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(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)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(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所, 北京 100081;3)中國(guó)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(wàn)年—12萬(wàn)年)以來(lái)一直在活動(dòng), 未來(lái)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(kāi)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(yíng)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(yíng)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(kāi)挖、淺層地震勘探、鉆探、年齡測(cè)試等方法, 對(duì)黃莊—高麗營(yíng)斷裂的平面位置、活動(dòng)特征和第四紀(jì)活動(dòng)性等曾開(kāi)展過(guò)研究, 認(rèn)為該斷裂帶全長(zhǎng)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(shì)(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(yíng)—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(guò)(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(zhǎng)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(yíng)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(jiǎn)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(cè)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(lái)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(lái), 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(yíng)斷裂與南苑—通縣斷裂開(kāi)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(yíng)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(yíng)、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(lái), 黃莊—高麗營(yíng)、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(cè)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(méi)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(cè)和鉆孔聯(lián)合剖面來(lái)實(shí)現(xiàn)(徐錫偉等, 2002; 鄧啟東等, 2003; 中國(guó)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(cè)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(cè)深

可控源音頻大地電磁測(cè)深(CSAMT)由大地電磁測(cè)深法(Magnetotelluric, MT)發(fā)展而來(lái), 通過(guò)控制電磁波信號(hào)在地球介質(zhì)中激發(fā)的電磁波場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)觀測(cè)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(cè)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(guó)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(guò)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(chǎng)源供電電極距AB約為1 km, 水平方向電場(chǎng)MN(MN=50 m)平行于場(chǎng)源 AB, 角度差小于 5°, 收發(fā)距離 9 km,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)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(chǎng)地的限制, 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn),通過(guò)計(jì)算分析最高無(wú)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(cè)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(chǎng)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(cè)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(cè)量?jī)x器采用驕鵬科技有限公司的E60DN電法工作站?；倦姌O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(cè)方法之一, 主要通過(guò)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(cè)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(guó)地震活動(dòng)斷層探測(cè)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(cè)隱伏活斷層的主要手段之一, 較之地球物理探測(cè)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(cè)線, 分別為K3和 B3(圖 4)。K3測(cè)線沿 NW—SE方向布設(shè), 點(diǎn)距50 m, 由于K3線上障礙較多, 測(cè)線局部平移, 故將K3測(cè)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(cè)線布設(shè)在北拒馬河北側(cè)的百尺桿鎮(zhèn), 與 K3測(cè)線平行, 長(zhǎng)度約2.4 km, 點(diǎn)距50 m。

圖4 黃莊—高麗營(yíng)斷裂(房山—淶水段)地球物理探測(cè)測(cè)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(cè)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(yíng)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(jiàn)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(cè)線方向, 埋深逐漸增大。根據(jù)該段測(cè)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(cè)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(zhǎng)溝、岳各莊一帶。

圖5 K3測(cè)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(cè)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(cè)為百尺竿—西疃村斷裂(F2)顯示。由K3測(cè)線反演電阻率和 B3測(cè)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(jiàn)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(cè)推斷該斷裂為一前第四紀(jì)斷裂,可能為黃莊—高麗營(yíng)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(cè)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(cè)線布設(shè)基本與推測(cè)斷裂垂直(圖4), 測(cè)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(cè) 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(cè)T2為新生界與基巖分界面。

圖7 DZ01測(cè)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(cè)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(yíng)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(cè)線142～200號(hào)點(diǎn)之間布設(shè)了高密度電阻率法GM03測(cè)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?？v向上電阻值變化范圍較大, 推測(cè)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(yíng)斷裂帶(房山—淶水段)顯示,上斷點(diǎn)埋深可能約 10 m, 推測(cè)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(lái)不活動(dòng)有所差異, 但是, 本次探測(cè)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(cè)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(cè)結(jié)果, 為進(jìn)一步揭示黃莊—高麗營(yíng)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(cè)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(jiàn)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(cè)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(cè)線揭示情況比較吻合。結(jié)合物探結(jié)果, 推測(cè)其與 BDZK002之間發(fā)育黃莊—高麗營(yíng)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(cè)黃莊—高麗營(yíng)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(yíng)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(yíng)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(cè)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(cè)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(cè)結(jié)果都往往具有多解性。所以, 本文關(guān)于黃莊—高麗營(yíng)斷裂(房山—淶水段)第四紀(jì)活動(dòng)特征的淺層綜合探測(cè)結(jié)果肯定也具有不可避免的誤差或推測(cè)性。前人研究認(rèn)為, 黃莊—高麗營(yíng)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(yíng)—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(cè)線勘探剖面(圖 5a)揭示, 黃莊—高麗營(yíng)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(lái)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(guò)活動(dòng), 而后期沒(méi)有活動(dòng), 從而導(dǎo)致上更新統(tǒng)以來(lái)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(cè)線高密度電阻率剖面(圖8)揭示黃莊—高麗營(yíng)斷裂(房山—淶水段)上斷點(diǎn)埋深可能為10 m, 推測(cè)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(guò)地表調(diào)查發(fā)現(xiàn), 黃莊—高麗營(yíng)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(yíng)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(shù)德, 2013)。單從地里位置上看, 本次地震位于黃莊—高麗營(yíng)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(yíng)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(cè)。綜合探測(cè)結(jié)果揭示, 黃莊—高麗營(yíng)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(cè)方法的有效性問(wèn)題

綜合地球物理探測(cè)結(jié)果可知, CSAMT法在隱伏活動(dòng)斷裂探測(cè)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(yíng)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(guò)多種物探方法的綜合探測(cè), 能夠做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),增加隱伏活動(dòng)斷裂探測(cè)的確定性。

5 結(jié)論

根據(jù)對(duì)黃莊—高麗營(yíng)斷裂房山—淶水段的綜合探測(cè)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(yíng)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(yíng)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(cè)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(guò)多種物探方法的綜合探測(cè), 能夠做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ), 增加隱伏活動(dòng)斷裂探測(cè)的確定性。

致謝:中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院王惠卿博士、萬(wàn)佳威博士、范玉璐博士, 長(zhǎng)安大學(xué)劉莎莎碩士, 中國(guó)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(cè)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).