珠江三角洲地區(qū)活動(dòng)斷裂探查方法淺析

黃孝波，孫社良，屈尚俠

(1.廣東省地質(zhì)調(diào)查院，廣東 廣州 510080；2.廣州市地質(zhì)調(diào)查院， 廣東 廣州 510440)

珠江三角洲地區(qū)是廣東省經(jīng)濟(jì)中心、科技中心，20世紀(jì)30年代開(kāi)始，吳尚時(shí)等[1-8]提出珠江三角洲這一概念之后，經(jīng)過(guò)幾十年的調(diào)查和研究，提出了斷塊三角洲的成因認(rèn)識(shí)，近20年來(lái)大量的工程勘查和區(qū)域地質(zhì)調(diào)查，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多條活動(dòng)斷裂，特別是佛山市西淋崗地區(qū)發(fā)現(xiàn)切割第四系斷裂剖面[6-7]之后，引起了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和省領(lǐng)導(dǎo)的重視。在該項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)一些研究成果，對(duì)活動(dòng)斷裂探查方法進(jìn)行歸納，一方面是對(duì)項(xiàng)目工作方法的總結(jié)，另一方面是為今后的活動(dòng)斷裂探查工作提供一些借鑒和參考。

1 活動(dòng)斷裂的定義

活動(dòng)斷裂又稱活斷層、活動(dòng)斷層，是一種普遍存在于地球上的構(gòu)造現(xiàn)象，構(gòu)造學(xué)、地震學(xué)、地球動(dòng)力學(xué)等專(zhuān)家對(duì)活動(dòng)構(gòu)造都有研究，但是因研究目的、研究區(qū)所處環(huán)境、研究者的認(rèn)識(shí)等因素的差異，大家對(duì)多活動(dòng)斷裂的定義各不相同，該文采用的定義是中國(guó)地震局在綜合國(guó)內(nèi)外學(xué)者成果和建議的基礎(chǔ)上給出的定義：活動(dòng)斷裂指晚第四紀(jì)10萬(wàn)～12萬(wàn)年以來(lái)有過(guò)活動(dòng)記錄而且目前正在活動(dòng)的斷裂、將來(lái)的某一時(shí)期內(nèi)仍有可能發(fā)生活動(dòng)的斷裂[9]。

2 活動(dòng)斷裂探查方法

活動(dòng)斷裂探查研究的主要任務(wù)是回答有沒(méi)有斷裂、活動(dòng)斷裂的規(guī)模和空間展布特征、活動(dòng)斷裂會(huì)不會(huì)引發(fā)地震，若會(huì)發(fā)生地震要怎么預(yù)防等問(wèn)題。

活動(dòng)斷裂探查方法主要有地面地質(zhì)調(diào)查[10-12]、物探[11-14]、地球化學(xué)方法[11-13,16]、鉆探[11-13,17]、斷層物質(zhì)測(cè)年[11-12,17-18]、歷史地震研究[11-12,19]等。下面簡(jiǎn)述這些方法的運(yùn)用和優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 斷裂的地面調(diào)查法

斷裂的地面調(diào)查法是一種定性分析方法，斷裂調(diào)查主要是根據(jù)斷裂露頭巖性結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征判斷斷裂的規(guī)模、性質(zhì)、活動(dòng)性?？梢愿鶕?jù)構(gòu)造巖巖性判斷斷裂性質(zhì)：如棱角狀構(gòu)造角礫巖可能為張性正斷層產(chǎn)物，磨礫巖可能是壓扭性逆斷層產(chǎn)物，片理化構(gòu)造巖可能是壓剪性斷裂產(chǎn)物，碎粉巖、斷層泥可能是逆斷層的產(chǎn)物；通過(guò)斷裂構(gòu)造巖和影響帶的規(guī)模來(lái)判斷斷裂的規(guī)模；根據(jù)構(gòu)造巖的膠結(jié)程度可以判斷斷裂的活動(dòng)性，膠結(jié)差的構(gòu)造角礫巖一般活動(dòng)時(shí)間較晚，若野外看見(jiàn)松散狀碎粉巖、角礫等，可以判斷為活動(dòng)斷裂，但是要根據(jù)其他證據(jù)綜合判斷。

