盆地邊界活動正斷層多尺度構造地貌研究
----以京西北蔚廣盆地南緣斷裂帶為例

王 林

(中國地震局地質研究所，北京 100029)

京西北盆嶺構造區中發育有懷涿、蔚廣、延礬、陽原、靈丘、懷安和淶源等一系列斷陷盆地單元，這些斷陷盆地的邊緣大都受到了NE向活動斷裂帶的控制。該區內的蔚廣盆地就是一個受南部邊界正斷層控制的、南深北淺的不對稱的半地塹盆地。而蔚廣盆地南緣斷裂帶即為控制該盆地南邊界的正斷層系，也就是本文的研究對象。

自從蔚廣盆地形成以來，蔚廣盆地南緣斷裂帶已經經歷了長期的構造演化歷程，使得斷裂帶南側上升盤不斷地抬升，形成山體區域；而北側下降盤不斷地沉降和接受沉積，形成盆地區域。蔚廣盆地南緣斷裂帶是一條活動斷裂帶，自從有歷史記載以來，盆地內已經發生過5次地震，主要包括公元前231年6.5級，1581年5.75級，1618年6.5級，1911年5.5級以及1956年4.5級地震。

蔚廣盆地南緣斷裂帶是一個由多條斷層組成的、演變方式比較復雜的正斷層性質的斷裂帶。周廷儒等(1991)對該斷裂帶的新構造運動特征進行過一定的研究，認為該斷裂帶先是繼承和利用了燕山運動中、晚期形成的北東向壓型結構面，在此基礎之上才進一步發展成為張性斷裂體系，存在著一種構造反轉的過程。徐錫偉等(2002)對該斷裂帶的分段性進行過一定的研究，根據次級斷層空間展布的幾何結構和長期斷裂作用造成的斷錯地貌差異，蔚廣盆地南緣斷裂帶可以劃分為5個地震破裂段落，自西向東依次為上白羊段、唐山口段、北口段、松枝口段以及上虎盆段。蔚廣盆地南緣斷裂晚更新世以來的活動部位主要集中在松枝口、北口、唐山口等3個段落上，它們是控制蔚廣盆地第四紀持續活動的主邊界斷裂段，與盆地的沉降中心部位相對應。而東、西兩端的上虎盆段向上白羊段晚更新世以來的活動性已經十分微弱。程紹平等(1998)對斷裂帶九宮口段的斷層生長現象有過一定的研究，研究表明該處的斷層在晚更新世晚期的沖積扇內已經向西生長了數千米。

在“我國地震重點監視防御區活動斷層地震危險性評價”項目的子課題“首都圈地區蔚縣—廣靈斷裂50 km條帶狀地質填圖”的支持下，作者長期參與了蔚廣盆地南緣斷裂帶有關科研工作。一方面，在地貌面解譯的過程之中，在斷裂帶的附近發現了大量變形的地貌面，主要包括唐縣期、甸子梁期的兩期地貌面，然而前人對于這些地貌面變形的研究卻不是很多，對這些變形層狀地貌面在整條斷裂帶尺度范圍內的空間分布規律、形變特征規律缺乏系統的研究和深入的認識。

另一方面，通過對斷裂帶的遙感解譯和多次的野外地質考察，在斷裂帶上的許多地方還發現了各種形式的山前構造地貌，尤其是多處典型的斷層線性陡坎或線性形跡。這些典型的山前構造地貌在地貌演化、幾何展布以及斷層活動性等方面，各自都反映出了多種不同的特征。然而前人對于這些典型山前構造地貌的研究卻相當有限，僅程紹平等(1998)對斷裂帶九宮口段的一處斷層陡坎的生長現象有過一定的研究。總的來說，對斷裂帶局部斷層尺度范圍之內活斷層控制的構造地貌，以及有關活斷層的幾何結構、活動性及其演化方式和特點等方面缺乏充分的研究和認識。

此外，在更小的尺度范圍內，在斷層最新活動的控制之下，形成了各種典型微地貌，尤其是山前扇體中的斷層陡坎。然而前人對于這些典型的微地貌在古地震方面的研究也不是很多。在這些地方，關于古地震事件期次、復發周期、斷層活動等方面的許多問題，都是值得進一步深入研究的。

