基于古地震探槽的南口-孫河斷裂最新走滑變形證據(jù)研究1

趙 帥 李占飛 賈啟超 李 峰 孟勇琦 錢榮毅 周小仙 孫明國 錢志強(qiáng) 曾維望 孫佳珺 譚曉迪

1）北京市地震局, 北京 100080

2）中國地質(zhì)大學(xué)（北京）, 北京100083

3）應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院, 北京100085

4）中國地震災(zāi)害防御中心, 北京 100029

5）北方卓越（北京）勘測技術(shù)有限公司, 北京 100089

引言

張家口-渤海地震帶是華北地區(qū)主要的北西向地震構(gòu)造帶，近期強(qiáng)震頻發(fā)，形成明顯的走滑型小震沿構(gòu)造帶密集分布的特征（陳成溝等，2017；林向東等，2017）。南口-孫河斷裂是張家口-渤海斷裂帶在北京地區(qū)的主要組成單元，其第四紀(jì)以來的活動表現(xiàn)為對沉積厚度約為1.2 km 的馬池口凹陷邊界形態(tài)的明顯控制。前人通過大量的活動構(gòu)造研究揭示，南口-孫河斷裂全新世以來存在顯著活動，發(fā)生了3 次古地震事件，單次地震事件的垂直位錯約為1.3 m，斷裂的垂直滑動速率約為0.3 mm/a（江娃利等，2001；張世民等，2008）。近年來，北京市城市活動斷層探測、地震災(zāi)害風(fēng)險普查以及區(qū)域性地震安全性評價項(xiàng)目對南口-孫河斷裂全新世活動段進(jìn)行了大量的地震地質(zhì)工作，提高了南口-孫河斷裂的定位精度，明確了最新活動特征（胡平等，20062胡平，徐錫偉，孟勇琦，2006.北京市活動斷層探測與地震危險性評價工程技術(shù)報告.；何付兵，2019；趙帥，20213趙帥，2021.北京市昌平區(qū)地震災(zāi)害風(fēng)險普查技術(shù)報告.）。

已有研究表明，北京地區(qū)雖然基礎(chǔ)地震構(gòu)造格架為伸展型，但通過在南口-孫河斷裂開展的大量基礎(chǔ)地質(zhì)、活動構(gòu)造和地球物理探測研究，認(rèn)為南口-孫河斷裂是具有左旋走滑特征的正斷層。這一認(rèn)識與通過地殼形變觀測、震源機(jī)制解研究以及斷層的基礎(chǔ)地質(zhì)研究提出的華北地區(qū)80 ka 以來強(qiáng)震的主要構(gòu)造類型可能為擠壓走滑型特征所匹配（林向東等，2017；徐錫偉等，2019）。但是，針對南口-孫河斷裂的活動構(gòu)造研究仍存在一些科學(xué)問題有待解決。例如，針對斷層走滑運(yùn)動性質(zhì)的認(rèn)識僅停留在大尺度的基巖位錯證據(jù)，是否有證明斷裂走滑運(yùn)動性質(zhì)的直接地質(zhì)證據(jù)？南口-孫河斷裂在其不同的活動時期是以典型的走滑、正斷還是傾滑斷的特征發(fā)展？南口-孫河斷裂在全新世是以水平向還是垂直向?yàn)橹骰顒拥?？為回答上述科學(xué)問題，本研究在南口-孫河斷裂昌平百善展布區(qū)域進(jìn)行了古地震研究，通過沉積地層變形分析揭示了南口-孫河斷裂的最新活動特征和走滑變形的直接證據(jù)。

1 南口-孫河斷裂概述

南口-孫河斷裂為張家口-渤海斷裂帶中一條重要的、呈半隱伏狀態(tài)的 北西向活動斷層，其北西端起自南口山前斷裂，向南東方向經(jīng)南口鎮(zhèn)、百泉莊、沙河、北七家、東三旗、孫河、通縣一帶，全長約80 km，走向 310°～330°（徐錫偉等，2002，2015）。在空間上，該斷裂還與北東向的小湯山-西北旺斷裂、黃莊-高麗營斷裂、順義-前門-良鄉(xiāng)斷裂和南苑-通縣斷裂相交，具有明顯的分段性，且各段斷裂不同程度地發(fā)育了規(guī)模、數(shù)量不等的次級斷層，表現(xiàn)為由主、次斷層組合而成的斷裂帶（圖1）。根據(jù)南口-孫河斷裂的幾何結(jié)構(gòu)和展布，有學(xué)者以北東向小湯山-東北旺斷裂或黃莊-高麗營斷裂交匯處為界將斷裂劃分為東西段（向宏發(fā)等，1993，1995；方仲景等，1994；江娃利等，2001）。也有學(xué)者依據(jù)右階斜列的幾何結(jié)合特征，劃分出傾向西南、控制馬馳口隱伏凹陷的北西段，與黃莊-高麗營斷裂、順義-前門-良鄉(xiāng)斷裂等北東向斷裂交匯并控制俸伯凹陷、后沙峪凹陷的中段，以及更東的東南段（張磊等，2014；何付兵，2019）。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map of researching area

