珠江三角洲地區活動斷裂探查方法淺析

黃孝波，孫社良，屈尚俠

(1.廣東省地質調查院，廣東 廣州 510080；2.廣州市地質調查院， 廣東 廣州 510440)

珠江三角洲地區是廣東省經濟中心、科技中心，20世紀30年代開始，吳尚時等[1-8]提出珠江三角洲這一概念之后，經過幾十年的調查和研究，提出了斷塊三角洲的成因認識，近20年來大量的工程勘查和區域地質調查，陸續發現了多條活動斷裂，特別是佛山市西淋崗地區發現切割第四系斷裂剖面[6-7]之后，引起了國內外專家和省領導的重視。在該項目的基礎上，結合國內一些研究成果，對活動斷裂探查方法進行歸納，一方面是對項目工作方法的總結，另一方面是為今后的活動斷裂探查工作提供一些借鑒和參考。

1 活動斷裂的定義

活動斷裂又稱活斷層、活動斷層，是一種普遍存在于地球上的構造現象，構造學、地震學、地球動力學等專家對活動構造都有研究，但是因研究目的、研究區所處環境、研究者的認識等因素的差異，大家對多活動斷裂的定義各不相同，該文采用的定義是中國地震局在綜合國內外學者成果和建議的基礎上給出的定義：活動斷裂指晚第四紀10萬～12萬年以來有過活動記錄而且目前正在活動的斷裂、將來的某一時期內仍有可能發生活動的斷裂[9]。

2 活動斷裂探查方法

活動斷裂探查研究的主要任務是回答有沒有斷裂、活動斷裂的規模和空間展布特征、活動斷裂會不會引發地震，若會發生地震要怎么預防等問題。

活動斷裂探查方法主要有地面地質調查[10-12]、物探[11-14]、地球化學方法[11-13,16]、鉆探[11-13,17]、斷層物質測年[11-12,17-18]、歷史地震研究[11-12,19]等。下面簡述這些方法的運用和優缺點。

2.1 斷裂的地面調查法

斷裂的地面調查法是一種定性分析方法，斷裂調查主要是根據斷裂露頭巖性結構構造特征判斷斷裂的規模、性質、活動性。可以根據構造巖巖性判斷斷裂性質：如棱角狀構造角礫巖可能為張性正斷層產物，磨礫巖可能是壓扭性逆斷層產物，片理化構造巖可能是壓剪性斷裂產物，碎粉巖、斷層泥可能是逆斷層的產物；通過斷裂構造巖和影響帶的規模來判斷斷裂的規模；根據構造巖的膠結程度可以判斷斷裂的活動性，膠結差的構造角礫巖一般活動時間較晚，若野外看見松散狀碎粉巖、角礫等，可以判斷為活動斷裂，但是要根據其他證據綜合判斷。

例如：在廣州市花都區炭步鎮，白坭-沙灣斷裂露頭上，開挖出來的新鮮面見到松散的碎斑巖、碎粉巖、構造角礫等，用地質錘輕輕敲擊就跨落，且鉆探揭露深部構造巖的特征也是十分松散，說明該斷裂活動時間較新，可能是一個活斷裂。

若在野外能夠發現第四紀沉積物的錯斷，也能認為是活動斷裂的存在證據，比如在佛山市西淋崗，采用了探槽和剝土方法揭露了斷裂從基底花崗巖一直延伸到第四系，切割到花斑黏土層(晚更新世)；另外根據第四系厚度和全風化層厚度可以定性的輔助判斷活動斷裂的位置，主要原理是斷裂處破碎，易風化形成溝槽，導致相同時期沉積物比沒有斷裂破碎帶的地方更厚，有些開放性斷裂破碎帶導水能力強，抗風化能力比圍巖更弱，如花崗巖的斷裂破碎帶上往往形成較厚的全風化層。一般而言，第四系沉積厚度或全風化層厚度等值線圖中如有線狀分布的高值區可以初步認為是活動斷裂存在的證據。

斷裂的地面調查法是一種定性的分析方法，調查人員的素質、經驗和露頭的好壞直接影響對斷裂活動性判斷的準確與否，一般不可單獨使用，需配合其他方法共同驗證。

2.2 淺層地震

對于活動斷裂，特別是切割第四系的斷裂，在第四系覆蓋區淺層地震是一種比較理想的物探方法。珠江三角洲地區第四系厚度一般20～30m，厚者可達60m，而淺層地震的有效探測深度80～100m，與珠三角地區第四系厚度剛好匹配。

淺層地震勘探利用地層(巖體)地震波波速的差異來反映地層(巖體)的分布特征，如果地層(巖體)發生明顯錯斷，在地震剖面上可以見到明顯的同相軸不連續、錯位現象，可以較好地反映地質體的分布特征[11-14]。例如在中山靈山鎮上橫欄村附近施工的淺層地震，從淺層地震剖面圖上可以看到斷裂切割了第四系(圖1)，并且鉆探驗證了該斷裂的存在。

