基于钻探的芦花台隐伏断层晚第四纪活动特征

雷启云 柴炽章 杜 鹏 王 银 孟广魁

1)中国地震局地质研究所，北京 100029

2)宁夏回族自治区地震局，银川 750001

基于钻探的芦花台隐伏断层晚第四纪活动特征

雷启云1，2)柴炽章2)杜 鹏2)王 银2)孟广魁2)

1)中国地震局地质研究所，北京 100029

2)宁夏回族自治区地震局，银川 750001

芦花台断层是银川盆地内一条重要的隐伏构造。在浅层地震勘探成果的基础上，开展了钻孔联合剖面探测和钻孔样品测试，获得了断层上断点埋深、最新活动时代、晚第四纪累计位移和滑动速率等数据。结果表明:芦花台隐伏断层北段和南段的活动性不同，南段为中更新世末活动断层，北段为全新世活动断层;在北段内，断层活动强度在空间上表现为由北向南增强，在时间上表现为晚更新世活动强于全新世。

隐伏活断层 钻孔联合剖面 滑动速率

0 引言

隐伏于城市之下的活断层，是城市发展的隐患。一旦断层上发生破坏性地震，后果将不堪设想，国内外已不乏其例。因此，开展活断层探测对城市防震减灾具有重大意义，并可对土地的合理开发利用提供科学依据(邓起东，2002;袁道阳等，2008)。由于隐伏断层的隐蔽性，常需运用一系列勘探手段方能查清其位置，并鉴定其活动性(方盛明等，2002;邓起东等，2003;中国地震局，2005;柴炽章等，2006)。在诸多勘探手段中，钻探除能确定断层位置并对浅层地震勘探结果予以验证外，还可揭示槽探手段所不及深度内的地层岩性、分布及断错等信息，是研究隐伏断层活动特征的有效手段(向宏发等，1993，2000;徐锡伟等，2000;江娃利，2001;雷启云等，2008;张世民等，2008)。

芦花台断层是银川盆地内一条重要的隐伏断层，走向NNE，南起于东大滩，从银川市西夏区西部穿过，向北依次经过军马场、金山、暖泉，在崇岗附近有约4km的间断，向北终止于石嘴山市大武口区西南，长约80km。该断层是银川古近纪断陷湖盆的西界，在银川西古近系底面落差为3km，至石嘴山市断距增加到3.4km(鄂尔多斯周缘断裂系课题组，1988;孟广魁等，1994)。该断层自20世纪50年代石油部门开展的石油勘探发现以来，尚未开展相关研究，其晚第四纪活动性一直未有定论。近年来，我们相继在银川和石嘴山两市开展了活断层探测，针对芦花台隐伏断层开展了浅层地震勘探和钻探工作，查清了该断层在目标区内的具体位置及活动时代。

本文基于活断层探测所布设的3条钻孔剖面的结果，探讨芦花台隐伏断层晚第四纪的活动特征。

1 钻探结果

根据浅层地震勘探所确定的断层位置，在芦花台隐伏断层上先后布设了3条钻孔剖面，自北向南依次为规划一路剖面、前进农场一队剖面和贺兰山农牧场剖面 (图1)，其中规划一路和前进农场一队两条剖面位于断层北段(石嘴山市大武口区附近)，贺兰山农牧场剖面位于断层南段(银川市西夏区附近)。而军马场—暖泉间因不在银川市和石嘴山市活断层探测的目标区内，故未布设剖面。自北向南，3条剖面间距依次为6.5km、38km。

图1 芦花台隐伏断层展布及钻孔剖面位置图Fig.1 The distribution of Luhuatai buried fault and the position of drilling section.

