北京南苑-通县断裂北东段结构特征及第四纪活动性研究

2024-01-06牛文治何付兵刘振华崔玉斌白凌燕王安国张悦泽曹萌萌周捷铭

地质力学学报 2023年6期

关键词：南苑孔深粉砂

牛文治，何付兵，刘振华，崔玉斌，白凌燕，王安国，张悦泽，曹萌萌，周捷铭

1.北京市地质调查研究所，北京 100097；

2.北京市市级职工创新工作室（城市地质、活动构造与监测），北京 100097；

3.中国地质调查局发展研究中心，北京 100037

0 引言

南苑-通县断裂是北京平原区一条重要的隐伏断裂，是北京凹陷与大兴凸起的边界断裂（赵忠海和朱红军，2003）。1976年北京开展地震地质会战时，因其重力梯度和磁性异常显著，被明确提出并命名为“南苑-通县断裂”，该断裂呈北东向展布，南起涿州，向北东方向延伸经码头镇、肖场村、葫芦垡，过北西向永定河断裂后，沿大兴区南苑镇、大红门，至广渠路、八里桥村，北至通州区平家疃村，呈“S”形展布，倾向北西（徐锡伟等，2015）。

自北京地震地质会战以来，许多学者借助钻探、物探、化探、地形地貌等多种手段，对南苑-通县断裂进行过研究（刘保金等，2009；何付兵，2019；雷晓东等，2021；Zhao et al.，2021）。根据该断裂的几何结构、活动特征、深部构造特征及与北西向断裂的交切关系，将断裂划分为3段：北东段（平家疃村以东）、中段（平家疃村至南口-孙河断裂）、南西段（南口-孙河断裂至涿州）。对于断裂的南西段先后进行过3次大规模研究：1979年北京地震地质会战308地球物理测线显示，断裂南西段没有错断第四纪地层（国家地震局地球物理研究所，1978）；2007年北京市活断层探测与地震危险性评价表明，该段第四纪以来没有明显活动迹象（江娃利，2007）；2009年北京大兴规划新城前期区域工程地质勘查显示，南苑-通县断裂南西段为一条基岩断裂（黄骁等，2012）。对于断裂的中段也开展过3次研究：1979年北京地震地质会战317地球物理测线显示，该段是全新世活动断裂（国家地震局地球物理研究所，1978）；2016—2017年通州城市副中心地区重大地质问题调查与评价表明，中段断裂错断整个第四纪地层至地表（方同明等，2016）；2018年宋庄地裂缝地质灾害调查出现不同观点，认为南苑-通县断裂中段没有错断整个第四纪地层至地表，但为地裂缝形成提供了应力传递与积累（赵龙等，2018）。综上，目前的研究认为南苑-通县断裂南西段是前第四纪断裂，但关于断裂中段是否断错第四纪地层至地表还存在争议；而对于北东段（即过通州区平家疃村后）的勘探研究相对薄弱，仅根据重力资料大致确定了其走向为近东西向延伸，但断裂活动情况尚不清楚。

南苑-通县断裂是影响北京市地质安全的重要地质要素，历史地震显示，北京地区1665年级地震震中距离该断裂较近，可能与该断裂密切相关。尽管该断裂研究意义重大，但目前对该断裂的认识尚不能满足首都和谐宜居示范区发展目标的需求（丰成君，2014）。因此，文章基于野外地表调查，采用高精度重力、纵波地震和横波地震综合物探剖面方法、钻孔联合剖面探测和年代学方法，对南苑-通县断裂北东段进行勘探，对其结构特征和活动时代等方面进行探讨，以期为首都地区国土空间规划及防灾减灾体系建设提供了重要的地质依据。

