雄安新区附近主要隐伏断裂第四纪活动性研究

　　雄安新区附近主要隐伏断裂第四纪活动性研究

　　 2017年4月1日，中共中央、国务院决定设立雄安新区，这是继深圳经济特区和上海浦东新区之后的又一具有全国意义的新区。雄安新区地处京津冀腹地，包含河北省雄县、容城、安新三县，新区附近主要隐伏断裂有保定-石家庄断裂和徐水-大城断裂。进一步查清保定-石家庄和徐水-大城断裂几何分布特征和第四纪活动性对雄安新区规划建设、防灾减灾无疑具有重要的战略意义。

　　保定-石家庄断裂属于太行山山前断裂带，断裂总体走向NE，以正断活动为主，为徐水凹陷、保定凹陷、石家庄凹陷的边界控制断裂（商宏宽和吕梦林，1985；刘伯礼等，1991；江娃利和张英礼，1997；徐杰等，2000；高战武等，2014)，其活动性一直是学者们关注的焦点，并对此拥有不同的观点，有些学者认为它在第四纪仍有活动(江娃利和聂宗笙，1984；高战武等，2014；安慧婷等，2015)，还有些学者认为断裂第四纪以来无明显活动(徐杰等，2000；曹现志等，2013)。徐水-大城断裂总体走向NWW,为廊固凹陷和保定凹陷的分界断裂，具有正断兼左旋剪性质(李祖武，1983，1992；冯希杰，1988；徐杰等，2003；高战武等，2014)，前人对徐水-大城断裂的研究相对较少，对其位置、几何特征、运动方式和活动性等研究尚不清楚。本文基于可控音频大地电磁测深、高密度电法和浅层地震地球物理探测结果，基本查清保定-石家庄断裂、徐水-大城断裂几何分布特征和活动方式，结合断裂附近典型钻孔地层联合剖面，进一步厘定其第四纪活动性，为雄安新区规划建设和防灾减灾提供基础地质支撑。

　　1 区域地质背景

　　 太行山于中侏罗世末期燕山运动开始隆起（马寅生等，2002；张岳桥等，2007；董树文等，2008；曹现志等，2013)。晚侏罗世到早白垩世，华北岩石圈被破坏，太行山山前NE向断裂发生强烈左行走滑(曹现志等，2013)，古近纪中晚期，由于印度大陆和欧亚大陆碰撞激发软流圈东扩和太平洋俯冲带东撤导致华北平原的构造应力场改变为NW-SE向拉张为主(徐杰等，2001；张岳桥，2004；董树文等，2008；曹现志等，2013)，使先存断裂重新开裂，同时形成一些新的断裂(徐杰等，2000)。中新世，菲律宾板块与欧亚板块在台湾东缘碰撞推挤，并对大陆产生强烈的NW-SE向挤压作用(徐杰等，2003)，从而形成NW-SE向左行张扭性断裂带，并与NE-SE向断裂带共同构成一套地壳共轭剪切破坏系统（徐杰等，1998，2003；冯希杰，1988；李祖武，1983，1992；索艳慧等，2013；高战武等，2014)。上新世至早更新世，印度欧亚板块的持续汇聚使得青藏高原构造挤出并且传递到华北地区形成NE-NEE向挤压(张岳桥，2004；安慧婷等，2015)。

　　雄安新区附近地层系统自上而下分别为第四系（歧口组、高湾组、杨家寺组、欧庄组、杨柳青组、固安组）、新近系（明化镇组）、古近系以及蓟县系。第四系主要由砂、黏土以及砾石组成，层厚348～437 m(何登发，2018)。新近系主要由砂质黏土、砂组成，层厚315～627 m。古近系主要由砂岩、泥岩、页岩等组成。蓟县系主要由厚层白云岩、砂岩组成。

　　2 综合地球物理探测方法

　　综合地球物理探测是目前调查平原区隐伏断裂的有效方法（方盛明等，2002；邓起东等，2003；易兵等，2005；徐明才等，2005；刘保金等，2009；高战武等，2014)。常用的地球物理勘探手段包括可控源音频大地电磁测深法(Controlled Source Au- dio-frequency Magnetotelluric，CSAMT)、高密度电阻率法(Resistivity Tomography)、浅层地震等。