在上述的研究背景之下，基于在實際的野外、室內工作中所獲得的大量最新的數據和資料，本文通過不同尺度的構造地貌，以蔚廣盆地南緣斷裂帶為例，對盆地邊界活動正斷層進行了研究。主要是針對前人在上述一些研究方面的空白或者不足之處進行了開創性或者補充性的研究，并取得了一些新的結論和認識，主要包括以下幾個方面：①斷裂帶上升盤斷塊的構造運動方式，究竟是構造抬升還是掀斜旋轉；②斷裂帶的運動學模型及相應的演化階段；③斷裂帶的分段性；④斷層的復發周期和活動速率等。

所謂的尺度，包括兩個方面的尺度，即時間尺度和空間尺度。時間尺度是指構造地貌所經歷的構造演化時期的長短，空間尺度是指構造地貌分布范圍的大小。而空間尺度又進一步分為平面尺度和高程尺度。本文研究中大尺度的構造地貌主要是各種變形的夷平面，以唐縣面、甸子梁面為主；小尺度的構造地貌主要是山前活動斷層控制形成的各種山前構造地貌，以各種典型的斷層線性陡坎或形跡為主；微尺度的構造地貌主要是局部典型的活斷層微地貌，以研究區域內宜興鄉附近山前晚更新世扇體中的斷層陡坎為主。

1 夷平面形變研究

變形夷平面研究的主要內容是各種夷平面的具體變形特征，目的是通過這些變形特征弄清半地塹構造體系中地塊的運動方式，包括具體的運動形式、運動方向、運動時代以及運動幅度(量)等方面。首先從Google Earth提取出變形夷平面的圖層數據，再將夷平面數據轉換成ArcGIS平臺支持的數據格式。提取出的變形夷平面屬于面數據，首先對該面數據進行空間三維分析，找到面數據中發生變形的部位及具體的變形方式。對于面數據中形變顯著的部分，選取適當的位置作出高程剖面線，那么通過剖面線之中的高程變化形態就能夠直觀地反映出地貌面的變形方式。接下來找到高程變化形態中由于構造運動而造成的變形部分，通過對該部分進行定量分析、參數提取，便可以進一步提取出地貌面構造變形的定量數據。

通過對提取出的變形唐縣面以及唐縣寬谷的總體空間展布特征進行分析，發現山前斷層幾乎都展布于唐縣寬谷分布的范圍之內，很少能有山前斷層展布于這個范圍之外，更沒有山前斷層能夠穿過、斷錯唐縣寬谷范圍之外的甸子梁面以及蝕余山體。也就是說山前斷層普遍地穿越并斷錯了唐縣寬谷以及谷內的唐縣寬谷面。從唐縣寬谷以及唐縣面展布位置和山前斷層展布位置之間良好的一致性和對應關系來看，唐縣寬谷及唐縣寬谷面的形成受到了斷層活動的控制和影響，也就是說唐縣寬谷及寬谷面與邊界斷層之間存在著成生關系。在唐縣寬谷及寬谷面的形成過程之中，雖然盆地尚未開始裂陷，但是邊界斷層應該已經有所活動，只不過活動程度要弱于后來盆地裂陷時期內的山前斷層。在邊界斷層微弱活動的控制之下，首先使得水系主要沿著斷裂帶的走向展布；而隨著水系的進一步展寬、側蝕，才逐漸形成了唐縣寬谷以及唐縣寬谷面，最終使得唐縣寬谷及寬谷面主要沿著邊界斷層的走向展布。

