渭河盆地北緣斷裂東段將軍山—白水?dāng)嗔鸦顒?dòng)性研究

姚晨輝, 李鈺強(qiáng)

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西 西安 710065)

0 引言

渭河盆地發(fā)育于鄂爾多斯塊體南緣和秦嶺構(gòu)造帶北側(cè)之間,自始新世以來在區(qū)域構(gòu)造水平伸展作用和深部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的垂直力聯(lián)合作用下逐漸形成正斷層活動(dòng)的斷陷格局[1-3]。研究發(fā)現(xiàn),渭河斷陷盆地由多個(gè)不對稱發(fā)育的復(fù)式地塹(凹陷)和掀斜斷塊(凸起)構(gòu)成[4-5]。胡亞軒等[6]根據(jù)區(qū)域內(nèi)1980—2014年水準(zhǔn)資料研究發(fā)現(xiàn),渭河盆地水平運(yùn)動(dòng)速度為4.3～11.6 mm/a,方向從西部的SE、SEE向東逐步轉(zhuǎn)為SE、近E向,分別在107.8°E和110.5°E左右出現(xiàn)方向偏轉(zhuǎn);垂向以繼承性運(yùn)動(dòng)為主,速率-4.6～6.2 mm/a;鄂爾多斯地塊以3 mm/a抬升,渭河盆地相對其以5 mm/a下沉,斷塊/斷裂交接處差異運(yùn)動(dòng)大、地震多發(fā),西、南部斷裂活動(dòng)大于東、北部。

渭河盆地北緣斷裂,又稱北山山前斷裂,其主體分布于渭河盆地北緣的北山南緣,西起岐山,經(jīng)乾縣、禮泉、涇陽、耀縣、富平、蒲城,東抵合陽,全長約180 km,走向NE-NEE,傾向SE,傾角50°～80°,正斷性質(zhì),總體呈隱伏狀,局部有出露現(xiàn)象[7]。該斷裂在遙感影像圖上構(gòu)造地貌明顯,以口鎮(zhèn)—關(guān)山斷裂為界可分為西段和東段兩部分,其中西段由岐山—店頭斷裂(F6-1)、龍巖寺—乾縣斷裂(F6-2)、楊莊鎮(zhèn)—口鎮(zhèn)斷裂(F6-3)三條斜列的NE向邊界斷裂組成,整體性較好;東段由新興—馬額斷裂(F6-4)、將軍山—白水?dāng)嗔?F6-5)等斷裂組成,空間分布較分散[7]。前人研究認(rèn)為渭河盆地北緣斷裂除北東段的韓城—合陽斷裂為全新世活斷裂以外,其他分段的最新活動(dòng)時(shí)代為晚更新世(圖1)[8-10]。

圖1 渭河盆地活動(dòng)斷裂分布圖Fig.1 Distribution of active faults in the Weihe Basin

田勤儉等[11]對渭河盆地南緣和北緣幾條斷裂第四紀(jì)活動(dòng)性的遷移變化進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在大約80～90萬年前,渭河盆地南緣的臨潼-長安斷裂帶的活動(dòng)性發(fā)生了顯著變化,驪山山前斷裂也有活動(dòng)性遷移現(xiàn)象,渭南塬前斷裂開始強(qiáng)烈活動(dòng),渭南塬全面抬升;約12萬年前,渭河盆地北緣的口鎮(zhèn)-關(guān)山斷裂活動(dòng)性明顯減弱。

本文的研究對象將軍山—白水?dāng)嗔?F6-5)是北山山前斷裂東段的一分支,位于將軍山、東太白山山前,向北東延伸至白水縣境內(nèi)。某擬建抽水蓄能電站場地距離該斷裂最近距離約500 m,斷裂的活動(dòng)性直接影響到電站的規(guī)劃選址。文獻(xiàn)[12]認(rèn)為“該斷裂為一明顯地貌分界線,基巖斷層三角面發(fā)育,近場區(qū)該斷裂控制著將軍山南緣等北山山地,山前洪積扇發(fā)育,表明該地區(qū)全新世仍有垂直差異運(yùn)動(dòng)”。

