深井盆地南緣斷裂特征與活動性研究1

周月玲 郭秋娜 孟立朋 范 強 邊慶凱

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深井盆地南緣斷裂特征與活動性研究1

周月玲 郭秋娜 孟立朋 范 強 邊慶凱

（河北省地震局，石家莊050022）

深井盆地是山西斷陷盆地帶北段內(nèi)部一個規(guī)模很小的次級盆地，為中更新世以來發(fā)育的三角型山間小型盆地。盆地附近斷裂發(fā)育，構造復雜，深井盆地南緣斷裂為主控邊界斷裂，控制著盆地的發(fā)展演化。本文通過對地形地貌、斷裂剖面、地層測年及地震活動等方面的分析和研究，獲得了斷裂活動時代和活動速率等參數(shù)，綜合闡述了斷裂的空間展布及活動特征。研究表明：深井盆地南緣斷裂晚第四紀期間仍在活動，最新活動時代為晚更新世晚期；斷裂具有分段性，西段長約6km，多處可見斷裂錯斷晚更新世地層剖面，屬正斷傾滑性質(zhì)；東段表現(xiàn)為盆地與黃土斜坡直接接觸，由西向東斷裂地貌表現(xiàn)逐漸減弱，未見明顯的斷裂剖面，止于NW向構造，附近發(fā)生的4次4?級地震與該段斷裂關系密切。

深井盆地 活動斷裂 第四紀 活動性

引言

研究區(qū)位于山西斷陷帶與張家口-渤海構造帶交匯區(qū)，盆嶺構造復雜，受NNE向山西斷陷帶與NWW向張家口-渤海構造帶復合作用（周月玲等，2010），歷史上發(fā)生過多次破壞性地震，屬新構造運動活躍地區(qū)。該區(qū)的大地構造屬于華北地臺，古近紀時期，該區(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與斷隆山地。深井盆地便是中更新世以來在隆起斷塊內(nèi)發(fā)育的一個山間小型盆地，盆地周邊環(huán)山，內(nèi)部平緩，海拔約1120m，南緣斷裂控制著盆地的發(fā)育與演化。

深井盆地的邊界斷裂主要為盆地東南緣斷裂，前人稱之為深井盆地南緣斷裂。該斷裂處于陽原盆地北緣斷裂東延和六棱山北麓斷裂東北延交而不匯的部位，總體走向NE，傾向NW，斷裂沿線及附近地區(qū)發(fā)生過4次4?級地震。方仲景等（1993）、冉勇康等（2012）對該斷裂進行過一定程度的調(diào)查研究。方仲景等（1993）利用韓家坡南該斷裂晚更新世活動的地質(zhì)剖面，給出了斷裂的垂直滑動速率。冉永康等（2012）對深井盆地南緣斷裂進行條帶狀地質(zhì)填圖，在韓家坡南、南屯窯村南兩個調(diào)查點獲得該斷裂的第四紀斷層剖面，根據(jù)區(qū)域性對比，對韓家坡南斷裂剖面重新進行了斷裂平均滑動速率分析，給出了更加可靠的滑動速率數(shù)據(jù)。迄今為止，對于該斷裂的研究僅限于上述2至3個典型剖面。

該斷裂的構造位置特殊，第四紀活動性較強，加之斷裂沿線時有中、小地震發(fā)生，有必要對斷裂活動特征及與附近地震的關系進行深入研究。本文以前人工作為基礎，依托于河北省星火計劃面上課題，對該斷裂開展詳細的調(diào)查研究，在地形地貌、斷裂剖面、地層測年及地震活動等方面進行分析，以總結該斷裂的幾何分布及活動特征。

1 構造背景與斷裂特征

1.1 構造背景

研究區(qū)在新構造上屬晉冀蒙盆嶺構造區(qū)，是山西裂陷帶深部右旋剪切運動在其北端形成的張性盆嶺構造區(qū)。第四紀中晚期，在區(qū)域地殼應力場的張性作用下，在熊耳山隆起地塊內(nèi)形成了一個次級的小型盆地——深井盆地（圖1）。盆地周圍構造持續(xù)上升，形成中山地貌，長期遭受侵蝕作用，海拔在1200m以上，一般高出盆地面300—500m，地貌形態(tài)千差萬別，山高谷深，山勢陡峻、巍峨（河北省科學院地理研究所，1992）。盆地北側和南側的巖石以碳酸鹽為主，東側以火成巖為主，西側以變質(zhì)巖為主。盆地外圍的宣化盆地南側與桑干河河谷兩側為構造持續(xù)上升且長期遭受剝蝕-侵蝕作用而形成的低山地貌，海拔700—1000m，相對高度200—500m，坡度20°—25°，多單面山、桌狀山。

