青岛大沽河断裂活动性初步研究

李玉森, 汤士永, 何英泽, 刘 锐, 薛海滨, 李 炜

(1.青岛市工程地震研究所,山东 青岛 266003; 2.青岛市地震监测中心,山东 青岛 266034)

青岛大沽河断裂活动性初步研究

李玉森1,2, 汤士永1, 何英泽1, 刘 锐1,2, 薛海滨1,2, 李 炜2

(1.青岛市工程地震研究所,山东 青岛 266003; 2.青岛市地震监测中心,山东 青岛 266034)

大沽河断裂是青岛地区规模较大的一条隐伏断裂,前人对该断裂没有进行过详细的研究。由于缺乏足够的证据,无法确定该断裂的展布和产状,更加无法确定其活动性。本文首先基于地质图布设几条地球物理勘探测线,根据物探结果,选取三处异常点分别布设若干钻孔进行钻探验证。根据钻孔地层结构绘制三个联合地质剖面,剖面揭示有断裂通过,从而在土层中选取四个土样进行年代学测试。研究表明,大沽河断裂通过了地球物理勘探的三处异常点,基本确定了断裂走向;年代学测试结果表明该断裂为早更新世或中更新世早中期断裂,不属于活动断裂;根据统计规律,该断裂不会发生破坏性地震,也不会造成地表破裂,重大建设工程不需要避让该断裂。本研究具有十分重要的意义。

大沽河断裂; 活动性; 地球物理勘探; 钻探验证; 联合地质剖面; 土样年代学测试; 不活动断裂

0 引言

大沽河断裂是青岛地区一条重要的区域性隐伏断裂,该断裂大致沿着大沽河由北向南延伸。根据青岛市“环湾保护,拥湾发展”的规划布局,一大批大型建设工程将会在大沽河断裂周边建设,因而确定该断裂的空间展布和活动性就显得尤为迫切,这直接关系到这些建设工程抗震设防的科学性及合理性。

目前对大沽河断裂的研究大体上仍处于定性阶段,断裂空间展布主要依据地质图,但地质图并不太准确,缺乏有说服力的证据；断裂活动性也主要是定性描述,缺乏必要的定量数据,这样可靠性就显得不足,所以取得该断裂基本的活动性数据是科学合理地确定建设工程抗震设防要求的前提条件。笔者利用科研基金项目,结合洋河大桥和青岛新机场这两个重大建设项目的地震安全性评价开展相关工作,并采用地球物理勘探、钻探验证和年代学测定这三种基本方法对大沽河断裂开展研究,获得了较为可靠的数据,初步确定了大沽河断裂南段的空间展布及其活动性特征,为建设工程的抗震设防提供了科学的依据。

1 洋河大桥项目地球物理勘探及钻探验证

洋河特大桥项目位于洋河汇入胶州湾处,依据地质图,大沽河断裂从场地西侧通过。为确定其具体通过位置,布设了地球物理勘探测线(图1),在3-3′和4-4′测线发现了大沽河断裂异常。

图1 浅层折射波地震勘探测线布置图Fig.1 Arrangement plan of shallow seismic survey lines based on refracttion wave

依据地球物理勘探结果,采用布设排钻的方式对物探推测异常点进行验证。在洋河大桥的北岸4-4′线断裂异常点处布设了6个钻孔。

图2为钻孔联合地质剖面图。钻探揭示主要地层为全新统、上更新统、中更新统及白垩纪沉积岩,其基本地质特征如下:

(1) 全新统包括素填土、含淤泥质土。素填土厚5 m左右,呈褐色～黄褐色,主要成分为粉质黏土,松散、稍湿,为修拦河坝而回填,其时间不长,经夯实处理；含淤泥质土厚8 m左右,呈灰黑色或浅黑色、软塑～可塑,为海相沉积,含有贝壳类碎屑。

(2) 上更新统包括粉质黏土和粉细砂。厚约7 m左右,粉质黏土呈褐黄色,硬塑,结构致密,局部可见浅绿色氧化条带,还可见直径约1～2 cm的姜石；粉细砂呈褐黄色,含有大量的黏性土,岩芯成型性较好。

(3) 中更新统包括粉质黏土和中粗砂。厚度6 m左右,粉质黏土呈黄褐色～褐黄色,硬塑、结构致密,可见直径约1～3 cm的姜石；中粗砂呈棕黄色、密实、级配良好、成分以长石、石英为主,钻孔底部可见石英质的砾石,个别砾石氧化现象明显,是第四纪中更新世的产物,砾石粒径约2～8 mm,局部混少量淤泥质粉质黏土,缺失下更新统地层。

