北京平原區(qū)黃莊—高麗營斷裂(房山—淶水段)第四紀(jì)活動(dòng)特征的淺層綜合探測證據(jù)

周永恒 , 楊肖肖*, 豐成君, 張 鵬, 孟 靜,譚成軒, 鄧亞虹, 宋焱勛, 王繼明

1)長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院, 陜西西安 710061;2)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081;3)中國聯(lián)合工程有限公司, 浙江杭州 310051

活動(dòng)斷裂是指晚更新世(距今10萬年—12萬年)以來一直在活動(dòng), 未來一定時(shí)期內(nèi)仍可能活動(dòng)的斷裂(鄧起東, 1991; 徐錫偉等, 2002; 吳中海,2019)。大量的震例表明, 活動(dòng)斷裂是地震的根源和元兇(徐錫偉等, 1996, 2002), 地震災(zāi)害具有沿發(fā)震斷層呈狹窄的帶狀分布特征(徐錫偉等,1996), 特別是發(fā)生在城市范圍內(nèi)的大地震可能產(chǎn)生巨大的災(zāi)害, 包括強(qiáng)烈的振動(dòng)破壞和地表錯(cuò)動(dòng)(鄧起東等, 2003)。因此, 開展重要經(jīng)濟(jì)區(qū)內(nèi)隱伏活動(dòng)斷裂的幾何位置、運(yùn)動(dòng)方式、活動(dòng)性, 及其控災(zāi)效應(yīng)的研究具有重要的工程和科學(xué)意義(徐錫偉等, 2002; 鄧起東等, 2003; 吳中海, 2019; 戚幫申等, 2020)。

黃莊—高麗營斷裂是北京平原區(qū)主要的隱伏活動(dòng)斷裂之一(焦青等, 2005; 馬文濤等, 2005), 沿該斷裂的北七家—高麗營段發(fā)育有寬度達(dá)43 m的地裂縫, 對(duì)沿線建筑物和公路破壞嚴(yán)重(賈三滿和郭萌, 2007; 劉明坤等, 2013; 郭萌等, 2013; 盧全中等,2014), 而且該斷裂帶的晚第四紀(jì)活動(dòng)性關(guān)乎首都圈地區(qū)的城市安全, 一直備受關(guān)注(劉元章等,2019)。前人基于野外地表調(diào)查、探槽開挖、淺層地震勘探、鉆探、年齡測試等方法, 對(duì)黃莊—高麗營斷裂的平面位置、活動(dòng)特征和第四紀(jì)活動(dòng)性等曾開展過研究, 認(rèn)為該斷裂帶全長約 132 km, 走向NNE、傾向 SEE、傾角約 50°～80°, 空間展布具有明顯分段特征, 第四紀(jì)活動(dòng)主要表現(xiàn)為東南盤下降西北盤上升的正斷層性質(zhì), 而且認(rèn)為其活動(dòng)具有自北而南逐步減弱的趨勢(徐杰等, 1992; 焦青等, 2005;馬文濤等, 2005; 王海剛等, 2013)。前人根據(jù)該斷裂帶的平面幾何分布及活動(dòng)性, 將其自北而南分為五段: 廟城—洼里段、洼里—蘆井段、蘆井—曉幼段、曉幼營—房山段、房山—淶水段(彭遠(yuǎn)黔等, 2017)。其中的房山—淶水段整體隱伏于山前平原下, 其南端被NW向東壘子—淶水?dāng)嗔呀刈? 向北經(jīng)東城坊鎮(zhèn)、百尺桿鎮(zhèn)、岳各莊鎮(zhèn)和周口店鎮(zhèn)等, 可一直延伸至房山一帶, G5、G95高速公路和南水北調(diào)中線引水渠等多個(gè)線性工程從其上經(jīng)過(圖 1), 而且地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)斷裂沿線的六間房村、東甘池村、西甘池村、東長溝村等地都有大量民居墻體出現(xiàn)垂直裂縫和單斜裂縫(圖2)。因此, 深入認(rèn)識(shí)該段斷裂的第四紀(jì)活動(dòng)性及其特征對(duì)于科學(xué)評(píng)價(jià)該區(qū)主要工程的穩(wěn)定性及其安全營運(yùn)等具有重要潛在影響。但是,前人關(guān)于該段斷裂的第四紀(jì)活動(dòng)性及其對(duì)地裂縫的控災(zāi)作用仍存在分歧, 有些學(xué)者認(rèn)為該段斷裂第四紀(jì)活動(dòng)跡象不明顯(胡平等, 2010; 彭遠(yuǎn)黔等, 2017),但也有學(xué)者認(rèn)為1658年2月淶水6級(jí)地震(圖1)可能與該段活動(dòng)有關(guān)(韓慕康和趙景珍, 1980; 趙?？〉? 2000; 王明格和李昌存, 2006), 并對(duì)淺地表地裂縫地質(zhì)災(zāi)害有一定控制作用(劉明坤等, 2013)。因此,進(jìn)一步調(diào)查和研究該段斷裂的第四紀(jì)活動(dòng)性及特征對(duì)于深入認(rèn)識(shí)其致災(zāi)作用及工程影響等具有重要意義。

