上海罗店-周浦隐伏断裂第四纪活动性综合探测与研究

2021-05-19宋春华

地质力学学报 2021年2期

张浩，施刚，巫虹，邵磊，宋春华，郁飞

1.同济大学海洋地质国家重点实验室，上海 200092；2.上海市地矿工程勘察院，上海 200072

0 引言

活动断裂是在最近地质时期持续活动，且将来仍可能持续活动的断裂(吴中海，2019)。断裂活动带来破坏性地震危害及衍生地质灾害，对城市发展及基础设施建设具有难以回避的灾害危险性，是威胁城市地质安全的最大隐患(邓起东等，2003)。城市人口财富高度集中的特征，更加增强了其破坏性与危害性。对活动断裂引起的直下型地质灾害，现代工程无法抵抗，只能以调查预防为主。在查明断裂的空间展布及活动性特征的基础上，采用工程避让方式可以有效缓解断裂活动对构(建)筑物的直接破坏(徐锡伟等，2002a)。城市区域隐伏断裂定位及最新活动时代研究，引起了大量专家学者关注，多年以来无论在技术方法还是科研成果上都有了不少的积累与突破(柴炽章等，2006；曹新文等，2018；商世杰等，2019；张迪等，2019；黄理善等，2020；戚帮申等，2020)。年代学测试使得对断裂活动性的确定更为准确(陈宏强等，2020)。开展城市区域隐伏断裂活动性研究，确定断裂危险性及危害性，是保障城市地质安全、有效防震减灾的基础性前瞻性工作(邓起东等，2004；吴中海，2019；Wu and Hu，2019)。

上海是位于长江经济带最东端的特大型城市，处于长江经济带发展战略龙头的地位(吴中海，2016)。《上海市城市总体规划(2017—2035年)》中提出了建立“卓越全球城市”的愿景，这势必要以城市地质安全为基础。新时代下临港自贸区新片区的设立，更增加了上海的城市责任，而上海城市地质安全保障能力也需要进一步得到提升。上海市地上地下构(建)筑物复杂，生命线工程密布，人口密度居全国前列，灾害发生后果难以设想。尽管在20世纪90年代，全国范围内已经开展过一轮针对包括上海在内的20个大型城市的活动断裂探测与地震危险性评价工作(徐锡伟等，2015)，但目前就断裂活动性的调查与研究程度而言，上海市区域相较同为一线城市的北京、深圳等，在断裂精准定位及最新活动特征研究等方面仍亟待进一步提高。上海市区域隐伏断裂构造十分发育，其中罗店-周浦断裂更是直接穿过城市中心城区。尽管区内地震活动性较弱，但已有地震历史记录资料证实了1615年南通5级地震及1624年上海4级地震均与该断裂有关。此外沿该断裂还曾在浮桥、浏河、罗店、北蔡、新场等地有小地震的发生(章振铨等，2004)。根据地震发生的历史重复规律(鄢家全和贾素娟,1997)，罗店-周浦断裂未来仍有可能引发区域地震地质灾害，其活动性特征值得重点关注。因此，研究采用高精度重力、浅层地震、可控源大地音频电磁测深相结合的综合地球物理勘探手段，并结合地质钻孔联合剖面，对罗店-周浦断裂的展布特征及第四纪活动性进行调查与研究，进一步厘定其第四纪活动性，为城市断裂危险性评价、城市防灾减灾安全运行及重大规划与工程选址提供科学依据。

1 区域地质背景

上海地区位于扬子板块与华夏板块之间的钦杭结合带北东向延伸处(图1a)。上海地区地质构造较为复杂，具有较厚的第四系覆盖层，地质构造均为隐伏状态，使得上海地区基岩地质与构造地质研究难度较大(顾澎涛等，1988；顾澎涛，2006)，已认定的隐伏断裂多由区域重磁资料推断而来，断裂构造主要为北东、北北东、北西—北北西和近东西(北东东)向(图1b)，以北东向断裂最为发育，但北西向断裂的活动性相较其他方向更强(章振铨等，2004)。