例如：在廣州市花都區(qū)炭步鎮(zhèn)，白坭-沙灣斷裂露頭上，開(kāi)挖出來(lái)的新鮮面見(jiàn)到松散的碎斑巖、碎粉巖、構(gòu)造角礫等，用地質(zhì)錘輕輕敲擊就跨落，且鉆探揭露深部構(gòu)造巖的特征也是十分松散，說(shuō)明該斷裂活動(dòng)時(shí)間較新，可能是一個(gè)活斷裂。

若在野外能夠發(fā)現(xiàn)第四紀(jì)沉積物的錯(cuò)斷，也能認(rèn)為是活動(dòng)斷裂的存在證據(jù)，比如在佛山市西淋崗，采用了探槽和剝土方法揭露了斷裂從基底花崗巖一直延伸到第四系，切割到花斑黏土層(晚更新世)；另外根據(jù)第四系厚度和全風(fēng)化層厚度可以定性的輔助判斷活動(dòng)斷裂的位置，主要原理是斷裂處破碎，易風(fēng)化形成溝槽，導(dǎo)致相同時(shí)期沉積物比沒(méi)有斷裂破碎帶的地方更厚，有些開(kāi)放性斷裂破碎帶導(dǎo)水能力強(qiáng)，抗風(fēng)化能力比圍巖更弱，如花崗巖的斷裂破碎帶上往往形成較厚的全風(fēng)化層。一般而言，第四系沉積厚度或全風(fēng)化層厚度等值線圖中如有線狀分布的高值區(qū)可以初步認(rèn)為是活動(dòng)斷裂存在的證據(jù)。

斷裂的地面調(diào)查法是一種定性的分析方法，調(diào)查人員的素質(zhì)、經(jīng)驗(yàn)和露頭的好壞直接影響對(duì)斷裂活動(dòng)性判斷的準(zhǔn)確與否，一般不可單獨(dú)使用，需配合其他方法共同驗(yàn)證。

2.2 淺層地震

對(duì)于活動(dòng)斷裂，特別是切割第四系的斷裂，在第四系覆蓋區(qū)淺層地震是一種比較理想的物探方法。珠江三角洲地區(qū)第四系厚度一般20～30m，厚者可達(dá)60m，而淺層地震的有效探測(cè)深度80～100m，與珠三角地區(qū)第四系厚度剛好匹配。

淺層地震勘探利用地層(巖體)地震波波速的差異來(lái)反映地層(巖體)的分布特征，如果地層(巖體)發(fā)生明顯錯(cuò)斷，在地震剖面上可以見(jiàn)到明顯的同相軸不連續(xù)、錯(cuò)位現(xiàn)象，可以較好地反映地質(zhì)體的分布特征[11-14]。例如在中山靈山鎮(zhèn)上橫欄村附近施工的淺層地震，從淺層地震剖面圖上可以看到斷裂切割了第四系(圖1)，并且鉆探驗(yàn)證了該斷裂的存在。

圖1 靈山鎮(zhèn)上橫欄村淺層地震剖面示斷裂切割第四系[20]

淺層地震是一種操作簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低的物探手段，對(duì)切割第四系的斷裂反應(yīng)較為靈敏，能夠直觀地反應(yīng)第四系的分布特征。該方法也有其局限性，它可以有效識(shí)別淺部地質(zhì)體的錯(cuò)斷，包括正斷層和逆斷層，但是對(duì)于沒(méi)有明顯上下錯(cuò)動(dòng)的走滑斷裂，識(shí)別能力較差，另外，如果第四系太厚，對(duì)基巖斷裂的識(shí)別能力不強(qiáng)，探測(cè)深度有限。