圖1 北京平原區(qū)活動(dòng)構(gòu)造簡圖Fig.1 Generalized map of active structure of the Beijing plain area

圖2 斷裂沿線建筑物破壞特征Fig.2 Representative photographs of buildings destroyed by fault

本文基于野外地表調(diào)查、地球物理以及鉆孔綜合探測等結(jié)果, 揭示了該斷裂的位置、產(chǎn)狀、影響范圍等空間分布特征, 并獲得其第四紀(jì)活動(dòng)性的新認(rèn)識(shí), 希望相關(guān)成果可為首都圈地區(qū)的城市工程建設(shè)及區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)等提供地質(zhì)支撐。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

北京平原區(qū)位于燕山隆起、太行山隆起和華北斷陷盆地交匯部位(圖 1), 新生代以來主要處于伸展變形構(gòu)造環(huán)境(曹現(xiàn)志等, 2013; 索艷慧等, 2013)。古近紀(jì)以來, 該地區(qū)以NW–SE向拉張為主(徐杰等,2000, 2001), 北東向的黃莊—高麗營斷裂與南苑—通縣斷裂開始強(qiáng)烈的正斷活動(dòng), 形成自西向東依次分布的京西隆起、北京凹陷和大興隆起的“兩隆一凹”的構(gòu)造格局(汪良謀等, 1990); 新近紀(jì)時(shí)期, 北東向斷裂活動(dòng)性逐漸增強(qiáng), 大興隆起解體, 古近紀(jì)形成的構(gòu)造格局解體, 北京平原初步形成, 隨后至上新世晚期, 該地區(qū)進(jìn)入構(gòu)造活動(dòng)較弱的穩(wěn)定期(張磊等, 2016)。第四紀(jì)期間, 新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)繼承性發(fā)展, 并主要了 NE和 NW 向兩組活動(dòng)斷裂, 主要的NE向斷裂有南口山前斷裂、黃莊—高麗營斷裂、順義—良鄉(xiāng)斷裂、南苑—通縣斷裂、夏墊斷裂、大興凸起東緣斷裂(徐杰等, 2000); 主要的NW向斷裂有南河—孫口斷裂、永定河斷裂、東壘子—淶水?dāng)嗔?彭遠(yuǎn)黔等, 2017)(圖1b)。其中的南口—孫河斷裂與黃莊—高麗營、順義、夏墊、南苑—通縣等斷裂活動(dòng)明顯, 形成了諸如馬池口凹陷、后沙峪凹陷和天竺凹陷等一系列第四紀(jì)斷陷盆地(焦青和邱澤華,2006)。晚更新世以來, 黃莊—高麗營、順義、南口—孫河等斷裂的活動(dòng)性達(dá)到第四紀(jì)最大(張磊等,2016, 2017; 戚幫申等, 2020), 導(dǎo)致北京斷陷進(jìn)一步發(fā)展。

