夏墊斷裂大胡莊探槽古地震事件分析

鄧梅 沈軍 李西 祁高 戴訓也 王昌盛 劉澤眾

摘要：夏墊斷裂是北京平原區內1條極為重要的隱伏活動斷裂，同時也是1679年三河—平谷MS8.0地震的發震斷層。為獲取該斷裂完整的古地震序列，主要開展了2方面工作：①以大胡莊探槽原始資料為基礎，重新對探槽進行了解譯，共識別出3個埋藏古土壤，6個崩積楔和1次砂土液化現象；②結合該斷裂其它部位探槽揭示的古地震事件，通過對比各探槽標志性地層，建立不同探槽中古地震事件在同一時間軸上的聯系，得到夏墊斷裂完整的古地震序列。結果表明：距今31ka以來，夏墊斷裂共發生過11次古地震事件，古地震平均復發間隔約為2.8ka，但距今25～15ka存在1個古地震叢集期，叢集期內共發生5次強震，平均復發間隔約為2.0ka，反映出夏墊斷裂活動性存在階段性的差異。

關鍵詞：夏墊斷裂；古地震事件；崩積楔；砂土液化；標志性地層

中圖分類號：P315.21 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）02-0293-09

0 引言

夏墊斷裂是華北平原北部北京平原區內1條重要的活動斷裂，其走向N50°E，傾向SE，傾角50°～70°。據史料記載，1679年9月2日三河—平谷8.0級大地震是該斷裂最近一次地表破裂型地震事件，造成京東地區慘烈的災難，地震后，在地表形成了1條西起東柳河屯，經夏墊鎮北，東止于東興莊，長約10km的地震斷層陡坎，并顯示出東南盤下降，西北盤抬升的正斷傾滑兼有右旋走滑分量的性質（彭—民等，1981；孟憲梁等，1983；向宏發等，1988）。隨著首都圈社會經濟的快速發展，對夏墊斷裂的地震地質特征的研究就顯得更加重要，從20世紀80年代開始，眾多學者從地震地質特征、斷裂性質等方面對夏墊斷裂進行了研究。許多學者借助微地貌測量、大地切片法、淺層地震勘探、地球化學探測、槽探和鉆探等一系列綜合探測技術，對三河—平谷8.0級地震的宏觀震中、地質構造背景、發震斷層及其破裂方式、大地震的重復性問題進行過不同程度的研究（冉勇康等，1997；江娃利等，2000；徐錫偉等，2000：何宏林等，2008；劉保金等，2009；毛昌偉等，2010；萬永魁等，2014）。近年來，圍繞斷層兩盤開展的地層沉積旋回、巖芯粒度分析和地層氧化鐵含量變化的研究揭示了夏墊斷裂兩盤地層沉積環境和地層厚度的差異性（楊曉平等，2012；張超等，2014；劉智榮等，2016），Xu等（2016）也對北京平原區的構造地裂縫做了較為詳細的研究。

前人已利用過探槽研究夏墊斷裂的古地震事件，獲得的古地震時限大都晚于15ka。為獲取夏墊斷裂更長時段較為完整的古地震序列，本次工作在大胡莊南約700m處開挖了一個深約11m的大探槽。通過對探槽剖面的解譯分析，獲得了埋藏古土壤、崩積楔以及砂土液化等古地震事件識別標志所對應的11次古地震事件。在結合前人研究成果的基礎上，找到各探槽之間的標志性地層，建立各探槽揭示的古地震事件在同一時間軸上的聯系，利用逐次限定的方法獲得了夏墊斷裂在當前研究程度下更長時段（31ka以來）的古地震序列及強震復發間隔。

1 活動構造背景

北京平原區位于華北平原北部，主要包括北京、天津及河北省部分地區，屬大清河、永定河、北運河、潮白河、薊運河5大水系的沖洪積平原（梁靈君等，2011）。其西臨太行余脈的西山，北倚燕山山脈的軍都山，兩山交匯于南口關溝地區，形成一個獨特的向東南面朝渤海灣的半圓形的“北京灣”。平原的海拔高度一般為20～60m，向東南渤海灣方向緩慢降低，坡降約5%o（趙忠海，2009；徐倩華，2010）。

