基于鉆探的蘆花臺隱伏斷層晚第四紀活動特征

雷啟云 柴熾章 杜 鵬 王 銀 孟廣魁

1)中國地震局地質研究所，北京 100029

2)寧夏回族自治區地震局，銀川 750001

基于鉆探的蘆花臺隱伏斷層晚第四紀活動特征

雷啟云1，2)柴熾章2)杜 鵬2)王 銀2)孟廣魁2)

1)中國地震局地質研究所，北京 100029

2)寧夏回族自治區地震局，銀川 750001

蘆花臺斷層是銀川盆地內一條重要的隱伏構造。在淺層地震勘探成果的基礎上，開展了鉆孔聯合剖面探測和鉆孔樣品測試，獲得了斷層上斷點埋深、最新活動時代、晚第四紀累計位移和滑動速率等數據。結果表明:蘆花臺隱伏斷層北段和南段的活動性不同，南段為中更新世末活動斷層，北段為全新世活動斷層;在北段內，斷層活動強度在空間上表現為由北向南增強，在時間上表現為晚更新世活動強于全新世。

隱伏活斷層 鉆孔聯合剖面 滑動速率

0 引言

隱伏于城市之下的活斷層，是城市發展的隱患。一旦斷層上發生破壞性地震，后果將不堪設想，國內外已不乏其例。因此，開展活斷層探測對城市防震減災具有重大意義，并可對土地的合理開發利用提供科學依據(鄧起東，2002;袁道陽等，2008)。由于隱伏斷層的隱蔽性，常需運用一系列勘探手段方能查清其位置，并鑒定其活動性(方盛明等，2002;鄧起東等，2003;中國地震局，2005;柴熾章等，2006)。在諸多勘探手段中，鉆探除能確定斷層位置并對淺層地震勘探結果予以驗證外，還可揭示槽探手段所不及深度內的地層巖性、分布及斷錯等信息，是研究隱伏斷層活動特征的有效手段(向宏發等，1993，2000;徐錫偉等，2000;江娃利，2001;雷啟云等，2008;張世民等，2008)。

蘆花臺斷層是銀川盆地內一條重要的隱伏斷層，走向NNE，南起于東大灘，從銀川市西夏區西部穿過，向北依次經過軍馬場、金山、暖泉，在崇崗附近有約4km的間斷，向北終止于石嘴山市大武口區西南，長約80km。該斷層是銀川古近紀斷陷湖盆的西界，在銀川西古近系底面落差為3km，至石嘴山市斷距增加到3.4km(鄂爾多斯周緣斷裂系課題組，1988;孟廣魁等，1994)。該斷層自20世紀50年代石油部門開展的石油勘探發現以來，尚未開展相關研究，其晚第四紀活動性一直未有定論。近年來，我們相繼在銀川和石嘴山兩市開展了活斷層探測，針對蘆花臺隱伏斷層開展了淺層地震勘探和鉆探工作，查清了該斷層在目標區內的具體位置及活動時代。

本文基于活斷層探測所布設的3條鉆孔剖面的結果，探討蘆花臺隱伏斷層晚第四紀的活動特征。

1 鉆探結果

根據淺層地震勘探所確定的斷層位置，在蘆花臺隱伏斷層上先后布設了3條鉆孔剖面，自北向南依次為規劃一路剖面、前進農場一隊剖面和賀蘭山農牧場剖面 (圖1)，其中規劃一路和前進農場一隊兩條剖面位于斷層北段(石嘴山市大武口區附近)，賀蘭山農牧場剖面位于斷層南段(銀川市西夏區附近)。而軍馬場—暖泉間因不在銀川市和石嘴山市活斷層探測的目標區內，故未布設剖面。自北向南，3條剖面間距依次為6.5km、38km。

圖1 蘆花臺隱伏斷層展布及鉆孔剖面位置圖Fig.1 The distribution of Luhuatai buried fault and the position of drilling section.

