萬全斷裂的幾何結(jié)構(gòu)和活動特征1

周江林 尤惠川 周月玲 邵翠茹 楊歧焱 李津津 張征宇

1）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2）河北省地震局，石家莊 050021

引言

萬全斷裂地處晉冀蒙交接地區(qū)，是洋河盆地北緣斷裂帶的組成斷裂之一。所屬斷裂帶是山西斷陷構(gòu)造帶北部與張家口-渤海斷裂構(gòu)造帶西部的一條復(fù)合型斷裂帶（河北省地質(zhì)礦產(chǎn)局，1993；高占武等，2001；尤惠川等，2008），構(gòu)成了山西斷陷帶與燕山斷塊的構(gòu)造分界，控制了洋河盆地的北部邊界，所在盆地構(gòu)造復(fù)雜，受到北西西向張家口—渤海構(gòu)造帶和北北東向山西斷陷帶的復(fù)合作用。萬全斷裂總體上呈北東走向展布，長約 15km，由南、北兩條次級中高角度正斷層組成，控制著附近的新構(gòu)造活動：斷裂西北側(cè)中生代地層抬升，形成低山丘陵；東南側(cè)下降接受第四紀(jì)堆積，構(gòu)成山間盆地。然而，對于洋河盆地北緣斷裂帶特別是其中長度不大、但位置特殊的萬全斷裂，一直以來多被人們所忽視，不管是基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查還是活動性研究都很薄弱，有關(guān)其幾何結(jié)構(gòu)和構(gòu)造活動的資料極少，很多細(xì)節(jié)不清楚，更多是斷裂帶其它斷裂的考察與研究（楊文遠(yuǎn)等，1988；方仲景等，1994；朱德瑜等，2000；周月玲等，2010）。

本文根據(jù)作者等人在城市活斷層探測與地震危險性評價和地震行業(yè)科研專項(xiàng)1:5萬地質(zhì)填圖中獲得的詳實(shí)資料，對萬全斷裂的幾何結(jié)構(gòu)和構(gòu)造活動進(jìn)行分析與研究。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造概況

1.1 地層發(fā)育與構(gòu)造演化

萬全斷裂所在區(qū)域大地構(gòu)造上屬于華北地臺，其結(jié)晶基底為太古代—早元古代變質(zhì)巖系，之上堆積有中、晚元古代—古生代沉積蓋層，以碳酸鹽巖和碎屑巖為主。中生代期間主要為斷塊差異運(yùn)動，之后，構(gòu)造演化進(jìn)入喜馬拉雅構(gòu)造發(fā)展階段。白堊紀(jì)末至古近紀(jì)初，本區(qū)構(gòu)造活動相對平穩(wěn)，廣大地區(qū)處于剝蝕環(huán)境。新生代期間，本區(qū)以裂陷構(gòu)造和斷塊隆起為主要特征，形成了晉冀北盆嶺構(gòu)造和張北壩上隆起。第四紀(jì)期間，形成洋河（張家口—宣化等）山間盆地，第四系厚度最大可達(dá)240m以上。

1.2 地貌與新構(gòu)造特征

萬全斷裂附近區(qū)域在新構(gòu)造上屬于晉冀北萬全—宣化盆嶺構(gòu)造。斷裂以北、以西是火焰山—猴兒山強(qiáng)烈隆起，以南、以東主要為萬全—宣化斷凹盆地（圖1）。火焰山—猴兒山強(qiáng)烈隆起主體位于北西西向的張家口斷裂以北，地塊峰頂面海拔高度大多在1400m以上，最高峰大于2000m，總體地勢呈北高、南低。自震旦紀(jì)以后，該區(qū)表現(xiàn)為持續(xù)面狀隆起，中、新生代以間歇性抬升為主，新生代地層在山間洼地零星分布。區(qū)內(nèi)北臺期夷平面海拔在1500m左右，唐縣期夷平面海拔約1300m，河谷發(fā)育2—3級階地。

圖1 萬全斷裂附近萬全—宣化盆地西部DEM圖像Fig. 1 The DEM image around Wanquan fault, west of Wanquan-Xuanhua basin

