瓊北地區(qū)鋪前?清瀾斷裂北段的全新世活動新證據

劉華國，李 峰，賈啟超，王志成，張 攀，林 鎮(zhèn)，張杰漢，施春花，張彥博，賈 偉，李昌隆

(1.中國地震災害防御中心，北京 100029；2.海南省地震局，海南 ?？?570203)

1605 年在海南?？诮瓥|新區(qū)的塔市村發(fā)生了瓊山7?級歷史強震，震中烈度為Ⅺ[1]，北東東向為極震區(qū)長軸方向，東端向東南轉為南南東向，形似一個倒置側臥的“湯勺”，勺口就在江東新區(qū)的文昌。該地震是華南地區(qū)破壞性最大的一次歷史地震，形成了罕見的大范圍“陸陷成?！爆F(xiàn)象[2]，其發(fā)震構造一直存在較大爭議。陳恩民等[3]認為該地震的發(fā)震構造可能為北東東走向的高角度馬裊?鋪前斷層，該斷層是具有正斷兼有左旋性質，處于地壘與地塹的邊緣轉折地帶，以強烈垂向差異運動為主[4]。但?？谑薪瓥|新區(qū)活動斷層精細探測結果顯示，馬裊?鋪前斷裂在該區(qū)域不活動。根據地震烈度等值線圖的形態(tài)，高烈度區(qū)在東寨港一帶轉為向南南東向，與鋪前?清瀾斷裂的位置和走向一致，該斷裂是東寨港的邊界控制構造，可能為1605 年地震的發(fā)震構造，這與張新東[5]、徐曉楓[6]等利用小震精確定位得到的北西向震源斷層比較吻合，垂直形變測量資料亦獲得同樣的信息。

由于瓊北地區(qū)多為濱海平原，斷層構造隱伏于淺表第四紀松散堆積物之下，隱伏斷層精確定位及其最新活動參數(shù)的獲取一直是困擾隱伏斷層探測的一個技術難題[7]。瓊北地區(qū)的斷裂活動特征主要根據深部地球物理勘探資料、1605 年瓊山大地震地質災害分布情況或者斷裂附近氡氣異常情況來判斷[4,8]。自20 世紀90 年代初開始利用地球物理探測和鉆孔聯(lián)合地質剖面探測研究隱伏活動斷層以來[9-10]，許多專家學者相繼提出了一系列具有重要指導意義的技術方法和工作建議，經過不斷完善和改進，逐漸形成了地球物理探測、鉆孔聯(lián)合地質剖面探測、古地震槽探、沉積地層序列與年代測定相結合的多層次技術方法的綜合探測路線[1,3,11-18]。地質地貌、小震定位、形變測量、重磁反演等大量資料證實[6]，鋪前?清瀾斷裂是一條東盤相對上升，西盤相對下降的活動斷裂，但是以往工作尚未發(fā)現(xiàn)該斷裂全新世活動的確切地質證據。因此，鋪前?清瀾斷裂活動特征的厘定不僅關系到1605 年大地震發(fā)震構造的準確評價，還對海南自貿港的海口江東起步區(qū)的地震危險性分析、國土規(guī)劃及城市發(fā)展建設具有舉足輕重的意義。

據此，針對研究區(qū)普遍存在第四紀玄武巖蓋層和巨厚海相砂層沉積等地質特點，采用2 臺28 噸大震源的淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合地質剖面探測相結合的技術方法，分別在海口江東新區(qū)三江鎮(zhèn)的岐山頭村和東寨村分別展開探測，厘定了鋪前?清瀾斷裂北的段準確位置，獲得了該斷裂全新世活動證據。本次研究成果已用在國土規(guī)劃和地震危險性評價工作中，修改了江東新區(qū)總體規(guī)劃圖和潛在震源區(qū)劃分方案，為該區(qū)域的地震安全性評價提供了科學依據。

1 地震構造背景

本研究區(qū)位于瓊北斷陷帶內，帶內主要發(fā)育近東西向馬裊?鋪前斷裂和北西向的鋪前?清瀾斷裂(圖1)。深部的重力和航磁資料顯示馬裊?鋪前斷層為一條切割深、規(guī)模大的晚第四紀活動斷層，因為受北西向斷裂切割，所以平面上展布不連續(xù)。人工地震結果顯示，該斷層由多條分支斷層組成，斷錯至新近系，位移量達150～200 m[5]。該斷層具有明顯的西弱東強的活動特點，西段為中更新世斷裂[2]，中、東段為全新世活動斷層[15]。

