懷涿盆地北緣斷裂跨斷層流動形變觀測 場地適宜性分析1

冉志杰 孟立朋 范 強 溫 超 劉洪良 董 博 彭遠黔 王 燕

1）河北省地震局，石家莊 050021

2）河北省地震局保定流動測量隊，河北保定 071000

引言

跨斷層觀測是獲取地震前異常變化信息的重要手段之一，在多次地震前后分別監(jiān)測到形變異常特征，如1990年常熟5.1級地震和1995年蒼山5.2級地震的前后均出現(xiàn)了斷層形變異常變化（孫昭祀等，1992；李杰等，2001），2013年蘆山7.0級地震前，跨鮮水河、安寧河、則木河斷裂帶上形變出現(xiàn)顯著的異常變化（蘇琴等，2014）。

自20世紀60年代起，中國地震局第一監(jiān)測中心等單位在首都圈地區(qū)建立了跨斷層流動形變監(jiān)測場地，目前仍存有24處，其中13處為水準監(jiān)測、11處為基線和水準同樁監(jiān)測。

20世紀60年代末，華北地區(qū)建立跨斷層流動形變監(jiān)測網(wǎng)，在20世紀80年代末監(jiān)測場地最多達近100處，目前仍保留監(jiān)測場地74處。

張家口位于張家口—渤海地震構(gòu)造帶與山西地震構(gòu)造帶的交匯區(qū)，新構(gòu)造上屬于張家口—宣化盆地，新構(gòu)造復(fù)雜，活動構(gòu)造發(fā)育，地震頻發(fā)（尤惠川等，2008）。區(qū)內(nèi)發(fā)育多條活動斷裂，斷裂幾何形態(tài)復(fù)雜，走向主要為NW—NWW和NE—NEE向，并分布少量近EW向活動斷裂（周月玲等，2010；周江林等，2012）。自1970年以來，華北地震臺網(wǎng)記錄到張家口地區(qū)發(fā)生MS≥2.0地震210次，其中震級最大的是1998年張北6.2級地震，其次為1999年張北5.6級地震。

1 懷涿盆地活動構(gòu)造背景

懷涿盆地位于首都圈地震重點監(jiān)視防御區(qū)內(nèi)，為張家口次級山間盆地，地處山西地震帶與張家口—蓬萊地震帶交匯處，地處內(nèi)蒙地軸南緣東西向構(gòu)造巖漿帶的尚義—赤城—平泉斷裂帶與太行山北北東向構(gòu)造巖漿帶的上黃旗—烏龍溝斷裂帶相交區(qū)內(nèi)。盆地內(nèi)蓋層屬于淺部構(gòu)造層次，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，存在NEE、NE、近SN及NW向4組斷裂。盆地周緣斷層第 四紀晚更新世以來活動較強，地震活動頻繁，1337年懷來地區(qū)發(fā)生過612級地震，1720年過發(fā)生634級地震。

圖1 懷涿盆地北緣斷裂及其周圍地區(qū)的斷裂分布 Fig.1 Fault distribution of the Huaizhuo basin and its surrounding area

懷涿盆地北緣斷裂是懷涿盆地的北緣邊界斷裂，北起懷來東北角杏林堡，往西南經(jīng)西洪站、麻峪口、小水峪、黃土窯、雞鳴驛、張家堡、郝家坡，終止于長瞳村一帶，整體走向NEE，傾向SSE，傾角50°—75°，由一系列正斷層右階斜列組成，全長約58km。該斷裂是1條晚更新世—全新世活動斷裂，晚更新世以來的垂直斷距約34m，平均垂直滑動速率為0.2—0.55mm/a（冉勇康等，1992；方仲景等，1993；徐錫偉等，2002）。歷史上該斷裂附近發(fā)生過多次5級左右的地震，如1338年涿鹿5.0級、1724年懷來新保安5.0級、1957年涿鹿5.0級和1967年懷來5.4級地震，現(xiàn)今地震活動也較強烈。

