包银铁路经乌海地区穿越活动断裂地质勘察选线研究

2022-07-05乔道勇

资源信息与工程 2022年3期

乔道勇

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300251)

我国属于地震多发国家，受太平洋板块、印度板块和菲律宾海板块的挤压，地震断裂带十分发育，纵横交错。按照活动性质可将地震断裂带划分为全新世活动断裂带与非活动断裂带两类。其中全新世活动断裂带(以下简称活动断裂带)对工程影响最大，未来仍有活动的可能，且与地震的发生有密切的关系[1]。

1 工程概况

包银铁路是我国京兰通道重要组成部分，是西北地区连通京津冀和东北地区的快速通道，对于国家“一带一路”倡议有重要意义。线路起自内蒙古自治区包头市，向西经乌拉特前旗，于磴口折向西南，经巴彦淖尔市、乌海市至宁夏回族自治区银川市。本文对其在乌海地区穿越活动断裂带地质勘察选线进行研究[2]。

2 活动断裂带对铁路工程的影响

活动断裂带对铁路工程的影响主要表现在两个方面：一是地震作用时,断裂突发错动，产生突发位移，其位移量与地震的震级与烈度相关，可达几米至几十米不等；二是断裂带内岩体破碎松散，工程地质条件差，受自身活动影响，极可能在断裂带周边产生差异性升降运动，运动速率可达每年几十毫米。

因此，准确查明活动断裂带的破碎带宽度、覆盖层厚度，断裂的性质、位置、滑动速率等参数，进而对其活动性进行评价，是进行地质选线的基础，也是重中之重。

3 区域地质概况

3.1 构造单元划分及特征

乌海地区位于中朝准地台(华北地台)Ⅱ级构造单元鄂尔多斯西缘拗陷中的桌子山—贺兰山褶断束，南部以牛首山固原深断裂与祁连褶皱系相接，同时又属于祁—吕—贺兰山字形构造脊柱北段及脊柱东侧伊陕遁地边缘区域，分异构造作用明显，构造活动强烈，尤其是新生代的构造作用使本区地壳进一步解体，进入强烈的断块差异活动的构造演化时期[3]。

3.2 新构造运动特征

对区域内新运动特征进行分析研究，发现其活动特征明显，活动方式主要表现为以下几个方面：

(1)差异性升降运动：在区内表现为显著的地貌差异。山地、平原、高原三大地貌单元严格受构造控制，差异性升降运动主要发生在鄂尔多斯断陷周缘。

(2)断裂活动：新生断裂和古老继承性断裂活动是新构造运动最直接可靠和最有利的证据。断裂多以正断层控制，主断层面向块体内倾斜。断陷垂直差异运动强烈，并在山前形成台地和河流阶地。

(3)地震活动：研究区内是华北和西北地区主要的地震活动带。地震活动为断陷盆地及活动断裂所控制，震源深度不大，一般发生在上部地壳。

(4)块体内部构造稳定，地层水平，主要以整体性抬升为主。

3.3 现代活动特征与应力场

研究区域及其附近现代构造活动较为强烈，其活动方式具有一定继承性。隆起区以上升为主，断陷区则有相对沉降，形变梯度明显。

根据线路走行区域的震源机制解、大震形变带及地形异变等资料，综合判定近代应力场主压应力轴方向总体为北东向，但南部地区略偏东，而北部地区略偏北。主张应力方向为北西，总体走向为北西西。应力场的P轴倾角为0°～34.5°，T轴倾角为1°～27°，推测该区域地壳应力场是以水平力作用为主[4]。

4 活动断裂带综合勘察

4.1 工程地质调绘

在乌海地区疑似活动断裂带区域进行了工程地质调绘，发现盆地与山地地貌的界线明显。通过进一步调绘研究，发现黄河东岸侧蚀现象明显强烈于西岸，并且在上更新统地层发现了疑似断裂形成的错断痕迹，上覆全新统地层也同时被错断，具有明显的全新世活动迹象。该现象虽在北部发现较少，但南部区域内明显分布较多，错断现象非常普遍。

