地质通报  2019, Vol. 38 Issue (5): 858-865  
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梁亚南. 北京南口-孙河断裂带(北段)的结构及活动性[J]. 地质通报, 2019, 38(5): 858-865.
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Liang Y N. A study of structure and activity of the north part of Nankou-Sunhe fault in Beijing[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(5): 858-865.
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基金项目

中国地质调查局项目《北京地区主要活动断裂精细调查与灾害效应调查》(编号:12120113012000)

作者简介

梁亚南(1982-), 女, 工程师, 从事城市活动断裂研究。E-mail:120516171@qq.com

文章历史

收稿日期: 2018-04-10
修订日期: 2018-06-25
北京南口-孙河断裂带(北段)的结构及活动性
梁亚南     
北京市地质调查研究院, 北京 102206
摘要: 通过可控源音频大地电磁测深(CSAMT)、浅层地震和高密度电法地球物理探测手段建立的联合剖面对比,同时开展钻探工程及古地磁样品测试,对南口-孙河断裂带(北段)结构及活动性进行研究。南口-孙河断裂带(北段)由1条主断裂和1条次级断裂组成,断裂带宽约400m,表现为阶梯状断层,向上延伸至第四系。第四纪以来,断裂带活动显著,体现为松散层浅部引张的特点。根据断裂两盘第四纪以来各阶段累积垂直落差,计算出主断裂及次级断裂的活动速率。主断裂在早更新世、中更新世、晚更新世、全新世活动速率分别为0.161mm/a、0.072mm/a、0.468mm/a、0.52mm/a,次级断裂在早更新世、中更新世、晚更新世、全新世活动速率分别0.049mm/a、0.052mm/a、0.223mm/a、0.04mm/a。
关键词: 南口-孙河断裂    地球物理探测    联合剖面    断裂带结构    活动速率    北京    
A study of structure and activity of the north part of Nankou-Sunhe fault in Beijing
LIANG Ya'nan     
Beijing Geological Survey, Beijing 102206, China
Abstract: In this paper, three geophysical exploration methods, i.e., controlled source audio-frequency magnetotelluric sounding (CSAMT), shallow seismic and high density resistivity method, were used to establish combined profile for comparison together with drilling engineering and paleomagnetic sample tests, to study the structure and activity of the north part of Nankou-Sunhe fault. The north part of Nankou-Sunhe fault consists of one main fault and one secondary fault. The fault zone is as wide as 400m, exhibiting a step fault extending upwards to the Quaternary strata. Since Quaternary, the activity of fault zone has been remarkable, which reflects the extensional stress environment in the shallow loose layer. According to the accumulated vertical drop of the two plate of the fault in various stages of the Quaternary period, the activity rate of the main fault and its secondary faults were calculated. The main fault in the Early Pleistocene, Middle Pleistocene, Late Pleistocene and Holocene were 0.161mm/a, 0.072mm/a, 0.468mm/a and 0.52mm/a respectively. The secondary fault in the Early Pleistocene, Middle Pleistocene, Late Pleistocene and Holocene were 0.049mm/a, 0.052mm/a, 0.223mm/a and 0.04mm/a respectively.
Key words: Nankou-Sunhe fault    geophysical exploration    combined profile    fault zone structure    activity rate    Beijing    

1969年,原石油工业部646厂《北京地区重力面积工作总结报告》一文中根据重力异常明确了南口-孙河断裂的存在,且认为其截止到孙河。20世纪70年代末期,北京地震地质会战期间布设的钻孔及地球物理勘测,证实该断裂带在第四纪存在强烈活动。1984年,地貌学家依据平原古河道变迁,提出该断裂在全新世存在活动[1]。1994年,车兆宏[2]依据大地测量资料分析研究了南口-孙河断裂带的活动性及其对区域构造活动的控制作用。1996年,向宏发等[3]通过地形地质、化探、浅层物探、钻探、槽探等多手段的联合剖面对其进行探测研究。2001年,江娃利等[4]在昌平区旧县村开挖探槽对南口-孙河断裂的古地震事件进行了研究。2010年,北京市地质调查研究院实施的“北京平原区活动断裂监测专项地质调查”项目取得丰富成果,认为南口-孙河断裂带(北段)与前人成果相比,向北东偏移了约800m。2014—2017年,张磊等在南口-孙河断裂带(北段)开展研究工作,对该断裂进行了精确定位及活动性分析,认为南口-孙河断裂是直接控制沙河凹陷形成的同生断裂构造,且第四纪以来强烈活动[5-9]