懷涿盆地北緣斷裂幾何結(jié)構(gòu)具有不連續(xù)性，顯示出明顯的分段特征，冉勇康等（1992）根據(jù)斷裂的分段原則將斷裂在幾何形態(tài)上分割成5個區(qū)間：①杏林堡—小水峪；②小水峪—黃土窯；③永豐堡—雞鳴驛；④雞鳴驛—黃土港；⑤沈莊—長瞳區(qū)間。其中3段為全新世活動段，分別為：杏林堡—小水峪段，斷層上升盤存在三級地貌面，下降盤晚更新世洪積扇發(fā)育，全新世洪積扇較小，洪積扇面沖溝密度和切深較大，斷層活動的最強時期在晚更新世，最晚1次錯動在全新世晚期；小水峪—黃土窯段，其斷層上升盤的斷層三角面壯觀，下降盤晚更新世和全新世洪積扇都很發(fā)育，并呈上迭式堆積，晚更新世以來斷層活動強度較均勻，最近1次斷錯地表形成時間為全新世中期；沈莊—長瞳段，斷層上升盤存在多級地貌面，下降盤洪積扇面積大，新老呈上迭關(guān)系，洪積扇上斷層陡坎十分發(fā)育，晚更新世早、中期斷層活動較弱，而晚更新世晚期以來活動增強，最近1次斷錯地表形成時間全新世晚期。

上述跨斷層形變監(jiān)測資料顯示，其對地震具有較好的映震能力。陸明勇等（2011）將跨斷層流動形變觀測資料映震能力或監(jiān)測場地監(jiān)測能力分為好、較好和不好3個等級，分別用A、B、C來表示。張家口地區(qū)有5處跨斷層流動形變監(jiān)測場地，即土木、狼山、施莊、張山營、小水峪。其中施莊、小水峪為A；狼山、張山營為B；土木為C。

曹建玲等（2016）分析認為，1991年大同5.8級地震前，在首都圈的張山營基線出現(xiàn)異常變化；在1998年張北6.2級地震中，張山營基線在1997年8—10月的張性變化與1989年大同6.1級地震前出現(xiàn)的先順扭后反扭的異常變化形態(tài)相似。

2 監(jiān)測場地優(yōu)選思路

監(jiān)測場地的選址包含2部分內(nèi)容：其一是針對測量場地所跨活動斷層的選取，所選斷層的活動性對測量工作起到制約性的作用；其二是針對測量場地條件的選取，應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范，并且綜合考慮地震地質(zhì)、地形地貌、環(huán)境干擾源等因素。

懷涿盆地北緣斷裂位于山間盆地邊緣。此類構(gòu)造斷陷盆地內(nèi)一般地勢低洼并常堆積有厚度不等的松散覆蓋層，且地表地形陡峭，地下地質(zhì)條件非常復(fù)雜，地層傾角陡，新老地層倒置。由于盆地邊緣斷層的作用，盆地周邊自山區(qū)向盆地呈階梯狀下降，形成緩坡等地帶，是第四系各種成因松散物質(zhì)堆積的場所。在山邊往往形成山前洪積扇，并且坡度大，呈裙狀起伏。斷層往往出露于山體邊緣，斷裂走向隨山體走向變化，沿線斷層陡坎、基巖斷崖等地貌現(xiàn)象十分突出，多處可見斷層錯斷第四紀地層。由于山間盆地斷裂構(gòu)造復(fù)雜，其流動形變觀測場地的選址與一般跨斷層流動形變觀測場地有較大區(qū)別，常規(guī)選址方法在此往往會受到限制，如何實施才能取得較好的效果，滿足選址要求成為將要解決的問題。研究表明（國家地震員，1991），第四紀以來活動的斷層，特別是晚更新世晚期和全新世仍明顯活動的斷層，更容易發(fā)生地震。

跨斷層監(jiān)測場地選址相關(guān)的國家和行業(yè)標準有：《地震臺站建設(shè)規(guī)范 地形變臺站第3部分：斷層形變臺站》（中國地震局，2004）、《地震臺站觀測環(huán)境技術(shù)要求 第3部分：地殼形變觀測》（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等，2004）、《地震水準測量規(guī)范》（中國地震局，2015），上述標準中對場地選址的具體要求有：

（1）地震地質(zhì)條件：觀測場地布設(shè)在活動斷裂的活動段，測線應(yīng)跨越活動斷裂帶的主斷層，首選基巖出露場地；無基巖出露場地覆蓋層厚度應(yīng)小于30m，并且地表土堅實。