1.1 规划一路剖面

1.1.1 剖面布设

剖面位于石嘴山市大武口区规划一路附近，平行布设于浅层地震测线LHTC3(5m道间距)之南42m处。该测线解释的断层上断点在地表垂直投影位于桩号2 495m处，断层东倾。据此于桩号2 464.3m处布设了钻孔Z2－1作为剖面西端，于桩号2 548m处布设钻孔Z2－2为剖面东端，后来又根据钻进情况于孔Z2－1之西15.5m布设Z2－5，剖面加长为99.2m。共9个钻孔，总进尺559.72m，单孔深最大88.87m，最小9.75m，孔间距最大42m，最小3m(图2)。

1.1.2 标志地层及沉积年龄

1.1.2.1 标志层特征及断距

规划一路钻孔联合剖面中3层黏性土层相间分布，厚度稳定，特征明显，易于区别，故将其作为研究断层定位和活动特征的标志地层，并在标志层位采集钻孔样品进行测试，以限定标志层的沉积年龄(表1，2)。各标志层特征及断错情况简介如下:

图2 规划一路钻孔联合剖面钻孔布设位置图Fig.2 The relative position of boreholes at Guihua First Road composite drilling section.

标志层B1 为地表黏性土层，岩性为砂黏土、黏土、黏砂土，夹细砂，黏土颜色以浅棕红色、灰黑色为主，其他为灰、土黄色。断层下盘底界埋深约6.20m，上盘约6.91m，断距0.71m;

标志层B2 浅灰、黄灰、黑灰及浅棕红色，岩性为黏土、砂黏土及黏砂土。其顶部为细砂和粉砂，底部普遍存在一层土黄色粉砂。该层在断层下盘顶底界面埋深于7.96～22.37m，在上盘埋深于8.82～31.89m，顶底断距分别为0.86m、9.52m;

标志层B3 黄灰、深灰、黑灰及暗棕红色，以黏土、砂黏土及黏砂土为主，夹粉砂。在断层下盘顶底界面埋深于55.80～64.78m，在上盘埋深于68.37～78.86m，断层附近顶底面断距分别为12.57m、14.08m。

1.1.2.2 标志层沉积年龄确定

在孔Z2－1中获得3个地层年龄数据(表1)，样品Z2－1－TL09位置和标志层B2底界埋深几乎一致，其年龄即为标志层B2底界的沉积年龄((101.0±9.6)ka BP)。而标志层B2顶界以及B1底界，虽然附近有钻孔地层样品年龄控制，但位置相差近1m，需做适当处理。假设孔Z2－1中埋深5.2m到地表的平均沉积速率((0.65±0.04)mm/a)为标志层B1的平均沉积速率，结合该孔中5.2m处的测年数据，推算出标志层B1底界(6.35m)的沉积年龄为(9.8±0.6)ka BP;同样假设孔2－1中埋深9.36m～22.02m间的平均沉积速率((0.17±0.02)mm/a)为标志层B2的平均沉积速率，结合该孔9.36m的测年结果，推算出标志层B2顶界(8.5m)的沉积年龄为 (20.206±0.085)ka BP。

标志层B3附近没有钻孔样品控制，鉴于用现有年龄数据推算将产生较大误差，同时从现有测年结果看，该层已属中更新世地层，故不再估算标志层B3的沉积年龄。

1.1.3 最新活动时代及滑动速率

剖面中断层错断了标志层B1的底部(下盘埋深6.12m)，向上被标志层B1中一细砂夹层所覆盖，该细砂层底部埋深(4.62m)即为上断点埋深上限 (图3)。孔Z2－1中5.2m处样品测年结果为(8.0±0.5)ka BP(表1)，因此，芦花台隐伏断层在规划一路钻孔剖面处为全新世活动断层，最新活动时间不晚于(8.0±0.5)ka BP。

标志层的断距反映了断层在标志层沉积以来的累计位移，因此，由标志层断距和沉积年龄可以估算断层的滑动速率。标志层B1底界沉积年龄为(9.8±0.6)ka BP，累计位移0.71m，标志层B2底界沉积年龄为(101±9.60)ka BP，累计位移9.52m，这两处标志层位的年龄大致和全新世、晚更新世上限相当，所以估算出断层在全新世以来、晚更新世以来的垂直滑动速率分别为0.073mm/a和 0.094mm/a。

1.2 前进农场一队剖面

1.2.1 剖面布设

剖面位于石嘴山市崇岗镇前进农场一站一队附近，以149°方向重合浅层地震测线LHTC1(8m道距)布设。测线LHTC1解释的断层上断点在地表垂直投影位于桩号1 640m处，断层东倾。以此为准，在桩号1 670m处布设钻孔Z3－1为剖面西端，于桩号1 575m处布设钻孔Z3－2为剖面东端。剖面全长95m，由9个钻孔组成，单孔深最大82.91m，最小7.24m，总进尺445.84m，孔间距最大47.5m。最小1m，(图4，5)。