北京平原区由于经历了长期、多次的强烈地壳运动发育多方向断裂,构成了复杂的断裂体系,其中,南口-孙河断裂是北京平原区一条重要的北西向隐伏活动断裂。活动断裂指现今正在活动或断续活动的断裂构造[10],实际指全新世(11kaBP)以来有过活动,至今仍在活动的断裂,因而与人类发展密切相关。城市隐伏活动断裂的突发错动产生的大地震和地表位错,会对城市安全和人民生命财产造成重大危害[11]。活动断裂的突发性错动是产生地震的主要根源,地震的发生规律、发震机制、震中位置和活动断层的活动性具有密切的联系。城市活动断裂长期缓慢的蠕滑而造成的次生地质灾害(地裂缝、地面塌陷等)对城市建筑物及重要生命线工程形成潜在威胁。因此,确定活动断裂的断裂带结构及活动性,对于城市土地利用及城市规划建设具有指导性的意义,可有效减少或避免因活动断裂的破坏而引起的地质灾害造成的人员和经济损失。

本文依托北京地区主要活动断裂精细调查与灾害效应调查项目,通过3种物探手段探测分析对比,建立联合剖面,对工作区的南口-孙河断裂带北段进行定位及结构研究,并利用钻孔剖面对比,对物探工作进行验证的同时开展断裂的活动性研究。

1 南口-孙河断裂带(北段)概况

南口-孙河断裂是华北地区环渤海-张家口断裂带一条重要的活动断裂。总体呈南东130°~140°方向展布,北西端起自昌平南口镇,向南东方向经百泉庄、孙河至通州附近,长约50km。断裂北段(南口至北七家段)倾向南西,上盘下落,形成一个北西向断裂西部的陷落带,即马池口第四纪凹陷,凹陷内第四纪地层厚度超过600m。断层下盘的第四纪沉积物较薄,有基岩残丘裸露地表。

2 断裂带结构

城市活动断裂探测是一项复杂的、具有创新性的工作。目前,地球物理勘探联合剖面法成为城市隐伏活动断裂最主要的探测方法,常用的地球物理探测手段有高精度重力测量、可控源音频大地电磁测深(CSAMT)、地震勘探,电法勘探、地质雷达、氡汞气浓度测量等[5-8, 11-27]。本次工作共设计高密度电法、浅层地震和可控源音频大地电磁测深(CSAMT)勘查3种物探手段(图 1),综合分析南口-孙河断裂带(北段)的结构特征。

图 1 研究区工作部署图 Fig.1 Survey line in the working area
2.1 仪器设备及数据采集

高密度电法勘查,使用的设备为骄鹏E60D多功能电法仪和Explorist 500 GPS卫星定位仪。点距4~5m,勘探深度0~120m,电极距小于等于5m。

浅层地震勘探数据采集系统为SummitⅡplus采集系统,数据处理使用VISTA地震资料处理软件,震源为人工震源。观测系统采用单边接收和双边接收相结合的方式,接收道数90道,炮间距6m,道间距2m,最小炮检距0m,最大炮检距178m,锤次5次,覆盖次数15~30次。地震剖面点线测量使用易测E660(1+4)GPS测量仪器。