圖1 鋪前?清瀾斷裂北段地震構造簡圖Fig.1 Seismic structural sketch map of the northern segment of the Puqian-Qinglan fault

北西走向的鋪前?清瀾斷層分布在鋪前鎮(zhèn)至清瀾港一帶，呈NW335°～345°展布，陸上長約51 km，由多條平行的斷裂組成，兩端延伸入海域，往南海海域長度可達數(shù)百公里。東寨港和清瀾港形態(tài)都呈北西向，并分布在同一軸線上，表明其受控于本斷裂。在航衛(wèi)片影像上，斷裂兩側反差明顯，線性輪廓清晰。重力和人工地震資料均顯示，斷裂北部切割較深，斷裂南部切割較淺，基底斷裂具有右旋性質，而蓋層中則表現(xiàn)為左旋性質。前人根據地質、鉆探、考古和大地形變測量等大量資料所揭示的斷裂構造特征及其活動性的差異，將該斷裂自北而南分為三段：北段東寨港段、中段三江?文昌段、南段清瀾港段，且活動性依次減弱[1]。本次研究對象為斷裂北段，該斷裂段沿東寨港東、西兩岸NW 向延伸，控制著東寨港地塹構造的邊界，1605年瓊山大地震期間，鋪前鎮(zhèn)附近強烈的沉降震害，也表明該斷裂段具有最新活動。

本區(qū)新近紀以來的地層主要包括：上新統(tǒng)(N2)?？诮M為海相沉積，巖性以含貝殼的碎屑巖為主。下更新統(tǒng)(Q1)秀英組，下部巖性為雜色或灰白色含礫黏土質中粗砂或黏土質砂礫層，斜層理發(fā)育；上部巖性以青灰色含粉砂黏土為主，夾紫紅、灰黃及黃褐色黏土和粉、細砂層，水平層理發(fā)育。中更新統(tǒng)(Q2)北海組下層為棕紅色黏土砂質礫石層或砂礫石層，上層為棕紅或棕黃色黏土質中粗砂，該時期的火山巖巖性主要以橄欖玄武巖、粒玄巖和火山碎屑巖為主。上更新統(tǒng)(Q3)八所組主要為棕紅、棕黃色砂，向下遞變?yōu)辄S色砂及灰白色砂，該時期的火山巖為火山碎屑巖和橄欖玄武巖為主。全新統(tǒng)(Q4)煙墩組地層為海積、沖積、洪積層，主要有粗砂、中砂、細砂及砂礫、粉質黏土，亞黏土及淤泥，該時期的火山巖巖性以火山碎屑巖為主，熔巖有氣孔狀橄欖玄武巖和?；鋷r等。

2 地質地貌調查

遙感影像上，研究區(qū)鋪前?清瀾斷裂北段呈東、西兩支斷裂分布在東寨港的東西兩側，明顯控制地塹地貌的發(fā)育，斷裂兩側地形地貌差異較大，陸上多為相對穩(wěn)定的紅土化的火山巖臺地面，入?？诟浇细驳貙訛楹Ｏ嗟貙樱驗閺娏业牟町惢怪钡刭|運動，斷裂兩側陸海分明。線性構造在高分辨率遙感影像上表現(xiàn)顯著，反映出該斷裂兩側物質差異特征(圖2)。野外地質調查發(fā)現(xiàn)，在斷裂通過的東寨村附近發(fā)育相對和緩地貌高差，人為改造明顯，根據鉆探資料，初步判斷可能是一個多重因素疊加形成的地貌坎，陡坎高度約4 m(圖2)。

圖2 東寨村附近構造地貌調查Fig.2 Tectonic landform near Dongzhai Village

3 淺層人工地震勘探結果

本次跨斷層地球物理勘探采用淺層人工地震反射法。在岐山頭村附近(SJB-3 線)和東寨村附近(Kd5-4線)各布設了一條測線(圖1)。考慮研究區(qū)第四紀玄武巖蓋層和厚層海相(潟湖相)砂沉積等地質條件，現(xiàn)場探測中采用小道間距準確定位的工作模式。依據試驗結果，淺層地震勘探基本參數(shù)選取如下：2 臺28 噸可控震源組合激發(fā)，每個震源激發(fā)點垂直疊加10 次，400 道接收，2 m 道間距，覆蓋次數(shù)不少于35 次，掃描頻帶10～120 Hz，掃描長度12 s。