1.1 規劃一路剖面

1.1.1 剖面布設

剖面位于石嘴山市大武口區規劃一路附近，平行布設于淺層地震測線LHTC3(5m道間距)之南42m處。該測線解釋的斷層上斷點在地表垂直投影位于樁號2 495m處，斷層東傾。據此于樁號2 464.3m處布設了鉆孔Z2－1作為剖面西端，于樁號2 548m處布設鉆孔Z2－2為剖面東端，后來又根據鉆進情況于孔Z2－1之西15.5m布設Z2－5，剖面加長為99.2m。共9個鉆孔，總進尺559.72m，單孔深最大88.87m，最小9.75m，孔間距最大42m，最小3m(圖2)。

1.1.2 標志地層及沉積年齡

1.1.2.1 標志層特征及斷距

規劃一路鉆孔聯合剖面中3層黏性土層相間分布，厚度穩定，特征明顯，易于區別，故將其作為研究斷層定位和活動特征的標志地層，并在標志層位采集鉆孔樣品進行測試，以限定標志層的沉積年齡(表1，2)。各標志層特征及斷錯情況簡介如下:

圖2 規劃一路鉆孔聯合剖面鉆孔布設位置圖Fig.2 The relative position of boreholes at Guihua First Road composite drilling section.

標志層B1 為地表黏性土層，巖性為砂黏土、黏土、黏砂土，夾細砂，黏土顏色以淺棕紅色、灰黑色為主，其他為灰、土黃色。斷層下盤底界埋深約6.20m，上盤約6.91m，斷距0.71m;

標志層B2 淺灰、黃灰、黑灰及淺棕紅色，巖性為黏土、砂黏土及黏砂土。其頂部為細砂和粉砂，底部普遍存在一層土黃色粉砂。該層在斷層下盤頂底界面埋深于7.96～22.37m，在上盤埋深于8.82～31.89m，頂底斷距分別為0.86m、9.52m;

標志層B3 黃灰、深灰、黑灰及暗棕紅色，以黏土、砂黏土及黏砂土為主，夾粉砂。在斷層下盤頂底界面埋深于55.80～64.78m，在上盤埋深于68.37～78.86m，斷層附近頂底面斷距分別為12.57m、14.08m。

1.1.2.2 標志層沉積年齡確定

在孔Z2－1中獲得3個地層年齡數據(表1)，樣品Z2－1－TL09位置和標志層B2底界埋深幾乎一致，其年齡即為標志層B2底界的沉積年齡((101.0±9.6)ka BP)。而標志層B2頂界以及B1底界，雖然附近有鉆孔地層樣品年齡控制，但位置相差近1m，需做適當處理。假設孔Z2－1中埋深5.2m到地表的平均沉積速率((0.65±0.04)mm/a)為標志層B1的平均沉積速率，結合該孔中5.2m處的測年數據，推算出標志層B1底界(6.35m)的沉積年齡為(9.8±0.6)ka BP;同樣假設孔2－1中埋深9.36m～22.02m間的平均沉積速率((0.17±0.02)mm/a)為標志層B2的平均沉積速率，結合該孔9.36m的測年結果，推算出標志層B2頂界(8.5m)的沉積年齡為 (20.206±0.085)ka BP。

標志層B3附近沒有鉆孔樣品控制，鑒于用現有年齡數據推算將產生較大誤差，同時從現有測年結果看，該層已屬中更新世地層，故不再估算標志層B3的沉積年齡。

1.1.3 最新活動時代及滑動速率

剖面中斷層錯斷了標志層B1的底部(下盤埋深6.12m)，向上被標志層B1中一細砂夾層所覆蓋，該細砂層底部埋深(4.62m)即為上斷點埋深上限 (圖3)。孔Z2－1中5.2m處樣品測年結果為(8.0±0.5)ka BP(表1)，因此，蘆花臺隱伏斷層在規劃一路鉆孔剖面處為全新世活動斷層，最新活動時間不晚于(8.0±0.5)ka BP。

標志層的斷距反映了斷層在標志層沉積以來的累計位移，因此，由標志層斷距和沉積年齡可以估算斷層的滑動速率。標志層B1底界沉積年齡為(9.8±0.6)ka BP，累計位移0.71m，標志層B2底界沉積年齡為(101±9.60)ka BP，累計位移9.52m，這兩處標志層位的年齡大致和全新世、晚更新世上限相當，所以估算出斷層在全新世以來、晚更新世以來的垂直滑動速率分別為0.073mm/a和 0.094mm/a。

1.2 前進農場一隊剖面

1.2.1 剖面布設

剖面位于石嘴山市崇崗鎮前進農場一站一隊附近，以149°方向重合淺層地震測線LHTC1(8m道距)布設。測線LHTC1解釋的斷層上斷點在地表垂直投影位于樁號1 640m處，斷層東傾。以此為準，在樁號1 670m處布設鉆孔Z3－1為剖面西端，于樁號1 575m處布設鉆孔Z3－2為剖面東端。剖面全長95m，由9個鉆孔組成，單孔深最大82.91m，最小7.24m，總進尺445.84m，孔間距最大47.5m。最小1m，(圖4，5)。

