磁县大名断层分段特征及活动性

许华明,周 斌,耿师江,侯平舒,李广勇

(1.中国石油大学博士后流动站,北京 102249;

2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京 100083;

3.中国地震局地质研究所,北京 100029;

4.中国石油化工股份有限公司中原油田分公司采油六厂,濮阳 274511;

5.中国石油化工股份有限公司河南油田分公司采油一厂,南阳 463731)

磁县大名断层分段特征及活动性

许华明1,2,周 斌3,耿师江4,侯平舒4,李广勇5

(1.中国石油大学博士后流动站,北京 102249;

2.中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院,北京 100083;

3.中国地震局地质研究所,北京 100029;

4.中国石油化工股份有限公司中原油田分公司采油六厂,濮阳 274511;

5.中国石油化工股份有限公司河南油田分公司采油一厂,南阳 463731)

根据邯郸市活断层探测的最新资料,结合野外调查和石油地质的研究成果,对磁县—大名断层的分段性进行了研究;根据探槽开挖及测年结果的分析,对其活动性进行了讨论。研究结果显示,磁县—大名断层从东向西可分为3段:大名—临漳段、磁县—峰峰段和南山村—岔口段,3段呈左阶展布。研究表明:磁县—峰峰段晚更新世以来没有活动的证据;西段活动性较强;大名—临漳段沿线有多次中强震发生,其活动性有待进一步研究。由于上覆沉积层的影响,磁县—峰峰段未见明显的地表破裂带,因沉积物厚度逐渐减薄而表现为上断点由东向西逐渐变浅,在南山村—岔口段表现为明显的地表破裂带。

磁县—大名断层;断层分段;活动性;地表破裂带;磁县地震

0 引言

华北平原有两条活动较强烈的NWW向地震带,北部沿张家口—蓬莱断裂带一线分布,南部沿磁县—大名断层一线分布,在两条地震带之间历史上发生过多次强震。至今一些研究者已对张家口—蓬莱断裂带的构造特征、活动性、分段性、地震活动特征及发震构造进行了较为深入的研究[1-5]。而对于南部的磁县(大名断层,有些研究者对磁县地震的地表破裂带、磁县地震与该断层的关系及断层活动性开展了较多调查和研究工作[6-10]。一般认为,磁县—大名断层通过邯郸凹陷南部(图1),自东向西穿越整个渤海湾盆地至太行山隆起中部,横亘2个构造单元,走向NWW,倾向N,倾角较陡,为一高角度正倾滑断层,其长度大于120km,在临漳以东构成北部的临清坳陷与南部的内黄隆起之间的边界断层,是中生代以来长期发育的一条边界断层。

由于磁县—大名断层大部分地处平原隐伏区,受资料所限,前人对该断层的分段特征及第四纪活动性尚未得到系统认识,从而影响了对华北平原强震构造特征的综合分析。“邯郸活断层探测与地震危险性评价及市区震害预测工程"项目研究,着重对邯郸凹陷内活动断层进行浅层地震探测、地震台阵深部探测及跨断层钻孔探测,获取了大量探测资料,从而可对盆地内构造特征及断层活动性进行更深入地研究,为磁县—大名断层的分段提供了依据。

1 磁县—大名断层平面展布及分段特征

NWW向的磁县—大名断层通过邯郸凹陷南部,邯郸凹陷东西两侧受NNE向太行山山前断层和邯郸东断层(也有研究者称之为临漳断层)控制(图1)。在临漳以东,磁县—大名断层构成北部临清坳陷与南部内黄隆起之间的边界断层,并在朝城镇以北与聊兰断层相交。在临漳以西,断层穿过鼓山断束延伸至涉县境内,并可能继续西延,与晋获断层相交[8]。

经对华北盆地南部隐伏区石油地质资料揭示的盆地构造、地表活断层调查,隐伏区浅层地震探测以及磁县—大名断层地震活动分布特征的研究,将磁县—大名断层划分为3段,东段为大名—临漳段,以隐伏断层及中强震沿断层附近断续分布为特征;中段为磁县—峰峰段,以隐伏断层和控制地貌发育为特征;西段为南山村—岔口段,以部分地区出现1830年磁县地震地表破裂带为特征,总体表现出基岩区山体和山脊被错断的地貌现象。磁县—大名断层东段、中段和西段在走向上不连续,整体呈左阶型排列(图 1、图 2)。

