延怀盆地黄土窑-土木断裂土木镇隐伏段活动特征及物探钻探证据

邢晓琴，杨肖肖，丰成君，戚帮申，孟 静，谭成轩，王继明，邓亚虹，宋焱勋，慕焕东

（1.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054；2.中国地质科学院 地质力学研究所，北京 100081；3.自然资源部 活动构造与地质安全重点实验室，北京 100081；4.西安理工大学，西安 710048；5.中国联合工程有限公司，杭州 310051）

隐伏活动断裂会导致许多地震地质灾害的发生，而这些震害通常呈带状分布于断裂周围（徐锡伟等，2002），威胁建筑工程及人民财产安全，因此，对关键构造部位活动断层的研究具有重要的实际意义。

黄土窑-土木断裂是延怀盆地一条重要的NW向隐伏活动断裂，自西北向东南，起于黄土窑村南，止于土木镇—狼山乡一带，长约21 km，该断裂大部分地段隐伏在第四纪松散沉积物中，仅在西段黄土窑村附近发现中晚更新世活动迹象（徐锡伟等，2015；方仲景等，1989），其东段土木镇段的第四纪活动性至今缺少直接证据，而其恰恰是京张高铁、官厅大桥工程所在地段。因此，研究黄土窑-土木断裂带土木镇隐伏段的平面展布、活动方式、活动性及深部结构等对京张地区重大工程规划建设有着重要实际意义。

本文结合物探、钻探探测结果，研究分析黄土窑-土木断裂土木镇段的活动特征，为京张地区重大工程规划、建设和运营提供地质安全保障。

1 区域地质背景

延怀盆地位于蒙古地块到华北地块的过渡地带，并处于北东向的山西断陷活动构造带和北西向张家口-渤海活动构造带的交汇位置，该关键构造部位的地质构造复杂，具有长期、复杂的演化过程。中生代燕山期，该区域发育了北东-北北东向断裂构造体系（Davis et al.，2001；Niu et al.，2004；张岳桥等，2007；张宏仁等，2013；王永超等，2016），新生代以来该断裂体系发生构造反转，由晚中生代逆断活动转变为正断活动（徐杰等，2000；李三忠等，2010；曹现志等，2013），并在晚新生代发育北西-北西西向断裂构造体系（索艳慧等，2013）。这个过程表明了华北地区由中生代区域性挤压转变为新近纪以来印度板块与欧亚板块碰撞及太平洋俯冲带跃迁式东撤这一过程（董树文等，2008；李三忠等，2011；赵越等，2017）。

基于以上构造背景，延怀盆地的形成演化主要受北东-北东东向活动断层控制。作为延怀盆地的边界断裂，北东-北东东向的怀涿盆地北缘断裂和延矾盆地北缘断裂（图1）（戚帮申等，2019），在上新世开始正断活动，控制沉积了棕红色泥岩、砾岩为主的上新统石匣组（N2s），并且至今活动性较强，均为全新世活动断裂（谢富仁等，2007；冉勇康等，1998；冉勇康等，1992）。根据前人开挖的古地震探槽以及开展的地球物理与钻孔综合探测研究成果，晚更新世以来，怀涿盆地北缘断裂的垂直滑动速率为0.22～0.55 mm·a-1、延矾盆地北缘断裂垂直滑动速率为0.10～0.58 mm·a-1（方仲景等，1993；冉勇康等，1998；程绍平等，1995；程绍平等，1994）。NWW向的新保安-沙城断裂现今仍可见地表断层陡坎，存在发生过地表破裂型地震迹象。黄土窑-土木断裂断层地貌不明显，隐伏于由黄土和次生黄土夹砂砾层的上更新统马兰组（Qp3m）之中，断裂西段的探槽剖面仍揭示其有晚更新世活动迹象。延怀盆地整体上断裂活动强烈，中强震较为集中（徐锡伟等，1988；Xu et al.，1992；Pavlides et al.，1999）（图1-b），物探结果显示盆岭交界处中下地壳物性差异明显，说明该地区有一定的孕震环境（刘文玉等，2017）。

图1 研究区活动构造简图Fig.1 Generalized map of active structure of study area

2 地球物理与钻孔综合探测方法

地球物理探测是隐伏活动断裂活动特征研究的主要方法手段（邓起东等，2003；杨歧焱等，2016；戚帮申等，2020），本文采用可控源音频大地电磁测深法（CSAMT）与浅层人工地震勘探2种物探方法，其中，CSAMT主要为了查明断裂的空间展布位置、深部形态结构及上下盘基岩埋深情况，浅层人工地震勘探则可揭示断裂的浅部精细结构、上断点深度及其活动性特征。地层物性差异是地球物理方法开展的前提，不同时代的地层之间以及断裂带与周围地层之间，往往存在的电阻率、密度和波速的差异。收集北京及邻区不同地层的密度、电性及波速等物性参数（表1），不同地层之间的物性存在明显差异，符合地球物理勘探的布设条件（雷晓东等，2014）。