1.2.2 標志層及沉積年齡

1.2.2.1 標志層特征及斷距

前進農場鉆孔聯合剖面中具有一定厚度的黏性土層有2層。在第2層黏性土層內，分布一層細砂夾層，特征較為明顯，也將其作為標志層(圖5)。各標志層特征及斷距簡介如下(表2)。

標志層B1 為剖面表層，主要為黏土、砂黏土，局部夾有黏砂土及細粉砂，上部呈黑灰色，下部為黃灰、淺棕紅色。在斷層下盤，該層底界埋深約4.85m，上盤底界埋深約6.40m，斷層附近底界斷距為1.15m;

標志層B2 顏色為灰、黃灰、黑灰及淺棕紅色，以黏土、砂黏土及黏砂土為主，夾砂層。該層底面普遍下伏一層淡黃色粉砂。在斷層下盤，該層頂底界面埋深于15.31～36.96m，在上盤，埋深于17.09～46.68m，頂、底斷距分別為1.78m、9.92m;

標志層B3 淺灰色細砂，夾于黏性土之中，含有泥質。剖面西部厚度較穩定，在剖面中部尖滅，地層略向東傾斜，因夾于標志層B2之中，易于辨別。斷層兩盤測年數據也表明確為同一地層(表1)。該層頂底界面在下盤埋深于20.31～21.53m，上盤埋深于24.31～25.81m，頂底斷距分別為4m、4.28m。

1.2.2.2 標志層沉積年齡確定

針對標志層B1底界，共測試Z3－3－TL04、Z3－4－TL03及Z3－7－TL03等3個釋光樣品來控制其沉積年齡 (表1、圖5)。其中，Z3－3－TL04和Z3－7－TL03樣品測年結果較一致，這里直接采用Z3－3－TL04樣品的結果，即標志層B1底界沉積年齡為(6.5±0.2)ka BP。

標志層B2頂界有Z3－3－TL07和Z3－4－TL08兩個樣品控制，并位于斷層不同盤，但二者結果偏差較大，結合標志層B1底界的2個測試結果，認為樣品Z3－4－TL08的結果較可靠，反映了標志層B2頂界的沉積年齡，即為(28.0±1.2)ka BP;樣品Z3－3－TL15和Z3－4－TL14控制標志層B2底界沉積年齡，二者測試結果較一致，考慮二者同B2底界的位置關系，選擇Z3－4－TL14的結果為B2底界的沉積年齡，即(55.0±2.7)ka BP。

圖3 規劃一路鉆孔聯合探測地質剖面圖Fig.3 The composite drilling geological section at Guihua First Road.

標志層B3只針對其底界采取Z3－3－TL10和Z3－4－TL10兩個樣品以控制其沉積年齡，測試結果表明二者數值基本一致，考慮樣品位置，選擇Z3－3－TL10的結果為標志層B3底界的沉積年齡，即(43.7±1.8)ka BP。

1.2.3 最新活動時代及滑動速率

前進農場一隊鉆孔聯合剖面中斷層上斷點埋深＜4.8m，剖面顯示斷層明顯錯斷標志層B1底界(圖5)，而該底界沉積年齡為(6.5±0.2)ka BP，由此判斷蘆花臺隱伏斷層在前進農場一隊剖面最新活動晚于(6.5±0.2)ka BP，該斷層屬于全新世活動斷層。

圖4 前進農場一隊鉆孔聯合剖面鉆孔布設位置圖Fig.4 The relative position of boreholes at Qianjin farm composite drilling section.

標志層B1底界沉積年齡為(6.5±0.2)ka BP，累計位移1.15m，標志層B2頂界的沉積年齡為(28.0±1.2)ka BP，相應累計位移1.78m(表2)。那么，全新世斷層的累計位移值應在1.15～1.78m之間。1.78m為全新世斷層最大可能位移，而1.15m為最小可能位移，估算出全新世以來斷層垂直滑動速率在0.12～0.18mm/a之間。根據標志層B2底界的沉積年齡((55.0±2.7)ka BP)和斷距(9.92m)，計算得到晚更新世中期以來斷層的垂直滑動速率為0.18mm/a。

