基金项目:灾后恢复重建项目汉中市活断层探测(陕发改投资〔2009〕1154号)资助.
(陕西省地震局,陕西 西安 710068)
(Earthquake Administration of Shannxi Province,Xi'an 710068,Shannxi,China)
Liangshan southern margin fault; shallow seismic exploration; composite drilling section; activities rate; late Pleistocene
备注
基金项目:灾后恢复重建项目汉中市活断层探测(陕发改投资〔2009〕1154号)资助.
为获取梁山南缘断裂在汉江大堤上断点的具体位置、近地表断错、上断点埋深、最新活动时代及滑动速率等信息,对其进行了浅层地震勘探和钻孔联合剖面探测。浅层地震解译结果显示断点两侧第四纪以来的12组反射波全被垂向错断,最大错距约370 m,影响带宽度约400 m,影响带内地层起伏强烈。钻探结果反映主断层晚更新世中期的最大错距约28 m,晚期错距约11 m,平均滑动速率为0.38~0.49 mm/a,上断点埋深为5~13 m,属于晚更新世晚期活动断层。
Using the shallow seismic and composite drilling section exploration,we obtained actual position of the breakpoint,near-surface dislocation,buried depth of upper breakpoint,the latest active time and slip rate of Liangshan Southern Margin Fault on the Hanjiang River Levee.Shallow seismic interpretation results show that 12 reflected wave groups are vertically leaped by Liangshan Southern Margin Fault since Quaternary period.Maximum dislocation of bottom interface of the fault is about 370 m,and the width of the influence belt is about 400 m.The strata undulate strongly in the influence belt.The drilling results reflect that the maximum dislocation of the main fault is 28.2 m in middle period of late Pleistocene,it is about 11 m on late period of late Pleistocene.The average slip rate of the main fault is about 0.38~0.49 mm/a and the buried depth of its upper breakpoint is about 0.38~0.49 mm/a.The Liangshan Southern Margin Fault is the active fault on late period of late Pleistocene.
引言
