京西北蔚县-广灵半地堑盆地南缘断裂带的断层生长研究

王 林 田勤俭 李德文 张效亮

1)中国地震局地质研究所，北京 100029

2)中国地震灾害防御中心，北京 100029

3)中国地震局地震预测研究所，北京 1000364)中国地震局地壳应力研究所，北京 100085

京西北蔚县-广灵半地堑盆地南缘断裂带的断层生长研究

王 林1，2)田勤俭2，3)李德文2，4)张效亮2)

1)中国地震局地质研究所，北京 100029

2)中国地震灾害防御中心，北京 100029

3)中国地震局地震预测研究所，北京 100036
4)中国地震局地壳应力研究所，北京 100085

通过高分辨率遥感影像解译、高分辨率DEM三维分析、野外地质地貌调查以及探槽开挖等方法，对蔚县-广灵盆地南缘断裂带上多处断层生长发育的现象进行了分析和研究。结果发现，断层的生长发育主要发生在几何结构不规则的区段，亦即断层的生长是由其几何结构不规则性决定的。这种不规则性主要包括几何形态的不平滑性或不连续性。断层的生长发育具有一种“截弯取直”的趋势和效应，消除几何结构的不规则性，使断层变得更加平滑和连续，结果是降低了滑动面的粗糙程度，更加有利于盆地内半地堑地块沿滑动面进行下滑运动。此外，断层的生长发育受不规则形态的空间尺度的影响，“截弯取直”的程度随着不规则形态空间尺度增大而降低。

正断层 断层生长发育 断层侧向生长 断层面粗糙度 截弯取直

0 引言

一条断裂带通常由多条断层组成。近年来的研究表明，断裂带主要通过带内各条断层的自身生长和相互连接而不断地发展和演化(Peacock et al.，1991;Cowie et al.，1992，2000;Anders et al.，1994;Cartwright et al.，1995;Dawers et al.，1995;Mansfield et al.，1996;Crider et al.，1998;Marchal et al.，1998，2003;Gupta et al.，2000;McLeod et al.，2000;Cowie et al.，2001;Kattenhorn et al.，2001;Gawthorpe et al.，2003)。断层的生长发育对整条断裂带的演化和发展具有重要的意义，其结果直接影响或决定着整条断裂带的结构或构造特征。

位于京西北盆岭构造区内的蔚县-广灵半地堑盆地(简称蔚-广盆地)的南缘断裂带就是一个由多条断层组成的、演变方式比较复杂的正断层性质的断裂带。前人对该断裂带的分段性(徐锡伟等，2002)、新构造运动特征(周廷儒等，1991;王乃樑等，1996)等都有过一定的研究。断裂带内断层生长、连接以及新生断层的发育等现象较丰富，许多地方都可以见到。然而，前人仅对断裂带九宫口段的生长有过研究(程绍平等，1998)，发现该处的断层已经在晚更新世晚期的冲积扇内向西生长了数千m。除此之外，对于其他各处断层生长发育的研究却不多。在这些地方断裂是以怎样的方式生长、连接的?断层的生长发育究竟受何种因素的控制和影响?有何特点和规律?所有这些问题的答案都不甚清楚，值得进行进一步地深入分析和研究。

在“我国地震重点监视防御区活动断层地震危险性评价”项目之“首都圈地区蔚县-广灵断裂50km条带状地质填图”课题的支持下，我们通过高分辨率遥感影像解译、高分辨率DEM三维分析、野外地质地貌调查以及探槽的开挖等手段，对整条断裂带的断层展布几何特征、断错地貌以及断层活动性等进行了研究，积累了较为扎实的资料。在对这些资料进行概括、总结的基础之上，对蔚-广盆地南缘断裂带内断层的生长发育及其方式、特点、影响因素等方面进行了分析和研究，获得了一些新的认识。

