高速公路穿越安丘—莒縣活動斷裂綜合勘察方法研究

王學偉 滿 君

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司,北京 100097; 2.中兵勘察設計研究院有限公司,北京 100053)

引言

活動斷裂為在1萬年來發生過活動,未來存在繼續發生活動可能的斷層。對于重要工程,應考慮10萬年內(晚更新世)有過活動歷史的斷層[1]。由于斷層兩盤潛在的相對運動,發生相對運動時短時間內釋放的巨大能量,會對鄰近建筑產生破壞性影響。因此,對穿越工程提出較高的抗震設防要求。活動斷裂的錯動會引起公路路基路面的破裂和橋梁隧道的破壞,活動斷裂引發的強烈地震還會導致崩塌、滑坡、地震液化等地質災害,對公路造成不同程度的破壞。如四川省龍門山大型活動性斷裂的逆沖誘發2008年5.12汶川8級大地震,造成大量山體滑坡、巖體崩塌和山谷泥石流等地質災害,數十座公路橋梁和大量路基遭到損壞[2]。因此,對于活動斷裂的勘察研究是公路建設項目的重要基礎工作。

郯廬斷裂帶是中國東部規模最大的深大斷裂帶[3],在山東省和江蘇省北部的段落稱之為沂沭斷裂帶,安丘—莒縣斷裂位于斷裂帶東部,分別于公元前70年和公元1668年,發生過安丘7級大地震和郯城8.5級大地震等多次災難性地震事件,是山東省最著名的活動性斷裂[4-6]。

擬建濰坊至青島公路及連接線工程WQSJ-1標段位于濰坊市區南側,橫跨沂沭斷裂帶,與安丘—莒縣斷裂大角度相交。依據GB18306—2015《中國地震動峰值加速度圖》,項目區地震動峰值加速度值為0.2g,屬于強震區。眾多學者對安丘—莒縣斷裂的分布和活動性進行大量的研究工作。計昊旻等利用高分辨率正射影像和高精度DEM數據進行遙感解譯和數據分析,對該斷裂的右旋走滑特征進行論證[7];徐建國等利用淺層地震反波法查明沂沭斷裂帶北端東支斷裂的淺部基本構造特征[8];王薇等通過淺層地震反射波法發現安丘—莒縣斷裂的一般展布特征[9];秦晶晶等利用淺層地震反射波法獲得安丘—莒縣斷裂的基本性質、大體位置和總體空間展布等特征[10];曹筠等通過野外調查和淺層地震反波法及鉆孔聯合剖面法,查明安全—莒縣斷裂南段晚第四紀互動特征[11];王志才等利用航空照片、地質圖、高分辨率衛片進行遙感解譯,通過現場地質調查和填圖、布置淺層地震法和電法勘探,確定安丘—莒縣斷裂的空間展布、分段和幾何特征、活動性質與最新活動時代,得到定量位移數據和古地震特征[12]。綜上所述,安丘—莒縣斷裂的構造復雜、分支多、各區段活動性質差異大,單一的勘測方法很難精確查明斷裂的詳細分布情況、活動性質及影響程度,而地質地貌、地球物理、地球化學和鉆探工程等方法有機結合起來是正確解決斷層定位和活動性的根本保證[13]。

2 區域地質背景

在大地構造分區上,擬建公路跨華北斷塊區的膠遼斷塊和魯西斷塊(見圖1)。

圖1 山東省大地構造分區示意Fig.1 Geotectonic classification in Shandong Province

新生代以來,魯西斷塊的差異運動具有繼承性,整體抬升則具有間歇性。古近紀時隆起所形成的斷陷盆地在新第三紀后上升演化為侵蝕盆地,其上形成第四系松散堆積層。新構造時期以來,膠遼斷塊持續隆起為主,但活動水平大幅度降低,經過長期的營力剝蝕作用,地表出露大面積的結晶基底[14]。

區域內的主干斷裂帶—郯廬斷裂帶是我國東部規模最大的巨型走滑式斷裂帶,也是華北構造單元分區的界限,穿越山東、江蘇、安徽3個省區[15]。在山東省和江蘇省北部的段落稱之為沂沭斷裂帶,位于山東省中西部的過渡地帶,是魯西斷塊與魯東斷塊兩個構造單元的分界帶,由鄌郚—葛溝斷裂、沂水—湯頭斷裂、安丘—莒縣斷裂、昌邑—大店斷裂等近于平行的斷裂組成(見圖2)。

