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北京平原区黄庄—高丽营断裂(房山—涞水段)第四纪活动特征的浅层综合探测证据 周永恒1,2，杨肖肖2*，丰成君2，张鹏2，孟静2，谭成轩2，邓亚虹1，宋焱勋1，王继明3 1 长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 2 新构造运动与地质灾害重点实验室，中国地质科学院地质力学研究所 3 中国联合工程有限公司 导读：黄庄—高丽营断裂是北京平原区主要的隐伏活动断裂之一，其第四纪活动性对北京及邻区的城市规划、建设具有重要的意义。针对该隐伏断裂复杂、探测难度大的特点，作者选用可控源音频大地电磁测深(CSAMT)、浅层人工地震、高密度电阻率法等地球物理探测技术，联合钻孔剖面方法，揭示了黄庄—高丽营断裂房山—涞水段的第四纪活动性及主要特征，为该地区重大工程建设的区域地壳稳定性评价及防灾减灾等提供关键地质依据。文中还讨论了综合地球物理探测方法的有效性问题。 内容提纲 0 引言： 活动断裂是指晚更新世（距今10万年—12万年）以来一直在活动，未来一定时期内仍可能活动的断裂。大量的震例表明，活动断裂是地震的根源和元凶，地震灾害具有沿发震断层呈狭窄的带状分布特征，特别是发生在城市范围内的大地震可能产生巨大的灾害，包括强烈的振动破坏和地表错动。因此，开展重要经济区内隐伏活动断裂的几何位置、运动方式、活动性，及其控灾效应的研究具有重要的工程和科学意义。 黄庄—高丽营断裂是北京平原区主要的隐伏活动断裂之一，沿该断裂的北七家—高丽营段发育有宽度达43m的地裂缝，对沿线建筑物和公路破坏严重，而且该断裂带的晚第四纪活动性关乎首都圈地区的城市安全，一直备受关注。前人基于野外地表调查、探槽开挖、浅层地震勘探、钻探、年龄测试等方法，对黄庄—高丽营断裂的平面位置、活动特征和第四纪活动性等曾开展过研究，认为该断裂带全长约132km，走向NNE、倾向SEE、倾角约50゜〜80゜，空间展布具有明显分段特征，第四纪活动主要表现为东南盘下降西北盘上升的正断层性质，而且认为其活动具有自北而南逐步减弱的趋势。前人根据该断裂带的平面几何分布及活动性，将其自北而南分为五段：庙城—洼里段、洼里—芦井段、芦井—晓幼段、晓幼营—房山段、房山—涞水段。其中的房山—涞水段整体隐伏于山前平原下，其南端被NW向东垒子—涞水断裂截阻，向北经东城坊镇、百尺杆镇、岳各庄镇和周口店镇等，可一直延伸至房山一带，G5、G95高速公路和南水北调中线引水渠等多个线性工程从其上经过（图1），而且地表调查发现断裂沿线的六间房村、东甘池村、西甘池村、东长沟村等地都有大量民居墙体出现垂直裂缝和单斜裂缝（图2）。因此，深入认识该段断裂的第四纪活动性及其特征对于科学评价该区主要工程的稳定性及其安全营运等具有重要潜在影响。但是，前人关于该段断裂的第四纪活动性及其对地裂缝的控灾作用仍存在分歧，有些学者认为该段断裂第四纪活动迹象不明显，但也有学者认为1658年2月涞水6级地震（图1）可能与该段活动有关，并对浅地表地裂缝地质灾害有一定控制作用。因此，进一步调查和研究该段断裂的第四纪活动性及特征对于深入认识其致灾作用及工程影响等具有重要意义。
