深圳后海填海区北西向隐伏断层的综合探测研究

王贤能 王运生 李志波 王小湖 毕杨杨 向 超

1 深圳市工勘岩土集团有限公司，深圳市科技南八路8号，518000 2 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都市二仙桥东三路1号，610059

城市环境复杂、污染源多、干扰强等特点导致城市活动断层探测是一项极具复杂性的科研工作，人类活动和城市环境的综合特点给研究带来诸多挑战[1]。20世纪70年代末我国城市隐伏活动断层研究得到重视并有序展开[2]；20世纪80～90年代，国家对活动断裂进行逐步深入的定量研究工作，使探测手段趋于完善；21世纪以来，部分学者认为，物探-化探等方面的综合利用具有重要作用，并在部分城市隐伏断层研究中取得良好进展[3-5]。胡海涛等[6]对深圳大亚湾核电站选址工程以及原地矿部对深圳市主要区域进行“稳定性评价”工作，已初步厘定深圳市断裂的空间展布，为后期的断裂研究提供了重要的依据和参考。张景寿[7]通过地应力测量、实验、应力场分析等测试研究工作表明，深圳市现今主要应力状态为水平应力场，较优势方向为北西向，且北东向断裂以压扭性为主，北西向断裂以张扭性为主。

近年来随着深圳市南山区填海、地铁线路等重大项目的实施，已积累大量隐伏断裂的相关资料，可为隐伏断裂的深入研究提供基础，但填海区隐伏断裂的研究还存在空白且对各断裂的关联性研究甚少。为确定填海区断裂的精确展布和相对活动性，为区域稳定性研究提供重要依据，为地区经济建设和地震预测及危险性评价提供支撑，本文通过钻探、断层气氡探测、浅层地震探测和智能微动探测等多种手段，揭示后海隐伏断层的几何学特征与活动性，其结果对断层特征的研究与该地区工程建设活动的开展具有一定参考价值。

1 区域地质背景

深圳市位于珠江三角洲东南侧，属于紫金-惠阳凹褶断束的组成部分(图1(a))，东西向为高要-惠来断裂带南侧，北西向为珠江口断裂带东侧，北东向为莲花山断裂带西北支的五华-深圳断裂束南西段(图1(b))。区域构造条件复杂，以多期次的断裂和岩浆活动为主。北东向和东西向断裂规模较大，均具有长期发展和多次继承性活动的显著特征。该地区地震分布主要受这些断裂约束，其中东西向深大断裂为控震构造，北东向断裂为发震构造，两组断裂交会处通常为地震易发区[9]；北西向断裂多出现在珠江口两侧，南头半岛为主要影响区域，沿断裂有多次大面积的燕山四期岩浆侵入与喷发，动力变质作用和接触变质作用较为普遍。

研究区周边断裂以北东向安托山-赤湾断裂束和北西向蛇口断裂束为主[10]，存在极少数东西向断裂。安托山-赤湾断裂束包括沙河站断裂组(F1311、F1312)、安托山断裂组(F1313、F1314、F1315、F1316)、赤湾断裂组(F1317、F1318)。蛇口断裂束由6条大致平行、大小不一的断裂组成，分别为则远断裂(F3111)、小南山断裂(F3121)、太子山断裂(F3131、F3122)和蛇口山断裂(F3133、F3134)，具体分布见图1(c)。北西向断裂对南头半岛的微地貌具有较为明显的控制作用。

图1 研究区地质构造Fig.1 Geological structure of the studied area

2 研究方法

钻探工作可以鉴别研究区第四纪地质演化和环境变迁，确定覆盖层和岩层的厚度、组成、结构以及断层发育部位、断层带组成等，在城市隐伏断层研究中具有重要作用。

断层气氡探测使用KJD-2000R测氡仪，该仪器是一种标准的新型断层气氡测量设备，其利用静电收集Rn衰变子体进行累积测量，仪器测量范围为(10～1.0×105)Bq/m3，取样深度均为60 cm。结合前人研究资料和填海区场地条件，分别计算每条测氡线所有测试点Rn浓度的平均值和标准方差，用计算的平均值加减3倍标准方差作为分界线，将该范围内数据点的平均值作为该测线的背景值(RnB)；以背景值加1.5倍标准方差作为测线的异常阈值(RnF)，超过异常阈值则称为地球化学异常[11]。

智能微动勘探是从自然界存在的各种微弱震动中提取瑞利面波的频散特性，然后通过对频散曲线进行反演来推测地下横波速度分布。使用WD-1智能微动勘探仪、2 Hz拾震计以及直线型观测台阵进行探测，探测点距为25 m；拾震计按照5 m间距布置，并且确定其与地面耦合情况良好，然后采用电缆连接分线器与拾震计开始野外数据采集。

浅层地震勘探采用人工夯源作为激发震源，使用美国劳雷公司生产的NZXP 24位地震仪和重庆地质仪器厂生产的主频100 Hz检波器。考虑到研究区地表岩土性质和地震噪声实际情况，采用12道接收，2 m道间距，6次覆盖，偏移距8～12 m；24磅重锤激发，采样间隔0.25 ms，采样长度0.512 s；检波使用固有频率为100 Hz的垂直检波器。

