宋春華， 郁 飛， 施 剛

1.上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司，上海 200072；

2.上海市地礦工程勘察（集團(tuán)）有限公司，上海 200072

0 引言

活動(dòng)斷層與地震活動(dòng)有著緊密聯(lián)系，是時(shí)刻威脅城市地質(zhì)安全的重要新構(gòu)造活動(dòng)隱患（鄧起東等，2003，2007；徐錫偉，2006；吳中海，2019；宋春華等，2021；魏鵬等，2022）。上海人口稠密、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、城市化程度高，《上海市城市總體規(guī)劃（ 2017—2035 年）》明確提出了建立“卓越全球城市”的愿景，對(duì)城市地質(zhì)安全的需求更是提升到新的高度。上海在20世紀(jì)90年代進(jìn)行了“活動(dòng)斷裂探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)”工作（徐錫偉等，2015），確認(rèn)了城市下眾多隱伏斷層的存在（顧澎濤，2006），后續(xù)鮮有相關(guān)工作開(kāi)展，目前在斷層精準(zhǔn)定位、斷層最新活動(dòng)特征等方面，研究投入與認(rèn)知程度都較北京、深圳等一線城市存在著一定差距（張浩等，2021；劉先林等，2022）。

城市隱伏活動(dòng)斷層的空間展布、規(guī)模、產(chǎn)狀、活動(dòng)時(shí)代等特征的探測(cè)與研究對(duì)評(píng)價(jià)斷層活動(dòng)性至關(guān)重要（李傳友等，2007），也是保障城市安全、開(kāi)展區(qū)域地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作的必要前提與基礎(chǔ)（譚成軒等，2009；姚鑫，2014；戚幫申等，2018；馬森等，2021；郭宇等，2022）。張堰-金山衛(wèi)斷層是上海市西南部極其發(fā)育的隱伏斷層，其基本特征是基于重力、航磁資料推斷而來(lái)。斷層穿越金山老城區(qū)，陸上部分展布約15 km，分為兩段，呈雁行排列（火恩杰等，2004；章振銓等，2004），斷層傾向南西，總體走向約北西。從地形地貌特征上看，該斷層是查山凸起和金山凹陷的分界（張宏良和張潔，1996），對(duì)區(qū)域地貌及第四系沉積都有一定的控制作用。區(qū)域地震記錄顯示，2013年上海金山發(fā)生的1.3級(jí)地震可能與該斷層活動(dòng)有關(guān)，根據(jù)地震的歷史重復(fù)規(guī)律，不排除未來(lái)該斷層重復(fù)活動(dòng)引發(fā)區(qū)域地震地質(zhì)災(zāi)害的可能，因此亟待開(kāi)展該斷層探測(cè)與活動(dòng)性研究。

上海城市環(huán)境具有建、構(gòu)筑物密集、交通繁忙的特征，環(huán)境背景噪聲干擾嚴(yán)重，針對(duì)隱伏斷層探測(cè)的常規(guī)電、磁類地球物理勘探方法很難取得理想的效果。此次研究采用區(qū)域控制性探測(cè)和精細(xì)探測(cè)逐步遞進(jìn)的思路，應(yīng)用高精度重力面積測(cè)量、高分辨率淺地震勘探相結(jié)合的綜合地球物理勘探方法，對(duì)上海市張堰-金山衛(wèi)隱伏活動(dòng)斷層開(kāi)展調(diào)查工作，確認(rèn)了斷層走向、上斷點(diǎn)位置、產(chǎn)狀與形態(tài)等特征。結(jié)合周邊鉆孔地應(yīng)力測(cè)試和地層年代學(xué)測(cè)試結(jié)果，對(duì)斷層活動(dòng)性進(jìn)行分析，進(jìn)一步厘定了該斷層最新活動(dòng)時(shí)代、第四紀(jì)和現(xiàn)今活動(dòng)性特征。探測(cè)工作與分析成果將為上海市城市地質(zhì)安全保障提供基礎(chǔ)支撐，為城市斷層危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、城市重大工程規(guī)劃和選址提供科學(xué)的基礎(chǔ)地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

