沙灣斷裂帶主要特征及災害影響

萬佳威， 陳陵康， 丁妍， 黃長生

(1.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州341000;2.中國地質大學(武漢)地質調查研究院，武漢430074; 3.中國地質調查局武漢地質調查中心，武漢430205)

沙灣斷裂帶主要特征及災害影響

萬佳威1， 陳陵康1， 丁妍2， 黃長生3

(1.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州341000;2.中國地質大學(武漢)地質調查研究院，武漢430074; 3.中國地質調查局武漢地質調查中心，武漢430205)

沙灣斷裂帶是珠江三角洲內重要的區域性活動構造，呈北西向展布，貫穿了整個珠江三角洲，多隱伏于城市和水系之下，是廣州及其周邊城市經濟發展的內在隱患.在野外地表調查、物化探勘察、測年分析等工作的基礎上，結合前人研究成果，發現沙灣斷裂帶延伸長、分布廣、時代新，具有多期活動的歷史，但在目前活動性較弱，主要從改變地應力和地殼穩定性、威脅工程建設的安全、控制震害和次生災害的形成3個方面對沿帶城市產生實際災害影響.

活動斷裂;災害影響;沙灣斷裂;珠江三角洲

活動斷裂一般是指晚更新世以來發生活動的斷裂構造，其不僅對地震發生具有直接影響，由其活動產生的地表位移更是對城市工程建設起著不可抗拒的直接破壞，如1906年San Andreas大斷裂對舊金山造成7.9級地震就令30萬人無家可歸[1].我國的活動斷裂研究自20世紀初開始萌芽，80年代開始進入定量化研究階段，至今已完成了不少令人矚目的成果.當前，鄧起東等[2-3]基于城市特征，對活動斷裂的探測技術及評價方法做出了清晰介紹，為相關研究工作提供了寶貴思路.

珠江三角洲經濟發達，人口密集，是中國三大城市群之一.廣州市作為廣東省會，是全省的政治、經濟、文化和教育中心，其重要性不言而喻.據《廣州城市總體規劃綱要(2011-2020)》顯示，廣州正準備在推動番禺發展和打造南沙濱海新城的過程中實現“南拓”戰略.而沙灣斷裂帶經過珠三角內多座城市，特別在廣州的番禺、南沙兩區密集分布，成為城市發展的內部隱患.作者針對本地區的實際情況，開展了一系列的調查，并比對他人研究成果，總結得出了沙灣斷裂帶的主要特征及其災害影響.

1 斷裂帶主要特征

沙灣斷裂帶發育于三水盆地的東部邊界處，總體呈北西方向展布，與近東西向的廣三斷裂和北東向的廣從斷裂交會，貫穿了整個珠江三角洲.該斷裂帶北起于廣州花都區白坭村，沿南東方向歷經南海、順德、番禺等地，最終從蕉門一帶進入伶仃洋(圖1).沙灣斷裂帶總長125 km，由16條斷裂組成，單條寬度幾米至幾十米不等，主斷裂位于斷裂帶中部的番禺沙灣一帶.除第四系外，沙灣斷裂帶主要通過元古界、寒武系、石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近系地層及志留紀花崗巖.現有研究資料表明，該斷裂帶在10萬年以來存在活動，屬活動斷裂[4-8].

圖1 珠江三角洲沙灣斷裂帶分布圖(資料源于武漢地質調查中心)

1.1 幾何學特征

斷裂帶北部地勢較高，為低山丘陵地貌;南部地勢平緩，為平原殘丘地貌.地表處從北到南，斷裂帶露頭在白坭、松崗、蓮塘、官窯、沙灣、大崗、南村、黃山魯等地零星出露，其余部分均被第四系覆蓋，隱伏于城市或水系之下.沙灣斷裂帶對第四系沉積及地表水系均有控制作用.黃玉昆等[9]認為，第四系沉積中心沿著斷裂方向排列，且斷裂兩側的沉積厚度不同，總體展現出上盤大于20 m、下盤小于20 m的現象.經調查發現，斷裂帶南部多條斷裂與水系發育關系密切，F09、F14、F16沿水道展布.綜合以往研究，結合調查結果，發現沙灣斷裂帶內部產狀較為復雜，不同斷裂在空間展布及斷裂形跡上存在差異，顯示多次活動的特點.調查數據顯示，斷裂帶總體走向310°～340°，傾向多為南西方向，部分北東，促使地表形成斷陷、斷隆地貌;傾角多較陡，在50°～80°之間，北部的F01、F06可達80°～85°.