1 地质构造背景概述

图1a所示范围为京西北盆岭构造区，其中发育怀来-涿鹿、蔚-广、延庆-矾山、阳原、灵丘、怀安和涞源等一系列断陷盆地单元，这些断陷盆地的边缘大都受到了NE向活动断裂带的控制。该区内的蔚-广盆地(图1a中黑虚线框所示)是一个受南部边界正断层控制的、南深北浅的不对称的半地堑盆地。而蔚-广盆地南缘断裂带即为控制该盆地南边界的正断层系，即本文的研究对象，它主要沿着盆山交界地带展布(图1b中黑色虚线、实线所示)。

图1 蔚-广盆地的构造位置(a)及盆地内断裂的展布与分段特征(b)Fig.1 The tectonic position of the Yuguang Basin(a)and the geometry and segmentation of the faults(b).

蔚-广盆地在新生代N2晚期至Q1p早期之间开始裂陷并发育(周廷儒等，1991;徐锡伟等，2002)。此前该盆地明显经受过至少2次的褶皱造山运动:前震旦纪末褶皱造山运动和燕山运动。中生代本区受早期燕山运动(早侏罗世)的影响，在NW-SE向主压应力作用下发生凹陷，形成轴向NE-SW的复式向斜盆地，奠定了蔚-广盆地的构造格局;燕山运动晚期(中、晚侏罗世)构造运动增强，表现为褶皱、断裂并伴有中、酸性火山岩侵入，在NW-SE向主压应力作用下进一步形成了NE、NEE向压扭性逆断层。新生代新近纪喜马拉雅运动期区域构造应力场发生转变，由NW-SE向主压应力变为NE-SW向主压应力，并产生NW-SE向引张应力场，使得原来的压扭性断裂结构面发生反向运动，转为张性或张扭性正断层。后来在持续的拉张作用下，这些正断层的两侧发生差异升降运动，逐步断陷而形成了现今的蔚-广盆地。由此可见，蔚-广盆地南缘断裂带继承并利用了燕山期的断裂结构面，经历了一个“先逆后正”、“先压后张”的构造反转过程(周廷儒等，1991;王乃樑等，1996;李树德，1997)。

2 断裂带内断层的生长发育

断层的生长是断层面在空间内不断扩张的结果。断层面实际上是三维空间内的一种不规则曲面，图2表示了断层面扩张过程的一种常见的模式及其对应的断层生长情况，其中左侧截面图表示扩张模式的4个阶段以及相应的地下断层面，而右侧平面图表示与左图4个阶段相对应的地表断层迹线，虚线为未出露地表部分，实线为已出露地表部分。扩张过程主要分4个阶段:1)断层面完全埋藏于地下，处于隐伏断裂阶段;2)断层面通过向上扩张，中心部分首先露出地表，形成一段地表破裂带，而两侧部分仍为隐伏断裂;3)断层面继续扩张，直至完全出露地表;4)断层面继续侧向扩张，表现为地表破裂带、断层陡坎、线性形迹等断层地表迹线长度的不断增加，即断层的侧向生长，并逐渐形成完整的地表破裂带，直至断层活动停止。实际上从断层面刚好扩张到达地表时的临界位置 (图2中1，2之间的虚线椭圆所示)起，断层的侧向生长就已经随着断层面的侧向扩张而开始了。

图2 断层面一种常见的扩张模式Fig.2 A common model for the propagation of fault plane.

现今的蔚-广盆地南缘断裂带由多组次级断层斜列组合而成，平面形态为锯齿状曲折延伸，这种不规则的、复杂的几何结构很可能与所继承的燕山期的构造面有关，正是在这种继承性的基础之上，断层进一步地生长、连接和发育，逐渐体现出新生性的特点。根据断层空间展布的几何结构、断层活动性以及断错地貌的差异，蔚-广盆地南缘断裂带分为5个地震破裂段(徐锡伟等，2002)，自西向东依次为上白羊段(Ⅰ段)、唐山口段(Ⅱ段)、北口段(Ⅲ段)、松枝口段(Ⅳ段)和上虎盆段(Ⅴ段)(图1b)。无论是在各段之间还是在各段之内，都有断层生长、发育等新生性的迹象(图1b中的黑框区域)。此外在山前扇体的局部区域内也有断层生长发育的迹象。