圖1 靈山鎮上橫欄村淺層地震剖面示斷裂切割第四系[20]

淺層地震是一種操作簡單，成本相對較低的物探手段，對切割第四系的斷裂反應較為靈敏，能夠直觀地反應第四系的分布特征。該方法也有其局限性，它可以有效識別淺部地質體的錯斷，包括正斷層和逆斷層，但是對于沒有明顯上下錯動的走滑斷裂，識別能力較差，另外，如果第四系太厚，對基巖斷裂的識別能力不強，探測深度有限。

2.3 地球化學探測法

地球化學方法主要是根據某些高揮發性的元素容易從地下遷移到地面形成一定規律的地球化學異常來判斷斷裂分布和活動性[11-12,15-17]，氡氣和汞氣能不斷地通過地質體中軟弱面從地殼深部往地表運動，導致在斷裂附近的土壤中氡氣、汞氣富集，活動斷裂由于活動時間新，斷裂物質膠結差，開啟性好，成為氡氣、汞氣運移的條件。工作中可以根據氡氣(汞氣)的異常曲線判斷斷裂的存在與否以及斷裂的一些特征，比如尖而窄的單峰曲線可以推斷出該斷裂為近直立埋深較淺的小型斷裂；圓而寬的單峰異常曲線顯示的是埋深較大、產狀較陡的大型斷裂或者斷裂埋深不大，覆蓋物空隙小，不利于斷層氣逸散的斷裂；雙峰異常曲線一般認為是中等規模的傾斜斷裂特征，主峰一般對應斷裂開口處，次級異常峰對應的是斷裂上盤；多峰異常曲線代表傾斜甚大斷裂特征，斷裂的上盤一般有次級裂隙發育[15-17,21-22]。廣東省地調院在南沙區布設的幾條跨斷裂的氡氣剖面在斷裂帶附近均有異常顯示(圖2)，反映斷裂具有一定的活動性。

圖2 廣州南沙區十九涌氡氣測量異常曲線[20]

地球化學探測法如氡氣(汞氣)測量操作簡單、成本低，受地形控制不明顯，可以進行大范圍長距離的測量，其缺點是受天氣、土壤含水量、采樣時間等影響，具有一定的不穩定性。

2.4 鉆探及聯孔剖面法

活動斷裂，特別是切割第四紀地層的斷裂，對區域穩定性評價至關重要，但是一般在野外露頭難以發現，需要借助物探和鉆探來控制。鉆探巖心上一般難以發現斷裂跡象，但是也有一些鉆孔可以看到，比如在佛山西淋村鉆探中發現了斷裂切割到花斑黏土層，且斷面高角度，擦痕明顯。一些鉆孔巖心完整，但某些標志層的埋深與相鄰鉆孔相同標志層的埋深有明顯的差異，可以通過一定范圍內的鉆孔進行聯孔剖面繪制，結合綜合物探成果推斷第四紀地層斷裂的存在。如在廣州番禺區三號綜合剖面可以看出(圖3)，Ns56,Ns57,Zs53聯孔剖面顯示，區域上F139和F224斷裂形成的地塹切割了花斑黏土，斷裂活動時間為晚更新世，為活動斷裂。鉆探聯孔剖面是一種定性分析手段，需要配合其他手段共同使用才能準確地判斷活動斷裂的特征。

S1γη—志留紀二長花崗巖；E1x—古近系莘莊村組；E1-2b—古近系心組；Qel—第四系殘積層；Qpsp—晚更新統石排組；Qpxn—晚更新統西南鎮組；Qpsj—晚更新統三角組；Qhhl—全新統橫欄組；Qhw—全新統萬頃沙組；Qhdl—全新統燈籠沙組；Qs—人工填土圖3 廣州番禺三號聯孔剖面示斷裂切割晚更新世地層[20]

鉆探及聯孔剖面法是判斷第四系斷裂活動的直接證據，非常直觀，說服力強。其缺點是鉆探施工的成本較高，帶來一定的環境問題，還要結合物探資料，也可能或漏判一些錯段距離不大的斷裂。