1 区域地质背景 北京平原区位于燕山隆起、太行山隆起和华北断陷盆地交汇部位（图1），新生代以来主要处于伸展变形构造环境。 古近纪以来，该地区以NW-SE向拉张为主，北东向的黄庄—高丽营断裂与南苑—通县断裂开始强烈的正断活动，形成自西向东依次分布的京西隆起、北京凹陷和大兴隆起的“两隆一凹”的构造格局；新近纪时期，北东向断裂活动性逐渐增强，大兴隆起解体，古近纪形成的构造格局解体，北京平原初步形成，随后至上新世晚期，该地区进入构造活动较弱的稳定期。第四纪期间，新构造运动继承性发展，并主要了NE和NW向两组活动断裂，主要的NE向断裂有南口山前断裂、黄庄—高丽营断裂、顺义—良乡断裂、南苑—通县断裂、夏垫断裂、大兴凸起东缘断裂；主要的NW向断裂有南河—孙口断裂、永定河断裂、东垒子—涞水断裂（图lb）。其中的南口一孙河断裂与黄庄—高丽营、顺义、夏垫、南苑—通县等断裂活动明显，形成了诸如马池口凹陷、后沙峪凹陷和天竺凹陷等一系列第四纪断陷盆地。晚更新世以来，黄庄—高丽营、顺义、南口—孙河等断裂的活动性达到第四纪最大，导致北京断陷进一步发展。 根据前人研究成果（表1）（图3），研究区内新生界主要有新近系和第四系，其中，新近系明化镇组（N2m）下段为棕红、紫红色泥岩与棕黄色粉细砂岩互层，上段为灰、浅灰绿、棕黄色泥岩与灰白、棕黄色粉砂岩、细砂岩互层，局部地区夹含砾砂岩；第四系主要有未胶结或半胶结的砾石、砂、粉砂、粉质黏土及黏土等组成，具体又可分为固安组（Qp1g）、杨柳青组（Qp2y）、欧庄组（QP3o）和杨家寺组（Qhy）。 表1 北京平原区上新统—全新统地层划分
图3 河北平原综合地层柱状图 2 隐伏活动断裂综合探测方法 隐伏活动断裂是因被第四纪松散沉积物覆盖而在地表没有醒目形迹的活动断层，平原区隐伏活动断裂的调查通常需要综合地球物理探测和钻孔联合剖面来实现。结合研究区的地理与地质条件，本文中主要采用的地球物理勘探方法包括可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）、浅层地震勘探法和高密度电阻率法。 2.1 可控源音频大地电磁测深 可控源音频大地电磁测深(CSAMT)由大地电磁测深法(Magnetotelluric，MT)发展而来，通过控制电磁波信号在地球介质中激发的电磁波场数据来观测地球内部的导电性结构。该方法具有勘探深度大、分辨率较高、地形影响及高阻层的屏蔽作用小，抗干扰能力强的特点。利用可控源音频大地电磁测深可帮助揭示活动断裂的空间位置、几何形态及规模等。本研究采用美国Zonge公司的GDP-32II型多功能电法仪，其中接收机为Zonge公司研发的宽频带(0125〜8192Hz)、多通道、多功能的数字式接收机，通过软件实时采样，自动剔除天电干扰；发射机采用Zonge公司生产的大功率GGT-30发射系统，最大输出电流20A。场源供电电极距AB约为1km，水平方向电场MN(MN=50m)平行于场源AB，角度差小于5°，收发距离9km，根据现场试验结果确定设定频率范围为1〜8192Hz。 2.2 浅层地震勘探 浅层地震勘探是城市活动断裂探测中解决隐伏断裂定位及切割地层层位最主要的方法之一，其主要任务是在收集整理工作区内的地质、CSAMT等资料基础上，查明断裂的空间展布及其错动第四纪沉积层情况，并确定断裂上断点埋深。本次浅层地震勘探设备采用美Geo-X公司生产的Aries数字地震仪，28T可控震源车，20DX-10Hz检波器。综合考虑此次地震勘探的地质任务和实际施工场地的限制，根据以往经验，通过计算分析最高无混叠频率和横向分辨率，确定采用3〜4m道距，6〜8m炮距；考虑到此次的探测深度在500〜1000m，所以采用250〜280道接收。 2.3 高密度电阻率法 高密度电阻率法是以岩、土导电性的差异为基础，在人工施加稳定电流场的作用下分析地下传导电流分布规律的一种勘探方法。