懷安盆地北緣斷裂構(gòu)造幾何與活動特征

周月玲，尤惠川，楊家亮，邊慶凱，彭遠黔

(1.河北省地震局，石家莊　050022； 2.中國地震局地球物理研究所，北京　100081)

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懷安盆地北緣斷裂構(gòu)造幾何與活動特征

周月玲1，尤惠川2，楊家亮1，邊慶凱1，彭遠黔1

(1.河北省地震局，石家莊050022； 2.中國地震局地球物理研究所，北京100081)

摘要：結(jié)合前人調(diào)查和研究資料，綜合運用地形地貌分析、地質(zhì)調(diào)查、遙感解譯等方法，詳細分析了懷安盆地北緣斷裂的構(gòu)造地貌特征，較為系統(tǒng)地研究了斷裂帶的幾何結(jié)構(gòu)、構(gòu)造變形及活動特征。懷安盆地北緣斷裂控制著懷安盆地附近的第四紀構(gòu)造演化和地貌發(fā)育，根據(jù)斷裂展布和活動性可分為3段，即東段(洗馬林—東洋河)、中段(東洋河—馬市口)和西段(馬市口—韓家營)。懷安盆地北緣斷裂為典型的山、盆構(gòu)造界線，沿線斷裂活動特征明顯，斷面上留有斷層活動的痕跡——鏡面構(gòu)造、擦痕；不同段落具有不同的活動特征，東段活動性最強，中段次之，西段最弱。

關(guān)鍵詞：懷安盆地北緣斷裂; 第四紀; 構(gòu)造變形; 活動性

0引言

本研究區(qū)在構(gòu)造上為山西構(gòu)造帶與張家口—渤海構(gòu)造帶的交匯部位,具有復(fù)雜的大地構(gòu)造、活動構(gòu)造和地震構(gòu)造特征[1-6]。以斷裂帶為界，在地質(zhì)上形成了太古代/中生代地層與第四紀晚期堆積物截然相接，在地貌上形成了低山—丘陵與沖洪積扇(盆地平原)的分界；在地震活動方面形成了斷裂帶南側(cè)小震頻繁與斷裂帶北側(cè)小震稀少的現(xiàn)象。1994年方仲景等[7]曾對該斷裂的活動性進行過研究，然而近些年，對于這樣一條構(gòu)造復(fù)雜的斷裂的深入研究未見報道。因此，本文從斷裂的地形地貌與構(gòu)造幾何的角度進一步介紹該斷裂的活動情況。

本文根據(jù)城市活斷層探測與地震危險性評價中地質(zhì)地貌調(diào)查時獲得的詳實資料，對斷裂帶的構(gòu)造幾何和活動性進行了深入的分析與研究。

1區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征

1.1區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造演化

中朝準地臺是本區(qū)占主導(dǎo)地位亞一級構(gòu)造單元,其結(jié)晶基底為太古代—早元古代變質(zhì)巖系，之上堆積有中、晚元古代—古生代沉積蓋層，以碳酸鹽巖和碎屑巖為主。古生代時，本區(qū)構(gòu)造強烈活動，尚義—赤城斷裂的持續(xù)活動，使其構(gòu)成了內(nèi)蒙地軸與燕山臺褶帶的天然界線[8]；中生代期間，在巨大瀕太平洋構(gòu)造帶的強烈活動、地幔熱柱及多重流變作用下，本區(qū)主要表現(xiàn)為斷塊差異運動，之后，構(gòu)造演化進入喜馬拉雅構(gòu)造發(fā)展階段;白堊紀末至古近紀初，本區(qū)構(gòu)造活動相對平穩(wěn)，廣大地區(qū)處于剝蝕環(huán)境。在大地構(gòu)造上本區(qū)主要分屬其中的內(nèi)蒙臺背斜、燕山沉陷帶及山西臺背斜3個二級構(gòu)造單元。內(nèi)蒙臺背斜基本上自早元古代至古生代長期處于上升剝蝕狀態(tài)；燕山沉陷帶是在中元古代初沿尚義—赤城深大斷裂南側(cè)產(chǎn)生較大幅度的沉陷，并伴隨著輕微的水下火山活動；山西臺背斜在元古代基底趨于穩(wěn)定，本區(qū)僅局部有長城紀地層出露，燕山運動隆起形成臺背斜。

新構(gòu)造運動以來，區(qū)內(nèi)不同地塊之間表現(xiàn)出很大的構(gòu)造差異運動。古近紀時期，本區(qū)處于剝蝕環(huán)境，形成準平原化地形。新近紀期間，斷裂活動使早期準平原分化、瓦解，形成一系列斷陷盆地，它們與周圍的隆起斷塊(山地)一起形成盆、嶺構(gòu)造，且控制盆地的發(fā)展演化。

