太行山山前断裂带中北段晚第四纪活动性研究1

高战武 吴 昊 李光涛 程 理



太行山山前断裂带中北段晚第四纪活动性研究

高战武 吴 昊 李光涛 程 理

（中国地震灾害防御中心，北京 100029）

本文通过浅层地震勘探和钻孔联合剖面探测，对太行山山前断裂中北段内相关断裂的空间位置和晚第四纪活动性进行了探测和研究。综合认为，保定-石家庄断裂和徐水断裂的最新活动时代为晚更新世早期，而徐水南断裂晚更新世以来没有活动。上述断裂的最大潜在地震震级为6.5级。

太行山山前断裂带 晚第四纪活动性 浅层地震勘探 钻孔联合剖面

引言

断裂活动性及其地震危险性和地表位错的可能性评估，是地震地质研究领域内的一项重要内容，对制定防震减灾对策具有重要意义（邓起东，2002）。

保定市地处北京、天津、石家庄三角地带，素有“京畿重地”、“首都南大门”之称。保定高新技术产业开发区位于保定市西北部，西靠太行山脉，东面是广阔的华北平原，地势平坦。但在地质历史时期，这里曾是太行山隆起区与华北平原断陷区的交接地带，发育一条规模巨大的断裂带，地质学上称之为“太行山山前断裂带”。只是到了第四纪，由于地球动力环境的变化，这条断裂带活动性逐渐减弱，由太行山区风化侵蚀而来的沉积物覆盖在断裂带上，形成今天由太行山东麓向华北平原过渡的倾斜平原。

应保定高新技术产业开发区规划局要求，笔者对穿过该开发区内的太行山山前断裂带中北段内相关断裂（保定-石家庄断裂、徐水断裂和徐水南断裂）的空间位置及活动性进行了探测研究，并根据区域地震构造环境及历史地震活动性对其地震危险性进行了初步评估。

1 区域地质背景

太行山山前断裂带是我国华北地区一条著名的断裂带，构成了华北平原裂陷盆地区与太行山断块隆起区的构造分界线，由10多条长数10km至上100km的北东-北北东向的断裂组成（图1）。大致以涞水、隆尧和安阳为界，分为北段（怀柔-涞水段）、中北段（涞水-隆尧段）、中南段（隆尧-安阳段）、南段（安阳-新乡段）等4段。其中，中北段由徐水断裂、保定-石家庄断裂和晋县断裂及其控制的保定凹陷、石家庄凹陷、徐水凹陷和晋县凹陷组成（徐杰等，2000）。

徐水断裂在满城附近与保定-石家庄断裂左阶斜列，二者之间被徐水南断裂隔开，而徐水断裂又与北边的大兴断裂相连（图1），它们总体走向北东40°—45°，倾向南东，据石油地质资料（徐杰等，2000），断面呈上陡下缓，为典型的铲状形态。保定-石家庄断裂于晚侏罗世―早白垩世开始控制了石家庄-保定断陷盆地的发育，断陷南部上侏罗统―白垩系厚4000余米。到早第三纪的古新世和始新世，它与徐水断裂和大兴断裂一起强烈拉张活动，构成冀中坳陷的西界，沿断裂发育了石家庄、保定、徐水、廊（坊）固（安）等凹陷，组成冀中坳陷的西部凹陷带。其沉积中心在保定凹陷及廊（坊）固（安）凹陷，地层厚达4000—5000m。至渐新世，保定-石家庄断裂和徐水断裂活动减弱。保定-石家庄断裂早第三纪的垂直落差为4000—6000m，水平拉张断距（伸展量）也达17—19km（徐杰，1986)；晚第三纪以来，它们的水平拉张断距和垂直断距甚小。

晋县断裂斜接于保定-石家庄断裂的南端，走向北东40°，倾向北西，倾角30°—40°。晚侏罗世―早白垩世时，它与保定-石家庄断裂南段一起控制了地堑式断陷盆地的发育，堆积厚3000—4000m的上侏罗统和白垩系。早第三纪，断裂控制了晋县凹陷，堆积的下第三系厚3000m左右。

