北京平原南口—孫河斷裂南段第四紀活動性及其構(gòu)造意義

白凌燕，李 瀟，秦浩敏，張曉亮，張悅澤

(1.北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 100195；2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 信息中心，北京 100195；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083)

0 引 言

北京平原地區(qū)主要活動斷裂有北東向及北西向兩組。北東向活動斷裂自西向東有黃莊—高麗營斷裂、順義斷裂、南苑通縣斷裂、夏墊斷裂等主要活動斷裂；北西向主要斷裂為南口—孫河斷裂。上新世以來，在區(qū)域伸展構(gòu)造環(huán)境影響和作用下，北京平原區(qū)內(nèi)隱伏著的北東向引張性正斷活動，形成了“兩隆一凹”的構(gòu)造格局[1]。其中黃莊—高麗營斷裂為北京凹陷西界的主控斷裂、南苑—通縣斷裂為北京凹陷與大興隆起的分界。第四紀北京地區(qū)“兩隆一凹”構(gòu)造圖式消失，出現(xiàn)南北段構(gòu)造分異局面，北西向的南口—孫河斷裂的活動對北京地區(qū)北段構(gòu)造變異起重要作用。由于該樞紐斷裂(其北西段東北盤上升，西南盤下降；其東南段東北盤下降，西南盤上升)強烈活動，致使京西隆起和北京凹陷發(fā)生重點分異[2]。

南口—孫河斷裂是北京地區(qū)規(guī)模最大的一條北西向斷裂，總體呈320°～330°方向展布，其北西端起自昌平南口鎮(zhèn)，向南東方向經(jīng)百泉、孫河，長約50 km。斷裂北西段(南口至北七家段)傾向SW，形成一個NW向的陷落帶，控制北西向馬池口第四紀凹陷，凹陷內(nèi)第四系厚達600多米。斷裂南東段(北七家至孫河段)傾向NE，與黃莊—高麗營斷裂北段共同控制了順義凹陷。20世紀70年代末，北京地震地質(zhì)會戰(zhàn)期間布設(shè)的鉆孔及地球物理勘測，證實該斷裂帶在第四紀時期存在強烈活動[3]； 2001年江娃利等在昌平舊縣村開挖探槽對南口—孫河斷裂的古地震事件進行分析，并得出該斷裂是北京地區(qū)未來發(fā)生強震的構(gòu)造區(qū)域[4]；中國地震局曾在該斷裂北西段的雪山村、舊縣村和百泉莊等地區(qū)做了大量的研究工作，取得了該斷裂北西段的展布及活動性的詳細資料[5-10]；2014年張磊等通過對南口—孫河斷裂北西段物探、鉆探及槽探工作的分析，對該斷裂進行精細定位，并對該段第四紀以來的活動規(guī)律進行探討[11-12]；通過對該斷裂南段鉆孔分析，結(jié)合磁性地層測年數(shù)據(jù)，分析了該斷裂南段的活動規(guī)律[13]。

地球軌道參數(shù)的周期性變化引起了地球表面日照量的周期性變化，進而導(dǎo)致全球氣候的周期性變化[14-18]。氣候的周期性變化記錄在對氣候變化響應(yīng)敏感的沉積系統(tǒng)中，如沉積物結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、巖性、巖相以及能夠反映古氣候變化的替代性指標的旋回性變化[19-25]。不同地質(zhì)歷史時期，地球軌道參數(shù)具有相對穩(wěn)定的周期，一旦從地層中識別出米蘭科維奇旋回，就有可能建立分辨率達0.02～0.04 Ma 的天文年代標尺[26]。因此，記錄在沉積地層中的地球軌道信號能夠成為強有力的測年工具，并可用于建立高分辨率的天文地質(zhì)年代表(ATS)。旋回地層學(xué)的開展和應(yīng)用，提高了地層年代框架的精度和分辨率，可以實現(xiàn)對整個第四紀時期斷裂活動規(guī)律的探討，對深入認識斷裂的活動性具有重要意義。

本文以北京平原南口—孫河斷裂南段上、下兩盤鉆孔磁性地層研究獲得的第四紀年代格架為時間錨點，利用鉆孔的沉積物磁化率、自然伽馬測試數(shù)據(jù)進行旋回地層分析，建立了精度為0.1 Ma的連續(xù)天文年代標尺。通過對比斷層兩盤不同地質(zhì)時期的地層沉積速率，實現(xiàn)了對南口—孫河斷裂第四紀以來活動規(guī)律精細探討的目的，并結(jié)合中國大陸新構(gòu)造運動特點對其構(gòu)造意義進行了探討。