根據(jù)前人研究成果(欒英波等, 2011; 白凌燕等,2014; 趙勇等, 2013; 周毅等, 2016; 單帥強(qiáng), 2018)(表1) (圖3), 研究區(qū)內(nèi)新生界主要有新近系和第四系, 其中, 新近系明化鎮(zhèn)組(N2m)下段為棕紅、紫紅色泥巖與棕黃色粉細(xì)砂巖互層, 上段為灰、淺灰綠、棕黃色泥巖與灰白、棕黃色粉砂巖、細(xì)砂巖互層, 局部地區(qū)夾含礫砂巖; 第四系主要有未膠結(jié)或半膠結(jié)的礫石、砂、粉砂、粉質(zhì)黏土及黏土等組成, 具體又可分為固安組(Qp1g)、楊柳青組(Qp2y)、歐莊組(Qp3o)和楊家寺組(Qhy)。

圖3 河北平原綜合地層柱狀圖(據(jù)馬麗芳等, 2002)Fig.3 Stratigraphic column of Hebei plain area (after MA et al., 2002)

表1 北京平原區(qū)上新統(tǒng)—全新統(tǒng)地層劃分Table 1 Stratigraphic division of Pliocene-Holocene strata in Beijing plain area

2 隱伏活動(dòng)斷裂綜合探測方法

隱伏活動(dòng)斷裂是因被第四紀(jì)松散沉積物覆蓋而在地表沒有醒目形跡的活動(dòng)斷層(吳中海, 2019),平原區(qū)隱伏活動(dòng)斷裂的調(diào)查通常需要綜合地球物理探測和鉆孔聯(lián)合剖面來實(shí)現(xiàn)(徐錫偉等, 2002; 鄧啟東等, 2003; 中國地震局, 2005; 戚幫申等, 2020)。結(jié)合研究區(qū)的地理與地質(zhì)條件, 本文中主要采用的地球物理勘探方法包括可控源音頻大地電磁測深法(CSAMT)、淺層地震勘探法和高密度電阻率法。

2.1 可控源音頻大地電磁測深

可控源音頻大地電磁測深(CSAMT)由大地電磁測深法(Magnetotelluric, MT)發(fā)展而來, 通過控制電磁波信號(hào)在地球介質(zhì)中激發(fā)的電磁波場數(shù)據(jù)來觀測地球內(nèi)部的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)。該方法具有勘探深度大、分辨率較高、地形影響及高阻層的屏蔽作用小, 抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)(董澤義等, 2010)。利用可控源音頻大地電磁測深可幫助揭示活動(dòng)斷裂的空間位置、幾何形態(tài)及規(guī)模等。本研究采用美國Zonge公司的GDP-32Ⅱ型多功能電法儀, 其中接收機(jī)為Zonge公司研發(fā)的寬頻帶(0125～8192 Hz)、多通道、多功能的數(shù)字式接收機(jī), 通過軟件實(shí)時(shí)采樣, 自動(dòng)剔除天電干擾; 發(fā)射機(jī)采用 Zonge公司生產(chǎn)的大功率GGT-30發(fā)射系統(tǒng), 最大輸出電流20 A。場源供電電極距AB約為1 km, 水平方向電場MN(MN=50 m)平行于場源 AB, 角度差小于 5°, 收發(fā)距離 9 km,根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果確定設(shè)定頻率范圍為1～8192 Hz。

2.2 淺層地震勘探

淺層地震勘探是城市活動(dòng)斷裂探測中解決隱伏斷裂定位及切割地層層位最主要的方法之一(鄧起東等, 2003), 其主要任務(wù)是在收集整理工作區(qū)內(nèi)的地質(zhì)、CSAMT等資料基礎(chǔ)上, 查明斷裂的空間展布及其錯(cuò)動(dòng)第四紀(jì)沉積層情況, 并確定斷裂上斷點(diǎn)埋深(方盛明等, 2002)。本次淺層地震勘探設(shè)備采用美Geo-X公司生產(chǎn)的Aries數(shù)字地震儀, 28T可控震源車, 20DX-10Hz檢波器。綜合考慮此次地震勘探的地質(zhì)任務(wù)和實(shí)際施工場地的限制, 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),通過計(jì)算分析最高無混疊頻率和橫向分辨率, 確定采用3～4 m道距, 6～8 m炮距; 考慮到此次的探測深度在500～1000 m, 所以采用250～280道接收。

