甘肃省天水市活动断裂带主要特征及活动性分析

2022-06-24温志亮曾庆铭田中英刘江张新社孟晓捷牛千孙少珍

西北地质 2022年2期

温志亮,曾庆铭,田中英，刘江,张新社,孟晓捷,牛千，孙少珍

(1.中国地质调查局西安地质调查中心(西北地质科技创新中心)，陕西西安 710054；2.西安西北有色物化探总队有限公司，陕西西安 710068)

十余年来，前人对位于西秦岭东段天水市活动断裂的研究取得了一些重要进展。随着天水市城市建设的快速发展，研究者对该地区活动断裂的分布、出露、断层特征、断层气(成玉祥等，2009)、活动特征(韩竹军等，2001)和断裂活动性(吴赵等，2016)等开展了有关的研究工作，但对天水市城区和三阳川新区活动断裂的研究、断裂活动对城市地质环境的影响评价研究程度均不够深入。随着关中平原城市群综合地质调查的开展，笔者利用地面地质调查、深部地球物理探测和高精度遥感影像解译等手段对天水市城区及三阳川新区活动断裂开展了综合地质调查研究，对活动断裂分布、特征及断裂活动性进行了探讨，为区内国土空间规划及防灾减灾等提供了新资料。

1 区域地质背景

天水地区位于甘肃省东部陇南山地与黄土高原的过渡地带，地处青藏高原东北缘；其大地构造位置处于中央造山系中段祁连造山带和北秦岭造山带的接合部位；同时，横跨中国中部贺兰山-川滇南北向构造带，是特提斯构造域和太平洋构造域复合叠加的构造部位。区域上以新阳-元龙大型韧性剪切构造带为界，北为祁连造山带，南为西秦岭造山带。西秦岭造山带主要由北秦岭构造带、李子园-关子镇俯冲-碰撞杂岩构造带和中秦岭晚古生代沉积盆地构造带组成。天水市位于西秦岭造山带北缘的北秦岭构造带，正好处于祁连-北秦岭造山带的衔接、过渡、转换、交接部位(张维吉等，1994；霍福臣等，1995；温志亮，2017)。

天水城区一带出露较老地层为古元古代中深变质的秦岭岩群(Pt1Q.),因经历多期变质、变形叠加改造，原生层理已无保留，层序难以恢复，区域上表现为层状无序的几种变质岩石组合(张维吉等，1994)；其次为泥盆纪大草滩群(李永军，1995)，该地区大面积出露的地层是中生代、新生代地层，主要有侏罗纪炭和里组和火麦地组(赵宗宣，1998)、白垩纪麦积山组、新近纪甘肃群和小河子组(温志亮，1996)及第四系等。该地区区域地质及构造格局总体受北秦岭构造带控制，区域断裂构造极为发育，区域断裂、地层展布总体呈北西向、北西西向，总体构造从东向西延伸均不同程度地斜接交汇于新阳-元龙大型剪切带(张维吉等，1994)。古元古代中深变质的秦岭岩群组成了该地区的结晶基底，区域上天水以南分布的早古生代地层代表了秦岭板块构造演化的产物，晚古生代地层是秦岭造山带板内伸展裂陷演化的产物。印支期末的碰撞造山作用使秦岭地区全面进入陆内演化，在区内沉积了大量的中生代内陆河湖相沉积；新生代以来，由于青藏高原的挤压和隆升作用，在天水一带形成了一系列的活动断裂。岩浆岩在麦积区东部出露，有加里东期花岗闪长岩、二长花岗岩岩基和燕山期二长花岗岩等。秦岭造山带大致经历了晚太古代—古中元古代前寒武纪基底的形成演化、新元古代—中三叠世现代板块构造体制的板块构造演化和印支期全面碰撞造山阶段(霍福臣,李永军，1995；张国伟，2001)，中—新生代陆内造山作用与构造演化等3个不同的构造演化阶段(裴先治等，2004)。

2 区域性断裂概况

天水市区域断裂构造由北向南依次为新阳-元龙大型韧性剪切带、西秦岭北缘断裂带、关子镇-李子园俯冲-碰撞蛇绿混杂构造带(图1)，它们控制了天水地区基本地质构造格局，也构成了天水周边断裂体系。这些断裂形成于不同地质历史演化时期，表现为构造活动的长期性、阶段性、继承性，常构成大地构造单元的边界和分界断裂。