1.2.2 标志层及沉积年龄

1.2.2.1 标志层特征及断距

前进农场钻孔联合剖面中具有一定厚度的黏性土层有2层。在第2层黏性土层内，分布一层细砂夹层，特征较为明显，也将其作为标志层(图5)。各标志层特征及断距简介如下(表2)。

标志层B1 为剖面表层，主要为黏土、砂黏土，局部夹有黏砂土及细粉砂，上部呈黑灰色，下部为黄灰、浅棕红色。在断层下盘，该层底界埋深约4.85m，上盘底界埋深约6.40m，断层附近底界断距为1.15m;

标志层B2 颜色为灰、黄灰、黑灰及浅棕红色，以黏土、砂黏土及黏砂土为主，夹砂层。该层底面普遍下伏一层淡黄色粉砂。在断层下盘，该层顶底界面埋深于15.31～36.96m，在上盘，埋深于17.09～46.68m，顶、底断距分别为1.78m、9.92m;

标志层B3 浅灰色细砂，夹于黏性土之中，含有泥质。剖面西部厚度较稳定，在剖面中部尖灭，地层略向东倾斜，因夹于标志层B2之中，易于辨别。断层两盘测年数据也表明确为同一地层(表1)。该层顶底界面在下盘埋深于20.31～21.53m，上盘埋深于24.31～25.81m，顶底断距分别为4m、4.28m。

1.2.2.2 标志层沉积年龄确定

针对标志层B1底界，共测试Z3－3－TL04、Z3－4－TL03及Z3－7－TL03等3个释光样品来控制其沉积年龄 (表1、图5)。其中，Z3－3－TL04和Z3－7－TL03样品测年结果较一致，这里直接采用Z3－3－TL04样品的结果，即标志层B1底界沉积年龄为(6.5±0.2)ka BP。

标志层B2顶界有Z3－3－TL07和Z3－4－TL08两个样品控制，并位于断层不同盘，但二者结果偏差较大，结合标志层B1底界的2个测试结果，认为样品Z3－4－TL08的结果较可靠，反映了标志层B2顶界的沉积年龄，即为(28.0±1.2)ka BP;样品Z3－3－TL15和Z3－4－TL14控制标志层B2底界沉积年龄，二者测试结果较一致，考虑二者同B2底界的位置关系，选择Z3－4－TL14的结果为B2底界的沉积年龄，即(55.0±2.7)ka BP。

图3 规划一路钻孔联合探测地质剖面图Fig.3 The composite drilling geological section at Guihua First Road.

标志层B3只针对其底界采取Z3－3－TL10和Z3－4－TL10两个样品以控制其沉积年龄，测试结果表明二者数值基本一致，考虑样品位置，选择Z3－3－TL10的结果为标志层B3底界的沉积年龄，即(43.7±1.8)ka BP。

1.2.3 最新活动时代及滑动速率

前进农场一队钻孔联合剖面中断层上断点埋深＜4.8m，剖面显示断层明显错断标志层B1底界(图5)，而该底界沉积年龄为(6.5±0.2)ka BP，由此判断芦花台隐伏断层在前进农场一队剖面最新活动晚于(6.5±0.2)ka BP，该断层属于全新世活动断层。

图4 前进农场一队钻孔联合剖面钻孔布设位置图Fig.4 The relative position of boreholes at Qianjin farm composite drilling section.

标志层B1底界沉积年龄为(6.5±0.2)ka BP，累计位移1.15m，标志层B2顶界的沉积年龄为(28.0±1.2)ka BP，相应累计位移1.78m(表2)。那么，全新世断层的累计位移值应在1.15～1.78m之间。1.78m为全新世断层最大可能位移，而1.15m为最小可能位移，估算出全新世以来断层垂直滑动速率在0.12～0.18mm/a之间。根据标志层B2底界的沉积年龄((55.0±2.7)ka BP)和断距(9.92m)，计算得到晚更新世中期以来断层的垂直滑动速率为0.18mm/a。