圖2 項目區斷裂構造分布Fig.2 Distribution of fault structure in the project area

安丘—莒縣斷裂北起安丘市,經過白芬子、孟疃、茅埠、青峰嶺、莒縣一帶,在地表出露程度較差。該斷裂總體較為平直,走向總體約為北東20°,斷面傾向東,斷層傾角較陡,近乎直立。安丘—莒縣斷裂從昌邑文山到莒縣胡家孟晏在平面上由北向南按照幾何學特征可分成4段[16],本項目路線方案穿越最北段的昌邑—南流段,該段活斷層起點在濰坊市昌邑區文山東,向南經過朱里鎮轄區、眉村鎮轄區及南流鎮轄區等地,由4條右階斜列結構的次級斷裂組成,自北而南分布,文山小段長約5 km,朱里小段長約7 km,北眉—雙官小段長約10 km,南流小段長約9 km,總段長約31 km,階區寬2～3 km。沿活動斷層在地表的發育特征為斷層陡坎,呈西部高、東部低的地勢特點,由北向南大體構成西部低緩丘陵區與東部平原區的分界帶,西盤常見白堊紀地層,而東盤被第四系覆蓋。本項目主要穿越南流小段,推測該斷裂段經過南流鎮丁家村西北,向南經過曹村西側后再向南延伸至許營鄉劉家洼村等地,根據地形特征分析,該斷裂段走向14°,呈北東向延展。該斷裂主要隱伏于第四系地層之下,地表未出露可明確最新活動跡象。線路從南流以南的曹村北側緊鄰通過(見圖3)。

圖3 擬建公路與安丘—莒縣斷裂位置關系[17]Fig.3 Location relation between the proposed highway and Anqiu-Juxian Fault

3 斷層精定位與活動性鑒定

3.1 遙感解譯與鄰域露頭考察

根據現場調查,安丘—莒縣斷裂大致所經區域為微丘區至平原區的過渡段,地表無巖層出露,該斷裂在此段隱伏于地下,地表構造痕跡不明顯。根據區域資料顯示,該斷裂一般分布于丘陵和平原過渡段,曹村以西為微丘地貌與平原地貌過度段,曹村及以東為平原地貌(見圖4)。

圖4 測區微丘和平原地貌分區示意Fig.4 Landform division of rolling terrain and plain area

距離曹村以北約20 km處的濰萊鐵路與擬建公路成平行關系,也與安丘—莒縣斷裂呈大角度相交,由于兩者相距較近,相交形式相似,具有較高的參考價值。對安丘—莒縣斷裂進行地表露頭調繪,發現具有正斷特征的露頭,露頭所在的取土坑位于濰萊鐵路南側葦園村附近(見圖5)[18],在濰萊鐵路與斷裂交匯區域內發育土質殘丘,殘丘高2～5 m,根據調查,土丘向南斷續延伸至曹村以西微丘區,斷裂的分布在地形地貌特征上具有一定的延續性,有跡可循。

圖5 葦園村西安丘—莒縣斷裂局部剖面Fig.5 Local section of Anqiu-Juxian Fault in Weiyuan

擬建公路以北約4 km的南流鎮,該處第四紀地層上部以黃色粉土為主,下部以褐紅色的砂質泥巖為主,兩者呈連續或平行接觸關系。但在一個剖面中,這兩套地層表現為斷裂接觸(見圖6)。

圖6 南流鎮丁家孟家村西斷層剖面Fig.6 Section of the fault in Dingjia Village and Mengjia Village, Nanliu Town

褐紅色地層由下部逆沖到黃色地層之上,顏色差異明顯,斷裂面產狀280°∠40°,說明該斷裂段晚更新世時期是活動的,而且具有逆沖運動分量。

在擬建公路南側約4 km發現一處逆斷層特征剖面,發育有寬5～10 m的斷層泥帶或斷裂破碎帶(見圖7)。

圖7 許營鄉劉家洼村西600 m安丘—莒縣斷裂剖面Fig.7 Section of Anqiu-Juxian Fault, 600m to the west of Liujiawa Village, Xuying Commune

在擬建公路南側約2 km處,局部地段古生代灰巖與中生代地層以斷裂接觸,推測為該斷層的古老破裂面。

3.2 地球物理探測

(1)物探方法選擇

通過大量實測研究,淺層地震反射波法被證明是最有效的物探方法之一[19],也是活動性斷裂勘探的主要物探手段,特別在調查隱伏斷裂的工作中。由于擬建公路走廊帶內安丘—莒縣活動斷裂處于隱伏狀態,故決定采用淺層地震法。

