华北盆地北缘宝坻断裂晚更新世以来的活动性研究

张 欢 徐 康 王 慧 潘志龙 专少鹏, 张运强 李庆喆 卜 令 石光耀 张金龙

1 河北省区域地质调查院，河北省廊坊市曙光道32号, 065000 2 河北省地矿局第一地质大队，河北省邯郸市陵园路92号, 056001

宝坻断裂位于华北盆地北缘，是张家口-渤海构造带的重要组成部分，同时作为燕山褶皱带与华北盆地冀中坳陷的边界断层，控制着新生代以来武清凹陷的沉积。前人依据石油工业地震及钻井资料，对宝坻断裂深部的几何学与运动学特征进行了系统研究，认为宝坻断裂呈上陡下缓的犁式正断层特征，中段部分区域为坡坪式结构，并且其在中生代-新近纪的构造活动控制着武清凹陷的沉积和构造演化[1]。但至今学术界仍缺少对宝坻断裂浅部特征及其第四纪以来活动性的定量研究。本文依托《河北1∶5万大厂回族自治县、三河县、渠口镇三幅第四系覆盖区地质填图》项目，通过地表地质调查、钻探以及浅层高分辨率地震勘探方法，辅助14C同位素测年及光释光测年，对宝坻断裂浅部特征及晚更新世以来的地震活动性进行系统研究，为宝坻断裂未来的地震活动性预测提供科学依据。

1 地质概况

研究区第四纪活动断裂较为发育，主要包括NNE向、NE向、NW向及EW向4组断裂。其中宝坻断裂为EW向正断层，延伸长度约68 km，最大位移达14.2 km，滑脱面深度约为10～15 km[1]。根据中国地震局地震目录数据，研究区内密集的微震活动主要沿夏垫断裂、张家湾断裂展布，宝坻断裂沿线并不密集(图1(b))。

从以往野外调查资料来看，宝坻断裂沿线未发现明显的线状地貌，其准确位置一直无法判断。直至2004年，香河县荆庄村、大田村一带发现地裂缝，为定量研究宝坻断裂晚更新世以来的活动性提供了重要线索。荆庄地裂缝整体呈北东东80°方向展布，穿过荆庄村及大田村北部，由10余条雁列状地裂缝组成，单条裂缝延伸20～200 m不等，水平开裂约0.5～3 cm，垂直开裂约2～10 cm，地表可识别总长度达800余米。根据房屋修建年代及裂缝沉降量估算，荆庄地裂缝垂直位移速率为5.9～7.1 mm/a(图1(c))。

2 人工浅层地震反射剖面

2.1 测线位置

为更好地查明宝坻断裂浅部几何学特征，本次工作采用纵波反射探测方法在香河县荆庄村、大田村一带沿垂直荆庄地裂缝延伸方向分别部署2条地震勘探线。其中DG03测线沿乡村公路呈近NS向展布，震源采用500 kg车载重锤激发，检波点距5 m，炮间距10 m，长度为1.48 km；D1-B1测线位于荆庄村东部，沿村内街道呈NS向展布，震源采用100 kg重锤1.5 m下落激发，检波点距4 m，炮间距8 m，长度为0.68 km。

2.2 数据采集和处理方法

采用428XL型车载无线地震仪采集反射地震探测数据。DG03测线采样间隔为0.5 ms，最大覆盖次数90次，记录长度为3 s，检波器主频为60 Hz，两并两串。D1-B1测线采样间隔为0.25 ms，最大覆盖次数90次，记录长度为3 s，检波器主频为60 Hz，两并两串。数据处理采用水平多次叠加方法，包括数字滤波、反褶积、速度分析、叠加、偏移等。