目前對渭河盆地北緣斷裂帶西段研究較為扎實(shí),取得的資料較多,而對東段斷裂活動(dòng)性的研究相對較少,以遙感解譯為主,且多為定性判斷(圖2)。因此,本文通過地質(zhì)地貌調(diào)查、音頻大地電磁法勘探、淺層地震反射勘探[13]、跨斷層鉆孔聯(lián)合剖面探測等工作,結(jié)合第四紀(jì)沉積物的年代測試等,對渭河盆地北緣斷裂東段的將軍山—白水?dāng)嗔言跀M建工程區(qū)影響范圍內(nèi)的展布與活動(dòng)特征進(jìn)行研究,以期為該斷裂未來的地震活動(dòng)性預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

圖2 研究區(qū)地震構(gòu)造圖Fig.2 Seismic structure diagram of the study area

1 地質(zhì)地貌特征

研究區(qū)以北山山前斷裂為界形成南北鮮明的地貌差異特征:斷裂北側(cè)為基巖山地,海拔1 000～1 200 m;南側(cè)為厚約數(shù)十米至二百多米的黃土覆蓋塬、梁地貌,海拔500～700 m。整體地勢北高南低,山前洪積扇地形平緩過渡到平坦地貌,未發(fā)現(xiàn)斷層錯(cuò)段形成的錯(cuò)臺(tái)、反坎等地貌特征(圖3)。

圖3 研究區(qū)地形地貌特征(鏡像N)Fig.3 Topographic features of the study area

通過對研究區(qū)附近地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn),在山前地形驟變帶,晚更新世黃土與奧陶系基巖地層分界部位未見斷裂接觸現(xiàn)象(圖4)。

圖4 奧陶系基巖與上覆晚更新世黃土(鏡像NW)Fig.4 Ordovician bedrock and overlying Late Pleistocene loess

研究區(qū)東側(cè)約12 km處發(fā)育有大規(guī)模河道下切形成的沖溝,下切深度約44 m,下切剖面揭露黃土地層,未見底,穿越北山山前斷裂,下切深度均勻,說明該斷裂在黃土地層形成后未發(fā)生錯(cuò)斷(圖5)。研究區(qū)西側(cè)的河流兩岸出露第四紀(jì)地層,其中發(fā)育有2層古土壤層(圖6)。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,晚更新世發(fā)育的古土壤層主要為褐紅色,中更新世則主要為棕紅色。調(diào)查分析認(rèn)為上層古土壤為晚更新世的底界,下部古土壤為中更新世內(nèi)的古土壤層，沿河流連續(xù)追索了這兩套古土壤層,在山根部位發(fā)現(xiàn)雖然古土壤層存在很大的傾角,但是連續(xù)分布,沒有被錯(cuò)斷的現(xiàn)象。

圖5 研究區(qū)東側(cè)溝谷地貌(鏡像NW)Fig.5 Gully landform on the east side of the study area

圖6 研究區(qū)西側(cè)上覆第四紀(jì)地層與古土壤(鏡像NW)Fig.6 Overlying Quaternary strata and paleosol on the west side of the study area

綜合上述地貌地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果,初步分析認(rèn)為將軍山—白水?dāng)嗔?F6-5)在研究區(qū)呈隱伏狀,未發(fā)現(xiàn)有全新世活動(dòng)跡象。因此,需借助音頻大地電磁法勘探、淺層地震反射勘探、跨斷層鉆孔聯(lián)合剖面探測,并結(jié)合第四紀(jì)沉積物的年代測試等方法,對該斷裂的出露位置及活動(dòng)性進(jìn)行進(jìn)一步研究。

2 斷裂幾何展布特征探測

2.1 音頻大地電磁法勘探

音頻大地電磁測深法是通過分析地面觀測到的由人工控制的電磁波信號在介質(zhì)中激發(fā)的電磁波數(shù)據(jù),來達(dá)到勘探地球內(nèi)部導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)的目的。由于斷裂破碎帶和巖石表現(xiàn)出明顯的電阻率各向異性,因此可以通過研究斷裂帶附近的電阻率各向異性,達(dá)到探測斷裂的目的[14]。該方法具有工作效率高、抗干擾能力強(qiáng)、勘探深度大、分辨率高等優(yōu)點(diǎn),已在隱伏斷裂活動(dòng)性探測應(yīng)用中取得了較好的效果[15-17]。