3 北西向隐伏断层探测

3.1 钻探分析

研究区面积约11.00 km2，地面较为平坦，海拔在1～7 m之间，地势北高南低、西高东低。收集钻孔数量5 100余个，均来自研究区内各地块的项目勘察资料，较均匀地分布于整个区域。对收集的钻孔数据进行筛选和滤波，采用Surfer软件中最近邻点插值法生成残积土和微风化顶板高程等值线图(图2)。

图2 研究区残积土及微风化顶板高程等值线Fig.2 Elevation contour of residual soil and slightly weathered roof in the studied area

当岩体中存在规模较大或延展较深的断层破碎带、地下水循环交替较强的局部裂隙发育带以及断层与岩脉交叉带时，常会形成风化槽。从微风化顶板高程等值线图可以看出，研究区南北两侧微风化标高平均为-40 m，中上部区域标高平均为-80 m，相对高差达40 m，具有明显的风化差异性，形成一条北西向展布、宽1 km的风化槽。综合区域地质构造、前期勘察资料可知，研究区内存在2条北西向隐伏断层F1、F2，其控制着区内风化槽的南北边界。

3.2 断层气氡探测

断层气氡是地壳深处的放射性元素镭、铀衰变过程中产生的一种具有放射性的气体，具有极好的迁移能力，因此具有异常探测的天然有利条件。

3.2.1AA′测线

AA′测线沿中心河东岸绿化带展布，起点邻近东滨路，终点位于创业路，长810 m，共布置60个测点。从图3可以看出，Rn浓度曲线形态为多峰型，次级峰均位于主峰北侧。次级峰所指方位为断层倾斜方向，异常峰衰减较缓一侧常为断层上盘[12]，主要原因为，断层上盘裂隙和次级断层较为发育，导致岩体相对破碎，导气性好，推测主峰位置为F1主断层经过的位置，且断层倾向北东。在距离测线起始点185 m和220 m处存在超过异常阈值(RnF)的断层气Rn浓度，破碎带宽度约为35 m。该测线最高峰峰值浓度(RnEmax)为28 443.00 Bq/m3, 背景值为6 309.58 Bq/m3，异常阈值为15 242.14 Bq/m3，RnF与RnB比值为2.71，RnEmax与RnB比值为4.50。

图3 AA′测线实测氡浓度剖面及钻孔地质剖面Fig.3 The measured radon profile of AA′and geological cross section

3.2.2BB′测线

BB′测线布置于滨海大道与科苑南路交叉口北西侧科技公园内，长400 m，共布置33个测点。从图4可以看出，Rn浓度曲线形态为多峰型，次级峰位于主峰两侧，推测主峰的异常区间位置为F2断层经过的位置，且曲线从最高峰值浓度衰减至背景值，南西侧衰减明显较北东侧缓和，即F2断层倾向南西。在距离测线起始点180 m和220 m处存在超过异常阈值(RnF)的断层气Rn浓度，破碎带宽度约为40 m。该测线最高峰峰值浓度为25 520.00 Bq/m3, 背景值为7 972.03 Bq/m3，异常阈值为16 279.33 Bq/m3，RnF与RnB比值为2.04，RnEmax与RnB比值为3.20。

图4 BB′测线实测氡浓度剖面Fig.4 The measured radon profile of BB′

3.3 智能微动探测

CC′测线沿望海路从北向南展布，用以确定F1隐伏断层在研究区东边界的空间位置，探测结果(引自《望海路快速化改造工程岩土工程勘察报告》)见图5。对比分析地层、岩面划分及断层构造位置划分结果可知，智能物探结果与钻探结果基本吻合。根据物探剖面推测，200 m位置存在断层构造，位于深圳湾公园停车场最南端，断层上盘风化、微风化顶板埋深均大于下盘，两者高差约为10 m。对该处钻孔进行分析发现，存在宽约30 m的碎裂岩带，受区域构造影响，部分矿物绿泥石化，节理面可见擦痕；部分矿物受构造挤压呈定向排列或条带状发育。物探及钻孔资料解译该处F1隐伏断层产状为N38°W、NE、63°。

图5 CC′测线智能微动探测面波剖面Fig.5 Intelligent micro-motion detection surface wave profile of CC′

3.4 浅层地震探测

DD′剖面(引自《深圳市城市轨道交通11号线工程勘察报告》)位于沙河西路与海德三道交汇口附近，沿地铁11号线由南西向北东展布，全长255 m，通过地震数据处理，得到地震反射波叠加时间和深度剖面(图6)。可以看出，剖面140 m处波形起伏较大，存在明显的散射现象，推断该处为断层构造，走向为北西50°，倾向南西，倾角约为70°。隐伏断层上部覆盖层厚度约为30 m，且并未存在错动痕迹。钻探揭示，F2隐伏断层发育于燕山期粗粒花岗岩，构造岩为全-强风化碎裂岩，具明显碎裂结构，节理裂隙极发育，断层力学性质以张扭性为主，并有多次活动特征；断层上盘花岗岩的风化程度明显强于下盘，上盘中风化花岗岩顶板埋深大于60 m，下盘中风化顶板埋深仅为45 m左右。