1.2 運動學特征

斷層破碎帶物質多被磨碎，膠結松散，構造巖以碎裂巖、構造角礫巖為主.巖石具碎斑結構，礦物成分為石英、蝕變長石等，多見硅化、褐鐵礦化和擠壓透鏡體，可見石英被壓扁拉長.在黃山魯、赤坭、西淋崗等地的露頭處，還可見多組北西向張性裂隙被脈體充填.大崗鎮十八羅漢山有10余條延伸較遠、規模較大的方解石脈(ESR測年為晚更新世)，方解石在結晶程度及排列方向上存在分帶現象(圖2)，顯示多次拉張充填.由此可見沙灣斷裂帶存在多期活動歷史，是多次逆斷層、走滑斷層及正斷層相互疊加的結果.根據野外露頭觀察，按照擦痕階步的方向、次級構造及斷層錯斷巖層的情況，結合該區現有的地震震源機制解，認為近期沙灣斷裂帶主要運動形式為正斷層錯動或平移正斷層錯動.

圖2 十八羅漢山NW走向方解石脈體

1.3 活動性特征

珠江三角洲內部的北西向斷裂主要形成于漸新世至上新世的喜馬拉雅運動，更新世進行活動[10-11].最新測年資料顯示，武漢地質調查中心于大崗鎮十八羅漢山獲得北西向方解石脈的ESR年齡為(97± 9.0)ka和(113±11)ka;陳國能等于靈山大崗后山獲得的北西向方解石年齡為(71.3±4.9)ka、(56.6± 4.6)ka和(54.0±3.5)ka;而其他研究人員的測年數據均在晚更新世之前[4].為查明斷裂的活動信息，武漢地質調查中心在地表調查和大比例尺填圖的基礎上，于2012年在沙灣斷裂帶中段布設了多條淺層地震反射波法、高密度電法和土壤氡氣法測量剖面，均未發現斷裂帶在全新世強烈活動的確鑿證據[12].另外，任鎮寰等[13]根據重磁資料解譯判斷斷裂帶深度較淺，約為10 km，不超過20 km.宋方敏等[7]測得15 ka B.P.以來沙灣斷裂帶垂直位移較小，約為0.39 mm/a.近600年來，沿沙灣斷裂帶僅發生≥4.75級地震2次，未發生過＞5級地震，現代地震活動微弱.結合上述資料，認為沙灣斷裂帶的最新活動時代為晚更新世，全新世以來活動減弱，故判斷本斷裂為活動性不強的弱活動斷裂.

2 斷裂帶的災害影響

珠江三角洲內常見的地質災害有崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地面沉降及軟基沉降，存在發生破壞性地震的地質背景，對工程建設和居民的生命財產造成了安全威脅.沙灣斷裂帶為此提供了一定的構造基礎.但是，本區情況較內陸山地有所不同.珠江三角洲濱臨南海，氣候濕潤，持續強降雨和臺風現象頻發，常常單獨成災，并對地質巖土體發生強烈作用，形成相應災害鏈;同時，三角洲內人類活動強烈(如削坡建房、地下工程建設、大量抽取地下水等)，原有地質環境條件頻繁遭受改造破壞，人為因素往往成為災害發生的主導;然而，三角洲內斷裂的活動性總體不強，構造作用對除地震外的地質災害控制作用有限.故對于本區除地震外的表層地質災害而言，斷裂構造造成的影響遠不及氣象因素和人類活動[14].因此，綜合分析后，按照本區的災害事實，本文認為沙灣斷裂帶對造成的災害影響主要為以下三個方面.

2.1 改變地應力和地殼穩定性

地應力是地質環境和區域穩定性評價的基礎資料.在斷裂構造的影響下，地應力場隨之改變，并發生復雜變化.不同斷裂，甚至一條斷裂上的不同區段，因為規模大小、幾何形態、巖性和斷裂性質等情況的不同，應力狀態也將發生不同變化.有學者[15-16]認為，水平主應力通常隨深度的增加而增大，局部裂隙將導致應力值偏低或偏高，應力方向甚至也可能發生近90°逆轉，出現各種量值的突變的現象;而活動斷裂附近的地應力隨時間而改變，具體情況與斷裂的活動情況有關.當前，還未有對沙灣斷裂帶和周圍地應力場之間相互關系的研究，但珠三角地區隧道管線工程發達，地應力變化產生的圍巖垮塌等災害值得關注.此外，斷裂構造本身的規模和活動性對地殼穩定性還起著直接控制作用[17].張志強等[18]以此為主要參數，對珠江三角洲的區域地殼穩定性進行綜合評價，認為沙灣斷裂帶北部的廣州部分地區為不穩定區域.