1 研究区地质背景

研究区位于华北平原北部（图1a），大地构造位于华北陆块中北部、燕山中新生代陆内造山带西段。自太古宙以来经历了一系列构造运动，新生代古近纪始新世至渐新世时期，在强烈伸展裂谷作用背景下，北东向断裂发生了不同规模的引张正断层活动，形成“两隆、两凹”盆地与山岭相间排列的盆岭构造（黄秀铭等，1991）。宏观上，这些引张正断层呈北东向展布，可进一步划分为京西凸起、北京凹陷、大兴凸起、大厂凹陷和廊固凹陷。新近纪晚期至第四纪时期，北京平原区的断陷盆地持续下降，接受沉积，积累了数百米厚的松散冲积物和洪积物。同时，由于新生代北西向和北东向断裂复活，导致断裂两盘第四纪沉积物存在明显差异（倪敬波等，2023）。

F1—南口山前断裂；F2—黄庄-高丽营断裂；F3—顺义断裂；F4—南苑-通县断裂；F5—礼贤断裂；F6—夏垫断裂；F7—南口-孙河断裂；F8—二十里长山断裂；F9—永定河断裂；F10—桐柏断裂；F11—李桥断裂；F12—楼梓庄断裂；F13—西集断裂a—北京市平原区主要断裂分布图；b—南苑-通县断裂北东段断裂分布图及工作部署图图1 研究区地质构造简图Fig.1 Schematic map of geological structure in the study area(a) Distribution map of major faults in the plain area of Beijing; (b) Distribution map and work deployment map of Nanyuan–Tongxian faultF1–Nankou piedmont fault; F2–Huangzhuang–Gaoliying fault; F3–Shunyi fault; F4–Nanyuan–tongxian fault; F5–Lixian fault; F6–Xiadian fault;F7–Nankou–Sunhe fault; F8–Ershilichangshan fault; F9–Yongdinghe fault; F10–Tongbai fault; F11–Liqiao fault; F12–Louzizhuang fault;F13–Xiji fault

研究区内分布着4条隐伏断裂：南苑-通县断裂、夏垫断裂、李桥断裂和西集断裂。南苑-通县断裂是大兴凸起和北京凹陷的边界断裂，断裂北侧位于北京凹陷，南侧位于大兴凸起（图1b）。北京凹陷整体走向为北东向，新生代下伏地层主要为元古宇、古生界和中生界。始新世时期，地层沉积主要在黄庄-高丽营断裂和南苑-通县断裂之间，呈北北东向展布，沉积中心大致在丰台一带。渐新世起，由于南苑-通县断裂中段活动加强，沉降中心较始新世时期向东南移动，以北京市区为沉积中心。新近纪时期，地层分布范围也在黄庄-高丽营断裂和南苑-通县断裂之间，但沉积厚度远超古近纪时期（孙永华，2021）。大兴凸起整体走向呈北东向，其基底以中元古代及早古生代地层为主，晚三叠世末期开始遭到抬升剥蚀，新生代沉积厚度一般在50～160 m（张晓亮等，2016；李正芳等，2021）。

2 研究方法

综合物探剖面能够在不同深度对断裂进行探测，同时互相验证减少多解性的影响。此次研究包括高精度重力勘探和浅层地震勘探。前者确定断裂的深部特征，后者可获取上断点埋深。其中浅层地震勘探方法是活动断层探测国家标准中重要的工作方法之一，纵波地震用于探测数十米至数百米的断裂埋深特征，横波地震用于探测数米至数十米的断裂埋深特征。最后，利用钻孔联合地质剖面进一步验证物探剖面成果，研究断裂准确空间位置及最新活动时代（Zhao et al.，2004；曹新文等，2017；何付兵等，2020；云龙等，2021；王超群等，2022）。