1.3 贺兰山农牧场剖面

1.3.1 剖面布设

剖面位于银川市西夏区北贺兰山农牧场附近，以90.5°方向重合浅层地震勘探对比试验2测线(2m道距)布设(图6)。该测线解释的断层为向东倾斜的正断层，上断点地表垂直投影点位于1 010m桩号处。剖面西端钻孔NXZS2－3位于对比试验2测线1 074m桩号处，剖面长115m，由6个钻孔组成，孔间距最大30m，最小14.5m，单孔深最大100.01m，最小50.00m，总进尺408.4m。

1.3.2 标志层及沉积年龄

贺兰山农牧场剖面中标志层仅有一层(图7)，岩性为黏砂土和砂黏土互层。由于黏性土与砂性土之间的显著区别且在剖面中分布连续稳定，层位界面清楚。在断层上盘该层顶底界面埋深于25.58～38.07m，下盘埋深于25.58～33.05m，顶面平缓没有落差，底面断距5.02m(表2)。

据表1样品测年数据结果，钻孔NXZS2－6埋深19.85m处地层沉积年龄124ka BP，埋深42m处地层沉积年龄165ka BP。考虑银川盆地持续下降的特点，假定在两者埋深间地层没有沉积间断并均匀沉积，从而求得该段地层平均沉积速率为0.054mm/a。结合标志层B1在下盘的顶、底面埋深，以0.054mm/a的沉积速率推算，估算标志层B1的大致沉积时间为134.60～157.70ka BP。

图5 前进农场一队钻孔联合探测地质剖面图Fig.5 The composite drilling geological section at Qianjin farm.

1.3.3 最新活动时代及滑动速率

从剖面中可以看出，标志层B1被断层错断，但其上覆层稳定平缓，顶、底面均没有明显落差，表明该层沉积以来，断层再未发生明显的断错。据此判断，断层上断点埋深上限为标志层B1顶面埋深为25.58m，而该标志层的底面作为上断点埋深的下限。

根据测年结果估算的19.85～42m段的平均沉积速率为0.054mm/a。用此数值推算埋深25.58m处地层的沉积年龄为134.60ka BP。可见，芦花台隐伏断层属于中更新世末期活动断层，晚更新世以来不再活动。

根据标志层B1的垂直位移和沉积时间(表2)，可以估算断层在相应时段内的垂直滑动速率。前已提及断层在134.60ka BP以来没有发生活动，而标志层B1底面的断距为5.02m，对应沉积年龄约为157.70ka BP。因此，在134.60～157.70ka BP之间(大致相当于中更新世末)，断层的累积垂直位移为5.02m，由此可估算中更新世末期断层垂直滑动速率为0.22mm/a。

图6 贺兰山农牧场钻孔联合剖面钻孔布设位置图Fig.6 The relative position of boreholes at Helanshan farm composite drilling section.

2 结论与讨论

通过3条钻孔剖面的探测，基本明确了芦花台隐伏断层在南北两段的活动特征。尽管在军马场—暖泉间缺乏相应资料，但我们仍有可能在当前资料的基础上探讨芦花台隐伏断层在晚第四纪的活动特征。

(1)钻探结果表明，规划一路剖面最新活动时代至少为(8.0±0.5)ka BP，全新世垂直滑动速率为0.073mm/a，晚更新世以来垂直滑动速率为0.094mm/a;而前进农场一队剖面最新活动时代不早于(6.5±0.2)ka BP，全新世垂直滑动速率在0.12～0.18mm/a之间，晚更新世中期以来垂直滑动速率为0.18mm/a;贺兰山农牧场剖面134.60ka BP以来不活动，在134.60～157.70ka BP之间(大致相当于中更新世末)，断层的累积垂直位移为5.02m，中更新世末期断层垂直滑动速率为0.22mm/a。

(2)芦花台隐伏断层的活动性北强南弱，差异明显。北段为全新世活动断层，而南段属中更新世末活动断层。另外，从不同时期累计位移的变化看，芦花台隐伏断层北段内部又各有特点，在空间上表现为活动性由北向南逐渐增强，从时间上看，全新世活动强度弱于晚更新世，晚更新世后期可能为转折期。但即便在不同时期，断层活动强度仍呈现北弱南强的趋势。南北两段活动时代的差异可能和偏离贺兰山东麓断层的距离有关，而北段内的活动性差异则可能和向北更接近于断层的末端有关。

