陳亞亞沈 軍張金國趙江濤胡銘塬

（防災科技學院，河北三河 065201）

夏墊活動斷裂沉積物粒度分析及沉積環(huán)境研究

陳亞亞，沈 軍，張金國，趙江濤，胡銘塬

（防災科技學院，河北三河 065201）

利用夏墊斷裂附近采集的樣品，通過激光粒度儀實驗進行粒度測試、分析，研究了第四紀沉積物平均粒徑、標準偏差、偏度、峰態(tài)、眾數(shù)、頻率曲線、累計概率曲線等粒度特征，并用解析的方法研究了沉積物成分上的特點和變化。本文依據(jù)上述特征，將地層劃分為8個沉積旋回，綜合得出地層沉積動力和沉積環(huán)境的變化：較低能的沼澤相沉積、中能的河流相沉積、中高能的河流相沉積、高能的河流相沉積—低能的洪積相沉積、中高能的河流相沉積、低能的沼澤相沉積、中低能的淺湖相沉積、中能的淺湖相沉積。且本文認為地層中出現(xiàn)的兩次富含黑灰色粘土、粉砂和碳化的植物遺體的沼澤相沉積應為地震引發(fā)的斷塞塘沉積。

夏墊斷裂；粒度分析；沉積環(huán)境；斷塞塘；沉積旋回

0 引言

粒度分析主要用來研究沉積物（巖）的粒度大小和各種粒級分布特征［1］。沉積物主要在流水、風、重力等應力控制下運動，且埋藏后沉積物經(jīng)壓實、固結，一般粒度分布特征變化不大，因此根據(jù)沉積物不同的粒度特征變化推究古環(huán)境、古氣候的變化［2－3］。為了更精細地對地層進行劃分和對比，可以采用粒度分析的方法，更精確地標定發(fā)生斷層錯段的層位，為判斷斷層的錯段和活動性提供了依據(jù)，也有助于解釋研究區(qū)的環(huán)境演變［4］。

斷塞塘沉積是斷裂成因的積水洼地，沉積物在應力控制下進入其中形成的沉積。斷塞塘沉積物常沿活動斷裂帶發(fā)育，表現(xiàn)為黃色粗粒層（下部）與黑色細粒層（上部）組成的沉積韻律，具有層序結構特征。粗粒層為由崩積和沖積等快速堆積形成的細砂、粗砂和礫石層，細粒層為屬靜水的湖塘相沉積形成的含碳的粘土、亞粘土和粉砂。每一期斷塞沉積組合代表了一次斷裂錯動事件及其后的穩(wěn)定時期，斷塞沉積的韻律性結構是斷裂周期性活動的產(chǎn)物［5］。

夏墊活動斷裂位于華北平原區(qū)北部，是北京周緣區(qū)一條重要的發(fā)震斷層，走向N50°E，傾向SE，傾角50°～70°，具有西北盤抬升、東南盤下降的正斷傾滑性質(zhì)，兼有右旋走滑分量［6－7］。 值得關注的是，1679年夏墊活動斷裂發(fā)生了三河—平谷8級地震，在地表形成了1條長約10km的地震斷層陡坎（圖 1）［7－8］。

向宏發(fā)、冉康勇等在東柳河屯、潘各莊開挖古地震探槽發(fā)現(xiàn)厚層的黑灰色黏土和蝸牛殼層分布［9－10］，何宏林、楊曉平等在大胡莊探槽及鉆探巖芯中也發(fā)現(xiàn)大量的黑色淤泥狀地層［11－12］，說明沿夏墊斷裂普遍發(fā)育黑灰色黏土、粉砂等靜水條件下沉積的地層，它們應為由夏墊活動斷裂引發(fā)的斷塞塘沉積物［13－15］。

1 數(shù)據(jù)來源

廊坊市及附近地區(qū)全新統(tǒng)厚度一般為20～40m，更新統(tǒng)上部約 180 ～220m［16］。 鉆孔位置位于廊坊市三河市齊心莊附近（圖1），主要地貌特征為斷層陡坎及低洼負地形，地標39.5827°N，116.5555°E，H ＝8.7637m，終孔深度為 70.2m，頂部約0.9m部分為人工填土，共計采集625個沉積物粒度樣品。

圖1 1679年三河－平谷8級地震斷層空間展布圖與齊心莊鉆孔位置定位圖（據(jù)徐錫偉等，2000修改）Fig．1 Distribution of fault of Sanhe?Pinggu M8 earthquake in 1967 and the location of drill hole in Qixinzhuang（amended after Xu et al，2000）