1.第四系冲洪积；2.晚更新世黄土；3.甘肃群；4.固原群；6.小盒子组；6.麦积山组；7.河口群；8.炭和里组；9.南营儿组；10.大草滩群；11.舒家坝群；12.太阳寺岩组；13.草滩沟群；14.葫芦河群；15.丹凤岩群；16.秦岭岩群；17.钾长花岗岩；18.二长花岗岩；19.地质界线；20.断层构造带

新阳-元龙大型韧性剪切带：该剪切带是西秦岭造山带北秦岭构造带与祁连造山带的构造边界，位于天水以北的新阳、三阳川和元龙一带；构造带宽2～3.5 km，大部分被新生代地层所覆盖，主要由眼球状黑云母斜长质糜棱岩和钙质糜棱岩等组成；韧性剪切变形非常强烈，平面上以右行走滑剪切运动为主，但在早期(石炭纪)曾横切北秦岭、祁连山造山带，有过左行走滑剪切运动，该剪切构造带在天水市以北呈北西西向，产状为20°～30°∠40°～50°，拉伸线理产状为300°∠10°～20°，韧性剪切带内广泛发育有不对称剪切褶皱、A型褶皱及不对称布丁构造等。

西秦岭北缘断裂带天水段：西秦岭北缘断裂带是青藏高原东北部的一条边界断裂带，断裂带东起宝鸡，向西经天水和武山，西至临夏以西的青海同仁一带，长约420 km，总体走向为280°～310°，由几条近于平行的断层组成。该断裂带由6条规模不等的次级断裂呈左行雁列组合而成，自西向东依次为锅麻滩断裂、黄香沟断裂、漳县断裂、武山-天水断裂、凤凰山-天水断裂、天水-宝鸡断裂(杨为民，2016)。研究区主要出露武山-天水断裂(F3)、凤凰山-天水断裂(F2)和天水-宝鸡断裂(F1)(图2)；它们是天水市最为重要的断裂，不仅控制了天水市中、新生代地质演化，同时断裂带第四纪以来的活动也控制了天水市现有的地貌格局。

1.第四系冲洪积；2.晚更新世黄土层；3.甘肃群；4.麦积山组；6.秦岭岩群；7.活动断裂；8.地质界线；9.断裂地貌照片位置

关子镇-李子园俯冲-碰撞蛇绿混杂构造带：该构造带是商(洛)-丹(凤)蛇绿混杂带的西延部分，总体呈北西西向展布。西段位于天水市西关子镇—藉口一带，多被中新生代地层覆盖而呈零星块体出露，出露最宽10 km；中段为天水南店子—娘娘坝—李子园一线，其内部构造线和主要构造边界及主要的前中生代地质体均呈北北西向展布，出露宽约15～20 km；东段为天水李子园以东地段，呈近东西—北西西向展布，出露宽约6～17 km。该带由新元古代木其滩岩组变质基性火山岩、早古生代关子镇蛇绿岩带、早古生代李子园群浅变质活动陆缘沉积-火山岩系等组成。天水李子园木其滩组变质基性火山岩(斜长角闪片岩)全岩Sm-Nd等时线年龄为(932±54)Ma(MSWD=0.34)，关子镇蛇绿岩中辉长岩锆石U-Pb年龄为(499.7±1.8)Ma(MSWD=2.2)，表明关子镇-李子园俯冲-碰撞蛇绿混杂构造带活动时代为新元古代—早古生代(裴先治等，2007)。

3 活动断裂及其特征

天水城市规划区活动断裂较为发育，按其走向可分为北西西向、北西向和北东向3组，其中北西西向的西秦岭北缘活动断裂构成天水市活动断裂的主体(图2)。

3.1 北西西向断裂带

北西西向断裂带主要有凤凰山-天水断裂带(F2)、天水-宝鸡断裂带(F1)的西延部分。凤凰山-天水断裂带由南向北依次由3条大的次级断裂组成：水眼寨断裂(F2-3)、凤凰山-麦积断裂(F2-2)和三阳川断裂(F2-1)。

水眼寨断裂(F2-3)：分布于秦城区藉河河谷北岸，距离藉河200～800 m，沿红旗山、孙家坪、水眼寨，东延至马跑泉一带。该断裂是凤凰山-天水断裂带(F2)南分支断裂，发育在更新统黄土及第四系松散沉积层内，见断层角砾、构造透镜体等(图3)；断裂活动具多期性，断裂走向北西15°；断裂擦痕向西测伏，测伏角为15°，剖面上有由南西向北东的高角度逆冲特征。地球物理探测显示，全新世中晚期该断裂有明显活动，剖面上具有逆冲特征(图4)。该断裂带总体走向北西西，断裂带宽约150～200 m，地表可见断距大于3 m，为左行走滑断裂，断层总体产状205°∠60°～80°，该断裂控制了新生代天水藉河盆地的发育及走向。

