秦王川盆地西緣斷裂活動性綜合研究及盆地成因分析1

柳 煜 李明永 劉洪春 張有龍 劉小豐 王曉剛 田文通 馬紫娟 劉芳曉

1）中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

2）蘭州市地震局，蘭州 730000

3）中煤科工集團西安研究院有限公司，西安 710077

引言

晚第四紀以來，青藏高原北東部地區顯示為整體非均勻性擠壓隆升構造背景，塊體間斷裂剪切走滑活動占主導地位，活動斷裂是塊體邊界帶發生高震級地震的構造條件，控制了大地震甚至中強地震的空間分布。祁連-海原斷裂、西秦嶺北緣斷裂、六盤山斷裂和熱水-日月山斷裂所圍限的隴中盆地地震構造區（周本剛等，2013；高孟潭，2015）具有相對獨立的地質演化歷史，該地震構造區由若干相間排列的隆起山地和新生代斷陷（或拗陷）盆地組成。古近—新近紀沉積序列表明隴中盆地處于構造運動相對穩定階段，但3.4Ma BP的青藏運動（李吉均等，1996）使隴中盆地面積萎縮，形成一系列相互隔離的次級盆地（張克信等，2010；宋博文等，2014；張鵬等，2016），并在局部構造作用下各自進入相對獨立的演化階段，秦王川盆地就是其中之一。發育在秦王川盆地西側的秦王川盆地西緣斷裂F8（圖1），大部分與盆山邊界吻合，部分隱伏在盆地之下。野外地質地貌調查未發現斷層露頭或微地貌變形等斷層活動的直接證據，查明該斷層的分布、尤其是上斷點埋深，厘清斷層的最新活動時代十分重要。

圖1 秦王川盆地及西緣斷裂地震構造位置 Fig.1 Seismo-tectonic background of the western margin fault and Qinwangchuan basin

第5個國家級新區——蘭州新區位于秦王川盆地，是距蘭州市老城區最近的具有良好開發前景的可利用土地。祁連-海原活動斷裂、六盤山活動斷裂和西秦嶺北緣活動斷裂雖然規模巨大、活動強烈，但距秦王川盆地較遠，沒有直接的構造關系，其對蘭州新區建（構）筑物的安全影響可通過抗震設計與施工減輕。因此，秦王川盆地西緣斷裂的活動性就成為對蘭州新區地震危險性影響最大的因素。如果秦王川盆地西緣斷裂為活動斷裂，不僅很大程度地縮小了蘭州新區可有效利用的建設用地面積，而且將極大地提高蘭州新區內建（構）筑物的地震危險性。

在開展蘭州新區地震小區劃工作時，我們對秦王川盆地西緣斷裂進行了綜合探測（圖2），試圖回答該斷裂是否活動、是否能夠產生強震的斷裂等問題，并在此基礎上對秦王川盆地的地質演化進行初步分析。

圖2 秦王川盆地及周邊地區簡明地質圖 Fig.2 Simplified geological map of the Qinwangchuan basin and its surrounding area

1 秦王川盆地及其西緣斷裂的研究現狀

秦王川盆地南北長、東西短，為地形相對平緩的沖洪積平原（圖3（a）），總體由北向南傾斜，海拔由2300m降至1880m，受貫穿盆地的NS向河流影響，盆地內分布有近NS向的低緩壟崗狀殘丘。盆地東、西、南三側分布大面積風成黃土丘陵，北側為古生界地層構成的褶皺隆起山體。秦王川盆地下部為新近—古近系湖相泥巖、泥質砂巖和砂礫巖為主的沉積序列，上部為第四系粉砂、粉土、砂礫石沖洪積堆積。

