麻城—团风断裂的空间展布及对拟建沪渝蓉高铁合武段的工程影响

周孝鑫

(中铁第四勘察设计研究院集团有限公司, 湖北 武汉 430000)

0 引言

拟建沪渝蓉高铁是一条连接我国东西部地区客运的交通要道,是中国“八纵八横”高速铁路客运通道中“沿江通道”的重要主线部分[1],其中合武段横穿大别山脉。受到华北、华南块体近刚性阻挡,研究区拟建线路附近新构造活动复杂且强烈,地震分布较多。

拟建沪渝蓉高铁合肥至武汉段于鄂皖两省内近东西走向,而麻城—团风断裂带在鄂东北内呈NE-SW向展布,于麻城市阎家河镇黄土咀境内相交(图1)。由于线路穿越麻城—团风断裂带的位置被第四纪沉积物广泛覆盖,对该断裂空间分布及性质未形成统一认识。此外,根据相关研究资料显示,研究区附近曾发生1932年黄土岗6级地震,断裂带第四纪以来仍具活动性[2-3]。在铁路新线勘测设计中,活动断裂带的勘测和评价问题是铁路选线的重要控制因素之一[4],麻城—团风断裂的活动性对沪渝蓉高铁合肥至武汉段的线位确定具有重要控制作用,因此厘清麻城—团风断裂空间分布及其对拟建线路工程的影响具有重要意义。本文拟通过野外地质测绘、物探、钻探等多种勘测手段,对麻城—团风断裂的结构、空间展布及其活动性对拟建沪渝蓉高铁合武段的工程影响进行深入地探讨研究,为拟建沪渝蓉高铁合武段的设计和建设提供建议,并为类似的铁路工程选线和勘测提供借鉴。

图1 研究区区域地震构造图Fig.1 Seismotectonic map of the study area

1 麻城—团风断裂特征

麻城—团风断裂也称商城—麻城—团风断裂(以下简称“麻团断裂”),北起河南商城附近的达权店,向南经麻城、团风,消失于咸宁一带,长约240 km,宽约2～5 km[5-9],是分割桐柏—大别断块的边界构造带,并与桐柏断块、大别断块共同构成该区域的地震孕震构造系统,是一条规模大、控岩、控盆并具多期活动的强变形带[6,10](图1)。位于麻团断裂NW方向的万义—龙井断裂、鹰尖山—古洞寺断裂为麻团断裂带的分支断层,断裂具有与主干断层一致的活动性。1932年麻城6级地震正是发生在鹰尖山—古洞寺断层上,作为同一断裂系统,其深部应受到麻团断裂带的控制作用[2]。

麻团断裂总体走向NNE,由于延伸远,受边界、岩性条件限制,具明显的分段特征,其最显著的分段点为黄土咀,该处断裂南北的倾向和断裂性质完全不同。根据相关的地质研究资料[7-13]、几何特征及活动性质,麻团断裂大致可以分为三段:

(1) 南段:为团风以南段,规模较大,且在团风附近与NW向的襄樊—广济大断裂复合。麻团断裂南段也称为梁子湖断裂,由几条NE向断层组成。地貌上断裂两侧陡坎反差鲜明,东侧为丘陵,西侧为河湖低岗地。陡坎处玄武岩中发育NNE 向和NNW 向共轭断裂系统,反差鲜明,可见浅棕黄色黏土楔状条块充填于两条断层中,断面镜面擦痕、擦槽明晰,均显示断裂早第四纪具活动性。

(2) 中段:为黄土咀—团风段,延伸长约75 km。断裂中段构成新洲盆地和麻城盆地的东边界。在地貌上,断裂东侧为山地,主要由古元古界大别山群变质岩组成,形成断阶状多级台地;西侧为平原,主要由新生代地层组成,断裂呈NNE 走向弯曲展布,仅在麻城南局部呈现凸出的弧形。断裂带倾向NWW,局部地段倾向E,倾角约在50°～75°,断裂在剖面上呈现陡倾,断面较为平直。断裂面可见硅化破碎带与压碎岩带,局部地段断层泥发育。该段断裂具有正层断性质,兼具右旋走滑分量。