(2)物探測線布置

本項目共布置淺層地震測線7條,其中5條測線(測線3-測線7)針對安丘—莒縣斷裂。側地層反射特征存在明顯的轉折現象,推測為斷裂反映。在該測線上解釋了1個斷點FP3。FP3為逆斷層,視傾向西,可分辨的上斷點位于測線324 m處,埋深約20 m,垂直斷距為3～5 m。

(3)勘測成果綜合分析

①測線3成果分析

測線3剖面(見圖8)在CDP324附近,測線3-測線7解釋剖面的反射能量均較強,其中測線3的反射相位相對單一,其他測線剖面反射相位相對豐富,整個剖面地層特性明顯。

圖8 測線3地震反射波時間剖面及地質解釋Fig.8 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 3

②測線4成果分析

測線4剖面(見圖9)在CDP288、CDP848、CDP2104 附近,兩側地層反射特征存在明顯的紊亂錯斷現象,推測為斷裂反映。在該測線上解釋3個斷點FP4、FP5、FP6。其中,FP4為正斷層,視傾向東,可分辨的上斷點位于測線288 m處,埋深約12 m,垂直斷距為4～6 m;FP5為正斷層,視傾向東,可分辨的上斷點位于測線848 m處,埋深約14 m,垂直斷距為4～6 m;FP6為正斷層,視傾向西,可分辨的上斷點位于測線2 104 m處,埋深約14 m,垂直斷距為6～8 m。

圖9 測線4地震反射波時間剖面及地質解釋Fig.9 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 4

③測線5成果分析

測線5剖面(見圖10)在CDP384、CDP520、CDP792附近,兩側地層反射特征存在明顯的紊亂錯斷現象,推測為斷裂反映。在該測線上解釋3個斷點FP7、FP8、FP9。FP7為正斷層,視傾向東,可分辨的上斷點位于測線384 m處,埋深約10 m,垂直斷距為5～6 m;FP8為正斷層,視傾向東,可分辨的上斷點位于測線520 m處,埋深約10 m,垂直斷距為5～6 m;FP9為正斷層,視傾向東,可分辨的上斷點位于測線792 m處,埋深約21 m,垂直斷距為8～10 m。

圖10 測線5地震反射波時間剖面及地質解釋Fig.10 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 5

④測線6成果分析

測線6剖面在CDP920附近(見圖11),兩側地層反射特征存在明顯的紊亂錯斷現象,推測為斷裂反映。在該測線上解釋1個斷點FP10。FP10為正斷層,視傾向西,可分辨的上斷點位于測線920 m處,埋深約20 m,垂直斷距為8～10 m。

圖11 測線6地震反射波時間剖面及地質解釋Fig.11 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 6

⑤測線7成果分析

測線7剖面未發現波形畸變、同相軸扭曲及錯斷等現象(見圖12),認為在該測線控制范圍內無斷層通過。

圖12 測線7地震反射波時間剖面及地質解釋Fig.12 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 7

綜上,測線4、測線5、測線6控制安丘—莒縣斷裂東支和西支,連接斷點位置,東支與新建公路交于K24+900附近,西支與新建公路交于K23+550附近。斷裂F1僅在測線3上有反應,而北側的測線7未探測到斷點,推測該斷裂規模較小。

3.3 鉆探揭示

(1)斷裂東支與西支鉆探

擬建公路與安丘—莒縣斷裂相交的區域范圍內布置的公路構筑物場地勘探工作量較多,通過鉆孔揭露的巖性差異及地層特征可證明物探解譯的可靠性。鉆探揭露的主要地層巖性為角礫巖、第四系覆蓋層、斷層角礫巖等,地層突變位置及程度與物探測線4地震反射波時間剖面及地質解釋中推測的斷層位置及特征相近,斷裂主要錯斷了白堊系地層及上覆部分第四系地層。其中西支錯斷特征相對明顯,東支錯斷特征不明顯,地層呈微向下彎曲狀(見圖13),主要表現為水平活動,一定程度上驗證了淺層地震法解譯的準確性。從淺層地震和該斷裂的地質調查情況分析,西支斷裂破碎帶寬度為15～20 m,東支斷裂破碎帶寬度為10～20 m。

圖13 安丘—莒縣斷裂東支和西支斷裂鉆孔地質剖面Fig.13 Geological section of boring for eastern and western branch faults of Anqiu-Juxian Fault

