永定河断裂带南东段初探

魏 波，何付兵,2，董 静，刘立岩，张 巍

（1.北京市地质调查研究院，北京 100195；2.中国地震局地质研究所，北京 100029）

0 前言

永定河被誉为北京的“母亲河”，北京城就坐落在其冲洪积平原之上。地质历史时期，永定河曾发生过多次迁移改道，在北京平原上留下了古清河、古金沟河、漯水、无定河（未定河）、浑河等多条古河道，其河道的迁移和平面形态的变化受平原区隐伏断裂活动控制（孙秀萍等，1982；北京市地震地质会战第四专题组，1982），永定河断裂就是其中重要的一条。

永定河断裂的概念早在1932年就已提出，称为“浑河断层”（计容森，1932）。断裂提出后，由于其隐伏特性，且受永定河河流影响，鲜有开展研究。20世纪80年代初北京地震地质会战对北京平原区隐伏断裂开展了系统研究，但此断裂也少有进展。其后，北京石景山幅、良乡幅1∶5万区域地质调查（北京市地质调查所，1989），基于永定河河道两侧构造线和地层差异，借助电磁和重力勘探方法，确定了永定河断裂在入平原区军庄—三家店一带的分布及特征，即其北西端起始于永定河出山口三家店一带，大致沿今永定河南东走向经长辛店、芦城一带埋藏分布，断裂倾向北东。1993年，中国地震局（高文学等，1993）在距永定河河道约200 m三家店北铁路桥东头（1号隧道西口）的中侏罗统安山岩中发现一条左旋正走滑断裂破碎带，可视作永定河断裂带的组成部分，其宽3.4 m，主断面走向315°，倾角85°，断层泥ESR年龄厘定其活动时代为中更新世早中期。

2013年，北京平原区主要活动断裂专项地质调查采用可控源音频电磁大地测深对此断裂南东向延伸进行了初步勘探（北京市地质调查研究院，2013）。最新小震定位也表明（陈成沟等，2017），此断裂小震条带线性良好，可能向东南延伸到廊坊一带。单物探手段及小震定位精度不够，且不能揭示断裂几何特征，永定河断裂在南东方向的延伸情况等重要地质问题尚且不明（焦青等，2006；蔡向民等，2010）。

本文在前人物探工作基础上，沿着永定河断裂新部署高精度重力勘探剖面和浅层地震剖面（图1），对北京平原区隐伏永定河断裂南东段开展综合研究，厘定了其位置、产状、空间分布等特征，为北京城市建设规划、城市防灾减灾服务。

1 地质概况

北京平原是由永定河、潮白河、温榆河等几大河流联合作用形成的冲、洪积平原。永定河断裂分布于北京平原区西南部，所经地区地势由西北向东南降低，三家店山前一带海拔在100～250 m，进入平原地区后为30～70 m，地貌类型由山前残山区过渡到永定河冲洪积扇平原（图1）。

图1 永定河断裂分布及物探测线位置图Fig.1 Spatial distribution and location of the geophysical survey line of the Yongding River Fault

除门头沟三家店—丰台张郭庄一带零星出露侏罗纪、中元古代地层外，断裂沿线均被新生界松散层覆盖。沿线受新生代早期北东向两隆一凹（京西隆起、大兴隆起和北京凹（拗）陷）构造格架（汪良谋等，1990；黄秀铭等，1991）影响，新生界厚度差异较大（图2）：京西隆起内厚度一般薄于100 m，个别地区残山出露，北京凹陷内则厚达1500～1700 m，而在大兴隆起上厚度一般控制在300 m以内，向东南方向逐步变厚。钻探揭露古近系、新近系发育河流相沉积，沉积物以砂、粘土为主。第四系则发育河、湖相冲积及洪积物，粘土、卵石各类沉积物均有分布（北京市地质矿产局，1991；蔡向民等，2009；蔡向民等，2016）。

前新生代地层（图2）隐伏于新生代地层之下，京西隆起内主要为古生代—中生代地层，还有少量中元古代地层，发育北东向的九龙山-香峪向斜、红庙岭背斜等褶皱构造。北京凹陷内基岩主要为白垩纪地层，其上次级构造单元主要有顺义凹陷、来广营凸起、丰台凹陷、良乡凸起、涿县凹陷等，这些单元构成北京地区中生代—新生代早期重要北东向断陷盆地（罗明辉等，2008）。而大兴隆起上则发育中上元古代、寒武纪—奥陶纪地层，以奥陶系为核构成北东向的黄村向斜。区内断裂极度发育，重要的断裂包括黄庄-高丽营断裂、南苑-通县断裂、永定河断裂等。