(3) 北段:为商城—麻城黄土咀段,相对南段规模较小,并在黄土咀附近分为东西两支。其中,东支经三河水库、狮子峰到达金刚山东麓;西支经刘家河延伸至商城以北,在平面上断裂带构成“Y”型分布。麻团断裂北段东支同南段具有相同的倾向SE,倾角70°以上,沿断裂破碎带宽数十米至百米以上。其北段西支倾向SEE,倾角60°左右,具有逆冲性质,破碎带达百余米。其中西支是断裂带的主体部分,延至商城一带,与东秦岭纬向构造带南支主干断裂—桐柏—磨子潭大断裂相交。

线路穿越麻团断裂带位置在黄土咀以北的袁家村,属于麻团断裂枢纽位置偏北段。断裂在黄土咀以北主体断裂倾向SEE具有逆冲性断裂,黄土咀以南倾向NWW具有正断层性质。因北段和中段断层性质差异巨大,其对拟建线路工程影响相差甚远,因此本研究需进一步厘清研究区麻团断裂的性质和具体空间展布。

2 麻团断裂展布位置厘定

2.1 勘察方法

本次研究根据前期规划设计线路与麻团断裂大致位置,确定了野外重点研究区范围(图2),通过开展野外地质调查,初步了解区域地质条件。在为研究隐伏断裂展布特征,在研究区东部基岩区丘陵,西部平原区的地貌条件下,采用浅层地震勘探的物探和工程地质钻探验证的方法,在平行线路两侧各布置一条物探测线,并沿线路布设一排钻孔,通过解译获取断裂展布位置和钻孔联合剖面验证,综合确定断层在与线路相交处的精确位置。

图2 研究区勘察工作布置Fig.2 Layout of the geological exploration of the study area

2.2 野外调查

为查明研究区麻团断裂地表出露情况,本次野外调查共收集有效地质点37个(图2)。调查结果显示,研究区麻团断裂以阎家河为分界,地貌东部为基岩中低山、丘陵区,西部为第四系覆盖层和红层盆地区。断层东侧中低山、丘陵区标高为90～500 m,西侧盆地区标高为50～70 m,两侧标高相差极大。因断层切割形成的断层三角面成排展布,断层线性特征清晰。拟建线路与断裂相交处为山间河流阶地地貌。断裂被河流第四系层覆盖,具有一定的隐伏性。其中,可见断裂活动迹象地质观测点MC03、MC12共2个点,具体如下:

(1) MC03:该地质观测点位于枣林湾以北的鲍家铺,出露一套长约80 m的基岩剖面,地层岩性为片麻岩。受构造影响,基岩中发育大量的破碎带和小的分支断裂,地层杂糅,断层面清晰,可见明显的破碎带,带宽约1 m。破碎带成分主要为挤压破碎的片麻岩,未见泥质和硅质胶结物,较松散,手掰易碎(图3)。这表明该处曾遭受较强烈的地质构造运动,基岩在地壳应力的作用下发生挤压破碎。

图3 地质点MC03野外断层露头Fig.3 Fault outcrop at the geological observation point MC03

(2) MC12:该地质观测点位于拟建线位北侧约1.5 km处的上夏家河,地层岩性为花岗质片麻岩,风化严重。受构造影响,地质剖面上发育的方解石脉透镜体明显被断层错断,发育1条断层,断层面见明显擦痕,肉眼可见发育黑云母矿物。该断层走向为200°～230°,断层倾向120°,倾角70°(图4),属于逆断层,但是逆冲量较小,推测为麻团断裂的支断层。

图4 地质点MC12野外断层露头Fig.4 Fault outcrop at the geological observation point MC12

综合野外地质调查,研究区麻团主断裂被第四系层覆盖,但受麻团断裂构造作用影响,断裂带两侧岩体中不同程度发育小型断层,断层破裂带不宽,延伸长度有限,揉皱挤压作用强烈,擦痕明显,发育方解石脉,岩体整体呈破碎状,未见明显的胶结和泥化。