深井盆地內(nèi)部為現(xiàn)代河谷、第四紀中晚期沖積平原。早更新世期間，受區(qū)域新構造運動影響，斷裂活化，至中更新世初發(fā)生斷陷，山地緩慢上升，盆地緩慢下降，接受了第四紀中晚期的湖積、洪積、沖洪積和沖積堆積物，后又經(jīng)侵蝕切割作用而形成了三角型山間盆地。盆地東南緣明顯受斷裂控制，地表發(fā)生坡洪積（錐裙）傾斜，坡度一般5°—10°，侵蝕切割強烈，沖溝發(fā)育，切割深達30m以上，呈“U”形谷，呈現(xiàn)出臺地地貌景觀，臺高100余米。盆地與斷塊臺地或黃土臺地之間為斷層接觸，該斷層稱為深井盆地南緣斷裂，控制著盆地及其兩側地貌的形成和發(fā)育。

1.2 斷裂展布與活動特征概述

深井盆地南緣斷裂總體走向NE，傾向NW，考慮到地貌上黃土斜坡的延伸、斷裂對盆地的控制作用、衛(wèi)星影像解譯以及前人認識，斷裂西延至韓家坡以西的盆地端部、向東止于馬鋪村東NW向的洗馬林-水泉斷裂，長約13km（圖2）。斷裂主體活動部位在韓家坡-南屯窯段，在韓家坡以西，衛(wèi)星影像線性地貌顯示逐漸減弱，野外考察見老構造活動跡象，未發(fā)現(xiàn)第四紀以來斷裂活動的證據(jù)；南屯窯以東至將臺梁一帶發(fā)育黃土斜坡，未觀察到明顯的線性地貌陡坎和斷錯第四系剖面；斷裂繼續(xù)向東延伸，影像顯示基巖山內(nèi)有白色石灰樣物質(zhì)，呈NE向條帶狀分布。根據(jù)斷裂的活動情況和地貌表現(xiàn)，將斷裂分為兩段：斷裂西段（韓家坡西-南屯東）與陽原盆地北緣斷裂被基巖山相隔，構成地壘；斷裂東段（南屯東-將臺梁東）向東延伸，與洗馬林-水泉斷裂幾乎垂直相交。

2 斷層活動證據(jù)

從韓家坡向北東，在韓家坡、南屯和南屯窯等地發(fā)現(xiàn)了斷裂錯斷第四紀地層、斷裂活動形成陡坎和斷層溝谷等斷層活動現(xiàn)象。

2.1 韓家坡南斷裂剖面

在韓家坡南約200m的大溝東側（114°49′18.78°E，40°20′25.23″），筆者見到錯動黃土的斷層剖面，其特征與前人發(fā)現(xiàn)的剖面基本一致，應屬同一地點。剖面上，斷面清晰，并呈現(xiàn)一定寬度，向上逐漸尖滅在馬蘭黃土之中，斷層走向NE75°，傾向NW，傾角56°。斷層帶寬5—10cm，由黃土、中粗沙、細礫石等物質(zhì)構成，沿斷裂帶定向排列，偶見混有植物根系的透鏡體和斷裂兩盤錯動摩擦產(chǎn)生的白色物質(zhì)。斷裂上盤地層比較簡單，從上到下由全新世黃土、晚更新世含沙黃土、古土壤和沙礫層組成；下盤由含沙黃土、古土壤和多個沙礫層組成（圖3）。由年齡樣品時代可以確定，該處斷裂為晚更新世活動斷層，方仲景等（1993）和冉勇康等（2012）也認為該剖面的斷裂活動時代為晚更新世晚期。