2.3 地球化學(xué)探測(cè)法

地球化學(xué)方法主要是根據(jù)某些高揮發(fā)性的元素容易從地下遷移到地面形成一定規(guī)律的地球化學(xué)異常來(lái)判斷斷裂分布和活動(dòng)性[11-12,15-17]，氡氣和汞氣能不斷地通過(guò)地質(zhì)體中軟弱面從地殼深部往地表運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致在斷裂附近的土壤中氡氣、汞氣富集，活動(dòng)斷裂由于活動(dòng)時(shí)間新，斷裂物質(zhì)膠結(jié)差，開(kāi)啟性好，成為氡氣、汞氣運(yùn)移的條件。工作中可以根據(jù)氡氣(汞氣)的異常曲線判斷斷裂的存在與否以及斷裂的一些特征，比如尖而窄的單峰曲線可以推斷出該斷裂為近直立埋深較淺的小型斷裂；圓而寬的單峰異常曲線顯示的是埋深較大、產(chǎn)狀較陡的大型斷裂或者斷裂埋深不大，覆蓋物空隙小，不利于斷層氣逸散的斷裂；雙峰異常曲線一般認(rèn)為是中等規(guī)模的傾斜斷裂特征，主峰一般對(duì)應(yīng)斷裂開(kāi)口處，次級(jí)異常峰對(duì)應(yīng)的是斷裂上盤(pán)；多峰異常曲線代表傾斜甚大斷裂特征，斷裂的上盤(pán)一般有次級(jí)裂隙發(fā)育[15-17,21-22]。廣東省地調(diào)院在南沙區(qū)布設(shè)的幾條跨斷裂的氡氣剖面在斷裂帶附近均有異常顯示(圖2)，反映斷裂具有一定的活動(dòng)性。

圖2 廣州南沙區(qū)十九涌氡氣測(cè)量異常曲線[20]

地球化學(xué)探測(cè)法如氡氣(汞氣)測(cè)量操作簡(jiǎn)單、成本低，受地形控制不明顯，可以進(jìn)行大范圍長(zhǎng)距離的測(cè)量，其缺點(diǎn)是受天氣、土壤含水量、采樣時(shí)間等影響，具有一定的不穩(wěn)定性。

2.4 鉆探及聯(lián)孔剖面法

活動(dòng)斷裂，特別是切割第四紀(jì)地層的斷裂，對(duì)區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)至關(guān)重要，但是一般在野外露頭難以發(fā)現(xiàn)，需要借助物探和鉆探來(lái)控制。鉆探巖心上一般難以發(fā)現(xiàn)斷裂跡象，但是也有一些鉆孔可以看到，比如在佛山西淋村鉆探中發(fā)現(xiàn)了斷裂切割到花斑黏土層，且斷面高角度，擦痕明顯。一些鉆孔巖心完整，但某些標(biāo)志層的埋深與相鄰鉆孔相同標(biāo)志層的埋深有明顯的差異，可以通過(guò)一定范圍內(nèi)的鉆孔進(jìn)行聯(lián)孔剖面繪制，結(jié)合綜合物探成果推斷第四紀(jì)地層斷裂的存在。如在廣州番禺區(qū)三號(hào)綜合剖面可以看出(圖3)，Ns56,Ns57,Zs53聯(lián)孔剖面顯示，區(qū)域上F139和F224斷裂形成的地塹切割了花斑黏土，斷裂活動(dòng)時(shí)間為晚更新世，為活動(dòng)斷裂。鉆探聯(lián)孔剖面是一種定性分析手段，需要配合其他手段共同使用才能準(zhǔn)確地判斷活動(dòng)斷裂的特征。

S1γη—志留紀(jì)二長(zhǎng)花崗巖；E1x—古近系莘莊村組；E1-2b—古近系心組；Qel—第四系殘積層；Qpsp—晚更新統(tǒng)石排組；Qpxn—晚更新統(tǒng)西南鎮(zhèn)組；Qpsj—晚更新統(tǒng)三角組；Qhhl—全新統(tǒng)橫欄組；Qhw—全新統(tǒng)萬(wàn)頃沙組；Qhdl—全新統(tǒng)燈籠沙組；Qs—人工填土圖3 廣州番禺三號(hào)聯(lián)孔剖面示斷裂切割晚更新世地層[20]