1.1 南山村—岔口段

南山村—岔口段的研究程度较高,确认为1830年磁县地震的地表破裂带,呈右阶展布(图2),具有左旋特征[7,10](图3)。

图1 磁县—大名断层展布特征(QX90-355剖面解释见图5)图

图2 磁县—大名断层分段特征及定位图

图3 磁县—大名断层西段南山村附近错断山脊的照片(镜向280°)及地质图

南山村—岔口段断层近东西走向,倾向N-NW,倾角70°～80°,全长35km。又可再分为岔口断层及南山村断层2段。南山村断层地表出露约5km,横切NNE向鼓山山脉。岔口断层总长16km,东端始于陶泉盆地西侧,向西连续延伸经北王庄至涉县甘泉村,往西断续延伸至清漳河西岸席家村南山(图2)。

1.2 磁县—峰峰段

该段自峰峰矿区石桥镇北起,经西固义村、东武仕水库南、张家店村南,延入磁县城区,总体呈NWW-SEE 向 ,倾向 NNE,倾角 60°～ 70°,全长21km左右(图2)。

在张家店以西,该断层明显表现出南高北低的地貌特征,其中石桥镇以北、东武仕水库以南为磁县—大名断层中段地貌特征最明显的区段。

在东武仕水库南侧台地上较普遍分布第四纪早期砾石层,北侧为东武仕水库所在的第四纪沉积洼地,陡坎较为明显,呈南高北低的地貌特征,未见左旋的证据。张家店以东,磁县—大名断层向东隐伏于开阔的平原中。

由新清流村至磁县县城东,浅层地震剖面解释的断点埋深具有由浅变深的规律,其中新清流村剖面cx01上断点埋深约5.5m,cx02剖面上断点埋深约35m,cx03剖面上断点埋深约81m(图4),上述测线所反映的上断点埋深变化表明,磁县—大名断层中段在隐伏区的破裂由东向西逐渐接近地表。

1.3 大名—临漳段

该段位于临漳以东的华北平原隐伏区中,是划分内黄隆起和临清坳陷的边界断层。根据石油地质资料,该断层段位于成安低凸起以东,走向呈NWW向 ,长 63km 以上 (图 1),倾向 NE,倾角 50°～60°(图 5)。

图43 条浅层地震勘探剖面反映出的磁县—大名断层形态图(时间剖面1cdp=1.5m)

大名—临漳段表现为铲式断层,断层下盘(内黄隆起)内部没有明显的断面波和反射层。从剖面上看,该段断层切穿新近系以下地层,断入基底,石炭纪—二叠纪地层被明显断开,落差约3000～7000m(图5),断层控制丘县凹陷白垩纪和古近系的沉积。由此可以推断该段断层形成于三叠纪,与内黄隆起同步形成,这也和渤海湾盆地NW-NWW向构造格局形成于印支期相吻合[11]。白垩系—古近系的巨厚沉积表明在此时期断层强烈裂陷活动,而古近系与新近系之间的角度不整合表明裂陷作用在古近纪末期已经开始衰退。在断层下盘,除局部外,普遍缺失古近系和中生界。在断层上盘,古近系及中生界地层发育完整,厚度在3000m以上,三叠纪—白垩纪地层与下伏奥陶纪灰岩明显呈不整合接触。

2 与北东向断层的交切关系

图5 邯郸东南QX90-355石油地震解释剖面图(剖面位置见图1,据华北油田,1999)

如前所述,NWW向磁县—大名断层主要错断石炭纪—二叠纪(C-P)及以上地层,石炭纪—二叠纪地层厚度稳定,说明断层的形成时间在三叠纪时期。而NE或NEE向断层主要形成于古近纪,明显控制古近纪地层沉积[11]。地层以裂陷作用为主,主要表现为垂向断错,呈现出西薄东厚的现象,说明断层具有明显的同沉积特征。

因此在新近系沉积以前,NE或NEE向断层明显切断NWW向断层,并控制其后的沉积作用。而在新近系及第四系沉积时,在NEE向挤压应力场的作用下,NWW向断层重新以左旋方式相对运动。