2.1 仪器设备及数据采集

此次高精度重力测量使用加拿大Scintrex仪器公司生产的CG-5型重力仪，采用2000国家重力基准，利用国际大地测量协会推荐的1980年大地测量参考系统的正常重力公式计算正常重力值，按照《大比例尺重力勘查规范》（DZ/T 0171—2017）中相关要求执行。纵波地震剖面数据采集系统为法国SERCEL公司生产的408UL数字地震仪，激发震源使用抗干扰能力强的美国Metrz 公司的M18-612型可控震源，设置道间距2 m、炮间距10 m、单边激发，地震波接收满足检波器位置准确的要求，目标层反射信噪比高，记录合格率不低于95%。横波地震剖面数据采集系统为美国SI仪器公司生产的SLand全数字地震仪，激发震源使用河北北奥生产的KZ3型可控震源车，设置道间距2 m、炮间距10 m、中间激发。地震波接收满足水平安置，最大灵敏度方向垂直测线方向，记录合格率不低于95%。此次地震剖面数据处理以Geoeast处理系统为主，速度分析和质量控制利用Geoeast和Omega软件，静校正利用Tomodel软件，合理选择参数及流程，确保最终成果满足断裂调查要求。

2.2 工作量布置

为了揭示南苑-通县断裂北东段的空间展布和活动性特征，按照综合物探剖面垂直布线原则，结合地表调查成果认识，对目标断裂布置了2条综合物探剖面L01和L02（图1b）。L01综合物探剖面位于顺义区木燕路辅路，包括高精度重力G1（7.2 km）、纵波地震D1（4.6 km）和横波地震S1（2.6 km）；L02综合物探剖面位于顺义区李大线及木北路辅路，包括高精度重力G2（5.0 km）、纵波地震D2（5.0 km）和横波地震S2（2.5 km）。经综合物探剖面解译和断裂精确定位后，钻孔联合地质剖面最终布置在目标断裂特征明显的L02综合物探剖面上，共施工8口钻孔，行政区隶属于北京市顺义区北务村。

3 研究成果

3.1 综合物探联合剖面

L01综合物探剖面见图2a。在高精度重力成果剖面图中（图2a），布格重力异常变化范围在-17～-8 mGal，宏观上表现为由南向北递减，揭示基底埋深由南向北逐渐变深；在剩余重力异常曲线上，450～690号点间形成一个波峰，对应水平一阶导数负极大值，而二阶导数为0，表现为浅部地质体密度变化最大处，推测为南苑-通县断裂；在剖面北端，剩余重力异常曲线也存在异常反映，可能为地质体密度差异或基底地层岩性界面。纵波地震解译结果显示（图2a），反射波叠加深度剖面震相丰富，剖面显示新近系及以上地层整体表现出南薄北厚的倾斜形态；在剖面中段桩号2430附近，解译出1个视倾向北的断裂，该断裂新近系TN和第四系TQ界面反射同相轴发生明显的错断或扭曲现象，向上错断了第四系内部反射波同相轴T1，上断点埋深解译深度约60 m，视倾角上陡下缓，约56°～72°，表现出典型伸展正断层属性。横波地震解译结果显示（图2c），在剖面南部桩号2400附近，解译出1个视倾向北的断裂，该断裂新近系以上反射波同相轴出现明显错断，其上断点埋深解译深度为37 m，视倾角上陡下缓，约66°～84°。

图2 南苑-通县断裂北东段物探解译综合剖面图Fig.2 Comprehensive profile of geophysical exploration and interpretation for the Northeast section of the Nanyuan–Tongxian fault

L02综合物探剖面见图2b。在高精度重力成果剖面图中（图2b），布格重力异常变化范围在-19～-9 mGal，宏观上也表现为由南向北递减，揭示基底埋深由南向北逐渐变深；在剩余重力异常曲线上，284～446号点间形成一个波谷，对应水平一阶导数曲线上一正、一负两个极值，且两处的垂向二阶导数均为0，推测306号点为南苑-通县断裂，426号点为拉张作用下产生的次级断裂。纵波地震解译结果显示（图2b），其反射波叠加深度剖面震相丰富，在剖面上解译出2个断裂，桩号1050附近为视倾向北的主断裂，桩号2001附近为主断裂上盘反向次级断层，主断裂上断点埋深为57 m，视倾角上陡下缓，约60°～71°。横波地震解译结果显示（图2b），反射波叠加深度震相比纵波地震更丰富，根据剖面特征在剖面上解译出2个断裂，在剖面中部桩号970附近为视倾向北的断裂，在剖面南段桩号2067附近为视倾向南的反向次级断裂，2条断裂新近系以上反射波同相轴出现明显错断现象，向上分别错段了第四系内部反射波同相轴T1和T3，解译主断裂上断点埋深22 m，视倾角上陡下缓，约56°～73°。