萬全—宣化斷凹盆地主要分布在張家口斷裂以南、萬全斷裂以東，盆地平均海拔 700m左右，是一個新近紀(jì)到第四紀(jì)早期的強(qiáng)烈斷陷，第四紀(jì)中、晚期以來斷凹繼續(xù)，但下降速度大大減弱。據(jù)鉆孔資料，中更新統(tǒng)為一套紅粘土和粘砂，厚40余米，主要分布在盆地南部山前地帶的沖溝底部；上更新統(tǒng)為一套黃棕色粘土，夾砂礫石，頂部常含1m左右的黑壚土，該套地層廣泛分布于盆地之中，并構(gòu)成沖洪積扇和沖洪積臺地。鉆孔資料揭示，萬全—宣化盆地地下8.18m為全新統(tǒng)，8.18—86.50m為上更新統(tǒng)，86.50—185.98m為中更新統(tǒng)，185.98—240.00m為下更新統(tǒng)，第四系厚度最大為240m（陳望和等，1987）。

新構(gòu)造運(yùn)動以來，區(qū)內(nèi)不同地塊之間表現(xiàn)出很大的構(gòu)造差異運(yùn)動。古近紀(jì)時期，本區(qū)處于剝蝕環(huán)境，形成準(zhǔn)平原化地形。新近紀(jì)期間，斷裂活動使早期準(zhǔn)平原分化、瓦解，形成一系列斷陷盆地，它們與周圍的隆起斷塊一起形成盆嶺構(gòu)造。萬全斷裂附近區(qū)域主要發(fā)育北東-北北東向和北西-北西西向兩組斷裂構(gòu)造，第四紀(jì)活動性較強(qiáng)。

2 斷裂幾何結(jié)構(gòu)特征

2.1 平面展布特征

萬全斷裂附近地區(qū)地質(zhì)地貌復(fù)雜，斷裂西北及北部10—25km以內(nèi)主要為中生代地層，以侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)的砂礫巖、泥巖地層為主，局部泥巖地層夾有煤線；斷裂東南及南部主要為第四紀(jì)沖洪積物地層，形成和緩的沖洪積扇（圖2）。萬全斷裂所在的洋河盆地北緣斷裂帶由一系列北西至北西西向、北東至北北東向及近東西向斷裂組成（參見圖 1，向西、向東延出圖外），全長140km以上。三組方向的斷裂互相交匯控制，它們的結(jié)構(gòu)構(gòu)造十分復(fù)雜，具有顯著的分段活動性質(zhì)，不同地段地質(zhì)、地貌、地震活動特征等不盡相同，有的甚至差異很大。萬全斷裂為走向北東、傾向南東的正斷層；相鄰的張家口斷裂和洗馬林?jǐn)嗔阎饕亲呦虮蔽魑?北西、高角度北傾的兼有逆沖性質(zhì)的走滑斷層。

圖2 萬全斷裂附近地質(zhì)構(gòu)造圖Fig. 2 Geological map around Wanquan fault in Hebei Province

萬全斷裂位于萬全盆地的西北邊緣，北起萬全鎮(zhèn)西，與張家口斷裂相交，向南西經(jīng)沙家莊、趙家梁，在鄒家莊南與洗馬林?jǐn)嗔严鄥R，全長 15km，分為南、北兩段：南段自沙家莊至賈賢莊，長約10km；北段向西錯列2km，從沙家莊到萬全鎮(zhèn)西，長約5km（圖2）。斷裂西北側(cè)是中低山區(qū)或淺山丘陵區(qū)，發(fā)育下白堊系青石砬組、中上白堊系洗馬林組；東南側(cè)是河川區(qū)，分布上更新統(tǒng)山前沖擊洪積物及馬蘭黃土。斷裂走向北東35°，傾向南東，傾角65°左右，為正斷層，構(gòu)成低山丘陵與河川盆地的分界線。