使用粒度分析方法研究沉積物粒度分布特征，首先要進行粒度測量［17］。由于計算機技術的不斷發(fā)展，高速、高效的激光粒度儀開始出現(xiàn)，沉積物粒度表征方法更趨于科學［18－20］。作者所使用的粒度數(shù)據(jù)由趙江濤等人經(jīng)激光粒度儀實驗得出，旨在通過鉆孔數(shù)據(jù)研究夏墊斷裂沉積物粒度分布特征和沉積物成分變化，分析夏墊斷裂地區(qū)沉積物的沉積環(huán)境演化，確定可能存在的斷塞塘沉積，為夏墊活動斷裂的活動習性和運動特征提供證據(jù)。

2 沉積物粒度、成分特征分析與結果

常用來研究碎屑沉積物粒度特征的參數(shù)主要有平均粒徑、標準偏差、偏度、峰態(tài)、眾數(shù)等，單個粒度參數(shù)及其組合特征可作為定量判別沉積環(huán)境及沉積介質(zhì)能量的參考依據(jù)［21］。粒度參數(shù)的優(yōu)勢在于它可以將巖芯變化特征數(shù)字化，通過數(shù)據(jù)來分析沉積物的特征，清晰方便。各粒度參數(shù)均由 Folk?Ward 圖解法公式［22］計算獲得。

2.1 粒度分級

目前國際上廣泛應用的粒度分級是伍登—溫德華—Φ值標準（表1），真值與Φ值的換算公式為：Φ＝－log2D（D為單位為毫米的顆粒直徑）［23］。

表1 伍登—溫德華—Φ值標準表Tab．1 Udden?Wentworth?Φ Grade Scale

2.2 粒度參數(shù)特征

平均粒徑MZ是沉積物粒度特征中的主要特征之一，反應粒度分布的集中趨勢及沉積介質(zhì)的平均動力能，但物源區(qū)的粒度分布很大程度上也影響平均粒徑大小。該鉆孔樣品的平均粒徑范圍 Φ0.9 ～8.1，主要集中在 Φ1.8 ～7.5，粒度總體集中于中砂、細砂、粉砂和粉砂質(zhì)粘土（表2、圖 2）。

表2 樣品平均粒徑分布統(tǒng)計表Tab．2 Statistical of average particle size distribution of sample

表3 粒度分選等級表及樣品分選統(tǒng)計表Tab．3 Grain?size sorting and sample sorting statistics

標準偏差σi即分選程度，表示沉積物顆粒大小的均勻程度和圍繞集中趨勢的離差。水動力條件強的環(huán)境，沉積物的分選程度相對就高，如往復作用的海浪環(huán)境。反之，如流速變化頻繁的河流、洪水等環(huán)境，分選程度就低。該鉆孔樣品σi值大多數(shù)位于1～2.75之間（表3、圖2），沉積物總體分選較差，分選中等和分選較好的只占極少數(shù)，表明沉積總體水動力條件較弱。

偏度SK是表示頻率曲線的不對稱性的參數(shù)。單峰對稱曲線：有一個峰值，峰兩側的粗細粒級的百分含量對應地逐漸減小，表明沉積物成分單一；雙峰對稱曲線：有兩個峰值，且兩個粒級的含量差異較小，表明沉積物由兩種主要成分組成［24］。正偏態(tài)曲線的主峰值粒徑較大，表示沉積物以粗顆粒為主，負偏態(tài)曲線則相反。不同的偏度值代表不同形態(tài)的頻率曲線特征。鉆孔樣品SK值大多數(shù)位于0～0.6之間（表 4、圖 2），極少數(shù)呈負偏，表明沉積物大多數(shù)分選較差，粒度較大的沉積物顆粒占優(yōu)勢。

峰態(tài)KG是用來量度粒度頻率分布曲線的尖銳、鈍圓程度的，并反映粒度分布的集中、分散狀況。分選性好的沉積物，峰態(tài)通常越高，偏度越接近正態(tài)分布。該鉆孔樣品沉積物KG值主要分布于 0.75 ～2.25 之間，峰態(tài)主要為寬、中等、窄、很窄4個級別（表5、圖2）。

眾數(shù)是指頻率分布最高的顆粒粒徑值，該鉆孔樣品眾數(shù)值主要位于0～6Φ之間，隨著深度和巖性的不同而發(fā)生變化，變化規(guī)律與平均粒徑相似（圖 2）［25］。