图3 (a)水眼寨断裂带内发育的构造透镜体和(b)断层擦痕

图4 水眼寨断裂带高密度电法剖面及断裂解析图

凤凰山-麦积断裂(F2-2)：该断裂西起凤凰山，经天水市吊沟门、李家庄东延至南河川、麦积城区北和社棠镇一带，是凤凰山-天水断裂的主断裂，呈北西西向，断裂长度约50 km，由数条次级小断裂组成；断裂带地表发育在更新统黄土内，局部地段构成秦岭岩群与新近纪甘肃群的分界，断裂切割了秦岭岩群、新近系等，在渭河河谷地段造成黄土与新近纪甘肃群呈断层接触(图5a)，发育断层角砾带、挤压片理化带、碎裂岩化带等；断裂活动错碎了晚更新世黄土，发育挤压片理带，构造活动使晚更新世黄土破碎，并发育一系列错动面，形成宽约100～130 m的构造活动带(图6)；沿断裂带地表发育断层崖、断层三角面、负地形地貌等，在社棠东则为山前断裂，构成渭河盆地与北缘梁茆的分界；断层地表断距一般为35～40 m，在南河川麻坪村次级断裂断距为1.5～2 m。在吊沟门东曹子沟附近，断裂最新一期活动左旋错断了曹子沟全新世冲积层堆积，垂直断距为1 m，左旋水平位错量为7 m，断裂热释光年龄距今0.64万a,此段断裂错移冲沟的最大左旋位错达120 m(韩竹军，2001)；该断裂地表露头发育北西西向断层擦痕，并显示左行走滑特征，在麦积下曲湾一带，该断裂造成山系、水系等均发生明显的左行位错，其走向由北东向改变为近南北向，在遥感影像上有清晰明显(图7)。

图5 天水市主要活动断裂地貌特征图

1.黄土；2.粉砂质泥岩夹泥岩；3.花岗片麻岩；4.断裂破碎带

图7 凤凰山-天水断裂带东段遥感影像特征图

三阳川断裂(F2-1)：该断裂西起三阳川、东延至渭河北岸马家山、徐家底下和杨家山一带，属凤凰山-天水断裂带(F2)北分支断裂；断裂带长度约11 km，由2～3条次级小断裂组成，断裂地表发育在更新世黄土内，带内发育断层角砾带、碎裂岩化带等；断裂活动切割了更新世黄土和新近系(图8)，在黄土内形成宽约80～100 m的断裂活动带，地表发育断层崖、鞍状负地形、北西西向大冲沟负地形等，断层地貌特征明显(图5b)；断裂活动造成黄土与新近系泥岩呈断层接触关系，地表可见断层断距大于5 m；该断裂走向280°～290°，平面为左行走滑断裂，剖面上表现为北倾的正断裂，早期活动表现为局部南倾的逆断层，具走滑断裂的特征，断层倾角为58°～70°；该断裂与凤凰山-麦积断裂共同控制了天水渭河盆地的发育，同时也控制了三阳川盆地的发育。

1.黄土；2.泥质粉砂层；3.泥岩；4.次级断裂

天水-宝鸡断裂带(F1)：天水段分布于麦积城区以东的牛头河、社棠镇，东延至伯阳、元龙渭河以北地区，总体呈北西西向展布，为一左行走滑断裂，由以下2条断裂组成。

李家湾-汤家湾断裂(F1-1)：该断裂西起李家湾，经张合湾、汤家湾，东延至伯阳镇北半坡、韩家山一带；断层走向北西西向，断裂北盘为新近纪小盒子组灰绿色流纹质角砾岩、流纹质角砾凝灰岩，断裂南盘为秦岭岩群片麻岩，2套地层均被甘肃群所覆盖；断裂为北倾的正断层，断裂倾角较陡，断裂活动切割了晚更新世黄土，并造成山脊、牛头河水系发生左行位移。