對于被山前斷層斷錯的唐縣寬谷的展布方向，有的與山前斷層的走向近于垂直或者大角度相交，相應地這些寬谷內的唐縣寬谷面延伸和展布的方向也與山前斷層的走向近于垂直或者大角度相交。在研究區域內的東大云疃、瓦窯子、北口、大探口村、東莊頭村、坡巖村、直峪村、唐山口附近，都存在這樣的唐縣寬谷以及唐縣寬谷面。還有的寬谷面的展布方向與山前斷層的走向近于平行或者小角度相交，相應地這些寬谷內其中一側的唐縣寬谷面的展布方向也與山前斷層的走向近于平行或者小角度相交，形成所謂的山麓階梯面；而另一側的寬谷面則由于被山前斷層斷錯而發生下降，目前已被第四紀沉積層所掩埋和覆蓋，已經無法見到。在研究區域內的東大云疃與瓦窯村之間的段落、東莊頭村與坡巖村之間的段落以及宜興鄉鄭家莊村、大探口村、南馬莊等處附近的段落，都有這樣的唐縣寬谷以及山麓階梯面。通過將各個地方各種類型的變形唐縣面的剖面形態累加在一起，得到了上升盤地塊在山前斷層附近掀斜運動的方式和規律。從唐縣面變形剖面的累加結果來看，寬谷面的掀斜運動主要包括兩種分量，一種是順時針方向的旋轉分量，另一種是垂直方向的抬升分量。隨著寬谷面掀斜區域內掀斜程度的逐漸增加，斷層崖頂點被抬升到的高度也在逐漸增加，也就是說旋轉分量和抬升分量表現為同步的增加，與此同時山前斷層崖區域內斷層崖坡面的出露長度也在增大，而坡面的傾角則在逐漸減小。通過對掀斜運動的各項參數進行相關分析和回歸分析，估算出控制唐縣面發生變形的局部掀斜旋轉軸的長度約為1 300～1 400 m。

此外，唐縣面抬升高度沿斷層走向還存在著橫向的變化，而且抬升高度曲線的幾何形態與斷層的幾何形態存在著對應一致的關系。一方面，與平坦形態的曲線對應的斷層段落的幾何形態也是相對平直的；另一方面，與彎曲形態曲線對應的斷層段落的幾何形態同樣也是相對彎曲的。對于唐縣面抬升高度曲線的這些形態變化特征的可能原因也進行了分析。可能的原因主要有以下兩種。

第一種原因可能是由于斷層平面跡線的不規則性。在山前斷層平面跡線不規則，而地塊掀斜旋轉軸線相對平直的情況下，如果整個地塊繞著掀斜旋轉軸線發生整體性的掀斜旋轉，那么斷層平面跡線的平直段落所對應的變化曲線段落的形態也是平直的，而彎曲段落所對應的變化曲線段落的形態也是彎曲的。與此同時，越是往山前的方向，唐縣面的抬升高度越大，而越是往山里的方向，唐縣面的抬升高度越小，從而造成唐縣面抬升高度沿著斷層走向的橫向變化。

第二種原因可能是掀斜程度自身的橫向變化和不均一性。對于掀斜程度相對穩定的段落，地塊掀斜角相對穩定，傾滑量以及唐縣面的抬升高度也都相對穩定，相應的變化曲線的形態也相對平直。在這種情形之下，斷層崖的坡面會近似地成為三維空間內一個坡面長度和傾角均比較穩定的傾斜平面，該傾斜平面與水平的形態平直的交線的位置即為斷層的位置，因此，此時斷層幾何形態也是相對平直的。而對于掀斜程度變化或波動程度較大的段落，地塊掀斜角度變化和波動較大，相應的傾滑量以及唐縣面的抬升高度也會發生較大的波動和變化，相應的變化曲線的形態也會出現波狀起伏的彎曲形態。在這種情形之下，如果斷層的幾何形態是平直的，那么斷層崖的坡面就會在三維空間內形成不規則的曲面形態，而這種不規則曲面在形態上凸凹不平，在結構上也缺乏穩定性，不利于斷層面的發育；而如果將斷層的幾何形態稍加彎曲，便可以將斷層崖坡面構建成類似于研究區域內多個地方的實際的坡面形態，而這種坡面的三維空間形態更加平滑，在力學結構上也更加趨于穩定，因此這種曲面形態能夠更好地適應并滿足斷層面正常發育的要求。總的來說，對于掀斜程度變化或波動程度較大的段落，斷層幾何形態的平直性是以犧牲掉斷層崖坡面結構的穩定性以及坡面形態的平滑性為代價的；反過來說，要想在一定程度上維持住斷層崖坡面的穩定結構以及平滑形態，就要在一定程度上犧牲掉斷層平直的幾何形態。可以說，這兩個方面是相互制約、相互矛盾的，只能滿足其中的一個方面，不可能兩方面同時滿足。然而斷層面能夠進行正常的發育往往是具有優先權的，是處于第一位的，因此為了適應這樣的要求，會優先選擇犧牲掉斷層幾何形態的平直性，來提高斷層崖坡面的穩定性、平滑性，以利于斷層面的正常發育。因此，對于掀斜程度變化或波動程度較大的段落，其唐縣面抬升高度變化曲線的形態相對彎曲，同時所對應的斷層段落的幾何形態往往也是相對彎曲的。