2.2 威脅工程建設的安全

斷裂活動發生后，巖層的整體性和均一性發生變化，結合地下水的作用，場地地質條件變得十分復雜.而斷層的活動，無論蠕滑或粘滑，都將引發位移變形，對淺層地質體產生直接錯動，導致對建構筑物的剪切破壞.沙灣斷裂帶主要隱伏于地表之下，大面積分布于廣州市番禺區和南沙區，其存在和活動性成為隧道管線工程的安全隱患.斷層破碎帶總體結構松散，相對于周邊基巖屬軟弱夾層，在隧道施工時易造成涌水、坍塌等事故.另外，沙灣斷裂帶中發育的硅化角礫巖等硬巖使局部巖石力學性質陡然增大，將會直接阻礙盾構機的掘進.更重要的是，沙灣斷裂帶屬活動斷裂，上下兩盤的相對位移可對道橋、管線等線狀工程產生直接錯斷作用.特別是廣州作為全國第三大城市，僅地鐵線路現就有9條正在運營，因而本斷裂帶活動性造成的影響不容忽視.

2.3 控制震害和次生災害的形成

珠江三角洲地區人口密集、震害明顯，具備發生6級地震的構造條件，已被列為中國21個地震重點監視防御區之一.據統計[19]，珠江三角洲共發生Ms≥4.75級地震12次(表1)，其中4次與沙灣斷裂帶有關.宿文姬等[20]判斷，珠江三角洲未來震害主要出現在北西向和北東向的活動斷裂上，尤其是二者交會的部位.沙灣斷裂帶作為珠江三角洲內主要的活動斷裂之一，與多條北東向活動斷裂交會，具有一定的發震可能.

表1 珠江三角洲Ms≥4.75級地震情況

歷史上，沿沙灣斷裂帶共發生4.0～4.9級地震7次，5.0級地震1次 (1683年于佛山南海)，4.0級以下地震頻發，大多震源深度較淺，約1 km.由于本區震源較淺，地震對地面容易產生較大影響，并促成以下三類次生災害的形成.第一、沙灣斷裂帶周圍河道密布，地下水位較高，在地震的振動效應下易使全新世沉積的砂土發生液化，從而引發路面拉裂、噴砂冒水、地基強度失效、建構筑物開裂等災害.第二、珠江三角洲軟土大面積分布，沿沙灣斷裂帶向南，其厚度逐步遞增，南部萬頃沙地區甚至達40 m，在地震的作用下極易發生軟土震陷，危害地表工程設施的安全.如1976年11月20日，佛山順德瀾石河附近發生3.3級地震，由于河流相軟泥發生震陷，促使地震烈度達到Ⅵ度，引起大量房屋開裂甚至倒塌.第三、沙灣斷裂帶不僅為地面塌陷、崩塌、滑坡等突發性地質災害提供了構造基礎，在地震波動作用下，處于穩定狀態的采空區、巖溶區及河岸斜坡或也將受到影響失穩成災.

3 結論與討論

沙灣斷裂帶是珠江三角洲內重要的區域性活動構造，由北、中、南三段共16條斷裂組成，多隱伏于城市和水系之下，呈北西向貫穿整個三角洲，成為城市發展的內在安全隱患.對斷裂帶的主要特征進行綜合分析后，可認為沙灣斷裂帶延伸長、分布廣、影響面積大且具有一定活動性，對沿帶城市的地質環境條件存在改變作用，但由于全新世以后斷裂帶的活動性減弱，認為其當前的致災能力有限，除去地震情況，其主要的災害影響在于威脅地下工程的安全.

值得關注的是，沙灣斷裂帶經過廣州等四座大型城市，當地工程活動頻繁，地上地下建筑密集，不論是林立的大、重型建筑對地面施加的靜載荷，還是網布的地下工程在施工和運營過程中產生的動載荷，都將對斷裂帶的活化產生直接影響，從而引發地下失穩、突水等災害[21-22].因此，在進行災害防御設計的同時，還應繼續對沙灣斷裂帶進行監測和研究，避免由斷裂活動引起的災害損失.

[1]Yeats R S，Sieh K，Allen C R.The geology of earthquakes[M]. New York:Oxford University Press，1997:473-485.

[2]鄧起東，徐錫偉，張先康，等.城市活動斷裂探測的方法和技術[J].地學前緣，2003，10(1):93-102.