该方法抗干扰能力强，分辨率高，是探测隐伏断裂有效的手段。结合CSAMT和浅层地震勘探确定断层位置，有助于进一步探查第四系沉积层以及活断层上断点位置与埋深情况。本次高密度电法测量仪器采用骄鹏科技有限公司的E60DN电法工作站。基本电极距为5m，工作装置形式主要采用温纳排列(β)，所得剖面为倒梯形。 2.4 钻孔联合剖面 3 数据处理与结果解释 3.1 CSAMT数据处理与资料解释 本次研究共布设两条CSAMT测线，分别为K3和B3（图4）。K3测线沿NW—SE方向布设，点距50m，由于K3线上障碍较多，测线局部平移，故将K3测线分段处理。K3（100~200）段西起北拒马河南支，东至南水北调渠沟西侧；K3（206〜310）段西起南水北调渠东侧，东至西城坊村西北侧。B3测线布设在北拒马河北侧的百尺杆镇，与K3测线平行，长度约2.4km，点距50m。
图4 黄庄—高丽营断裂(房山—涞水段)地球物理探测测线及钻孔分布图 从K3反演电阻率等值线图（图5a）上看，纵向上，浅部电阻率值相对较低，推断为第四系松散堆积层，横向上，反演电阻率等值线沿测线方向整体变化明显。144~160号点之间电阻率较低、等值线稀疏，反演电阻率曲线出现密集陡降特征，有明显电阻率分界线，且宽度较大，为断裂破碎带特征，推断为黄庄—高丽营断裂带（房山—涞水段）（F1）显示。该断裂西侧（下盘）纵向反演电阻率自上而下逐渐增大，表层0~50m为中低阻特征，以深为高阻特征，推断F1下盘第四系厚度小于50m，第四系下伏基岩为蓟县系白云岩，未见新近系和古近系。断裂F1东侧（上盘）纵向反演电阻率为多层变化特征，0~100m深度范围内为中低阻特征，推断为第四系；100〜250m之间表现为高阻与低阻相间，推断为新近系半胶结状砾石层；250m以深为中高阻特征，结合地质资料，推断上盘基岩为侏罗系，沿测线方向，埋深逐渐增大。根据该段测线反演电阻率变化特征，推断F1上断点埋深为50~100m，可能活动至第四系中上部（图5b）。结合地质资料和本次探测结果，F1断裂带宽度150~200m，断裂规模较大，走向NE，倾向为SE，视倾角为60°~70°，正断活动特征，向北延伸至北京长沟、岳各庄一带。
图5 K3测线CSAMT反演电阻率等值线图 242〜278号点之间在深度200m附近出现连续高阻异常圈闭，推断为新近系内部岩性变化引起。286~288号点之间反演电阻率曲线密集上升，有明显电阻率分界线，为百尺竿一西疃村断裂（F2）显示。该断裂西侧（上盘）基岩推断为侏罗系，埋深为200~500m变化；断裂东侧（下盘）基岩推断为寒武—奥陶系，上断点埋深在100〜150m之间，可能活动至新近纪。为进一步探查百尺竿—西疃村断裂平面展布特征，在百尺杆镇布设B3测线（图4）。B3反演电阻率等值线图（图6）上显示，124~152号点之间100~200m深度出现连续高阻异常圈闭，推断为新近系内部岩性变化；156~158号点之间反演电阻率出现密集上升特征，电性变化特征和曲线形态与K3反演电阻率等值线相似，有明显电阻率分界线，推测为百尺竿一西疃村断裂（F2）显示。由K3测线反演电阻率和B3测线反演电阻率可基本确定该断裂走向为NE，视倾向NW，视倾角为65゜左右，正断活动特征，上断点埋深约为75m，第四系未见错动，最新活动时代为上新世，控制涿州断陷西部新近系沉积。根据本次探测推断该断裂为一前第四纪断裂，可能为黄庄—高丽营断裂的一次级断裂，具体还需结合其它地质资料进一步分析。