在韓家坡東另一條大溝中發(fā)現(xiàn)了斷裂通過的痕跡。大溝西側（114°50′8.10″E，40°20′43.28″N）可見斷裂通過位置有明顯的地貌變化。斷裂南側黃土層內(nèi)厚約2m的砂礫石層連續(xù)發(fā)育，斷裂北側砂礫石層突然消失，推測被厚層含砂礫石的黃土覆蓋（圖4）。斷裂通過位置形成小型北東向沖溝，在沖溝內(nèi)見砂礫石層內(nèi)部發(fā)生錯斷，砂礫石層厚度沒有明顯變化。該砂礫石層由大小混雜的砂礫石組成，夾有水平層理的細沙層，整體極松散，礫石呈棱角狀，受斷裂活動影響，水平發(fā)育的細砂層被拖拽錯動，斷距約30cm。在大溝東側（114°50′12.45″E，40°20′45.02″N）亦發(fā)現(xiàn)在斷裂通過處形成的斷層溝谷，溝谷南側含厚30—40cm的紅色砂礫石層，溝谷北側紅色砂礫石層消失，被含砂礫石黃土取代。

根據(jù)溝谷兩側斷裂位置可以確定該斷裂走向NE60°，根據(jù)地層特征判斷斷裂晚更新世仍有活動。

2.2 南屯村南斷裂剖面

南屯村南黃土臺地發(fā)育，在新構造運動作用下形成深切沖溝，多條沖溝在斷裂通過位置均發(fā)生右旋現(xiàn)象，斷裂南側基巖出露，斷裂北側為巨厚黃土堆積。在南屯村南一條大溝內(nèi)，發(fā)現(xiàn)了斷裂錯斷第四紀地層（114°50′58.12″E，40°21′7.61″N；圖5），斷裂上斷點有可能延入到近地表的全新統(tǒng)底部或其下部的晚更新世晚期地層內(nèi)。斷層上盤為晚更新世風積黃土，質(zhì)地較純，節(jié)理裂隙發(fā)育，偶含砂礫石；斷層下盤風積黃土與紅色砂礫巖不整合接觸，砂礫石膠結，大小混雜，呈棱角狀，近斷層處砂礫巖破碎，沿斷層帶發(fā)育平行斷裂的節(jié)理裂隙，斷層破碎帶寬約1.2m，斷層走向NE35°—45°，傾向NW，傾角75°，地表陡坎高2m以上。

在南屯村南另一溝口西側發(fā)現(xiàn)斷裂錯斷地層剖面（114°51￠10.92″E，40°21′19.82″N；圖6），上盤為第四紀中晚期黃土，推測為中更新世黃土，質(zhì)地較硬，節(jié)理發(fā)育；下盤為前第四紀膠結沙礫巖。該處斷層走向NE，傾向NW，傾角約45°，斷層破碎帶較寬（20—30cm），帶內(nèi)可見斷裂活動產(chǎn)生的白色物質(zhì)。在大溝以東發(fā)育斷裂陡坎，高3—4m，錯斷沖溝的多級階地，說明斷裂在此發(fā)生過多期垂直正斷活動。

2.3 南屯窯斷裂剖面

在南屯窯村西北處（114°51￠46.67″E，40°21′30.30″N；圖7），斷層斷錯了第三紀紅色礫巖與中更新世黃褐色含礫砂土。斷層破碎帶寬約60cm，帶內(nèi)礫石定向強烈，砂礫巖破碎，斷層走向70°，傾向NW，傾角79°，砂礫巖內(nèi)疑似見斷層磨光面。剖面上部紅色礫巖與馬蘭黃土呈正常風積堆積接觸，未觀察到明顯的斷面。地貌上，亦形成一定規(guī)模的斜坡，衛(wèi)星影像顯示有微弱的陡坎變化。其特征與前人發(fā)現(xiàn)的斷層走向NE80°，傾角45°的斷裂剖面走向類似，傾角稍有偏差。