　　2.1 可控源音频大地电磁测深

　　 可控源音频大地电磁测深由大地电磁测深法(magnetotelluric，MT)发展而来，通过控制电磁波信号在地球介质中激发的电磁波场数据来观测地球内部的导电性结构，该方法勘探深度大、横向和纵向分辨率均较高，地形影响和高阻层的屏蔽作用小，抗干扰能力强(何继善，1990；石昆法，1999；董泽义等，2010)。通过CSAMT探测查清保定-石家庄断裂和徐水-大城断裂的空间位置、几何形态、基岩埋深及发育规模等。

　　CSAMT采用美国Zonge公司的GDP_32a型多功能电法仪。CSAMT测量场源供电电极距AB约为lkm，水平方向电场MN(MN=50 m)平行于场源 AB，角度差小于5。，水平磁场垂直于场源布设，测点只能在场源AB垂直平分线两侧30。角扇形，根据现场试验结果确定收发距控制在8～9 km。CSAMT完成测点3.45 km，检查点69个，质检比例5.30%，总均方误差为士3.95%，一级品点率82.65%。

　　2.2 高密度电阻率法

　　 高密度电阻率法是以岩、土导电性的差异为基础，在人工施加稳定电流场的作用下分析地下传导电流分布规律的一种电探方法。该方法抗干扰能力强，分辨率高，是探测隐伏断裂有效的手段（方盛明等，2002；李志祥等，2003；易兵等，20051。开展高密度电阻率法探查第四系内部土层结构以及断裂上断点位置及埋深。

　　高密度电法测量仪器采用骄鹏科技有限公司(GeoPen)的E60DN电法工作站。高密度电法测量为剖面测量，点距5m。通过现场试验，采用温纳排列(a)的装置形式。温纳排列(a)在测量时A、M、N、 B等间距排列，其中A、B是供电电极，M、N是测量电极，AM=MN=NB为一个电极距，电极间距按隔离系数由小到大的顺序等间隔增加，4个电极之间的间距也均匀拉开。高密度电阻率法完成总物理数据点14 995个，完成检查点1825个，质检比例12.17%，测点总均方误差为±3.05%。

　　2.3 浅层地震勘探

　　 浅层地震是探测隐伏断裂最有效的地球物理方法之一，利用反射波的叠加时间剖面，分析剖面上反射波组特征、同相轴连续性、振幅强度、频率变化等信息，并结合收集的区域地质与地球物理资料，确定主要反射波所对应地层形态，推断构造形态、断层形态、断点埋深等（刘保金等，2009）。开展浅层地震探测雄安新区及邻区内的保定-石家庄断裂及徐水-大城断裂的空间展布特征、构造分布情况以及断裂的上断点埋深。

　　浅层地震勘探设备采用美Geo-X公司生产的 Aries数字地震仪，以及28T可控震源车和夯击系统。采集参数为道距5m、炮距20 m、前放增益30 dB、记录长度3.0s、采样间隔0.5 ms、全排列600道接收。浅层地震共完成测线3条其中满32次覆盖有效长度4.00 km。其中甲级资料占比100%，废品率O%,空炮率0%。

　　3 数据处理与解译结果

　　3.1 CSAMT数据处理与资料解译

　　 CSAMT数据处理采用SCS2D程序线性算法反演。沿X测线方向，各断面浅部反演电阻率低值区逐渐扩大，推断低阻层厚度逐渐增厚，基岩埋深逐渐增大。沿Y测线方向，低阻层厚度无明显变化，推断基岩埋深保持不变。

　　 XS3测线的334至336号点附近(台上村南侧800 m)(图3)以东电阻率较低、等值线稀疏，以西电阻率较高、等值线密集，反演电阻率曲线有密集陡降特征显示，两侧落差明显，约30 m，为明显断裂特征，推测为保定-石家庄断裂主断裂显示。断层东侧、上盘地表至390～450 m深度，整体电阻率较低，出现反演电阻率不规则的中、低阻异常圈闭，且分布较为杂乱，推断为第四系内部土层变化显示，结合物性，低阻区域为歧口组、高湾组、杨家寺组、欧庄组、杨柳青组、固安组以及明化镇组；断层上盘390～450 m深度以下，电阻率较高、等值线较密集，结合地质物性，较高阻区域为古近系以及中元古代蓟县系。断层西侧地表至320～360 m深度，整体电阻率较低，出现反演电阻率不规则的中、低阻异常圈闭，且分布较为杂乱，推断为第四系内部土层变化显示，结合物性，低阻区域为歧口组、高湾组、杨家寺组、欧庄组、杨柳青组、固安组以及明化镇组；断层下盘320～360 m深度以下，电阻率较高、等值线较密集，结合地质物性，较高阻区域为中元古代蓟县系。