2008年5月12日汶川8.0级特大地震发生在龙门山断裂带上,在中央断裂上形成了240余公里的地表破裂带,在前山断裂上也形成了70余公里的地表破裂(徐锡伟等,2008)。破裂沿着龙门山断裂和青川断裂向北东方向扩展,止于汉中盆地南侧,并对汉中盆地造成了一定的破坏(张宇翔,袁志祥,2010; 张希等,2008)。青川断裂的活动主要以右旋走滑为主,走滑分量较大,错断多条河流1~2 km,而汉中盆地是青川断裂尾部的变形构造,吸收了青川断裂大部分的变形分量(樊春等,2008)。汉中盆地内部需要通过断层活动释放部分能量以达到平衡状态,所以对汉中盆地内部断裂的活动性调查尤为重要。我们在灾后恢复重建中对汉中盆地内部的6条主要断裂进行了活动性调查,结果显示只有梁山南缘断裂属于晚更新世以来的活动断层。梁山南缘断裂向东延伸穿过汉中市区,如果该断裂的活动程度较高,则可能对汉中市的城市发展构成潜在威胁。鉴于此,我们对梁山南缘断裂进行了详细的地表地质调查,浅层地震勘探和钻孔联合剖面探测,以揭示梁山南缘断裂的活动情况。
1 梁山南缘断裂研究简述
汉中盆地是第四纪以来形成的断陷盆地,位于秦岭南侧,汉江穿过盆地中间,盆地内发育第四纪冲积、洪积及残坡积等多种沉积类型,沉积物厚度变化大、相变复杂。梁山南缘断裂是汉中盆地内部的一条主要活动断裂,自西南向东北沿着梁山南麓分布,途经宁强县城西北、漆树坝、杨家湾、岳家湾、玉泉寺、梁山镇南,通往汉中市,长约22 km,走向70°~90°,倾向南东,倾角大于50°,最新活动性质以正断层为主,兼右旋走滑。该断裂控制新集—南郑盆地的北边界,第四纪活动强烈,在卫星影像上显示出清晰的线性特征。
梁山南缘断裂以梁山镇为界分为东西两段,西段断层地貌表现为出露清晰的断层崖和断层陡坎,局部也有断层槽地,东段为汉中市覆盖的隐伏区,错断情况不清楚。为了查明梁山南缘断裂是否向东延伸穿过汉中市区,我们在汉中市南北方向布设了5条浅层地震测线,测线由西向东覆盖了整个汉中市区。浅层地震测线解译结果显示:5条测线解译出5个可靠的断层点,将5个断点位置投影在地形图上,发现5个断点的联线正是梁山南缘断裂向东延伸的方向(图1)。初步说明梁山南缘断裂向东延伸穿过汉中市区。为了探查断裂的详细活动信息,我们在汉江大堤浅层地震解译的断点位置布设了钻孔联合剖面。
2 浅层地震勘探
通常断层在浅层地震反射剖面上的表现可能为以下三种情况:(1)一侧数目突然增加或突然减少或是消失;(2)反射波同相轴形状突然变化,不再能从原来的轴线上连接过去,波组出现混乱情况;(3)反射波同相轴出现分叉、合并或扭曲等现象。梁山南缘断裂汉江大堤测线上所反映的属于第一种情况,即断层的一侧反射波组较多,覆盖层较厚,另一侧反射波组明显减少,覆盖层也相应变薄。
汉江大堤测线位于汉中市以西、汉江以东的河坝村到周家营村之间的汉江低漫滩上,测线由南东向北西布设,全长12.9 km。观测系统道间距为3 m,进行了12次覆盖,偏移距18~36 m,炮间距10~18 m,使用炸药量1.0~1.5 kg。
汉江大堤地震反射波时间剖面和钻孔位置见图2,从图中可以看出,断点出现在CDP1296处,依据反射波震相的不同,整个剖面以CDP1296和CDP1454为界,可由南东向北西分为3个区段,分别为(1)凹陷弧形、(2)构造变形区和(3)隆起弧形区。剖面南东端点至CDP1296之间,呈现出12个反射波组,即T1Q~T11Q和TQ,第四系底界面TQ反射成层性较好,反射波能量较强,同相轴总体略呈由南向北倾斜延展。CDP1296和CDP1454之间为断层的抬升区段,变形明显,显示出清晰的向北抬高的反射过渡。由于CDP1296和CDP1454之间为断层的主要控制区域,且反射层较多,所以该段显示较为混乱,难与两侧地层顺直连接对比,并且该段中南侧的12组反射层逐渐消失,尤其是T8Q~T11Q反射层已经无法识别。CDP1454至北西端为断层的上升盘,已过了断层主要控制区。该段反射波明显减少,仅有T2Q、T9Q和TQ依然存在,其它波组均已消失,且与南东段相同波组之间存在较大的错距。CDP1454以北,地层厚度变薄,并向北缓慢倾斜延展继续变薄。
图2 汉江大堤地震反射波时间剖面和钻孔位置