上海境内基岩零星出露，埋深普遍在300 m以下。基岩地层共划分为22个岩石地层组，由下至上有：古元古界、中元古界；震旦系；古生界寒武系、奥陶系、志留系；中生界侏罗系、白垩系以及新生界古近系、新近系。分布面积最广当属上侏罗统火山岩系，包括劳村组、黄尖组和寿昌组，展布面积约占总面积的70%以上(上海地质矿产局，1988；张宏良，1999)，基岩分布特征见图1c。研究区内新生代地层发育良好，成因类型复杂，陆相和海相地层广泛分布，覆盖在基岩之上，为未成岩松散岩层，按由下而上的年代地层学次序，分别为上新统崇明组(N2c)，下更新统安亭组(Qp1a)，中更新统嘉定组(Qp2j)，上更新统川沙组(Qp3c)、滆湖组(Qp3g)、南汇组(Qp3n)，以及全新统娄塘组(Qh1l)、上海组(Qh2s)、如东组(Qh3r)、青浦组(Qh3q)(邱金波和李晓，2007)。

a—研究区大地构造背景图(据杨明桂等，2015修改)；b—上海市隐伏断裂分布示意图; c—上海市基岩地质及探测区域位置示意图(地震信息来自上海市地震局，1992)

罗店-周浦断裂发育切割晚侏罗世火山岩系，同时为燕山晚期岩浆侵入通道，推断断裂形成于燕山晚期(火恩杰等，2004)，其为上海地区横切一系列北东向构造的一条重要的北西向断裂。该断裂展布迹线穿越上海市中心城区(图1b)，且均被第四系覆盖，断裂北西向延伸可至江苏南通狼山西侧，南东向延续性不明，总体呈断续分布，区内全长约100 km。断裂切割古生界及上侏罗统火山岩，在区域重磁场特征上反映明显，呈张性兼具右行走滑性质，在上海市内具有明显的分段性特征(章振铨等，2004),该断裂发育规模较大，切割深度可达6 km(于鹏等，2008)，但长久以来浅部特征不明，特别是最新活动时代并未明确。

2 综合地球物理探测

综合地球物理勘探是目前调查平原区隐伏断裂的有效方法(邓起东等，2003；徐明才等，2005；易兵等，2008；刘保金等，2009；高战武等，2014)。常用的地球物理勘探手段包括重力勘探、浅层地震勘探、电磁法勘探等。由于不同地球物理勘探方法探测分辨率及结果存在差异，需要综合多种地球物理勘探手段最终确定断裂特征(李征西等，2005)。针对于城市环境带来的特殊限制，探测中需要考虑到复杂城市特征的影响，选取和采用抗干扰、高信噪比、低城市环境影响的勘探技术手段(潘纪顺等，2002，2003)。此次研究采用的地球物理勘探方法主要为高精度重力勘探(重力剖面和重力面积测量)、浅层人工地震勘探及可控源音频大地电磁测深勘探(CSAMT)，地球物理勘探测线位置见图2。

a—海湾镇测区探测工作部署图；b—彭浦镇测区探测工作部署图

2.1 高精度重力勘探数据处理与资料解译

重力勘探是通过测量地下介质的密度差异引起的异常来研究地下介质不均匀特征的地球物理探测方法(Blakely et al.，1997；Abbott and Louie，2000)。布格重力异常值能够直观的反映基岩面起伏，重力高低通常对应于基岩的隆凹，断裂构造在重力勘探平面等值线上一般表现为等值线密集、梯度变化等特点。在充分了解工作区已有的重力资料的基础上，布设一定的高精度重力剖面及高精度重力面积测量工作，能够达到对隐伏断裂走向进行定位的目的。

重力测量采用加拿大先得利(Scintrex)公司生产CG-5型高精度流动石英弹簧重力仪。传感器类型为整体熔凝石英弹簧，仪器分辨率为0.001×10-5m/s2，典型重复性小于0.005×10-5m/s2，测量范围为8000×10-5m/s2(无重设置)，长期剩余漂移小于0.02×10-5m/s2/d，具有自动校正补偿功能(潮汐、仪器倾斜、温度、噪声采样等)。仪器投入使用前进行静态、动态及一致性试验。静态试验零点位移曲线近似线性，仪器稳定性良好；动态试验均方误差低于0.014×10-5m/s2，一致性均方误差为±0.015×10-5m/s2。