上海地區(qū)第四紀(jì)地層發(fā)育，成因類型復(fù)雜，陸相和海相地層廣泛分布，第四系底界年齡約2.60 Ma，地層自下而上包括：下更新統(tǒng)（安亭組）、中更新統(tǒng)（嘉定組）、上更新統(tǒng)（南匯組和川沙組）和全新統(tǒng)（青浦組、上海組和婁塘組）的黏性土、粉性土、砂性土等（邱金波和李曉，2007）。前上新統(tǒng)基巖地層由下至上包括：古元古界、中元古界、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、白堊系、古近系、新近系等，分布面積最廣的地層為下白堊統(tǒng)火山巖系（上海地質(zhì)礦產(chǎn)局，1988；張宏良，1999）。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要分為北東向、北西向和近東西向三組斷裂，其中北西向斷裂多在燕山期時(shí)成型，分割北東向斷裂（圖1）。上海區(qū)內(nèi)的大部分構(gòu)造形成于喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期之前，到喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期時(shí)，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)已經(jīng)相對(duì)減緩，新生成的斷裂明顯減少，但先期形成的斷裂發(fā)生復(fù)活，成為區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的主要因素之一。近500年來(lái)，上海地區(qū)共發(fā)生了150多次地震（圖2），其中上海市發(fā)生地震89次，外圍地震波及上海有61次，包括1971年上海長(zhǎng)江口4.9級(jí)地震、1984年南黃海6.2級(jí)地震、1996年上海長(zhǎng)江口6.1級(jí)地震、1855年上海長(zhǎng)江口5.0級(jí)地震、1624年上海黃浦江邊4.8級(jí)地震等。

圖2 上海及鄰近地區(qū)1970—2017年（部分地區(qū)數(shù)據(jù)至2019年）地震分布圖Fig.2 Earthquake distribution map of Shanghai and its neighboring areas from 1970 to 2017 (Data for some regions is up to the year 2019)

2 地球物理探測(cè)方法

不同巖土地層介質(zhì)間有著明顯的物性（密度、視電阻率和速度）差異（王仁杰，2010；尚彥軍等，2018；周超等，2022），工作區(qū)內(nèi)地層物性差異是開(kāi)展張堰-金山衛(wèi)斷層調(diào)查與研究的基礎(chǔ)（表1）。張堰-金山衛(wèi)斷層調(diào)查與研究主要采用高精度重力面積測(cè)量和高分辨率淺層地震勘探等方法進(jìn)行隱伏活動(dòng)斷層活動(dòng)特征探測(cè)。金山衛(wèi)分布有密集的居民區(qū)、商業(yè)區(qū)、廠房，道路縱橫交錯(cuò)，存在強(qiáng)烈的人類活動(dòng)震動(dòng)、噪音等干擾，屬于典型的城市復(fù)雜高干擾環(huán)境。調(diào)查研究依照區(qū)域控制性探測(cè)、精細(xì)探測(cè)、綜合分析解譯等步驟逐步推進(jìn)實(shí)施。首先采用大比例尺高精度（1∶25000）重力面積測(cè)量了解金山衛(wèi)地區(qū)基巖起伏形態(tài)、隱伏斷層分布及劃分等要素（李長(zhǎng)波等，2022），指導(dǎo)后續(xù)物探調(diào)查工作的布置（圖1）；然后應(yīng)用淺層地震探測(cè)查明一定深度范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)、斷層性質(zhì)及傾向、錯(cuò)斷的層位及上斷點(diǎn)埋深等重要信息（張慧利等，2014；王繼等，2020）。

表1 工作區(qū)主要地層物性特征一覽表Table 1 List of physical properties of main strata in the work area

重力測(cè)量是利用不同巖土體間的密度差異引起的重力變化進(jìn)行地質(zhì)勘探的一種方法（王謙身，2003），通過(guò)改正計(jì)算獲得布格重力異常和自由空氣重力異常，應(yīng)用位場(chǎng)轉(zhuǎn)換、求導(dǎo)、反演等處理方法，可以獲取重力場(chǎng)線性梯級(jí)帶、不同特征的重力場(chǎng)分界線、重力方向?qū)?shù)異常平面上條帶狀分布的極值點(diǎn)的連線（極值帶）或零值線等特征（程家印等，1983；徐偉民等，2014），推斷解釋覆蓋層以下不同密度巖土體的埋藏情況，從而可以找出異常地質(zhì)體構(gòu)造邊界（沈博，1994）。此次調(diào)查采用加拿大生產(chǎn)的CG-5型高精度石英彈簧重力儀，儀器投入使用前進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)及一致性試驗(yàn)。野外工作中按基點(diǎn)—輔助點(diǎn)—基點(diǎn)的次序進(jìn)行1∶25000重力面積測(cè)量觀測(cè)，采集過(guò)程中需要規(guī)避密集建筑物群和交通震動(dòng)干擾，盡量選擇晚上至凌晨時(shí)間段進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集工作。