2.3 高密度電阻率法

高密度電阻率法是以巖、土導(dǎo)電性的差異為基礎(chǔ), 在人工施加穩(wěn)定電流場的作用下分析地下傳導(dǎo)電流分布規(guī)律的一種勘探方法。該方法抗干擾能力強(qiáng), 分辨率高, 是探測隱伏斷裂有效的手段(李志祥等, 2003; 易兵等, 2005)。結(jié)合CSAMT和淺層地震勘探確定斷層位置, 有助于進(jìn)一步探查第四系沉積層以及活斷層上斷點(diǎn)位置與埋深情況(朱濤等, 2007;藍(lán)星等, 2012; 溫超等, 2015)。本次高密度電法測量儀器采用驕鵬科技有限公司的E60DN電法工作站。基本電極距為 5 m, 工作裝置形式主要采用溫納排列(β), 所得剖面為倒梯形。

2.4 鉆孔聯(lián)合剖面

鉆孔聯(lián)合剖面是第四系物覆蓋區(qū)隱伏活動(dòng)斷層行之有效的探測方法之一, 主要通過在地球物理勘探顯示清楚、有明顯垂直位移的活動(dòng)斷層兩側(cè), 于斷層走向垂直方向布設(shè)鉆孔, 獲得鉆孔聯(lián)合剖面, 進(jìn)而揭露活動(dòng)斷裂的位置、上斷點(diǎn)埋深探測及其活動(dòng)性(向宏發(fā)等, 1993; 徐錫偉等, 2000; 趙江濤, 2017), “十五”期間, 《中國地震活動(dòng)斷層探測技術(shù)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》中明確將鉆孔聯(lián)合剖面法列為探測隱伏活斷層的主要手段之一, 較之地球物理探測的多解性和不確定性,鉆孔聯(lián)合剖面法可直接揭示地層特征, 可準(zhǔn)確地給出斷層的位置, 定位準(zhǔn)確性明顯提高(徐錫偉等, 2002;楊曉平等, 2007; 雷啟云等, 2008; 王銀等, 2015)。

3 數(shù)據(jù)處理與結(jié)果解釋

3.1 CSAMT數(shù)據(jù)處理與資料解釋

本次研究共布設(shè)兩條CSAMT測線, 分別為K3和 B3(圖 4)。K3測線沿 NW—SE方向布設(shè), 點(diǎn)距50 m, 由于K3線上障礙較多, 測線局部平移, 故將K3測線分段處理。K3(100～200)段西起北拒馬河南支, 東至南水北調(diào)渠溝西側(cè); K3(206～310)段西起南水北調(diào)渠東側(cè), 東至西城坊村西北側(cè)。B3測線布設(shè)在北拒馬河北側(cè)的百尺桿鎮(zhèn), 與 K3測線平行, 長度約2.4 km, 點(diǎn)距50 m。

圖4 黃莊—高麗營斷裂(房山—淶水段)地球物理探測測線及鉆孔分布圖Fig.4 Map of active fault, geophysical survey line and borehole distribution of Laishui section along Huangzhuang—Gaoliying fault

從 K3反演電阻率等值線圖(圖 5a)上看, 縱向上, 淺部電阻率值相對(duì)較低, 推斷為第四系松散堆積層, 橫向上, 反演電阻率等值線沿測線方向整體變化明顯。144～160號(hào)點(diǎn)之間電阻率較低、等值線稀疏, 反演電阻率曲線出現(xiàn)密集陡降特征,有明顯電阻率分界線, 且寬度較大, 為斷裂破碎帶特征, 推斷為黃莊—高麗營斷裂帶(房山—淶水段)(F1)顯示。該斷裂西側(cè)(下盤)縱向反演電阻率自上而下逐漸增大, 表層 0～50 m為中低阻特征, 以深為高阻特征, 推斷F1下盤第四系厚度小于50 m,第四系下伏基巖為薊縣系白云巖, 未見新近系和古近系。斷裂 F1東側(cè)(上盤)縱向反演電阻率為多層變化特征, 0～100 m 深度范圍內(nèi)為中低阻特征,推斷為第四系; 100～250 m之間表現(xiàn)為高阻與低阻相間, 推斷為新近系半膠結(jié)狀礫石層; 250 m以深為中高阻特征, 結(jié)合地質(zhì)資料, 推斷上盤基巖為侏羅系, 沿測線方向, 埋深逐漸增大。根據(jù)該段測線反演電阻率變化特征, 推斷 F1上斷點(diǎn)埋深為50～100 m, 可能活動(dòng)至第四系中上部(圖5b)。結(jié)合地質(zhì)資料和本次探測結(jié)果, F1斷裂帶寬度150～200 m, 斷裂規(guī)模較大, 走向 NE, 傾向?yàn)?SE,視傾角為 60°～70°, 正斷活動(dòng)特征, 向北延伸至北京長溝、岳各莊一帶。