2.1.1 高精度重力剖面

(1)爱护路ZL1测线

高精度重力剖面ZL1测线位于上海市南部奉贤区海湾镇区域(图2a)，测线总体走向近东西向，长度约为11000 m。高精度重力剖面显示重力值在-2.96×10-5～-0.20×10-5m/s2之间，剖面西段0～4500 m之间为重力低异常，相对重力高异常位于4500～8500 m之间，8500～11000 m之间异常值开始降低(图3a)，重力值最大相差2.76×10-5m/s2，高低异常之间存在两个较为宽缓的重力梯度带。区内第四系地层与下伏基岩地层存在明显的密度差异，同时基岩内部不同时代、不同岩性也存在一定的密度差异，根据相应岩石密度差异，经重力剖面反演推断，识别出的重力梯度带可以认为是断裂在重力剖面上的反映(图3a)。结合区域断裂走向，其中西侧重力梯度带对应于罗店-周浦断裂，东侧重力梯度带可能为区内另一断裂引起的重力响应。

(2)彭浦镇ZL2测线

高精度重力剖面ZL2测线位于上海中心城区彭浦镇(图2b)，是典型复杂城市环境，剖面走向近东西向，沿古浪路—华灵路—灵石路布设，剖面长度约为7200 m。剖面的布格重力异常特征显示出一定的波动性，总体呈现出西高东低的特征(图3b)，布格异常最高为0.9×103kg/m3，最低为-1.6×103kg/m3，变化幅度较小。剖面西段及中段0～5000 m之间重力值变化相对较小，东段5000～7200 m之间的重力值降低速度较快，两者之间存在重力变化梯度带，推测为存在断裂构造引起的基岩埋深变化产生的重力响应，重力剖面反演显示该断裂位于5400 m位置附近。结合区域资料，认为可能是罗店-周浦断裂的反映，根据剖面梯度较缓及断裂上下盘上升下降形成的重力场特征，推测断裂倾向向东。此外剖面西段1500 m位置附近重力场具有小规模的波动，推测可能存在断距较小的断裂构造，造成了基岩面的升降。

a—ZL1测线；b—ZL2测线

2.1.2 高精度重力面积测量

高精度重力面积测量布设于海湾镇区域(图2a)。测区重力场总体呈现出北部、中部高，东南、西南低的特征，布格重力异常值介于-3.47×10-5～2.69×10-5m/s2之间，最高值位于测区北部，重力高异常在测区内向北未封闭，最低值位于测区西南，低异常向南未封闭，东南部相对低异常也未封闭。在测区的中部出现向南凸起的鸭舌状相对重力高异常。依据重力资料对断裂构造的反映特征，测区内中部相对重力高与同心重力低之间的重力梯度带(图4)应当为罗店-周浦断裂在测区的反映，断裂总体走向为北北西。结合重力水平导数及下延水平导数结果，该梯度带位置上可识别出三组断裂迹线，呈平行展布(图4)。此外重力面积测区内还可识别出北西与近向向断裂迹线，没有明显证据表明其属于罗店-周浦断裂系统，应当为其他断裂在区内的反映。

图4 重力面积测量与断裂解译平面图

2.2 可控源音频大地电磁测深(CSAMT)数据处理与资料解译

可控源音频大地电磁测深法(CSAMT)是在大地电磁测深法的基础上发展起来的，通过分析地面观测到的由人工可控制的电磁波信号在地球介质中激发的电磁波场数据，来达到勘探地球内部导电性结构的目的。通过CSAMT可以查明断裂的空间位置、几何形态及发育规模。由于断裂的出现是岩石在应力作用下的结果，岩石在应力过程中表现出明显的电阻率各向异性，因此可以通过研究断裂带附近的明显电阻率各向异性，达到探测断裂的目的(吴子泉和尹成，2007)。该方法具有工作效率高、抗干扰能力强、勘探深度大、分辨率高等优点，已在隐伏断裂活动性探测应用中取得了较好的效果(何继善，1990；石昆法，1999；董泽义等，2010；李帝铨等，2010)。