2.3 宝坻断裂浅层地震反射剖面特征

DG03测线浅层地震反射叠加剖面具有较高的信噪比和分辨率，700 ms以上地层界面反射波较为清晰，可识别出4组可连续追踪的地层界面反射波(图2(a))。结合区域资料对比，T0反射层连续性较好，为上新统明化镇组顶部强反射界面，相当于第四系底界；T1反射层能量较强、横向连续性好，为上新统明化镇组底界；T2反射层为一个清晰的削截界面，代表中新统馆陶组底界不整合界面；T3反射层也为侵蚀-上超型界面，代表新生界底界不整合界面，即基底反射界面。剖面750 m附近可见由浅到深的铲状反射特征分界线，其两侧地层的产状不同和反射波组存在明显错位，因此判定其是宝坻断裂在地震剖面上的反映。需要注意的是，剖面750 m处恰是勘探线与荆庄地裂缝的交会位置。在DG03剖面中，宝坻断裂为南倾正断层，呈铲状，上部略陡，向下逐渐变缓。断层下盘时深约500 ms处可见明显的反射界面，其上呈平行连续反射，界面下部可见一楔状体，楔状体略显南倾，与上覆地层为角度不整合接触，楔状体之下则为杂乱反射，推测为前新生代或前中生代基底。断层上盘可分辨范围内的反射层整体连续性较好，未见基底反射界面，反映出新生界沉积厚度较下盘厚，地层层面略向北倾，并在剖面150 m及240 m处发育2条北倾次级正断层。

1.第四系；2.上新统；3.中新统；4.古近系+中生界；5.前中生界；6.断层；7.地震反射层

D1-B1测线浅层地震反射叠加剖面同样具有较高的信噪比和分辨率，900 ms以上地层界面反射波较为清晰，多组地层界面反射波可连续追踪(图2(b))。T0反射层能量较强、横向连续性好，为第四系底界；T1反射层为强反射界面，代表上新世明化镇组底界；T3反射层为一个清晰的削截界面，代表基底反射界面。在剖面430 m附近可见由浅到深的椅状反射特征分界线，其两侧地层的产状和反射波组明显不同，尤其是馆陶组底界T2反射层在分界线两侧的反射波同相轴突然消失，这些特征同样是宝坻断裂在地震剖面上的反映，而剖面430 m处也是勘探线与荆庄地裂缝的交会位置。在D1-B1剖面中，宝坻断裂为南倾正断层，略呈椅状，浅部较陡，在T1反射层上部略微变缓，向下又突然变陡。断层下盘震相较为丰富，时深370 ms处可见明显的强反射界面(T1)，时深600 ms处可见清晰的基底反射界面(T3)；断层上盘反射波同相轴连续性好、能量较强，表现出沉积盆地连续沉积的特征，新生界沉积厚度明显大于断层下盘。

综上所述，在香河县荆庄村一带，宝坻断裂表现为近EW走向的南倾正断层，剖面上呈铲状，上部略陡，向下逐渐变缓，其明显控制着武清凹陷新近系的沉积，并对第四系沉积也具有一定的控制作用。

3 钻孔分析

为查明宝坻断裂晚更新世以来的活动性及其近地表特征，分别于宝坻断层两侧部署2个构造观察钻孔，其中渠10孔位于断裂下盘，距地裂缝北缘约10 m，井口高程6.41 m，终孔深度50.0 m；渠11孔位于断裂上盘，距地裂缝南缘约15 m，井口高程6.22 m，终孔深度50.0 m，2个构造观察孔钻孔间距为43.6 m。钻孔进尺精度<1 cm，但由于岩芯胀芯及丢失影响取芯精度≤10 cm。需要说明的是，浅层地震剖面及野外调查显示，研究区第四系以水平沉积为主，因此钻孔中地层默认为水平产出。

3.1 实验测试

为了对钻孔岩芯进行年代学约束，本次工作在渠10孔中进尺深度2～11 m之间采集4件富含有机质的粘土作为14C测年样品，在进尺14～34 m之间采集4件光释光样品；在渠11孔进尺深度1～9 m之间采集6件富含有机质的粘土及螺化石作为14C测年样品，在进尺14～34 m之间采集4件光释光样品。14C测年在北京大学科技考古与文物保护实验室完成，实验采用加速器质谱法(AMS)，所用14C半衰期为5 568 a，树轮校正所用曲线为IntCal13 atmospheric curve[3]，数据处理所用程序为OxCal v4.2.4(表1)。光释光测年在北京光释光实验室科技有限公司完成，实验仪器为Daybreak 2200光释光仪，所有样品采用细颗粒简单多片再生法获得等效剂量值，采用饱和指数方法进行拟合。本次简单多片法测量的细颗粒样品再生剂量点不太分散，生长曲线未明显饱和，测试数据可信，实验结果见表2。