1 初始年代框架

圖1 北京平原主要活動斷裂分布及鉆孔位置圖Fig.1 Distribution of main active faults in Beijing plain and the location of drillholes

初步的年代學(xué)框架(生物地層學(xué)、磁性地層學(xué)、放射性同位素年代學(xué)等)是取得良好旋回地層學(xué)研究成果的保證，即使年代框架具有較大誤差范圍，它也能夠讓研究者大致估計出平均沉積速率，為判別旋回地層學(xué)分析的合理性提供獨立的證據(jù)[17-18]。

本次工作在南口—孫河斷裂南段共布設(shè)了2個鉆孔(圖1)，其中ZK17地理坐標為116°25′40″E、40°5′51″N，孔深416.6 m，其構(gòu)造位置屬于南口—孫河斷裂的上盤；ZK18孔地理坐標為116°25′32″E、40°5′16″N，孔深247.6 m，其構(gòu)造位置屬于斷裂的下盤。鉆探工程采用油壓式鉆機，全孔取心率達90%以上，巖心直徑90 mm。取心率和巖心狀況滿足磁性地層學(xué)研究及高分辨率測試的要求。鉆孔剖面的磁性地層學(xué)研究和鉆孔巖性沉積相分析為旋回地層學(xué)分析提供了初始的年代格架[12](圖2)。鉆孔ZK17第四系下更新統(tǒng)(M/G界線)、中更新統(tǒng)(B/M界線)、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)底界分別為309 m、98 m、25.7 m和1.0 m；ZK17的磁性地層Jaramilo底界為118 m，Olduvai底界為230 m。鉆孔ZK18下更新統(tǒng)底界為192.5 m ,中更新統(tǒng)界線深度為68 m，上更新統(tǒng)底界為21.6 m，全新統(tǒng)底界為0.8 m；ZK18的磁性地層Jaramilo底界為87 m，Olduvai底界為153 m。

2 旋回地層學(xué)分析

諸多用于旋回地層學(xué)分析的古氣候替代指標中，磁化率和測井曲線(尤其是自然伽馬曲線)是進行旋回分析的理想目標[27-28]。國內(nèi)外已有很多學(xué)者利用這些替代指標成功進行了旋回地層學(xué)的分析和研究[26-37]。

工作區(qū)的鉆孔ZK17的自然伽馬測井數(shù)據(jù)和ZK18的磁化率數(shù)據(jù)均顯示出了很好的旋回性，適合開展旋回地層學(xué)分析。分析前先對數(shù)據(jù)進行去線性趨勢、去均值和歸一化預(yù)處理，利用SSA-MTM譜分析軟件包進行頻譜分析[38]，采用Analyseries 2.0.4軟件[39]進行濾波處理和天文調(diào)諧。

2.1 鉆孔ZK17旋回地層學(xué)分析

ZK17孔自然伽馬數(shù)據(jù)的頻譜分析結(jié)果揭示出明顯的旋回性(圖3(a))，具有58.5 m，27.3 m，21.0 m，18.6 m，15.7 m，11.7 m，9.4 m，7.8 m，6.6 m，5.7 m，5.2 m，4.9 m，4.3 m，4.0 m，3.8 m，3.4 m，3.0 m的主周期，其中(27.3～15.7 m)∶(11.7～6.6 m)∶(5.7～3 m)的比值接近5∶2∶1，與短偏心率100 ka∶斜率40 ka∶歲差20 ka的比值接近，這些旋回可能分別代表了短偏心率、斜率和歲差沉積旋回。根據(jù)初始年代格架，將自然伽馬數(shù)據(jù)在深度域上的變化轉(zhuǎn)換為時間域上的變化后(圖3(b))，頻譜分析結(jié)果顯示出明顯的短偏心率、斜率和歲差周期(圖3(c))。對初始年代格架下的自然伽馬序列進行100 ka的短偏心率信號濾波處理(圖4(c))，以磁性倒轉(zhuǎn)年齡為錨點，參考濾波曲線，將自然伽馬序列對比到理論偏心率曲線上[40]；其依據(jù)是將自然伽馬高值對比到偏心率高值上，低值對比到偏心率低值上，據(jù)此建立了ZK17孔的天文年代標尺(圖4(c)和(d))。根據(jù)新建立的天文年代標尺，確定出該井的沉積速率在9～33 cm/ka之間變化(圖4(e))。對經(jīng)過調(diào)諧后的數(shù)據(jù)再進行頻譜分析，揭示出409 ka,95 ka,47 ka,20 ka,23 ka的主周期，與天文理論周期更為接近，表明ZK17孔的沉積過程受到地球軌道參數(shù)引起的古氣候變化的控制(圖4(c))。