各粒度參數(shù)計算公式如下：

平均粒徑計算公式：

圖2 粒度參數(shù)隨深度變化曲線圖Fig．2 Variation curve of grain size parameter with depth

分選系數(shù)的計算公式：

表4 粒度偏度等級及樣品偏度統(tǒng)計表Tab．4 Grain size skewness and sample skewness statistics

表5 粒度峰態(tài)等級及樣品峰態(tài)統(tǒng)計表Tab．5 Grain size kurtosis and sample kurtosis statistics

偏度值的計算公式：

峰態(tài)計算公式：

2.3 沉積物成分分析

夏墊斷裂地區(qū)的沉積物主要由粘土、粉砂、砂、礫等物質(zhì)構成，但粒度參數(shù)所反映出來的沉積物特征往往具有綜合性，不能顯現(xiàn)出同一樣品中各物質(zhì)含量，平均粒徑相同的樣品其各物質(zhì)的含量可能大相徑庭。因此，作者根據(jù)從激光粒度儀中導出的同一樣品粒度累計百分數(shù)數(shù)據(jù)制成沉積物各顆粒含量分布圖，從圖3、圖4可以看出，沉積物基本構成主要以粉砂為主，平均百分含量達37.6%，其次為細砂，平均百分含量達25.6%，但在個別層位中中砂和粗砂含量也很高，如63～57.5，42 ～32.5m，兩者之和可達 65%。 粘土含量較低，平均百分含量僅為10.1%，但在50～45m層位中，含量達到近50%。

3 沉積旋回與沉積環(huán)境分析與結果

3.1 控制性鉆孔剖面描述

不同層位，由于沉積環(huán)境和沉積動力條件的不同，其沉積物顆粒含量變化較大，沉積物的粒度參數(shù)特征和頻率曲線也各有特點，根據(jù)沉積物粒級百分含量和粒度參數(shù)特征將夏墊斷裂處更新統(tǒng)上部和全新統(tǒng)地層劃分為8個旋回（圖2、3、4），各沉積旋回表現(xiàn)為下部粗粒層和上部細粒層相組合的韻律性結構［26］。詳細剖面描述見圖3。

3.2 沉積旋回特征

第八旋回：0～12.65m，該旋回總體粒度偏細，巖性以粘土、粉砂為主，底部粒度逐漸變粗，細砂和中砂含量明顯變高。該旋回標準偏差1.25 ～2.25，分選較差，偏度 0.1 ～ 0.5，以正偏、極正偏為主，峰態(tài)0.75 ～1.5，表明中等能量的沉積環(huán)境。

第七旋回：12.65 ～ 24.1m，該旋回總體粒度較上段偏細，變化幅度較小，巖性以粘土、粘土質(zhì)粉砂、粉砂為主，底部變粗為薄層細砂、中砂。該旋回標準偏差 1.5 ～ 2.25，分選差，偏度 0.2 ～0.5，以正偏、極正偏為主，峰態(tài) 0.75 ～1.5，表明中低能的沉積環(huán)境。

第六旋回：24.1 ～ 28.32m，該旋回總體粒度和上段相似，變化幅度較小，巖性以粘土、粘土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)細砂為主，中部夾有薄層中砂。該旋回標準偏差 1.5～2.75，分選較上段差，偏度—0.2 ～0.5，負偏、正對稱、正偏、極正偏都有，峰態(tài)0.75 ～1.5，表明較低能的沉積環(huán)境。

第五旋回：28.32 ～ 42.8m，該旋回總體粒度較粗，變化幅度較小，巖性以粘土、粉砂、中砂為主，表明中高能的沉積環(huán)境。該旋回標準偏差1～2.5，分選較差，偏度 －0.1 ～0.5，以近對稱、正偏、極正偏為主，峰態(tài)0.75～2。 自下而上，分選逐漸變差，偏度先是越來越偏向正偏，然后突變?yōu)檎龑ΨQ、負偏，峰態(tài)由窄逐漸變寬，表明由中高能環(huán)境到的低能環(huán)境的轉(zhuǎn)變。