鉆探及聯(lián)孔剖面法是判斷第四系斷裂活動(dòng)的直接證據(jù)，非常直觀，說(shuō)服力強(qiáng)。其缺點(diǎn)是鉆探施工的成本較高，帶來(lái)一定的環(huán)境問(wèn)題，還要結(jié)合物探資料，也可能或漏判一些錯(cuò)段距離不大的斷裂。

2.5 斷裂物質(zhì)測(cè)年法

斷裂物質(zhì)測(cè)年是一種定量分析手段。目前主要使用測(cè)年方法有鋯石U-Pb法、K/Ar法、40Ar-39Ar法、熱釋光法(TL)、光釋光法(OSL)、AMSC-14法、電子自旋共振法(ESR)以及宇宙成因核素測(cè)年等[11-12,17-18,23]。鋯石U-Pb法判斷斷裂活動(dòng)年齡的工作原理是根據(jù)斷裂切割巖體的鋯石U-Pb年齡，推測(cè)斷裂最老的活動(dòng)年齡，這一方法往往導(dǎo)致斷裂活動(dòng)年齡偏老；K/Ar法或40Ar-39Ar法是利用斷裂帶中自生云母進(jìn)行測(cè)年，確定斷裂活動(dòng)時(shí)間(自生云母形成時(shí)間)；熱釋光法(TL)是利用斷裂帶內(nèi)構(gòu)造巖進(jìn)行熱釋光試驗(yàn)，確定斷裂形成時(shí)代，其原理是利用斷裂物質(zhì)中的石英顆粒被加熱時(shí)發(fā)光的現(xiàn)象來(lái)估算斷裂物質(zhì)的形成年齡；光釋光法測(cè)年是根據(jù)沉積物接受光照(沉積)之后，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室光學(xué)儀器光學(xué)激發(fā)而釋放光，通過(guò)測(cè)量釋放光(能量)的總量就能判斷斷裂活動(dòng)的年齡；電子自旋共振(ESR)測(cè)年是根據(jù)測(cè)年物質(zhì)的ESR信號(hào)強(qiáng)度和樣品的年平均計(jì)量就可以算出斷裂ESR年齡；宇宙成因核素測(cè)年是根據(jù)地質(zhì)體暴露地表后接受到的宇宙核素輻射而產(chǎn)生的核素，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定巖石中宇宙核素成因濃度計(jì)算巖石的暴露年齡[23]。

珠江三角洲活動(dòng)斷裂探查中主要采用了構(gòu)造巖熱釋光測(cè)年法、第四紀(jì)細(xì)粒沉積物光釋光測(cè)年法、第四系有機(jī)質(zhì)AMSC-14測(cè)年，以及電子自旋共振測(cè)年(ESR)、鋯石U-Pb測(cè)年法和40Ar-39Ar測(cè)年等方法，取得較好的效果。

斷裂物質(zhì)測(cè)年能夠較為直觀地反映斷裂活動(dòng)的時(shí)間，特別是熱釋光測(cè)年和電子自旋共振測(cè)年能夠反映最近一次構(gòu)造活動(dòng)的時(shí)間，判斷是否為活動(dòng)斷裂直接證據(jù)。其缺點(diǎn)是測(cè)試費(fèi)用高，周期長(zhǎng)，如宇宙成因核素測(cè)年，國(guó)內(nèi)能夠完成該項(xiàng)測(cè)試的機(jī)構(gòu)很少，樣品需要寄送到國(guó)外進(jìn)行測(cè)試。

2.6 歷史地震法

地震是斷裂活動(dòng)最明顯、最直接的證據(jù)，有地震記錄就有活動(dòng)斷裂，地震往往是發(fā)生在幾條斷裂交會(huì)的地方[9,11-12]。如2019年4月21日，河源2.9級(jí)地震，發(fā)生在河源斷裂上；2019年4月24日，增城2.7級(jí)地震發(fā)生在瘦狗嶺斷裂東端。通過(guò)統(tǒng)計(jì)歷史地震，可以明顯地看出，珠江三角洲地區(qū)的歷史地震主要發(fā)生在主干斷裂的交會(huì)點(diǎn)(圖4)，因此可以推斷，這些發(fā)生過(guò)歷史地震的斷裂都是活動(dòng)斷裂。