岐山頭村的SJB-3 測線長約1.7 km。根據地震剖面上的反射波組的錯斷、扭曲等特征(圖3)，解釋出2條逆沖斷層Fp1和Fp2，在2 條斷層之間地層出現(xiàn)褶皺隆起，在斷層Fp1的西側，Q+N 沉積最大厚度約為350 m，而在斷層Fp2的東側，Q+N 沉積層厚度變薄至200 m左右，顯示了斷層對地層沉積的控制作用。斷層Fp1位于剖面樁號510 附近，為向東傾的逆斷層，錯斷了剖面上的所有反射波，從剖面上可分辨的斷層上斷點埋深32～35 m。斷層Fp2位于剖面樁號1 010 附近，該斷層為西傾的逆斷層，錯斷了剖面上T2之下的地層反射，可分辨的上斷點埋深40～45 m。

圖3 岐山頭村SJB-3 淺層人工地震勘探解釋剖面圖和地質解釋Fig.3 Profiles from artificial shallow seismic exploration interpretation and geological interpretation of survey line SJB-3 at Qishantou Village

東寨村的Kd5-4 測線長約4.4 km，根據地震反射剖面上的反射波組特征(圖4)，解釋了2 條逆沖斷層Fp6和Fp7。斷層Fp6是東寨港凹陷的西邊界，淺層地震剖面上表現(xiàn)為傾向南西的逆沖斷裂帶，斷層位于樁號1 206 處，上斷點埋深約160 m，穿透了T1反射界面。Fp7大致沿東寨港的東緣分布的邊界，是一條傾向北東的逆沖斷裂帶，斷層位于樁號2 470 處，斷裂穿透了T1 反射界面，上斷點埋深約48 m。

圖4 東寨村Kd5-4 淺層人工地震勘探解釋剖面圖和地質解釋Fig.4 Profiles from artificial shallow seismic exploration interpretation and geological interpretation of survey line Kd5-4 at Dongzhai Village

綜合地球物理勘探結果分析認為，鋪前?清瀾斷裂北段在研究區(qū)內分為兩支，性質有正斷和逆斷兩種性質，傾角都比較陡，說明該斷裂具有走滑性質，上斷點埋深32～48 m，最深可達160 多m。地震反射波剖面顯示，該斷裂錯斷的位置延伸至淺部地層，初步估計應該至少斷錯晚更新世地層，受限于淺層地震的探測精度，推測斷層上斷點可能更淺，但斷裂的準確位置和活動時代需要通過跨斷裂的鉆孔聯(lián)合剖面探測來確定。

4 鉆孔聯(lián)合剖面探測分析

根據地形地貌特征和淺層人工地震勘探結果，在岐山頭村和東寨村附近分別布設了1 條鉆孔聯(lián)合地質剖面。由于鉆探揭示的多為濱海相地層，受海退海進的影響較大，地層相變普遍，玄武巖、花崗巖等也有不同程度的揭示。鑒于此，以?？诔鞘谢顢鄬犹綔y、江東新區(qū)活動斷層精細探測的相關工作成果作為地層劃分和對比分析的參考，同時，補充開展了鉆孔地層年代樣品測試，為斷層活動時代的厘定奠定了基礎，本次工作碳十四樣品測試由美國Beta 實驗室完成。

4.1 岐山頭村鉆孔聯(lián)合地質剖面

根據地球物理勘探結果，跨物探剖面解釋的斷裂分支Fp1斷層在岐山頭村附近布設了鉆探剖面1 條，剖面總長約616 m，共實施鉆孔17 個，其中有效鉆孔12 個，總進尺1 270 m，最大孔深160 m，靠近斷層上斷點的最小孔間距5 m，用GPS 差分校正各孔相對高程。每個鉆孔均揭示出多套地層(圖5)，自上而下細分出5套地層單元，部分地層單元又分為幾個亞層。

