狮子洋断裂带第四系沉积规律研究

2022-01-06余成华赵佳进高玉辉

科技和产业 2021年12期

余成华，李凤，肖兵，赵佳进，刘林，高玉辉

(深圳市勘察研究院有限公司，广东深圳 518026)

深圳市第四纪地层类型可分为两类，一类是冲海积相的近海平原及海域的沉积，另一类是冲洪积相的山间盆地沉积。其研究程度与珠江三角洲第四纪研究密切相关，关于珠江三角洲第四纪研究前人做了大量的工作。冯炎基等[1]、李平日等[2]研究表明珠江三角洲是晚更新世中期以来形成的，且其发育过程分为5个阶段。陈培红[3-4]提到全新世与更新世的界面(Q4/Q3)定在距今1.2万年左右。其中全新世近代期和现代期分界面定在距今6千年左右；晚更新世与中更新世的界面(Q3/Q2)定在距今20 万年左右。珠江三角洲地区的晚更新世地层绝对年龄测定小于4万年，属晚期(距今7万年)沉积的。中更新世地层缺乏绝对年龄，仅依据区域地貌标志暂定均。21世纪以来的研究成果将珠江三角洲第四纪的沉积年龄大大向前推进，宗永强等[5]采用14C和光释光测年方法，对晚第四纪地层的划分进行年代标定，提出了珠江三角洲环境演变的5个阶段。陈双喜等[6-7]通过研究珠江口西岸的QZK6 孔，揭示该孔发育晚更新世风化层、河流等陆相沉积体系、育全新世三角洲沉积体系。周良等[8]建立了晚更新世以来的地层框架，最老地层年代大致在5万年。王晓静等[9]采用AMS14C和常规14C以及古地磁方法对万顷沙地区进行年代学分析，认为其研究钻孔的全新统底部年龄约为6 ka BP，提出晚更新世以来的沉积环境变化可分为2个旋回，包括晚更新世中晚期的海侵海退旋回和全新世的海侵海退旋回，并据此建立了该地区的海平面变化曲线。郭良田等[10]研究表明东江平原覆盖于基岩面上的古河道沉积的最大年龄为13.5万年。综上，新的年龄数据揭示珠江三角洲地区的松散沉积层的最老年龄超过10万年。

珠江三角洲大部分地区可以分为上、下两个沉积层，记录了第四纪海平面变化的两次海侵海退波动。其中，上旋回对应于全新世，但下旋回的年龄却至今没有共识，分别有3万～5万a左右的晚更新世中晚期(相当于 MIS3)[11-14]和10万年左右的晚更新世初期(相当于 MIS5)[15-16]两种截然不同的意见。余章馨等[16]研究表明珠江三角洲下旋回与南海北部陆架层序D相当。珠江三角洲下旋回对应着南海北部陆架MIS5时代(晚更新世早期)的层序地层。

尽管前人对珠江三角洲地区第四系进行了广泛的测年，但关于第一次海侵及最老的陆相沉积的年龄仍存在争议。深圳的地质调查始于1932年，朱庭祜最早对地层、岩浆岩做过研究。1959—1962年广东省地质局761队开展了1∶20万区域地质调查。1979—1981年，广东省区域地质调查大队、广东省地震局、中科院南海海洋研究所等单位，围绕大亚湾核电站的建设问题开展了相应项目的地质调查研究。1982年广州地理研究所完成了第四纪地貌调查研究，并出版了《深圳地貌》专著。1981—1985年广东省区域地质调查大队在本区进行1∶5万区域地质调查，水文地质工程地质一大队和二大队相继完成了1∶20万水文地质调查。1984年地质矿产部主持开展了深圳市罗湖区断裂构造活动性及区域稳定性评价工作，这些工作或多或少都涉及第四纪地层和地貌的研究。广东省地震局1989—2008年开展了深圳市地震危险性分析、福田-蛇口工业区的地震小区划、深圳市活断层探测与地震危险性评价等项目，对深圳市的第四系进行了专门的研究。结果显示，深圳市区第四系多属于晚更新世和全新世沉积，最老沉积的年龄为距今6.8～12.8万年[17-18]。