(4) 钻孔N3～N6中的白垩纪沉积泥岩,为紫红色,岩石风化较强烈,岩石硬度降低,岩芯保存较完整,可用硬物将其剖碎。其中夹有含砾砂岩,岩芯成碎块状,砾石有不同程度的磨圆,这也是区分是否为断裂破碎岩的主要标志。

(5) 钻孔N2中可看到断层物质,该构造岩分布在钻孔N2中的27.20～27.50 m处,厚约30 cm,以碎粉碎裂岩为主,夹杂浅灰绿色的碎粉岩物质,高岭土化蚀变现象较明显,岩芯呈紫红色—灰绿色。

钻孔N1与N2的含砾砂岩岩芯完整性较好,而其他钻孔中的含砾砂岩岩芯均已破碎。这说明虽然是同样的地质环境,但其岩石风化程度有所不同,N1和N2下部的白垩系与其他钻孔同深度的白垩系岩石物理性质不同。在N3中第26.90～29.00 m中,岩芯呈碎块状,碎裂岩块呈棱角状,局部也可见到碎粉岩物质,确认为构造碎裂岩,岩芯中没有发现断层的断面构造,碎粉岩中可见到矿物颗粒重结晶现象,没有呈现挤压痕迹。

图2 洋河大桥北侧联合地质剖面图Fig.2 The composite drilling geological section in the north of Yanghe Bridge

钻孔N1和N2的白垩系沉积岩的岩层层位及厚度均不能与其他钻孔中的岩体层位及厚度相对应,据此推断,N2和N3之间存在断层,且断层以平移为主,这是造成断层东西两盘岩石物理性质及岩体层位均不相同的主要原因。又由于该断层的西盘(N1和N2)岩芯较为完整,含砾砂岩岩芯也较为完整,岩石硬度相对较大,风化程度相对较低,而东盘(N3～N6)岩芯中局部较为破碎,主要是含砾砂岩较为破碎,岩石硬度相对较小,风化程度较高,因此西盘岩石比东盘岩石成岩时代要早。另外断层内部物质重结晶的晶型也揭示断层没有受过挤压,由此推断断层具有张性特征,呈正断层性质。

排钻控制区分布有全新世统、上更新统、中更新统地层,这些地层层序清晰、层位稳定,各层厚度基本稳定,没有明显的变化,观察不到断裂对第四系造成明显影响的痕迹。由于断裂内部物质并没有胶结成岩,所以大沽河断裂不是前第四系断裂。

2 青岛新机场项目地球物理勘探及钻探验证

1∶20万地质图(青岛幅、灵山卫幅)显示,大沽河断裂从新机场东侧通过。由于其为隐伏断裂,故采用地球物理勘察与钻孔验证相结合的方法,确定该断裂的空间分布和活动性特征。物探测线布置和验证钻孔位置见图3。其中5-5′和6-6′测线显示有大沽河断裂的异常。

在恒载以及人群活载的共同作用下，桥梁工程结构可能会发生变形，根据模型计算分析，该桥梁工程竖向最大位移量为48.7mm，并且发生在桥梁跨中处十字剪刀撑，与起拱控制挠度值相比，最大位移偏大15.0mm，因此，在该结构位置进行安装时，应该注意采用预先起拱的方式，其值则为在恒载+人群活载共同作用下所产生的竖向挠度，同时还应该注意采用圆滑曲线设置形式。在荷载的组合作用下，该桥梁工程结构竖向的最大位移量为109.7mm，而最大控制挠度值为125mm，因此能够满足桥梁工程设计规范。

图3 物探测线布置和验证剖面位置图Fig.3 Arrangement plan of geophysical survey lines and checking profiles

在机场东侧,大沽河拐弯河堤处和李哥庄镇北处物探测线的异常点处分别布置钻孔进行验证,见图3中的A点和B点。

(1) 大沽河拐弯河堤处钻孔勘察(A点)

图4是大沽河河堤拐弯处钻孔联合地质剖面图,钻孔以字母A编号。钻孔基本地质特征如下:

图4 大沽河河堤处联合地质剖面图Fig.4 The composite drilling geological profile in the bank of Dagu River

