王學(xué)偉 滿 君

(1.中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司,北京 100097; 2.中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100053)

引言

活動(dòng)斷裂為在1萬(wàn)年來(lái)發(fā)生過(guò)活動(dòng),未來(lái)存在繼續(xù)發(fā)生活動(dòng)可能的斷層。對(duì)于重要工程,應(yīng)考慮10萬(wàn)年內(nèi)(晚更新世)有過(guò)活動(dòng)歷史的斷層[1]。由于斷層兩盤(pán)潛在的相對(duì)運(yùn)動(dòng),發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)短時(shí)間內(nèi)釋放的巨大能量,會(huì)對(duì)鄰近建筑產(chǎn)生破壞性影響。因此,對(duì)穿越工程提出較高的抗震設(shè)防要求。活動(dòng)斷裂的錯(cuò)動(dòng)會(huì)引起公路路基路面的破裂和橋梁隧道的破壞,活動(dòng)斷裂引發(fā)的強(qiáng)烈地震還會(huì)導(dǎo)致崩塌、滑坡、地震液化等地質(zhì)災(zāi)害,對(duì)公路造成不同程度的破壞。如四川省龍門(mén)山大型活動(dòng)性斷裂的逆沖誘發(fā)2008年5.12汶川8級(jí)大地震,造成大量山體滑坡、巖體崩塌和山谷泥石流等地質(zhì)災(zāi)害,數(shù)十座公路橋梁和大量路基遭到損壞[2]。因此,對(duì)于活動(dòng)斷裂的勘察研究是公路建設(shè)項(xiàng)目的重要基礎(chǔ)工作。

郯廬斷裂帶是中國(guó)東部規(guī)模最大的深大斷裂帶[3],在山東省和江蘇省北部的段落稱(chēng)之為沂沭斷裂帶,安丘—莒縣斷裂位于斷裂帶東部,分別于公元前70年和公元1668年,發(fā)生過(guò)安丘7級(jí)大地震和郯城8.5級(jí)大地震等多次災(zāi)難性地震事件,是山東省最著名的活動(dòng)性斷裂[4-6]。

擬建濰坊至青島公路及連接線工程WQSJ-1標(biāo)段位于濰坊市區(qū)南側(cè),橫跨沂沭斷裂帶,與安丘—莒縣斷裂大角度相交。依據(jù)GB18306—2015《中國(guó)地震動(dòng)峰值加速度圖》,項(xiàng)目區(qū)地震動(dòng)峰值加速度值為0.2g,屬于強(qiáng)震區(qū)。眾多學(xué)者對(duì)安丘—莒縣斷裂的分布和活動(dòng)性進(jìn)行大量的研究工作。計(jì)昊旻等利用高分辨率正射影像和高精度DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行遙感解譯和數(shù)據(jù)分析,對(duì)該斷裂的右旋走滑特征進(jìn)行論證[7];徐建國(guó)等利用淺層地震反波法查明沂沭斷裂帶北端東支斷裂的淺部基本構(gòu)造特征[8];王薇等通過(guò)淺層地震反射波法發(fā)現(xiàn)安丘—莒縣斷裂的一般展布特征[9];秦晶晶等利用淺層地震反射波法獲得安丘—莒縣斷裂的基本性質(zhì)、大體位置和總體空間展布等特征[10];曹筠等通過(guò)野外調(diào)查和淺層地震反波法及鉆孔聯(lián)合剖面法,查明安全—莒縣斷裂南段晚第四紀(jì)互動(dòng)特征[11];王志才等利用航空照片、地質(zhì)圖、高分辨率衛(wèi)片進(jìn)行遙感解譯,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查和填圖、布置淺層地震法和電法勘探,確定安丘—莒縣斷裂的空間展布、分段和幾何特征、活動(dòng)性質(zhì)與最新活動(dòng)時(shí)代,得到定量位移數(shù)據(jù)和古地震特征[12]。綜上所述,安丘—莒縣斷裂的構(gòu)造復(fù)雜、分支多、各區(qū)段活動(dòng)性質(zhì)差異大,單一的勘測(cè)方法很難精確查明斷裂的詳細(xì)分布情況、活動(dòng)性質(zhì)及影響程度,而地質(zhì)地貌、地球物理、地球化學(xué)和鉆探工程等方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)是正確解決斷層定位和活動(dòng)性的根本保證[13]。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