表1 宝坻断裂构造观测孔14C测年数据表

表2 宝坻断裂构造观测孔光释光测年数据

3.2 钻孔岩芯标志层分析

两口钻孔岩芯岩性均为曲流河相沉积物，沉积物层理清晰，沉积构造较为发育，具有可靠的横向对比性(图3)。本次选取的标志层已剔除具有明显河床冲刷特征的砂-粘土界面，主要选取曲流河相沉积中水动力较弱且横向上沉积较为稳定的河漫湖沼相沉积层、古土壤及地下水水位振荡界面作为标志层，这些标志层均可以指示相应的沉积时期或地下水水位振荡期2个钻孔均处于同一高程位置，其中包括1层铁锰结核层、1层古土壤层、1层粘土层、1层泥炭层、2层潜育化层、3层钙核层。

图3 宝坻断裂构造观测孔岩芯典型特征

通过渠10孔、渠11孔联孔对比，两者岩芯中标志层落差(渠10孔标志层、标志界面绝对标高减去渠11孔对应标志层、标志界面绝对标高)具有如下特征(图4)：

图4 宝坻断裂构造观测孔综合对比

1)两钻孔全新统上部铁锰质结核层(14C年龄为1 725～3 955 a BP)底界埋深均为3 m左右，其落差为-0.1 m，基本等同于取芯控制精度，可能为取芯误差所造成。渠10孔全新统底界埋深为5.3 m，绝对标高为1.1 m，界面上部为灰黄色粉砂(14C年龄为11 140±40 a BP)，下部为灰色粉砂。渠11孔全新统底界埋深位于5.0～5.3 m之间(有0.3 m岩芯丢失)，绝对标高为0.9～1.2 m，基本上与渠10孔一致，表明全新世以来宝坻断裂基本无明显垂直位移。

2)上更新统上部。在渠11孔进尺9.05～9.65 m之间识别出一层同震沉积层，即第一震积层，厚度为0.5 m。第一震积层底部为浅棕灰色粘土质粉砂，含大量直径2～3 cm的泥砾，向上过渡为灰色含碳粘土质粉砂层，可见明显的地震扰动特征，发育包卷层理及被粘土或有机质充填的细脉(图3(b))，其顶部14C年龄为22 740±70 a BP。通过上述分析基本可以确定距今2.27万年宝坻断裂曾发生一次地震(E1地震)。渠11孔第一震积层之下的第一古土壤层与渠10孔落差为1.4 m，基本上可以代表E1地震的同震位移量。第一震积层之上，位于断层下盘的渠10孔中缺失第一潜育化层(14C年龄为21 140±60 a BP)。需要注意的是，渠10孔第一粘土层底界面并非一个侵蚀界面，其可能指示在E1地震之后一段时间内断层上下盘存在明显的地貌差异。

3)上更新统中部。2个钻孔中均发育有一层泥炭层(即第一泥炭层，光释光年龄为97.1±4.4～98.0±5.3 ka)，泥炭层顶界面落差为1.3 m，考虑到取芯误差，基本上与第一古土壤层1.4 m的落差一致，据此可以认为第一泥炭层沉积结束至第一古土壤层形成之间宝坻断裂基本未活动。在渠11孔泥炭层内部，进尺20.45～20.95 m之间可见第二震积层，层内可见泥炭团块及被泥炭充填的细脉，同时发育有大量包卷层理(图3(d))，其代表宝坻断裂另一次地震活动(E2地震)。此外，据两钻孔泥炭层厚度差为1.2 m、泥炭层底界及第二潜育化层累计落差2.5 m推算，E2地震事件同震位移约为1.2 m。需要说明的是，渠11孔泥炭层第二震积层之下部分的厚度明显大于渠10孔，根据泥炭层内部第二钙核层顶界落差推算，E2地震后渠10孔泥炭层应存在一定量的剥蚀(图3(c)、3(d))。

4)中更新统上部。2个钻孔中发育有一层粘土层，但其顶面为明显的冲刷界面，无法作为对比标志层。粘土层内部第三钙核层的落差为2.6 m，接近泥炭层底界落差2.5 m，因此判断中更新统第三钙核层形成至泥炭层沉积前期之间，宝坻断裂并未产生明显的垂直落差。