圖5 K3測線CSAMT反演電阻率等值線圖Fig.5 Contour map showing CSAMT inversion resistivity along survey line K3

242～278號(hào)點(diǎn)之間在深度200 m附近出現(xiàn)連續(xù)高阻異常圈閉, 推斷為新近系內(nèi)部巖性變化引起。286～288號(hào)點(diǎn)之間反演電阻率曲線密集上升, 有明顯電阻率分界線, 為百尺竿—西疃村斷裂(F2)顯示。該斷裂西側(cè)(上盤)基巖推斷為侏羅系, 埋深為200～500 m 變化; 斷裂東側(cè)(下盤)基巖推斷為寒武—奧陶系, 上斷點(diǎn)埋深在100～150 m之間, 可能活動(dòng)至新近紀(jì)。為進(jìn)一步探查百尺竿—西疃村斷裂平面展布特征, 在百尺桿鎮(zhèn)布設(shè)B3測線(圖4)。B3反演電阻率等值線圖(圖6)上顯示, 124～152號(hào)點(diǎn)之間100～200 m深度出現(xiàn)連續(xù)高阻異常圈閉, 推斷為新近系內(nèi)部巖性變化; 156～158號(hào)點(diǎn)之間反演電阻率出現(xiàn)密集上升特征, 電性變化特征和曲線形態(tài)與K3反演電阻率等值線相似, 有明顯電阻率分界線,推測為百尺竿—西疃村斷裂(F2)顯示。由K3測線反演電阻率和 B3測線反演電阻率可基本確定該斷裂走向?yàn)镹E, 視傾向NW, 視傾角為65°左右, 正斷活動(dòng)特征, 上斷點(diǎn)埋深約為 75 m, 第四系未見錯(cuò)動(dòng),最新活動(dòng)時(shí)代為上新世, 控制涿州斷陷西部新近系沉積。根據(jù)本次探測推斷該斷裂為一前第四紀(jì)斷裂,可能為黃莊—高麗營斷裂的一次級(jí)斷裂, 具體還需結(jié)合其它地質(zhì)資料進(jìn)一步分析。

圖6 B3測線CSAMT反演電阻率等值線圖Fig.6 Contour map showing CSAMT inversion resistivity along survey line B3

3.2 淺層地震數(shù)據(jù)處理與資料解釋

淺層地震勘探 DZ1測線布設(shè)基本與推測斷裂垂直(圖4), 測線走向NW—SE方向, 共設(shè)1447個(gè)樁號(hào)。根據(jù)時(shí)間剖面特征顯示(圖7), 剖面上可識(shí)別出多套反射波組, 其中T1和T2反射波組特征明顯。T1雙程走時(shí)為40～200 ms, 其埋深40～330 m, 根據(jù)鉆孔資料, 推測 T1為第四系底界; T2雙程走時(shí)為83～403 ms, 根據(jù)反射同相軸的振幅、頻率、相位等特征分析, T2同相軸總體上具有連續(xù)性好、能量強(qiáng)的特征, 其埋深為 80～650 m, 根據(jù)鉆孔資料, 推測T2為新生界與基巖分界面。

圖7 DZ01測線淺層地震勘探剖面Fig.7 The section of seismic reflections along survey line DZ01

地震剖面特征顯示, 樁號(hào)485～495之間T1反射同相軸出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象, 且兩側(cè)反射波的頻率等特征有明顯差異, 推測此處存在斷裂。此斷裂錯(cuò)斷T1界面, 傾向?yàn)?SE, 視傾角為 55°～70°, 正斷活動(dòng)特征, 推斷其為黃莊—高麗營斷裂帶(房山—淶水段)(F1)。