总的来说，前人的研究主要集中在全新世及晚更新世，对中更新世的研究较少。本文结合前人研究，借助狮子洋断裂带的钻孔资料和样品的14C及OSL测试结果，对狮子洋断裂带第四系沉积规律进行综合研究。研究狮子洋断裂第四纪沉积演化特征及其沉积旋回特征，为深圳地区活动断层探测提供可供参考的时间标尺。

1 狮子洋断裂带地层揭露

狮子洋断裂F18-4位于深圳前海湾至宝安外围水域，属于珠江口伶仃洋范围。狮子洋断裂的主要部分被水域所覆盖，仅在小南山和大南山见有基岩断点被揭露。因此在伶仃洋的水域内布设钻孔探测剖面。伶仃洋是珠江喇叭口形的河口湾，湾顶在虎门一带，宽3 km，向南撒开海面宽达60 km。伶仃洋水面地形复杂，可分为两深槽三浅水。目标区的第四系厚度小于100 m，下伏基岩为早白垩系花岗岩(γK1)。狮子洋断裂自文冲沿狮子洋，过威远，直到深圳湾而达珠江口，断裂走向310°～330°。人工地震水域SZYS1～SZYS5线对其进行控制，拟定了5条钻孔探测剖面，如图1所示。

图1 浅层人工地震探测线及排钻Qzk1～Qzk6布置图

1.1 珠江口水域浅层地震勘探

在深圳辖区的珠江口水域，垂直狮子洋断裂(带)布置测线6条(编号SZYS1～5)(图1)，累计长65.7 km，测线南至深圳与香港特别行政区交界处的深圳湾，北至深圳与东莞交界处的深圳河附近，这一范围有效地控制了狮子洋断裂的展布。

1.1.1 浅层人工地震探测线布置

1)SZYS1测线：西南部起点位于内伶仃岛附近，向东北方向进入深圳湾，终止于港深大桥西。道距1 m，测线长度11 591 m。

2)SZYS2测线：西南部起点位于内伶仃岛西，终点位于小南山公园西妈湾港附近。道距1 m，测线长度14 871.5 m。

3)SZYS3和SZYS3-1测线：SZYS3线起点位于内伶仃洋主航道以西，在靠近大铲岛附近，受暗礁绕行的影响，造成测线局部弯曲，终点位于前海湾内的广深沿江高速西侧。在SZYS3线绕行段，平移至北部，增加了短线SZYS3-1。目的是对SZYS3线资料的进一步补充。测线道距均为1 m，SZYS3线长度为16 741.5 m，SZYS3-1线长度为2 019 m。

4)SZYS4测线：西南部起点位于洪奇沥水道入海口东，终点位于深圳宝安机场西。道距1 m，测线长度为11 902 m。

5)SZYS5测线：西南部起点位于龙穴岛广州南沙海港集装箱码头东，终点位于天瑞工业园西。道距为1 m，测线长度为8 561.5 m。

1.1.2 岩土分层界面

根据第四纪覆盖层(淤泥层)底界面和基岩(花岗岩)中风化顶面反射分层解释成果，获得了各界面的高程统计(表1)。根据各界面的高程完成了各地球物理层的厚度统计(表2)。由此得：

1)淤泥层底界面(T2)。淤泥层底界标高集中在-11.4～-35.5 m，淤泥层厚度为1.4～23.4 m，总体较为平坦。

表1 水域地球物理层分层界面高程统计数据单位：m

2)风化壳底界面(Tz)。根据水域各测线综合地质解释剖面图知，风化壳底界标高集中在-15.2～-86.8 m，淤泥层底与风化壳底界间的黏土、砂及粉质黏土层、全强风化层厚度为1.4～23.4 m。在大铲岛附近，测线西部风化壳底界起伏较大，测线东部以水平层状分布为主，总体较为平坦。

3)基岩岩性分界。根据各测线的基岩反射波组及收集的以往资料知：在大铲岛附近，受构造作用，断裂两侧岩性明显不同。测线西部基岩为花岗岩，连续可追踪的基岩反射波组起伏大，并伴有洼底弧形反射；测线东部基岩为砂岩，以水平层状平缓变化为主，连续可追踪的基岩反射以水平层状为主。