该钻探勘察范围内主要地层为第四纪全新世素填土、晚更新世粉质黏土、中更新世含淤泥粉质黏土,基岩为中生代安山岩。

素填土呈褐色～黄褐色、稍湿、较为松散,厚3 m 左右,主要成分为粉质黏土夹少量碎石、砂砾,含大量植物根系。粉质黏土呈褐色、中密、可塑,厚约1.5 m左右,切面较光滑,韧性中等。含淤泥粉质黏土呈灰褐色～浅灰黑色、较软、可塑,厚约1.7 m左右,软塑～可塑,稍有异味,含有机物。基岩为白垩纪安山岩,灰绿色～褐绿色,隐晶质结构,块状构造,安山岩中穿插有大量宽约1～2 cm的白色～灰白色岩脉,岩脉的矿物成分为灰石和方解石,岩石风化程度较高。

在A2号钻孔中20.5～22.0 m处可见碎裂岩,垂直厚度近1.5 m,岩芯呈碎块状,直径多在1～1.5 cm,破碎的岩块为棱角状。该段进尺较慢,岩芯采集率较低。A3号钻孔中11.2～13.10 m和20.1～22.0 m处可观察到碎裂岩,岩芯破碎较严重,碎块直径多在1.0 cm左右,少数2 cm左右,碎块棱角分明。在A4号钻孔中8.5～10.0 m处可见分布在中风化安山岩之下的碎裂碎粉岩,呈灰绿色,稍湿,用手可以搓动,呈泥状或砂状,其发育不是很完全,可见到原岩的矿物颗粒被压扁呈定向排列的状态。

在该勘察处,第四系厚度约6 m左右,地层层位稳定,厚度变化不大,基岩面起伏也不大,未发现第四系地层受到下覆断层影响的痕迹,断层物质没有胶结成岩。

(2) 李哥庄北勘察处(B点)

该钻探勘察范围内主要地层为第四纪全新世素填土、晚更新世粉质黏土、中更新世淤泥质粉质黏土和中粗砂,基岩为中生代泥岩。

素填土呈黄褐色、稍湿、较为松散,厚1 m左右,主要成分为粉质黏土夹少量碎石、砂砾,含大量的植物根系。粉质黏土呈黄褐色～褐色、中密、可塑,厚约2 m左右,切面较光滑,韧性中等。含淤泥粉质黏土呈灰褐色～浅灰黑色、较软、可塑,厚约1.8 m左右,软塑～可塑,稍有异味,含有机物。中粗砂呈黄褐色、中密、稍湿,磨圆中等,分选中等。基岩以白垩纪泥岩为主,紫红色～砖红色,泥质结构,块状构造,岩石风化程度较高。B4和B5号钻孔中还分布有砂岩,紫红色～灰白色,中细粒砂质结构,块状构造。

图5 李哥庄北侧联合地质剖面图Fig.5 The composite drilling geological section in the north of Ligezhuang town

B2钻孔中的构造岩较发育,在B2号钻孔中21.8～23.0 m和24.00～25.50 m处可见碎粉岩,呈浅蓝色、稍湿,用手可以搓动呈泥状或砂状,碎粉岩发育不完全,可见到原岩的矿物颗粒呈鳞片状分布。

B3号钻孔中22.1～23.10 m处也可见到泥岩破碎,但破碎程度较低,碎块的直径大致在1.5～2.0 cm之间,多呈棱角状;另有一些沿泥岩的层理破碎的现象,碎块多为片状。

B4号钻孔中25.1～26.10 m和27.1～28.20 m处为碎裂岩,岩石破碎程度较高,碎块直径大致在1～1.5 cm,破碎的岩块为棱角状。该段进尺慢,取芯困难。B4号和B5号钻孔夹有砂岩,呈灰白色,而其余钻孔中没有该岩层,所以地层无法对应,这是走滑断层活动的主要证据,结合地质图,推断该断裂具有左旋走滑性质。

3 年龄样测试

测年是确定断裂活动时代的证据之一,在洋河大桥项目验证钻孔N2和N3的粉质黏土中分别取1个测年土样(土样一、土样二),在新机场项目大沽河拐弯河堤处验证钻孔A2和A4的淤泥质粉质黏土中分别取1个测年土样(土样三、土样四)。委托山东省地震工研究院进行光释光测年,结果见表1。这些样品代表未受断裂影响的最老地层,见图2和图5。

测年结果表明,土样年龄为第四纪中更新世晚期,大沽河断裂并没有影响到土样所在地层,所以大沽河断裂活动时代应在此之前。钻孔揭示断层物质并没有胶结成岩,所以大沽河断裂也不属于前第四纪断裂。根据钻孔地质特征和年龄样测年结果综合判定大沽河断裂为第四纪早更新世断裂或中更新世早中期断裂。