圖3 齊心莊地層巖性柱Fig．3 Lithological column in Qixinzhuang

第四旋回：42.8 ～ 55.66m，該旋回粒度變化較大，上部以粘土、粉砂為主，下部為細砂、中砂、粗砂、礫石為主。 該旋回標準偏差 1.75～2.25，分選較差，偏度 －0.1 ～0.5，以近對稱、正偏、極正偏為主，峰態(tài) 0.75～2.25。 自下而上，分選逐漸變差，由正偏逐漸變?yōu)榻鼘ΨQ，峰態(tài)由窄逐漸變寬，表明由高能環(huán)境向低能環(huán)境的轉(zhuǎn)變。

第三旋回：55.66 ～ 63.9m，該旋回總體粒度較粗，變化幅度不大，巖性以粉砂、細砂、中砂為主，夾少量粗砂，表明中高能的沉積環(huán)境。該旋回標準偏差 0.75 ～2，分選較上段好，偏度 0.3 ～0.5，以極正偏為主，峰態(tài)1～2。 自下而上，分選逐漸變差，偏度變化較小，峰態(tài)由窄變?yōu)橹械龋饾u變寬，表明沉積動力逐漸減小。

第二旋回：63.9 ～67.9m，該旋回總體粒度較粗，巖性以粉砂、細砂、粗砂為主，夾少量粘土和中砂，表明中高能的沉積環(huán)境。該旋回標準偏差1～2.25，分選較上段差，偏度 0.2 ～0.5，以正偏、極正偏為主，峰態(tài)1～2。

圖4 沉積物各顆粒含量分布圖Fig．4 Each particle content distribution of sediment

圖5 各旋回概率累積曲線圖Fig．5 Probability accumulation curves of every sedimentary cycle

第一旋回：67.9 ～70.2m，該旋回總體粒度較細，變化幅度較大，上部巖性以粉砂為主，下部以細砂為主，表明中低能的沉積環(huán)境。該旋回標準偏差1 ～2.25，分選較差，偏度 0.2 ～0.4，以正偏、極正偏為主，峰態(tài)0.75～2。自下而上，分選逐漸變好，偏度變化不大，峰態(tài)由窄變?yōu)橹械?，表明沉積動力逐漸變小。

圖6 各旋回頻率曲線圖Fig．6 Frequency curves of every sedimentary cycle

3.3 沉積環(huán)境分析

結合沉積物成分、粒度參數(shù)的分析結果及樣品概率累計曲線、頻率曲線特征（圖5、圖6），綜合得出該鉆孔的動力條件和沉積環(huán)境，現(xiàn)分述如下：

第八旋回：頻率曲線為正偏窄單峰型，分選差，概率累計曲線為三段式，粗截點在1.5～2.5Φ，細截點在4～5Φ，推移總體含量約 5%，跳躍總體含量約65%，懸浮總體含量約30%，顆?？傮w較細，以粉、細砂為主，顏色以深灰色為主，推斷為中等水能的淺湖相沉積。

第七旋回：頻率曲線為正偏中等雙峰型，分選較差，概率累計曲線為二段式，截點在4～5Φ，跳躍總體含量約80%，懸浮總體含量約20%，顏色以淺棕黃色、灰色為主，推斷為中低能的淺湖相沉積。

第六旋回：頻率曲線為正偏中等單峰型，分選較差，概率累計曲線為三段式，粗截點在3Φ左右，細截點在4～5Φ，推移總體含量約2%，跳躍總體含量約48%，懸浮總體含量約50%，顏色以暗灰色為主，且在該層發(fā)現(xiàn)被碳化的植物莖干，推斷為較低能的沼澤相沉積。

第五旋回：頻率曲線為正偏窄單峰型，分選較差，概率累計曲線為三段式，粗截點在0～1Φ，細截點在3～4Φ，推移總體含量約5%，跳躍總體含量約80%，懸浮總體含量約15%，顏色以淺棕黃色、暗灰色為主，推斷為中高能的河流相沉積。

第四旋回：上段：頻率曲線為正態(tài)中等單峰型，分選較差，概率累計曲線為一段式，表明沉積物未經(jīng)分選就沉積下來，樣品中的大顆粒與小顆?；祀s，反應了低能洪積的沉積條件。

下段：頻率曲線為正偏窄單峰型，分選較差，概率累計曲線為二段式，截點在2.5Φ左右，跳躍總體含量約85%，懸浮總體含量約15%，顏色以暗棕黃色為主，該層底部可見礫石和粗砂，推斷為高能的河流相沉積。

第三旋回：頻率曲線為正偏窄單峰型，分選較差，概率累計曲線為二段式，截點在2～3Φ，跳躍總體含量約90%，懸浮總體含量約10%，顏色以淺棕黃色、暗棕黃色為主，推斷為中高能的河流相沉積。