2.3 浅层地震勘探

浅层地震勘探作为隐伏断裂探测广泛应用的手段之一,主要用于了解测区内主要断裂构造、破碎带分布情况,以及第四系、强风化层的厚度与分布情况[14-15]。为进一步确定麻团断裂在研究区的具体空间展布,研究区内布设了DZ01和DZ02两条浅层地震勘探测线,长度超过2 km(图2)。测线按照设计要求布设,采用地震反射法的多次覆盖技术。测线道间距为5 m,检波器100 Hz,接收道数24道,24磅重锤激发,覆盖次数6次,采样间隔0.5 ms,勘探深度不小于50 m。

通过数据处理,获得了叠加时间剖面,利用地震反射波法剖面同相轴的连续性识别断层和起伏基岩面。结果如下:

(1) DZ01剖面测线东起于杨家湾路口水塘东头,西至下柳林北,位于拟建线位北侧约300 m,长1 207.5 m(图2、图5)。DZ01测线剖面上,均存在一组振幅较强、连续性较好的反射波同相轴,第一组反射波同相轴与第四系土层底板相对应,反射波同相轴基本由两个相位构成,相位数目变化不大;该剖面上中深部存在1组较为连续的反射波同相轴,位于测线180 m处。同时,测线剖面上于340 m和测线983 m处的反射波同相轴存在错断或迅速减弱现象。综合浅层震探解译结果和野外调查结果分析,推测于测线180 m处存在1条年代较老断裂,为花岗岩和混杂岩体的分界面;于测线剖面于340 m和983 m处存在2个年代较新断层。测线剖面范围内基岩面起伏较大,于测线东西两端覆盖层厚度相对较浅,最浅处仅几米,而在测线剖面中段的阎家河,覆盖层厚较大,达25～34 m(图5)。

图5 DZ01测线地震深度剖面及解译地质剖面Fig.5 Seismic depth profile and geological profile for interpretation of DZ01

(2) DZ02测线剖面东起于下袁家山坡脚,西至阎家河西岸S206省道边,位于拟建线位南侧约100 m处,长957.5 m(图2、图6)。DZ02测线剖面上,均存在一组振幅较强、连续性较好的反射波同相轴。反射波同相轴与第四系土层底板相对应,基本由两个相位构成,相位数目变化不大。反射波于测线319 m处同相轴存在一个错断或迅速减弱现象,于测线尾端根据深部同相轴也存在错断或迅速减弱现象。

图6 DZ02测线地震深度剖面及解译地质剖面Fig.6 Seismic depth profile and geological profile for interpretation of DZ02

结合野外调查结果分析,推测于测线319 m处发育一条断层,并于测线尾端推测发育另一条断层。根据浅层震探解译结果,该测线基岩面起伏形态显示东段较浅,仅几米,而在河道中心附近较深,覆盖层厚度较大,厚度为24～30 m。

综合区域地质资料,麻团断裂在研究区域内表现东西两支特征,东支两侧岩性不同,为1条年代较老的断裂;西支为麻团断裂主体,由两条性质一致的断裂组成,相距600～700 m,错断岩性一致。

2.4 钻孔联合剖面

工程钻探也是研究隐伏断裂的有效方法之一,能揭露一定深度的地层岩性、分布、断错等特征,进而确定断层位置[14]。为进一步确定麻团断裂在研究区断层宽度和破碎带范围,根据浅层地震勘探结果和拟建工程布置形式,在物探测线解译的断点附近跨断层布设了1排钻孔,选取了距离断裂带较近且具有代表性的13个钻孔揭示地层岩芯进行对比分析(图7)。