此外，通過對提取出的甸子梁面和唐縣面的變形情況進行綜合分析和疊加分析，發現整個上升盤地塊的掀斜程度隨著遠離山前斷層呈現出逐漸衰減的趨勢。

2 山前構造地貌的研究

山前構造地貌研究的內容主要是斷裂帶上多處典型的斷層線性陡坎/形跡的構造地貌特征、斷層幾何結構特征以及斷層陡坎的活動性等方面，目的是通過對各處斷層陡坎在這些方面的特征進行對比分析和總結，弄清最新活動斷層的形跡展布特征與幾何結構演化，以及相應的控制或影響因素。

通過野外地質地貌調查、高分辨率遙感影像解譯、3D分析、探槽挖掘以及探地雷達探測(GPR)等技術手段，在斷裂帶上的多處發現了各種類型的斷層線性陡坎和形跡。斷層陡坎集中發育于兩類地方，第一類是斷層錯列區，第二類是斷層幾何結構不規則的段落。

通過對各種典型的斷層陡坎地貌的特點進行對比分析和總結，發現斷層陡坎往往形成和發育于幾何形態發生不規則的段落或區域內，也就是說斷層幾何結構的不規則性是影響或決定斷層陡坎是否發育的主要因素，同時陡坎的發育對這種不規則性具有“截彎取直”式的消除和平滑作用。斷層陡坎的這種發育特點是具有內在的構造成因的。就本文所討論的蔚廣盆地南緣斷裂帶來說，斷裂帶由于繼承了燕山期的某些構造面、弱化帶，增加了其幾何結構上的復雜程度、不規則性，或者可以統一地說成粗糙度。在晚更新世晚期以來新的拉張應力場的作用之下，一方面，這種粗糙度在一定程度上增加了盆地內半地塹地塊下滑運動面所受的摩擦阻力，對地塊滑動產生阻礙作用；另一方面，在重力場的作用之下，盆地內的半地塹地塊又具有著一種自然而持續的沿滑動面進行下滑的趨勢。因此，在這樣一種情況下，為了克服斷層幾何結構不規則性帶來的阻礙作用，斷層陡坎集中地形成和發育于斷裂帶上的這些不規則處，逐漸截斷、去除這些棱角、曲折或間斷等一系列的不規則形態，使斷層的幾何結構以及斷層滑動面變得更加規則和平滑，這樣便降低了滑動面的粗糙度，更加有助于半地塹地塊的下滑運動。

此外，斷層陡坎發育和活動的時間還受到斷層段落最大位移值的影響。隨著斷層段落最大位移值的增大，斷層陡坎活動時間越長；反之，則越短。

3 活斷層微地貌和古地震的研究

活斷層微地貌與古地震研究的主要內容包括，活斷層控制之下形成的微地貌的地形特點、影響因素以及演變方式等，以及古地震事件期次、復發周期以及斷層活動速率等定量參數的分析和研究。

通過橫跨陡坎開挖探槽，可以識別古地震的各種變形標志和沉積標志，比如斷錯標志地層、斷錯扇體表面、斷層破碎帶、地震構造楔、地震崩積楔、古地震地層沉積序列等方面，一共確定了2次地震事件E1和 E2。E1距今(16.66±1.39)～(10.62±0.87) ka，E2距今(9.20±0.79)～(7.85±0.14) ka，可能更靠近(9.20±0.79) ka。復發間隔約為2.7～7.5 ka。此外，單次古地震事件的位錯量約為3.5 m，地震震級估計為7.9級左右。通過進一步研究發現，斷裂帶的唐山口段和北口段先是隨著斷層截彎取直式的發育特點逐漸地發生聯合，之后在聯合破裂段的活動和控制之下才發生了E1和 E2。

最后，對以上3個方面的分析結果進行歸納和綜合，總結出了蔚廣盆地南緣斷裂帶山前活動斷層的具體演化過程。