南口-孫河斷裂在昌平南口-雪山村-沙河一線地表局部可見斷裂活動引起的地表斷層陡坎，表現(xiàn)出半隱伏特性，是前人研究較為集中的部位，對于斷層幾何學(xué)、運(yùn)動學(xué)特征的認(rèn)識較為深入（向宏發(fā)等，1995；江娃利等，2001；王丹丹等，2007；張世民等，2007，2008）。已有研究表明，該斷裂是以主、次斷層組合形式產(chǎn)出，主斷層傾向南西，控制北西向的馬池口-沙河第四紀(jì)凹陷（張世民等，2007）同時，已有研究表明該段斷裂為全新世活動，且60 ka 以來發(fā)生了13 次古地震事件（張世民等，2007），15 ka 以來發(fā)生了2～4 次古地震事件（向宏發(fā)等，1995；江娃利等，2001），是一條重要的第四紀(jì)發(fā)震斷裂。

前人通過探槽開挖不僅確定了該斷裂為全新世活動斷裂，還給出了全新世3 次古地震錯動事件的具體發(fā)生年代，復(fù)發(fā)間隔為4 600 a 左右，最新一次地震事件的離逝時間為3 500-4 000 年，同震垂直位移1～2 m，服從準(zhǔn)周期復(fù)發(fā)模式（江娃利等，2001）?；谇捌谂卸ǖ哪峡?孫河斷裂全新世活動段相關(guān)參數(shù)，通過Wells 等（1994）的2 種經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（地震強(qiáng)度-地表破裂長度和破裂面積、地震強(qiáng)度-地震矩經(jīng)驗(yàn)關(guān)系）進(jìn)行估計(jì)，綜合評估南口-孫河斷裂全新世活動段在正斷層發(fā)震模型下的潛在最大震級為7.0 級（胡平等，2006）。但是，已有研究對南口-孫河斷裂的走滑構(gòu)造變形特征的關(guān)注較少，針對斷層上最近一次地震事件的離逝時間限制薄弱，而這些認(rèn)識對北京地區(qū)地震危險性分析意義重大。

2 探槽內(nèi)地層錯斷證據(jù)

2.1 地層特征

為進(jìn)一步揭示南口-孫河斷裂的最新構(gòu)造變形特征，根據(jù)南口-孫河斷裂在該區(qū)域內(nèi)的淺層二維地震反射剖面、鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測定位結(jié)果，本研究在昌平百沙路和百流路之間的樹林內(nèi)進(jìn)行了探槽挖掘（40°9′44″N，116°18′12″E），探槽總長度40 m，寬度7 m，最大深度4 m（圖2）。探槽共測得14C 測年樣品3 個，掃描電鏡樣品1 個。

圖2 探槽和南口-孫河斷裂空間相對位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the spatial relative position of trenching and the Nankou-Sunhe fault

探槽揭示的沉積地層區(qū)分度相對較高，在斷層兩側(cè)明顯對應(yīng)（圖3、圖4）。其中淺部主要為地表活動改造相對明顯、存在植物根系的地表腐殖土，深度約1.2 m，在斷層兩側(cè)存在顯著的厚度變化。深度1～3 m 主要為淡黃色的粉砂體，內(nèi)部含豐富的14C 測年物質(zhì)。砂體內(nèi)部基于顏色可以進(jìn)一步分為3 個亞層，底部可能為氧化環(huán)境下形成的金黃色細(xì)砂體，砂體厚度在斷層附近存在明顯變化，本研究在該層采集14C樣品2 個并送美國BETA 實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行年代學(xué)測試分析，獲得年齡分別為（2 820±30）a BP 和（3 790±30）a BP。深度3～3.5 m 土層主要為黑色的黏土層，黏土層呈膠結(jié)狀態(tài)，內(nèi)部富含有機(jī)質(zhì)，在華北地區(qū)普遍分布，可能代表了進(jìn)入全新世（約10 ka）后統(tǒng)一的氣候條件。深度3.5～4 m 土層主要分布淡黃色的細(xì)砂體，細(xì)砂體和上覆的黑色黏土層在斷層附近不存在顯著的厚度變化，本次在該層采集14C 樣品獲得年齡為（10 020±40）a BP。深度4～4.5 m 土層為深灰色的黏土層，呈顯著膠結(jié)狀態(tài)，黏土層內(nèi)部含有黃色的沉積團(tuán)塊，地層區(qū)分度相對較低?？傮w來看，斷層兩側(cè)沉積地層的區(qū)分度和對應(yīng)性極好，14C 測年結(jié)果與地層的沉積順序相匹配。