3 斷層活動性分析及相關問題討論

3.1 樣品年代分析及斷裂活動性

韓家坡-南屯段斷裂地質(zhì)剖面與斷層陡坎發(fā)育，陡坎高1.5—5m不等，其中韓家坡斷裂剖面發(fā)育古土壤標志層。為更好地確定斷層活動時代及活動速率，筆者在韓家坡剖面上取了2個土樣（土樣1、土樣2）進行光釋光年代測試（由山東省地震工程研究院測試；土樣2（OSL：3.6±0.9ka）判斷為廢樣），結合前人年代測試結果對剖面地層時代進行分析。土樣1位于斷層剖面上部，距離地表約1.6m，光釋光測試結果為6.1±0.6ka；土樣3參考方仲景等（1993）的科研成果，距離斷層較近，距地表約3m，熱釋光測試結果為26.5±0.021ka。土樣1測試結果說明斷裂剖面表層有薄層全新世風積物，土樣3的測年結果說明其所在地層為晚更新世地層。韓家坡地質(zhì)剖面（圖3）上晚更新世地層之中發(fā)育一層古土壤，呈灰棕色，厚約20cm，錯距約5m，通過區(qū)域性對比，再根據(jù)陳立春（2011）的研究結果可知，緊鄰馬蘭黃土的古土壤上限年代為74ka左右。深井盆地南緣斷裂條帶狀地質(zhì)填圖報告中，在74—26.5ka內(nèi)，古土壤斷錯距5m，估算得到斷裂的平均垂直滑動速率約為0.1mm/a。

3.2 斷裂東段與地震的關系

深井盆地南緣斷裂東段向東延入基巖山內(nèi)，止于NW向構造，該段斷裂地貌表現(xiàn)不如西段清楚，未觀察到明顯的線性陡坎地貌與斷層剖面，反映斷層在晚第四紀坡洪積扇堆積以來無明顯地表變形跡象?；鶐r山內(nèi)斷裂構造復雜，NE、NW向斷裂均有發(fā)育，構成中生界與上元古界的邊界，NW向斷裂與洗馬林-水泉斷裂間斷連接。歷史上在構造交匯區(qū)附近發(fā)生過4次4?級地震（表1，圖2）。

表1 斷裂附近歷史地震

*至深井盆地南緣斷裂的距離（國家地震局震害防御司，1995）

1449年2月、1483年4月、1520年10月發(fā)生的3次4?級地震均位于陽城子東約3km的構造交匯區(qū)；1505年3月發(fā)生的4?級地震發(fā)生在馬圈東。據(jù)歷史地震目錄記載，上述歷史地震定位精度為3，有感城市包括宣化、萬全（舊）、新保安、懷安城、懷來衛(wèi)（舊懷來，在今懷來東南）、龍關、陽原、蔚縣及涿鹿等地。筆者發(fā)現(xiàn)有感范圍的NE向長度大于NW向，通常地震等震線、有感范圍長軸方向為構造的延伸方向，因此這種現(xiàn)象可能與區(qū)域NE向構造有關。地震附近亦有NW向斷裂，雖然歸屬于洗馬林-水泉斷裂，但與其已經(jīng)間斷，活動性也遠低于洗馬林-水泉斷裂，野外調(diào)查亦未見其活動證據(jù)，均為基巖內(nèi)老構造。從地震有感范圍及兩組斷裂的活動情況看，地震的發(fā)生與NE走向深井盆地南緣斷裂的構造活動關系更為密切。

3.3 與陽原盆地北緣斷裂的構造關系

陽原盆地北緣斷裂與深井盆地的位置關系如圖1所示，該斷裂東段（黑巖村-歪頭山北麓段）與深井盆地南緣斷裂構成地壘構造（徐錫偉等，2002）。

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，兩條斷裂之間為霧迷山組白云巖構成的基巖山體（地壘），地壘南側為基巖破碎帶，直接與中更新世和晚更新世地層呈正斷層接觸，斷層下降盤上大型沖溝發(fā)育。本次研究，在韓家坡南175鄉(xiāng)道西側（114°49′28.58″E，40°19′59.52″N）發(fā)現(xiàn)了寬約500—600m的白云質(zhì)灰?guī)r（Pt2）斷裂破碎帶，厚層白云質(zhì)灰?guī)r內(nèi)發(fā)育多條斷裂，近斷裂破裂帶裂隙發(fā)育，白云質(zhì)灰?guī)r與Q2-3地層呈正斷層接觸（圖8左），上覆薄層全新世坡積物，斷層走向近EW，傾向S，傾角45°；鄉(xiāng)道東側見基巖山鏡面構造（圖8右）及第四系內(nèi)斷裂，從溝口階地（Q4）未變位看，這是一條晚更新世末期的活動斷層。與地壘北側的深井盆地南緣斷裂相比（韓家坡斷裂剖面），該斷裂活動強度、規(guī)模都更勝一籌，其活動影響著地壘北側的深井盆地南緣斷裂，尤其是深井盆地南緣斷裂西段。