3.2 钻孔联合地质剖面

3.2.1 钻孔联合地质剖面地层分层特征

钻孔联合地质剖面揭示地层岩性较多，包括黏土、粉砂质黏土、黏土质粉砂、粉砂、细砂、中粗砂、砂砾石等；细颗粒含有炭斑、锈斑、钙质和铁猛质结核等特殊成分，反映钻孔沉积环境复杂多变。根据岩性及其组合特征，自上而下可以划分为21层（图3）。第①层：孔深0～3.4 m，以黄褐色细砂为主；上部为表耕土，可见植物根系；中部含厚0.5～1.0 cm黏土夹层。第②层：孔深3.4～6.4 m，黄色粉砂，松散，发育水平层理。第③层：孔深6.4～8.1 m，以灰色黏土质粉砂为主，较上层颜色突变，正粒序。第④层：孔深8.1～9.5 m，灰色粉砂质黏土，含炭斑，发育近水平层理，下部9.0～9.5 m以深灰色黏土为主。第⑤层：孔深9.5～11.5 m，灰色黏土质粉砂，较松散，粒度随深度增加逐渐变大。第⑥层：孔深11.5～14.1 m，灰色黏土，近水平层理，可见炭斑，中部粉质组分含量较多。第⑦层：孔深14.1～21.5 m，以灰色黏土质粉砂为主，近水平层理，偶见炭斑，下部为黏土质粉砂与粉砂质黏土互层沉积。第⑧层：孔深21.5～25.4 m，深灰色黏土，岩性单一，块状，含钙质结核，局部存在锈斑。第⑨层：孔深25.4～30.2 m，灰色细砂，正粒序层理，上部以细砂为主，下部逐渐过渡到中砂，磨圆度中等。第⑩层，孔深30.2～33.4，灰色粉砂质黏土，底部颜色逐渐过渡为灰绿色。第⑪层，孔深33.4～34.0 m，灰色砂砾石，砾石成分主要为花岗岩、石英岩类等，磨圆好，分选差。第⑫层，孔深34.0～36.2 m，浅灰色粉砂质黏土，发育近水平层理。第⑬层，孔深36.2～38.9 m，深灰色粉砂质黏土，上部夹有深灰色黏土。第⑭层，孔深38.9～42.6 m，褐色黏土，厚层状，发育有锈斑和钙核。第⑮层，孔深42.6～46.0 m，黄色黏土质粉砂，下部颜色逐渐变深。第⑯层，孔深42.6～55.3 m，灰色黏土，厚层状，偶见钙质结核，底部颜色渐变成灰绿色。第⑰层，孔深55.3～59.6 m，灰绿色粉砂质黏土，偶见钙质和铁猛质结核。第⑱层，孔深59.6～62.3 m，黄褐色粉砂质黏土，底部发育钙核。第⑲层，孔深62.3～74.1 m，主体为灰色、灰褐色粉砂质黏土，夹有深灰色黏土和灰绿色黏土质粉砂（含有钙质结核）。第⑳层，孔深74.1～80.9 m，褐色含钙质结核黏土质粉砂，上部含有灰褐色黏土和灰褐色粉砂质黏土。第㉑层，孔深80.9～92.0 m，以黄色黏土质粉砂为主，无层理，含有锈斑和钙质结核。

图3 钻孔联合地质剖面综合解释Fig.3 Comprehensive interpretation map of composite drilling geological section

