2.1 咸平路浅层地震勘探
渭河断裂咸阳段是穿越咸阳市城区的隐伏活动断裂,浅层地震勘探是城市活动断裂探测中解决隐伏断裂定位及切割地层层位的最主要方法之一(邓起东等,2003)。根据前期资料收集和周围地质地貌调查,笔者在咸阳市西面的咸平路沿南北方向布设了一条浅层地震测线(编号W2),测线南端起于西宝高速咸阳西出口北公路拐弯处,北端止于下底王村西(图2),全长5 600 m,跨越了渭河北岸I、II、III级阶地。根据城市地质结构特点和强干扰源的类型可有针对性地选择地震勘探方法、观测系统、震源类型等(王振东,1988),咸平路浅层地震测线使用道间距为4 m、炮间距20 m、180道零偏移距不对称接收、18次覆盖的观测系统,震源为震源车。
图2 咸平路附近渭河断裂勘探图
Fig.2 Exploration of the Weihe Fault near Xianping road
图3为咸平路测线地震反射叠加时间剖面,根据剖面显示的反射波组特征,推测T
Q反射界面可能是第四纪的底界。在测线桩号4 106左右,T
2~T
Q之间地层反射均出现较为明显的同相轴扭曲和反射波能量的变化,根据剖面特征推断这些变化可能是断层的反映,在剖面图中用F
7标出。断裂在剖面上显示为向南倾的正断层,可分辨的上断点埋深在45~48 m之间,断裂在T
2反射界面的垂直断距约为3~5 m。
为了验证W2浅层地震异常是否真实存在,笔者在咸平路W2浅层地震测线之上,自北向南又布设了一条浅层地震详勘测线W2X(图2)。测线北端起自于W2测线桩号的4 600,南端止于W2测线桩号的3 698,总长902 m。该测线使用道间距为2 m、跑间距10 m、180道20 m偏移距不对称接收、18次覆盖的观测系统,震源为震源车。
由图4反射波叠加时间剖面图可以看出,T2以下的地层反射均出现较为明显的同相轴扭曲和反射波能量的变化,F断裂异常上断点延伸到测线桩号492左右,对应于W2测线的4 108处。该断裂异常错断了剖面上T2以下的所有地层反射,其
图3 W2测线地震反射叠加时间剖面
Fig.3 Stacking time section of seismic reflection along W2 measuring line
图4 W2X测线地震反射叠加剖面图(道间距2 m)
Fig.4 Stackeing time section of seismic reflection in W2X measuring line(group interval is 2 m)
可分辨的上断点埋深同样在45~48 m之间,在该深度上地层的垂直错距为2~3 m。
从这两条同一位置的浅层地震测线解释来看,两条测线解释出的断层位于桩号4 106和4 108左右,均错断了T2以下的所有地层反射。异常点基本上处于地面上同一位置,且位于渭河II、III级阶地交汇部位。根据当地地层资料及浅层地震可分辨的上断点埋深,45~48 m深度为中更新统地层,如果渭河断裂在此处活动,则可以推断断裂中更新世有活动,断距在2~3 m之间。
2.2 程家村钻孔联合剖面
为进一步研究断裂活动状况,验证W2和W2X浅层地震断裂异常,并考虑到后期探槽开挖场址等问题,我们在距W2浅层地震测线向东约200 m的程家村进行了钻孔联合剖面勘探(图2)。剖面以浅层地震异常点沿地貌陡坎方向,布设了5个钻孔,自南向北钻孔编号分别为:WZ1-5、WZ1-3、WZ1-1、WZ1-2、WZ1-4,剖面线总长115.2 m。相邻钻孔间距分别为83.4 m、10.5 m、11.3 m、10 m,孔深均为80 m,剖面线横跨了渭河II级阶地后缘和III级阶地前缘。
钻孔联合剖面图显示(图5),钻探深度内地层可划分出4个明显的大层:
① 黄土Q3eolp:晚更新统风积层,黄褐色,埋深8.2~13.2 m,地层向南倾斜。
② 粉质粘土Q3alp:晚更新统河流冲积相细粒沉积层,局部夹砂层,颜色为黄褐至红褐色,剖面南部夹有灰色土层; 北侧地层较薄,南侧较厚,地层微向南倾; 北侧地层底界埋深21.0~24.0 m,层厚14.0~15.0 m,南侧地层底界埋深29.0~31.0 m,层厚约17.0~21.0 m。
③ 砂砾石层Q2alp:中更新统晚期河流冲积相粗粒沉积层,以中—细砂为主,局部夹有厚层圆砾,地层微向南倾,层底埋深43.0~47.0 m,地层厚度21.0~24.0 m。
④ 粉质粘土与中砂互层Q2al+lp:中更新统晚期河湖相沉积层,粉质粘土颜色为黄褐至红褐色,砂层为灰黄色,地层微向南倾,粉质粘土与中砂互层,分层厚度较大,钻探深度内未揭穿该层。