1.2 狮子洋断裂排钻探测

狮子洋断裂的主要部分被水域所覆盖，仅在小南山和大南山见有基岩断点被揭露(图2)。可见形成宽约20 m的破碎带，断层滑动面发育数十厘米的断层泥带，硅质胶结或被磨碎的岩屑胶结，部分角砾可见被压裂现象。

狮子洋断裂钻孔探测共布置了6条剖线，陆地上有南山区梦海大道陆地排钻一(Qzk1)，海上有南山区前海湾排钻二(Qzk2)和排钻五(Qzk5)、宝安区福永海域(深中通道附近)排钻三(Qzk3)、南山区蛇口港海域排钻四(Qzk4)和排钻六(Qzk6)，剖线布置如图1所示。

1为片麻状混合花岗岩；2为中粒混合花岗岩；3为断层破碎带图2 断层破碎带剖面及断层垭口

1.2.1 狮子洋断裂带陆地地层

Qzk1布置在陆地上，揭露第四系覆盖土层厚度(包括风化残积土层)24.50～33.50 m，按其地质时代、成因类型及土性的不同自上而下划分为全新统(Qh)人工填土层①、冲洪积(Qpapl)粉质黏土②-1、含砾砂粉质黏土②-2、砾砂层②-3；中～上更新统(Qp2el)残积粉质黏土层③。

1.2.2 狮子洋断裂带海域拍照揭露地层

海上5条钻探线(Qzk2～Qzk6)揭露地层如下，其中排钻四(Qzk4)揭露地层剖剖面线如图3所示。

1)Qzk2排钻。布设的排钻全长113 m，剖面线方向为北东54°，与断裂走向近于直交，以断点为中心与浅勘测线呈小角度相交。剖面施工钻孔6个，钻孔编号为Qzk2-1～Qzk2-6，孔间距为9.89～68.08 m。

揭露第四系覆盖土层厚度(包括风化残积土层)22.90～27.00 m。揭露地层按其地质时代、成因类型及土性的不同自上而下划分为：全新统(Qh)的海相淤泥①；上更新统(Qp3)冲洪积黏土②-1、淤泥质黏土②-2、含黏土砾砂②-3、黏土②-4；早期海相淤泥质黏土③；中更新统(Qp2)粉细砂④-1、中细砂④-2、砾砂④-3，残积粉质黏土层⑤。揭露到基岩为早白垩系(构造分期燕山四期，β5K1)花岗岩微风化带。

2)Qzk3排钻。排钻位于福永深中通道附近，剖面走向北东，与断裂走向近于直交，与浅勘测线平行。剖面全长62 m，布设施工钻孔7个，编号为Qzk3-1～Qzk3-7，孔间距为7.36～15.37 m。

揭露第四系覆盖土层厚度(包括风化残积土层)17.60～18.90 m。揭露地层按其地质时代、成因类型及土性的不同自上而下划分为：全新统(Qh)的海相淤泥①-1、泥炭①-2；上更新统(Qp3)冲积黏土②；中更新统(Qp2)残积粉质黏土层③。

图3 狮子洋断裂Qzk4排钻钻孔位置图

3)Qzk4排钻。排钻剖面布设为北东走向，与断裂走向近于直交。剖面全长61 m，施工钻孔6个，钻孔编号Qzk4-1～Qzk4-6，孔间距9.68～21.30 m。

剖面内揭露第四系覆盖土层厚度(包括风化残积土层)38.00～39.60 m，未揭穿。揭露地层按其地质时代、成因类型及土性的不同自上而下划分为：全新统(Qh)的海相淤泥①-1、泥炭质黏土①-2；上更新统(Qp3)冲洪积黏土②-1、含砂黏土②-2、中细砂②-3、中粗砂②-4；早期海相淤泥质黏土③；中更新统(Qp2)中细砂④-1、中粗砂④-2、砾砂④-3、木炭④-4，残积粉质黏土层⑤。