图7 联合钻孔工程地质剖面图Fig.7 Geological engineering profile with combined boreholes

根据西侧Jz-阎桥38和Jz-阎桥37两个钻孔显示,表层花岗质片麻岩以下地层单元相同,表明花岗质片麻岩以下黑云斜长片麻岩均未受外界的扰动而缺失,其高程能真实地反映其地层分布位置。钻孔岩芯显示,Jz-阎桥38钻孔黑云斜长片麻岩的高程为67 m,底部揭示厚度约2 m破碎带,而Jz-阎桥37钻孔的黑云斜长片麻岩的高程为52 m,底部也揭示了厚约2 m破碎带,两者之间高差约15 m。在上覆地层较为完整的背景条件下,两个钻孔平面距离仅48 m,均质的变质岩地层高差巨大且均揭示破碎带,表明两个钻孔之间发育一个断层单元,错断了两侧的地层(图7),这与浅层地震勘探解译结果基本吻合。

综上,钻孔Jz-阎桥38及Jz-阎桥37之间存在一个倾向SE且断裂活动状态为逆冲的断面,断裂两侧的错断高差达15 m。综合区域地质资料、浅层地震勘探解译成果和钻孔揭示情况,麻团断裂带在研究区倾向仍处于沿NE走向的过渡区,断层性质具有明显逆冲性。

根据东侧钻孔和Jz-阎桥31X钻孔的岩芯揭示,该处地层自上而下依次为细砂、粗砂和黑云斜长片麻岩,相较于钻孔Jz-阎桥31-1东侧黑云斜长片麻岩顶层较其西侧岩层面高不少于5 m,且缺失了花岗质片麻岩。分析认为,东侧表层花岗质片麻岩地层因外力作用被剥离,且钻孔Jz-阎桥31-1与Jz-阎桥31X之间地层发生过垂直运动导致两侧地层发生了相对位移变化,推断该处发育断层面,倾向SEE,具有逆冲性。

位于Jz-阎桥27东侧的钻孔Jz-阎桥22岩芯揭示缺失花岗质片麻岩地层(图7)。该处黑云斜长片麻岩顶面相对于其西侧的黑云斜长片麻岩顶层高差大于5 m,分析认为该套地层受外力作用被剥掉,两个钻孔之间发育一条断层,倾向SE,具有逆冲性。

综合麻团断裂区域性质,根据物探解译成果和钻探揭示情况,钻孔Jz-阎桥38与Jz-阎桥37之间的断层为麻团断裂带的西支,是麻团断裂带向NE方向延伸的主要断裂分支;钻孔Jz-阎桥31-1与Jz-阎桥31X之间的断层为西支断裂的分支;钻孔Jz-阎桥27与Jz-阎桥22之间的断层为麻团断裂带年代较老的东支延伸。

3 麻团断裂工程影响

3.1 断裂在拟新建线路上的空间展布

综合研究区内的野外调查、浅层地震勘探和钻孔联合剖面的解译结果,麻团断裂带与拟建线路相交位置共发育3条隐伏断裂,分别如下:

(1) 沿阎家河西侧分布1条NNE向断裂,为麻团断裂北段西支,即麻团断裂的向NE方向延伸断裂主体部分;

(2) 沿阎家河东侧袁家山脚下分布1条NNE向断裂,其断错性质与前者一致,但错动程度弱于前者,同属麻团断裂北段西支,为闫家河西侧公路处主干断裂的1条分支断裂;

(3) 阎家河东侧袁家山山地中另分布1条NE向断层,其断错性质与前二者均不同,活动年代相对久远,为麻团断裂北段年代较老的东支断裂。

综上,断裂与拟建线路相交处麻团断裂分为东西两个分支,主体为逆冲断层,明显呈麻团断裂北段特征,表明麻团断裂与拟建线位相交处仍属于该断裂的北段。

3.2 断裂活动性

针对麻团断裂的活动性,前人已做了大量的研究[2-3,5-13],麻团断裂活动性对工程的影响可不考虑年代较老的北段东支断裂,主要以西支断裂为主。通过野外调查表明麻团断裂曾经有过活动,但活动很不均匀,且断裂活动强度较低,整体呈中段相对较强,北段较弱的特征,未发现晚更新世以来活动断裂造成地表破坏的证据。工程物探和工程钻探成果显示3条断层均断裂深部片麻岩带,在第四系地层中未发现明显的断错或断裂破碎带证据,初步认为断裂带全新世以来活动性较弱。

