年代分別為晚更新世的早期與晚期，其沉積未受斷裂活動影響。斷裂上斷點(diǎn)終止于45.6m處，僅位錯下更新統(tǒng)，據(jù)此認(rèn)為包頭斷裂屬早更新世活動斷裂。

4 結(jié)論與討論

本文通過淺層地震勘探解譯、 聯(lián)合鉆探及地層對比，獲取了包頭斷裂的活動性。取得的主要結(jié)論如下：

(1)包頭斷裂為傾向NW的生長正斷層，其上斷點(diǎn)止于下更新統(tǒng)中，屬于早更新世斷裂；

(2)鉆孔內(nèi)不同時代地層性質(zhì)差異明顯，橫向沉積環(huán)境相對穩(wěn)定，晚更新世湖相地層與下更新統(tǒng)的顏色、 巖性與標(biāo)準(zhǔn)地層可比，兩者為平行不整合接觸，該區(qū)缺失中更新統(tǒng)。

該結(jié)果對討論烏拉山山前斷裂帶東段與大青山山前斷裂帶西段之間的構(gòu)造關(guān)系有重要意義。前已述及，沙河-沙慶斷裂為第四紀(jì)早期活動斷裂，那么包頭凸起可能為大青山隆起向W擴(kuò)展的組成部分； 也就是說，大青山山前斷裂的擴(kuò)展使包頭凸起與大青山隆起一起進(jìn)行差異性升降運(yùn)動，并在局部形成半地塹盆地； 結(jié)合本文包頭斷裂為早更新世斷裂的結(jié)論，可以判斷包頭凸起可能為分隔烏拉山山前斷裂與大青山山前斷裂的障礙構(gòu)造，這將使得二者更趨向作為獨(dú)立的發(fā)震構(gòu)造來完成破裂過程。

致謝 感謝審稿專家及中國地震局地質(zhì)研究所李彥寶博士后對本文提出的建議。

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THE STUDY OF QUATERNARY ACTIVITY OF BAOTOU FAULT IN HETAO ACITVE FAULT SUBSIDENCE ZONE

MA Xing-quan SUN Jie ZHAO Xian-gang WANG Wen-xu CAI Ying-zhe WAN Na

(EarthquakeAdministrationofHenanProvince，Zhengzhou450016，China)

Existing achievements about Baotou Fault demonstrate it as a buried eastern boundary of the Baiyanhua Basin in Hetao active fault subsidence zone，striking NE. More data is needed to assess its activity. Located in the relay ramp between Wulashan Fault and Daqingshan Fault，Baotou Fault’s activity is of great importance to discuss the linkage mode and the response to the earthquake of the adjacent fault. Also it is necessary to the knowledge of the characteristic of the seismic tectonic in local area. Recently it is prevalent to combine shallow seismic profile and composite drilling section to study the activity of the buried fault. Shallow seismic profile indicates that Baotou Fault is a normal fault，inclining to NW. The displacement of the Tg at 75m underground is 25m. Composite drilling section indicates that it is a growth fault，the up-break point of which is 45.6m underground and ends in brownish red clay strata of early Pleistocene. In comparison，the upper Late Pleistocene strata are out of the influences of the tectonic subsidence zone. Baotou Fault’s activity is limited to the early Pleistocene.

Hetao active fault subsidence zone，relay ramp，Baotou Fault，shallow seismic profile，composite drilling section

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.04.006

2014-09-23收稿，2015-06-01改回。

中國地震局 “中國城市活動斷層探測與地震危險(xiǎn)性評價(jià)”項(xiàng)目資助。

P315.2

A

0253-4967(2016)04-0874-11

馬興全，男，1987年生，2013年于中國地震局地質(zhì)研究所獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事地震地質(zhì)、 活動構(gòu)造與工程抗震方面研究，電話： 0371-68109105，E-mail: 568046846@qq.com。