Fig.2 Time section of earthquake reflection and the location of drillings in Hanjiang River levee3 钻孔联合剖面探测
钻孔联合剖面探测活断层方法始于20 世纪90 年代(向宏发等,1990,1991,1993,2000),该方法作为隐伏活断层探测的主要手段,在“十五”期间的城市断层定位和活动性鉴定方面被广为应用,并取得了显著成效(徐锡伟等,2000,2002; 邓起东等,2002,2003; 中国地震局,2005; 柴炽章等,2006; 杨晓平等,2007; 张世民等,2007; 冯希杰等,2008; 袁道阳等,2008; 雷启云等,2008,2011; 肖国桥等,2008)。
为了进一步查明梁山南缘断裂向地表延伸的情况,更准确地查明该断裂晚更新世以来的活动幅度,我们在浅层地震解译的断点位置进行了百米深的钻孔联合剖面探测。钻孔布设的原则是在断点两侧稍远距离各布设1个孔,如果两孔之间存在断层,再向中间加密进行探测,如果两孔之间没有错断,则分析具体情况向一侧稍远距离钻孔。汉江大堤钻孔布设在在浅层地震解译的断点两侧,共6个钻孔,由南向北钻孔的顺序依次为2孔、3孔、4孔、5孔、1孔和6孔,孔间距离分别为150、40、30、30和50 m,2孔和3孔在断层的下降盘南盘,后4个孔在断层的上升盘北盘(图3)。
3.1 钻孔岩心描述层①:为杂色卵石层,卵石粒径多大于3 cm,磨圆中等,硬度较大,分选较好,主要成分为红色砂岩团块、黑色泥岩团块和杂色砾岩团块等,层①以上为填土或充填砂。
层②:为杂色砾石碎屑,粒径为2~10 mm,主要成分为乳白色石英团块、黑色页岩、砂岩团块和砾岩团块等,硬度较大,磨圆和分选均较好。
层③:为粗砂,在断层两盘的物质成分明显不同,断层南盘2孔和3孔主要为土黄色或褐黄色粗砂,北盘4孔、5孔、1孔和6孔的岩性成分主要为中砂、粗砂、砾砂、卵石和粘土互层。
层④:为深灰绿灰黑色粘质砂,野外易于辨认,分布在上盘地层中。该层在4孔的埋深为72.83~75 m,5孔的埋深为60.61~61.51 m,1孔的埋深为63.31~54.94 m。
层⑤:为土黄色砾砂层,结构松散,粒径介于0.5~3 mm之间,含少量粒径2~5 mm的砾石,含泥约15%,主要矿物成分为石英、长石和云母等。
层⑥:为水泥灰色粘质砂,粘土约占30%,粒径小于0.5 mm的中细砂占35%,主要成分为石英、长石和云母等,捻动后有滑感。该地层主要分布在断层北盘。
层⑦:为粒径在0.5~2 cm的杂色中细砾,粘土约占30%,大于3 cm的粗砾约占10%,硬度较大,磨圆和分选均较好。
3.2 标志层和断层错距分析通过岩心分析及野外观察认为,剖面中相对稳定且连续的标志层主要有4层:层①大块杂色卵石层,层②杂色砾石碎屑,层④深灰色粘质砂层和层⑥水泥灰色粘质砂层。层①大块杂色卵石层是从地面向下的第一层,分布面广,发育较厚,粒径较大,磨圆较好,属于急流环境下的河床堆积。层②杂色砾石碎屑是卵石层下的一层,基本没有磨圆,棱角很尖,属于就近物源搬运堆积。层④深灰色粘质砂层和层⑥水泥灰色粘质砂层因颜色特殊显得极为醒目,明显区别于上下地层。
纵观整个钻孔岩心剖面,3孔以南和4孔以北的地层不能顺畅联通,二者之间每一地层的顶底界均存在比较大的落差,表明主断层在3孔和4孔之间。层④和层⑥两个标志层由4孔向北逐渐抬升,表明4孔、5孔、1孔和6孔之间存在小断层。
将每一个标志层的厚度和错距做简要统计:层①在断点南侧2孔和3孔的底界埋深分别为26.57和28.4 m,在断点北侧4孔、5孔、1孔和6孔底界埋深分别为13、7.77、7.5和8 m,可以看出层①在断点南侧沉积厚,北侧沉积薄,北盘相对南盘抬升了11 m。层②在南盘2孔和3孔的埋藏深度分别为57.81和49.4 m,在北盘4孔、5孔、1孔和6孔的埋深分别为21.22、12.2、18.12和18.41 m,层②在南盘沉积厚,北盘沉积薄,北盘相对南盘抬升了28.2 m。层④顶界在4孔、5孔和