　　XS3测线364至370号点(台上村东南1.4 km)附近以东电阻率较低、等值线较稀疏，以西电阻率较高、等值线较密集，但相对于保定-石家庄断裂主断裂上下盘电阻率的强变化特征，其电阻率特征变化特征要弱，推测为保定-石家庄断裂带的次级断裂。断层西侧也就是石家庄-保定断裂主断裂上盘。断层东侧、上盘地表至500—550 m深度，整体电阻率较低，出现反演电阻率不规则的中、低阻异常圈闭，且分布较为杂乱，推断为第四系内部土层变化显示，结合物性，低阻区域为歧口组、高湾组、杨家寺组、欧庄组、杨柳青组、固安组以及明化镇组；断层上盘500～550 m深度以下，电阻率较高、等值线较密集，结合地质物性，较高阻区域为古近系以及中元古代蓟县系。

　　3.2高密度电阻率法数据处理与资料解译

　　 高密度电法GM1测线与CSAMT法XS3测线306至440号点位重合，长度3.35 km，主要探测0～150 m深度范围内隐伏断裂的发育情况，从 GM1测线反演视电阻率等值线图像分析，电阻率均匀规律分布，物性层位清晰，纵向上反演电阻率为低．高一低表现特征，浅部0～15 m为中阻层，阻值约为50～80Ω.m，横向分布较均匀，推测为浅部耕植土及全新世歧口组、高湾组、杨家寺组的黏土、细砂、含砾细砂层。15～40 m为阻值超过150Ω.m的高阻层，推测为欧庄组中砂砾石层。40 m以下反演电阻率逐渐减小，推断深部为欧庄组的砂黏土层，含水率较大，表现为低阻特征。横向上，在334和346号点位处，中部高阻层出现明显的反演电阻率曲线陡降，且与深部联系较弱，推测为第四系内部裂隙所致，该点位与根据CSAMT成果推断的保定-石家庄断裂主断裂(Fl)位置一致，推断Fl断裂在地表至150m深度无活动。

　　3.3 浅层地震数据处理与资料解译

　　浅层地震DZ1测线位于定兴县南店村南侧的田间道路，斜交于保定-石家庄断裂呈SEE向布设，与XS3线斜交。该剖面反射波较为清晰，新生界比较平缓，略向东倾，共有3个明显的地震反射波组，自上至下分别标为TO、Tl和T2。TO上部的反射面双程反射时间约为250 ms，地层推断解释为第四系地层内部界面，埋深约210～285 m。 Tl反射面双程反射时间约为400～520 ms，反射波较为清晰，埋深约410～540 m，其下部地层与上部地层明显呈微角度不整合接触，其应为新近系底界。T2反射面双程反射时间约为670—1200 ms，存在明显的反射波，埋深约700～1500 m，解释其应是古近系底界。

　　 在桩号1750(台上村南600 m)左右，同相轴发生错断，断层两侧同相轴连续性有明显差异，推断该处存在上断点埋深约560 m的正断层，倾向SE,断层倾角约为60。，结合地质及其他物探资料成果推断为保定-石家庄断裂。

　　 在桩号2000(桩号1 625东400 m)左右，同相轴发生错断，断层两侧同相轴连续性有一定的差异，但错动幅度不大，推断该处存在上断点埋深约550 m的正断层，倾向SE，断层倾角约为62。。结合地质及其他物探资料成果推断为保定-石家庄断裂次级断裂(Fl-l)。