1.2盆地演化與新構(gòu)造特征

本區(qū)隸屬于洋河盆地的次級盆地——懷安盆地，與洋河盆地有類似的演化與新構(gòu)造運動特征。

洋河形成于第三紀喜馬拉雅運動時期，河水注入到古懷來湖中，下更新世后期，東部沿海陸地下降，古永定河溯源侵蝕加劇，鑿穿了古懷來湖，使得湖水東泄入海[5]。第四紀期間，洋河沖、洪積山間盆地形成。洋河自西向東貫穿其中，自懷安縣柴溝堡附近，東、西洋河合并始稱洋河，流經(jīng)萬全、張家口、宣化，接納了洪塘河、清水河兩大支流，后經(jīng)下花園、懷來等地注入官廳水庫。該盆地EW向較長，NS向較短，總體地勢NW高、ES低，由懷安、萬全、張家口、宣化等多個凹陷組成。

新生代期間，區(qū)域以裂陷構(gòu)造和斷塊隆起為主要特征，形成了晉冀蒙盆嶺構(gòu)造區(qū)。懷安盆地區(qū)平均海拔700 m左右，是一個第三紀到第四紀早期的強烈斷陷，第四紀中、晚期以來斷凹繼續(xù)，但下降速度大大減弱；懷安盆地北緣斷裂以北為丘陵低山隆起區(qū)，新生代以來，隆起區(qū)主體緩慢抬升，構(gòu)造活動微弱，主要的差異運動都發(fā)生在隆起區(qū)周緣的斷陷盆地帶。

2斷裂帶兩側(cè)地質(zhì)地貌特征

懷安盆地北緣斷裂為山、盆分界線，地質(zhì)地貌表現(xiàn)極為清楚。斷裂以北為太古代片麻巖、變質(zhì)巖組成的海拔1 000～1 700 m，NEE向的分水嶺山地；斷裂以南為第四紀地層組成的沖洪積臺地和盆地，盆地內(nèi)出露的新生代地層主要為中、晚更新世和全新世地層。山地與臺地/盆地的高差較大，最大相對高差達1 000 m以上，斷裂兩側(cè)地層呈高角度正斷層接觸。

圖1　懷安盆地北緣斷裂的5條地形剖面位置圖

圖1為跨懷安盆地北緣斷裂的5條地形剖面位置圖，圖2為懷安盆地北緣斷裂的5條地形剖面圖。從圖1中可以看出，懷安盆地北緣斷裂兩側(cè)地形地貌差異顯著，北側(cè)是峰谷交替的山地，南側(cè)為地勢相對平緩的沖洪積扇平原，兩側(cè)最大落差可達200 m，斷裂沿線地形變化突然，反映出該斷裂存在比較強烈的新活動，且具有較大的垂向運動分量。剖面1和剖面2為東洋河以東段落，剖面3和剖面4為東洋河—馬市口段落，剖面5為馬市口以西段落。地形剖面顯示，剖面3和剖面4地形變化最大，剖面1和剖面2次之，剖面5最弱。

圖2　懷安盆地北緣斷裂地形剖面圖

3斷裂帶分段幾何結(jié)構(gòu)與構(gòu)造變形

懷安盆地北緣斷裂呈弧形展布，東起萬全縣境的前水關(guān)，向西南經(jīng)柳溝、羊窖溝后轉(zhuǎn)為近EW向，延至洋河、趙家窯、馬市口、北營子，止于內(nèi)蒙古境內(nèi)的喇嘛營一帶，全長約50 km，沿線多處可見高角度正斷層，中西部地段局部發(fā)現(xiàn)左旋走滑現(xiàn)象(圖3)。該斷裂是在中生代逆沖斷裂的基礎(chǔ)上，于第四紀期間產(chǎn)生反向正斷活動而形成懷安半地塹的北緣主控邊界斷裂的，表現(xiàn)出比較強烈的正斷活動[7]。斷裂東端被NW向洗馬林斷裂所截，斷裂西端消失于基巖山中。該斷裂在衛(wèi)片上有清晰的線性影像，在盆地東北部尤為明顯，顯示了盆地與山嶺間的較為強烈的差異活動。該斷裂自形成以來經(jīng)歷多次活動，錯斷了不同時代的地層，而且斷裂具有分段活動的特點，依據(jù)其幾何展布及結(jié)構(gòu)、活動性差異等可初步分為3段：即東段(洗馬林北—東洋河)、中段(東洋河—馬市口)和西段(馬市口—韓家營)。下面分段論述該斷裂的的幾何結(jié)構(gòu)與構(gòu)造變形特征。