（2）地形地貌條件：觀測場地宜選址在地形平坦、視野開闊。地勢低洼、地下水水位較高地區(qū)，泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)地段，古河道、河堤、沖積層河岸，陡坎和風口等上述地段不宜選址。

（3）環(huán)境干擾源：①振動干擾源：產(chǎn)生高頻振動、爆破沖擊振動行為，如機場、鐵路、公路、采石、采礦、沖壓、粉碎作業(yè)場地等。②荷載干擾源：由于物資增減、遷移，使地面單位面積荷載變化，引起地殼形變的來源，如海域潮汐、水庫、湖泊、河流；采空區(qū)荷載的變化；大型建筑、倉庫、重型工廠的荷載變化。③水文地質(zhì)環(huán)境變化干擾源：引起地殼形變觀測場地水文地質(zhì)參數(shù)或性質(zhì)變化，如采油、抽水、注水等。上述環(huán)境干擾源與距跨斷層測量觀測儀器的最小距離，如表1所示。

表1 跨斷層形變測量環(huán)境要求 Table1 Environmental requirements for cross-fault deformation measurement

針對山間盆地斷裂復(fù)雜的特點，結(jié)合跨斷層流動形變監(jiān)測場地選址規(guī)范，確定跨斷層形變監(jiān)測場地優(yōu)選思路為：依據(jù)斷裂已有研究成果，在斷裂全新世活動段，開展野外地質(zhì)調(diào)查，選擇斷裂出露點附近地勢平坦、視野開闊的場地，該斷裂出露點應(yīng)具有直接證據(jù)證明斷裂的全新世活動特征；在第四系覆蓋場地，結(jié)合地球物理勘探結(jié)果確定斷裂具體位置。此外，場地應(yīng)滿足環(huán)境干擾相關(guān)規(guī)定以及有利于長期觀測等條件。

3 監(jiān)測場地適宜性分析

懷涿盆地北緣斷裂研究成果表明（戚幫申，2017），在斷裂的杏林堡—小水峪段，斷層活動的最強時期在晚更新世，最晚1次錯動在全新世晚期。由此可見，該斷裂段為全新世活動段，以下3個場地均位于該段落內(nèi)。

3.1 西洪站場地

西洪站村北為典型的丘陵山區(qū)，地勢起伏變化，懷涿盆地北緣斷裂展布于山前，在西洪站村北241省道旁開挖槽內(nèi)見斷層剖面，斷層上盤為馬蘭黃土和全新世沖洪積砂礫石層，下盤為基巖，斷層走向345°，傾角約73°（圖2），斷層錯斷晚更新世馬蘭黃土—全新世沖洪積物，馬蘭黃土OSL年齡為（17.02±2.01）ka BP（戚幫申，2017），該處斷層活動時代為晚更新世—全新世。

圖2 西洪站村北懷涿盆地北緣斷裂剖面 Fig.2 The profile of the northern margin fault of the north Huaizhuo basin in Xihongzhan village

經(jīng)過野外調(diào)查，斷裂出露點附近無開闊地帶，并且斷層距241省道僅十幾米，存在振動干擾，不利于開展跨斷層監(jiān)測。

3.2 小水峪場地

懷琢盆地北緣斷裂在小水峪村附近走向近EW，山前晩更新世、全新世沖洪積臺地發(fā)生明顯錯斷，形成斷層陡坎，在小水峪村北斷層剖面上盤的晚更新世馬蘭黃土（OSL年齡（13.09±1.71）ka BP）—全新世沖洪積物發(fā)生錯斷，形成明顯斷層陡坎（戚幫申，2017），該處斷層活動時代為晚更新世—全新世（圖3（a））。

野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在斷層出露處東北200m處，有一近NS向橫跨斷裂的鄉(xiāng)間道路，道路地勢平坦，視野開闊（圖3（b）），可擬選為跨斷層監(jiān)測場地，但該場地斷裂隱伏于第四系覆蓋層之下，為確定斷裂的具體位置，沿道路布設(shè)了1條近NS向長324m的淺層地震勘探剖面（楊歧炎等，2015），勘探結(jié)果表明，斷層位于剖面249m處，但斷裂隱伏處附近沖溝發(fā)育（圖4），難以滿足跨斷層測量場地要求，因此該場地不適宜作為跨斷層流動形變監(jiān)測場地。