　　 Fl、Fl-l在深部发育不明显，结合地质及其他物探成果推断为深部基岩物质成分差异不明显，导致断层在地震勘探剖面中反应不明显。

　　 D22测线位于定兴县翟庄村和申庄村之间的省道，斜交于保定-石家庄断裂呈SEE向布设。该剖面反射波较为清晰，地层比较平缓，略向东倾，共有2个明显的地震反射波组，自上而下分别标为TO、Tl。TO上部的反射面双程反射时间约为250～290 ms，地层推断为第四系内部界面，埋深约235～285 m。Tl反射面双程反射时间约为400—500 ms，反射波较为清晰，推测为应为新近系底界，埋深约430～540 m，与下伏地层之间存在不整合接触。D22测线深部地层信噪比相对较弱，古近系内部界面反映不太清晰，T2反射界面同相轴错动不太清晰。

　　 在桩号为1750处（翟庄村南052省道旁）左右，红色反射同相轴出现不连续，断层两侧同相轴连续性有明显差异，推断存在东倾断层，结合DZ1测线以及地质及其他物探资料推测为Fl断裂显示。地震剖面显示Fl为上断点埋深约350 m的正断层，倾向SE，倾角约45。～75。，呈上陡下缓的展布特征。

　　在桩号为2250处(桩号1750东800 m)左右，红色反射同相轴出现不连续，断层两侧同相轴连续性有明显差异，推断存在东倾断层，结合DZ1测线以及地质及其他物探资料推测为Fl-l断裂显示。地震剖面显示Fl-l为上断点埋深约360 m的正断层，倾向SE，倾角45。～75。，呈上陡下缓的展布特征。在 Fl-l断裂1050～1150 m深度出现逆断活动，但Fl-l断裂整体呈正断层性质，这可能是受保定-石家庄断裂运动过程中出现的局部变形，具体情况还需更多资料进行验证。综合浅层地震DZ1、D22测线和 XS3测线，推断保定-石家庄断裂(Fl)走向NE，倾向SE，倾角45。～75。，上断点埋深约为350 m，呈上陡下缓的展布特征，保定-石家庄断裂次级断裂(Fl-l)走向NE，倾向SE，倾角约450～750，上断点埋深约为360 m，呈上陡下缓的展布特征。两条断裂第四系均未见明显错动。

　　 D23测线位于大辛庄村东侧，垂直于徐水一大城断裂呈SSW向布设。该剖面反射波较为清晰，第四系、新近系地层比较平缓，略向南倾，共有3个明显的地震反射波组，自上至下分别标为 TO、Tl和T2。TO上部的反射面双程反射时间为300 ms，反射波较为清晰，根据区域地质及钻孔资料，推断应为第四系内部分层，埋深约290 m。 Tl的反射面双程反射时间为700～750 ms，反射波较为清晰，结合区域地质资料推断应为新近系内部分层，埋深650～700 m。T2反射面双程反射时间为810～890 ms处，反射波较为清晰，且显示有不整合面存在，结合区域地质资料推断，应为N底界，埋深800～900 m，与下伏地层之间存在不整合接触。

　　 桩号3600处(桩号3100北东600 m)左右，同相轴发生错断，断层两侧同相轴连续性有明显差异，推断存在上断点埋深约250 m，倾向S，倾角约70。的正断层，断层上断点延伸至早中更新世地层中，晚更新世地层未见明显错动。结合地质及其他物探资料推测为徐水一大城断裂(F2)。

　　 桩号3100处（大辛庄村北东700 m左右），同相轴发生错断，断层两侧同相轴连续性有明显差异，推测存在上断点为240 m，断层倾向N，倾角约700的正断层，结合地质及其他物探资料推测为徐水一大城断裂的次级断裂(F2-1)。

　　在深度为950～1 500 m发现生长断层，呈铲状，下降盘厚度明显厚于上升盘，并随深度的增加厚度差异越来越大。

　　4钻孔地层联合剖面记录

　　 基于野外调查、综合地球物理探测，分别在断层上下盘布置一系列钻孔，进行钻孔联合地质剖面探测，揭示断层两盘的地层差异，判断断层位置、活动时代并验证综合地球物理探测的结果。各钻孑L位置见。

　　 钻孔岩芯揭露岩性特征，并结合区域地层(刘立军等，2010；王永等，2015)对比可知，研究区新生代地层主要有古近系以及明化镇组、固安组、杨柳青组、欧庄组、杨家寺组、高湾组、歧口组。