圖5 岐山頭鉆孔聯(lián)合地質剖面Fig.5 Cross-well stratigraphic correlation at Qishantou Village

①黏土、細砂層。表層為素填土(耕作土)，成分以砂粒土及黏性土為主，含少量植物根系。中部①-1為一套淤泥質黏土，深青灰色，厚約6 m，含炭塊及海相貝殼、木頭等，所有鉆孔均有揭示。在zk15 號鉆孔中孔深約5 m 處采集的木頭樣品15C14-1 放射性碳定年結果為7 255?7 153 a cal BP，在zk9 號鉆孔中孔深約6.2 m 處采集的木頭樣品9C14-2 定年結果為7 663～7 573 a cal BP，說明該層淤泥質黏土的年代為7 663～7 153 a cal BP。下部①-2 為一套青灰色細砂層，含有黏土顆粒，僅分布在部分鉆孔中，在zk15 號鉆孔中孔深約12.8 m 處采集的木頭樣品15C14-2 的測試結果為8 346～ 8 191 a cal BP，說明該層為全新世地層，對比區(qū)域地層可知，該層屬全新世煙墩組。

② 砂質黏土層。黃灰色，砂質黏土層，含砂量約為30%。在zk15 號鉆孔中孔深約16.2 m 處采集的木頭15C14-3 樣品，測試結果為31 637?31 151 a cal BP，說明該層為晚更新世地層。

③中粗砂層?；野咨?、灰黃色、黃灰色中粗砂層，受斷層影響，厚度30～70 m。整體上，上部的③-1、③-3為灰白色中粗砂，含中粗砂顆粒約占15%，土質均勻，偶見礫石，含鐵錳質氧化物斑點。下部③-4 為灰黃色中粗砂，成分以石英長石為主，砂質不純，含黏性土約占5%，含礫石約占5%，粒徑2～25 mm。該層中有2層粉質黏土亞層③-2、③-5，自西向東厚度減小，直至尖滅。③-6 火山巖殘留，本層可見于鉆孔1、5、6、8、11 之中。以凝灰?guī)r為主，灰黑色，成分以長石石英為主，凝灰粒狀結構，塊狀構造，巖心呈柱狀及塊狀，一般長度5～15 cm，最長24 cm，一般塊徑20～40 mm，最大50 mm。

④ 粉質黏土層。成分以淺灰色粉質黏土為主。局部可見淺灰色、灰綠色黏土質砂，砂質黏土，含中粗砂顆粒，從鉆孔揭示的斷面可知，斷裂傾角70°～90°，推測斷裂具有走滑兼有逆沖性質。

⑤ 侵入巖，位于70 m 以下，成分為輝綠巖，花崗巖，巖心破碎，鉆孔14、15、17 沒有揭露，從底層落差表明在深部斷層兩側地層差異較大。

根據岐山頭村鉆孔所揭示的地層單元，劃分出a、b、c、d 四個標志地層，其中a 標志層為全新世地層①-2 深灰色黏土、細砂層與晚更新世的層②黃灰色砂質黏土層的分界線，累計落差約為8 m，其中，①-1 淤泥質黏土的累計落差約為4 m，靠近斷層附近的落差約為2 m。b 標志層為晚更新世的層②與早?中更新世的層③-3 中粗砂層的分界線，落差約8 m，相對于標志a 而言，累計落差成倍增加。c 標志層為層③-4 底部的灰黃色中粗砂與層④的粉質黏土分界線，落差不小于50 m。d 標志層為層④的粉質黏土與層⑤侵入巖層分界線，由于下盤沒有揭示出，落差不詳。

岐山頭鉆孔聯(lián)合地質剖面上的地層分布特征可以看出，淺層地震探測解釋的斷點附近主要表現(xiàn)為地層的褶皺彎曲變形、生長地層和斷層的斷錯。依據鉆孔所揭示的標志地層、地層落差以及鉆探過程中發(fā)現(xiàn)的斷面，推測該斷裂帶是由多條斷裂組成的，且具有多期次活動特征。推測f1 斷裂從zk12 和zk16 之間通過，分別斷錯了層①、②、③、④。層①-1 底部在斷裂附近最小落差約2 m，積累落差為4 m，說明斷裂已段錯至該層。同時，由于斷層多次活動導致層③中發(fā)育多個生長地層，如③-1、③-2、③-5，且具有不整合特征。同時隨著地層深度增加，標志b 落差成倍數(shù)增加，由此推測層②、③可能經歷了多次古地震事件。