3.3 高密度電阻率法數(shù)據(jù)處理與資料解釋

為進(jìn)一步確定 F1上斷點(diǎn)位置, 在 K3測線142～200號(hào)點(diǎn)之間布設(shè)了高密度電阻率法GM03測線。從其反演電阻率等值線斷面圖(圖 8)上看, 整體反演電阻率變化均勻, 縱向電性分層特征明顯,電阻率變化有一定規(guī)律, 自上而下為低—高—低變化特征。縱向上電阻值變化范圍較大, 推測淺部低阻層為耕植土和砂層, 中部高阻層推斷為卵礫石層, 下部低阻推斷為含水量較高的砂層。橫向上,反演電阻率曲線在點(diǎn)65出現(xiàn)明顯陡降、錯(cuò)動(dòng)跡象,為黃莊—高麗營斷裂帶(房山—淶水段)顯示,上斷點(diǎn)埋深可能約 10 m, 推測該斷裂存在晚更新世早期活動(dòng)跡象。這與前人認(rèn)為該段斷裂第四紀(jì)以來不活動(dòng)有所差異, 但是, 本次探測結(jié)果與1658年2月淶水縣城發(fā)生6級(jí)地震具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖8 GM03測線高密度電阻率勘探剖面Fig.8 High density electrical sounding survey section along survey line GM03

3.4 鉆孔聯(lián)合剖面

基于野外調(diào)查和上述地球物理探測結(jié)果, 為進(jìn)一步揭示黃莊—高麗營斷裂房山—淶水段的產(chǎn)狀、活動(dòng)方式和斷裂帶兩側(cè)的地層巖性差異等, 跨推測的斷裂以及上下盤布設(shè)了包含4個(gè)鉆孔的聯(lián)合鉆孔剖面(即史家鋪聯(lián)合鉆孔剖面)(圖 4), 各鉆孔位置及孔深見表2。

表2 鉆孔位置及孔深Table 2 Location and depth of drill hole

根據(jù)鉆孔巖心所揭露巖性特征, 并結(jié)合前人研究成果對(duì)比分析, 推測研究區(qū)地層主要有中元古薊縣系霧迷山組(Jxw)、侏羅系(J)、上新統(tǒng)明化鎮(zhèn)組(N2m)、下更新統(tǒng)固安組(Qp1g)、中更新統(tǒng)楊柳青組(Qp2y)、上更新統(tǒng)歐莊組(Qp3o)、全新統(tǒng)楊家寺組(Qhy)。霧迷山組(Jxw)主要為灰白色白云巖; 侏羅系(J)主要為灰綠色強(qiáng)風(fēng)化泥砂巖、灰綠色砂巖、灰綠色火山角礫巖; 明化鎮(zhèn)組(N2m)主要為雜色礫石層,黃褐色礫巖, 底部礫石層與侏羅系(J)呈角度不整合接觸; 固安組(Qp1g)主要為雜色礫石層, 土黃色、灰褐色泥砂巖, 紫紅色含礫石泥巖, 灰白色含黏土礫石層, 局部可見銹黃色礫質(zhì)黏土, 與明化鎮(zhèn)組(N2m)呈假整合接觸; 楊柳青組(Qp2y)主要為雜色礫石層,紫紅、亮土黃色礫質(zhì)黏土, 灰黃色粉砂巖, 土黃色粉砂質(zhì)黏土, 局部可見灰褐色細(xì)砂, 底部礫石層與固安組(Qp1g)呈假整合接觸; 歐莊組(Qp3o)主要為灰白色礫質(zhì)中粗砂, 銹紅色、灰褐色含礫石中粗砂,灰綠色含礫石粗砂, 灰褐色礫質(zhì)中細(xì)砂, 灰褐色礫質(zhì)細(xì)砂, 局部可見礫石層, 與楊柳青組(Qp2y)呈假整合接觸; 楊家寺組(Qhy)主要為灰褐色、土黃色黏土質(zhì)粉砂, 白灰色含黏土粉砂, 與歐莊組(Qp3o)呈假整合接觸。