表1 北京地区地层物性参数统计表Tab.1 Statistical Table of Stratum Physical Parameters in Beijing

研究区内活动断裂均为隐伏断裂，地表无断层出露，但断层活动会导致错断岩层的电阻率发生变化，或为低阻带，或为断层两侧电阻率相差较大，或为电阻率等值线的扭曲，因此可在CSAMT反演电阻率等值线图上明显显示出来。地震反射界面是地层波阻抗有差别的物理界面，其横向变化是揭示断裂的主要依据，具体可表现为反射波同相轴错断、分叉、合并、扭曲和强相位转换等现象，亦表现为反射同相轴突然增减或消失、波组间隔的突然变化、产状突变、反射零乱或出现空白带。

为了揭示断裂的平面展布位置、上断点埋深，本次共布置GT1-5与SY两条近于平行的NNE向的CSAMT测线，其中，GT1-5测线位于土木镇至南甘庄附近，SHY测线布设在石虎窑村至五营梁村之间（图2）。浅层人工地震勘探DZ02测线于土木镇至南甘庄之间，测线走向NNE，与CSAMT测线GT1-5重合，测线长度为2.1 km（图2）。CSMAT与浅层人工地震勘探使用仪器及参数设置如表2所示。在地面调查与地球物理勘探结果基础上，在有明显位错的活动断层上下盘布置钻孔，直接验证地球物理探测结果，并揭示地层特征、断层的位置（杨晓平等，2007；雷启云等，2008；王银等，2015）。本文在地球物理探测成果基础上共布置3个钻孔（图2），分别为ZK01、ZK02及ZK08。

表2 CSMAT、浅层人工地震勘探使用仪器及参数设置Tab.2 Instruments and parameter settings for csmat and shallow artificial seismic exploration

图2 黄土窑-土木断裂物探及钻探测线分布图Fig.2 Map of the Huangtuyao-Tumu active fault,geophysical survey line and borehole distribution

3 探测结果

3.1 CSAMT探测

CSMAT探测结果见图3。

GT1-5测线二维反演电阻率等值线断面，纵向上浅部电阻率值相对较低，且多表现为较杂乱的低阻和高阻异常圈闭，底界面埋深100～300 m，界面之下表现为显著的高阻，结合地层物性与钻孔资料，推断浅部为新生

界松散堆积物的反映，其底界为基岩顶板界面显示，基岩为新太古代桑干群片麻岩和混合花岗岩（图3-a）。横向上，反演电阻率等值线形态整体变化不均匀，138号点处反演电阻率曲线出现陡降，推测黄土窑-土木断裂次级断层（F4-3）显示；154号点处亦出现反演电阻率曲线出现陡降现象，推测为次级断层（F4-2）显示；216号点反演电阻率曲线出现陡降现象，推测为次级断层（F4-1）显示。

SHY测线二维反演电阻率等值线断面和GT1-5特征类似，在纵向上浅部反演电阻率值较小，且浅部可观察到多个较为杂乱的低阻、高阻异常圈闭，底界埋深200～400 m，界面之下表现为显著的高阻，结合地层物性与钻孔资料，推断浅部为新生界松散堆积物不均匀分布而引起的电性特征显示，其底界为基岩的顶板界面，基岩为新太古代桑干群片麻岩和混合花岗岩（图3-b）；横向上反演电阻率曲线变化不均匀，141号点位处反演电阻率曲线缓慢下降并逐渐密集，推断为黄土窑-土木断裂次级断层（F4-1）显示，倾向南西；183号点位处反演电阻率曲线也具有相似的变化特征，为断裂显示，但倾向与黄土窑-土木断裂相反，倾向北东，推测为次级断层（F4-2）；216号点位处有条状低阻异常带显示，该异常带两侧反演电阻率值较高，与断面左侧的两处异常相比具有不同的电线特征，亦为断裂显示，推测为次级断层（F4-3）显示。

图3 GT1-5测线(a)和SHY测线（b)CSAMT反演电阻率等值线图Fig.3 Contour map showing CSAMT inversion resistivity along the survey line GT1-5（a）and SHY（b）