陈家湾-王家崖断裂(F1-2)：该断裂西起陈家湾，经上倪、王家崖，东延至伯阳镇北王家湾一带；断层走向为北西西向，断裂北盘为石炭纪灰白色中细粒二长花岗岩，断裂南盘为秦岭岩群片麻岩；断裂为南倾正断层，断裂倾角较陡，断裂活动切割了二长花岗岩、秦岭岩群片麻岩之上的晚更新世马兰黄土，断裂发育处山脊、水系发生明显的左行位移。

3.2 北西向断裂带

北西向断裂带主要是武山-天水断裂带(F3-1)的东延，该断裂带区域上呈北西西向展布，在天水市以南的孙家山、毛集村一带转为北西向展布，分布在天水市以南的孙家山断裂构成该断裂的主体。孙家山断裂区域上是武山-天水断裂带东延部分，构成秦岭岩群与新近系分界断裂，由3条次级断裂组成，主体是新近系与秦岭岩群或其他地层的分界断裂，在新近系、秦岭岩群内部各发育次级断裂；主断裂破碎带宽5～15 m，局部达30 m，发育断层角砾岩、断层泥等，在秦岭岩群一侧发育陡峻的断层崖地貌(图5c)；断裂活动错断了全新世坡积碎石层，局部地段使新近系泥岩逆冲在河谷阶地砂砾石层、黄土之上，断层地表可见断距2～3 m，实际断距远大于3 m，断裂走向北西向，区域上为左行走滑断裂，剖面上表现为由南西向北东的逆冲特征，断裂产状215°∠45～78 °。在毛集村的T2阶地测得14C样品年龄为(27 860±170)a B.P.，断裂左旋位错为10±3 m，全新世断裂有重要活动，曾诱发公元143年甘谷西地震及1765年甘谷地震等一系列地震活动(吴赵，2016)。

3.3 北东向活动断裂

曹家沟断裂(F4)：该断裂在遥感影像上线型特征明显；断裂构造地貌清晰，断裂特征明显。该断裂北起天水市清水县金集镇录树坪，南经曹家沟东、白家崖、杨家山，过杨河村、白家河、东缑村，错段黄土梁；断裂走向为30°～40°，断裂出露长度约14 km，断裂性质为高角度的正断层(图5d)；沿曹家沟一带，断裂两侧植被呈明显带状分布，断裂南端天水北坡黄土梁东缑村旁见有泉水出露。

孙家沟断裂(F5)：该断裂在遥感影像上有明显的北东向线型显示，在渭河以北的孙家沟、渭河以南的高集村线型显示及断裂构造地貌较为清晰，断裂特征明显；断裂南东盘出露岩性为秦岭岩群片麻岩，断裂北西盘出露为新近系甘肃群，二者间为断层接触关系，断裂构造控制了北东向沟谷及水系的发育。

4 活动断裂活动性分析

4.1 断裂总体活动情况

天水城区及三阳川规划区活动断裂活动性强，规模大，切割深，具有多期性、继承性的特点；印支运动使天水地区进入地壳收缩时期，由于受特提斯、鄂尔多斯台地影响，产生了自南南西向北北东及自西向东的双向挤压收缩，形成了以元龙向形、李子园背形为代表的反S区域扭动构造,并产生了近东西向或北西西向及北北东向浅层次韧脆性、脆性走滑构造。这一构造活动奠定了天水一带近东西向或北西西向西秦岭北缘断裂带的雏形(温志亮，1996)。燕山期由于地壳伸展西秦岭北缘断裂带发生拉伸走滑，形成拉分盆地，在天水一带沉积了侏罗纪、白垩纪、新近纪等地层，随后抬升。

第四纪以来天水地区由于受西南青藏高原的挤压、隆升，发生了由南西向北东大范围的逆冲推覆，在这种应力作用下形成了北东、北西2种破裂面，也就是在天水一带形成了北东、北西向2种走滑活动断裂，但北东向走滑断裂明显比北西走滑断裂发育。这种自南西向北东的挤压作用由于受其东鄂尔多斯台地的阻挡和反向应力的影响，同时也产生了大致自东向西的剪切走滑，形成了近东西或北西西向雁列状断续分布的构造面，武山-天水断裂带、凤凰山-麦积断裂带、天水-宝鸡断裂带就是在这种联合应力作用下形成的，即挤压抬升转变为后来的断块运动，随着挤压构造应力释放，发生了左旋走滑为主，兼倾滑的水平运动，使一系列北西西向断裂发生左旋走滑运动。