在临漳西附近,cx04浅层地震测线(位置见图2)在200m埋深以内地层中未发现有断点。图1的断层组合根据石油地质资料解释结果编制而成,在新近系以下的地层中不存在NWW向断层,说明磁县与临漳之间的断层互不相连,磁县(大名断层中段,过磁县县城东后未再向临漳延伸,推测止于太行山山前断裂的分支断裂上(图1、图2)。

3 断层活动性分析

3.1 南山村—岔口段

(1)地形地貌证据

该段断层在磁县西峰峰矿区南山村附近错断基岩山体,形成一条近EW方向延伸、南高北低、高差约100m的基岩断层陡崖,并切割了该处的NNE向断层,左旋水平位移300～400m,垂直位移40～60m,断层显示左旋走滑和正断活动特征,证明磁县(大名断层西段活动性较强,在NNE向断层构造形成之后有过多次活动。

(2)测年结果分析

在南山村内,断层带上盘(北盘)距主断层以北约200m处,发育有平行于主断层的次级断层,该次级断层倾向南,为逆断层性质,断层错断了二叠系砂页岩,并使断层顶部覆盖的晚第四纪坡洪积层发生了变形(图6)。

在断层上断点第四系覆盖层的下部取热释光年龄测定,年龄值为距今49.83ka±4.24ka。在地貌上,该断层形成近1m的近东西向地貌陡坎,表明该次级断层晚第四纪以来有过活动,相应也证明同期主断层也有过活动。

图6 磁县—大名断层南山村次级断层剖面

3.2 磁县—峰峰段

(1)新清流村探槽开挖

依据浅层地震探测(cx01)、跨断层钻孔联合解释剖面,结合地貌特征,在峰峰矿区新清流村附近的农田里开挖一个南北向大型探槽,探槽南壁中部位置坐标为 114°13.610″E,36°24.567″N(图 2,图 7)。

由上至下开挖探槽地层共分为3层,即全新世地层(Qh)、上更新统(Qp3)和二叠纪地层;其中全新世地层(Qh)以耕植土为主;上更新统(Qp3)由5层沉积层组成,主体为褐色粉砂质粘土和砂砾层透镜体、下部为砖红色(风化壳之上)的砂质粘土或含砂砾粘土;紫红色二叠系砂岩风化壳较薄,二叠纪地层以紫色粉砂岩、砂岩为主;在先存断层陡坎的上盘,上更新统(Qp3)发育较厚,沉积较为复杂。

图7 峰峰矿区新清流村探槽西壁剖面示意图

根据获得的8个光释光(OSL)测年有效数据,对地层进行划分。其中,全新统获得1个0.8ka±0.1ka的OSL测年数据,沉积时限小于0.012Ma;上更新统(Qp3)获得7个OSL测年数据(分别为16.5ka±1.4ka、26.6ka±3.2ka、23.2ka±1.9ka、22.9ka ±2.0ka、28.5ka ±2.4ka、27.5ka±2.3ka、33.0ka ±2.8ka),年代界限均介于 0.012～0.128Ma之间(表 1)。

表1 新清流村开挖探槽光释光年代学测试结果表

(2)活动性评价

根据开挖探槽的样品测年结果,6号、7号样品年龄值接近,比3号、4号样品的年龄值大2000～4000a,符合正常的沉积特征,即没有明确的证据证明该段错断晚更新世底界。三个崩积楔(W1、W2、W3)与断层为正常的沉积接触关系,每个崩积楔之间有水平沉积砂砾层沉积。结合浅层地震剖面对上断点的解释结果,可以确定上断点最新活动时间应老于晚更新世(Qp3)(图7),因此磁县—峰峰段为晚更新世以来不活动断层。

3.3 大名—临漳段

该段上断点断错至古近系顶,埋深1200m左右,新近纪及第四纪地层沉积稳定(图4)。但该段断层沿线是一条活动较强的地震带,沿该断层附近,已发生较大的地震为344年临漳5～6级地震、953年大名 43/4级地震 、1654年朝城 51/2级地震 、1889年大名5级地震、1968年大名 4.2级地震、1970和1977年磁县4.5级地震,等震线为NWW向;近年来沿该断层常有4级以下地震活动[12]。

从断层附近的震中分布图(图1)来看,震中分散,没有明显的群集性,无法证实地震与断层之间的关系,但说明该断层深部可能存在发震构造,限于资料,目前对其活动性尚不能做进一步研究。