研究區(qū)基巖為奧陶系灰?guī)r,電阻率值較高,但當(dāng)巖體破碎，巖溶或裂隙充水、發(fā)育有斷裂破碎帶時(shí),其視電阻率會(huì)明顯降低,視電阻率等值線斷面圖會(huì)出現(xiàn)明顯的異常。根據(jù)研究區(qū)地形地貌、地面建筑物、障礙物分布情況,經(jīng)現(xiàn)場踏勘布置3條音頻大地電磁法測線L1、L2、L3。測線按照垂直斷層線走向布置,每條測線2 000 m,共6 000 m,點(diǎn)距30 m,設(shè)計(jì)物理點(diǎn)約204個(gè)(圖7)。

圖7 物探測線布置圖Fig.7 Layout of geophysical prospecting lines

以L1測線研究成果為代表進(jìn)行分析,從二維反演視電阻率斷面圖(圖8)可以明顯看出,斷面出現(xiàn)較大規(guī)模的低電阻率層,且視電阻率等值線在水平方向均出現(xiàn)不連續(xù)轉(zhuǎn)折變化,表現(xiàn)為垂向等值線密集分布梯度帶,且延縱深方向有一定發(fā)展。根據(jù)以上典型特征,推測該低電阻率區(qū)域?yàn)閿嗔褬?gòu)造破碎帶。結(jié)合工作區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料,推測該斷裂帶在研究區(qū)走向?yàn)镹E-NNE,傾角72°～80°,呈隱伏狀未出露。

圖8 大地電磁測深L1剖面綜合斷面圖Fig.8 Comprehensive section of magnetotelluric depth sounding profile L1

2.2 淺層地震勘探

淺層地震勘探方法是一種有效探測覆蓋區(qū)隱伏活動(dòng)斷裂的地球物理探測手段,其原理是利用地震波在彈性介質(zhì)傳播的理論,通過人工在地面激發(fā)地震波向地下深處傳播,遇彈性不同的介質(zhì)分界面就會(huì)產(chǎn)生波的反射,用檢波器接收其反射波信號,通過淺層地震儀接收返回的反射地震波。研究不同反射界面反射回來的反射波場,利用同相軸的連續(xù)性和幾何形態(tài),可以進(jìn)行巖層分界面的解釋[18]。

為進(jìn)一步揭示斷裂的展布,在斷裂隱伏段布設(shè)了3條跨斷層的淺層地震勘探測線,地震剖面長度6 365 m,物理點(diǎn)816個(gè),采用多次覆蓋觀測系統(tǒng)的地震縱波反射探測方法對其進(jìn)行了探測。圖9為典型測線L1的時(shí)間剖面和地質(zhì)解釋剖面。

在對反射波疊加時(shí)間剖面進(jìn)行波組分析對比、追蹤的基礎(chǔ)上,經(jīng)過地震波速度和時(shí)深轉(zhuǎn)換,對地震反射剖面上的反射波場特征和測區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)進(jìn)行斷層的推斷解釋。判別斷層的主要依據(jù)是:(1)反射波同相軸的明顯中斷和錯(cuò)位;(2)反射波同相軸數(shù)目的明顯增減或消失;(3)反射波同相軸形態(tài)和反射波能量的突然變化;(4)反射波同相軸出現(xiàn)強(qiáng)相位反轉(zhuǎn)以及上下波組的相互依賴關(guān)系;(5)波組發(fā)生變化,存在明顯的錯(cuò)斷,斷層解釋后能夠連續(xù)追蹤;雖然同相軸能夠聯(lián)系追蹤,但是波組整體發(fā)生變化,斷層解釋后波組能夠一致;(7)異常波的出現(xiàn)(如繞射波、斷面反射波等);(8)斷層上、下盤地層產(chǎn)狀存在明顯差異。

通過對區(qū)域地質(zhì)資料和3條地震剖面的綜合分析解釋,在3條地震時(shí)間剖面上共解釋了7個(gè)斷點(diǎn)(表1)。其中可靠及較可靠的斷點(diǎn)有5個(gè),可靠性較差的斷點(diǎn)2個(gè),組合為2條斷層?？傮w來看,工作區(qū)內(nèi)的斷裂總體走向多為NE向,傾向S,覆蓋層由北向南逐漸增厚。