表1 光释光测年结果

统计显示,中国东部地区晚更新世以前发生活动的断裂不会发生造成地表错断或破裂的地震,大沽河断裂为早更新世或中更新世早中期断裂,所以它不会造成地表破裂,也不会影响建设工程的稳定性。

4 结论及存在的问题

本文使用地球物理勘探、钻探验证及土样测年等技术方法对大沽河断裂进行了初步研究,得到如下结论:

(1) 大沽河断裂为隐伏断裂,该断裂南起红石崖,向北经洋河入海口、李哥庄镇、蓝村镇、任兆镇,到达南墅镇南,长约54 km,总体呈N10°E方向延伸,沿走向略有弯曲,断裂面近直立,为左旋走滑正断层。

(2) 大沽河断裂为早更新世或中更新世早中期断裂,不属于活动断裂,不会造成地表破裂,不会影响建设工程的稳定性。

大沽河断裂是一条规模较大的区域性隐伏断裂,受条件限制,本文仅在断裂的局部地段选取了两处物探异常点布设了钻孔进行钻探验证,并取四个土样进行年代学测试,从定量角度获得了对该断裂的初步认识,这为本地区合理确定抗震设防要求提供了重要依据。以上结论仅是初步研究结果,今后继续在其他地段开展进一步研究,从整体上准确把握该断裂的空间展布和鉴定其活动性是十分必要的。

References)

[1] 刘志杰,庄振业,韩德亮,等.全新世胶州湾海侵及大沽河古河口湾的形成和演变[J].海岸工程,2004(1):5-12. LIU Zhi-jie,ZHUANG Zhen-ye,HAN De-liang,et al.Holocene Transgression in the Jiaozhou Bay and Formation and Evolution of the Daguhe Paleoestuarine Bay[J].Coastal Engineering,2004(1):5-12.(in Chinese)

[2] 栾光忠,刘红军,刘冬雁.青岛胶州湾3.2级地震构造背景与控震断裂[J].青岛海洋大学学报:自然科学版,2002,32(5):763-769. LUAN Guang-zhong,LIU Hong-jun,LIU Dong-yan.The Background of Seismic Structure and Controlled-Earthquake Fault of 3.2 Grade Earthquake in Jiaozhou Bay in Qingdao[J].Journal of Ocean University of Qingdao:Natural Science Edition,2002,32(5):763-769.(in Chinese)

[3] 栾光忠,王红霞,尹明泉,等.青岛城市主要断裂构造特征以及对城市地质环境的影响[J].地球学报,2010,31(1):102-108. LUAN Guang-zhong,WANG Hong-xia,YIN Ming-quan,et al.Characteristics of Main Faulted Structures in Qingdao City and Their Influence on Urban Geological Environment[J].Acta Geoscientica Sinica,2010,31(1):102-108.(in Chinese)

[4] 李桂群.青岛区域构造特征及其与地震的关系[J].海洋湖沼通报,1994(3):26-31. LI Gui-qun.The Regional Structure Characteristics and Their Relation to Earthquakes in Qingdao[J].Transaction of Oceanology and Limnology,1994(3):26-31.(in Chinese)

[5] 李起彤.活断层及其工程评价[M].北京:地震出版社,1982. LI Qi-tong.Active Fault and Its Engineering Evaluation[M].Beijing:Seismological Press,1982.(in Chinese)

[6] 郭玉贵,邓志辉,尤惠川,等.青岛沧口断裂的地质构造特征与第四纪活动性研究[J].震灾防御技术,2007,2(2):102-115. GUO Yu-gui,DENG Zhi-hui,YOU Hui-chuan,et al.Geological Features and Quaternary Activities of Cangkou Fault in Qingdao[J].Technology for Earthquake Disaster Prevention,2007,2(2):102-115.(in Chinese)

[7] 栾光忠,赵淑娟,王庆帅,等.青岛劈石口断裂的构造特征和现代活动性研究[J].中国海洋大学学报,2009,39(2):299-303. LUAN Guang-zhong,ZHAO Shu-juan,WANG Qing-shuai,et al.Structural Characteristics and Modern Activity Study of Pishikou Fault in Qingdao[J].Journal of Ocean University of China,2009,39(2):299-303.(in Chinese)