3.4 1830年磁县地震对断层各段的影响

刁桂苓[13]用现今小地震对1830年磁县地震的震源断层进行了研究,认为震源断层位于小震的优势层位,其深度为15km左右。

韩竹军[14]认为,当活断层埋深大于60m时,已不可能在地表产生破裂。磁县震中位置位于东武仕水库(图1)。根据实际探测结果及野外露头揭露,磁县—峰峰段东武仕水库附近沉积有厚度较大的砾石层,为第四纪沉积洼地内的疏松沉积层。可能因为断层上部有较厚的第四纪沉积物,故在1830年磁县地震震中区未见明显的地表破裂带,由东向西,因沉积物厚度逐渐减薄而表现为上断点逐渐变浅。而南山村—岔口段有明显的地表破裂带。由于东段地处平原隐伏区,断层之上有巨厚沉积,该次地震对大名—临漳段断层的影响应该更小。

4 分段特征与依据

综合磁县—大名断层各段的几何结构和晚第四纪活动的特征,可以归纳出分段依据[15,16]:其一,根据其几何形态与结构特征,断裂可划分为3段;其二,在活动构造地貌特征上,这3段也存在一些比较明显的差异:断裂最西段发育基岩断层崖,中段从地形地貌上有所表现,东段则处于平原隐伏区,具有一定的地震活动性。磁县—大名断层的分段活动特征见表2。

表2 磁县—大名断层分段特征及各段参数表

5 结论

(1)根据地震活动特征及断层活动性可将磁县—大名断层分为大名—临漳段、磁县—峰峰段及南山村—岔口段3段,3段呈左阶展布;

(2)南山村—岔口段表现为多条右阶地表破裂带,为1830年磁县地震的主破裂带,有明显的地表破裂;磁县—峰峰段由东到西上断点埋深逐渐变浅,最浅处仅为4～5m;大名—临漳段上断点埋藏较深,在1200m左右。

项目成果中凝结了中国地震应急搜救中心曲国胜总工、李岩峰博士,中国地质大学(北京)陈建强教授及天津城市建设学院赵瑞斌教授的诸多建议;在成文过程中,采用了活断层分布图(1∶50000)部分资料;在对所挖探槽的分析过程中,相关专家提供了诸多意见,在此一并表示感谢。

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Segmentation Characteristics and Activity of Cixian-Daming Fault

XU Hua-ming1,2,ZHOU Bin3,GENG Shi-jiang4,HOU Ping-shu4,LI Guang-yong5
(1.China University of Petroleum;Beijing 102249,China;
2.Institute of Petroleum Exploration and Development,Sinopec,Beijing 100083,China;
3.Institute of Geology,China Earthquake Administration,Beijing 100029,China;
4.Zhongyuan Oilfield Division Company of Sinopec,274511,China;
5.Henan Oilfield Division Company of Sinopec,463731,China)

Based on analysis of the latest data obtained from the project of active fault surveying in Handan city,combined with field investigation and the explanation of seismic profile from oilfield,the segmentation of Cixian-Daming fault is studied.According to analysis of digging trench and testing sample’s age,we discuss the activity of Cixian-Daming fault.It is shown that Cixian-Daming fault is divided into 3segments,which are Daming-Linzhang segment,Cixian-Fengfeng segment and Nanshancun-Chakou segment.It can be deduced that the activity of middle segment of Cixian-Daming fault is steady since late Pleistocene based on the result of sample’s ages,while the activity of west segment is active based on topography investigation and the latest study,which was surface fracture belt formed by the earthquake occurred in 1830.According to geological data of oilfield,the depth of Daming-Linzhang segment is buried deeply to 1200m.Even so,its activity should be studied because of a few earthquakes occurred along the fault.Surface fracture belt cannot be found along Cixian-Fengfeng segment for thick upper sediment.The depth of each upper breakpoint gradually turns shallow because of the thickness of the upper sediment turning thin.Therefore surface fracture belt can be easily found along Nanshancun-Chakou segment.

Cixian-Daming fault;fault segmentation;activity;surface fracture belt;Cixian earthquake

P315.2

A

1003-1375(2010)01-0001-07

2009-08-06

中国地震局、邯郸市人民政府“十五”重点项目

许华明(1971-),男(汉族),湖北宜昌人,工程师,在站博士后,从事盆地构造演化、新构造运动与油藏工程方面的研究.E-mail:huamingxu@126.com