4 結語

筆者對深井盆地南緣斷裂研究過程中得到的認識及存在的問題歸納如下：

（1）深井盆地南緣斷裂分為2段，具有不同的活動特征及地貌表現(xiàn)。韓家坡-南屯窯段，線性陡坎地貌發(fā)育，斷裂長約6km，走向NE，傾角60°左右，最新活動時代為晚更新世晚期，斷裂平均垂直滑動速率為0.10mm/a；南屯窯-將臺梁段為隱伏段落，向東延入基巖山內(nèi)，止于NW向斷裂，斷裂地貌表現(xiàn)不明顯，未見晚第四紀以來的斷裂剖面，以多次地震的形式釋放能量。

（2）深井盆地南緣斷裂夾持于陽原盆地北緣斷裂和洗馬林-水泉斷裂之間，與陽原盆地北緣斷裂構成地壘，與洗馬林-水泉斷裂近直角相交。研究區(qū)內(nèi)陽原盆地北緣斷裂活動強度強于洗馬林-水泉斷裂，受2條夾持斷裂活動的影響可能是深井盆地南緣斷裂具有明顯分段性的原因。

（3）深井盆地南緣斷裂東段未發(fā)現(xiàn)斷裂活動的地貌表現(xiàn)及斷裂剖面，據(jù)歷史地震目錄記載本段附近發(fā)生過4?次歷史地震，經(jīng)核實均與NE向活動構造相關，推測本段為隱伏斷裂，更為可靠的證據(jù)仍需開展地球物理探測。本次對該段的空間展布及活動性的研究延續(xù)前人的認識。

陳立春，2011．北天山烏魯木齊轉換區(qū)構造系晚第四紀活動性．北京：中國地震局地質(zhì)研究所．

方仲景，鄭炳華，段瑞濤，1993．晉冀北地區(qū)的活動斷裂及其與地震相關性的研究（科研報告）．北京：中國地震局地質(zhì)研究所．

國家地震局震害防御司，1995．中國歷史強震目錄．北京：地震出版社．

河北省科學院地理研究所，1992．河北省地貌和地貌圖．北京：科學出版社．

冉勇康，陳立春，李彥寶等，2012．宣化盆地南緣斷裂與深井盆地南緣斷裂條帶狀地質(zhì)地貌填圖（科研報告）．北京：中國地震局地質(zhì)研究所．

徐錫偉，吳衛(wèi)民，張先康等，2002．首都圈地區(qū)地殼最新構造變動與地震．北京：科學出版社．

周月玲，尤惠川．2010．張家口斷裂第四紀構造變形與活動性研究．震災防御技術，5（2）：157—166．

Characteristics of Quaternary Activities of the Southern Margin Fault of the Shenjing Basin, Hebei Province

Zhou Yueling, Guo Qiuna, Meng Lipeng, Fan Qiang and Bian Qingkai

(Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050022, China)

The Shenjing basin is a small-scale secondary basin in the Shanxi fault basin system, which is surrounded by bedrock mountain and is separated from other secondary basins. There are many faults around the basin, the south margin fault of Shenjing basin, as the main boundary fault, played the important role in the evolution and development of the basin. In this paper, we analyzed and studied the topography, fracture profile, strata dating and seismic activities of the fault, as well as the spatial distribution and activity characteristics of the fault. Our research shows that the fault on the south margin of Shenjing basin was active during Quaternary. The latest active period of the fault is in the late Pleistocene, which is characterized with segmentation. The west segment is about 6km long with many late Pleistocene stratigraphic sections in normal dip slip nature. The east segment shows basin direct contact with loess slope. From west to east, the tectonic behavior of landform gradual weakening to end at the old NW structure. The occurrence of 4 earthquake withS4? near the fault is closely related to the NE trending fault structure.

Shenjing basin; Active fault; Quaternary; Activities

10.11899/zzfy20160405

國家自然基金項目（41274113）及河北省地震科技星火計劃項目（DZ20150423057，DZ20150421037）共同資助。

2016-08-21

周月玲，女，生于1983年。工程師。主要從事活斷層探測與地震安全性評價工作。E-mail：zyl19831111@sina.com