綜合以上分析，該斷裂所斷錯的最新地層年代為8 346?7 153 a cal BP，說明具有走滑兼逆沖的全新世活動特征，累計位移量4 m，據此可得出全新世垂直活動速率(0.53±0.04) mm/a。標志地層b 累計垂直位移量為8 m，放射性碳十四定年結果為31 637?31 151 a cal BP，據此可得出晚更新世垂直活動速率約為0.25 mm/a。

4.2 東寨村鉆孔聯(lián)合地質剖面

根據地球物理勘探結果，跨斷裂布設了長約132 m鉆探剖面，共實施18 個孔，總進尺2 105.9 m，最大孔深160.5 m，最小孔間距6 m，用GPS 差分校正各孔相對高程。剖面主要揭示出8 套地層(圖6)，有些地層又可分為一些亞層，自上而下細分出如下8 套地層單元。

①耕作土，棕紅色土壤層，成分以砂粒土及黏性土為主，含少量植物根系，該層底部略有起伏。

② 灰黃色、淺紅色玄武巖全風化，原巖結構構造已完全破壞，局部夾有未完全風化巖塊，手掰易碎，裂隙面被銹斑浸染，巖心風化呈短柱狀。zk2 至zk12 之間地層略有增厚。該層頂?shù)鬃鳛闃酥镜貙臃纸缇€a 均發(fā)生了撓曲變形，累計撓曲垂直變形量4～5 m，推測構造變形已經影響到該層。其中風化玄武巖樣品中放射性碳十四測試結果顯示僅為7 030?7 266 a cal BP，平均垂直位移速率為0.63～0.08 mm/a。

③灰黃色中粗砂、粉質黏土，上部為淺紅色粉質黏土，以黏粒為主，土質不均，含少量淺黃色條紋及鐵銹斑紋，下部灰黃色黏土質粗砂或砂質黏土，以黏粒為主，土質不均，含粗砂顆粒、粉砂顆粒，夾1～2 cm 淺紅色條紋，具水平層理。該層底部作為標志地層b 的分界線，在zk2?zk12 之間頂?shù)拙袚锨冃?，累計撓曲垂直變形?～6 m，底部局部斷錯位移量1～2 m。該層的放射性碳十四測試結果24 280?23 782 a cal BP相當，推測為晚更新世八所組地層。

④-1 灰黃色、黃褐色砂質黏土，以黏粒為主，含中粗砂顆粒約占15%，該層頂?shù)拙粩噱e，累計垂直位移量達8 m，推測為晚更新世八所組地層。

④-2 青灰色砂質黏土、粉質黏土，以黏粒為主，含中粗砂顆粒約占15%，土質均勻，切面光滑，偶見礫石，含鐵錳質氧化物斑點，該層底部作為標志地層c 的分界線，累計垂直位移量約10 m。該層年代超出了碳屑樣品的測試范圍，推測為中更新世地層。

⑤ 青灰色、淺黃色中粗砂，成分以石英長石為主，砂質不純，含黏性土約占5%，含礫石約占5%，粒徑2～25 mm。該層頂?shù)拙粩噱e，該層底部作為標志地層d 的分界線，頂部累計垂直位移量約10 m，底部累計垂直位移量約30 m。zk9 中揭示的該層中32.8 m處發(fā)育斷面，傾角70°，具有高角度逆走滑性質，推測為中更新世地層。

⑥-1 淺灰色、灰綠色黏土質砂，富含水，含中粗砂顆粒。該層頂?shù)撞勘粩噱e，累計垂直位移量均約為30 m，推測為中更新世地層。

⑥-2 灰綠色、棕紅色粉質黏土，以黏粒為主，土質均勻，刀切面光滑。該層頂?shù)鬃鳛闃酥镜貙觘 的分界線均被斷錯，累計垂直位移量30、36 m，推測為中更新世地層。

⑦-1 上部為淺灰色砂質黏土，以黏粒為主，含中粗砂顆粒約占10%，下部為淺灰色灰綠色中粗砂，砂質不純，含黏性土約占5%。該層頂?shù)撞勘粩噱e，累計垂直位移量約36、38 m。