從斷點(diǎn)的剖面特征分析,FP1-1、FP2-1、FP2-2及FP3-1組成的北支斷層西側(cè)的斷錯(cuò)幅度大于東側(cè),FP1-3與FP2-3組成的南支斷層?xùn)|側(cè)的斷裂地震剖面特征更加明顯,而西側(cè)測線FP2-3上的斷點(diǎn)特征則相對較弱。圖10為淺層地震勘探解釋斷層分布圖。

圖9 L1測線時(shí)間剖面和地質(zhì)剖面圖Fig.9 Time profile and geological profile ofsurvey lineL1

表1 斷點(diǎn)特征一覽表

圖10 淺層地震勘探解釋斷層分布圖Fig.10 Interpretation of the distribution of faults using the shallow seismic exploration method

3 斷裂活動(dòng)性研究

為了進(jìn)一步查清將軍山—白水?dāng)嗔训臏?zhǔn)確位置及活動(dòng)性,驗(yàn)證淺層地震勘探和音頻大地電磁法勘探結(jié)果的有效性,針對淺層地震勘探識(shí)別出的斷層,開展了兩組聯(lián)排鉆孔探測。通過對巖芯編錄和照片拼接,繪制巖芯柱狀圖,建立鉆孔聯(lián)合剖面,通過地層(特別是標(biāo)志層)對比,綜合判斷該斷裂的位置及最新活動(dòng)時(shí)代。

3.1 聯(lián)排鉆孔探測

L2、L3聯(lián)排鉆孔工作區(qū)分別位于L2和L3地震測線上,L2測線針對地震勘探推測的FP2-2,L3測線針對地震勘探推測的FP3-1。其中,L2剖面直線長度178 m,走向近SN,共布設(shè)6個(gè)鉆孔,相鄰鉆孔間距最小10 m,最大50 m;L3剖面直線長度145 m,走向近SN,共布設(shè)8個(gè)鉆孔,相鄰鉆孔間距最小9 m,最大46 m(圖11、12)。

圖11 L2聯(lián)排鉆孔探測剖面位置示意圖Fig.11 Schematic diagram of the position of row borehole exploration section L2

圖12 L3聯(lián)排鉆孔探測剖面位置示意圖Fig.12 Schematic diagram of the positionofrow borehole exploration section L3

依據(jù)鉆孔巖芯編錄資料,結(jié)合土層巖性、顏色以及古土壤變化特征,將地層分為①、②、③、④共4套地層。其中第①套地層由褐黃色黃土、雜色中礫組成,層底部為棕紅色古土壤;第②套地層由褐黃色黃土、黃褐色黃土組成,層底界為棕紅色古土壤;第③套地層由雜色中礫、褐黃色黃土、棕紅色古土壤組成,總體表現(xiàn)為古土壤與黃土的互層現(xiàn)象,地層底界為棕紅色古土壤;第④套地層主要由褐黃色粉質(zhì)黏土組成。

L2聯(lián)合鉆孔剖面:標(biāo)志層A,主要由棕紅色古土壤組成;標(biāo)志層B,為棕紅色古土壤層,含少量鈣核、鈣質(zhì)條紋;標(biāo)志層C,為雜色礫石層,上伏地層表現(xiàn)為棕紅色古土壤與褐黃色黃土的互層現(xiàn)象,下伏地層表現(xiàn)為褐黃色、褐紅色粉質(zhì)黏土。

L3聯(lián)合鉆孔剖面:標(biāo)志層a,為棕紅色古土壤,位于雜色中礫與褐黃色黃土之間;標(biāo)志層b,為棕紅色古土壤,位于雜色中礫層中,上部地層主體為雜色中礫,個(gè)別孔位含黃土夾層,下部在巖性上表現(xiàn)為“礫石-黃土”的二元結(jié)構(gòu);標(biāo)志層c,為棕紅色古土壤,含個(gè)別鈣核,個(gè)別孔位含褐黃色黃土、雜色中礫夾層,上部為褐黃色黃土,下部為雜色中礫;標(biāo)志層d,由棕紅色古土壤組成,上部地層為褐黃色黃土,下部地層為褐黃色粉質(zhì)黏土。