第二旋回：頻率曲線為正偏窄單峰型，分選較差，概率累計曲線為二段式，截點在2.5Φ左右，跳躍總體含量約70%，懸浮總體含量約30%，顏色以暗棕黃色為主，推斷為中能的河流相沉積。

第一旋回：頻率曲線為正態(tài)寬單峰型，分選較差，概率累計曲線為二段式，截點在5～6Φ，跳躍總體含量約60%，懸浮總體含量約40%，顏色以深灰色、炭黑色為主，且在該層發(fā)現(xiàn)了被碳化的植物莖干，推斷為較低能的沼澤相沉積。

4 結論

本文根據(jù)沉積物粒級百分含量和粒度參數(shù)特征將夏墊斷裂處晚更新世以來的地層劃分為8個旋回，各沉積旋回由下至上粒度逐漸變細，沉積動力逐漸減小，具有很好的韻律性。各旋回的頻率曲線和概率累計曲線特征也各有特點，由此反映的沉積環(huán)境和沉積動力條件也各有不同。綜合上述特點，本文認為夏墊活動斷裂處地層晚更新世以來經(jīng)歷了較低能的沼澤相沉積、中能的河流相沉積、中高能的河流相沉積、高能的河流相沉積—低能的洪積相沉積、中高能的河流相沉積、低能的沼澤相沉積、中低能的淺湖相沉積、中能的淺湖相沉積8個沉積旋回。

由于地層處于夏墊活動斷裂附近，晚更新世以來發(fā)生過多次地震，且斷塞塘沉積常表現(xiàn)為含碳的粘土、亞粘土和粉砂等靜水湖塘相沉積，因此本文認為地層中出現(xiàn)的兩次富含黑灰色粘土、粉砂和碳化的植物遺體的沼澤相沉積應為斷塞塘沉積，沉積旋回的下界可能為地震發(fā)生的時代，上界為斷塞塘淤積消失的時代。

從粒度特征角度來看，斷塞塘沉積顏色以深灰色、暗灰色為主，粒度較細，分選較差，偏度范圍較大，頻率曲線峰態(tài)較寬，概率累積曲線顯示，其推移總體含量幾乎為零，以跳躍總體和懸浮總體為主。

致 謝在本文的撰寫過程中首先要感謝防災科技學院給予的經(jīng)費支持和場地、儀器等幫助，然后要感謝沈軍教授對本論文的指導，還要感謝于曉輝、戴訓也、焦軒凱幾位老師對本文的修改意見和趙江濤等同學提供的數(shù)據(jù)支持，最后感謝參與審稿的各位專家！

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Grain?Size Analysis and Sedimentary Environment Research of Quaternary Sediments on Xiadian Active Fault

Chen Yaya， Shen Jun， Zhang Jinguo， Zhao Jiangtao， Hu Mingyuan
（Institute of Disaster Prevention，Sanhe065201，China）

This paper use grain?size samples collected nearby Xiadian fault， tested and analyzed by laser particle size analyzer， to research grain?size characteristics of quaternary sediment， such as average grain size， standard deviation， skewness， kurtosis， mode， frequency curve， accumulative probability curve．And this paper researches the characteristics and changes of sediment composition by the analytic methods．Based on the above characteristics，this paper divides strata in Xiadian active fault into 8 sedimentary cycles，and concludes the changes of sedimentary power and sedimentary environment： lower energetic marsh sediments， middle energetic fluvial sediments， middle?high energetic fluvial sediments， high energetic fluvial sediments?lower energetic diluvial sediments， middle?high energetic fluvial sediments， lower energetic marsh sediments， middle?low energetic shallow lacustrine sediments，middle energetic shallow lacustrine sediments．In this paper， the authors hold the opinion that the marsh sediments which appeared two times in the strata and are rich in black?gray clay and silty sand， carbonized plant remains，should be sag?pond sediments which were caused by earthquake．

Xiadian fault； grain?size analysis； sedimentary environment； sag?pond； sedimentary cycle

P534 文獻標識碼：A 文章編號：1673－8047（2017）03－0017－11

2017－06－08

國家自然科學基金（41372216）；國家大學生創(chuàng)新項目（201511775003）．

陳亞亞（1994—），男，碩士，主要從事構造地質(zhì)學研究。

沈軍（1966—），男，博士，教授，主要從事地震地質(zhì)研究方向。