5)第三钙质结核层之下。2个钻孔均为河床及边滩沉积，且在渠11孔底部见到明显的冲刷面，因此其不具备对比意义。

综上所述，宝坻断裂在全新世活动并不显著，而晚更新世为宝坻断裂的剧烈活动期。断层上断点位于第一潜育化层至全新统底界之间，即距地表5～7 m。根据构造观察孔岩芯对比可知，距今10万年以来，宝坻断裂发生2次地震活动，其中最近一次E1地震发生于22 740±70 a BP，同震位移1.4 m，E2地震发生于距今97.1±4.4～98.0±5.3 ka之间，同震位移1.2 m，2次地震发震间隔约7.5万年。需要说明的是，由于曲流河相沉积的侧向侵蚀作用，构造观察孔岩芯中存在侵蚀界面和沉积间断界面，同时鉴于钻孔岩芯的局限性，暂时无法排除还存在其他未能识别的地震活动，因此宝坻断裂的发震周期不能简单解释为7.5万年，还需要通过进一步研究来确定。

3.3 沉积速率分析

在构造观察孔年龄/深度关系图中(图5(a))，渠10孔、渠11孔年龄/深度曲线整体趋于一致，表明两者沉积关联性较强，具有较高的对比性。在局部上可见2处渠11孔曲线斜率明显小于渠10孔，其中S1位于深度4.1～7.1 m之间(以渠10孔井口为基准，下同)，S2位于深度17.8～23.6 m之间，表明此时渠11孔的沉积速率明显大于渠10孔。在2个钻孔岩芯中，S1段、S2段及其对应的渠10孔沉积段均为连续沉积，并未见到明显的沉积间断界面或河床侵蚀界面，可排除渠10孔因沉积物剥蚀或河流侵蚀而造成沉积速率降低的情况。因此，在S1段和S2段沉积时期，导致2个钻孔沉积速率存在差异的原因是宝坻断裂上下盘垂向上的差异性活动。

从图5(b)可以看出，渠11孔S1和S2两段均出现明显的沉积速率异常增大现象。渠11孔S1段沉积速率达到3.47 mm/a，而与该段对应的渠10孔沉积速率仅为0.18 mm/a。S1段位于第一震积层之上，略晚于E1地震，说明S1快速沉积段发育于E1地震断层上盘陡坎前。渠11孔S2段沉积速率为1.02 mm/a，而与之对应的渠10孔沉积速率仅为0.34 mm/a。S2段与E2地震对应性较好，两钻孔沉积速率差异可能与E1地震断层下盘陡坎(渠10孔)的侵蚀有关。

图5 宝坻断裂构造观察孔年龄/深度关系及沉积速率/深度关系

4 讨 论

4.1 宝坻断裂与荆庄地裂缝关系

荆庄、大田村一带自20世纪50年代开始一直使用渠水灌溉，周边不存在用水量巨大的企业和地下采矿企业，可排除抽水沉降和采空沉降成因。本次部署的浅层地震剖面显示，宝坻断裂上延位置恰好与荆庄地裂缝发育位置及展布方向重叠，因此荆庄地裂缝为受宝坻断裂控制的构造型地裂缝。此外，构造观察孔岩芯显示，宝坻断裂两侧埋深5 m以上的地层几乎不存在垂直落差，基本说明断裂未切穿地表。根据前人研究成果[4-5]，本文认为荆庄地裂缝的成因机制为区域伸展构造活动产生的拉张应力沿隐伏断裂向上扩展，并使地表土体处于局部拉张应力环境，导致地表产生一系列微型破裂构造。

根据华北地区多期精密水准复测资料可知，1992～1998年宝坻断裂以南发生明显沉降，断裂以北微弱抬升，年抬升速率小于2 mm/a，而1998～2008年研究区整体缓慢沉降，且具有明显的增大趋势，但年均沉降速率一般小于8 mm/a[6]。根据前人通过InSAR技术对北三县地区地表沉降监测与分析结果来看，2007～2016年宝坻断裂以北地区的香河、渠口镇、宝坻一带地表沉降程度较低，年均沉降速率一般小于8 mm/a，部分地区甚至出现逆沉降(即抬升)，这些区域整体呈NNW向或EW向，且多具季节性变化特点；宝坻断裂以南的五百户、刘宋、新开口一带的平均沉降速率显著高于断裂北侧，沉降速率在8～16 mm/a之间[7-9]，沉降中心分布与宝坻断裂及武清凹陷空间展布具有一致性，表明受宝坻断裂与基底构造控制。因此，荆庄地裂缝的形成除与宝坻断裂关系密切外，测区南部以安头屯-新开口一线为界南北地表不均匀沉降产生的剪切应力也会加快荆庄地裂缝的发展。