综上所述，天水周边活动断裂有一定的继承性、阶段性，大多是在利用、改造老断裂的基础上重新复活并进一步活动；断裂活动全新世以来的活动常造成冲沟、山脊、水系左行位错，形成的断层三角面、断层陡坎等在遥感影像、DEM图和构造地貌上有清楚的显示，但新断裂不完全沿袭老断裂，常常出现在老断裂的一侧或附近，形成老断裂带的伴生断裂或次级断裂。

4.2 晚更新世以来断裂活动性分析

晚更新世以来，天水市一带的活动断裂带在遥感影像上线性显示明显，两侧地貌山脊、水系、地质体一致左旋位错。整个断裂带以左旋走滑为主，兼有倾滑分量。研究认为活动断裂带多次构造变形引起的水平位移量最大，为300～500 m；断裂晚更新世晚期以来的位移量最大为40～70 m，断裂带有过多次强烈活动。天水-宝鸡断裂在天水段形成100 m宽的断层谷，有明显的水平左旋滑移。据水系、冲沟和山脊位错分析，最大左旋滑移量为200 m(刘锁旺等，1997)。凤凰山-天水断裂在凤凰山西南断错晚更新世马兰黄土，马兰黄土垂直断距为22 m，山脊和冲沟的左旋位错为35～40 m；在吊沟门东曹子沟附近，断裂最新一期活动左旋错断了曹子沟全新世冲积层堆积，垂直断距为1 m，左旋水平位错量为7 m。此段断裂错移冲沟的最大左旋位错为120 m；全新世以来平均水平位错速率为1.1 mm/a(0.64万a以来)，平均垂直位错速率为0.37 mm/a(约1.66万a以来)和0.16 mm/a(约0.64万a以来)(韩竹军，2001)；凤凰山-天水断裂在凤凰山一带第四纪以来平均垂直位错速率为0.54～0.72 mm/a(成玉祥，2009)。武山-天水断裂更新世中晚期以来的平均水平滑动速率为2.5 mm/a(成玉祥，2009)，全新世以来水平滑动速率为2.8 mm/a(滕瑞增，1994)。

成玉祥等人2009年对天水地区主要活动断裂进行了氡气测量，在不同活动断裂上布置剖面进行了测量，测试点距一般为10～20 m，部分测段因出现异常而加密到5 m左右。测试选用仪器为HDS21型快速数字闪烁测氡仪；测试时段选用了脉冲90 s定量观测；测试数据采集选用了nt1与nt2分显计量；测试取气深度为100 cm以下，取气次数为20次，氡气含量峰值最大异常出现于天水-宝鸡断裂的社棠镇丁环岭测点(表1)。并利用断裂活动性相对判别标准(表2)进行判别，北西西向天水-宝鸡断裂带、凤凰山-天水断裂带活动性为强-极强，北西向武山-天水断裂带活动性中等，判别结果与断裂活动强度吻合。另外，北东向断裂由于断裂规模不大，出露有限，断裂破碎带出露较窄，位错量小，所以活动性较弱。

表1 断裂带活动性测氡结果表

表2 断裂带活动性氡气测量判别标准表

4.3 地质环境影响评价

活动断裂对地震的控制作用：天水市位于兰州-天水地震带上，地震频繁。公元600年天水—陇县6～7级地震(谢毓寿等，1983)发生在天水-宝鸡断裂上，断裂活动诱发了地震；公元600～735年，天水、宝鸡发生了2次7级左右强震，时间间隔为134 a，公元734年天水7级地震，这些地震活动主要发震都与凤凰山-天水断裂、天水-宝鸡断裂有关(雷中生等，2007)；中全新世以来的活动断裂是发震原因。

活动断裂对滑坡的控制作用：天水市市区滑坡地质灾害非常发育，主要有地震滑坡、降雨滑坡2类。地震滑坡对天水市地质灾害发生强烈影响，是滑坡的主要类型，地震波对斜坡产生背面坡效应引起地震滑坡的发生，且地震黄土滑坡有集中沿活动断裂带分布的特点。在籍河北岸秦城区红旗山—麦积区水眼寨 11 km 的谷坡上连续发育有10处大型滑坡，组成一滑坡群(带)，发育断续延伸大规模的后壁陡坎地貌(图9a)；在渭河两岸南河川—社棠一线分布有北西西向展布的地震滑坡带，其中分布有100余处大小滑坡(杨为民等，2016)；这些滑坡(图9b)常造成道路交通、家园建筑损坏，甚至房屋坍塌，给人们生命、财产造成严重损失。