4)Qzk5排钻。剖面排钻布设北东走向，与断裂走向近于直交。施工钻孔9个，孔间距3.99～10.38 m，钻孔编号Qzk5-1～Qzk5-9。

剖面内仅在Qzk5-1、Qzk5-2号孔揭穿第四系覆盖层，揭露第四系覆盖土层厚度(包括风化残积土层)21.00～25.30 m。剖面内覆盖土层按其地质时代、成因类型及土性的不同自上而下划分为：全新统(Qh)的海相淤泥①；上更新统(Qp3)冲洪积黏土②-1、中细砂②-2、中粗砂②-3；中更新统(Qp2)黏土③-1、粉细砂③-1、中细砂③-2、中粗砂③-3、砾砂③-4，残积粉质黏土层④。

5)Qzk6排钻。剖面排钻布设北东走向，与断裂走向近于直交，与浅勘测线近于平行。Qzk6剖面全长40.6 m，施工钻孔4个，钻孔编号Qzk6-1～Qzk6-4，孔间距为17、9.08、14.59 m。

剖面覆盖层总厚度>39 m，未钻进基岩。按形成时代、成因类型和物质组成划分为：全新统(Qh)的海相淤泥①；上更新统(Qp3)含砂黏土②-1、粉细砂②-2、中细砂②-3、中粗砂②-4；中更新统(Qp2)黏土③-1、中细砂③-2、中粗砂③-3，砾砂③-4，残积粉质黏土层④。

2 测年方法和结果

尽管前人对珠江三角洲地区第四系进行了广泛的测年，但关于第一次海侵及最老的陆相沉积的年龄仍存在争议。考虑到工作区海相沉积发育，钻孔岩芯中富含可作14C测年的腐木和腐殖质等，同时也广泛存在可作OSL测年的含石英矿物的晚第四纪碎屑物，因此对晚第四纪沉积采用了14C和OSL两种测年方法。为获得高精度的第四纪地层的年龄，本项目对钻孔岩芯开展了沉积相划分和系列的年代学样品采集，其中野外采集样品如图4所示。

14C样品送美国BETA实验室测试，以快速、准确获得测年结果。OSL测年根据矿物粒度的不同，采用了粗颗粒石英和细颗粒石英两种测年方法，OSL测年由北京光释光实验室科技有限公司和中国地质大学(武汉)地球科学学院OSL实验室完成。目前，共获得14C样品年龄26个，OSL样品年龄6个。OSL测年结果见表3，14C测年结果见表4。

图4 QZK2-6野外采集样品

通过14C测年和OSL测年，深圳市区第四系多属于晚更新世和全新世沉积，最老沉积的年龄为距今6.8万～12.8万a[17-18]。而此次研究，通过Qzk2～Qzk6钻孔中的试样14C测年和OSL测年结果显示，第四系沉积年代对地层埋深的增大而变老，顶部淤泥层年代基本限定在10 ka BP以内，花斑黏土层年代大于45 ka BP，最老地层沉积年龄为18.5万a。在此基础上，结合区域第四纪研究成果，对工作区进行第四系的划分和对比，可建立区域第四纪年代学框架，可为地球物理探测资料解释和断层活动性和地震危险性分析提供了基础资料和有效标尺。

表3 中国地质大学(武汉)地球科学学院OSL年代测试结果

表4 14C测年结果

3 第四纪地层的划分与特征

3.1 水域第四纪划分

通过垂直狮子洋断裂(带)布置6条浅层地震勘探测线、排钻探测及14C测年和OSL测年，狮子洋断裂带深圳地区水域第四系厚度一般在数十米内，自上而下由如下地层单元组成：

1)第四系全新统海相沉积层(Qhm)。岩性为淤泥、淤泥质土和淤泥质黏土夹砂等。大量的14C年龄<1万a。

2)第四系晚更新统晚期陆相沉积层(Qp3al)。岩性主要为软-可塑状黏土，通常称为“花斑黏土”，其下部多分布有薄层稍密-密实状的粉砂-砾砂，局部夹有透镜体状的圆砾土。为海退期冲洪积物的风化层。在西江钻探剖面中，该层的部分14C年龄>4.5万a。