在大地構(gòu)造分區(qū)上,擬建公路跨華北斷塊區(qū)的膠遼斷塊和魯西斷塊(見(jiàn)圖1)。

圖1 山東省大地構(gòu)造分區(qū)示意Fig.1 Geotectonic classification in Shandong Province

新生代以來(lái),魯西斷塊的差異運(yùn)動(dòng)具有繼承性,整體抬升則具有間歇性。古近紀(jì)時(shí)隆起所形成的斷陷盆地在新第三紀(jì)后上升演化為侵蝕盆地,其上形成第四系松散堆積層。新構(gòu)造時(shí)期以來(lái),膠遼斷塊持續(xù)隆起為主,但活動(dòng)水平大幅度降低,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的營(yíng)力剝蝕作用,地表出露大面積的結(jié)晶基底[14]。

區(qū)域內(nèi)的主干斷裂帶—郯廬斷裂帶是我國(guó)東部規(guī)模最大的巨型走滑式斷裂帶,也是華北構(gòu)造單元分區(qū)的界限,穿越山東、江蘇、安徽3個(gè)省區(qū)[15]。在山東省和江蘇省北部的段落稱(chēng)之為沂沭斷裂帶,位于山東省中西部的過(guò)渡地帶,是魯西斷塊與魯東斷塊兩個(gè)構(gòu)造單元的分界帶,由鄌郚—葛溝斷裂、沂水—湯頭斷裂、安丘—莒縣斷裂、昌邑—大店斷裂等近于平行的斷裂組成(見(jiàn)圖2)。

圖2 項(xiàng)目區(qū)斷裂構(gòu)造分布Fig.2 Distribution of fault structure in the project area

安丘—莒縣斷裂北起安丘市,經(jīng)過(guò)白芬子、孟疃、茅埠、青峰嶺、莒縣一帶,在地表出露程度較差。該斷裂總體較為平直,走向總體約為北東20°,斷面傾向東,斷層傾角較陡,近乎直立。安丘—莒縣斷裂從昌邑文山到莒縣胡家孟晏在平面上由北向南按照幾何學(xué)特征可分成4段[16],本項(xiàng)目路線方案穿越最北段的昌邑—南流段,該段活斷層起點(diǎn)在濰坊市昌邑區(qū)文山東,向南經(jīng)過(guò)朱里鎮(zhèn)轄區(qū)、眉村鎮(zhèn)轄區(qū)及南流鎮(zhèn)轄區(qū)等地,由4條右階斜列結(jié)構(gòu)的次級(jí)斷裂組成,自北而南分布,文山小段長(zhǎng)約5 km,朱里小段長(zhǎng)約7 km,北眉—雙官小段長(zhǎng)約10 km,南流小段長(zhǎng)約9 km,總段長(zhǎng)約31 km,階區(qū)寬2～3 km。沿活動(dòng)斷層在地表的發(fā)育特征為斷層陡坎,呈西部高、東部低的地勢(shì)特點(diǎn),由北向南大體構(gòu)成西部低緩丘陵區(qū)與東部平原區(qū)的分界帶,西盤(pán)常見(jiàn)白堊紀(jì)地層,而東盤(pán)被第四系覆蓋。本項(xiàng)目主要穿越南流小段,推測(cè)該斷裂段經(jīng)過(guò)南流鎮(zhèn)丁家村西北,向南經(jīng)過(guò)曹村西側(cè)后再向南延伸至許營(yíng)鄉(xiāng)劉家洼村等地,根據(jù)地形特征分析,該斷裂段走向14°,呈北東向延展。該斷裂主要隱伏于第四系地層之下,地表未出露可明確最新活動(dòng)跡象。線路從南流以南的曹村北側(cè)緊鄰?fù)ㄟ^(guò)(見(jiàn)圖3)。