2.5 斷裂物質測年法

斷裂物質測年是一種定量分析手段。目前主要使用測年方法有鋯石U-Pb法、K/Ar法、40Ar-39Ar法、熱釋光法(TL)、光釋光法(OSL)、AMSC-14法、電子自旋共振法(ESR)以及宇宙成因核素測年等[11-12,17-18,23]。鋯石U-Pb法判斷斷裂活動年齡的工作原理是根據斷裂切割巖體的鋯石U-Pb年齡，推測斷裂最老的活動年齡，這一方法往往導致斷裂活動年齡偏老；K/Ar法或40Ar-39Ar法是利用斷裂帶中自生云母進行測年，確定斷裂活動時間(自生云母形成時間)；熱釋光法(TL)是利用斷裂帶內構造巖進行熱釋光試驗，確定斷裂形成時代，其原理是利用斷裂物質中的石英顆粒被加熱時發光的現象來估算斷裂物質的形成年齡；光釋光法測年是根據沉積物接受光照(沉積)之后，經過實驗室光學儀器光學激發而釋放光，通過測量釋放光(能量)的總量就能判斷斷裂活動的年齡；電子自旋共振(ESR)測年是根據測年物質的ESR信號強度和樣品的年平均計量就可以算出斷裂ESR年齡；宇宙成因核素測年是根據地質體暴露地表后接受到的宇宙核素輻射而產生的核素，通過實驗室測定巖石中宇宙核素成因濃度計算巖石的暴露年齡[23]。

珠江三角洲活動斷裂探查中主要采用了構造巖熱釋光測年法、第四紀細粒沉積物光釋光測年法、第四系有機質AMSC-14測年，以及電子自旋共振測年(ESR)、鋯石U-Pb測年法和40Ar-39Ar測年等方法，取得較好的效果。

斷裂物質測年能夠較為直觀地反映斷裂活動的時間，特別是熱釋光測年和電子自旋共振測年能夠反映最近一次構造活動的時間，判斷是否為活動斷裂直接證據。其缺點是測試費用高，周期長，如宇宙成因核素測年，國內能夠完成該項測試的機構很少，樣品需要寄送到國外進行測試。

2.6 歷史地震法

地震是斷裂活動最明顯、最直接的證據，有地震記錄就有活動斷裂，地震往往是發生在幾條斷裂交會的地方[9,11-12]。如2019年4月21日，河源2.9級地震，發生在河源斷裂上；2019年4月24日，增城2.7級地震發生在瘦狗嶺斷裂東端。通過統計歷史地震，可以明顯地看出，珠江三角洲地區的歷史地震主要發生在主干斷裂的交會點(圖4)，因此可以推斷，這些發生過歷史地震的斷裂都是活動斷裂。

圖4 珠江三角洲歷史地震分布圖(據文獻[9]改編)

2.7 其他方法

除上述6種常用的方法之外，還有一些方法可以用來輔助判斷斷裂是否為活動斷裂。

此外，還有學者通過斷層泥中礦物顆粒表面形貌判斷斷裂活動時間早晚以及斷裂的活動方式，斷層泥中的礦物顆粒在斷裂活動過程中會不斷被擠壓、碰撞刻畫形成不同形態的刻蝕形貌，在斷裂形成之后，倘若斷裂出露地表或有地下水滲流經過，之前形成的刻蝕形貌就會被水流溶蝕，不斷弱化、消減這些刻蝕形貌，實驗室可以通過分析這些顆粒的刻蝕形貌、溶蝕形貌進行定性分析，輔助判斷斷裂的活動性，一般而言，斷層泥中礦物顆粒以擠壓碰撞刻蝕為主的斷裂帶一般時代較新，可能是活動斷裂[24-25]。

地熱水(溫泉)也是活動斷裂的一個表現，如五桂山南斷裂由東往西，依次出現中山溫泉、泉眼溫泉、斗門御溫泉、都斛溫泉等，是由NE向五桂山南斷裂和NW向次級斷裂活動引起的地熱異常。

3 存在的問題和建議

(1)通過地面調查、物探、化探、鉆探、測年、歷史地震研究等手段，主要解決的問題是斷裂的規模、空間展布形態和過去一段地質歷史時期內斷裂的活動情況，但是對于斷裂將來一段時期內是否重新活動沒有判斷依據。

(2)目前沒有一個成熟斷裂帶建筑避讓方法可以推廣運用。珠江三角洲地區斷裂密布，建成區也有不少斷裂，如廣從斷裂、獅子洋斷裂、瘦狗嶺斷裂、白坭-沙灣斷裂、西江斷裂、五桂山南斷裂、五桂山北斷裂等，這些斷裂兩側在城市建設規劃時如何進行規避斷裂活動帶來的破壞和對建筑進行合理的地震設防。

(3)目前活動斷裂的監測預警方法較落后，一定條件下可靠性不強。目前主要是運用斷裂帶及周邊長期的應力應變監測、斷裂帶兩側長期的GPS位移形變觀測、斷層帶上斷層氣(氡氣、汞氣、甲烷、二氧化碳、氦氣)監測、地震波(地震臺網)監測等，一定的條件下，這些手段的有效性和準確性受眾多因素干擾，可靠性不高。

建議加強活動斷裂探查的方法手段研究，創新探查方法，運用新的理論和大數據對活動斷裂區城市建設進行科學規劃、避讓，建立有效的監測預警系統，保障城市長久穩定發展。

致謝：感謝項目組林小明博士、李出安主任、李宏衛博士、張獻河副主任、易隆科工程師等同志的指導和幫助，感謝審稿專家提出的寶貴修改意見和建議！