圖3 小水峪村北懷涿盆地北緣斷裂出露剖面（a）及附近場地環(huán)境（b） Fig.3 The outcrop profile (a) and the environment of surrounding site (b) at the northern margin of the north Huaizhuo basin in Xiaoshuiyu village

圖4 小水峪村東北懷涿盆地北緣斷裂淺層地震勘探剖面（a）及斷裂隱伏處場地環(huán)境（b） Fig.4 Shallow seismic prospecting profile of the north margin of the Huaizhuo basin in the northeast of Xiaoshuiyu village (a) and the site environment of the buried fault (b)

3.3 麻峪口場地

通過野外調(diào)查、斷裂走向追蹤發(fā)現(xiàn)，在西洪站與小水峪斷裂出露處之間的麻峪口村東北有一近NS向地勢平坦、視野開闊橫跨懷涿盆地北緣斷裂的場地，該場地為鄉(xiāng)村田間道路，場地被第四系地層所覆蓋，為確定斷裂的具體位置，沿道路布設(shè)了1條長672m的淺層地震勘探剖面?？碧浇Y(jié)果表明，剖面上存在2條斷層F1、F2，斷層分別位于剖面230m、430m處（圖5）。根據(jù)斷裂構(gòu)造走向追蹤以及斷裂位置及規(guī)模，認為F1為懷涿盆地北緣斷裂的主邊界斷裂，F(xiàn)2為懷涿盆地北緣斷裂的新生斷裂，其發(fā)育在山前沖洪積扇的沉積層內(nèi)，是山前斷裂向盆地內(nèi)部的進一步拓展和演化。

該場地地勢平坦、視野開闊，無環(huán)境干擾，距村莊較遠，便于長期觀測，適宜作為跨斷層流動形變監(jiān)測場地。為將來布設(shè)水準標石可提供斷裂準確位置，對斷層進行了野外標識，圖6（b）為斷層F1野外標識。

圖5 麻峪口村東北懷涿盆地北緣斷裂淺層地震勘探結(jié)果 Fig.5 Results of shallow seismic exploration of faults in the northern margin of the Huaizhuo basin in northeast Mayukou village

圖6 麻峪口村東北場地環(huán)境(a)及斷層F1野外標識(b) Fig.6 Field environment (a) and fault F1 field identification (b) in Northeast of Mayukou village

針對山間盆地斷裂復(fù)雜的特點，根據(jù)斷裂活動特征、場地條件，以及相關(guān)規(guī)范，對跨懷涿盆地北緣斷裂的西洪站村等場地進行綜合分析，各個場地的適宜性分析見表2。

表2 跨斷層測量場地綜合分析 Table2 Comprehensive analysis of measuring sites across faults

續(xù)表

需要指出的是，張家口地處河北省西北部，分為壩上、壩下2大部分，壩上高原區(qū)屬內(nèi)蒙古高原的南緣，海拔一般在1400m左右。壩下低中山盆地，山巒起伏，溝谷縱橫，海拔高度在1000—2000m之間。群山之間有較大的山間盆地呈串珠狀排列，海拔高度500—1000m。受自然環(huán)境影響，張家口經(jīng)濟、交通網(wǎng)絡(luò)欠發(fā)達，城鎮(zhèn)化進程較慢，對跨斷層流動形變監(jiān)測場地布設(shè)較為有利，能夠滿足長期監(jiān)測，但自然環(huán)境因素，特別是地形起伏變化給選址帶來了不利因素。

4 結(jié)語

本文以張家口懷涿盆地北緣斷裂為例，針對山間盆地斷裂復(fù)雜的特點，利用斷裂已有研究成果，結(jié)合斷裂野外地質(zhì)調(diào)查、淺層地震勘探，并根據(jù)環(huán)境條件、自然條件以及相關(guān)規(guī)范要求，對斷裂全新世活動段的西洪站村、小水峪村、麻峪口村場地進行了綜合分析，優(yōu)選出適宜跨斷層流動形變監(jiān)測的麻峪口村場地。