延懷盆地黃土窯-土木斷裂土木鎮隱伏段活動特征及物探鉆探證據

邢曉琴，楊肖肖，豐成君，戚幫申，孟 靜，譚成軒，王繼明，鄧亞虹，宋焱勛，慕煥東

（1.長安大學地質工程與測繪學院，西安 710054；2.中國地質科學院 地質力學研究所，北京 100081；3.自然資源部 活動構造與地質安全重點實驗室，北京 100081；4.西安理工大學，西安 710048；5.中國聯合工程有限公司，杭州 310051）

隱伏活動斷裂會導致許多地震地質災害的發生，而這些震害通常呈帶狀分布于斷裂周圍（徐錫偉等，2002），威脅建筑工程及人民財產安全，因此，對關鍵構造部位活動斷層的研究具有重要的實際意義。

黃土窯-土木斷裂是延懷盆地一條重要的NW向隱伏活動斷裂，自西北向東南，起于黃土窯村南，止于土木鎮—狼山鄉一帶，長約21 km，該斷裂大部分地段隱伏在第四紀松散沉積物中，僅在西段黃土窯村附近發現中晚更新世活動跡象（徐錫偉等，2015；方仲景等，1989），其東段土木鎮段的第四紀活動性至今缺少直接證據，而其恰恰是京張高鐵、官廳大橋工程所在地段。因此，研究黃土窯-土木斷裂帶土木鎮隱伏段的平面展布、活動方式、活動性及深部結構等對京張地區重大工程規劃建設有著重要實際意義。

本文結合物探、鉆探探測結果，研究分析黃土窯-土木斷裂土木鎮段的活動特征，為京張地區重大工程規劃、建設和運營提供地質安全保障。

1 區域地質背景

延懷盆地位于蒙古地塊到華北地塊的過渡地帶，并處于北東向的山西斷陷活動構造帶和北西向張家口-渤海活動構造帶的交匯位置，該關鍵構造部位的地質構造復雜，具有長期、復雜的演化過程。中生代燕山期，該區域發育了北東-北北東向斷裂構造體系（Davis et al.，2001；Niu et al.，2004；張岳橋等，2007；張宏仁等，2013；王永超等，2016），新生代以來該斷裂體系發生構造反轉，由晚中生代逆斷活動轉變為正斷活動（徐杰等，2000；李三忠等，2010；曹現志等，2013），并在晚新生代發育北西-北西西向斷裂構造體系（索艷慧等，2013）。這個過程表明了華北地區由中生代區域性擠壓轉變為新近紀以來印度板塊與歐亞板塊碰撞及太平洋俯沖帶躍遷式東撤這一過程（董樹文等，2008；李三忠等，2011；趙越等，2017）。

基于以上構造背景，延懷盆地的形成演化主要受北東-北東東向活動斷層控制。作為延懷盆地的邊界斷裂，北東-北東東向的懷涿盆地北緣斷裂和延礬盆地北緣斷裂（圖1）（戚幫申等，2019），在上新世開始正斷活動，控制沉積了棕紅色泥巖、礫巖為主的上新統石匣組（N2s），并且至今活動性較強，均為全新世活動斷裂（謝富仁等，2007；冉勇康等，1998；冉勇康等，1992）。根據前人開挖的古地震探槽以及開展的地球物理與鉆孔綜合探測研究成果，晚更新世以來，懷涿盆地北緣斷裂的垂直滑動速率為0.22～0.55 mm·a-1、延礬盆地北緣斷裂垂直滑動速率為0.10～0.58 mm·a-1（方仲景等，1993；冉勇康等，1998；程紹平等，1995；程紹平等，1994）。NWW向的新保安-沙城斷裂現今仍可見地表斷層陡坎，存在發生過地表破裂型地震跡象。黃土窯-土木斷裂斷層地貌不明顯，隱伏于由黃土和次生黃土夾砂礫層的上更新統馬蘭組（Qp3m）之中，斷裂西段的探槽剖面仍揭示其有晚更新世活動跡象。延懷盆地整體上斷裂活動強烈，中強震較為集中（徐錫偉等，1988；Xu et al.，1992；Pavlides et al.，1999）（圖1-b），物探結果顯示盆嶺交界處中下地殼物性差異明顯，說明該地區有一定的孕震環境（劉文玉等，2017）。