3.2.2 第四纪地层划分

此次分别在钻孔ZK05和ZK06中各采集1件14C年龄样品（表1），在钻孔ZK04和ZK07中各采集1件光释光年龄样品（表2）。在ZK05深度6.7 m处取得含有机质灰色黏土质粉砂年龄样品，测试年龄为（11.84±0.04） ka，与全新世底界11.7 ka年龄接近，推断出钻孔联合剖面全新世底界为6.5 m。根据深海氧同位素曲线的气候变化反映，上更新统底界的暖期气候与MIS5基本一致，在这一界线下伏地层中，由于土壤干湿交替引起的氧化与还原交替过程，在钻孔内形成锈斑甚至铁锰结核且出现含钙质结核的层位（高秀林等，1986；赵勇等，2019）。研究发现ZK02孔36.1 m处，下伏地层中钙核和锈斑等特征基本与之相符；地层颜色也由灰色突变成黄褐色，故将36.1 m作为上更新统底界。中更新统底界应位于古地磁B/M界面0.78 Ma，根据ZK02孔古地磁项目资料，孔深74.1 m处为中更新统底界（何付兵，2021）。下更新统底界应位于古地磁M/G界面2.58 Ma，此次钻孔剖面位置与ZK01孔位置相距约500 m，其测年数据具有一定的可比性，根据ZK01孔古地磁项目资料，古地磁2.58 Ma界面孔深189.6 m（何付兵，2021）。下更新统底界埋深约为189.6 m，其下伏地层为钙质胶结红褐色黏土，为上新世晚期地层。

表1 碳十四样品测试结果一览表Table 1 Test Results of 14C Samples

表2 光释光样品测试结果一览表Table 2 Test results of OSL samples

4 断裂活动性分析

4.1 主要的标志层位错特征

通过对比钻孔联合地质剖面，8个钻孔所揭露的地层中有4个典型标志层具有落差（图3）。第⑧层为一套深灰色黏土，黏土含量达到95%以上，上、下岩性界面清晰；ZK02与ZK05地层中的第⑧层顶界高差约2.1 m，时代为晚更新世。第⑪层为一套灰色砾石，磨圆好，直径1～6 cm；ZK02与ZK09地层中的第⑪层顶界高差约为3.4 m，时代为晚更新世。第⑭层为一套褐色黏土，可从黏土颜色和发育的锈斑和钙核识别出该套黏土；ZK05与ZK04中第⑭层的顶界高差约为4.8 m，时代为中更新世。第⑰层为一套灰绿色粉砂质黏土，粉砂质黏土颜色在钻孔剖面中与其他地层区别较大，呈现易于识别的灰绿色；ZK07与ZK04中第⑰层的层顶界高差约为6.1 m，时代为中更新世。

4.2 南苑-通县断裂北东段活动性分析

通过综合物探剖面方法、钻孔联合剖面探测和年代学方法，认为该断裂经过通州区平家疃村后总体走向转为近东西向。断裂高精度浅层地震剖面反射波组振幅和频率在南苑-通县断裂北东段均有所显示，解译断裂呈现上陡下缓铲式断层特征，且在断裂上盘发育与之相交的次级断裂，组合呈Y字形产出，且该断裂主断层倾角较为陡峭，达56°～75°，表现出典型正断层特征。浅层地震剖面上还显示上断点最浅处埋深约22 m，活动时代较新。南苑-通县断裂近东西向展布格局在第四纪以来呈现正断层属性是符合区域构造应力场规律的（张磊等，2014；丰成君，2014；白凌燕等，2018）。

根据钻孔联合剖面显示，第⑦层岩性以水平层理灰色黏土质粉砂为主，顶部因沉积物颜色不同而界线清晰，下部发育黏土质粉砂与粉砂质黏土互层沉积，特征也较明显。该层顶部各钻孔地层近水平，而底部在断裂两盘略有差异，表现出断裂两盘沉积物厚度有所差异，推断南苑-通县断裂北东段上断点埋深至少延伸至第⑦层底部。因此，推断上断点埋深约在21.6 m处。基于此次钻孔第四系地层划分并结合邻区已有钻孔地层年代学资料（孙永华，2021），推断南苑-通县断裂北东段属于晚更新世活动断裂。