3.2 浅层人工地震探测结果

浅层人工地震探测结果见图4。

根据剖面反射同相轴的振幅、频率特征分析，DZ02测线浅层人工地震勘探剖面识别出强能量的同相轴（T1），特征明显、信噪比较高、连续性较好、中—强振幅反射（图4），T1双程走时0.06～0.27 s，其埋深为50～250 m，层面整体向南西倾斜，局部可见较小起伏，结合地层物性与钻孔资料，推测该界面为基岩（太古代桑干群片麻岩和混合花岗岩）顶板界面。地震勘探剖面显示距离约326.2 m处T1同相轴存在明显错动迹象，推测为黄土窑-土木断裂次级断层（F4-3）显示，上断点埋深较浅，近地表约87 m，基岩顶界面错距约96 m；距离628.6 m处T1同相轴存在明显错动迹象，推测为次级断层（F4-2）显示，上断点埋深约87 m，基岩顶界面错距约75 m；距离1 363.6 m处T1同相轴存在明显错动迹象，推测为次级断层（F4-1）显示，上断点近地表约71 m，基岩顶界面错距约65 m（图4）。

图4 DZ02测线浅层地震勘探剖面及钻孔分布Fig.4 The section of seismic reflections and borehole distribution along the survey line DZ02

3.3 钻孔联合剖面

为了进一步验证综合地球物理探测结果，并分析断裂第四纪活动性，在怀来县土木镇按照NE方向共布置3个钻孔（图2），钻孔联合剖面见图5。其中，ZK-01钻孔岩心岩性主要以上更新统马兰组砾石、砂砾石、砂层为主的松散坡洪积相堆积物为主。钻孔岩心0～0.7 m为灰褐色粉砂质黏土；0.7～13.8 m为砂砾层，颜色较杂，砾石含量大于60%，砾径主要以2 mm为主，多呈棱角状，分选差，砾石成分以花岗岩、流纹岩、安山岩、白云岩为主，砂质成分以岩屑、长石石英为主；13.8～20.7 m为黏土质粉细砂，颜色以砖红色、黄褐色为主，粉细砂含量大于60%，成分以长石与石英为主；20.7～48.0 m为强风化新太古代桑干群（Ar3s）斜长角闪片麻岩（图5）。

ZK-02钻孔岩心仍以上更新统马兰组砾石、砂砾石为主，其中，0～2.3 m为黏土质粉细砂，颜色以褐色为主；2.3～34.5 m为砂砾层，颜色较杂，砾石含量大，砾石成分以花岗岩、白云岩、流纹岩、安山岩为主，磨圆较好，呈次圆—次棱角状，分选性差，为冲洪积相堆积物；34.5～83.84 m主要为灰紫色含砾中粗砂与杂色砂砾石层，砾石磨圆好，多呈次圆状，砾石成分仍以花岗岩、白云岩、流纹岩、安山岩为主，为冲积相堆积物；83.84～100.56 m为以花岗岩、灰岩、白云岩等为主的砾石、砂砾石层，磨圆度较好，呈次圆状，为冲积相堆积物；100.56～137.2 m为土黄色含砾中粗砂，砂质成分以岩屑、石英长石为主，砾石成分以花岗岩、白云岩、流纹岩、安山岩为主，多呈次圆状，亦为冲积相堆积物；137.2～147.6 m为砂砾层，砾石成分以花岗岩、流纹岩、白云岩为主，呈次棱角状，分选性差，为冲洪积相堆积物；147.6～162.41 m为强风化新太古代桑干群（Ar3s）斜长角闪片麻岩（图5）。

ZK-08岩心主要由下更新统、中更新统与上更新统组成，其中，钻孔岩心0～134.09 m为上更新统马兰组，主要岩性为土黄色黏土质粉细砂、土黄色—杂色砂砾石层夹砾石层，砾石成分以花岗岩、白云岩、流纹岩、安山岩为主，次圆状—次棱角状，分选性一般，充填物以中粗砂为主，为冲洪积相堆积物；134.09～157.0 m为中更新统赤城组，岩性主要以土黄色黏土质中细砂、含砾中粗砂为主，砂质成分以岩屑、石英、长石为主，砾石成分以花岗岩、白云岩为主，次圆—次棱角状，为冲积相堆积物；192.84～239.4 m为下更新统泥河湾组，岩性为土黄色含砾石中粗砂、砂砾石层，砂成分以石英、长石为主，偶可见钙质结核；239.4～246.0 m为强风化新太古代桑干群（Ar3s）斜长角闪片麻岩（图5）。

钻孔联合剖面揭示上更新统马兰组主要以土黄色砾石、砂砾石、砂层为主，偶夹砂质黏土、黏土质砂，与官厅水库西侧桑园镇钻孔岩心（戚帮申等，2019）及区域地层对比研究（河北省地质矿产局，1996）揭示的上更新统马兰组（Qp3m）的岩性组合特征基本一致，且马兰组底界的深部具有明显的错动，黄土窑-土木断裂存在晚更新世活动迹象（图5）。