2.1 段落之间断层的生长发育

各段之间断层的生长发育主要位于Ⅰ段与Ⅱ段、Ⅲ段与Ⅳ段相互交接的2个区域a，b(图1b中相应黑框所示)。

(1)a区的情况如图3a，b所示。区内断裂Fa1在西侧切割了洪积扇，形成线性良好、清晰可见的断层陡坎。Fa1通过侧向生长沿走向向东延伸，直到现在停止的地方。

图3 a区内断层生长发育情况Fig.3 The growth and evolution of the fault in zone a.

侧向生长所形成的陡坎已经遭受到比较强烈的侵蚀，陡坎的中间部分已被侵蚀殆尽，原来连续的陡坎形态已经被破坏，仅在西端残留了一小段孤立的呈丘状的陡坎。横跨被侵蚀掉的线性部分的两侧被晚期冲洪积扇、Qh河流阶地所覆盖，在原陡坎位置处的盖层未见明显的新生陡坎和形变迹象。

(2)b区内断裂Fb1在晚期冲积扇内向西生长了约3.3km(程绍平等，1998)，切割了晚期扇体并形成了一段明显的线性形迹(图4b)。

图4 b区内断层生长发育情况Fig.4 The growth and evolution of the fault in zone b.

横跨线性形迹发育了多条深切冲沟，在其中一条深切冲沟沟壁上发现一处明显的地层不整合接触 (图4c)，沉积层覆盖在陡坎之上。沿着该冲沟横跨断层陡坎实测了一条探地雷达(GPR，Ground Penetrating Radar)测线(图4b中黑色实线段所示)，探测结果发现，地下有一个明显的线性异常结构面(图4d)，该结构面应该反映了断层陡坎延伸到地面以下的形态，同时也反映出地表的不整合接触关系一直向地下延伸了一定的深度。可能正是由于陡坎形成之后沉积层对陡坎形态的这种覆盖作用，使得沿着线性形迹自东向西断层陡坎逐渐消失，在地貌形态上，陡坎逐渐变为坡度较缓的斜坡。

此外，随着Fb1不断地生长和间歇性地活动，相应断层上升盘的构造抬升运动使得其上的河道流向发生了改变，由原来的NW流向变为现在的近EW流向，原有河道被废弃，残留下现今的古河道 (图4a，b中黑色虚线所示)。

2.2 段落之内断层的生长发育

段落内比较典型的断层生长发育的现象位于Ⅱ段上的c，d两处以及Ⅲ段上的e，f两处(图1b中相应黑框所示)。

Ⅱ段上c处(图5a1，b1)的断裂Fc3发育于两条断裂Fc1和Fc2之间，连接着这两条断裂，并将原来两条断裂延长线相交形成的锐角形态截断。沿Fc3可见两处明显的断层三角面。Fc3上升盘抬升的幅度明显地小于Fc1和Fc2上升盘的抬升幅度，表现为Fc3后方三角形山体的高度显著低于其两侧山体的高度，这种情况表明Fc3可能是在Fc1、Fc2经历了一定阶段的演化之后才形成的。

图5 两个段落内几处比较典型的断层生长发育情况Fig.5 Several classic locations of fault growth and evolution in two segments.