4.2 宝坻断裂地震活动性

在由多条独立断裂组成的活动断裂中，每一段都为独立的破裂和活动单元，具有自己独特的活动历史，不同段的活动方式、幅度、速率、单次地震的同震位移量、地震地表破裂长度、最大震级以及地震复发间隔等均有所不同[10-11]。张家口-渤海断裂带(张渤带)具有明显的分段特征，不同分支断层的活动性具有明显差异。

近年来，部分学者对张渤带各个分支断裂的活动性进行了不同程度研究。南口-孙河断裂西北段距今60 ka以来经历过13次地震地表位错事件，具有持续活动特点[12]。南口-孙河断裂南东段最新活动时代为晚更新世早期-中更新世晚期，早更新世和晚更新世以来，断裂垂向运动位移量较小[13]。昌平-丰南断裂上断点埋深80～100 m，其最新活动时代为晚更新世[14]。蓟运河断裂北段上断点埋深25 m，最新活动时间为晚更新世；南段上断点埋深约55 m，最新活动时间为中更新世中晚期[15]。海河断裂西段在36 290±2 680 a BP以来发生过活动，但该断层最晚活动时代不晚于 8 415±115 a BP，其主要活动时代为更新世末期至全新世早期；海河断裂东段最新活动时代至少为7 200±140 a BP，相当于全新世早中期[16]。

部分学者根据断层似摩擦系数推测，张家口-渤海断裂带西北段未来地震活动可能性较高，断裂带中段及东南段应力积累水平较低，中强地震活动可能性较小[17]。此外，现有研究普遍认为，京津冀地区张渤带与NNE向断裂交会位置往往是中强地震和大地震发生区域[17-19]。宝坻断裂位于张渤带中段，未发现NNE向第四纪活动断裂与之交会，其上断点埋深为5～7 m之间，最近一次地震的活动时间为22 740±70 a BP，相当于晚更新世晚期，基本与同样位于张渤带中段的昌平-丰南断裂、海河断裂及蓟运河断裂的末次活动时间接近，全新世以来这些断层基本上处于不活跃状态。

综上分析可知，全新世以来宝坻断裂整体处于不活跃状态，诱发中强地震和大地震的可能性较低。

5 结 语

1)根据浅层地震反射剖面可知，香河县荆庄地区宝坻断裂表现为一条近EW走向的南倾正断层，剖面上呈铲状，上部略陡，向下逐渐变缓，其明显控制着新生代以来武清凹陷的沉积，且对第四纪沉积也具有一定控制作用。

2)通过部署在断层两侧的构造观察孔岩芯对比及测年数据可知，宝坻断裂上断点距地表约5～7 m。距今10万年以来宝坻断裂共发生2次地震活动，累积位移2.6 m，其中最近一次E1地震发生于22 740±70 a BP，同震位移1.4 m；E2地震发生于距今97.1±4.4～98.0±5.3 ka之间，同震位移1.2 m，2次地震间隔约7.5万年。鉴于钻孔岩芯的局限性，宝坻断裂的发震周期不能简单解释为7.5万年，还需要通过进一步研究来确定。

3)根据本次钻孔研究，结合前人对张渤带各分支断裂活动性及发震规律的研究成果，综合判断宝坻断裂全新世以来整体处于不活跃状态，诱发中强地震和大地震的可能性较低。

4)荆庄地裂缝为受宝坻断裂控制的构造型地裂缝，其形成机制为区域伸展构造活动产生的拉张应力沿隐伏断裂向上扩展，并使地表土体处于局部拉张应力环境，导致地表产生一系列微型破裂构造。此外，宝坻断裂南北两侧地表不均匀沉降产生的剪切应力也会加快荆庄地裂缝的发展。

致谢：感谢中国地质科学院地质力学研究所胡健民研究员、李振宏研究员，天津市地质调查研究院王家兵教授级高级工程师，北京市地质调查研究院蔡向民教授级高级工程师在野外工作中给予的帮助与指导；感谢中国地震局地震预测研究所张军龙研究员对本文的指导与帮助；感谢北京大学考古文博学院潘岩老师在14C测年实验中提供的帮助。