基巖（新生代底界）埋深等值線反映了新生代以來北京平原區基本是以接受堆積為主的沉積環境。其中廓固凹陷基巖埋深達9000m，其次是大廠凹陷，基巖埋深也達到了4000m，夏墊斷裂兩側的大廠凹陷和大興隆起基巖埋深相差3300m。區域的伸展構造環境作用促使本地區張性為主的不同規模的正斷層發育，并在斷裂的控制作用下，發育了一系列不對稱的半地塹式的凹陷盆地，如郎固凹陷、大廠凹陷等。盆地的一側受活動斷裂的控制，盆地沉積中心逐漸向斷裂控制一側邊界轉移，形成類似箕形的盆地（劉保金等，2011）。北京平原區強烈的新構造活動發育了許多以垂直運動為主的斷裂，區內發育有NE和NW兩個方向的活動斷裂，NE向斷裂主要有夏墊斷裂、香河—皇莊斷裂、南苑—通縣斷裂、良鄉—前門斷裂和黃莊—高麗營斷裂，NW向斷裂主要包括南口—孫河斷裂、二十里長山斷裂（圖1）。夏墊斷裂是區內活動較為強烈的斷裂之一，該斷裂北起平谷王辛莊，經馬坊、夏墊，南抵曹務營一帶，總長120km（彭—民等，1981）。

2 大胡莊探槽揭露的古地震事件

2.1 探槽位置

為了完善夏墊斷裂更長時段的古地震事件序列，我們選擇在跨斷層陡坎的1處人工采沙坑的邊緣采取階梯狀開挖的方式獲得1個單壁的大胡莊大探槽（圖2）。大胡莊探槽位于齊心莊鎮大胡莊村南約700m處，海拔高度約為10m。該探槽是由上下兩部分組成的聯合大探槽，上部探槽最大深度3.5m，長約7m，下部探槽最大深度8.5m，長約8m，上下探槽的水平距離約為4m。在探槽的東西兩側仍然保存有較為明顯的地震陡坎遺跡，利用載波相位差分技術（Real-time kinematic，簡稱RTK），實測探槽東側陡坎高度為1.72m，西側為1.52m。

2.2 探槽揭露的地層序列

結合所在層位的測年數據將探槽剖面的地層分為6個地層單元，即土壤層、粘土層、粉砂質粘土層、粘土與粉砂層、粘土層、粉砂層。再根據各地層單元中是否包含崩積楔等古地震事件標志而進一步劃分出亞層，地層編號由新到老、從上盤到下盤依次標記描述。

上部探槽的地層主要為土壤層、粘土層和粉砂質粘土層（圖3b）。UO為灰黑色土壤層，兩盤皆有分布，含大量植物根系，層厚0.4～0.5m；U1為淺黃褐色粘土，兩盤皆有分布，層厚0.6～0.8m。S為灰褐色古土壤層，兩盤皆有分布；S1為灰褐色古土壤層，層厚約0.3m，存在螺殼碎屑，螺殼14c測年數據距今（12.86±0.035）ka；U1-1為灰黃色粘土，層厚約0.4m；S2為灰褐色古土壤層，層厚0.3～0.4m；U1-2為灰黃色粘土，層厚約0.6m；S3為灰褐色古土壤層，斷層面附近有2處明顯的位錯，層厚約0.4m，富含植物根系，含有鐵銹色的銹斑，該層14C測年數據距今（15.05±0.045）ka；上述地層為同1套地層細分出古土壤與粘土的3個沉積旋回，這可能是3次古地震事件導致沉積環境的快速變換，從而形成3個間斷的古土壤面。崩積楔W1下伏于S3之下，為褐色粉砂和粘土混雜堆積。U2為淺灰黃色粉砂質粘土，上部探槽揭露的層厚約2m，該層頂部14C測年數據距今（14.98±0.045）ka。