淺層地震勘探是指利用地下介質(zhì)彈性和密度的差異，通過(guò)觀測(cè)人工地震產(chǎn)生的彈性波在不同巖土地層間的波阻抗差異（陸基孟和王永剛，2009；李萬(wàn)倫等，2018），推斷和解釋地下巖土地層的精細(xì)結(jié)構(gòu)、斷層的空間展布的方法（顧勤平等，2015）。利用地震速度分析數(shù)據(jù)對(duì)地震剖面進(jìn)行時(shí)間深度轉(zhuǎn)化（Cameron，2009），與鉆探分層數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，在線和道方向的剖面進(jìn)行精細(xì)解釋，可以詳細(xì)刻畫(huà)斷層的性質(zhì)，如傾向和傾角，以及錯(cuò)段層位等信息。淺層地震勘探在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)交通、環(huán)境噪聲以及人文條件選擇合適震源和激發(fā)偏移距，最終選擇晚上至凌晨時(shí)間段進(jìn)行采集，采用120道、間距5 m的100 Hz縱波檢波器組成全排列接收，偏移距為300 m，采樣間隔0.25 ms，記錄長(zhǎng)度1.024 s，前置放大器采用全通方式，激發(fā)震源采用BV300型出力18 t可控震源，掃描長(zhǎng)度為10 s，掃描頻帶10～120 Hz，疊加次數(shù)為1～4次，震源出力40%，斜坡長(zhǎng)度0.5 s，偏移距為300 m。

3 地球物理探測(cè)結(jié)果分析

3.1 高精度重力測(cè)量結(jié)果分析

高精度區(qū)域控制性重力測(cè)量經(jīng)處理獲得1∶25000布格重力異常圖（圖3），顯示工區(qū)的布格重力異常變化大致呈北西走向，西南低、東北高，其中測(cè)區(qū)中北部與東南角各存在一處正異常，工作區(qū)中部北西向重力梯度帶特征明顯，推斷為張堰-金山衛(wèi)斷層構(gòu)造線大致分布位置，斷層總體走向?yàn)楸蔽飨?15°。

圖3 布格重力異常等值線圖Fig.3 Bouguer gravity anomaly contour map

采用水平方向?qū)?shù)方法處理斷裂或構(gòu)造邊界的分布情況，可以用來(lái)分析區(qū)內(nèi)某一方向的構(gòu)造線特征。重力異常的水平方向?qū)?shù)等值線圈閉的同向軸可以指示密度變化的邊界，從而可利用其判斷斷裂的平面位置。因此，對(duì)工作區(qū)向上延拓300 m高度的異常，做了水平0°、45 °、90°、135°四個(gè)不同方向的導(dǎo)數(shù)（圖4），分別反映南北方向、北西方向、東西方向、北東方向的斷裂或密度變化構(gòu)造線的展布，0°、45°、90°三個(gè)不同重力水平方向?qū)?shù)Vxz的極大值（圖4a—4c）位置均顯示斷裂構(gòu)造優(yōu)勢(shì)走向，而135°水平導(dǎo)數(shù)（圖4d）求導(dǎo)方向上無(wú)原始異常，結(jié)合布格重力異常可方便地確定臺(tái)階上沿?cái)嗔褬?gòu)造的地面投影位置，顯示為明顯的北西向斷裂構(gòu)造帶走向特征。

圖4 布格重力異常的水平方向?qū)?shù)圖Fig.4 Horizontal derivative plots of Bouguer gravity anomalies

為揭示三維測(cè)區(qū)張堰-金山衛(wèi)斷層的深部空間伸展情況，對(duì)布格重力異常作了300 m、600 m、900 m、1600 m、2400 m和3000 m共六個(gè)不同高度的向上延拓（圖5），重力向上延拓后的水平梯度所突出的構(gòu)造線可作為巖體邊界和斷層走向構(gòu)造線解釋的依據(jù)（張鳳旭等，2007；孟小紅等，2009）。北西向斷層構(gòu)造線的行跡刻畫(huà)識(shí)別均較為清晰，推測(cè)為張堰-金山衛(wèi)斷層的斷層走向構(gòu)造線。但是重力異常的垂向分辨能力弱，斷層在第四紀(jì)內(nèi)部延伸特征需結(jié)合地震勘探資料進(jìn)一步分析解釋（雷曉東等，2021）。