Ⅱ段上d处(图5a2，b2)的断裂Fd1正在沿走向向东生长，表现为Fd1东段在山前Q3p山体内形成了一段线性良好的线性形迹(图中黑色虚线段所示)。

Ⅲ段上e处 (图5a3，b3)发育了一小段断裂Fe3，其走向相对于Fe1和 Fe2都发生了转折。Fe3的发育使Fe1和 Fe2相连，并将Fe2截成两部分，一部分保持原有状态，另一部分被Fe3的活动所代替而被废弃(图5b3中虚线段所示)。Fe3可能是Fe1侧向生长并与Fe2连接的过程中走向逐步发生偏转而形成的，也可能是一条独立于Fe1和 Fe2的新生断裂，通过自身生长最终使Fe1和 Fe2相连接。

Ⅲ段上f处 (图5a4，b4)的情形与Ⅱ段上的c处相类似。该处发育的一段断裂Ff1将山口处断裂原来的锐角形态截断，Ff1后方呈三角形的上升盘的抬升幅度同样远低于其两侧山体抬升的高度，表明Ff1是一条较新的断裂，是在原山前断裂发育了一定阶段之后才形成的。

2.3 山前扇体内新生断裂的发育

除了前述段落间以及段落内断层的生长发育之外，还有一种类型的新生断裂。从空间分布特征来看，这种新生断裂发育在山前冲洪积扇的沉积层内，是山前断裂向盆地内部的进一步拓展和演化。

g处的这种新生断裂Fg1发育于山前的Q3p晚期洪积扇内(图6a，b)，Fg1切割了扇体，并形成了一段线性良好的陡坎地貌(图6c)。在陡坎上适当的地点横跨陡坎开挖了探槽(图6c中黑色实线矩形框所示)。探槽的东西两壁都很好地揭露了断层的存在。在探槽东、西壁位于断裂部位的照片拼接图(图6d，e)中都可以清楚地看到断层活动的迹象。

图6 g处新生断裂的生长发育情况Fig.6 The growth and evolution of the new fault in zone g.

断层面两侧的地层明显地被错断，而且在东、西两壁的上、下盘都找到了断错标志层，根据这些标志层测得断层的累积垂直位错量为5～6m。断层上、下两盘之间存在着一定宽度的破碎带，应该是断层多次活动的结果。断层下降盘之上也可见明显的地震崩积楔。其中位于崩积楔之下的一些地层(图6d中地层①、②，图6e中地层①)在断层活动面附近发生了弯曲现象，这可能是由于在随下降盘下滑的过程中受到拖拽而逐渐形成的。

目前Fg1只是在山体内形成了一小段断层陡坎，以后完全有可能通过侧向生长向陡坎两侧继续增长和延伸，可能的位置如图6a，b中红色虚线所示。

3 断层生长发育的特点和规律

通过分析得到以下有关断层生长和发育的一些特点和规律。

3.1 断层生长发育对断裂带几何形态的平滑作用

我们把上述地点的断层几何形态特征的差异分为两大类(图7a中(1)和(2)):

图7 断层生长发育的特点和规律Fig.7 Several characteristics and rules for fault growth and evolution.

第1类主要包括c，f，g 3处，这些地方原有山前断裂沿走向存在棱角状、弧状等不平滑的几何形态，新生断裂的发育往往“截弯取直”，将这些不平滑的几何形态截断、去除，具有平滑几何结构的作用(图7a(1))。g处的新生断裂虽然相对独立地发育于山前洪积扇之中，但是如果将它们与其后方呈不规则弧状、曲线状的山前断裂结合成一个整体来看，仍然呈现出对山前断裂不规则形态“截弯取直”的趋势和特点;可能是由于断层面刚刚出露地表，因此只在局部发育了的一段断层陡坎，尚未达到完全截断的程度，以后完全有可能通过侧向生长向两侧继续延伸。

第2类主要包括a，b，d，e等处，原有的2条断裂走向相近，并具有一定的间距，间距的存在造成了走向上的错断和平移，造成了几何结构的不连续，断层通过生长发育连接起这些间断的断层段，使断层的几何结构变得连续和平滑(图7a(2))。该类中看似并没有像第1类中的那些不规则形态，但是从更广义的角度来看，这种不连续性同样可以视为一种形态上的不规则、不平滑，断层生长发育及其对间断断层段的连接同样可以理解为对这种不规则几何结构的平滑过程，也就是广义上的“截弯取直”。