圖4 珠江三角洲歷史地震分布圖(據(jù)文獻(xiàn)[9]改編)

2.7 其他方法

除上述6種常用的方法之外，還有一些方法可以用來(lái)輔助判斷斷裂是否為活動(dòng)斷裂。

此外，還有學(xué)者通過(guò)斷層泥中礦物顆粒表面形貌判斷斷裂活動(dòng)時(shí)間早晚以及斷裂的活動(dòng)方式，斷層泥中的礦物顆粒在斷裂活動(dòng)過(guò)程中會(huì)不斷被擠壓、碰撞刻畫(huà)形成不同形態(tài)的刻蝕形貌，在斷裂形成之后，倘若斷裂出露地表或有地下水滲流經(jīng)過(guò)，之前形成的刻蝕形貌就會(huì)被水流溶蝕，不斷弱化、消減這些刻蝕形貌，實(shí)驗(yàn)室可以通過(guò)分析這些顆粒的刻蝕形貌、溶蝕形貌進(jìn)行定性分析，輔助判斷斷裂的活動(dòng)性，一般而言，斷層泥中礦物顆粒以擠壓碰撞刻蝕為主的斷裂帶一般時(shí)代較新，可能是活動(dòng)斷裂[24-25]。

地?zé)崴?溫泉)也是活動(dòng)斷裂的一個(gè)表現(xiàn)，如五桂山南斷裂由東往西，依次出現(xiàn)中山溫泉、泉眼溫泉、斗門(mén)御溫泉、都斛溫泉等，是由NE向五桂山南斷裂和NW向次級(jí)斷裂活動(dòng)引起的地?zé)岙惓！?/p>

3 存在的問(wèn)題和建議

(1)通過(guò)地面調(diào)查、物探、化探、鉆探、測(cè)年、歷史地震研究等手段，主要解決的問(wèn)題是斷裂的規(guī)模、空間展布形態(tài)和過(guò)去一段地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)斷裂的活動(dòng)情況，但是對(duì)于斷裂將來(lái)一段時(shí)期內(nèi)是否重新活動(dòng)沒(méi)有判斷依據(jù)。

(2)目前沒(méi)有一個(gè)成熟斷裂帶建筑避讓方法可以推廣運(yùn)用。珠江三角洲地區(qū)斷裂密布，建成區(qū)也有不少斷裂，如廣從斷裂、獅子洋斷裂、瘦狗嶺斷裂、白坭-沙灣斷裂、西江斷裂、五桂山南斷裂、五桂山北斷裂等，這些斷裂兩側(cè)在城市建設(shè)規(guī)劃時(shí)如何進(jìn)行規(guī)避斷裂活動(dòng)帶來(lái)的破壞和對(duì)建筑進(jìn)行合理的地震設(shè)防。

(3)目前活動(dòng)斷裂的監(jiān)測(cè)預(yù)警方法較落后，一定條件下可靠性不強(qiáng)。目前主要是運(yùn)用斷裂帶及周邊長(zhǎng)期的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、斷裂帶兩側(cè)長(zhǎng)期的GPS位移形變觀測(cè)、斷層帶上斷層氣(氡氣、汞氣、甲烷、二氧化碳、氦氣)監(jiān)測(cè)、地震波(地震臺(tái)網(wǎng))監(jiān)測(cè)等，一定的條件下，這些手段的有效性和準(zhǔn)確性受眾多因素干擾，可靠性不高。

建議加強(qiáng)活動(dòng)斷裂探查的方法手段研究，創(chuàng)新探查方法，運(yùn)用新的理論和大數(shù)據(jù)對(duì)活動(dòng)斷裂區(qū)城市建設(shè)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃、避讓?zhuān)⒂行У谋O(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，保障城市長(zhǎng)久穩(wěn)定發(fā)展。

致謝：感謝項(xiàng)目組林小明博士、李出安主任、李宏衛(wèi)博士、張獻(xiàn)河副主任、易隆科工程師等同志的指導(dǎo)和幫助，感謝審稿專(zhuān)家提出的寶貴修改意見(jiàn)和建議！