圖5 不同上延高度重力異常斷層構(gòu)造線識(shí)別結(jié)果圖Fig.5 Identification results of gravity anomaly fault layer structural lines at different upward elevations

采用Parker-Olderburg界面反演方法（關(guān)小平，1991；郭濤等，2019）揭示基巖埋深整體呈西南部深、東北部淺的態(tài)勢(shì)（圖6），最深處在-190 m左右，最淺處在-50 m左右，測(cè)區(qū)中北部、東南角基底形態(tài)有明顯凸起，南西側(cè)基巖地層有明顯斷陷跡象，斷層構(gòu)造線優(yōu)勢(shì)走向?yàn)楸蔽鞣较颉?/p>

圖6 基底反演結(jié)果圖Fig.6 Inversion results of basement

3.2 淺層地震勘探成果分析

為更精細(xì)劃分和識(shí)別斷裂構(gòu)造，采用變速成圖和建立高精度速度場(chǎng)的地震數(shù)據(jù)處理方法，最終地震時(shí)間剖面顯示0.25 s以淺出現(xiàn)了多個(gè)有效反射波組（圖7），地震反射波組T1和T2同相軸局部不連續(xù)、不穩(wěn)定，能量中等到中強(qiáng)，分別對(duì)應(yīng)上更新統(tǒng)川沙組（Qp3c）的頂界面和底界面；Tg反射波同相軸連續(xù)性好、穩(wěn)定，能量強(qiáng)，可連續(xù)追蹤，對(duì)應(yīng)是基巖面反射波，其雙程旅行時(shí)約為0.205～0.23 s。根據(jù)地震剖面反射波組的橫向變化特征，樁號(hào)900 m位置附近地震反射波組Tg（時(shí)間約0.22 s區(qū)段）同相軸錯(cuò)斷明顯，與其上部的反射波組同相軸錯(cuò)斷特征進(jìn)行斷點(diǎn)組合，顯示為逆沖斷層性質(zhì)，基巖面斷距約10 m，傾向南西。斷層在第四紀(jì)地層中也有明顯的錯(cuò)斷行跡，上斷點(diǎn)也可追蹤至第四紀(jì)（埋深約100 m）內(nèi)。

圖7 淺層地震勘探測(cè)線時(shí)間剖面圖Fig.7 Time profile of shallow seismic exploration line

對(duì)上海市首座地應(yīng)力監(jiān)測(cè)站SDJ-1鉆孔內(nèi)的（圖1）第四紀(jì)松散沉積樣品進(jìn)行光釋光和碳十四年代學(xué)測(cè)試（測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8），地震時(shí)間剖面斷層上斷點(diǎn)埋深約100 m，其對(duì)應(yīng)年齡為110～140 ka之間（圖8），可以推斷上斷點(diǎn)錯(cuò)斷至第四系中更新統(tǒng)地層（Qp2j），為第四紀(jì)中更新世活動(dòng)斷層。

圖8 地應(yīng)力監(jiān)測(cè)鉆孔SDJ-1巖性柱狀圖及測(cè)年結(jié)果圖Fig.8 Lithological histogram and dating results of Borehole SDJ-1 for ground stress monitoring