由此可见，断层的生长发育主要出现在几何形态不规则的区段，这主要取决于断层几何结构的不规则性，同时对这种不规则性具有“截弯取直”式的消除和平滑作用。断层生长发育的这种特点一定是有其内在的构造成因。就本文所讨论的蔚-广盆地南缘断裂带来说，断裂带继承了燕山期的某些构造面、弱化带，增加了几何结构上的复杂程度、不规则性，或者可以统一地说成粗糙度，具体表现为上述第1，2类中的各种不规则几何形态。在盆地内新的拉张应力场的环境之下，这种粗糙度在一定程度上增加了盆地内半地堑地块下滑运动面所受的摩擦阻力，对地块滑动产生阻碍作用，为了克服这种阻碍，断裂通过其生长和发育逐渐截断、去除这些棱角、曲折或间断等一系列的不规则形态，使滑动面的粗糙度降低，平滑度增加，更有利于半地堑地块的下滑运动(图7b，其中黑实线段表示原始断裂，黑虚线段表示断裂生长部分)。断层生长发育的这种平滑作用取决于并体现了构造运动的新生性特点。

此外，虽然上述各种不规则形态有着显著不同的空间尺度，但是均存在断层生长发育的现象，这说明断层的生长发育并不取决于不规则形态空间尺度的大小，而主要取决于几何形态本身所具有的不规则性。

3.2 断层生长发育的程度受不规则形态尺度的影响

前述各处的断层虽然都在生长发育，并对不规则形态进行“截弯取直”，但是“截弯取直”的程度却不尽相同。

3.1节的第1类不规则形态中，c和f的空间尺度相当，属于一个量级，它们均已被完全截断;相比之下，g对应的空间尺度明显要大一个量级，相应的截断程度明显偏低，尚有一多半的空区。

3.1节的第2类不规则形态中的空间尺度关系为e＜a＜b，其中e处已完全连接和截断，a处已大部分连接并即将截断，b处截断的程度最低，离两条断裂相连接尚有一大段距离。

以上的实际情况表明，随着不规则形态空间尺度的增大，“截弯取直”的程度呈现降低的趋势。这可能是因为随着不规则形态空间尺度的增大，断层需要通过生长更长的距离来克服粗糙度的阻碍，这样一来最终达到完全“截弯取直”程度所需的时间就越长;反之空间尺度越小，所需时间就越短。因此，在经历了相同的时间段之后，尺度较小的不规则形态已经被完全截断或连接，而尺度较大的不规则形态可能仍然正处于被截断或连接的过程之中，“截弯取直”的程度相对较低，表现出一定的滞后性，如图7c所示。

4 结论和讨论

综上所述，断层的生长发育主要具有以下几个方面的规律和特征:

(1)断层几何结构的不规则性是决定断层是否会生长发育的一个重要因素。这种不规则性主要体现在两个方面，一是几何形态的不平滑性，比如棱角状、弧状等一系列凸凹不平的形态特征;二是几何结构的不连续性，比如由于断层间距存在而形成的走向上的间断等。

(2)断层的生长发育往往会消除断层几何结构的不规则性，一方面截断、去除那些不平滑的几何形态，另一方面连接那些走向上发生间断的断层，具有一种“截弯取直”的效应。这种效应使得断层几何形态和结构变得更加平滑和连续，其结果是降低了断层滑动面的粗糙度，最终的目的是为了更加有利于盆地内半地堑地块沿断层滑动面进行下滑运动。

(3)不规则形态的空间尺度并非断层生长发育与否的决定性因素，但它却会对“截弯取直”的程度产生影响。不规则形态空间尺度越大，“截弯取直”的程度越低。

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THE GROWTH OF THE SOUTH MARGIN FAULT OF THE YUXIAN-GUANGLING BASIN IN NORTHWEST BEIJING AREA