圖3 擬建公路與安丘—莒縣斷裂位置關(guān)系[17]Fig.3 Location relation between the proposed highway and Anqiu-Juxian Fault

3 斷層精定位與活動(dòng)性鑒定

3.1 遙感解譯與鄰域露頭考察

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,安丘—莒縣斷裂大致所經(jīng)區(qū)域?yàn)槲⑶饏^(qū)至平原區(qū)的過(guò)渡段,地表無(wú)巖層出露,該斷裂在此段隱伏于地下,地表構(gòu)造痕跡不明顯。根據(jù)區(qū)域資料顯示,該斷裂一般分布于丘陵和平原過(guò)渡段,曹村以西為微丘地貌與平原地貌過(guò)度段,曹村及以東為平原地貌(見(jiàn)圖4)。

圖4 測(cè)區(qū)微丘和平原地貌分區(qū)示意Fig.4 Landform division of rolling terrain and plain area

距離曹村以北約20 km處的濰萊鐵路與擬建公路成平行關(guān)系,也與安丘—莒縣斷裂呈大角度相交,由于兩者相距較近,相交形式相似,具有較高的參考價(jià)值。對(duì)安丘—莒縣斷裂進(jìn)行地表露頭調(diào)繪,發(fā)現(xiàn)具有正斷特征的露頭,露頭所在的取土坑位于濰萊鐵路南側(cè)葦園村附近(見(jiàn)圖5)[18],在濰萊鐵路與斷裂交匯區(qū)域內(nèi)發(fā)育土質(zhì)殘丘,殘丘高2～5 m,根據(jù)調(diào)查,土丘向南斷續(xù)延伸至曹村以西微丘區(qū),斷裂的分布在地形地貌特征上具有一定的延續(xù)性,有跡可循。

圖5 葦園村西安丘—莒縣斷裂局部剖面Fig.5 Local section of Anqiu-Juxian Fault in Weiyuan

擬建公路以北約4 km的南流鎮(zhèn),該處第四紀(jì)地層上部以黃色粉土為主,下部以褐紅色的砂質(zhì)泥巖為主,兩者呈連續(xù)或平行接觸關(guān)系。但在一個(gè)剖面中,這兩套地層表現(xiàn)為斷裂接觸(見(jiàn)圖6)。

圖6 南流鎮(zhèn)丁家孟家村西斷層剖面Fig.6 Section of the fault in Dingjia Village and Mengjia Village, Nanliu Town

褐紅色地層由下部逆沖到黃色地層之上,顏色差異明顯,斷裂面產(chǎn)狀280°∠40°,說(shuō)明該斷裂段晚更新世時(shí)期是活動(dòng)的,而且具有逆沖運(yùn)動(dòng)分量。

在擬建公路南側(cè)約4 km發(fā)現(xiàn)一處逆斷層特征剖面,發(fā)育有寬5～10 m的斷層泥帶或斷裂破碎帶(見(jiàn)圖7)。

圖7 許營(yíng)鄉(xiāng)劉家洼村西600 m安丘—莒縣斷裂剖面Fig.7 Section of Anqiu-Juxian Fault, 600m to the west of Liujiawa Village, Xuying Commune

在擬建公路南側(cè)約2 km處,局部地段古生代灰?guī)r與中生代地層以斷裂接觸,推測(cè)為該斷層的古老破裂面。

3.2 地球物理探測(cè)

(1)物探方法選擇

通過(guò)大量實(shí)測(cè)研究,淺層地震反射波法被證明是最有效的物探方法之一[19],也是活動(dòng)性斷裂勘探的主要物探手段,特別在調(diào)查隱伏斷裂的工作中。由于擬建公路走廊帶內(nèi)安丘—莒縣活動(dòng)斷裂處于隱伏狀態(tài),故決定采用淺層地震法。