图6 B3测线CSAMT反演电阻率等值线图 3.2 浅层地震数据处理与资料解释 浅层地震勘探DZ1测线布设基本与推测断裂垂直（图4），测线走向NW—SE方向，共设1447个桩号。根据时间剖面特征显示（图7），剖面上可识别出多套反射波组，其中T1和T2反射波组特征明显。T1双程走时为40~200ms，其埋深40~330m，根据钻孔资料，推测T1为第四系底界；T2双程走时为83~403ms，根据反射同相轴的振幅、频率、相位等特征分析，T2同相轴总体上具有连续性好、能量强的特征，其埋深为80~650m，根据钻孔资料，推测T2为新生界与基岩分界面。
图7 DZ01测线浅层地震勘探剖面 地震剖面特征显示，桩号485~495之间T1反射同相轴出现不连续现象，且两侧反射波的频率等特征有明显差异，推测此处存在断裂。此断裂错断T1界面，倾向为SE，视倾角为55°~70°，正断活动特征，推断其为黄庄—高丽营断裂带（房山—涞水段）（F1）。 3.3 高密度电阻率法数据处理与资料解释 为进一步确定F1上断点位置，在K3测线142~200号点之间布设了高密度电阻率法GM03测线。从其反演电阻率等值线断面图（图8）上看，整体反演电阻率变化均匀，纵向电性分层特征明显，电阻率变化有一定规律，自上而下为低—高—低变化特征。纵向上电阻值变化范围较大，推测浅部低阻层为耕植土和砂层，中部高阻层推断为卵砾石层，下部低阻推断为含水量较高的砂层。横向上，反演电阻率曲线在点65出现明显陡降、错动迹象，为黄庄—高丽营断裂带（房山—涞水段）显示，上断点埋深可能约10m，推测该断裂存在晚更新世早期活动迹象。这与前人认为该段断裂第四纪以来不活动有所差异，但是，本次探测结果与1658年2月涞水县城发生6级地震具有很好的对应关系。
图8 GM03测线高密度电阻率勘探剖面 3.4 钻孔联合剖面 基于野外调查和上述地球物理探测结果，为进一步揭示黄庄—高丽营断裂房山—涞水段的产状、活动方式和断裂带两侧的地层岩性差异等，跨推测的断裂以及上下盘布设了包含4个钻孔的联合钻孔剖面（即史家铺联合钻孔剖面）（图4），各钻孔位置及孔深见表2。 表2 钻孔位置及孔深
东城坊镇钻孔联合剖面（图9）揭示，钻孔BDZK001（断裂下盘）缺失中更新统、下更新统以及上新统，和CSAMT法K3测线揭示情况比较吻合。结合物探结果，推测其与BDZK002之间发育黄庄—高丽营断裂带F1，上断点埋深可能约10m，上更新统欧庄组底界可能存在错动，错距约为16m，推测黄庄—高丽营断裂房山—涞水段具有晚更新世早期活动迹象。
图9 黄庄—高丽营断裂(房山—涞水段)钻孔联合剖面图 4 讨论 4.1 黄庄—高丽营断裂（房山—涞水段）的第四纪活动时代 隐伏断裂的活动性探测具有难度高和不确定性大的特点，目前广泛采用的可控音频大地电磁测深、浅层地震勘探、高密度电阻率法以及钻孔联合剖面法探测结果都往往具有多解性。所以，本文关于黄庄—高丽营断裂（房山—涞水段）第四纪活动特征的浅层综合探测结果肯定也具有不可避免的误差或推测性。前人研究认为，黄庄—高丽营断裂断裂北段（庙城—洼里段）全新世仍有活动；中段（洼里—芦井段、芦井—晓幼段、晓幼营—房山段）中、晚更新世有活动；关于南段（房山—涞水段）是否存在第四纪活动性仍存在分歧。 本文的CSAMT法K3测线勘探剖面（图5a）揭示，黄庄—高丽营断裂（房山—涞水段）已经延伸到第四纪沉积物的中上部，结合钻探结果可知，该断裂可能已经错动晚更新统欧庄组底界，错距约为16m。而仅从钻孔联合剖面来看，断裂下盘缺失上新统和下、中更新统地层，而上更新统和全新统在断裂两侧同时发育，并且上盘侧厚度大。