　　 歧口组主要为黄褐色、浅黄褐色粉砂、黏土质粉砂、褐黄色含黏土粉砂、细砂，并平行不整合与高湾组。高湾组以河湖相为主，岩性为灰黑色、深灰色淤泥质砂土及粉细砂组成，并与杨家寺组整合接触。杨家寺组以灰褐色黏土质粉砂、粉砂质黏土夹黑色黏土，局部含钙质结核。在底部有砂砾石平行不整合于欧庄组。欧庄组的岩性特征以黄色、棕黄色的黏土质粉砂、黏土与砂或砂砾石互层，在底部有砂砾石平行不整合于杨柳青组。杨柳青组沉积物以棕黄色、棕色、黄棕色、浅红棕色的黏土质粉砂、黏土与砂或砂砾石互层，棕色、浅红棕色黏土、粉砂质黏土和细砂为主，其次为砾石与钙质结核。在底部有厚层砂砾石平行不整合于固安组。固安组沉积物主要分为上下两段，上段以棕黄色为主，下段以红褐色、混锈黄色、灰绿色为主的黏土、粉砂质黏土夹砂层。粗砂层还有砾石，砾石磨圆程度好。明化镇组主要为分为上下两段，上段为灰、浅灰绿、棕黄色泥岩与灰白色、棕黄色粉砂岩、细砂岩互层，局部地区下部夹含砾砂岩。下部棕红、紫红色泥岩与棕黄色粉、细砂岩互层，同时夹带灰绿色泥岩，在底部有厚层砾岩，角度不整合于古近系地层，是划分古近系与新近系的“标志层”。

　　 保定-石家庄断裂钻孔联合剖面显示保定-石家庄断裂(Fl)最新活动时代为新近纪，上断点埋深约320～400 m；保定-石家庄次级断裂(Fl-l、最新活动时代为新近纪，上断点埋深约330～460 m，与地球物理探测的上断点埋深(Fl为350 m、Fl-l为360 m)的结果基本一致。徐水-大城断裂东段钻孔联合剖面显示徐水-大城断裂最新活动时代为中更新世，上断点埋深为220—300 m；徐水-大城断裂中段钻孔联合剖面显示徐水-大城断裂最新活动时代为中更新世，上断点埋深为200～320 m，综合徐水-大城断裂中段与东段的两个钻孔联合剖面，推断徐水-大城断裂最新活动时代为中更新世，上断点埋深为200—320 m，与地球物理探测的上断点埋深(F2为250 m)的结果基本一致。

　　保定-石家庄断裂钻孔联合剖面显示Fl断裂在新近纪明化镇组中垂直断距至少为55 m， Fl-l断裂在新近纪明化镇组中垂直断距约为40 m。徐水-大城断裂东段钻孑L联合剖面显示F2断裂在中更新世杨柳青组中垂直断距约为24 m，在早更新世固安组中垂直断距约为17 m，在新近纪明化镇组中垂直断距约为43 m。徐水-大城断裂中段钻孔联合剖面显示F2断裂在中更新世杨柳青组中垂直断距约为10 m，在早更新世固安组中垂直断距约为11m，在新近纪明化镇组中垂直断距约为56 m。

　　5结论与认识

　　 基于可控源音频大地电磁测深、浅层地震、高密度电阻率法综合地球物理探测的结果，对保定-石家庄断裂以及徐水-大城断裂开展了钻孔地层联合剖面的研究，探测结果和钻孔地层联合剖面查清了保定-石家庄断裂以及徐水-大城断裂的几何特征以及第四纪的活动性，并初步得到以下几点认识：

　　 (1)保定-石家庄断裂(Fl)为走向NE-SW,倾向SE，倾角45。～75。，为正断活动特征，存在次级断裂(Fl-l)，次级断裂Fl-l是位于Fl断裂东侧，倾向南东，倾角45。。～75。，亦为正断活动特征。

　　 (2)徐水-大城断裂(F2)为走向WNW-ESE，倾向S，倾角约70。的正断层，并发育有倾向北，倾角约70。的次级断层(F2-1)。

　　 (3)保定-石家庄断裂第四纪以来无明显活动，徐水-大城断裂晚更新世以来无明显活动，对于雄安新区的规划、建设，具有良好的地质安全保障。

　　摘自：《地球学报》2019年第6期