注：1.正斷層；2.斷層分段邊界(三角代表段落邊界)；3．斷層段落序號；4．盆嶺邊界；①懷安盆地北緣斷裂；②洗馬林斷裂圖3　懷安盆地及其北緣斷裂展布圖

3.1東段

該段為洗馬林北—東洋河之間的斷裂，位于懷安盆地東北，走向35°～45°，長10 km有余，為山盆之間的構(gòu)造邊界，控制著沿線地貌發(fā)育，斷裂兩盤落差高達100～200 m。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該斷裂的地質(zhì)地貌現(xiàn)象極為豐富，斷面及滑動構(gòu)造清晰，地貌表現(xiàn)非常清楚，具正斷層性質(zhì)，錯斷了晚更新世地層。

在舊堡西北山前，基巖斷層三角面及斷層崖發(fā)育，斷裂通過處形成明顯的小陡坎。斷裂西北側(cè)為白堊紀砂礫巖構(gòu)成的低山丘陵，東南側(cè)為沖洪積扇組成的低臺地及沖積平原，圖3清楚可見斷裂位于丘陵與臺地之間，形成滑動鏡面，下降盤為黃土狀堆積，可見其受斷裂活動影響至少下降了3 m。斷層陡坎經(jīng)后期風(fēng)化剝蝕明顯變緩，上覆全新世坡積物(圖4，圖5)。

a　舊堡西北斷裂地貌(鏡向WS) b　舊堡西北斷裂地質(zhì)剖面(①礫巖；②黃土)圖4　舊堡西北斷裂地貌及地質(zhì)剖面圖

在柳溝村北，斷裂地貌表現(xiàn)極為清楚，形成巨大的基巖陡崖(圖6)。此處斷裂走向NE，西北盤為太古代片麻巖構(gòu)成的中低山，東南側(cè)是沖洪積扇組成的臺地和沖積平原。從照片上可見，斷裂構(gòu)成山地與洪積扇的分界線，下降盤的黃土中至今還能發(fā)現(xiàn)人們挖掘的窯洞殘留體，受斷裂活動影響至少下降了5 m；上升盤為太古代片麻巖，2盤地層近垂直接觸。

圖5　舊堡西山前斷裂地貌(鏡向WS)

圖6　柳溝村北斷裂地貌(鏡像NW)

在羊窖溝西，斷裂錯斷了晚更新世次生黃土(圖7)，地表上形成高10 m左右的斷層崖。此處，斷層走向NE-NEE，斷面具有鏡面構(gòu)造及近垂直擦痕，為太古代巖石與第四紀地層的高角度接觸面。下降盤發(fā)現(xiàn)沉積層理被次級斷裂錯斷的現(xiàn)象，表明晚更新世以來至少有2次活動，主次斷裂呈反“y”字形。

圖7　羊窖溝斷裂剖面

3.2中段

該段為東洋河往西至馬市口段，斷裂走向近EW，傾向南，斷裂沿線地貌發(fā)現(xiàn)左旋走滑現(xiàn)象。在西趙家窯村北，發(fā)現(xiàn)斷裂左旋扭動了小沖溝(圖8)，水平位錯距離約3 m，在弧形沖溝一壁發(fā)現(xiàn)多條小斷層面，并發(fā)現(xiàn)沖溝稍微上游一點有斷裂作用形成的跌水(裂點，后退)；在附近另一沖溝內(nèi)，見規(guī)模很大的基巖破碎帶，早期的擠壓破碎和晚期的拉張走滑等現(xiàn)象豐富，存在多個滑動面，破碎帶前緣溝口還發(fā)現(xiàn)了斷裂錯斷晚第四紀年輕地層的現(xiàn)象(圖9)，微地貌已經(jīng)被破壞，變化不是特別明顯，下盤為具有水平層理的含礫砂層，上盤為具有垂直節(jié)理的黃土狀土，為正斷層。據(jù)方仲景等[7]在該段發(fā)現(xiàn)的斷層剖面，斷裂錯斷了晚更新世晚期地層，未錯斷全新世中期的褐灰色腐殖土層。

圖8　西趙家窯沖溝錯斷地貌(鏡向WS)

圖9　西趙家窯斷裂剖面(鏡向NE)

3.3西段

3.4小結(jié)