CSAMT采用加拿大凤凰地球物理有限公司的V8多功能电法仪，电极距1.5 km，发射频率范围为1～9600 Hz，频点数28个。剖面点距100 m，测量极距50/100 m，单个采集排列长度为400/600 m，采用连续测量方式，每个排列可同时获取6个物理点的测深数据。

CSAMT剖面CS1位于上海市南部奉贤区海湾镇区域(图2a)，剖面展布近东西向，剖面长度约为10500 m。反演电阻率等值线图(图5)显示，测区内第四系底界埋深约为250～320 m，电阻率值约1～10 Ω·m；下白垩系火山碎屑岩底界埋深约为1200～1700 m，电阻率值约10～100 Ω·m，其顶板整体呈西浅东深趋势。结合区域地质概况及电阻率值范围推测深部为奥陶系碳酸盐岩，电阻率值大于100 Ω·m。根据视电阻率等值线横向变化特征，推断出2条断层(图5)。F1断层发育于剖面中段5000～6000 m位置处，根据电阻率等值线特征分析在安山岩地层和更老地层中有发育，断层倾向东，倾角较大，发育深度从约400 m开始往下延伸至超过1800 m。F2断层发育于剖面东段7500～8500 m位置处，根据电阻率等值线特征分析在松散地层及前第四系地层中均有发育，断层倾向东，倾角较大，发育深度从约260 m开始往下延伸至超过1800 m。

图5 CS1测线CSAMT反演电阻率等值线图

2.3 浅层人工地震勘探数据处理与资料解译

城市地区的浅层地震勘探，需要通过选择合适的震源、合理的技术方案和资料处理手段，最大限度地抑制干扰，提高信噪比及分辨率(吴建平，2001；潘纪顺等，2003)。城市活断层探测对震源有环境友好、频带宽、高频增强及可重复性高的4点要求(俞寿朋，1993)，目前普遍采用可控震源车作为震源使用。城市活断层的精确定位必须解决抗干扰和高分辨率两个关键技术(潘纪顺等，2002)。城市内的各种强干扰是不可避免的，因此工作中应将如何提高地震资料的信噪比放在首位，针对不同工作区域，在正式数据采集之前，需进行数据采集参数试验(何正勤等，2001；刘保金等，2002)。此外中国沿海城市地震勘探还需要面临第四系厚度变化较大,泥沙互层结构影响地震波传播、造成高频能量耗散的困难(何正勤等，2007)。尽管探测受到城市环境的诸多限制，目前浅层高分辨地震勘探仍旧是城市活断层浅部探测中最为有效的探测方法之一，能够对目标断裂的空间展布特征及上断点的埋深进行探测。

浅层地震数据采集系统选择法国赛舍尔(Sercel)公司的408XL型地震采集系统，采样间隔0.5 ms，记录长度1.5 s，前置放大器采用全通方式。工作激发震源采用AHV28型28吨可控震源。检波器选择3个60 Hz串联纵波检波器组合接收。可控震源扫描长度为10 s，扫描频带10～160 Hz，震动台次为4次，震源出力40%～50%，斜坡长度0.5 s。选择单边放炮的接收排列滚动观测系统和接收炮点沿排列定炮间距移动激发、接收排列固定不滚动固定模式观测系统，每道配备3个串联检波器组合进行数据接收。采集道数为160道，道间距5 m，炮间距20 m，偏移距为0～795 m，最大覆盖次数为20次。