東城坊鎮(zhèn)鉆孔聯(lián)合剖面(圖 9)揭示, 鉆孔BDZK001(斷裂下盤)缺失中更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)以及上新統(tǒng), 和CSAMT法K3測線揭示情況比較吻合。結(jié)合物探結(jié)果, 推測其與 BDZK002之間發(fā)育黃莊—高麗營斷裂帶F1, 上斷點(diǎn)埋深可能約10 m, 上更新統(tǒng)歐莊組底界可能存在錯(cuò)動(dòng), 錯(cuò)距約為16 m, 推測黃莊—高麗營斷裂房山—淶水段具有晚更新世早期活動(dòng)跡象。

圖9 黃莊—高麗營斷裂(房山—淶水段)鉆孔聯(lián)合剖面圖Fig.9 Composite drilling geological section across Laishui section along Huangzhuang—Gaoliying fault

4 討論

4.1 黃莊—高麗營斷裂(房山—淶水段)的第四紀(jì)活動(dòng)時(shí)代

隱伏斷裂的活動(dòng)性探測具有難度高和不確定性大的特點(diǎn), 目前廣泛采用的可控音頻大地電磁測深、淺層地震勘探、高密度電阻率法以及鉆孔聯(lián)合剖面法探測結(jié)果都往往具有多解性。所以, 本文關(guān)于黃莊—高麗營斷裂(房山—淶水段)第四紀(jì)活動(dòng)特征的淺層綜合探測結(jié)果肯定也具有不可避免的誤差或推測性。前人研究認(rèn)為, 黃莊—高麗營斷裂斷裂北段(廟城—洼里段)全新世仍有活動(dòng); 中段(洼里—蘆井段、蘆井—曉幼段、曉幼營—房山段)中、晚更新世有活動(dòng); 關(guān)于南段(房山—淶水段)是否存在第四紀(jì)活動(dòng)性仍存在分歧。

本文的 CSAMT法 K3測線勘探剖面(圖 5a)揭示, 黃莊—高麗營斷裂(房山—淶水段)已經(jīng)延伸到第四紀(jì)沉積物的中上部, 結(jié)合鉆探結(jié)果可知, 該斷裂可能已經(jīng)錯(cuò)動(dòng)晚更新統(tǒng)歐莊組底界, 錯(cuò)距約為16 m。而僅從鉆孔聯(lián)合剖面來看, 斷裂下盤缺失上新統(tǒng)和下、中更新統(tǒng)地層, 而上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)在斷裂兩側(cè)同時(shí)發(fā)育, 并且上盤側(cè)厚度大。這也可能指示斷裂活動(dòng)可能主要是晚更新世以前, 斷裂晚更新世期間僅早期有過活動(dòng), 而后期沒有活動(dòng), 從而導(dǎo)致上更新統(tǒng)以來的沉積物覆蓋了早期的斷層崖,并夷平了斷裂兩側(cè)的地形。這樣也可能是上更新統(tǒng)出現(xiàn)在斷裂兩側(cè), 并且斷裂上盤上更新統(tǒng)厚度大于斷裂下盤的主要原因。GM03測線高密度電阻率剖面(圖8)揭示黃莊—高麗營斷裂(房山—淶水段)上斷點(diǎn)埋深可能為10 m, 推測可能存在晚更新世早期活動(dòng)跡象, 這與CSAMT法揭示結(jié)果比較吻合。同時(shí),通過地表調(diào)查發(fā)現(xiàn), 黃莊—高麗營斷裂(房山—淶水段)沿線存在許多民居墻體被地裂縫破壞現(xiàn)象(圖2), 地裂縫的空間分布特征顯示其可能與該斷裂仍在持續(xù)活動(dòng)具有一定聯(lián)系, 并可能對(duì)淺地表的地裂縫地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育具有一定的控制作用。