可控源音频大地电磁测深(CSAMT)野外工作使用美国Zonge公司生产的GDP-32Ⅱ多功能电法仪,该仪器有8个接收通道,能够完成可控源音频大地电磁测深(CSAMT)测量。发射系统为该美国公司的WDFZ-5大功率智能发射机。定位设备使用Explorist 500 GPS卫星定位仪。

2.2 综合物探联合剖面

工作采用高密度电法、浅层地震和可控源音频大地电磁测深(CSAMT)3种物探方法,其中高密度电法测线长920m,浅层地震测线长924m,可控源测线长906m,3条测线均为北东向,解译形成联合剖面NS-2(图 2)。

图 2 NS-2测线联合剖面 Fig.2 The profile of NS-2 geophysical exploration line a—高密度电阻率反演剖面;b—地震剖面;c—可控源音频大地电磁测深剖面;d—综合解译剖面;F—南口-孙河主断裂;F1—南口-孙河次级断裂;Q—第四系;Qb—青白口系

高密度电法反演剖面自西南到东北推断解释断裂2条,分别位于桩号270和桩号620位置。桩号270位置20~40m处的电性层位发生扭动,两侧电阻率极值存在差异,推断为南口-孙河主断裂F;桩号620位置两侧的电性存在明显差异,东北一侧表现为明显的高阻异常,西南一侧表现为低阻异常,两侧电阻率极值相差近10倍,推断为南口-孙河次级断裂F1

浅层地震剖面总体信噪较高,反射特征明显,各反射波组具有较强的连续性。根据剖面上各反射波组之间的关系及同相轴连续性、振幅、频率、相位的变化,结合地质资料,推断在CMP122、CMP321处存在断层。其中,CMP122处断层断距较大,推断为南口-孙河主断裂F;CMP321处断层断距较小,推断为南口-孙河次级断裂F1

可控源测线南西起于顺沙路,北东止于六环路,测线在麦田、菜地和果园中穿过。剖面113号点位置出现了反演电阻率等值线密集带,该点南西侧基岩埋深约420m,北东侧基岩埋深约400m,且基岩埋深向北东方向不断变浅;剖面127号点位置存在明显高电阻率通道,与两侧围岩电阻率存在明显差异。由以上现象推断出南口-孙河主断裂F及南口-孙河次级断裂F1

综合上述3种物探方法的解译结果,对南口-孙河断裂北段断裂带进行定位和结构分析,结果表明,NS-2测线上推断出的2个断裂异常,分别为南口-孙河主断裂F和次级断裂F1。F与F1平行产出,断裂带宽约400m,表现为阶梯状断层,垂直断距较大,在基岩部位形成阶梯状构造,向上延伸至第四纪地层浅部,故该断裂在第四纪地层内部存在明显的张裂效应,与区域上北西向的张家口-渤海湾断裂带构造特征相同。

3 钻孔剖面第四纪地层格架

钻探工程[5, 9, 17, 28-36]结合磁性地层研究已成为隐伏活动断裂活动性分析的重要手段[7-9, 37-38]。本次在地球物理探测的基础上,在断裂带两侧开展钻探工程,利用钻孔磁性地层结果,对岩心样品14C测试数据结果和钻孔岩心进行综合分析,得出3个钻孔第四纪地层格架(图 3)。

图 3 ZK01、ZK02、ZK03钻孔磁性地层与标准极性柱对比[39] Fig.3 The contrast diagram of borehole profiles Qp1—早更新世;Qp2—中更新世;Qp3—晚更新世;Qh—全新世
3.1 岩石地层分析