关于太行山山前断裂带内各断裂的活动性问题，根据现有资料，其北段活动性最强。徐杰等（1992）根据对地质资料的分析，认为八宝山断裂活动主要在早更新世，此后活动甚弱；黄庄-高丽营断裂中更新世仍显著活动，其北段活动持续到晚更新世甚至全新世。陈国星等（1994）根据地质剖面分析，认为黄庄-高丽营断裂中段芦井一带为晚更新世活动。徐锡伟等（2002）通过钻孔岩芯对比，发现黄庄-高丽营断裂北段为全新世活动断裂，距今28ka期间，至少曾发生过6次错动事件，平均间隔约4600a，推测最新一次错动发生在距今（3510±100）a左右。胡平等（2000）认为，顺义一带的地裂缝分布与顺义-良乡断裂的活动性有关，继而认为顺义-良乡断裂顺义段为全新世活动。

关于中北段，刘伯礼等（1991）通过浅层地震勘探，推测保定-石家庄断裂石家庄段第四纪无明显活动。最近，石家庄市活断层探测项目也初步证实了上述结论。

关于中南段，侯治华等（2008）通过浅层地震探测与跨断层的阶地变形分析，认为邯郸断裂晚更新世以来仍有活动。南段活动性较北段弱，但较中北段和中南段强，推测为晚更新世活动断裂，但尚未有确切的活动性证据。

2 研究方法

由于太行山山前断裂带中的相关断裂均为隐伏断裂，因此本次工作以浅层地震勘探与钻探，来查明断裂的位置及其断错的最新地层。第四系地层测年采用热释光测年方法。断层定位采用手持GPS，定位精度为5m。地震危险性评价主要根据断裂活动性、历史地震活动性及区域地震构造环境进行综合评估。

2.1 浅层地震勘探

地震勘探方法是探测地下地质构造的有效手段，对隐伏断层的探测目前主要采用地震反射波法。该方法利用多次覆盖技术压制干扰，提高地震资料的信噪比，利用地震叠加时间剖面上丰富的反射波信息判断构造形态和断层的位置、上断点的埋深、断面的倾向和倾角、断层的性质等。因此，本次断层控制性浅层地震勘探工作中，采用多次覆盖反射波勘探方法。

地震勘探工作采用北京水电物探研究所生产的SWS-5型数字地震仪。震源采用2000kg吊锤震源。检波器采用固有中心频率为48Hz的高灵敏度检波器，并采用三只串的组合形式。

在正式进行地震勘探工作前做了噪声测试，目的是了解勘探区内的有效波和干扰波特征，选择最佳工作参数及观测方式。通过噪声试验记录的分析对比，确定本次地震工作根据勘探深度不同采用两套观测系统。其中，G1、G2、G3、G4、G5、G6线采用反射波多次覆盖技术，6次覆盖，24道检波器接收，道间距5m，炮间距10m，偏移距160m；G7、G8、G9测线采用反射波多次覆盖技术，6次覆盖，24道检波器接收，道间距3m，炮间距6m，偏移距84m（图2）。

使用北京水电物探公司CSP3.3软件对地震资料进行处理，得到各测线的地震时间叠加剖面。

这里选择其中几条典型剖面进行说明。

G1测线北起徐水县界（39°00′35″N，115°25′49″E），南至西家庄村南（38°58′54″N，115°25′48″E），近南北走向，测线长2.9km。地震时间叠加剖面上存在3组连续性较好，能量较强的反射波同相轴（图3）。根据与本次工作其他测线反射界面的对比，自上而下编号为T、T、T，其双程反射时间分别为210ms、330ms、410ms。G1测线存在一个断点F，南倾。断点距测线起点750m，上断点埋深约100m，由于T界面以上，再无明显的反射界面，因此，T界面以上地层断错情况不明。

G3测线北起西贤台村南（38°58′19″N，115°26′10″E），南至东贤台村北（38°57′26″N，115°26′13″E），近南北走向，测线长1.5km。地震时间叠加剖面上存在5组连续性较好、能量较强的反射波同相轴（图4），根据与本次工作其他测线反射界面的对比，自上而下编号为T、T、T、T、T，其双程反射时间分别为160ms、250ms、330ms、430ms、490ms。G3测线存在一个断点F，南倾。主要表现为T、T、T反射波同相轴同步位错，断距60m，其上T、T反射波同相轴连续。断层在距测线起点830m，上断点埋深约189m。

G7测线沿小徐城村北公路布置，近东西走向（38°59′28″N，115°24′38″E至38°59′28″N，115°25′5″E），测线长615m。地震时间叠加剖面上存在6组连续性较好，能量较强的反射波同相轴（图5）。根据与本次工作其他测线反射界面的对比，自上而下编号为T、T、T、T、T、T，其双程反射时间分别为120ms、150ms、200ms、220ms、260ms、290ms。G7测线存在一个断点F，断面东倾。断层在距测线起点477m，上断点埋深约102m。