2.2 鉆孔ZK18旋回地層學(xué)分析

圖3 ZK17孔自然伽馬在深度域(a)、初始年代格架(b)和調(diào)諧后(c)頻譜分析結(jié)果Fig.3 Natural gamma ray data with depth and the preliminary age framework,and after tuning in drillhole ZK17

圖4 ZK17孔天文年代標尺Fig.4 The astronomical age reference of continuous stratigraphic formations in drillhole ZK17(a)磁傾角與地磁極性柱；(b) 自然伽馬在深度域上的變化特征；(c) 理論偏心率曲線[37]；(d) 根據(jù)古地磁極性柱提供的初始年代格架將自然伽馬在深度域上的變化轉(zhuǎn)化為時間域，并獲得100 ka的濾波曲線；(e) 根據(jù)天文調(diào)諧結(jié)果確定的沉積速率

圖6 ZK18孔天文年代標尺Fig.6 The astronomical age reference of continuous stratigraphic formations in drillhole ZK18(a)磁傾角與地磁極性柱；(b) 磁化率在深度域上的變化特征；(c) 根據(jù)古地磁極性柱提供的初始年代格架將磁化率在深度域上的變化轉(zhuǎn)化為時間域，并獲得100 ka的濾波曲線; (d) 偏心率理論曲線[37]及其與磁化率曲線的對比；(d)理論偏心率曲線；(e) 根據(jù)天文調(diào)諧結(jié)果確定的沉積速率

ZK18孔磁化率數(shù)據(jù)的頻譜分析結(jié)果揭示出明顯的旋回性(圖5(a))，具有31.5 m,15.8 m,10.8 m,9.1 m,7.9 m,5.4 m,5.0 m,4.0 m,3.4 m,3.1 m,2.18 m,2.05 m,1.9 m,1.53 m和1.45 m的主周期，其中(13～7.9 m)∶(5.4～3.4 m)∶(2.2～1.4 m)的比值接近5∶2∶1，與短偏心率100 ka∶斜率40 ka∶歲差20 ka的比值接近，這些旋回可能分別代表了短偏心率、斜率和歲差沉積旋回。根據(jù)磁性地層學(xué)結(jié)果及第四紀年代格架建立的初始年代格架，將磁化率數(shù)據(jù)在深度域上的變化轉(zhuǎn)換為時間域上的變化后(圖5(b))，頻譜分析結(jié)果顯示出明顯的短偏心率、斜率和歲差周期(圖5(c))。對初始年代格架下的磁化率序列進行100 ka的短偏心率信號濾波處理(圖6(c))，以磁性倒轉(zhuǎn)年齡及第四紀年代為錨點，參考濾波曲線，將磁化率序列對比到理論偏心率曲線上，其依據(jù)是將磁化率高值對比到偏心率高值上，磁化率低值對比到偏心率低值上，據(jù)此建立了ZK18孔的天文年代標尺(圖6(c)和(d))。根據(jù)新建立的天文年代標尺，確定出該井的沉積速率在4～18 cm/ka之間變化(圖6(e))。對經(jīng)過調(diào)諧后的數(shù)據(jù)再進行頻譜分析，揭示出455 ka,95 ka,40 ka,23.7 ka,19.6 ka和16 ka的主周期，與天文理論周期更為接近，表明ZK18孔的沉積過程受到地球軌道參數(shù)引起的古氣候變化的控制，也表明北京平原地區(qū)的氣候變化受到地球軌道力的影響(圖6(c))。

表1 南口—孫河斷裂每100 ka活動速率統(tǒng)計Table 1 Active rates per 100 ka in Nankou-Shunhe fault zone