浅层地震勘探剖面DZ1沿随塘河路布设(图2a)，测线走向近东西向，剖面长度约为10000 m。结合四口钻孔的控制，根据反射同相轴的振幅、频率特征，可以在第四纪地层中识别出4个地震反射界面(T1，T2，T3，T4)，以及基岩面Tg和基岩内部界面Tm,Tn(图6)。基岩面Tg双程走时位于300 ms左右，上部为第四纪松散沉积地层，界面之下为基岩。识别出的第四纪沉积地层内部界面中，T1双程走时约80 ms，界面上部地层反射振幅较弱，结合钻孔资料推测为全新统(Qh)底界；T2双程走时约150 ms，界面上部地层振幅较弱，界面下部反射特征明显，同相轴连续性好，能量强，结合钻孔地层资料及光释光测年结果推测为上更新统南汇组及川沙组(Qp3n—Qp3c)底界；T3双程走时约200 ms，同相轴连续性好，能量强，结合钻孔地层资料及光释光测年结果推测为中更新统嘉定组(Qp2j)底界；T4双程走时约280 ms，界面上部地层同相轴连续性好，能量强，界面下部地层振幅较弱，结合钻孔地层资料及光释光测年结果推测为下更新统安亭组(Qp1a)内部界面；Tg界面为下更新统底界面，以Tg界面为界，上覆地层为松散沉积物，下伏地层为区内基岩面，Tg界面以下为上新统崇明组(N2c)地层，剖面揭示崇明组地层逐渐向西尖灭；基岩内部可识别出Tm界面，该界面为上新统底界面，下伏地层为上侏罗统黄尖组(J3h)地层；基岩深部还可识别出界面Tn，推测该界面之下可能为上侏罗统劳村组(J3l)地层，此次钻探未揭露该地层。根据断裂构造将会引起反射同相轴中断与扭曲等特征，可以在剖面200 m，1600 m，4000 m位置处识别出较为清晰的三组断裂形态(图6)，其中1600 m处断裂上断点埋深最浅，可上切至下更新统安亭组下段(Qp1a1)地层顶界面附近，但地震资料显示并未能切穿T4反射界面，该断层东倾，为正断层性质。

图6 DZ1测线浅层地震勘探剖面(剖面位置见图2a)

3 钻孔地层联合剖面

钻孔联合剖面法在城市区域隐伏活断层探测中取得了显著成效(徐锡伟等，2002b；邓起东等，2003；杨晓平等，2007；雷启云等，2008)。钻孔探测技术是最为直观的活动断裂探测手段，但第四纪松散沉积物中的断裂痕迹不易保存且识别难度大，因此钻孔探测多采用孔位间地层对比法确定断层的存在。地层对比主要通过钻孔录井、测井资料及相应样品分析测试来进行，分析测试主要以满足地层对比为原则，较为常用的有元素地球化学测试、磁化率测试及地质年代学测试等。基于野外调查、综合地球物理探测结果，分别在断层上下盘布置一系列钻孔，进行钻孔联合地质剖面探测，通过地层对比揭示断层两盘的地层差异，判断断层位置、活动时代，并验证综合地球物理探测的结果。钻孔间的地层对比应当越精细越好，在排除横向沉积不均一引起地层差异的基础上，结合相应物探资料成果将地层差异解释成断层构造影响是较为合理的。

在综合物理地球探测后，结合野外踏勘情况选取合适施工位置，布设地质钻孔对地震资料识别出的最浅上断点进行钻探验证。此次研究实施4个地质钻孔，分别设置在断层上下盘，揭示断层两侧地层差异，对断层最新活动时代进行探测。为了更为准确揭示断裂性质，钻孔探测目标深度选定为基岩面，钻孔布设位置见图2a。此外结合磁化率测试及光释光年代学测试，以进行钻孔地层对比分析。光释光测年共测试样品21件，通过测量沉积物上一次曝光年代确定地层时代，是第四纪沉积物定年有效手段。所有样品采样过程严格避光，样品采用Daybreak 2200(美国)光释光仪进行测试，分析测试由自然资源部地下水矿泉水及环境监测中心光释光实验室完成，测试结果见图7。

图7 罗店-周浦断裂钻孔联合剖面(钻孔位置见图2a)