WANG Lin1，2)TIAN Qin-jian2，3)LI De-wen2，4)ZHANG Xiao-liang2)
1)Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)China Earthquake Disaster Prevention Center，Beijing 100029，China
3)Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China
4)Institute of Crustal Dynamics，China Earthquake Administration，Beijing 100085，China

Yuxian-Guangling Basin is a half-graben basin unit belonging to the basin-ridge structure zone in northwest Beijing area.The southern boundary of this basin is controlled by a normal fault belt called the Yuguang Basin South Margin Fault(YBSMF).The YBSMF is about 120km long，with a general strike of N70°E，and is an active fault zone.

The YBSMF was evolved from the propagation，interaction or linkage of existing isolated segments and the forming of new fault segments，and there are actually many segments and places along the YBSMF where the faults propagate and grow.However，except the study on the fault growth at the Jiugongkou segment by Cheng Shaoping in 1998，which indicated that the fault has propagated several kilometers westwardly in the late Late Pleistocene alluvial fans，the research about the propagation and growth of the faults at other places and segments is quite limited.At these segments and places，in what ways or patterns does the fault propagate，grow，link and evolve?What on earth controls and affects the propagation and growth of the faults?All these questions still remain unanswered yet and deserve further analysis and study.

Based on high-resolution remote sensing image interpretation，DEM 3D analysis，field geological investigation，trenching and so on，we made a research on the fault growth of the YBSMF.According to the fault geometry，fault activity and the difference of the faulted landforms，the YBSMF belt can be divided into five segments:Shangbaiyang segment，Tangshankou segment，Beikou segment，Songzhikou segment and Shanghupen segment.The faults grow and evolve both between adjacent segments and within each segment.Besides，some new faults also form in the proluvial fans in front of mountains.After a detailed comparison and analysis of all the sites of fault growth along the YBSMF，we find out several characteristics and rules about the growth of the fault.

First，the faults often grow or evolve where the fault geometry is irregular，and the irregularity of fault geometry is a primary factor which determines whether the faults propagate and grow or not.The irregular segments where the faults propagate and grow can be divided into two categories.The first type mainly includes the uneven or unsmooth segments，such as the segments with convex or concave arcs，edges or corners，and so on;the second type mainly consists of two nearly parallel faults with a gap between them，which causes the discontinuity of the fault geometry along the strike.

Second，fault growth leads to the“cut off”and elimination of the irregularity of fault geometry，such as cutting off the uneven or unsmooth segments，and linking the discontinuous segments along the strike.The elimination of the irregularity makes the fault geometry smooth and continuous，and reduces the roughness on the sliding surface，which contributes to the downward slip of the half-graben block inside the basin along the sliding surface.

Third，the degree of“cut off”or elimination may be affected by the spatial scale of the irregular shape.As the scale of the irregularity increases，the fault will propagate a larger distance to overcome the hindrance of the roughness，so it will take more time for the irregular segments to be completely“cut off”or eliminated，and vice versa.Therefore，after the same period of time，the irregularity with a small scale has been completely“cut off”or eliminated，while the irregularity with a large scale may be still in the process of segment linkage or cutting off，so the degree of“cutting off”or elimination is lagging behind and relatively lower.

normal fault，fault growth and evolution，fault lateral propagation，roughness of the fault plane，cut-off

P315.2

A

0253-4967(2011)04-0828-11

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.04.008

2011-04-08收稿，2011-11-06改回。

财政部重大专项“我国地震重点监视防御区活动断层地震危险性评价”(201210916)资助。

王林，男，1982年生，2005年毕业于吉林大学地球科学与探测技术学院测绘工程专业，获学士学位，2008年毕业于中国地震局地壳应力研究所固体地球物理专业，获硕士学位，现为中国地震局地质研究所在读博士生，主要从事地震地质、构造地质、构造地貌方面的研究以及GIS技术在活动构造中的研究与应用，电话:010-82028100-3112，E-mail:wanglin 23010509@163.com。