已有地震地质调查研究表明[2,5,15-16],麻城黄土岗6级地震发震构造为鹰尖山—古洞寺断裂,麻团断裂在深部与发震构造鹰尖山—古洞寺断裂形成铲式正断层组合,主断面为麻团断裂。麻团断裂可能在深部控制了鹰尖山—古洞寺断裂的构造运动模式,但1932年麻城6级地震并未使麻团断裂浅部发生活动。尽管研究区周缘共发生2次破坏性地震,分别为1913年麻城5级地震,1932年麻城黄土岗6级地震,但是近20年以来区域内没有出现大于5级的地震,而大于4级的地震也仅出现了4次,证明断裂已经或正逐渐趋于平静(图8)。

图8 1970年5月到2021年4月麻团断裂区域的M-T震级序列图Fig.8 M-T seismic sequence of the Macheng-Tuanfeng fault from May 1970 to April 2021

再结合相关麻团断裂第四纪活动性的研究资料[2-3,5-13],黄土咀以北麻团断裂带内发育的构造岩表明晚第四纪以来活动不明显;黄土咀以南麻团断裂中段获得的断层物质ESR年龄为(404±45) ka B.P.和(324±30) ka B.P.,证明断裂中段在中更新世有明显活动,晚更新世具有弱活动性[6,9-11];而断裂北段活动性弱于中段,北段活动性在第四纪中更新世或之前,晚第四纪活动不明显[2,7]。

根据《活动断层探测》规定[17],麻团断裂北段的活动时间早于定义活动断裂的距今12万年。因此,综合认为麻团断裂北段为非活动断裂。

3.3 工程应对措施

麻团断裂中段活动时代为中更新世中晚期,北段的活动性在第四纪中更新世或之前,其活动概率较小,但考虑到该地区1932年曾发生麻城黄土岗6级地震,震中距研究区直线距离仅14.2 km,仍需考虑区域地震危险性。结合以上研究分析结果,麻团断裂属于非活动断裂,拟建线路无需采取避让措施。但是为了确保拟建线路安全,仍需考虑断裂具有发生6级左右地震的构造条件,建议采取抗震措施[17]。根据《中国地震动参数区划图》,线路与麻团断裂的交汇部位为Ⅶ度区[18];根据《建筑工程抗震设防分类标准》中规定[19],高速铁路干线为重点设防类建筑物,按照高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强抗震措施,即按照Ⅷ度区采取抗震设防措施。同时,建议在该区域内建立地震预警系统,加强对地震监测和断层的位移监测,为拟建高速铁路运行提供实时安全保障。

4 结论

拟建沪渝蓉高铁合肥至武汉段与麻团断裂于麻城黄土咀附近正交,详细收集了相关地质研究文献影像资料,开展了野外地质调查、浅层地震勘探以及工程钻探等工作,最终厘定了麻团断裂与线路相交的准确位置,并结合已有研究资料确定了断裂性质和活动性,给出了对应施工措施建议,得出以下几点认识:

(1) 麻团断裂性质具有分段特征,黄土咀为断裂北段和中段分界处,拟建线路与麻团断裂相交区域位置为断裂北段与中段过渡位置。研究区麻团断裂性质明显与北段吻合,仍属于北段的一部分;具东、西2条不同活动时期分支的特征,由3条断裂组成,均为隐伏状态,最西支为麻团断裂带北段西支主断裂,中间一支为主断裂的分支断裂,东支不同于前二者为麻团断裂带北段东支年代较老的断裂;

(2) 麻团断裂为中更新世中晚期断裂,晚更新世以来趋于稳定,断裂北段活动时代为中更新世或之前,活动性较弱,对拟建高速铁路工程影响较小,但麻团断裂具有发生6级左右地震的深部构造背景和地震地质构造条件,需按照Ⅷ度区采取抗震设防措施,并在该区域内建立地震预警系统,加强对地震监测和断层的位移监测。