3 南口—孫河斷裂活動規(guī)律及其構(gòu)造意義

位于斷裂兩盤的鉆孔第四紀以來不同時間段內(nèi)的地層巖性、沉積厚度或者堆積速率是具有明顯差異的，具體表現(xiàn)為,上盤較下盤同時代的沉積物具有厚度增大、細粒沉積物層數(shù)增多和堆積速率增高等地層學(xué)特征，它們客觀地記錄了該斷裂兩側(cè)垂直差異運動的過程。假定斷裂無蠕滑現(xiàn)象的話，斷裂兩側(cè)的垂直差異運動是通過粘滑錯動實現(xiàn)的。

根據(jù)旋回分析建立的鉆孔ZK17和ZK18的天文年代標尺，以0.1 Ma作為時間間隔，計算斷裂兩盤鉆孔的地層落差及沉積速率差(表1)，從而得到該斷裂第四紀以來活動強度的變化特征曲線(圖7)。南口—孫河斷裂第四紀以來可以識別出6個相對較強的活動幕。

圖7 第四紀以來南口—孫河斷裂的活動速率曲線Fig.7 Curves showing active rates of Nankou-Sunhe fault since Quaternary

早更新世時期，南口—孫河斷裂活動強烈，存在4個明顯的活動幕(Ⅰ—Ⅳ幕)，且具有明顯的間歇性活動特點，對于其中Ⅰ幕(2.4～2.6 Ma)、Ⅲ幕(1.8 Ma)，活動較為顯著，平均活動速率分別為0.21 mm/a和0.16 mm/a；Ⅱ幕(2.0～2.2 Ma)、Ⅳ幕(1.4 Ma)活動強度相對較弱，平均活動速率為0.08 mm/a和0.09 mm/a。1991年，黃秀銘等學(xué)者對北京西山地區(qū)的夷平面特征進行研究，編繪了北京地區(qū)與新構(gòu)造運動震蕩曲線，同樣識別出了上述4個活動周期[1](圖7)。筆者認為，南口—孫河斷裂能夠較好地表征本區(qū)新構(gòu)造運動的特點，其第Ⅰ幕和第Ⅲ幕分別對應(yīng)了青藏高原隆升的兩次主幕，即青藏運動的B幕(2.6 Ma)和C幕(1.7 Ma)[40]。早更新世斷裂活動強弱間隔為0.4 Ma，表明北京地區(qū)同樣具有0.4 Ma準周期的新構(gòu)造運動特點。

中更新世時期，南口—孫河斷裂具有繼承性活動的特點，活動強度較早更新世有所減弱，存在2個明顯的活動幕(Ⅴ幕和Ⅵ幕)。Ⅴ幕(0.9 Ma)平均活動速率為0.08 mm/a，Ⅵ幕(0.6 Ma)平均活動速率為0.12 mm/a。而發(fā)生于早更新世晚期(1.2～0.6 Ma B.P.) 的構(gòu)造運動,是中國大陸地區(qū)一次十分強烈的構(gòu)造運動，構(gòu)造上被稱為“昆黃運動”。這次事件亦造成了全球氣候及環(huán)境的顯著變化[40-42]。

晚更新世時期，南口—孫河斷裂的平均活動速率為0.03 mm/a,活動性較之前減弱；全新世以來，從活動速率曲線看，有增強的趨勢，這一點與張磊等[13]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

通過對北京平原南口—孫河斷裂上、下兩盤鉆孔第四紀沉積地層的磁化率和測井曲線進行旋回地層學(xué)研究，建立了精度為0.1 Ma的連續(xù)天文年代標尺，對比斷層兩盤不同地質(zhì)時期的地層垂直落差，分析了南口—孫河斷裂第四紀以來的活動規(guī)律，獲得了以下兩點認識。

(1)磁化率和測井數(shù)據(jù)可以較好地反映陸相地層沉積物粒度的差異，以磁性地層測年結(jié)果為時間錨點，進行旋回地層分析，可以實現(xiàn)第四紀地層高精度地層對比的目標。

(2)基于旋回地層年代學(xué)的研究成果分析，北京平原南口—孫河斷裂第四紀以來具有間歇性活動的特征，可識別出6個相對較強的活動幕。其中早更新世存在4個明顯的活動幕，活動周期具有0.4 Ma準周期的特點，第Ⅰ幕和第Ⅲ幕分別對應(yīng)了青藏高原隆升期的青藏運動的B幕(2.6 Ma)和C幕(1.7 Ma)，中更新世的活動特征則對應(yīng)了“昆黃運動”，北京地區(qū)新構(gòu)造運動特征與之有較好的呼應(yīng)關(guān)系。

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