2.2 剖面結(jié)構(gòu)特征

2.2.1 電法剖面特征

測線位于盆窯村北，長1485m，近東西向跨越萬全斷裂北段隱伏部位，沿線通過河漫灘上一片稀疏的小樹林。從圖3上看，二維電阻率反演剖面由三層組成，表層為橘黃色高阻層，是由近地表河流相、河漫灘相粗顆粒砂礫沉積物引起的；表層以下為黃色-淺黃色中阻層，反映的仍為河流相粗顆粒沉積物；30m和48m深度以下除局部為中高阻外，大部分為中低阻，但斷裂以西整體表現(xiàn)為高阻，斷裂以東表現(xiàn)為相對低阻。在斷裂面沿線的下盤，地下水沿?cái)嗔衙嫦蛳陆当P匯聚，形成低阻現(xiàn)象。由電法剖面推測的斷層產(chǎn)狀得出此處斷層為高角度的正斷層，斷裂（740—760m）處為由高阻到低阻變化的截然界線，傾角較大；斷裂北側(cè)電阻普遍高于南側(cè)，由于斷裂面的阻水作用使得地下水流向發(fā)生改變，靠近斷層面處沿著斷裂的下盤地下水匯集，在剖面中斷裂下盤顯示電阻率比較低；斷裂面西側(cè)電法剖面底部為高阻，與東部的低阻形成鮮明對比。整體看電阻率剖面呈現(xiàn)高低電阻反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這是由于測線通過位置為河流相河漫灘相地層，表層地層顆粒比較粗糙，不能富水，底部地層顆粒比較細(xì)能夠含水所造成的。遠(yuǎn)離下降盤處相對上升盤也呈現(xiàn)了較大深度的中高阻，可能是由于測線在此處離開了河道，在田地中地層深部沒有河道中含水量大導(dǎo)致的。

圖3 盆窯北電阻率反演剖面及斷層解釋Fig. 3 Resistivity-inversion profile across Wanquan fault at north of Penyao village in Hebei Province

2.2.2 地形剖面分析

跨萬全斷裂制作了多條地形剖面，圖4顯示了斷裂帶附近兩次地形的微弱變化，推測斷裂在此處發(fā)生位錯。事實(shí)上，野外看到的地形剖面上的地貌變化更為明顯，能夠發(fā)現(xiàn)斷層陡坎的存在及斷裂兩側(cè)地貌的不同，斷裂西側(cè)為山峰山谷交替出現(xiàn)的海拔為850m以上的高地，斷裂東側(cè)為坡度和緩的沖洪積扇，為典型的傾滑斷層表現(xiàn)。

圖4 萬全斷裂兩側(cè)地形剖面，顯示了斷裂兩側(cè)的地貌反差Fig. 4 Topographic profile crossing Wanquan fault, showing the geomorphologic difference between two sides

3 斷裂構(gòu)造活動特征

3.1 北段構(gòu)造活動特征

萬全斷裂北段的地質(zhì)地貌表現(xiàn)極為清楚，侏羅紀(jì)低丘高臺與晚第四紀(jì)山前洪積扇和構(gòu)造洼地相接，形成一定規(guī)模和較為連續(xù)的斷層崖。在盆窯村北，褐色黃土狀含圓礫土層和礫石層之中發(fā)育多條斷層（圖5）。剖面上各層巖性特征如下：①灰色（表面褐色）松散礫石層，磨圓好，粒徑大者5—8cm，小者1cm左右，平均3—5cm，為河流相堆積，厚度大于5m；②褐色含礫黃土狀土，粒徑1—3cm者居多，具正韻律，厚1.8m；③鈣結(jié)核層，粒徑5—15cm，厚 0.2m；④純的褐色黃土，偶含1—3cm圓礫，厚度3m（西盤）或大于5m（東盤）；④-2粗砂礫石與含砂礫黃土互層，具水平層理，厚 1.2m；④-3褐色含較多礫石的黃土狀土，厚3.5m；⑤表部砂礫土，厚 0.2—0.5m。從地層顏色、巖性和構(gòu)造地貌位置分析，該套地層應(yīng)屬中更新世晚期堆積，因此，該處斷層的最新活動發(fā)生在中更新世晚期或其后（晚更新世）。其中，主斷層產(chǎn)狀為35°/SE∠80°，正斷東傾，最大垂直錯距約6m，下降盤下部黃土狀土樣品經(jīng)北京大學(xué)地表過程分析與模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測定，其光釋光年齡為（21.8±1.5）ka B.P.，據(jù)此獲得該處單一斷層的平均垂直活動速率大于0.03mm/a。

圖5 盆窯村北萬全斷裂地質(zhì)剖面Fig. 5 Geological section of Wanquan fault, north of Penyao village

在吳家莊北沖溝內(nèi)，見侏羅紀(jì)泥巖和第四紀(jì)黃土呈正斷層接觸（圖6），東側(cè)為主斷層，產(chǎn)狀40°/SE∠78°，地貌上構(gòu)成陡坎，斷層處近地表形成落水洞，斷面上發(fā)生片理化現(xiàn)象，滑動跡象清楚，具張性正斷性質(zhì)。主斷裂東盤為灰黃色、黃褐色含少量礫石、土塊的黃土，屬晚更新世晚期堆積。因此，該處斷層在晚更新世期間仍在活動，垂直錯距可達(dá)10m，若以30ka估計(jì)，其平均垂直活動速率約0.3mm/a。