图5 黄土窑-土木断裂地震与钻孔联合剖面Fig.5 Composite drilling geological section of cutting across the Huangtuyao-Tumu Fault

4 讨论

4.1 黄土窑-土木断裂的第四纪活动特征

北西向的黄土窑-土木断裂位于延矾盆地与怀涿盆地交接地带，与北东向的怀涿盆地北缘断裂与延矾盆地北缘断裂交汇，相较于北西向断裂，北东向断裂延伸长度长、规模大、活动性强。其西起黄土窑村南，向南东延伸至怀来县北、土木镇，止于官厅水库狼山乡附近，长约21 km，西段黄土窑村附近发现地表破裂面迹象，在11 m长度剖面内发现10余条次级断层，整体走向N45°W，倾角60°至近于直立，倾向多变，倾向南西或南东，主断层宽度2～4 m。但是，黄土窑-土木断裂东段的第四纪活动特征一直缺乏证据。

本研究主要关注怀来县土木镇一带黄土窑-土木断裂隐伏段的活动特征，其中CSAMT反演电阻率剖面显示该断裂带共由3条次级断层组成，整体走向N75°W，各次级断层的产状变化较大（图3）。其中，G1-5测线剖面显示次级断层F4-1视倾向南南西，视倾角约70°；断层F4-2视倾向北北东，视倾角约70°；断层F4-3视倾向南南西，视倾角约65°（图3-a）。SHY测线CSAMT反演电阻率剖面显示级断层F4-1视倾向南南西，视倾角约65°；断层F4-2视倾向北北东，视倾角约70°；断层F4-3视倾向南南西，视倾角约85°（图3-c）。

浅层人工地震勘探剖面显示黄土窑-土木断裂上断点埋深近地表（图4），该断裂两盘均为上更新统马兰组砂砾石层（图5），为晚更新世活动断裂。断层F4-1视倾向南南西，视倾角为60～70°，上陡下缓，基岩顶界面错距约65 m（图4）；断层F4-2视倾向北北东，视倾角约75°，基岩顶界面错距约75 m（图4）；断层F4-3视倾向南南西，视倾角约70°，基岩顶界面错距约96 m（图4）。

4.2 黄土窑-土木断裂的深部结构及运动特征

CSAMT与浅层人工地震勘探结果均显示黄土窑-土木断裂由3条正断层组成，3条次级断层构成了似地堑式构造，晚更新世地层平缓，组合形态上不对称，形成不对称倾斜断块（图3、图4）。大量的断裂滑动观测数据反演结果显示，延怀盆地现代构造应力场的主要特征为北东东-南西西向挤压、北北西-南南东向拉张，走滑型应力状态，最大主压应力方向为N74°E～N88°E，平均倾角18°。在此构造应力场环境中，推测北西西向的黄土窑-土木断裂主要以正断活动为主，并可能存在左旋走滑成分，但其活动方式仍需要更多地质资料进行验证。

4.3 隐伏活动断裂物探方法对比

综合地球物理探测对隐伏活动断裂的研究具有重要意义，尤其对于研究资料较少，研究基础薄弱的区域。CSAMT抗干扰能力强，探测深度大，受地形影响较小，可通过调节频率大小来达到探测不同深度的目的，分辨率相对较高（董泽义等，2010），对断裂分布的位置和基岩顶板界面的揭示效果显著。浅层人工地震勘探精度高，容易进行断层定位与判断，对浅层地层揭露详细，但其受地形及外界干扰影响大，探测深度有限，成本较高（杜良等，2012；蓝星等，2012）。

本次研究中，CSAMT揭示了黄土窑-土木断裂土木镇隐伏段断裂的几何特征及活动特征，为浅层人工地震进一步精细探测奠定基础；浅层人工地震勘探揭示了断层的位置、地层结构和错动特征，并且其探测结果与钻孔岩心揭示的结果具有较好的一致性。因此，尽管各个地球物理探测方法存在各自的局限性，但通过综合探测可进行优势互补，从而增加对隐伏活动断裂活动特征研究的准确性。

5 结论

1）物探及钻探结果显示黄土窑-土木断裂是由3条次级正断层组成的断裂带，整体走向N75°W，其中，次级断层F4-1倾向南南西，倾角60～70°；次级断层F4-2倾向北北东，倾角约75°；次级断层F4-3倾向南南西，倾角约70°；各次级断层的上断点埋深分别约为65 m、87 m、87 m，明显错动晚更新统，该断裂存在晚更新世活动迹象。

2）综合地球物理探测在隐伏断裂的研究方面有着重要意义，不同方法虽各自有一定局限性，但可优势互补，增加研究结果的准确性。