4 斷層活動(dòng)性特征分析

4.1 張堰-金山衛(wèi)斷層第四紀(jì)活動(dòng)特征

根據(jù)探測(cè)資料及鉆探成果，對(duì)張堰-金山衛(wèi)斷層第四紀(jì)活動(dòng)性特征進(jìn)行綜合討論。綜合物探成果顯示，張堰-金山衛(wèi)斷層走向與已有的根據(jù)重磁場(chǎng)特征推測(cè)的斷層走向存在有一定平面擺動(dòng)偏差（張宏良等，1996；張宏良，1999），其走向約北西315°，傾向南西，上斷點(diǎn)錯(cuò)斷埋深位置約100 m。地應(yīng)力監(jiān)測(cè)站SDJ-1（圖1）四分量壓磁地應(yīng)力探頭安裝于完整基巖上（埋深約168 m處），揭示了180.17 m鉆探深度范圍內(nèi)的地層，包括第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)的黏性土、粉性土、砂性土及下白堊統(tǒng)的安山巖。自上而下揭示的地層巖性特征為：①全新統(tǒng)青浦組（Qh3）屬濱海-河口相沉積，頂、底板埋深1.00～42.00 m；②上更新統(tǒng)南匯組（Qp3n）屬濱海相沉積，為第一承壓含水層，頂、底板埋深42.00～60.00 m；③上更新統(tǒng)川沙組（Qp3c）屬河口相沉積，為第二承壓含水層，頂、底板埋深60.00～93.50 m；④中更新統(tǒng)嘉定組（Qp2j）屬河流-三角洲相、湖泊相沉積，為第三承壓含水層，頂、底板埋深93.50～120.60 m，含碎塊狀安山巖，土質(zhì)分布不均勻；⑤下白堊統(tǒng)黃尖組（K1h）為灰綠色安山巖。其頂部為風(fēng)化層，在深部122.60～139.70 m巖石破碎，裂隙發(fā)育，推測(cè)為張堰-金山衛(wèi)斷層活動(dòng)形成的斷層破碎帶。結(jié)合高分辨率淺層地震時(shí)間剖面上斷點(diǎn)錯(cuò)斷位置和第四紀(jì)沉積物的年代學(xué)測(cè)試結(jié)果（圖8），可以推斷斷層已錯(cuò)斷至第四系中更新統(tǒng)地層，為中更新世活動(dòng)斷層，推測(cè)此北西向斷層可能是在燕山期張扭結(jié)構(gòu)面的基礎(chǔ)上，于喜山期繼續(xù)活動(dòng)發(fā)展和強(qiáng)化形成的，具有較強(qiáng)的新生特點(diǎn)（張宏良，1999；包漢勇等，2013；李三忠，2019）。晚近時(shí)期以來(lái)，上海地區(qū)歷史地震震中的分布都與北西向斷層有著密切聯(lián)系，這與現(xiàn)今中國(guó)東部地區(qū)北西向斷層為最活躍的地質(zhì)構(gòu)造一致（章振銓等，2004；李三忠等，2019）。

4.2 張堰-金山衛(wèi)斷層現(xiàn)今活動(dòng)特征

張堰-金山衛(wèi)斷層附近地應(yīng)力監(jiān)測(cè)站鉆孔SDJ-1原位地應(yīng)力實(shí)測(cè)顯示現(xiàn)今最大水平主應(yīng)力方向?yàn)楸蔽?2°～62°（表2），優(yōu)勢(shì)方位為北西向（張浩等，2020），該應(yīng)力狀態(tài)有利于北西向張堰-金山衛(wèi)斷層發(fā)生張扭活動(dòng)。上海地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定金山區(qū)2013年1月曾發(fā)生1.3級(jí)地震，震源深度8 km，可能與該斷層活動(dòng)有一定關(guān)系，斷層現(xiàn)今活動(dòng)性依然活躍（吳中海和張會(huì)平，2021），同時(shí)也說(shuō)明了上海地區(qū)北西向斷層現(xiàn)今仍具有較強(qiáng)活動(dòng)性特征。

表2 地應(yīng)力測(cè)量取值結(jié)果表Table 2 Results of ground stress measurement values

5 結(jié)論

此次研究利用高精度重力面積測(cè)量及高分辨率淺層地震勘探技術(shù)，精細(xì)查明張堰-金山衛(wèi)斷層一定深度范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)、隱伏斷層空間分布及上斷點(diǎn)位置等要素。

（1）地球物理探測(cè)結(jié)果刻畫(huà)的斷層行跡在布格重力異常和地震時(shí)間剖面上均有較好的物性異常反映，研究顯示張堰-金山衛(wèi)斷層橫穿金山老城區(qū)，性質(zhì)為逆斷層，總體走向?yàn)楸蔽飨?15o，傾向南西，基巖面斷距約10 m。

（2）張堰-金山衛(wèi)斷層上斷點(diǎn)已錯(cuò)斷至第四系中更新統(tǒng)內(nèi)，為第四紀(jì)中更新世活動(dòng)斷層，分析認(rèn)為張堰–金山衛(wèi)斷層是于燕山期張扭結(jié)構(gòu)面基礎(chǔ)上，于喜山期繼續(xù)活動(dòng)發(fā)展和強(qiáng)化形成的，同時(shí)具有繼承性和新生性活動(dòng)特征，在現(xiàn)今中國(guó)東部地區(qū)北西向地應(yīng)力狀態(tài)下易于發(fā)生張扭性活動(dòng)，該斷層活動(dòng)性仍需持續(xù)關(guān)注。