圖1 研究區活動構造簡圖Fig.1 Generalized map of active structure of study area

2 地球物理與鉆孔綜合探測方法

地球物理探測是隱伏活動斷裂活動特征研究的主要方法手段（鄧起東等，2003；楊歧焱等，2016；戚幫申等，2020），本文采用可控源音頻大地電磁測深法（CSAMT）與淺層人工地震勘探2種物探方法，其中，CSAMT主要為了查明斷裂的空間展布位置、深部形態結構及上下盤基巖埋深情況，淺層人工地震勘探則可揭示斷裂的淺部精細結構、上斷點深度及其活動性特征。地層物性差異是地球物理方法開展的前提，不同時代的地層之間以及斷裂帶與周圍地層之間，往往存在的電阻率、密度和波速的差異。收集北京及鄰區不同地層的密度、電性及波速等物性參數（表1），不同地層之間的物性存在明顯差異，符合地球物理勘探的布設條件（雷曉東等，2014）。

表1 北京地區地層物性參數統計表Tab.1 Statistical Table of Stratum Physical Parameters in Beijing

研究區內活動斷裂均為隱伏斷裂，地表無斷層出露，但斷層活動會導致錯斷巖層的電阻率發生變化，或為低阻帶，或為斷層兩側電阻率相差較大，或為電阻率等值線的扭曲，因此可在CSAMT反演電阻率等值線圖上明顯顯示出來。地震反射界面是地層波阻抗有差別的物理界面，其橫向變化是揭示斷裂的主要依據，具體可表現為反射波同相軸錯斷、分叉、合并、扭曲和強相位轉換等現象，亦表現為反射同相軸突然增減或消失、波組間隔的突然變化、產狀突變、反射零亂或出現空白帶。

為了揭示斷裂的平面展布位置、上斷點埋深，本次共布置GT1-5與SY兩條近于平行的NNE向的CSAMT測線，其中，GT1-5測線位于土木鎮至南甘莊附近，SHY測線布設在石虎窯村至五營梁村之間（圖2）。淺層人工地震勘探DZ02測線于土木鎮至南甘莊之間，測線走向NNE，與CSAMT測線GT1-5重合，測線長度為2.1 km（圖2）。CSMAT與淺層人工地震勘探使用儀器及參數設置如表2所示。在地面調查與地球物理勘探結果基礎上，在有明顯位錯的活動斷層上下盤布置鉆孔，直接驗證地球物理探測結果，并揭示地層特征、斷層的位置（楊曉平等，2007；雷啟云等，2008；王銀等，2015）。本文在地球物理探測成果基礎上共布置3個鉆孔（圖2），分別為ZK01、ZK02及ZK08。

表2 CSMAT、淺層人工地震勘探使用儀器及參數設置Tab.2 Instruments and parameter settings for csmat and shallow artificial seismic exploration

圖2 黃土窯-土木斷裂物探及鉆探測線分布圖Fig.2 Map of the Huangtuyao-Tumu active fault,geophysical survey line and borehole distribution

3 探測結果

3.1 CSAMT探測

CSMAT探測結果見圖3。

GT1-5測線二維反演電阻率等值線斷面，縱向上淺部電阻率值相對較低，且多表現為較雜亂的低阻和高阻異常圈閉，底界面埋深100～300 m，界面之下表現為顯著的高阻，結合地層物性與鉆孔資料，推斷淺部為新生