下部探槽主要包含粘土層、粉砂質粘土層、粉砂層等5個地層單元（圖4b）。U1-2為灰黃色粘土，通過分析對比認為該層與上部探槽U1-2為同一地層，該層下伏的S3、W1都與上部探槽的地層相對應。U2-1為淺黃褐色粘土，近水平層理，層厚0.7m，局部含碳，含少量植物根系，有豎條銹斑發育，層中出現2條直徑約為1cm的砂脈，該層頂部14C測年數據距今（15.69±0.045）ka，針對本層中有2個測年數據（樣品編號：XD13-14C-11-1，XD13-14C-11-2）偏小的現象，我們認為這是由于淋濾作用導致上部年輕地層的含碳顆粒下滲到該地層中所致。該層底部發育淡黃色粘土質的崩積楔W2，該崩積楔的位置稍稍遠離斷層面，并且斷面遠端的厚度較大，這可能是因為1次地震事件之后，上盤在下降的過程中局部形成低洼地勢的斷陷塘，在凈水環境下接受沉積形成的。U2-2為灰褐色粉砂質粘土，層厚0.5～0.8m，該層頂部14C測年數據距今（17.34±0.045）ka；U2-3為淺灰褐色粉砂質粘土，層厚0.3～0.6m，該層頂部14C測年數據距今（18.82±0.05）ka，底部發育有淺灰褐色的崩積楔W3；U2-4為灰色粘土質粉砂，層厚1.0～1.5m，該層上部14C測年數據距今（23.32±0.07）ka，底部發育崩積楔W4，成分與上覆地層相似；U3為灰褐色粘土，層厚0.2～0.4m，該層頂部14C測年數據距今（23.83±0.08）ka，該層下伏崩積楔W5，成分為淺灰黃色粘土；U4為深褐色粘土，未見底界，該層頂部14C測年數據距今（24.31±0.08）ka，底部14C測年數據距今（25.44±0.08）ka。崩積楔W6位于U4底部，巖性成分為深褐色粘土，較為松散，其與上覆地層存在明顯的界限。

相比于上盤，下盤的沉積環境較為穩定，地層也較容易劃分。U2為淺灰黃色粉砂質粘土，與上部探槽中的U2為同一層，通過分析對比上下探槽的地層可確定斷層下盤該層層厚約3m；U3為淺灰褐色粘土和淺灰黃色粉砂，前者層厚約0.3m，后者層厚0.8m，粉砂分選好，該層與上盤的U3的巖性非常相似，可能是含水量的不同導致下盤的顏色更深一些；U4為深褐色粘土，層厚約3m，中間夾一薄層粉砂，該層頂部、中部、底部14C測年數據距今（23.43±0.07）ka、（23.74±0.08）ka、（31.07±0.14）ka，底部與下伏粉砂層呈不整合接觸。U5為灰白色粉細砂，層厚2.5m，未見底界，有斜層理，分選好，層中發育灰色薄層粘土，薄層粘土周圍含有銹斑，并伴有揉皺現象，可能是一次砂土液化。

2.3 探槽揭露的古地震事件

一般來說，凡是震級大于61/2的地震都會在地表產生明顯的錯動和變形（孟憲梁等，1983）。要完整地揭示古地震事件，就需要在探槽剖面中仔細地尋找識別古地震事件的一般標志，例如斷層坎前沉積地層中沉積相往往具有二元結構的崩積楔，斷層上盤的埋藏古土壤以及砂土液化等標志（冉勇康等，2014）。我們在上部探槽的上盤識別出3次埋藏古土壤S1、S2、S3對應的3次古地震事件和崩積楔W1所對應的古地震事件。在下部探槽識別出6個崩積楔（其中有1個與上部探槽揭示的W1相同）以及1次砂土液化現象。

根據14C測年數據，我們只能確定S1、S2、S3所對應的3次古地震事件的起止時限范圍應該為距今（15～0.31）ka，其中最近一次古地震事件S1的起止時限為距今（8～0.31）ka，由于S1的時限跨度太長，推測事件時限為5ka左右；S2、S3則只能確定事件的期次，推測S2的時限應該在11ka左右，S3在13.8ka左右。