[8] 王志才,晁洪太,杜宪宋,等.南黄海北部千里岩断裂活动性初探[J].地震地质,2008,30(1):176-186. WANG Zhi-cai,CHAO Hong-tai,DU Xian-song,et al.Preliminary Survey on the Quaternary Activities of the Qianliyan Fault in the Northern Part of the South Yellow Sea[J].Seismology and Geology,2008,30(1):176-186.(in Chinese)

[9] 邵崇建,李勇,周游,等.2014年云南鲁甸MS6.5地震发震构造特征及动力源分析[J].地震工程学报,2015,37(4):1082-1089. SHAO Chong-jian,LI Yong,ZHOU You,et al.Analysis of the Dynamic Source and Characteristics of the Seismogenic Structure of the Ludian YunnanMS6.5 Earthquake of 2014[J].China Earthquake Engineering Journal,2015,37(4):1082-1089.(in Chinese)

[10] 陈永新,迟明杰,李小军.地表岩土层对地震动特性的影响分析[J].地震工程学报,2015,37(3):743-747. CHEN Yong-xin,CHI Ming-jie,LI Xiao-jun.Effect of Overlaying Rock and Soil Layers on Ground Motion Characteristics[J].China Earthquake Engineering Journal,2015,37(3):743-747.(in Chinese)

[11] 徐溶,陈时军,王峰.沂沭断裂带及其附近地区构造应力场研究概要[J].地震工程学报,2014,36(1):158-169. XU Rong,CHEN Shi-jun,WANG Feng.Study on Tectonic Stress Field in Yishu Fault Zone and Its Adjacent Areas[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(1):158-169.(in Chinese)

[12] 邵延秀,袁道阳,何文贵,等.陇南市活断层地震危险性评估[J].地震工程学报,2014,36(3):645-655. SHAO Yan-xiu,YUAN Dao-yang,HE Wen-gui,et al.Seismic Hazard Assessment for Active Faults of Longnan City[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(3):645-655.(in Chinese)

[13] 徐锡伟,江国焰,于贵华,等.鲁甸6.5级地震发震断层判定及其构造属性讨论[J].地球物理学报,2014,57(9):3060-3068. XU Xi-wei,JIANG Guo-yan,YU Gui-hua,et al.Discussion on Seismogenic Fault of the LudianMS6.5 Earthquake and Its Tectonic Attribution[J].Chinese Journal of Geophysics,2014,57(9):3060-3068.(in Chinese)

A Preliminary Study of the Activity of Dagu River Fault in Qingdao Area

LI Yu-sen1,2, TANG Shi-yong1, HE Ying-ze1, LIU Rui1,2, XUE Hai-bin1,2, LI Wei2

(1.QingdaoEngineeringEarthquakeInstitute,Qingdao266003,Shandong,China; 2.EarthquakeMonitoringCenterofQingdaoCity,Qingdao266034,Shandong,China)

The Dagu River fault is a large buried fault in Qingdao area, which extends from the north to the south along the Dagu River. There have been no previous studies that cautiously focused on this fault. As there is no adequate analysis data, researchers are unable to ensure the fault distribution and attitude. In addition, they cannot ensure the fault activity. In this study, we first arranged several geophysical exploration lines based on the geological map. Then, according to the geophysical exploration, we selected three abnormal sites to drill several holes and subsequently developed three combined geological profiles with respect to stratum. On the basis of the geological map, three abnormal sites, and combined geological profiles, we found where the fault passes through. We selected four soil samples from the stratum to test their chronology. Research shows that the Dagu River fault passes through the three abnormal sites because the stratum changed in different holes. We virtually make sure the fault's trend and distribution. Chronology test report shows that the age of the Dagu River fault is early Pleistocene or early mid-Pleistocene, but it is not an active fault. According to statistical regularity, the Dagu River fault will not initiate any destructive earthquakes or rupture the earth's surface. Therefore, large-scale projects should not be away from the fault. As numerous large-scale projects will be initiated in Qingdao area, conducting this study is essential in actual projects.

Dagu river fault; activity; geophysical exploration; drill verification; combined geological profile; soil sample; chronology test; inactive fault

2015-12-14 基金项目：山东省地震局青年基金项目(JJ1402Y);青岛市地震局专项课题(16Z07)作者简介：李玉森(1979-),男,硕士,高级工程师,主要从事地震地质、活动构造、工程地震学等方面的研究。E-mail:lys2001605@sohu.com。

TU47

A

1000-0844(2016)06-0964-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0964