(2)斷層F1、F2

①斷層F1、F2位置

工程地質勘察鉆探過程中,在汶河河道及東岸(安丘—莒縣斷裂東支以東)發現存在斷層活動跡象,表現為構造泥巖發育,定名為F1,位于汶河東岸。在東環立交橋附近鉆探揭露構造泥巖帶,位于安丘—莒縣斷裂西支以西,定名為F2。

②鉆孔布置

為查明F1、F2斷裂的性質及活動性,進行針對性的鉆孔布置。其中對F1斷裂兩側布置4個鉆孔,編號為WH1、WH2、WH3和WH4。在F2斷裂兩側布置了4個鉆孔,編號為DL1、DL2、DL3、DL4,位置示意見圖14。

圖14 斷裂、物探測線、鉆孔與新建公路位置關系示意Fig.14 Location relation between fault, survey line of geophysical dating, boring and the new highway

③鉆孔成果

根據鉆探成果,分別繪制F1斷裂鉆孔地質剖面(見圖15)和F2斷裂鉆孔地質剖面(見圖16)。由圖15可知,該剖面第四系地層結構簡單,層厚無明顯變化,基巖面起伏不大。

圖15 斷裂F1鉆孔地質剖面Fig.15 Geological section of boring for fault F1

圖16 斷裂F2鉆孔地質剖面Fig.16 Geological section of boring for fault F2

第⑦層泥巖在WH1孔顯著增厚,底面較另外3孔低約5 m,第⑧層構造泥巖也存在明顯的豎向錯動現象,據此判斷F1斷裂發育在WH1孔與WH2孔之間,且發生于第四紀之前。綜上分析,判斷F1斷裂位于WH1孔與WH2孔之間,為前第四紀斷裂。

由圖16可知,該剖面第四系地層結構簡單,除受地形影響外,地層厚度變化較小,基巖面起伏不大。在DL1和DL2號鉆孔中見藍灰色構造泥巖,DL3和DL4號鉆孔中缺失。據此判斷F2斷裂上斷點位于DL2和DL3號鉆孔之間,為前第四紀斷裂,依據其角度判斷,推測為逆沖斷裂。

考慮F1、F2兩條斷裂均未對第四系地層的厚度和結構產生影響,且普遍以受斷層影響的構造泥巖為特征,這顯然與安丘—莒縣斷裂不同。據此判斷,F1、F2兩條斷層為活動時間更早的前第四紀斷裂。另外,F2斷裂在鉆孔地質剖面上顯示了西傾緩傾角的逆斷性質,而與淺震測線FP4、FP7點推斷的東傾陡傾角正斷層不同。分析原因在于淺震方法由于能量較小,更利于探測淺部的第四系地層和活動斷裂,而對隱伏較深的基巖和前第四紀斷裂難以清晰分辨,同時由于FP4、FP7點物探僅識別了單一的同相軸,難以依據地層確定斷層傾向、傾角和性質。據此認為圖16揭示的斷層特征更為可信。

3.4 C14及光釋光試驗測年

根據相關研究[18],濰萊鐵路勘察期間,在距離曹村以北約20 km處的濰萊鐵路與安丘—莒縣斷裂相交處鉆采取測年C14樣品及光釋光樣品,分別由美國Beta實驗室及中國地震局地殼應力研究所光釋光實驗室進行測試。表明地層時代為晚更新世-全新世。由于兩者相距較近,相交形式相似,其試驗結果具有較高的參考價值。

3.5 綜合分析斷裂位置、活動性及影響

根據以上分析內容,安丘—莒縣斷裂活動性為第四系晚更新世晚期及全新世,活動性較強,對擬建公路影響較大。其兩側的F1和F2斷層為前第四紀斷裂,活動性較弱,對擬建公路影響較小。

探測結果顯示,安丘—莒縣斷裂與新建公路相交段為晚更新世及全新世活動,斷裂西支與新建公路相交于K23+550處,斷裂東支與新建公路交點為K24+900處,活動性較強,對擬建公路影響較大。根據規范要求[20],無法避開時應采用路基形式以最短距離通過。附近發現的F1、F2斷裂為前第四系斷裂,對擬建公路影響較小。

4 結語

本次研究采用綜合勘察方法,充分利用既有研究資料有利于初步確定該斷裂的大體分布情況以及活動性特征。在研究既有成果的基礎上,對于初步確定的斷裂分布區域進行地形地貌、地質露頭的區域地質調繪工作十分必要,可進一步縮小研究范圍,通過物探勘測反映的地質體物性異常,結合鉆探的驗證工作,可查明斷裂構造的分布特征,為今后跨活動斷層帶工程的建設提供有益借鑒。