圖6 吳家莊北萬全斷裂地質(zhì)剖面Fig. 6 Geological section of Wanquan fault, west of Wujiazhuang village

3.2 南段構(gòu)造活動特征

南段沿線斷層陡坎發(fā)育，多處可見白堊系紅色礫巖與上更新統(tǒng)呈斷層接觸，表明斷裂晚更新世以來有過活動。在張貴屯，斷層三角面前緣可見：斷層下降盤為晚更新世風(fēng)積黃土和人工堆積雜土，上升盤是磨圓、分選較好的白堊紀(jì)礫巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，較硬，最大粒徑為10—15cm，多數(shù)粒徑為3—5cm；剖面上發(fā)育多條斷層，總體走向北東向，傾角66°左右，最新斷層為白堊紀(jì)地層與第四紀(jì)地層之間的斷層，覆蓋于斷層上的灰黃色含礫砂土被斷層位錯；主斷層面附近礫石定向排列，斷面片理化，沿?cái)嗝嬗邪咨镔|(zhì)侵入。從地層特征分析，這套地層的堆積時代不會早于晚更新世。因此，斷層最新活動發(fā)生在晚更新世晚期或全新世。

在趙家梁東北沖溝內(nèi)發(fā)現(xiàn)多處斷裂地表露頭（圖7），為第四紀(jì)黃土地層內(nèi)部或第四紀(jì)黃土狀土與白堊紀(jì)礫石地層之間的斷層，傾角較陡，為70°—85°。斷層帶內(nèi)礫石定向排列，斷面劈理化、片理化。白堊紀(jì)礫巖滾圓，分選好，具水平層理，北西傾10°—20°，膠結(jié)一般到較好，為河流相沉積，地貌上形成頂面較平的低丘；斷裂另一側(cè)發(fā)育第四紀(jì)晚期的洪積扇，較平坦部分形成農(nóng)田。洪積扇頂部被斷層錯斷，形成清楚的斷層陡坎。

圖7 趙家梁東晚期斷裂地質(zhì)剖面Fig. 7 Geological section of Wanquan fault, east of Zhaojialiang village

在賈賢莊東清理了一個地質(zhì)剖面并在其下方開挖了一個探槽。上部地質(zhì)剖面清楚可見白堊系與晚第四紀(jì)堆積呈斷層接觸，接觸帶礫石定向排列，產(chǎn)狀為 30°/SE∠60°（圖 8）。在其下方進(jìn)一步的探槽開挖揭示，斷層產(chǎn)狀為走向50°，傾向南東，傾角72°；斷裂破碎帶為兩盤物質(zhì)攪和在一起，沿?cái)嗔褞С屎旨t色、黃褐色條帶分布，強(qiáng)烈變動帶寬約10—15cm（照1）。斷裂破碎帶以外兩盤物質(zhì)顯示比較清晰，上盤為晚第四紀(jì)堆積物，中上部夾有砂層透鏡體；下盤為灰綠色、灰白色白堊紀(jì)粉砂質(zhì)粘土巖，具有平行層理，斷層附近受構(gòu)造變動影響，傾角可達(dá)45°。

圖8 賈賢莊東晚期斷裂地質(zhì)剖面Fig. 8 Geological section of Zhangjiakou fault, north of Meijiaying

照1 賈賢莊東萬全斷裂探槽局部（鏡向東北）Photo 1 Fracture feature of Wanquan fault in the trench at east of Jiaxianzhuang village, view to northeast

4 結(jié)論

（1）萬全斷裂是晉冀蒙交接地區(qū)洋河盆地北緣斷裂帶的組成部分之一，由南段和北段斜列組成，各段多發(fā)育北東-北北東向多條次級斷層，總體呈北北東走向展布，長約15km，是萬全盆地西北緣一條重要的地質(zhì)地貌構(gòu)造分界線，控制著第四紀(jì)構(gòu)造演化和地貌發(fā)育：西北側(cè)抬升為低山丘陵，南側(cè)下降為盆地平原。

（2）萬全斷裂的組成斷層均為中高角度傾向南東的正斷層，沿線地表上形成明顯的斷層陡坎，剖面上錯斷晚第四紀(jì)不同時期的堆積物，垂直錯距可達(dá)數(shù)米至十米，最新活動時代為晚更新世晚期或全新世，平均垂直活動速率達(dá)0.03—0.3mm/a以上。

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