根据ZK01孔、ZK02孔和ZK03孔的岩心编录,对其岩石组合特征进行分析,将岩石组合分成4类。

(1)剖面下部总体上为河流湖泊相沉积物,岩性为粘土、粉砂质粘土、粘质粉砂、粗砂及砾石层。沉积物颗粒总体上较粗,以砂层和砾石层为主。该套岩石组合上部主要为灰绿色、黄绿色、黄褐色粘土,粉砂质粘土,中粗砂及灰白色砾石层,灰绿色粘土中普遍见腹足、双壳类化石残片。粉砂质粘土中多见铁质、锰质结核,属湖相或湖沼边缘相沉积;中部主要为棕黄色、青灰色、灰黑色、黑色粘土,粉砂质粘土中间夹多层细砂层,细砂层水平层理发育,粘土坚硬致密,具河流相和湖泊相交替沉积的特点;上部主要为棕黄色、棕红色砂质粘土,灰绿色、灰褐色粘质粉砂和少量杂色砾石层,砾石成分复杂,多为中性火山岩和酸性岩脉,分选性、磨圆度较差,呈棱角-次棱角状,偶见薄层钙板层(1~2cm),属山前冲洪积相沉积,后期又在扇体上形成局部洼地和河流。

(2)剖面中下部总体为河流相、河漫滩相和湖相沉积,岩性为粘土、粉砂质粘土、粉砂、细砂、粗砂及砾石层。该套岩石组合上部为棕黄色粉砂、灰绿色粘土和灰黑色粘土的岩性组合,粉砂层发育弱的水平层理,为浅湖相沉积,灰绿色、灰黑色粘土中含有大量的腹足、双壳类化石残片,为湖沼相沉积;中部为棕黄色、褐黄色粘土,粉砂质粘土和少量的薄层粉砂组成。粘土和粉砂质粘土中见大量的黄色锈斑及根系孔发育,反映水动力条件变化的特征,判断其为泛滥平原的堆积物,粉砂质粘土中局部含有大量的钙质结核,大小3~5cm,具有后期淋滤的特点;下部为褐黄色、灰褐色粘质粉砂、粉砂、细砂、粗砂及杂色砾石层组成的多个沉积旋回,反映了河流-河漫滩相沉积的二元结构特征。

(3)剖面中上部为河流相、湖泊相沉积,岩性为粘土,粉砂质粘土、粘质粉砂和砂砾石层。该套岩石组合上部为褐黄色粘土、粉砂和细砂组成的沉积韵律,反映了较强氧化环境下形成的浅湖和天然堤;中部为灰褐色粉砂质粘土,砂质粘土和中粗砂,属于湖沼边缘相和河流相交替沉积的环境;下部为棕黄色砂质粘土,灰黑色、灰绿色粘土,含大量的腹足、双壳类化石残片,局部层位见薄层细砂,反映了河漫湖向湖沼相过渡的沉积环境。

(4)剖面上部为湖沼相、河流相沉积,岩性为灰绿色、灰黑色粉砂质粘土和粘土,局部夹薄层粉砂。该套岩石组合底部为一套灰绿色的砂砾石层,砂为中粗砂,含量约为60%,砾石含量约为40%,成分复杂,多为中酸性火山岩,大小1~3cm,磨圆度较好。本层位的出现表明研究区全新世早期为河流相沉积环境,推测为新仙女木事件之后,全球新气温回暖导致的沉积环境变化。

3.2 磁性地层分析

根据磁倾角的变化特征建立ZK01、ZK02、ZK03孔的磁极倒转序列。ZK01孔,将0~51m的正极性带定为布容正极性带,51~98m的负极性带定为松山负极性带,98m以下的正极性带定为高斯正极性带;ZK02孔将0~111.5m的正极性带定为布容正极性带,111.5~246m的负极性带定为松山负极性带,246m以下的正极性带定为高斯正极性带;ZK03孔将0~157.4m的正极性带定为布容正极性带,157.4~493.8m的负极性带定为松山负极性带,493.8m以下的正极性带定为高斯正极性带。