[3]鄧起東，盧造勛，楊主恩.城市活動斷裂探測和斷層活動性評價問題[J].地震地質，2007，29(2):189-200.

[4]董好剛，黃長生，陳雯，等.珠江三角洲環境地質控制性因素及問題分析[J].中國地質，2012，39(2):539-549.

[5]陳國能，張珂，陳華富，等.珠江三角洲斷裂構造最新活動性研究[J].華南地震，1995，15(3):16-21.

[6]姚衍桃，詹文歡，劉再峰，等.珠江三角洲的新構造運動及其與三角洲演化的關系[J].華南地震，2008，28(1):29-40.

[7]宋方敏，汪一鵬，李傳友，等.珠江三角洲部分斷裂晚第四紀垂直位移速率[J].地震地質，2003，25(2):203-210.

[8]鐘建強，聶頌平.珠江三角洲的活動斷裂與區域穩定性分析[J].熱帶海洋，1991，10(4):29-36.

[9]黃玉昆，夏法，陳國能.斷裂構造對珠江三角洲形成和發展的控制作用[J].海洋學報，1983，5(3):316-327.

[10]黃鎮國，李平日，張仲英，等.珠江三角洲形成發育演變[M].廣州:科普出版社廣州分社，1982.

[11]陳偉光，趙紅梅，常郁，等.珠江三角洲晚第四紀垂直構造運動速率[J].地震地質，2001，23(4):527-536.

[12]曾敏，董好剛，陳長敬，等.綜合物化探方法探測沙灣隱伏斷裂帶中段[J].物探與化探，2013，37(4):580-584.

[14]朱照宇，黃寧生，周厚云，等.廣東沿海陸地表層地質災害控制因素分析[J].地球學報，2003，24(3):243-248.

[15]蘇生瑞.斷裂構造對地應力場的影響及其工程意義[J].巖石力學與工程學報，2002，21(2):296.

[16]周春華，尹健民，駱建宇，等.斷層構造近場地應力分布規律研究[J].長江科學院院報，2012，29(7):57-61.

[17]唐輝明，李德威，胡新麗.龍門山斷裂帶活動特征與工程區域地殼穩定性評價理論[J].工程地質學報，2009，17(2):145-152.

[18]張志強，詹美珍，詹文歡，等.珠江三角洲區域地殼穩定性評價[J].熱帶地理，2012，32(4):364-369.

[19]魏柏林，孫崇赤，秦乃崗，等.珠江三角洲地震活動及預測研究[M].北京:地震出版社，2002.

[20]宿文姬，蔡美峰，喬蘭.珠江三角洲場地震害分析與評判[J].北京科技大學學報，2006，28(1):12-16.

[21]Islam M R，Shinjo R.Mining-induced fault reactivation associated with the main conveyor belt roadway and safety of the Barapukuria Coal Mine in Bangladesh:Constraints from BEM simulations[J].International Journal of Coal Geology，2009，79: 115-130.

[22]Bailey W R，Walsh J J，Manzocchi T.Fault populations，strain distribution and basement fault reactivation in the East Pennines Coalfield，UK[J].Journal of Structural Geology，2005，27:913-928.

Main features and disaster impacts of Shawan fault zone

WAN Jiawei1，CHEN Lingkang1，DING Yan2，HUANG Changsheng3
(1.School of Resource and Environmental Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China; 2.Institute of Geological Survey，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China; 3.Wuhan Center of Geological Survey，China Geological Survey，Wuhan 430205，China)

The Shawan fault zone，important and regional in active tectonics of the Pearl River Delta and buried beneath the cities and rivers，crosses the whole delta in NW-trending and restricts the economic development of Guangzhou city and other cities nearby.According to the surface survey，the date of geophysical and geochemical prospecting and previous studies，the zone was found to be extended，widespread，young，hazardous with a history of multi-periodic activities yet weak ones at present，and creates disaster from changing the in-situ stress and crustal stability，controlling the generation of earthquake and secondary disaster，damaging construction.

active fault;hazard effects;Shawan fault;Pearl River Delta

2095-3046(2015)01-0064-05

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.01.011

P694

A

2014-07-29

中國地質調查局科技項目(1212011140031)

萬佳威(1991- )，男，碩士研究生，主要從事地質災害理論及控制方法等方面的研究，E-mail:wjw199105@163.com.

黃長生(1964- )，男，教授級高級工程師，主要從事水工環地質等方面的研究，E-mail:185236157@qq.com.