圖3 探槽南壁沉積地層拼接照片及解釋結(jié)果Fig.3 Sedimentary stratigraphic splice photo and interpretation result for the south wall of the trenching

圖4 探槽北壁沉積地層拼接照片及解釋結(jié)果Fig.4 Sedimentary stratigraphic splice photo and interpretation result for the north wall of the trenching

2.2 構(gòu)造解釋

探槽揭示斷層的整體傾角（約75°～80°）相對較大，主斷層面造成了顯著的地層垂直差異變化（圖3、圖4）。探槽北壁斷層傾向南東，依據(jù)傾向和標(biāo)志層垂直落差判定斷層為走滑兼具逆沖性質(zhì)。探槽南壁斷層傾向北西，依據(jù)斷層傾向和標(biāo)志層揭示斷層為正斷兼具走滑分量?？傮w來看，根據(jù)斷層相對較陡的產(chǎn)狀和花狀匯聚的結(jié)構(gòu)樣式，南口-孫河斷層可能主要表現(xiàn)為走滑運(yùn)動。根據(jù)崩積楔、分支斷層錯斷到同一層位、地層厚度變化、地層產(chǎn)狀和褶皺變形等特征，結(jié)合沉積地層的對應(yīng)性分布，探槽內(nèi)共揭示出～4 次地震事件。其中淺部層位的最新地震事件主要依靠崩積楔和地層厚度變化，以及錯斷到同一層位的分支斷層識別，地震事件的層位深度為1.3 m。其余3 次老的地震事件的確定主要依靠分支斷層在同一層位的錯斷和砂土液化等識別，地震事件層位深度分別為2 m、2.4 m 和3.0 m。探槽底部深灰色黏土層內(nèi)由于沉積層分辨率相對較低，斷層錯斷信息識別相對困難，未揭示相應(yīng)的古地震事件。依據(jù)探槽北壁淺部1.3 m 處未錯斷沉積層采集的2個14C 樣品揭示，地層的年齡為（2 820±30）a BP 和（3 790±30）a BP，由此初步推斷南口-孫河斷裂最近一次地震事件的發(fā)震時間為2 820～3 790 a BP（圖4），10 020 a 以來共發(fā)生了3 次古地震事件。因此，較長的強(qiáng)震離逝時間和顯著的走滑運(yùn)動揭示，南口-孫河斷裂的地震危險性相對較高。

2.3 事件證據(jù)

基于對探槽內(nèi)沉積地層的對比分析，探槽北壁記錄的古地震事件最為完整。通過對探槽內(nèi)自上而下沉積的6 組區(qū)分度高的沉積地層對比分析，探槽北壁可能記錄了4 次古地震事件（圖5）。其中，最近一次地震事件（E1）主要發(fā)生在沉積層②（灰色粉砂層）頂部，事件存在證據(jù)主要為分布于探槽1 m 和5 m 處的3 條分支斷層，同步錯斷到這一層位并造成了沉積層②以下的各個沉積層明顯的垂直位錯。地震事件2（E2）存在的主要證據(jù)為主斷層面的垂直錯斷，事件層位為沉積層③的底部。該事件存在的另一個明顯的證據(jù)是崩積楔沉積，它發(fā)育于主斷層面的前方，揭示了斷層錯斷活動和后期侵蝕堆積過程。地震事件3（E3）存在的主要證據(jù)同樣為探槽剖面4 m 處的系列分支斷層錯斷至同一層位，發(fā)震層位為沉積層④的底部，可能造成了沉積層⑤在分支斷層附近發(fā)生了明顯的褶皺變形。探槽內(nèi)揭示的最老的古地震事件4（E4）被錯斷到沉積層⑥中部的分支斷層所揭示，同時伴隨著沉積層內(nèi)部發(fā)生了顯著的砂土液化脈分布。綜上，4 次古地震事件在探槽內(nèi)各個沉積層位區(qū)分明顯，但是這些古地震事件的存在證據(jù)相對單一，需要在斷裂上開展更多的古地震研究工作予以進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.4 古地震分析