界松散堆積物的反映，其底界為基巖頂板界面顯示，基巖為新太古代桑干群片麻巖和混合花崗巖（圖3-a）。橫向上，反演電阻率等值線形態整體變化不均勻，138號點處反演電阻率曲線出現陡降，推測黃土窯-土木斷裂次級斷層（F4-3）顯示；154號點處亦出現反演電阻率曲線出現陡降現象，推測為次級斷層（F4-2）顯示；216號點反演電阻率曲線出現陡降現象，推測為次級斷層（F4-1）顯示。

SHY測線二維反演電阻率等值線斷面和GT1-5特征類似，在縱向上淺部反演電阻率值較小，且淺部可觀察到多個較為雜亂的低阻、高阻異常圈閉，底界埋深200～400 m，界面之下表現為顯著的高阻，結合地層物性與鉆孔資料，推斷淺部為新生界松散堆積物不均勻分布而引起的電性特征顯示，其底界為基巖的頂板界面，基巖為新太古代桑干群片麻巖和混合花崗巖（圖3-b）；橫向上反演電阻率曲線變化不均勻，141號點位處反演電阻率曲線緩慢下降并逐漸密集，推斷為黃土窯-土木斷裂次級斷層（F4-1）顯示，傾向南西；183號點位處反演電阻率曲線也具有相似的變化特征，為斷裂顯示，但傾向與黃土窯-土木斷裂相反，傾向北東，推測為次級斷層（F4-2）；216號點位處有條狀低阻異常帶顯示，該異常帶兩側反演電阻率值較高，與斷面左側的兩處異常相比具有不同的電線特征，亦為斷裂顯示，推測為次級斷層（F4-3）顯示。

圖3 GT1-5測線(a)和SHY測線（b)CSAMT反演電阻率等值線圖Fig.3 Contour map showing CSAMT inversion resistivity along the survey line GT1-5（a）and SHY（b）

3.2 淺層人工地震探測結果

淺層人工地震探測結果見圖4。

根據剖面反射同相軸的振幅、頻率特征分析，DZ02測線淺層人工地震勘探剖面識別出強能量的同相軸（T1），特征明顯、信噪比較高、連續性較好、中—強振幅反射（圖4），T1雙程走時0.06～0.27 s，其埋深為50～250 m，層面整體向南西傾斜，局部可見較小起伏，結合地層物性與鉆孔資料，推測該界面為基巖（太古代桑干群片麻巖和混合花崗巖）頂板界面。地震勘探剖面顯示距離約326.2 m處T1同相軸存在明顯錯動跡象，推測為黃土窯-土木斷裂次級斷層（F4-3）顯示，上斷點埋深較淺，近地表約87 m，基巖頂界面錯距約96 m；距離628.6 m處T1同相軸存在明顯錯動跡象，推測為次級斷層（F4-2）顯示，上斷點埋深約87 m，基巖頂界面錯距約75 m；距離1 363.6 m處T1同相軸存在明顯錯動跡象，推測為次級斷層（F4-1）顯示，上斷點近地表約71 m，基巖頂界面錯距約65 m（圖4）。

圖4 DZ02測線淺層地震勘探剖面及鉆孔分布Fig.4 The section of seismic reflections and borehole distribution along the survey line DZ02

3.3 鉆孔聯合剖面

為了進一步驗證綜合地球物理探測結果，并分析斷裂第四紀活動性，在懷來縣土木鎮按照NE方向共布置3個鉆孔（圖2），鉆孔聯合剖面見圖5。其中，ZK-01鉆孔巖心巖性主要以上更新統馬蘭組礫石、砂礫石、砂層為主的松散坡洪積相堆積物為主。鉆孔巖心0～0.7 m為灰褐色粉砂質黏土；0.7～13.8 m為砂礫層，顏色較雜，礫石含量大于60%，礫徑主要以2 mm為主，多呈棱角狀，分選差，礫石成分以花崗巖、流紋巖、安山巖、白云巖為主，砂質成分以巖屑、長石石英為主；13.8～20.7 m為黏土質粉細砂，顏色以磚紅色、黃褐色為主，粉細砂含量大于60%，成分以長石與石英為主；20.7～48.0 m為強風化新太古代桑干群（Ar3s）斜長角閃片麻巖（圖5）。