3)第四系晚更新统早期海相沉积层(Qp3m)。岩性为淤泥、淤泥质土和淤泥质黏土夹砂等。14C年龄均>4.5万a，OSL年龄在7万～8万a。

4)第四系中更新统晚期陆相沉积层(Qp3al)。岩性主要为砂-砾砂，为古河道沉积。OSL年龄在9万～18.5万a。

5)第四系中更新统残积层(Qp2el)。为岩石风化残积物，呈硬-半坚硬状砂质黏性土状。花岗岩残积土呈棕黄色-灰黄色粉质黏土，花岗闪长岩残积土呈灰色、灰绿色粉质黏土，可塑-硬塑，质较均，主要分布于岩面表层。残积土层年代，按照Young与Pritchad关于潮湿热带地质岩石的风化速率及花岗岩风化壳脱硅速率进行推断，网纹状红土的形成年龄大致为0.25～0.30 Ma，残积土层形成年龄大致为0.25～0.6 Ma，相当于中更新世。

3.2 陆域第四纪划分

结合深圳地区陆域第四系划分情况，可更新深圳市第四纪的地层划分。

深圳地区陆域第四系厚度多小于30 m，自上而下由如下地层单元组成：

1)人工填土层(Qhml)。褐黄、褐红色，以粉质黏土为主，夹有碎石、块石、砖块及少量生活垃圾，厚度<15 m。

2)第四系全新统陆交互相沉积层(Qhmc)。岩性为深灰-灰黑色含有机质的砂层、淤泥质黏土夹砂等，含较多贝壳碎屑，14C年龄<1万a。

3)第四系晚更新统晚期冲洪积砂砾石层(Qp3apl)。卵石粒径2～15 cm，最大者可达25 cm，卵石主要为脉石英、凝灰岩，次圆-浑圆状，含量约10%～50%，局部含卵石中粗砂，形成于海平面抬升以前冲沟冲填物，分布稳定，与下伏地层为不整合接触，厚度<20 m。该层的14C年龄>4万a，OSL年龄为1.5万～4万a。

4)中晚更新世残积粉质黏土层(Qp2-3el)。褐黄、褐灰色，由糜棱岩化凝灰岩等风化残积而成。

3.3 深圳第四纪划分

综上所述，除残积层推测为中更新世形成外，深圳地区第四系主要是距今约20万a来沉积而成，可划分出中更新世晚期地层、晚更新世地层和全新世地层。深圳地区第四纪地层综合划分结果见表5。

表5 深圳地区第四纪地层综合划分

总的来看，测年结果与地层层序吻合，基本没有出现倒序的现象。获得的最老年龄为18万a，远大于深圳一期项目获得的约7万a的年龄值。

3.4 深圳第四纪沉积特征

目前普遍认为珠江三角洲地区存在两个较明显的沉积旋回，下、上两个旋回代表晚更新世海侵和全新世海侵[19]。关于下旋回海侵发生的时代，历来有2 种不同认识：晚更新世早期(距今12万～10万a)和晚更新世中、晚期(距今5万～3万a)[16]。此次海上布设5排钻探线，钻探剖面范围内覆盖层厚度分布不均，变化在18～40 m，根据各钻探剖面地层划分情况，该区域的第四系表现为三角洲上、下2 次海侵-海退旋回。下旋回(Qp)海侵发生在晚更新世早期，按沉积相可划分Qp3 m，上旋回(Qh)形成于全新世海侵，按沉积相可划分为Qhm。其中Qzk3、Qzk5和Qzk6仅揭露出上旋回沉积，Qzk2和Qzk4剖面离岸较远，揭露出上旋回和下旋回的2套海侵-海退旋回沉积(表6)。而基岩面埋深变化较大，中微风化面起伏较大。

从钻孔联合剖面的位置来看，自西北向东南，Qzk3是对应的深圳通道，Qzk2和Qzk5是大铲湾，Qzk4和Qzk6位于深圳湾；第四系厚度相应由小于20 m，变化到小于30 m，再向南增加40 m，显示海底地势整体上自西北向东南方向缓慢倾斜。