研究組將E1 古地震事件與前人在南口-孫河斷裂全新世活動段識別的古地震事件進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)E1事件與江娃利等（2001）在舊縣探槽解譯的第3 次古地震事件較為吻合（圖6）。舊縣探槽中，第3 次古地震事件的判別依據(jù)是黑色黏土組成的構(gòu)造楔層以及上覆的堆積層，根據(jù)構(gòu)造楔的14C 年齡（3 987±100）a BP以及上覆蓋堆積層凹兜底部的熱釋光年齡（3 670±310）a BP，推測該地震發(fā)生在距今3 987～3 670 a 之間。本研究根據(jù)斷層斷錯灰色粉砂層形成的垂直形變位置以及未產(chǎn)生形變位錯的上覆地層位置中的2 個14C 測年結(jié)果，約束了E1 地震的發(fā)震時間約為2 820～3 790 a BP。

2.5 斷層面微觀特征

本次研究對探槽南壁深度3 m 處黑色黏土層中斷層面進(jìn)行精細(xì)觀察并取樣開展SEM 掃描電鏡測試取樣分析，以上分析在河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院實(shí)驗(yàn)室完成。從樣品中提取了大小為2 cm×2 cm×2 cm 的正方體試樣塊，樣塊表面代表的斷層面未有人工擾動，在對斷層面進(jìn)行注膠和噴砂后，進(jìn)行掃描分析（圖7）。

圖7 掃描電鏡試驗(yàn)取樣位置Fig.7 Scanning electron microscope experiment sampling position

對樣品進(jìn)行分辨率20 μm 的掃描，并對樣品局部層理、擦痕和定向等進(jìn)行觀察與分析（圖8）。樣品為灰黑色黏土，樣品根據(jù)色域分為3 部分，灰黑色為礦物致密區(qū)域，黑色表示礦物空隙，灰白色表示礦物邊緣呈片狀展布，邊緣位置展示出貝殼狀斷口以及其平行階狀的特征。樣品中灰黑色礦物可見較清晰的水平擦痕，擦痕寬度約5 μm，長度90～125 μm，呈水平狀，與灰白色邊緣斷口形成線狀展布特征，這一現(xiàn)象與林傳勇等（2006）對松散沉積物中剪切帶碎屑顆粒分布的線性分布特征研究結(jié)果較為一致，推測與斷層面水平運(yùn)動有關(guān)。因此，槽探斷面的微觀特征可以作為南口-孫河斷裂走滑運(yùn)動的表現(xiàn)之一。

圖8 掃描電鏡樣品局解釋圖Fig.8 Partial interpretation diagram of the scanning electron microscope sample

3 結(jié)論

本研究獲得了南口-孫河斷裂在探槽中的空間形態(tài)、最新活動證據(jù)和走滑運(yùn)動特征，基于以上研究內(nèi)容，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）南口-孫河斷裂在昌平百善地區(qū)的活動時代為全新世，探槽內(nèi)斷層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)多條陡傾角（約75°）分支斷層構(gòu)成的花狀構(gòu)造樣式，顯微鏡下構(gòu)造分析主斷層面清晰地揭示了黏土礦物水平定向排列、擦痕和斷口特征，代表了南口-孫河斷裂顯著的左旋走滑構(gòu)造變形。

（2）對探槽內(nèi)自上而下沉積的6 組區(qū)分度高的沉積地層對比分析，發(fā)現(xiàn)探槽北壁可能完整地記錄了4次古地震事件，最近一次古地震事件的發(fā)震時間為2 820～3 790 a BP，10 020 a BP 以來發(fā)生了3 次古地震事件。

（3）南口-孫河斷裂的左旋走滑構(gòu)造變形證據(jù)與華北平原區(qū)現(xiàn)今的構(gòu)造應(yīng)力場和地震地質(zhì)證據(jù)相匹配，提示北京地區(qū)的未來強(qiáng)震發(fā)震類型可能主要為走滑型，與華北地區(qū)80 ka 以來主導(dǎo)的走滑剪切構(gòu)造變形相關(guān)。

致謝 本研究得到了中國地質(zhì)大學(xué)（北京）徐錫偉研究員的現(xiàn)場指導(dǎo)；昌平區(qū)地震局張東亞為研究場地協(xié)調(diào)提供了有力支持，河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院李杰和田穎高級工程師對掃描電鏡試驗(yàn)提供了幫助和支持，在此一并表示感謝！