(3)受活断层探测目标区的限制，本次工作未能获得芦花台隐伏断层南北分段界线的确凿证据，但从已有银川地堑深部和第四系等厚线资料推测，芦花台隐伏断层南北分段界线当在暖泉南5km一带。横跨银川盆地的深地震反射勘探测线结果揭示，芦花台断层南段在地下12～12.5km处和贺兰山东麓断层相交(方盛明等，2009)。从两条断层平面展布上看，由于贺兰山东麓断层在插旗口以南整体偏西，而芦花台断层走向稳定，因此在暖泉以南两断层间距达15km，而以北两者间距在3～6km之间。据此判断，北段两断层在底部相交深度可能＜5km。显然，芦花台隐伏断层之所以在北段为全新世活动，而在南段为中更新世末活动，主要是受贺兰山东麓断层活动牵连所致，北段两者间距小，向下交会深度浅，易于牵连活动，而南段间距大，相交深度大，不易于受牵连。另外，沿芦花台断层第四系等厚线的分布也可表明在暖泉附近为一变化界线，在暖泉以北第四系等厚线变化剧烈，从1 200m增到2 000m，表明断层活动强烈;而其南则变化较缓，厚度变化于800～1 000m之间，表明断层活动相对较弱。基于上述分析，将暖泉南5km一带作为芦花台断层南北两段的分界是合理的。

图7 贺兰山农牧场钻孔联合剖面图Fig.7 The composite drilling geological section at Helanshan farm.

(4)本文将一些标志层位的断距作为该层位沉积以来的断层累计位移，这意味着断层在该层开始沉积之时便开始活动，但事实上断层活动可能要晚于该层位沉积年龄。若能获得该层内高分辨率的亚层界线，则可以较好地限定出断层断错的时间，但受限于地层分布和钻探技术水平，目前难以达到。从剖面揭示的标志层生长特性看，断层在该标志层沉积过程中必定发生了活动，因此，所估算的滑动速率应当略偏小。另外，钻探对断层最新活动时代的判断是根据标志层的落差变化鉴别的，如果后期断层活动规模很小，或者受砂土液化扰动，或者钻孔间距不足够小，那么钻探揭示的最晚活动时间可能偏老，如有条件，开挖槽探以进行精细研究是必要的。一般而言，如果断层确实发生了钻探难以识别的轻微变形活动，一方面表明该断层的活动性偏弱，难以产生明显位错，另一方面也表明活动时间不会和钻探所确定的时间偏差过大，对断层定性不会有质的影响。

致谢 释光样品由中国科学院地球环境研究所测试，14C样品由北京大学考古文博学院测试，审稿专家提出了宝贵意见，在此一并表示感谢。

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ACTIVITY CHARACTERISTICSOF LUHUATAIBURIED FAULT SINCE LATE QUATERNARY REVEALED BY DRILLING

LEIQi-yun1，2)CHAIChi-zhang2)DU Peng2)WANG Yin2)MENG Guang-kui2)
1)Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonmomous Region，Yinchuan 750001，China

Luhuatai Fault is one of the important buried tectonics in Yinchuan Basin.Based on the results of shallow seismic exploration，we conducted composite drilling section exploration and dating of the samples of borehole.Some useful data of the fault were obtained，such as the depth of upper breaking point，the latest activity age，displacement in late Quaternary，and slip rates，etc.This study shows that the activity is different between the north and south segment along Luhuatai Fault.The north segment is a Holocene fault，while the south segment is a latemid-Pleistocene fault.From north to south along the north segment of Luhuatai Fault，the activity has enhanced，and the faulting is stronger in late Pleistocene than Holocene.

buried active fault，composite drilling section，key horizon，slip rate

P315.2

A

0253－4967(2011)03－0602－13

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.03.010

2011－03－14收稿，2011－04－25改回。

全国地震重点监视防御区活断层危险性评价项目(1520930027)和地震行业科研专项经费项目(201008003)共同资助。

雷启云，男，1981年生，2005年毕业于兰州大学地质工程专业，获工学硕士学位，工程师，在读博士研究生，现主要从事活动构造研究工作，电话:0951－5068227，E－mail:leiqy 624@163.com。