图2 永定河断裂沿线基岩地质图据(北京市地质调查研究院，2007）改Fig.2 The bedrock geological map of the Yongding River fault

2 勘探方法及部署

平原地区的断裂多处于隐伏状态，因此地球物理探测成为调查隐伏断裂的重要手段（邓起东等，2003）。目前常用的调查方法有浅层地震勘探、重力剖面测量、可控源音频大地电磁测深测量、高密度电阻率法测量等，各方法依据其特点可适用于不同的地质条件，能探测不同深度、精度的地质体情况。然而地球物理探测方法本身具有多解性，且单一工作手段受场地条件等外在因素制约较大。近些年来，综合物探方法手段被广泛用来探测不同的深度范围的断裂的几何结构、展布特征等，在北京平原区活动断裂调查中也取得了较好的效果（何付兵等，2013；张磊等，2014）。因此，本次工作采用综合物探方法来开展。

由于以往对永定河断裂在该地区的研究工作较少，其位置尚不明确，因此在垂直原断裂走向延长线的位置上先部署重力剖面测量，进行一定精度的约束，然后再部署短剖面进行调查。调查剖面分别位于黄良路、魏永路以及念坛公园北侧，具体剖面位置见图1。

黄良路测线位于念坛公园南侧，念坛公园是由古永定河残存的洼地（念坛水库）改建，由于靠近古河道，沉积物中粗颗粒相对较多，考虑到浅层地震勘探对粗颗粒沉积物反映较差，故采用重力剖面和可控源测量的组合方法，在魏永路则部署重力剖面和浅层地震勘探测线。

3 勘探结果

3.1 黄良路测线

布格重力及水平梯度图上（图3a），布格异常曲线宏观上由东向西缓慢降低，由于基岩岩性为奥陶系灰岩、白云岩等，对重力影响较小，因此可揭示基底地层自东向西缓倾形态，与基岩埋深（图2）特征一致。水平梯度异常曲线上，存在113 号点、126 号点、190 号点3处极大值，可解译为新生代地层厚度或结构、组成差异，可能同断裂构造有关。

可控源解译成果图（图3b）中，红色或数值在1500以内可解译为基岩，为中高阻的寒武—奥陶系；蓝色可解译为新生代地层。测线北侧已知念坛水库钻孔，表层第四系约70 m厚，下伏为奥陶纪地层，也与这一解释相符。横向上电阻率曲线形态在110号点、128 号点附近分别发生一定程度扭曲、突变，视电阻率出现明显变化，其可同重力解译成果剖面126 号点和113 号点位置异常相对应，揭示新生代地层厚度变化或岩性差异，可解译为断裂构造。靠近东侧的异常点两侧差异较明显，可解译为主断裂。

综合两条物探剖面，建立综合地质解释剖面（图3d）。永定河断裂在此处呈断裂带产出，断裂性质均为正断裂，主断裂倾向北东，倾角约70°，次断裂倾向南西，倾角约60°。由异常显示和钻孔信息推测，断裂向上可追溯至大约距地表50 m的深度。

此外，重力成果剖面（图3a）中，190 号点异常也可能为断裂显示，在北臧村—庞各庄发育北西

图3 黄良路测线综合剖面图Fig.3 Profile of Comprehensive interpretation of Huangliang Road

1.第四系；2.奥陶系；3.断裂；4.可控源测线；5.重力剖面测线；6.解译上断点；7.综合解释剖面位置；8.钻孔；9.断裂代号

F永：永定河段断裂；F北：北臧村断裂；F1：永定河次级断裂1向的北臧村断裂（图2），该处异常可能同此断裂有关。

3.2 魏永路测线

在重力测量剖面成果图（图4a）中，布格曲线，重力最高值位于测线东段，最低值位于西段，布格重力异常表现出西低东高缓慢变化的特征，其异常变化反应了基岩地层起伏与分布特征，推测异常的高低主要由地层的隆起与凹陷引起。测线处于黄庄向斜东南翼，自西向东地层依次为寒武系、青白口系、蓟县系，基岩地层自东向西缓倾。元古界岩石平均密度大于寒武系，故曲线异常的变化与此也有较大关联。

