地震地质调查确定,F₁断裂走向20°～30°,倾向W,倾角70°～80°,其性质为正断层。我们收集和整理工程场地及其附近以往地质构造研究资料后发现,F₁断裂控制着花岗岩和金矿矿化带以及第四系和第三系的分布,断层破碎带宽达几十米至上百米。断裂及其附近地区结晶基底岩系由晚元古代之前的粉子山群(辽河群)、胶东群(宽店群)和鞍山群组成,固结时期发生在距今约17亿年的中岳运动期间; 出露的岩浆岩主要为玲珑期花岗岩。结晶基底岩系和岩浆岩分布在断裂的东侧。断裂以西为第四系松散沉积,沉积相有陆相和海相两种类型,陆相为残积物、坡积物、洪积物和冲积物,海相为滨海堆积物。F₁断裂构成了不同岩性和地层的分界线。

收集、整理和分析中华人民共和国区域地质调查报告(比例尺1:5万,辛庄幅和朱桥幅)发现,F₁断裂在朱桥—辛庄段地质剖面(图1)和姜家—姚家段地质剖面(图2)显示,断裂南东盘为结晶基底岩系和岩浆岩,北西盘为第四系松散沉积物和第三系砂岩、砂砾岩,第三系岩层与上覆第四系松散沉积物呈不整合接触,从岩石物质成分、硬度、颜色等分析,第三系与第四系显著不同,胶结程度存在差异。第三系主要由紫色含砾长石砂岩、含砾硬砂岩组成,其间夹有紫色含砾粘土质砂岩。

断裂碎裂岩带宽10～50 m。从地质剖面分析,断裂控制着第四系沉积,并断错了第四系地层,说明断裂为第四纪活动断裂。朱桥—辛庄段地质剖面和姜家—姚家段地质剖面为我们对断裂活动性和运动性质做详细研究提供了重要线索和依据。

1.第四系; 2.第三系砂岩砂砾岩; 3.混合岩化绢英岩化

斜长角闪岩; 4.碎裂岩; 5.中粒混合花岗岩;

6.绢英岩化花岗质碎裂岩; 7.钻孔

图1 F1断裂在朱桥—辛庄段地质剖面图
Fig.1 Geological section of F1 fault in Zhuqiao-Xinzhuang segment

1.第四系; 2.第三系含砾紫色砂岩; 3.绢英岩化花岗质

碎裂岩; 4.斑状花岗闪长岩; 5.钻孔

图2 F1断裂在姜家—姚家段地质剖面图
Fig.2 Geological section of F1 fault in Jiangjia-Yaojia segment

(1)设备、场地和工作概况

我们采用美国GSSI公司研制的SIR-2000型地质雷达。经现场试验对仪器各参数进行优化选择。中心频率采用20 MHz的天线点测,采样时窗设置为400 ns,发射和接收天线间距4.0 m,测点距1 m。为了相互映证,在跨F₁断裂我们还布设了2条测线(图3),测线总长度490 m。

图3 F1断裂场地工作布设、断裂平面分布和工程地质分区图
Fig.3 Arrangemant of engineering site of F1 fault,plan distraction of fault and engineering geological zoning

处理工作包括预处理和后处理两部分。预处理阶段主要采用了频率域滤波方法,目的是提高数据采集质量。后处理部分则建立在美国GSSI公司的RADAN数据处理软件包上,用TOSHIBA-2400笔记本实现,处理过程主要包括数字化滤波、速度分析、能量均衡等一般性处理和反褶积、偏移等特殊处理,旨在最大限度地压制随机干扰,提高信噪比,突出目标信息,为资料解释工作构筑成果图。

(2)资料分析与解释

地质雷达所采集的数据经处理后,各测线地下基于介质电性差异的地质结构的变化特征在地质雷达探测(GPR)剖面上得以再现,探测结果见图4,5。在地质雷达探测时间剖面图上,横坐标为相对于剖面零点的距离,其单位为米(m); 纵坐标为反射波的双程垂直到时T₀,单位为纳秒(ns)。从2条测线地质雷达勘探剖面图(图4,5)上可以看出:

测线1:跨越断裂沿东西向布设的地质雷达勘探剖面(图4)显示,在100 m处,地层反射界面不连续,发生了断错和弯曲,判断为断层。断裂东盘(下盘)地层较为连续; 断裂西盘(上盘)地层较为凌乱,显示了断裂破碎带的特征。