3.3 第四纪地层格架的建立

对岩心取样开展了14C同位素测年,其中ZK01孔深1.3m处获得的沉积物年龄测试结果为328± 30aBP,ZK02孔深2.2m处获得的沉积物年龄测试结果为1017±40aBP,ZK03孔深5.2m处获得的沉积物年龄测试结果为4640±30aBP。根据1:5万沙河镇幅区域地质调查成果报告,本区早更新世、中更新世、晚更新世和全新世总体的岩石组合特征与本次钻孔岩心的岩石组合特征基本吻合。由此确定了ZK01、ZK02、ZK03钻孔的第四纪地层格架(表 1)。

表 1 钻孔剖面第四纪地层划分 Table 1 The partition table of Quaternary of the borehole section
4 断裂带活动性研究

南口-孙河断裂上下盘第四纪以来不同时间段的地层岩性、沉积厚度或堆积速率具有明显差异,具体表现为上盘较下盘同时代的沉积物具有厚度增大、细粒沉积物层数增多、堆积速率增高等地层学特征,它们客观地记录了断裂两侧垂直差异运动的过程。

钻孔ZK01位于南口-孙河次级断裂下盘;ZK02位于南口-孙河主断裂下盘,次级断裂的上盘;ZK03位于南口-孙河主断裂上盘(图 1)。根据3个钻孔在早更新世、中更新世、晚更新世和全新世以来断裂两盘的累积垂直落差,计算出南口-孙河主断裂及其次级断裂的活动速率(表 2表 3),主断裂活动速率分别为0.161mm/a、0.072mm/a、0.468mm/a、0.52mm/a,次级断裂分别为0.049mm/a、0.052mm/a、0.223mm/a、0.04mm/a。

表 2 南口-孙河主断裂第四纪活动速率 Table 2 The activity rate of the Nankou-Sunhe main fault in the Quaternary period
表 3 南口-孙河次级断裂第四纪活动速率 Table 3 The activity rate of the Nankou-Sunhe secondary fault in the Quaternary period

综上所述,受本区新构造运动(北京西山隆升)的影响,控制沙河凹陷的同生断裂南口-孙河断裂第四纪以来强烈活动,控制了沙河凹陷的演化形成,3个钻孔地层沉积上的变化特征与断裂活动强度变化特征吻合。

第四纪以来南口-孙河主断裂垂直活动速率总体表现为较弱-弱-较强-强的规律。其中早、中更新世平均活动速率较小,晚更新世逐渐增大,全新世以来活动速率为第四纪活动速率的最大值。次级断裂的活动性较主断裂弱,更新世次级断裂的活动强度变化与主断裂总体趋势一致,但全新世以来活动性明显减弱,为第四纪活动速率的最小值(图 4)。

图 4 南口-孙河主断裂与次级断裂活动性对比 Fig.4 The activity contrast diagram between main faults and secondary faults of Nankou-Sunhe fault
5 结论

通过上述研究,对北京南口-孙河断裂带(北段)结构和活动性研究得到如下几点认识。

(1)综合物探方法对于解决隐伏断裂带结构问题具有较好的通用性。可控源音频大地电磁测深(CSAMT)可用于解决断裂的基岩埋深及基岩断裂带结构问题;浅层地震方法可用于解决松散层断裂带结构问题;高密度电法可用于探测地表浅部断裂的特征及位置。

(2)通过综合物探勘查,基本查明了南口-孙河断裂带(北段)的构造特点。断裂带由1条主断裂和1条次级断裂组成,宽度约400m。整个断裂带表现为阶梯状断层,在基岩部位形成阶梯构造,向上延伸至第四纪地层浅部,体现了该断裂在松散层浅部引张的特点。

(3)研究表明,第四纪以来南口-孙河断裂带(北段)主断裂的活动性总体表现为由弱到强的变化规律,早更新世—中更新世活动较弱,自晚更新世以来,活动性逐渐增强;次级断裂的活动强度变化与主断裂总体趋势一致,但全新世以来活动性减弱。

致谢: 文章撰写过程中得到北京市地质调查研究院蔡向民、吕金波、张磊等专家的悉心指导与帮助,审稿专家提出了宝贵的修改意见,在此一并致谢。

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