從L2聯(lián)合鉆孔剖面看(圖13),第②套地層頂部(埋深約17～27 m)比較連續(xù),橫向變化較小,但是底界在L2-ZK6與L2-ZK3之間明顯被錯(cuò)開,該地層古土壤層的底界(標(biāo)志層B)被錯(cuò)斷了1 m左右。第③套地層標(biāo)志層C的古土壤層底部在ZK6和ZK3附近的錯(cuò)動(dòng)位移量約為6 m,并在L2-ZK3深47 m處的巖芯中見到斷層,表現(xiàn)為棕紅色古土壤與黃棕色土壤的分界。據(jù)此可以推斷,L2聯(lián)合鉆孔剖面斷層走向EW,傾向N,其上斷點(diǎn)位置位于L2-ZK6與L2-ZK3之間,埋深24～25 m。

從L3聯(lián)合鉆孔剖面可以看出(圖14),第③套古土壤層c和第④套古土壤層d,其頂界是連續(xù)的,而其底界在L3-ZK5與L3-ZK6之間存在明顯的高差,其古土壤層和厚度也有明顯差別,推測斷層錯(cuò)斷了第③套古土壤層的底界,位錯(cuò)量為1 m左右。第④套古土壤層d在L3-ZK6與L3-ZK2之間有明顯的高差,推測斷層從這兩孔之間通過,兩側(cè)古土壤層d被錯(cuò)動(dòng)了2.5 m。在ZK6鉆孔巖芯中可以看到斷層的痕跡,斷層裂縫中充填紅色黏土,可以確定是斷層錯(cuò)動(dòng)形成的。據(jù)此可以判斷,上斷點(diǎn)的位置位于L3-ZK5與L3-ZK6之間第③套古土壤層c的頂部,埋深29 m。

通過對兩條聯(lián)排鉆孔的探測,確定淺層地震探測所推測的斷層上斷點(diǎn)埋深為25～30 m。

圖13 L2聯(lián)合鉆孔剖面及斷層位置和上斷點(diǎn)Fig.13 Joint borehole section L2 and the location and upbreakpoint of fault

圖14 L3聯(lián)合鉆孔剖面及斷層位置和上斷點(diǎn)Fig14 Joint borehole section L3 and the location and upbreakpoint of fault

3.2 地質(zhì)測年法

分別對L2聯(lián)合鉆孔剖面鉆孔ZK1、ZK2、ZK5,L3聯(lián)合鉆孔剖面鉆孔ZK2、ZK4、ZK7、ZK8進(jìn)行年代樣品采集工作,采用細(xì)顆粒石英光釋光測年法對所選樣品進(jìn)行測定,測試結(jié)果列于表2。

從測年結(jié)果可以看出,L2剖面第①套地層連續(xù),未被錯(cuò)斷,該地層底界測年結(jié)果為192.89～289.25 ka;L3剖面第②套地層連續(xù),未被錯(cuò)斷,該地層底界測年結(jié)果為187.12～221.99 ka,表明將軍山—白水?dāng)嗔?F6-5)斷裂晚更新世未有活動(dòng)。

4 結(jié)論

(1) 通過對區(qū)域地質(zhì)資料和地質(zhì)地貌調(diào)查,將軍山—白水?dāng)嗔?F6-5)在研究區(qū)未發(fā)現(xiàn)斷層錯(cuò)段形成的錯(cuò)臺(tái)、反坎等地貌特征,判斷該斷裂在研究區(qū)呈隱伏狀。

表2 聯(lián)合鉆孔剖面樣品測年結(jié)果

(2) 通過音頻大地電磁和淺層地震勘探,初步查明該斷裂在研究區(qū)內(nèi)總體走向?yàn)镹E向,傾向S,傾角為72°～80°。

(3) 通過聯(lián)排鉆孔探測以及地質(zhì)測年,確定淺層地震探測所推測的斷層上斷點(diǎn)埋深為25～30 m,最新活動(dòng)時(shí)代為中更新世晚期,未發(fā)現(xiàn)晚更新世以來活動(dòng)的證據(jù),判斷該斷層為中更新世活動(dòng)斷層。