1.3 賀蘭山農牧場剖面

1.3.1 剖面布設

剖面位于銀川市西夏區北賀蘭山農牧場附近，以90.5°方向重合淺層地震勘探對比試驗2測線(2m道距)布設(圖6)。該測線解釋的斷層為向東傾斜的正斷層，上斷點地表垂直投影點位于1 010m樁號處。剖面西端鉆孔NXZS2－3位于對比試驗2測線1 074m樁號處，剖面長115m，由6個鉆孔組成，孔間距最大30m，最小14.5m，單孔深最大100.01m，最小50.00m，總進尺408.4m。

1.3.2 標志層及沉積年齡

賀蘭山農牧場剖面中標志層僅有一層(圖7)，巖性為黏砂土和砂黏土互層。由于黏性土與砂性土之間的顯著區別且在剖面中分布連續穩定，層位界面清楚。在斷層上盤該層頂底界面埋深于25.58～38.07m，下盤埋深于25.58～33.05m，頂面平緩沒有落差，底面斷距5.02m(表2)。

據表1樣品測年數據結果，鉆孔NXZS2－6埋深19.85m處地層沉積年齡124ka BP，埋深42m處地層沉積年齡165ka BP。考慮銀川盆地持續下降的特點，假定在兩者埋深間地層沒有沉積間斷并均勻沉積，從而求得該段地層平均沉積速率為0.054mm/a。結合標志層B1在下盤的頂、底面埋深，以0.054mm/a的沉積速率推算，估算標志層B1的大致沉積時間為134.60～157.70ka BP。

圖5 前進農場一隊鉆孔聯合探測地質剖面圖Fig.5 The composite drilling geological section at Qianjin farm.

1.3.3 最新活動時代及滑動速率

從剖面中可以看出，標志層B1被斷層錯斷，但其上覆層穩定平緩，頂、底面均沒有明顯落差，表明該層沉積以來，斷層再未發生明顯的斷錯。據此判斷，斷層上斷點埋深上限為標志層B1頂面埋深為25.58m，而該標志層的底面作為上斷點埋深的下限。

根據測年結果估算的19.85～42m段的平均沉積速率為0.054mm/a。用此數值推算埋深25.58m處地層的沉積年齡為134.60ka BP。可見，蘆花臺隱伏斷層屬于中更新世末期活動斷層，晚更新世以來不再活動。

根據標志層B1的垂直位移和沉積時間(表2)，可以估算斷層在相應時段內的垂直滑動速率。前已提及斷層在134.60ka BP以來沒有發生活動，而標志層B1底面的斷距為5.02m，對應沉積年齡約為157.70ka BP。因此，在134.60～157.70ka BP之間(大致相當于中更新世末)，斷層的累積垂直位移為5.02m，由此可估算中更新世末期斷層垂直滑動速率為0.22mm/a。

圖6 賀蘭山農牧場鉆孔聯合剖面鉆孔布設位置圖Fig.6 The relative position of boreholes at Helanshan farm composite drilling section.

2 結論與討論

通過3條鉆孔剖面的探測，基本明確了蘆花臺隱伏斷層在南北兩段的活動特征。盡管在軍馬場—暖泉間缺乏相應資料，但我們仍有可能在當前資料的基礎上探討蘆花臺隱伏斷層在晚第四紀的活動特征。

(1)鉆探結果表明，規劃一路剖面最新活動時代至少為(8.0±0.5)ka BP，全新世垂直滑動速率為0.073mm/a，晚更新世以來垂直滑動速率為0.094mm/a;而前進農場一隊剖面最新活動時代不早于(6.5±0.2)ka BP，全新世垂直滑動速率在0.12～0.18mm/a之間，晚更新世中期以來垂直滑動速率為0.18mm/a;賀蘭山農牧場剖面134.60ka BP以來不活動，在134.60～157.70ka BP之間(大致相當于中更新世末)，斷層的累積垂直位移為5.02m，中更新世末期斷層垂直滑動速率為0.22mm/a。

(2)蘆花臺隱伏斷層的活動性北強南弱，差異明顯。北段為全新世活動斷層，而南段屬中更新世末活動斷層。另外，從不同時期累計位移的變化看，蘆花臺隱伏斷層北段內部又各有特點，在空間上表現為活動性由北向南逐漸增強，從時間上看，全新世活動強度弱于晚更新世，晚更新世后期可能為轉折期。但即便在不同時期，斷層活動強度仍呈現北弱南強的趨勢。南北兩段活動時代的差異可能和偏離賀蘭山東麓斷層的距離有關，而北段內的活動性差異則可能和向北更接近于斷層的末端有關。