ZK-02鉆孔巖心仍以上更新統馬蘭組礫石、砂礫石為主，其中，0～2.3 m為黏土質粉細砂，顏色以褐色為主；2.3～34.5 m為砂礫層，顏色較雜，礫石含量大，礫石成分以花崗巖、白云巖、流紋巖、安山巖為主，磨圓較好，呈次圓—次棱角狀，分選性差，為沖洪積相堆積物；34.5～83.84 m主要為灰紫色含礫中粗砂與雜色砂礫石層，礫石磨圓好，多呈次圓狀，礫石成分仍以花崗巖、白云巖、流紋巖、安山巖為主，為沖積相堆積物；83.84～100.56 m為以花崗巖、灰巖、白云巖等為主的礫石、砂礫石層，磨圓度較好，呈次圓狀，為沖積相堆積物；100.56～137.2 m為土黃色含礫中粗砂，砂質成分以巖屑、石英長石為主，礫石成分以花崗巖、白云巖、流紋巖、安山巖為主，多呈次圓狀，亦為沖積相堆積物；137.2～147.6 m為砂礫層，礫石成分以花崗巖、流紋巖、白云巖為主，呈次棱角狀，分選性差，為沖洪積相堆積物；147.6～162.41 m為強風化新太古代桑干群（Ar3s）斜長角閃片麻巖（圖5）。

ZK-08巖心主要由下更新統、中更新統與上更新統組成，其中，鉆孔巖心0～134.09 m為上更新統馬蘭組，主要巖性為土黃色黏土質粉細砂、土黃色—雜色砂礫石層夾礫石層，礫石成分以花崗巖、白云巖、流紋巖、安山巖為主，次圓狀—次棱角狀，分選性一般，充填物以中粗砂為主，為沖洪積相堆積物；134.09～157.0 m為中更新統赤城組，巖性主要以土黃色黏土質中細砂、含礫中粗砂為主，砂質成分以巖屑、石英、長石為主，礫石成分以花崗巖、白云巖為主，次圓—次棱角狀，為沖積相堆積物；192.84～239.4 m為下更新統泥河灣組，巖性為土黃色含礫石中粗砂、砂礫石層，砂成分以石英、長石為主，偶可見鈣質結核；239.4～246.0 m為強風化新太古代桑干群（Ar3s）斜長角閃片麻巖（圖5）。

鉆孔聯合剖面揭示上更新統馬蘭組主要以土黃色礫石、砂礫石、砂層為主，偶夾砂質黏土、黏土質砂，與官廳水庫西側桑園鎮鉆孔巖心（戚幫申等，2019）及區域地層對比研究（河北省地質礦產局，1996）揭示的上更新統馬蘭組（Qp3m）的巖性組合特征基本一致，且馬蘭組底界的深部具有明顯的錯動，黃土窯-土木斷裂存在晚更新世活動跡象（圖5）。

圖5 黃土窯-土木斷裂地震與鉆孔聯合剖面Fig.5 Composite drilling geological section of cutting across the Huangtuyao-Tumu Fault

4 討論

4.1 黃土窯-土木斷裂的第四紀活動特征

北西向的黃土窯-土木斷裂位于延礬盆地與懷涿盆地交接地帶，與北東向的懷涿盆地北緣斷裂與延礬盆地北緣斷裂交匯，相較于北西向斷裂，北東向斷裂延伸長度長、規模大、活動性強。其西起黃土窯村南，向南東延伸至懷來縣北、土木鎮，止于官廳水庫狼山鄉附近，長約21 km，西段黃土窯村附近發現地表破裂面跡象，在11 m長度剖面內發現10余條次級斷層，整體走向N45°W，傾角60°至近于直立，傾向多變，傾向南西或南東，主斷層寬度2～4 m。但是，黃土窯-土木斷裂東段的第四紀活動特征一直缺乏證據。