从整个钻孔联合剖面图可以看出,剖面中部存在明显的地层不连续现象。不连续部位位于WZ1-1、WZ1-2号钻孔之间,这个位置与浅层地震测线异常点位置相吻合。该异常上断点位于3 m附近的人工填土层中,向下延伸到WZ1-3号钻孔南侧。断层面南倾,致使南侧地层下沉,沉积厚度增大,北侧地层相对上升,沉积地层厚度相对减薄,说明了断裂存在,推测为渭河断裂咸阳段通过位置。根据断裂上断点位置所对应的地层,渭河断裂极有可能延伸到了全新统地层。
2.3 程家村探槽所揭示的断裂最新活动时代
经过浅层地震、钻孔联合剖面勘探,渭河断裂位置证据充分。且定位到了一个比较准确的位置,我们实施了探槽开挖。
探槽布设在程家村钻孔剖面西侧空地上(图2)、钻孔联合剖面WZ1-1~WZ1-4号钻孔之间,
南北走向,长20 m,上宽10 m,下宽5 m,深10 m,呈对称梯形。探槽所揭露的地层均为全新统和晚更新统地层,探槽(图6)可见明显的断层面。
2.3.1 地层分层
探槽揭露的地层从上而下依次为:
① 填土(Qmlh):以粘土为主,厚3.5~5.5 m,含砖石等碎块。
② 黑垆土(Qelh):棕褐色,较纯净,层厚0.6~1.0 m,埋深3.8~5.8 m,北高南低,有明显的挠曲现象,高差约1.0 m。在该地层底部取光释光(OSL)年龄样,测试结果为(3.7±0.4)ka,上部地层14C年龄样测试结果为2 255 BP。
③ 黄土(Q3elp):褐黄色,具针状孔隙,土质均匀,有柱状节理,层底埋深7.0~8.0 m,层厚2.5~3.0 m。在其顶部及中下部取光释光样,测试结果为(7.0±0.4)ka~(19.1±1.8)ka,推测该层的底界形成年龄在2万年左右。
④ 粉质粘土(Q3alp):黄褐色,含铁锰质斑点,下盘层底埋深在7.0 m左右,上盘在探槽加深至14.0 m深度内未揭穿,上盘取年龄样,光释光(OSL)测年结果为(23.7±2.5)~(25.3±2.2)ka。
⑤ 含砂粘土(Q3alp):黄褐色,含铁锰质,砂质含量较高,局部有小砾石夹层下盘,层底埋深9.0~10.0 m,在断裂附近有明显的拖曳牵引构造特征。
图5 程家村钻孔联合剖面图
Fig.5 Drilling composite section at Chengjia Village
图6 程家村探槽东壁素描图
Fig.6 Interpretation map of the east wall of the trench at Chengjia Village
断层下盘取年龄样,光释光(OSL)测年结果为(27.7±1.6)~(34.5±3.3)ka。
⑥ 含砾粘土(Q3alp):黄褐色,含铁锰质,夹砾石,仅在断层下盘出露; 上盘未揭露出。
⑦ 细砂层(Q3alp):灰黄色,以细砂为主,仅在断层下盘出露,年龄样测试结果为(40.3±4.1)ka。
⑧ 中砂层(Q3alp):以中砂为主,局部相变为砂砾石,颜色为灰黄色,仅在断层下盘出露,光释光(OSL)测年结果为(41±5)~(63±6)ka。
另外,在探槽北部3~6 m为一大的人工填土坑,填土深12 m未见底,从当地居民处了解得知该处为一古井,后废弃填埋。
2.3.2 剖面断裂分析
① 断裂走向72°,倾向S,倾角67°,由探槽素描图7可以看出,断裂错断了全新统-晚更新统地层。
② 层黑垆土在断层位置有明显的挠曲,并且在挠曲底部有断错现象,断错地层底界高差约15 cm。在黑垆土顶部取14C样,测年结果为2 255BP,在黑垆土底部取光释光(OSL)年龄样,测年结果为(3.7±0.41)ka,说明断裂在全新世晚期有活动,平均活动速率0.04 mm/a。
③ 层黄土层底界被明显错断,垂直错距1.2 m,且断裂下盘地层厚度较上盘厚度小,说明渭河断裂为同生断层; 根据③层黄土的形成时间2万年,计算得出晚更新世晚期以来断裂的平均活动速率为0.06 mm/a。
④ 层粉质粘土层底界在下盘埋深约8.0 m,上盘探槽底界14.0 m未揭露其底界,说明断距大于6.0 m; 且该层厚度差别很大,下盘厚度仅1.0 m,上盘厚度大于6.0 m,结合钻孔资料分析断距约6.4 m; 由该层的测年结果3万年,计算得出其平均活动速率为0.20 mm/a。
⑤ 主断层面配套有多组次级断裂,在层⑧中砂层中形成多个小断面,断面走向、倾向与主断面一致,带宽约9.0 m。
另外,在探槽剖面中发现了多条与断层配套的裂缝,裂缝宽约0.5~1.0 cm,内部主要由灰黄色土壤所充填,两侧地层无错断现象,应该为断裂活动而引起的张性裂缝。
由程家村探槽揭示的断层分析得出,渭河断裂错距在此处随着地层年龄的增大而增大,断层活动速率也在增大,总体介于0.04~0.2 mm/a之间。