图6 DD′测线地震反射波叠加时间剖面及地质剖面Fig.6 Time-stack section of seismic reflection of DD′ and geological cross section

4 讨论与分析

4.1 北西向断层厘定

F1断层：研究区内断层由望海路东边界深圳湾公园停车场最南端延伸至深圳湾一号南地块后继续向北西侧展布，并在西侧滨海南海立交桥附近被发现。根据深圳、香港区域地质图推测，该断层为流浮山-东博寮断层的展布区段。F1断层走向北西38°～40°，倾向北东，倾角约59°～63°，断层破碎带宽度为30～35 m，断层带为全-中风化碎裂岩，具明显碎裂结构，节理裂隙发育，绿泥石化现象显著，断层力学性质为张性兼反扭，第四系全新世以来未见活动。取香港马湾长咀、东湾仔附近断层物质和断层角砾岩进行热释光(TL)测年表明，在93.9±0.79 ka BP、126.2±1.03 ka BP均发生过明显的错断活动[13]；在深圳湾大桥元朗山附近对断裂破碎带内构造岩物质进行TL测年表明，该断裂在25.1±0.18 ka左右存在最新活动[8]。

F2断层：该断层从深圳湾体育中心南东角附近进入研究区，沿北西50°方向延伸，经过科技公园进入宝安区。断层走向北西50°，倾向南西，倾角约70°，断层破碎带宽度为40 m，两盘均为燕山期粗粒花岗岩，浅表层构造岩为全风化碎裂岩，具明显碎斑结构，上盘节理裂隙发育，断层力学性质为张性兼反扭。

计算断层带氡浓度最大峰值(RnEmax)与背景值(RnB)的比值，比值大小与断层活动性呈正相关，因此可以用来大致确定断层的相对活动性。F1隐伏断层比值为4.50，F2隐伏断层比值为3.20，表明F1断层的相对活动性较强。

对深圳及周边海域1567年以来的地震记录进行分析(图7)，文字记录共95次，最大震级约为MS4.3，震级在2～3的占总数的50.53%，表明深圳地区现代地震活动多以微震和弱震为主，具有频率高、烈度小等特征。从区域地质及地震角度来看，研究区地震活动水平较低，断裂活动性较微弱。

图7 深圳地震震级分布Fig.7 Magnitude distribution of earthquake in Shenzhen

4.2 风化槽成因初步探讨

风化槽物质组成成分主要为全风化和强风化花岗岩，风化物颜色灰白，原岩结构基本破坏，具微弱的残余结构。F1为倾向北东的张性兼反扭隐伏断层，控制风化槽的南西边界；F2为倾向南西的张性兼反扭隐伏断层，控制风化槽的北东边界(图8)，形成地堑断层组合。中间盘均为断层上盘，对于张性断层而言，断层上盘岩体较下盘破碎，裂隙、孔隙和次级小断层较下盘发育，从而导致断层上盘形成有利于岩体风化的初始条件。

图8 风化槽成因解译Fig.8 Interpretation of the cause of weathered trough

研究区为填海区，原始地貌被海水覆盖，海水深度为0.5～5 m，海水对构造破碎的花岗岩岩体具有进一步的风化作用。海水与风化槽中岩土体相互作用，岩土体中可溶物质随着海水渗流、搬运，使水体成为一种复杂的液体，对风化槽岩土体产生微妙的影响。当海水通过渗流等作用进入风化槽，使其中岩土体物理性质发生变化，岩土体随着含水量变化会发生从固态到塑态甚至到液态的弱化现象，发生明显的软化作用，使风化槽颗粒间的接触性质发生改变，从而降低岩土体强度。基岩以花岗岩为主，岩体中钾长石等长石矿物与海水发生水解或溶解作用，使其高岭土化，降低岩体强度，会增强风化槽的孔隙度和渗透性，从而进一步加深岩体的风化程度。

深圳属南亚热带季风气候，雨量充沛，日照充足，年平均气温约 23.0℃。研究区原地貌海水深度较浅，易受光照、气温影响而使水体温度升高，从而使软化、水解、溶解等作用的反应速度加快。

综上分析认为，风化槽主要成因为构造破碎、海水、温度等多因素耦合导致花岗岩中长石快速风化。

5 结 语

1)F1、F2隐伏断层产状(走向、倾向、倾角)分别为N38°～40°W、NE、59°～63°和N50°W、NW、70°，发育于燕山期花岗岩中，断层带宽分别为30～35 m、40 m，破碎带由碎裂岩、碎斑岩组成，裂面上发育薄层碎粉岩，绿泥石化现象显著，力学性质均为张性兼反扭，未扰动全新统，为晚更新世活动断层。

2)断层气Rn浓度强度表明，F1隐伏断层的相对活动性强于F2断层，但总体活动性较微弱。

3)北西走向风化槽主要成因为张性断层上盘较下盘破碎，裂隙、孔隙和次级小断层较下盘发育，构造破碎、海水、温度等多因素耦合导致花岗岩中长石快速风化。