在该区域共实测第四系有效剖面15条，研究发现剖面所测得断裂走向整体呈北东向，错断30～40 cm，倾角整体较陡，约85°，如图1所示。

图1 实测剖面图示意图

4.2 综合物探与化学探测

通过工程地质调绘，可以初步圈定断裂带走行区域。在此区域内再进行土壤氡、土壤汞的地球化学探测，从而可以快速得到更为精确的断裂带分布范围。

断裂带测氡与汞示踪的原理是:深部条件下生成的游离汞及多种汞化物对温度、压力变化非常敏感，在强大的压力梯度和热力梯度作用下，沿着断裂破碎带、断层面和岩石空隙向地表迁移。同时，断裂带裂隙发育，连通性好，有利于氡的释放与向上运移，从而造成断裂带处地表的氡气浓度差异[5,6]。

对该区域进行土壤氡、土壤汞的地球化学探测，发现多处剖面中可监测到相对高值数据出现，该结果与先期的野外地质调查得出的实测断裂剖面相互印证。考虑到该区域全新世活动痕迹明显，为准确判断其断裂位置与性质，在此区域布设了8条浅层地震测线，测线剖面上揭示反射波同相轴扭曲、错断明显，推测该处为主断裂位置，断层倾向西(图2)。

图2 浅层地震剖面成果示意图

4.3 地质钻探与槽探

为鉴定乌海工作区断裂分布，沿地震测线布置钻孔联合剖面，共布置钻孔12个。经对联合剖面研究，发现钻孔中虽未揭示断层现象，但多个剖面揭示的第四系全新统覆盖层深度不连续，推断为断裂形成的错断。

在剖面揭示区域布置槽探，揭示全新统地层被错断，该区域断裂为全新世活动断裂，且通过对探槽内的断层分布的连线，基本确定了活动断裂呈北东向分布。

4.4 综合分析

通过综合勘察，结合前人研究资料，判断该断裂为全新世活动断裂，沿甘德尔山(旧称岗德尔山)西麓至桌子山西麓呈北北东向分布，倾向北西，具体分布如图3所示。依据其分布特点，划分为由北至南3段：

图3 全新世活动断裂分布图

a段：凤凰岭段，断裂宽度约50 m，断层走向北北东，局部发育小型东西走向断层；

b段：甘德尔山西缘(凤凰岭与甘德尔山分界处至三道坎)，断裂带宽度50～130 m不等，由一系列走向相同的断层组成。

c段：三道坎以南范围内，根据地球物理探测、地球化学探测结果和实际地质调查，未发现本段存在活动断裂迹象。

5 活动断裂带活动性分析

5.1 垂直运动速率

钻孔剖面揭露了本断层晚更新世以来的三次活动事件，其垂直活动错距分别为2.2、1.4和2.5 m，活动时间依次为25.6 ka±0.11 ka、(35.6 ka±0.29 ka)～(41.7 ka±0.57 ka)、58.25 ka±7.13 ka[7]。标准钻孔研究表明，该区域地质历史上也曾发生2次典型事件：第一次事件(110.95 ka±14.7 ka)～(177 ka±17 ka)，对应孔深91.35～99.14 m；较晚的一次事件为(1.86 ka±0.025 ka)～(22.41 ka±0.07 ka)，对应孔深5.55～25.23 m。Qh/Qp3及Qp3/Qp2界线落入这两次沉积间断内。考虑到乌海断陷作为河套古大湖的一部分及黄河外流的特点，推断乌海盆地的沉积加深及速率突变为构造作用造成，因此假定断陷与沉积补偿之间大致平衡，从而计算出乌海地区垂直错断速率大致在2 mm/a的量级。

同时，其新构造的活动性具有分段特征。时间上，更新世向全新世期间有相对弱化的趋势；空间上，以凤凰岭为界，北部地区(a段)活动性较强，南部(b、c段)较弱。

5.2 滑动速率

大量研究表明，利用GPS资料分析断裂活动可取得较好的成果，也得到了很好的应用。项目的工作区主体分布在内蒙古地区，该区域形变测量和监测的干扰因素较少，适于采用测量仪器对断裂进行监测和分析。同时，在铁路线路周边布设有较多的GPS连续站及流动站，利用GPS连续站及流动站2011—2016年数据，计算了鄂尔多斯块体西缘的速度场，其结果如图4所示。

由图4可以看出，鄂尔多斯块体西缘区域的速度场主要以西南方向为主，整体一致性较好。利用速度场，对其滑动速率进行了计算，见表1。