这也可能指示断裂活动可能主要是晚更新世以前，断裂晚更新世期间仅早期有过活动，而后期没有活动，从而导致上更新统以来的沉积物覆盖了早期的断层崖，并夷平了断裂两侧的地形。这样也可能是上更新统出现在断裂两侧，并且断裂上盘上更新统厚度大于断裂下盘的主要原因。GM03测线高密度电阻率剖面(图8)揭示黄庄—高丽营断裂(房山—涞水段)上断点埋深可能为10m，推测可能存在晚更新世早期活动迹象，这与CSAMT法揭示结果比较吻合。同时，通过地表调查发现，黄庄—高丽营断裂(房山—涞水段)沿线存在许多民居墙体被地裂缝破坏现象(图2)，地裂缝的空间分布特征显示其可能与该断裂仍在持续活动具有一定联系，并可能对浅地表的地裂缝地质灾害发育具有一定的控制作用。 4.2 黄庄—高丽营断裂(房山—涞水段)与1658年涞水6级地震 1658年河北涞水6级地震震中为39.4°N，115.7°E，地震波及定兴、新城、束鹿、盐山等县。单从地里位置上看，本次地震位于黄庄—高丽营断裂与涞水断裂的交汇处，但有研究认为本次地震可能与黄庄—高丽营断裂的房山—涞水段活动有关，因此，在断裂的关键部位进行了地球物理及钻孔综合探测。综合探测结果揭示，黄庄—高丽营断裂(房山—涞水段)可能为晚更新世早期活动断裂，这与涞水地震具有很好的对应关系，并可能是涞水6级地震的发震构造。 4.3 综合地球物理探测方法的有效性问题 综合地球物理探测结果可知，CSAMT法在隐伏活动断裂探测中的应用是有效的，特别是在前人工作基础比较薄弱地区，对隐伏活动断裂初期调查有重要意义。浅层地震勘探剖面(图7)揭示黄庄—高丽营断裂(房山—涞水段)错断第四系底界，这与钻孔揭示结果比较吻合。在第四系松散沉积层内，由于断裂的错断，不会形成破碎带，这就使得在第四系松散沉积层内根据地震剖面确定断裂比在胶结成岩的地层内确定断裂更困难，在第四系松散沉积层内断裂的特征不如在坚硬岩石地层内断裂的特征明显。虽然不同的物探方法存在不同的局限性，但通过多种物探方法的综合探测，能够做到优势互补，增加隐伏活动断裂探测的确定性。 5 结论 根据对黄庄—高丽营断裂房山—涞水段的综合探测结果，对该断裂带的浅层几何结构特征以及第四纪活动性初步得到以下认识： (1)物探揭示黄庄—高丽营断裂带(房山—涞水段)走向为NE，倾向为SE，视倾角为60゜〜70゜，具有明显的正断活动性质。 (2)推断黄庄—高丽营断裂(房山—涞水段)上断点埋深约10m，上更新统欧庄组底界错距约16m，可能为晚更新世早期活动断裂，并可能是1658年涞水6级地震的发震构造，并对浅地表地裂缝地质灾害具有一定的控制作用。因此，掌握该断裂的几何学与运动学特征可为该地区重大工程建设的区域地壳稳定性评价及防灾减灾等提供关键地质依据。 (3)综合物探结果可知，CSAMT法对隐伏活动断裂的初期探测有重要意义，在第四系松散沉积层内浅层地震勘探剖面揭示的断裂特征不如其在坚硬岩石地层内揭示的断裂特征明显，但通过多种物探方法的综合探测，能够做到优势互补，增加隐伏活动断裂探测的确定性。 致谢：中国地质科学院王惠卿博士、万佳威博士、范玉璐博士，长安大学刘莎莎硕士，中国地质大学(北京)商世杰硕士等参与野外调查、选线工作；地球物理探测与解译由北京市地质勘察技术院雷晓东高级工程师、李晨高级工程师、关伟高级工程师等协助完成；钻孔施工由河北省地质工程勘查院协助完成，谨表感谢。 |
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