图4 测线1地质雷达剖面图(剖面方向:右手指向东)
Fig.4 Profile of geological rader of survey line 1

图5 测线2地质雷达剖面图(剖面方向: 右手指向东)
Fig.5 Profile of geological rader of survey line 2

为了确定断裂的地层断错和位移量,笔者进行了钻孔揭露与资料分析,通过断裂两侧地层对比,确定了断裂两侧基岩面和第四纪地层的位移情况。为了相互映证,笔者沿F₁断裂选取了2条工程探测剖面(图6)。

图6 1-1'剖面(a)和2-2'剖面(b)工程探测剖面图
Fig.6 Engineering exploration profiles of 1-1'(a)and 2-2'(b)

剖面2:跨越断裂布设的工程探测剖面(图6b)显示,断裂东盘(下盘)钻孔的第四系被剥离,没有揭露到第四系,花岗闪长岩强风化带的下限深度为11.71 m,断裂西盘(上盘)的两个钻孔的第四系底部界面高度为15.57 m,花岗闪长岩全风化带的下限深度为5.57 m。断裂两侧第四系底部界面高差大于2.5 m,花岗闪长岩全风化带的下限深度差为12.44 m。

两条跨越断裂的工程探测剖面显示,断裂两侧的风化程度存在明显差异,断裂东盘(下盘)基岩相对完整,抗风化能力较强,断裂西盘(上盘)基岩相对破碎,抗风化能力较弱。根据断裂产状和断裂两侧的第四系底部界面高差和风化带的下限深度差分析,断裂西盘(上盘)为下降盘,显示F₁断裂为正断活动,中更新世以来的垂直断距为8～10 m。

工程场地人工开挖基坑北壁F₁断裂剖面(图7)显示,断裂产状为300°∠70°。东盘为破碎的花岗闪长岩,西盘为Q¹₃浅棕红色粘土和Q²₃褐黄色亚粘土地层。断裂破碎带由灰绿色、褐黄色和灰黑色断层破碎岩、碎粉岩和断层泥组成,具有分带性。断层破碎岩、碎粉岩和断层泥未胶结。断裂将Q¹₃浅棕红色粘土和Q²₃褐黄色亚粘土地层垂直断错4.2 m。断裂之上覆盖有厚1 m左右的Q₄

图7 工程场地人工开挖基坑北壁F1断裂剖面
Fig.7 F1 fault section of north wall of manual excavating foundation pits in engineering site

为了鉴定断裂活动性,笔者在断裂断错Q²₃褐黄色亚粘土地层、Q¹₃褐黄色粘土地层和坡积亚粘土地层分别取释光样品TL1、TL2和TL3(图7)。TL1、TL2和TL3释光样年龄分别距今(97.14±8.26)×10³ a、(57.59±4.89)×10³ a和(19.85±1.69)×10³ a。断裂断错了(57.59±4.89)×10³ a地层,被(19.85±1.69)×10³ a地层覆盖,说明F₁断裂为晚更新世活动断裂。

人工开挖基坑南壁F₁断裂剖面(图8)显示出与图7相似的断层结构特征,所不同的是,本剖面在断裂西盘见到Q₂棕红色含砾粘土。断裂产状为300°∠70°。东盘为破碎的花岗闪长岩,西盘为Q₂棕红色含砾粘土、Q¹₃浅棕红色粘土和Q²₃褐黄色亚粘土地层。断裂破碎带由灰绿色、褐黄色和灰黑色断层破碎岩、碎粉岩和断层泥组成,具有分带性。断层破碎岩、碎粉岩和断层泥未胶结。断裂将Q¹₃浅棕红色粘土和Q²₃褐黄色亚粘土地层正向断错6.0 m。断裂之上覆盖有厚1米左右的Q₄土黄色亚砂土地层,且没有被断错。

从断层带物质固化胶结程度、地形地貌特征、断层与第四系的关系和样品测定年代分析,笔者认为F₁断裂最新活动时代发生在(57.59±4.89)×10³ a和(19.85±1.69)×10³ a之间,晚更新世期以来曾发生过明显的断错地表的活动,但全新世期以来没有发生断错地表的活动。

F₁断裂晚更新世期以来垂直断错量为4.2～6 m。最新活动时代发生在(57.59±4.89)×10³ a和(19.85±1.69)×10³ a之间,取其平均值为38.72×10³ a,计算获得晚更新世断裂垂直位移速率为0.11～0.16 mm/a。

图8 工程场地人工开挖基坑南壁F1断裂剖面
Fig.8 F1 fault section of south wall manual excavating foundation pits in engineering site