本研究主要關注懷來縣土木鎮一帶黃土窯-土木斷裂隱伏段的活動特征，其中CSAMT反演電阻率剖面顯示該斷裂帶共由3條次級斷層組成，整體走向N75°W，各次級斷層的產狀變化較大（圖3）。其中，G1-5測線剖面顯示次級斷層F4-1視傾向南南西，視傾角約70°；斷層F4-2視傾向北北東，視傾角約70°；斷層F4-3視傾向南南西，視傾角約65°（圖3-a）。SHY測線CSAMT反演電阻率剖面顯示級斷層F4-1視傾向南南西，視傾角約65°；斷層F4-2視傾向北北東，視傾角約70°；斷層F4-3視傾向南南西，視傾角約85°（圖3-c）。

淺層人工地震勘探剖面顯示黃土窯-土木斷裂上斷點埋深近地表（圖4），該斷裂兩盤均為上更新統馬蘭組砂礫石層（圖5），為晚更新世活動斷裂。斷層F4-1視傾向南南西，視傾角為60～70°，上陡下緩，基巖頂界面錯距約65 m（圖4）；斷層F4-2視傾向北北東，視傾角約75°，基巖頂界面錯距約75 m（圖4）；斷層F4-3視傾向南南西，視傾角約70°，基巖頂界面錯距約96 m（圖4）。

4.2 黃土窯-土木斷裂的深部結構及運動特征

CSAMT與淺層人工地震勘探結果均顯示黃土窯-土木斷裂由3條正斷層組成，3條次級斷層構成了似地塹式構造，晚更新世地層平緩，組合形態上不對稱，形成不對稱傾斜斷塊（圖3、圖4）。大量的斷裂滑動觀測數據反演結果顯示，延懷盆地現代構造應力場的主要特征為北東東-南西西向擠壓、北北西-南南東向拉張，走滑型應力狀態，最大主壓應力方向為N74°E～N88°E，平均傾角18°。在此構造應力場環境中，推測北西西向的黃土窯-土木斷裂主要以正斷活動為主，并可能存在左旋走滑成分，但其活動方式仍需要更多地質資料進行驗證。

4.3 隱伏活動斷裂物探方法對比

綜合地球物理探測對隱伏活動斷裂的研究具有重要意義，尤其對于研究資料較少，研究基礎薄弱的區域。CSAMT抗干擾能力強，探測深度大，受地形影響較小，可通過調節頻率大小來達到探測不同深度的目的，分辨率相對較高（董澤義等，2010），對斷裂分布的位置和基巖頂板界面的揭示效果顯著。淺層人工地震勘探精度高，容易進行斷層定位與判斷，對淺層地層揭露詳細，但其受地形及外界干擾影響大，探測深度有限，成本較高（杜良等，2012；藍星等，2012）。

本次研究中，CSAMT揭示了黃土窯-土木斷裂土木鎮隱伏段斷裂的幾何特征及活動特征，為淺層人工地震進一步精細探測奠定基礎；淺層人工地震勘探揭示了斷層的位置、地層結構和錯動特征，并且其探測結果與鉆孔巖心揭示的結果具有較好的一致性。因此，盡管各個地球物理探測方法存在各自的局限性，但通過綜合探測可進行優勢互補，從而增加對隱伏活動斷裂活動特征研究的準確性。

5 結論

1）物探及鉆探結果顯示黃土窯-土木斷裂是由3條次級正斷層組成的斷裂帶，整體走向N75°W，其中，次級斷層F4-1傾向南南西，傾角60～70°；次級斷層F4-2傾向北北東，傾角約75°；次級斷層F4-3傾向南南西，傾角約70°；各次級斷層的上斷點埋深分別約為65 m、87 m、87 m，明顯錯動晚更新統，該斷裂存在晚更新世活動跡象。

2）綜合地球物理探測在隱伏斷裂的研究方面有著重要意義，不同方法雖各自有一定局限性，但可優勢互補，增加研究結果的準確性。