布格异常沿测线水平方向的变化梯度反应了地层横向变化率，在水平梯度曲线（图4a）上，170号点至200 号点范围内表现为高水平梯度带，向西缓倾，峰值位于171 号和192 号点附近，推测异常是断裂构造的反映。在测线的西端，梯度曲线也有异常反映，可能为地层变化或者断裂的影响所致。

剖面所经地区为第四系覆盖区，周边已知钻孔CKB-235，基岩埋深144.2 m，为寒武纪地层。根据该区域地质资料，剖面位置基岩埋深较浅，在140～220 m之间。

浅层地震解译剖面（图4b）中，时间剖面特征显示，剖面350 ms以上可识别出多套反射波组，其中t2反射波组起伏较大，中间部位隆起，其上覆地层较平缓，各反射界面大都可清晰追踪。该剖面显示有两处异常，1500～2000 m范围t2反射波同相轴发生明显扭曲错断，反射波特征清楚、波组或波系之间关系稳定，推测有断层存在，即F2。该断层倾向南西，倾角约55°，显示上陡下缓的特征，上断点深度约112 m，据前述信息，断裂切入第四系，两侧在第四系底界面的落差约82 m。该处异常的位置、特征与重力剖面上171 号点异常较为一致；剖面3500 m处两侧反射波同相轴发生明显扭曲错断，反射波特征清楚、波组或波系之间关系稳定，推测为断层（F永）引起，该断层倾向北东，倾角约68°，上断点深度约114 m，同样切入第四系，两侧在第四系底界面的落差约32 m。

综合以上信息，建立综合地质解释剖面（图4d），永定河断裂（F永）位于剖面东段，正断层，倾向北东，倾角约68°，切入第四系，上断点埋深约114 m；中段重力与地震异常反映比较吻合，为永定河断裂的一条次级断裂（F2），倾向南西，性质为正断层，倾角约55°；测线西段异常可能是区域上的瀛海断裂和北臧村断裂的反映。

图4 魏永路测线综合剖面图Fig.4 Profile of Comprehensive interpretation of Weiyong Road

3.3 念坛公园北DK1测线

该位置布置了可控源音频大地电磁测深测线（北京市地质调查研究院，2013）。测线经过区域在基岩图中位于黄村向斜核部，基岩埋深变化范围不大，未有明显断裂迹象。在可控源音频大地电磁测深DK1测线反演电阻率剖面图（图5a）中可以看出，纵向上各点视电阻率从浅至深呈低—高—低的变化规律，浅部低阻反映的是地表第四系，埋深在50～120 m之间；中部中高阻反映的是基岩，为寒武—奥陶纪的地层。横向上视电阻率等值线在132 号点基岩处有明显的断距，且出现突变带，上盘明显发育有含水的低阻带，推测该处为永定河断裂的显示。同时也反映出该断裂倾向北东，为高角度的正断层，上断点埋深约50 m。

图5 DK1测线综合剖面图Fig.5 Profile of Comprehensive interpretation of Line DK1

4 结论

基于综合物探方法，结合区域地质信息，对永定河断裂南东段进行综合研究，研究表明：

（1）永定河断裂北西端始于三家店，沿着永定河，经长辛店、芦城，可向南东方向延伸至庞各庄一带，是一条长达40 km的北京平原区重要的北西向断裂带。

（2）永定河断裂在南东段呈断裂带产出，断裂带宽度600～1200 m。主断裂产状基本同北西段，走向325°，倾向北东，倾角约70°。沿主断裂，在断裂下盘发育倾向南西的次级断裂，二者平面上近平行，剖面上可能构成地垒型式。

（3）目前的物探方法确定永定河断裂上断点埋深至少在50 m，对比位于魏永路南侧西枣林村新11孔钻孔的认识，该深度相当于中更新统，同中国地震局在三家店一带揭示特征貌似一致。然而，永定河断裂在北西段显示出控制永定河水系发育，且在西南下盘发育晚更新世台地，揭示其可能全新世有所活动。因此，其活动性尚需进一步研究。

（4）航片上可看出香峪大梁存在位移，区调工作也表明九龙山-香峪大梁向斜在军庄以南轴迹被左行错开约1 km，黄村向斜核部奥陶纪地层也有被错开的迹象（图2），这与在三家店地区发现的断裂走滑特征相似。这些都表明永定河断裂具有左旋走滑的特征。值得注意的是，北京平原区另一重要的北西向活动断裂南口-孙河断裂也具有左旋走滑特征，其中是否存在关联有待进一步探讨。