(2)物探測(cè)線布置

本項(xiàng)目共布置淺層地震測(cè)線7條,其中5條測(cè)線(測(cè)線3-測(cè)線7)針對(duì)安丘—莒縣斷裂。側(cè)地層反射特征存在明顯的轉(zhuǎn)折現(xiàn)象,推測(cè)為斷裂反映。在該測(cè)線上解釋了1個(gè)斷點(diǎn)FP3。FP3為逆斷層,視傾向西,可分辨的上斷點(diǎn)位于測(cè)線324 m處,埋深約20 m,垂直斷距為3～5 m。

(3)勘測(cè)成果綜合分析

①測(cè)線3成果分析

測(cè)線3剖面(見(jiàn)圖8)在CDP324附近,測(cè)線3-測(cè)線7解釋剖面的反射能量均較強(qiáng),其中測(cè)線3的反射相位相對(duì)單一,其他測(cè)線剖面反射相位相對(duì)豐富,整個(gè)剖面地層特性明顯。

圖8 測(cè)線3地震反射波時(shí)間剖面及地質(zhì)解釋Fig.8 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 3

②測(cè)線4成果分析

測(cè)線4剖面(見(jiàn)圖9)在CDP288、CDP848、CDP2104 附近,兩側(cè)地層反射特征存在明顯的紊亂錯(cuò)斷現(xiàn)象,推測(cè)為斷裂反映。在該測(cè)線上解釋3個(gè)斷點(diǎn)FP4、FP5、FP6。其中,FP4為正斷層,視傾向東,可分辨的上斷點(diǎn)位于測(cè)線288 m處,埋深約12 m,垂直斷距為4～6 m;FP5為正斷層,視傾向東,可分辨的上斷點(diǎn)位于測(cè)線848 m處,埋深約14 m,垂直斷距為4～6 m;FP6為正斷層,視傾向西,可分辨的上斷點(diǎn)位于測(cè)線2 104 m處,埋深約14 m,垂直斷距為6～8 m。

圖9 測(cè)線4地震反射波時(shí)間剖面及地質(zhì)解釋Fig.9 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 4

③測(cè)線5成果分析

測(cè)線5剖面(見(jiàn)圖10)在CDP384、CDP520、CDP792附近,兩側(cè)地層反射特征存在明顯的紊亂錯(cuò)斷現(xiàn)象,推測(cè)為斷裂反映。在該測(cè)線上解釋3個(gè)斷點(diǎn)FP7、FP8、FP9。FP7為正斷層,視傾向東,可分辨的上斷點(diǎn)位于測(cè)線384 m處,埋深約10 m,垂直斷距為5～6 m;FP8為正斷層,視傾向東,可分辨的上斷點(diǎn)位于測(cè)線520 m處,埋深約10 m,垂直斷距為5～6 m;FP9為正斷層,視傾向東,可分辨的上斷點(diǎn)位于測(cè)線792 m處,埋深約21 m,垂直斷距為8～10 m。

圖10 測(cè)線5地震反射波時(shí)間剖面及地質(zhì)解釋Fig.10 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 5

④測(cè)線6成果分析

測(cè)線6剖面在CDP920附近(見(jiàn)圖11),兩側(cè)地層反射特征存在明顯的紊亂錯(cuò)斷現(xiàn)象,推測(cè)為斷裂反映。在該測(cè)線上解釋1個(gè)斷點(diǎn)FP10。FP10為正斷層,視傾向西,可分辨的上斷點(diǎn)位于測(cè)線920 m處,埋深約20 m,垂直斷距為8～10 m。

圖11 測(cè)線6地震反射波時(shí)間剖面及地質(zhì)解釋Fig.11 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 6

⑤測(cè)線7成果分析

測(cè)線7剖面未發(fā)現(xiàn)波形畸變、同相軸扭曲及錯(cuò)斷等現(xiàn)象(見(jiàn)圖12),認(rèn)為在該測(cè)線控制范圍內(nèi)無(wú)斷層通過(guò)。