G9测线位于北外环北，近东西走向（38°56′47″N，115°25′39″E至38°56′47″N，115°26′4″E），测线长612m。地震时间叠加剖面上存在4组连续性较好、能量较强的反射波同相轴（图6）。根据与本次工作其他测线反射界面的对比，自上而下编号为T、T、T、T，其双程反射时间分别为160ms、200ms、230ms、266ms。G9测线存在一个断点F，东倾。断层同步位错T、T、T反射波同相轴，但没有断错T反射波同相轴，断距15m。断层在距测线起点222m，上断点埋深约111m。

2.2 钻探

为验证浅层地震勘探结果，在G7测线发现的F断点的位置，布设1组4个深100m，孔距30—150m的钻孔，进行钻孔联合地质剖面探测。各钻孔位置见表1。

表1 钻孔位置及深度

图7是钻孔联合柱状图。4个钻孔中所揭露的地层可分为15—19层，这些分层可概括为以下八组。

第一组为表层耕植土及杂填土，厚0.5—2.0m。

第二组为一套浅黄色的粉、细砂或粉土层，其中，1、2、4号孔以粉、细砂为主，3号孔以粉土为主。该组地层总厚5.0—7.3m。

第三组为一层灰黑色淤泥质粘土，仅1、2、3号孔有揭露，厚1.0—3.0m。

第四组为一套浅黄色粉质粘土与粉土互层，局部夹粉砂层，其中，3号孔夹二层厚分别为1.2m和1.7m的粉砂层，4号孔夹一层厚1.0m的粉砂。该组地层总厚28.0—31.0m。

第五组为一层质地较硬的灰白色钙板层，其中，2、3、4号钻孔由一层钙板层组成，厚0.5—1.0m，1号钻孔由二层钙板层夹一层粉土组成，厚4.5m。

第六组为一套棕黄色、浅棕红色的粉土与粉质粘土互层，含较多钙质结核，其中，1、4号钻孔夹有较多细砂层，厚17.5—41.5m。

第七组为一层较薄的质地坚硬的灰白色钙板层，厚0.4—1.3m。

第八组以浅红褐色、棕黄色粉质粘土为主，普遍含铁、锰质结核，其中，2号钻孔夹较多粉砂层，厚15.0—41.0m。

其中在1号钻孔深81.6—87.5m处，见多条断层（图8）。这些断层面平行发育，断层面光滑，斜向擦痕明显，沿断层面发育高岭土薄膜样的断层泥，铁锰结核被明显错断。在2号钻孔深49.3m处，于红褐色粉质粘土夹粉土地层中见一条断层滑动面，但断层面上滑动现象较弱，无明显位移断错现象。在4号钻孔深83.9—97.3m处，亦见多条磨擦面，断面上见明显的斜向擦痕及较薄的断层泥（图8）。

根据钻孔揭露的断层位置，及各套地层的对比，认为钻孔1于81.6—87.5m处揭露的断层为主断层，它错断了第六、七、八组地层，向上延伸至2号钻孔49.3m处已表现很弱，第五套地层没有错断。4号钻孔所揭露的断层为次级断层。

（a）（b） （c） （d）（e）

3 断裂活动性分析

3.1 地震反射界面地质时代确定

地震勘探获得的反射时间剖面上存在7组震相比较清楚、基本可以追踪的反射波（图3—图6）。

中国地层指南及中国地层指南说明书（全国地层委员会，2001）对我国第四纪地层系统年代格架做了如下规定。N/Q界线取古地磁松山-高斯极性时界线，简称古地磁M/G界线，年代为2.58Ma或约2.60Ma；早/中更新世界线取古地磁布容-松山极性时界线，简称古地磁B/M界线，年代为0.78Ma；晚更新世的开始取相当深海氧同位素5阶段开始的古地磁布莱克（Blake）亚带底界，年代约0.128Ma；全新世底界取大体相当深海氧同位素1阶段开始的0.01Ma。

由于保定地区没有进行过古地磁研究的钻孔资料，因此，根据王强等（2003）对华北平原第四系的研究结果，对保定地区第四系厚度及第四系内部地层界线做出推测，以确定地震反射时间剖面中各反射界面的地质时代。

王强等（2003）对华北平原第四系下限的研究结果认为，华北平原第四系底界（M/G界线）258—493m，平均350m。早/中更新世界线（B/M界线）深90—200m，平均145m，早更新世厚度占整个第四系60%。