1孔的埋藏深度分别为72.83、60.61和53.31 m,5孔相对4孔抬升了12,1孔相对5孔抬升了7 m。层⑥顶界在5孔、1孔和6孔的埋藏深度分别为70.16、63.04和56.76 m,1孔相对5孔抬升了7 m,6孔相对1孔抬升了6 m。钻孔显示的主断层和次级断层位置及向北抬升情况均与浅层地震解译结果一致。
3.3 沉积年龄剖面中有3个可用的光释光测年结果,3个样品均采自ZK1钻孔,第一个样品取自标志层②杂色砾石层的底部,埋深22.4 m,年龄为(58±2.7)ka; 第二个样品采自标志层③深灰色粘质砂层顶部,埋深53.37 m,年龄为(64.8±4.5)ka; 第三个样品采自标志层④水泥灰色粘质砂层中,埋深64.3 m,年龄为(108.9±5.9)ka。另外,我们在本剖面东边的一个钻孔岩心中获取了卵石层顶部的年龄为2.95万年,汉中市普遍存在属于同一时期的较大卵石沉积层,因此该孔标志层①卵石层顶部的年龄约为2.95万年。
3.4 断层最新活动时代及滑动速率汉江大堤钻孔剖面上层①~层⑦均被错断,断距自下而上依次减小,上断点位于孔3和孔4之间,两孔间距40 m。层①底界被错断,顶界虽无明显落差,但层①在断层两侧厚度相差很大,由此判断层①中间可能被错断。限于钻孔间距和钻探分辨精度,初步将层①顶底界定为上断点上限和下限,即断层上断点位于3孔和4孔之间,上断点埋深至少在5~13 m处。根据倾角推算,断层地表投影应该在4孔附近。根据层①顶部的年龄推算,上断点深度的地层年龄应小于29 ka,所以汉江大堤钻孔联合地质剖面解释的隐伏断层至少是晚更新世晚期以来的活动断层。
根据标志层垂直断距和沉积年龄得到晚更新世以来不同时段断层垂直位移及滑动速率列于表1。从表中可看出:主要标志层①的年龄值约为29 ka,垂直位移为11 m,平均滑动速率为0.38 mm/a; 主要标志层②底部的年龄值约为58 ka,垂直位移为28.03 m,平均滑动速率为0.49 mm/a。由上述数据可看出,晚更新世以来,主要断层的平均滑动速率比较大,在0.38~0.49 mm/a之间变化。同一时期,上升盘中的次级断层也在活动,次级标志层④深灰色粘质砂层顶部的年龄值约为64.8 ka,垂直位移为7 m,平均滑动速率为0.11 mm/a; 次级标志层⑥水泥灰色粘质砂层顶部的年龄值约为108.9 ka,垂直位移为7 m,平均滑动速率为0.06 mm/a。由此看出晚更新世以来上升盘中次级断层向北抬升的速率在0.06~0.11 mm/a之间,比主断层的平均滑动速率约小4倍。
4 讨论与结论
本研究是在同一条剖面上采用两种探测方法,获得了梁山南缘断裂的位置、性质以及小于深度650 m的地层展布特征和断层构造图像。结果表明,该断层的断距由深到浅逐渐变小,约650 m深度的TQ(Q1底界)界面断距约370 m,深度约550 m的T9界面断距约280 m,深度约80m的T2界面断距约为50 m。由下至上错距在逐渐减小,显示出断层具有明显的生长属性。
浅层地震勘探和钻孔联合剖面确定的断层位置具有很好的一致性,且地震剖面的反射波组层位与钻孔地质层位的抬升和转折部位也具有较好的对应关系。通过跨断层联合地质剖面钻探,确定了梁山南缘断裂主断层在汉江大堤的地表投影位置。根据联合地质剖面分析,主断层在地下12~50 m和7~28 m处的断距分别为28.2和11 m,次级断层在地下56~70 m处的断距约为7~12 m。钻探获得的断层可识别的上断点埋深为5~13 m,至少属于晚更新世晚期活动断裂。
根据以上分析认为梁山南缘断裂为晚更新世晚期以来的活断层,并穿过汉江大堤进入汉中市区,对汉中市的城市建设可能构成一定的影响。
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