圖12 測(cè)線7地震反射波時(shí)間剖面及地質(zhì)解釋Fig.12 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 7

綜上,測(cè)線4、測(cè)線5、測(cè)線6控制安丘—莒縣斷裂東支和西支,連接斷點(diǎn)位置,東支與新建公路交于K24+900附近,西支與新建公路交于K23+550附近。斷裂F1僅在測(cè)線3上有反應(yīng),而北側(cè)的測(cè)線7未探測(cè)到斷點(diǎn),推測(cè)該斷裂規(guī)模較小。

3.3 鉆探揭示

(1)斷裂東支與西支鉆探

擬建公路與安丘—莒縣斷裂相交的區(qū)域范圍內(nèi)布置的公路構(gòu)筑物場(chǎng)地勘探工作量較多,通過(guò)鉆孔揭露的巖性差異及地層特征可證明物探解譯的可靠性。鉆探揭露的主要地層巖性為角礫巖、第四系覆蓋層、斷層角礫巖等,地層突變位置及程度與物探測(cè)線4地震反射波時(shí)間剖面及地質(zhì)解釋中推測(cè)的斷層位置及特征相近,斷裂主要錯(cuò)斷了白堊系地層及上覆部分第四系地層。其中西支錯(cuò)斷特征相對(duì)明顯,東支錯(cuò)斷特征不明顯,地層呈微向下彎曲狀(見(jiàn)圖13),主要表現(xiàn)為水平活動(dòng),一定程度上驗(yàn)證了淺層地震法解譯的準(zhǔn)確性。從淺層地震和該斷裂的地質(zhì)調(diào)查情況分析,西支斷裂破碎帶寬度為15～20 m,東支斷裂破碎帶寬度為10～20 m。

圖13 安丘—莒縣斷裂東支和西支斷裂鉆孔地質(zhì)剖面Fig.13 Geological section of boring for eastern and western branch faults of Anqiu-Juxian Fault

(2)斷層F1、F2

①斷層F1、F2位置

工程地質(zhì)勘察鉆探過(guò)程中,在汶河河道及東岸(安丘—莒縣斷裂東支以東)發(fā)現(xiàn)存在斷層活動(dòng)跡象,表現(xiàn)為構(gòu)造泥巖發(fā)育,定名為F1,位于汶河?xùn)|岸。在東環(huán)立交橋附近鉆探揭露構(gòu)造泥巖帶,位于安丘—莒縣斷裂西支以西,定名為F2。

②鉆孔布置

為查明F1、F2斷裂的性質(zhì)及活動(dòng)性,進(jìn)行針對(duì)性的鉆孔布置。其中對(duì)F1斷裂兩側(cè)布置4個(gè)鉆孔,編號(hào)為WH1、WH2、WH3和WH4。在F2斷裂兩側(cè)布置了4個(gè)鉆孔,編號(hào)為DL1、DL2、DL3、DL4,位置示意見(jiàn)圖14。

圖14 斷裂、物探測(cè)線、鉆孔與新建公路位置關(guān)系示意Fig.14 Location relation between fault, survey line of geophysical dating, boring and the new highway

③鉆孔成果

根據(jù)鉆探成果,分別繪制F1斷裂鉆孔地質(zhì)剖面(見(jiàn)圖15)和F2斷裂鉆孔地質(zhì)剖面(見(jiàn)圖16)。由圖15可知,該剖面第四系地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,層厚無(wú)明顯變化,基巖面起伏不大。

圖15 斷裂F1鉆孔地質(zhì)剖面Fig.15 Geological section of boring for fault F1

圖16 斷裂F2鉆孔地質(zhì)剖面Fig.16 Geological section of boring for fault F2

第⑦層泥巖在WH1孔顯著增厚,底面較另外3孔低約5 m,第⑧層構(gòu)造泥巖也存在明顯的豎向錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象,據(jù)此判斷F1斷裂發(fā)育在WH1孔與WH2孔之間,且發(fā)生于第四紀(jì)之前。綜上分析,判斷F1斷裂位于WH1孔與WH2孔之間,為前第四紀(jì)斷裂。