罗店-周浦断裂钻孔联合剖面显示(图7)，联井剖面位置发育正断层，明显错断基岩面(Tg)与上新统崇明组(N2c)地层，断层进入下更新统安亭组下段(Qp3a1)地层，上断点埋深约为200 m。断层在基岩面处断距显示近3 m，垂向断距较小。结合断层面两侧钻孔磁化率测试曲线可以看出，K1，K2孔磁化率曲线具有极其相似的纵向变化特征，但与K3，K4孔磁化率变化曲线特征存在显著差异。结合光释光年代学测定结果，早更新世地层与中更新世地层分界线应当为地震反射界面T3，区域地质资料显示该界面时代约为780 kaB.P.，中更新世地层与晚更新世地层分界线应当为地震反射界面T2，光释光年代学测试结果推测该界面时代约为128 kaB.P.，因此综合地层对比结果认为该断裂可能为早更新世活动断裂。

4 讨论

4.1 罗店-周浦断裂区内展布特征

罗店-周浦断裂纵贯上海市中心城区，总体走向为北西向。已有资料表明，该断裂具有明显分段性特征，断裂向北可延伸至江苏南通狼山西侧，但南部延展特征不明确(火恩杰等，2004；章振铨等，2004)，此次研究确认了断裂在区内的空间展布特征，探测结果表明断裂在上海市南部区域具有较好的延展性特征。

彭浦镇重力勘探ZL2测线显示，布格重力异常总体表现为西高东低的特征，测线东段表现出较为明显的重力梯度带特征(图3b)，推断是由于断裂错断基岩面造成的重力异常变化所致，为罗店-周浦断裂在测线上的重力异常反映，主断裂倾向向东，测线西段表现出较小的重力异常波动，可能是较小规模分支断裂的反映。

断裂南段的综合地球物理勘探及钻孔探测证实了断裂向南的延展特征。重力面积测量(ZLZ)结果表明，断裂由一组近似平行的断层组成(图4)，控制范围较宽；CSAMT测线视电阻率等值线扭曲特征明显，能够反映断裂深部发育特征，但断裂浅部特征反映不明显(图5)；浅层人工地震剖面基岩面(Tg)错断明显(图6)，钻孔联合剖面地层对比也显示出基岩面埋深具有明显落差(图7)，对断裂在区域内发育具有良好的指示，表明该断裂在上海市南部区域具有较好延展性，断裂可能向南继续向杭州湾水域延伸。

4.2 罗店-周浦断裂第四纪活动性

根据此次探测资料及已有研究成果，对罗店-周浦断裂第四纪活动性特征进行综合讨论。已有历史地震记录表明，区内发生的1615年南通5.0级地震及1624年上海4.8级地震均与该断裂有关，两次地震震中位于断裂带附近(火恩杰等，2004；章振铨等，2004)，地震等震线长轴方向与断裂走向具有较好的一致性(上海市地震局，1992；图1c)，该断裂活动存在诱发地震的可能，其活动性特征值得重点关注。

浅层人工地震及钻孔联合剖面结果表明，该断裂断距较小(仅为数米)，在第四系松散沉积中有断裂活动的痕迹。地震反射特征(图6)与钻孔联合剖面(图7)揭露断层上断点埋深具有较好的一致性，断层最浅上断点埋深约为200米。CSAMT剖面视电阻率曲线在浅部扭曲特征相对较弱，对断层上断点识别效果有限，但断裂深部结构特征反映明显，电性剖面扭曲特征清晰(图5)。结合光释光年代学测定对地层时代的标定(图7)，认为该断裂至少在早更新世发生过活动，断层错断基岩面进入早更新世地层，但未明显错断中更新世地层底界面(T4)。

钻探岩芯样品中发育有高角度张裂隙，裂隙被黏土矿物集合体充填(图7)，充填物为上覆岩石地层完全风化的产物。区内浅部地应力原位探测揭示现代应力场特征为北西向挤压应力(张浩等，2020)，该应力状态有利于北西向断裂发生张扭性活动，应力环境与发育高角度张性裂隙的岩心特征相符合。现代应力场作用下，该断裂具有发生张扭性活动复活的可能，加之该断裂活动与区内历史地震事件关系密切，其活动性特征及地震危险性特征值得持续关注。