鑒于大胡莊探槽深度較深、周圍地層巖性多為粘土和粉砂。剛開挖的探槽新鮮面粘土層較為黏稠，造成探槽壁難以被清理平整，再加上該層含水量較高，層中的崩積楔一時難以辨別，需要晾曬方可看出崩積楔的形態。探槽中的粉砂層則較為松散，新鮮面極易風化從而造成崩積楔的識別困難。我們對大胡莊探槽進行了多期次的清理工作，并拍攝留存不同時期探槽壁的原始照片。為了補充古地震事件的完整性，通過對比不同時期的照片以及利用圖像增強的方式來確定一些不太明顯的崩積楔，并通過其所在的上下地層的年齡限定古地震事件的起止時間。一個崩積楔代表著一次古地震事件，大胡莊探槽總共揭示出6個崩積楔（圖5），崩積楔編號從新到老依次為W1～W6，對應的古地震事件為E4～E9。W1長約2m，靠近斷層一側厚0.5m。W2的形態與其它崩積楔有所不同，遠離斷層面一側沉積較厚，厚度約0.5m，長度約為1.5m。W3與周圍地層的界限不是很明顯，但通過比對不同時期的剖面仍可推測該處存在崩積楔。W4長約1.8m，形似鈍角三角形倚于斷面之上。W5靠近斷層面一側有牽引變形的痕跡，尾部也有錯動的跡象。W6為探槽底部的崩積楔，可以清楚地看到崩積楔與周圍地層明顯的界限，缺乏下伏地層年代數據。斷層下盤的底部有一處砂土液化現象，通過上覆地層14C測年數據（31.07±0.14）ka，可得出稍早于31.21ka，發生過一次古地震，記為E10。加上1679年的8.0級地震，記為E0。表1表明大胡莊探槽總共揭示了11次地震事件，其中埋藏古土壤對應了3次，崩積楔對應了6次，砂土液化對應了1次地震，以及1679年的8.0級地震。

2.4 同震位移

通過對大胡莊探槽地層序列進行分析，我們得到斷裂兩盤不同時段的位錯量。下部探槽U4層的位錯量為3.2m，U3層的位錯量為2.85m，上述2個層位斷距的差異也佐證了W5的存在。探槽剖面中未能計算出U2層的位錯量，但該地層單元上下盤的地層厚度存在明顯的差異，斷裂上盤地層厚度約為4m，而下盤的地層厚度約為3m，在該時段內（24～15）ka兩盤的沉積速率的差異恰好說明本段發生過古地震事件，位錯量大約為1m。上部探槽兩盤的古土壤層S的位錯量約為1.75m。由此，我們得到了夏墊斷裂24.3ka以來的累計位移量為3.2m，W5所對應的地震事件的同震位移約為0.35m，W4，W3，W2所對應的3次地震事件的平均同震位移約為0.33m，W1所對應的地震事件的同震位移約為0.1m，S1，S2，S3所對應的3次地震事件平均的同震位移為0.48m。

因為風化剝蝕以及人工改造等原因地震造成的垂直形變隨著時間的推移會被逐漸分散到更大的區域之中，探槽中揭示的斷距往往只是形變的一部分，但不同時段斷距的差異仍能識別出古地震事件的期次。我們沿著探槽剖面旁邊近南北向的公路利用RTK獲得長約1.2km的微地貌測線（圖6）。圖6顯示測量區域內斷裂兩盤上、下原始面高程相差約3.6m，而我們實測的1679年地震的陡坎高度與該數值相差約2m，這說明夏墊斷裂的形變量不僅包含探槽中的位錯量和陡坎高度，還需要考慮分散到更大范圍內的地表形變量。