懷安盆地北緣斷裂走向由NNE、NE轉(zhuǎn)為近EW向，具有分段活動特征，東段以正斷為主，晚更新世以來有多次活動，主次斷裂呈反“y”字形，磨光面、擦痕等斷裂活動跡象豐富；中段左旋走滑現(xiàn)象豐富，兼有正斷性質(zhì)；西段斷裂沿線可見斷層形跡，斷裂活動性最弱。

4斷裂的活動強度

懷安盆地北緣斷裂東段多處可發(fā)現(xiàn)斷裂晚更新世以來垂直運動跡象，舊堡西北處斷裂至少錯動3 m；柳溝村北斷裂至少錯動5 m；羊窖溝西可見10 m左右的斷層崖。如果晚更新世以1.83萬年估計，斷裂大部分段落平均垂直活動速率為R=0.16～0.27 mm/a，與方仲景等[7]給出的斷裂垂直滑動速率R=0.21～0.22 mm/a相近，斷裂最大垂直運動發(fā)生在羊窖溝附近，最大垂直滑動速率達0.55 mm/a。

懷安盆地北緣斷裂中段拉張走滑現(xiàn)象豐富，西趙家窯村北發(fā)現(xiàn)斷裂左旋扭動了小沖溝，水平位錯距離約3 m。斷裂最新活動時代為晚更新世，如果晚更新世以1.83萬年估計，斷裂平均拉張速率為0.16 mm/a。

懷安盆地北緣斷裂西段的斷裂活動主要發(fā)生在Q3以前,斷裂垂直運動不是特別明顯，估計該段斷裂具有走滑正斷性質(zhì)。

綜上所述，懷安盆地北緣斷裂東段活動時代最新可能到全新世，主要活動時代為晚更新世晚期，以正斷為主，垂直運動量最大達10 m；斷裂中段具有左旋正斷性質(zhì)，拉張量達3 m左右，最新活動時代為晚更新世晚期；斷裂西段具有走滑正斷性質(zhì)，活動時代主要在晚更新世早期或以前，活動強度與活動性均最弱。

5結(jié)論與認識

基于上述分析，可得出以下結(jié)論：

1)懷安盆地北緣斷裂是一條弧形斷裂，由于斷裂活動形成較大的地勢落差，構(gòu)成中低山地與沖洪積盆地的分界線，沿斷裂發(fā)現(xiàn)多處斷層崖、斷層三角面、斷層陡坎等地貌現(xiàn)象。

2)懷安盆地北緣斷裂為晚更新世以來有過多次活動且兼有走滑的正斷層，東段活動最強，西段最弱。走向由NNE、NE轉(zhuǎn)為近EW向，具有分段活動特征。

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Geometrical Characteristics and Tectonic Activities of Northern Margin Fault of the Huai'an Basin

ZHOU Yue-ling1, YOU Hui-chuan2, YANG Jia-liang1, BIAN Qing-kai1, PENG Yuan-qian1

(1. Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050022, China;2.Institute of Geophysics, CEA, Beijing 100081, China)

Abstract:Combining with previous investigation and research data, this paper analyzes the tectonic feature of the northern margin fault of the Huai 'an basin using the methods of topography analysis, geological survey, remote sensing, etc, systematically studies the geometric structure, tectonic deformation and fault activity characteristics of the active fault zone. Huai'an basin fault controls the development of the Quaternary tectonic evolution and landform near the Huai'an basin. According to the fault distribution and fault activity, it can be divided into three sections: the eastern segment (Ximalin-Dongyanghe river), middle segment (Dongyanghe river-Mashikou) and west segment (Mashikou-Hanjiaying). The fault is a atypical mountain-basin boundary, along which we can found significant activity characteristics in many places. There are fault activity traces on the fracture surface: mirror structure, scratches. Each stage has their own activity features, the east segment has the strongest activity, the middle segment take second place , the west segment has the weakest activity．

Key words:the northern margin fault of the Huai'an basin; Quaternary; tectonic deformation; tectonic activities

doi:10.3969/j.issn.1003-1375.2016.01.008

中圖分類號:P542

文獻標志碼:A

文章編號:1003-1375(2016)01-0047-06

作者簡介：周月玲(1983—)，女，工程師，主要從事活動斷層探測與深淺構(gòu)造關(guān)系研究.E-mail：zyl19831111@sina.com

基金項目：河北省1∶25萬地震構(gòu)造圖編制 (DZ20150504104)；河北省地震科技星火計劃項目(DZ20150423057，DZ20141225075)

收稿日期:2015-06-30

周月玲，尤惠川，楊家亮，等．懷安盆地北緣斷裂構(gòu)造幾何與活動特征[J]．華北地震科學(xué)，2016，34(1):47-52.