4.2 黃莊—高麗營斷裂(房山—淶水段)與 1658年淶水6級(jí)地震

1658年河北淶水 6級(jí)地震震中為 39.4°N,115.7°E, 地震波及定興、新城、束鹿、鹽山等縣(賀樹德, 2013)。單從地里位置上看, 本次地震位于黃莊—高麗營斷裂與淶水?dāng)嗔训慕粎R處, 但有研究認(rèn)為本次地震可能與黃莊—高麗營斷裂的房山—淶水段活動(dòng)有關(guān), 因此, 在斷裂的關(guān)鍵部位進(jìn)行了地球物理及鉆孔綜合探測。綜合探測結(jié)果揭示, 黃莊—高麗營斷裂(房山—淶水段)可能為晚更新世早期活動(dòng)斷裂, 這與淶水地震具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 并可能是淶水6級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造。

4.3 綜合地球物理探測方法的有效性問題

綜合地球物理探測結(jié)果可知, CSAMT法在隱伏活動(dòng)斷裂探測中的應(yīng)用是有效的, 特別是在前人工作基礎(chǔ)比較薄弱地區(qū), 對(duì)隱伏活動(dòng)斷裂初期調(diào)查有重要意義。淺層地震勘探剖面(圖7)揭示黃莊—高麗營斷裂(房山—淶水段)錯(cuò)斷第四系底界, 這與鉆孔揭示結(jié)果比較吻合。在第四系松散沉積層內(nèi), 由于斷裂的錯(cuò)斷, 不會(huì)形成破碎帶, 這就使得在第四系松散沉積層內(nèi)根據(jù)地震剖面確定斷裂比在膠結(jié)成巖的地層內(nèi)確定斷裂更困難, 在第四系松散沉積層內(nèi)斷裂的特征不如在堅(jiān)硬巖石地層內(nèi)斷裂的特征明顯。雖然不同的物探方法存在不同的局限性, 但通過多種物探方法的綜合探測, 能夠做到優(yōu)勢互補(bǔ),增加隱伏活動(dòng)斷裂探測的確定性。

5 結(jié)論

根據(jù)對(duì)黃莊—高麗營斷裂房山—淶水段的綜合探測結(jié)果, 對(duì)該斷裂帶的淺層幾何結(jié)構(gòu)特征以及第四紀(jì)活動(dòng)性初步得到以下認(rèn)識(shí):

(1)物探揭示黃莊—高麗營斷裂帶(房山—淶水段)走向?yàn)镹E, 傾向?yàn)?SE, 視傾角為 60°～70°, 具有明顯的正斷活動(dòng)性質(zhì)。

(2)推斷黃莊—高麗營斷裂(房山—淶水段)上斷點(diǎn)埋深約10 m, 上更新統(tǒng)歐莊組底界錯(cuò)距約16 m,可能為晚更新世早期活動(dòng)斷裂, 并可能是 1658年淶水 6級(jí)地震的發(fā)震構(gòu)造, 并對(duì)淺地表地裂縫地質(zhì)災(zāi)害具有一定的控制作用。因此, 掌握該斷裂的幾何學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)特征可為該地區(qū)重大工程建設(shè)的區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及防災(zāi)減災(zāi)等提供關(guān)鍵地質(zhì)依據(jù)。

(3)綜合物探結(jié)果可知, CSAMT法對(duì)隱伏活動(dòng)斷裂的初期探測有重要意義, 在第四系松散沉積層內(nèi)淺層地震勘探剖面揭示的斷裂特征不如其在堅(jiān)硬巖石地層內(nèi)揭示的斷裂特征明顯, 但通過多種物探方法的綜合探測, 能夠做到優(yōu)勢互補(bǔ), 增加隱伏活動(dòng)斷裂探測的確定性。

致謝:中國地質(zhì)科學(xué)院王惠卿博士、萬佳威博士、范玉璐博士, 長安大學(xué)劉莎莎碩士, 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)商世杰碩士等參與野外調(diào)查、選線工作; 地球物理探測與解譯由北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院雷曉東高級(jí)工程師、李晨高級(jí)工程師、關(guān)偉高級(jí)工程師等協(xié)助完成; 鉆孔施工由河北省地質(zhì)工程勘查院協(xié)助完成, 謹(jǐn)表感謝。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No.41772275), and China Geological Survey (No.DD20190317).