3 討論

3.1 與前人資料對比

前人利用探槽技術對夏墊斷裂的古地震的研究取得豐碩成果，揭示了距今20ka以來的多期次古地震事件。向宏發等（1988）最早利用探槽技術對夏墊斷裂開展古地震研究，在潘各莊和東柳河屯等地開挖了多個探槽，其中，潘各莊3號探槽長度6.2m，最大深度3.78m，東柳河屯探槽長度8m，最大深度3.5m。冉勇康等（1997）在東柳河屯東北開挖了長度20m，深度6m，上寬6m、下寬1.5m的大探槽。江娃利等（2000）在齊心莊也開挖了多個探槽，其中最具有代表性的齊心莊2號探槽長度14m，最大深度4m。通過對以上探槽的地層巖性及測年數據的分析對比，發現都具有相同的含有螺殼碎片的地層，測年結果都在15ka左右。

根據表2中標志層以及對應的測年數據可以得到以下結果。首先，除了東柳河屯探槽之外的探槽都有螺殼碎片存在，東柳河屯東北探槽的螺殼碎片14C測年結果為距今（11.62±0.15）ka，大胡莊探槽螺殼碎片14C測年結果為距今（12.86±0.035）ka，兩地螺殼碎片測年結果基本一致。其次，在所有探槽中都含有薄層碳屑或螺殼碎片，且該層或附近層位的碳屑14C測年結果都在15ka左右，因此，我們認為以上探槽中含有螺殼碎片、薄層碳屑屬于同一時代的標志性微地層單元，基于此建立起各個探槽在時間軸上的聯系。

3.2 古地震逐次限定

逐次限定法由張培震等（2003）運用于海源斷裂的古地震分析之中，本文通過對比夏墊斷裂5個探槽的古地震事件，利用逐次限定的方式得到11次古地震事件，由新到老依次記為Ea-Ek（圖7）。其中，Ea是1679年三河—平谷8.0級地震；Eb由Tc3和Tc5所揭露，事件時限由T3限定，為（4.73±0.43）ka BP；Ec由Tc2和Tc5限定，事件時限由Tc5限定，為（7.07±0.95）ka BP；Ed由Tc1、Tc2、Tc3、Tc5共同揭露，Tc2限定事件上限，Tc5限定事件下限，故本次事件的時限為（11.62±0.15）ka BP；Ee和Ef僅由Tc4揭露，事件時限分別為（15.37±0.275）ka BP、（16.52±0.78）ka BP；Eg由Tc2和Tc4共同揭露，Tc2限定事件上限，Tc4限定事件下限，所以Eg時限為（21.63±1.625）ka BP；Eh和Ei僅由Tc4揭露，事件時限分別為（23.57±0.18）ka BP、（24.07±0.16）ka BP；Ej和Ek由Tc4揭露了上限，分別為25.52 ka BP和31 ka BP，因而2個事件的時限分別距今25.52ka、31 ka左右。從11次古地震事件在時間軸上的分布來看，31ka以來的平均復發間隔為2.82ka。此外，夏墊斷裂的古地震存在1個叢集期，即距今25～15ka內發生了5次強震，平均復發間隔為2ka。

4 結論

通過對夏墊斷裂地震地表破裂帶上大胡莊探槽古地震事件分析，主要獲得以下結論：

在大胡莊及其它探槽中，我們都找到含有螺殼碎片及薄層碳屑的標志層，標志層內各探槽螺殼碎片或碳屑的14C測年數據基本相符，這表明該標志層是宏觀環境下存在的微地層單元。本文也揭示了夏墊斷裂31ka以來的11次古地震事件，平均復發間隔為2.8ka。但距今25～15ka存在1個古地震叢集期，叢集期內共發生5次強震，平均復發間隔2ka。

大胡莊探槽揭示了早于15ka的更長時段的古地震序列，也在15ka以來或標志層之上發現3個埋藏古土壤對應的3次地震事件，完善了31ka以來的完整古地震事件序列，為分析夏墊斷裂的活動特征提供了依據。隨著三河市城市活動斷層探測項目的開展以及更多科研工作者對夏墊斷裂的關注，必將會建立健全各研究成果之間的關系網絡，也能夠更加準確地鑒定夏墊斷裂的活動性。

本文的探槽開挖工作得到防災科技學院諸多本科同學特別是焦軒凱的支持，撰寫過程中得到云南省地震局張彥琪高級工程師的指導，以及審稿專家提出的寶貴意見，在此一并表示衷心的感謝。

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