由圖16可知,該剖面第四系地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,除受地形影響外,地層厚度變化較小,基巖面起伏不大。在DL1和DL2號(hào)鉆孔中見(jiàn)藍(lán)灰色構(gòu)造泥巖,DL3和DL4號(hào)鉆孔中缺失。據(jù)此判斷F2斷裂上斷點(diǎn)位于DL2和DL3號(hào)鉆孔之間,為前第四紀(jì)斷裂,依據(jù)其角度判斷,推測(cè)為逆沖斷裂。

考慮F1、F2兩條斷裂均未對(duì)第四系地層的厚度和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,且普遍以受斷層影響的構(gòu)造泥巖為特征,這顯然與安丘—莒縣斷裂不同。據(jù)此判斷,F1、F2兩條斷層為活動(dòng)時(shí)間更早的前第四紀(jì)斷裂。另外,F2斷裂在鉆孔地質(zhì)剖面上顯示了西傾緩傾角的逆斷性質(zhì),而與淺震測(cè)線FP4、FP7點(diǎn)推斷的東傾陡傾角正斷層不同。分析原因在于淺震方法由于能量較小,更利于探測(cè)淺部的第四系地層和活動(dòng)斷裂,而對(duì)隱伏較深的基巖和前第四紀(jì)斷裂難以清晰分辨,同時(shí)由于FP4、FP7點(diǎn)物探僅識(shí)別了單一的同相軸,難以依據(jù)地層確定斷層傾向、傾角和性質(zhì)。據(jù)此認(rèn)為圖16揭示的斷層特征更為可信。

3.4 C14及光釋光試驗(yàn)測(cè)年

根據(jù)相關(guān)研究[18],濰萊鐵路勘察期間,在距離曹村以北約20 km處的濰萊鐵路與安丘—莒縣斷裂相交處鉆采取測(cè)年C14樣品及光釋光樣品,分別由美國(guó)Beta實(shí)驗(yàn)室及中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所光釋光實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試。表明地層時(shí)代為晚更新世-全新世。由于兩者相距較近,相交形式相似,其試驗(yàn)結(jié)果具有較高的參考價(jià)值。

3.5 綜合分析斷裂位置、活動(dòng)性及影響

根據(jù)以上分析內(nèi)容,安丘—莒縣斷裂活動(dòng)性為第四系晚更新世晚期及全新世,活動(dòng)性較強(qiáng),對(duì)擬建公路影響較大。其兩側(cè)的F1和F2斷層為前第四紀(jì)斷裂,活動(dòng)性較弱,對(duì)擬建公路影響較小。

探測(cè)結(jié)果顯示,安丘—莒縣斷裂與新建公路相交段為晚更新世及全新世活動(dòng),斷裂西支與新建公路相交于K23+550處,斷裂東支與新建公路交點(diǎn)為K24+900處,活動(dòng)性較強(qiáng),對(duì)擬建公路影響較大。根據(jù)規(guī)范要求[20],無(wú)法避開(kāi)時(shí)應(yīng)采用路基形式以最短距離通過(guò)。附近發(fā)現(xiàn)的F1、F2斷裂為前第四系斷裂,對(duì)擬建公路影響較小。

4 結(jié)語(yǔ)

本次研究采用綜合勘察方法,充分利用既有研究資料有利于初步確定該斷裂的大體分布情況以及活動(dòng)性特征。在研究既有成果的基礎(chǔ)上,對(duì)于初步確定的斷裂分布區(qū)域進(jìn)行地形地貌、地質(zhì)露頭的區(qū)域地質(zhì)調(diào)繪工作十分必要,可進(jìn)一步縮小研究范圍,通過(guò)物探勘測(cè)反映的地質(zhì)體物性異常,結(jié)合鉆探的驗(yàn)證工作,可查明斷裂構(gòu)造的分布特征,為今后跨活動(dòng)斷層帶工程的建設(shè)提供有益借鑒。