保定地区位于华北平原西部，太行山东麓，其第四系厚度应小于华北平原的平均值。通过对地震反射时间剖面中的7组反射界面（表2）的对比分析，T界面能量较强，各测线中双程反射走时290—370ms，深230—250m，确定为第四系底界。T界面双程反射走时150—160ms，深90m，确定为早/中更新世界线。各测线地质解释剖面见图3—图6。

表2 浅层地震勘探剖面中各反射界面地质年代

3.2 断裂活动性分析

根据地震勘探获得的反射时间剖面的反射波组特征，通过波组的对比和追踪，确定了断点位置及其基本属性。并根据各断点两侧反射波组特征的差异对断点进行了可靠性评价，评价分为可靠、较可靠、一般三级。本次评价断点7个，其中可靠4个，较可靠2个，一般1个（表3）。

表3 浅层地震勘探断点属性

通过对断点特征（包括倾向、倾角、断距）的分析及其平面位置的分布、活动性等特征的仔细分析，基本确定了徐水、保定、徐水南三条断裂的位置（图2）。下面对上述三条断裂的活动性进行分析。

徐水南断裂：G3测线与G8测线是为控制徐水南断裂而布设的测线。其中G3测线发现断裂，断错埋深250m左右的第四系底界面。G8测线有效探测深度130m，没有发现断裂。上述资料说明徐水南断裂为早中更新世断层。

徐水断裂：G1、G6、G7是为控制徐水断裂而布置的测线。上述3条测线均发现断裂，上断点最浅100—102m。钻孔联合剖面中在1号孔中揭露断层规模最大，地层对比表明，埋深65—80m的钙板层（测年结果为距今157.83±17.36ka—177.98±19.58ka）被断错15m，断层向上至49.3m处，已表现较弱。钻孔剖面中深41—43m的钙板层（测年结果为距今92.61±7.87ka—115.26±9.80ka）在4个钻孔中标高基本一致，说明断层在此钙板沉积以后，没有活动。由此认为，徐水断裂在晚更新世早期仍有活动。

保定断裂：G4、G5、G9是为控制保定断裂而布置的测线。上述3条测线均发现断裂，上断点最浅111m。上述各测线中保定断裂断错层位与徐水断裂相似，因此，其最新活动时代应与徐水断裂相近，为晚更新世早期。

4 讨论

断裂活动性鉴定是一项复杂的工作，对于隐伏断裂，由于目前广泛采用的浅层地震勘探、钻探等方法精度均较低，其结果往往具有较大的不确定性。本文关于太行山山前断裂中北段内的徐水断裂、保定断裂和徐水南断裂的活动性评价结果肯定也具有较大的误差，希望随着探测方法与手段的不断改进，本文的结果能得到修正或验正。

本文所论述的太行山山前断裂中北段位于华北平原西北侧。前人根据历史地震活动及地质构造分析，认为华北平原地区存在2条北东向和1条北西向的地震构造带（徐杰等，1996；高战武等，2004），6级以上地震活动明显受上述地震带控制。太行山山前断裂中北段正好夹于2条地震带之间。同时考虑到我国东部地区历史上发生6.5级以上地震的断裂一般均具有明显的晚更新世活动现象，而太行山山前断裂中北段内各条断裂的最新活动时代仅延续到晚更新世早期，且活动较弱。因此，笔者认为，对太行山山前断裂中北段内的保定断裂和徐水断裂的最大潜在地震能力宜定为6.5级；徐水南断裂的最大潜在地震能力宜定为6.0级。

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Late Quaternary Activity of the Central-North Segment of Taihang Mountain Piedmont Fault Zone

Gao Zhanwu, Wu Hao, Li Gangtao and Chen Li

(China Earthquake Disaster Prevention Center, Beijing 100029, China)

The location and late Quaternary activity of the Central-North Segment of the Piedmont fault zone in Taihang Mountain have been studied by shallow seismic survey and combined drill exploration. Our results show that the Baoding-Shijiazhuang fault and the Xushui fault was active in late Pleistocene, but the fault in south of Xushui was inactivity since late Pleistocene. The maximum magnitude of potential earthquake of the faults is 6.

Piedmont fault zone of Taihang Mountain; Activity in late Quaternary; Shallow seismic survey; Combined drill section

1基金项目 我国地震重点监视防御区活断层地震危险性评价项目资助

2013-07-22

高战武，男，生于1970年。博士，副研究员。主要研究方向：地震构造与工程地震。E-mail: 515214334@qq.com

高战武，吴昊，李光涛，程理，2014．太行山山前断裂带中北段晚第四纪活动性研究. 震灾防御技术，9（2）：159—170.