⑦-2 灰綠色細砂，砂質較純，該層頂?shù)撞勘粩噱e，頂累計垂直位移量38 m，推測為中更新世地層。

⑦-3 淺灰色、灰綠色黏土質粉砂，含中粗砂顆粒約占15%，成分以石英長石為主，含黏性土約占5%砂。該層在斷層上盤不清晰。該層底部作為標志地層f 的分界線均被斷錯，累計垂直位移量達42 m，推測為早更新世地層。

⑧ 70 m 以下，上部為青灰色斷層角礫，成分為花崗巖，巖心破碎，有斷層泥及巖粉充填，巖心呈碎塊狀，塊徑10～90 mm。下部為灰黃色斷層角礫，二長花崗巖，蝕變破碎嚴重，巖心呈砂土狀夾碎塊狀。該層頂部被斷錯最大位移量可達42 m。

根據鉆探結果，該斷層上斷點埋深已至11 m 以淺，全新世地層已見發(fā)生變形，不排除已斷錯至地表的可能性，根據最新斷錯地層的年代推測該斷裂最新活動時代為全新世。綜合分析認為，該斷裂帶規(guī)模較大，是由多條斷層組成的長期活動的大型走滑兼逆沖性質的斷裂帶，斷層錯斷了多個地層，最新累計垂直位移4～5 m，中更新世以來累計垂直位移達42 m，根據地層年代樣品測試結果，認為該斷裂具有全新世活動特征，平均垂直位移速率為(0.63±0.08) mm/a。

5 1605 年瓊山7?級地震發(fā)震構造討論

本文采用地球物理勘探和鉆孔聯(lián)合地質剖面探測相結合的方法，分別在岐山頭村和東寨村展開探測，通過地球物理解釋、上斷點分析、被斷錯地層序列對比、斷面的甄別和地層年代樣品測試等工作，不僅準確厘定了鋪前?清瀾斷裂北段的空間幾何位置(圖1)，而且獲得了關于鋪前?清瀾斷裂北段的全新世活動證據。探測結果顯示，該斷裂是一條具有一定寬度、多分支、多期次活動的斷裂。根據鉆孔揭示的地層特征，斷裂第四紀以來的累積垂直位移量最大可達40 多m，全新世累計垂直位移量可達4～5 m，垂直位移速率為0.53～0.63 mm/a。鉆孔獲取的斷裂面顯示，該斷裂為以走滑為主，兼具逆沖性質，這與瓊北斷陷盆地內的張性構造應力場和構造地貌表現(xiàn)基本吻合[5](張新東等，2013)。鉆探結果顯示該斷裂段發(fā)生過多次古地震事件，可能包含1605 年瓊山地震。通過本次研究，結合前人對馬裊?鋪前的最新研究成果、歷史等震線特征，認為1605 年瓊山地震的發(fā)震構造可能為北西向的馬裊?鋪前斷裂。

6 結論

a.通過物探和鉆探，綜合厘定了鋪前?清瀾斷裂北段的空間幾何位置，獲得了鋪前?清瀾斷裂北段的全新世活動證據。探測結果顯示，鋪前?清瀾斷裂是一條具有一定寬度、多分支、多期次活動的斷裂，斷裂具有走滑兼逆沖性質，上斷點埋深10 m 左右，自8 346?7 153 a cal BP 以來斷裂有過活動，全新世最新累計垂直位移量可達4～5 m，垂直位移速率為0.53～0.63 mm/a。

b.前人研究認為馬裊?鋪前斷裂為1605 年地震的發(fā)震構造，從本次工作看，鋪前?清瀾斷裂全新世活動的證據比較充分，推斷為1605 年瓊山71/2級地震的發(fā)震斷裂。

c.建議針對鋪前?清瀾斷裂、馬裊?鋪前斷裂的延伸段展更詳細的探測工作，開展對比分析和歷史震害的調查工作，尋找更多的證據，以厘定1605 年瓊山地震的發(fā)震構造。

致謝：感謝?？谑袊临Y源局、海口市應急管理局、中煤科工西安研究院(集團)有限公司和中國地震局地球物理勘探中心在物探、鉆探施工過程中給予的幫助！