(3)受活斷層探測目標區的限制，本次工作未能獲得蘆花臺隱伏斷層南北分段界線的確鑿證據，但從已有銀川地塹深部和第四系等厚線資料推測，蘆花臺隱伏斷層南北分段界線當在暖泉南5km一帶。橫跨銀川盆地的深地震反射勘探測線結果揭示，蘆花臺斷層南段在地下12～12.5km處和賀蘭山東麓斷層相交(方盛明等，2009)。從兩條斷層平面展布上看，由于賀蘭山東麓斷層在插旗口以南整體偏西，而蘆花臺斷層走向穩定，因此在暖泉以南兩斷層間距達15km，而以北兩者間距在3～6km之間。據此判斷，北段兩斷層在底部相交深度可能＜5km。顯然，蘆花臺隱伏斷層之所以在北段為全新世活動，而在南段為中更新世末活動，主要是受賀蘭山東麓斷層活動牽連所致，北段兩者間距小，向下交會深度淺，易于牽連活動，而南段間距大，相交深度大，不易于受牽連。另外，沿蘆花臺斷層第四系等厚線的分布也可表明在暖泉附近為一變化界線，在暖泉以北第四系等厚線變化劇烈，從1 200m增到2 000m，表明斷層活動強烈;而其南則變化較緩，厚度變化于800～1 000m之間，表明斷層活動相對較弱。基于上述分析，將暖泉南5km一帶作為蘆花臺斷層南北兩段的分界是合理的。

圖7 賀蘭山農牧場鉆孔聯合剖面圖Fig.7 The composite drilling geological section at Helanshan farm.

(4)本文將一些標志層位的斷距作為該層位沉積以來的斷層累計位移，這意味著斷層在該層開始沉積之時便開始活動，但事實上斷層活動可能要晚于該層位沉積年齡。若能獲得該層內高分辨率的亞層界線，則可以較好地限定出斷層斷錯的時間，但受限于地層分布和鉆探技術水平，目前難以達到。從剖面揭示的標志層生長特性看，斷層在該標志層沉積過程中必定發生了活動，因此，所估算的滑動速率應當略偏小。另外，鉆探對斷層最新活動時代的判斷是根據標志層的落差變化鑒別的，如果后期斷層活動規模很小，或者受砂土液化擾動，或者鉆孔間距不足夠小，那么鉆探揭示的最晚活動時間可能偏老，如有條件，開挖槽探以進行精細研究是必要的。一般而言，如果斷層確實發生了鉆探難以識別的輕微變形活動，一方面表明該斷層的活動性偏弱，難以產生明顯位錯，另一方面也表明活動時間不會和鉆探所確定的時間偏差過大，對斷層定性不會有質的影響。

致謝 釋光樣品由中國科學院地球環境研究所測試，14C樣品由北京大學考古文博學院測試，審稿專家提出了寶貴意見，在此一并表示感謝。

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ACTIVITY CHARACTERISTICSOF LUHUATAIBURIED FAULT SINCE LATE QUATERNARY REVEALED BY DRILLING

LEIQi-yun1，2)CHAIChi-zhang2)DU Peng2)WANG Yin2)MENG Guang-kui2)
1)Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonmomous Region，Yinchuan 750001，China

Luhuatai Fault is one of the important buried tectonics in Yinchuan Basin.Based on the results of shallow seismic exploration，we conducted composite drilling section exploration and dating of the samples of borehole.Some useful data of the fault were obtained，such as the depth of upper breaking point，the latest activity age，displacement in late Quaternary，and slip rates，etc.This study shows that the activity is different between the north and south segment along Luhuatai Fault.The north segment is a Holocene fault，while the south segment is a latemid-Pleistocene fault.From north to south along the north segment of Luhuatai Fault，the activity has enhanced，and the faulting is stronger in late Pleistocene than Holocene.

buried active fault，composite drilling section，key horizon，slip rate

P315.2

A

0253－4967(2011)03－0602－13

10.3969/j.issn.0253 － 4967.2011.03.010

2011－03－14收稿，2011－04－25改回。

全國地震重點監視防御區活斷層危險性評價項目(1520930027)和地震行業科研專項經費項目(201008003)共同資助。

雷啟云，男，1981年生，2005年畢業于蘭州大學地質工程專業，獲工學碩士學位，工程師，在讀博士研究生，現主要從事活動構造研究工作，電話:0951－5068227，E－mail:leiqy 624@163.com。