秦王川盆地西緣斷裂北起方家槽一帶，向南延伸至哈家咀北，傾向W，傾角較陡，全長37km，為斷陷盆地，由3個段落雁列而成，為晚更新世活動斷層，控制著秦王川盆地的發育（張向紅等，2000）。判定依據如下：①斷層通過處航衛片線性清晰并構成丘陵與盆地的邊界，西側為晚更新世風成黃土丘陵地帶，東側為地勢相對平坦的沖洪積物構成的盆地區（圖3（b））；②電法測試結果顯示測線上存在正交異常點；③斷裂通過處局部地段新近紀地層頂面存在落差以及砂泥巖中發育石膏脈。

圖3 秦王川盆地及周邊DEM影像圖（a）和EW向地形剖面（b） Fig.3 DEM image of the Qinwangchuan basin（a）and EW topographic profile（b）

2 秦王川盆地西緣斷裂綜合探測

應用淺層人工地震勘探、鉆孔聯合剖面和槽探等有效的隱伏斷層探測方法，對秦王川盆地西緣斷裂進行了綜合探測。

2.1 斷裂所在位置的地層特征

秦王川盆地北側和北東側出露的寒武系—奧陶系變質巖構成了褶皺隆起山地。新近系湖相沉積在盆地下部廣泛分布，但僅僅在盆地北側呈殘丘狀出露，反映了受北側隆起山地的抬升影響；第四系下更新統礫巖主要在砂梁墩呈近水平狀出露，其物源來自北側及北東側的隆升山地；第四系中上更新統—全新統是構成秦王川盆地的堆積主體，為沖洪積淀的砂礫石、次生黃土，夾透鏡狀或火焰狀粉砂土。整體而言，礫石具有從北向南磨圓度趨好的特征；全新統主要是分布在盆地東西兩側的古河道及盆地上部的沖洪積物，巖性為夾細砂和粉土的松散砂礫石，上部的次生黃土分布不連續且厚度變化大。

2.2 淺層人工地震探測

淺層人工地震探測技術在平原區隱伏斷層的空間定位方面發揮著重要作用，是確定目標斷層位置、性質及平面分布的有效手段（鄧起東等，2003；中國地震局，2009）。為了有效控制秦王川盆地西緣斷裂的空間展布及上斷點埋深，根據交通狀況和地形條件，共布設了6條淺層人工地震測線（圖2），其中DZ6最長，為22.4km，DZ3最短，為2.06km。探測系統選用加拿大ARIES數字地震儀和60Hz檢波器、可控震源，采用縱波反射法多次覆蓋觀測。通過前期測試，選用符合秦王川盆地地震地質條件的測試參數：震源選擇震動4次、掃描頻率15—120Hz、掃描長度12s，排列選擇不對稱接收窗口，距斷層可能通過處越近則接收點間距越小。對獲取的優良占比91.76%的高信噪比地震數據進行了道編輯、振幅補償、動靜校正等技術處理，使二維地震數據具有分辨率較高、有效波頻帶范圍寬、干擾消除徹底和反射波層次清楚的特征。由于秦王川盆地下部為新近系—古近系湖相地層，上部為第四系沖洪積地層，兩者的波阻抗差異較大，在地震時間剖面上反映明顯，作為反射波（組）同相軸發生錯斷與否能得到很好的反映。

6條淺層人工地震剖面中秦王川盆地西緣斷裂（F1）均有顯示，探測結果見表1。共建立4個反射波組進行地震數據分析，其中，TE3為古近系頂部反射波組，即新近系底部，連續性較好；TE2為古近系中部反射波組，連續性較好；TE1為古近系底部反射波組，連續性好；TN為第四系與新近系分界波組，在第四系堆積厚度較小的地段，該波組識別率較低。除DZ3測線上未見TE3標準反射波組錯斷外，其余測線上TE3、TE2和TE1均顯示明顯的F1錯斷特征。斷層附近地層反射波連續性變差，破碎嚴重，發生彎曲及牽引變形（圖4、圖5）。

表1 秦王川盆地西緣斷裂淺層地震探測結果表 Table1 Shallow seismic detection results in the western margin fault of Qinwangchuan basin

續表

DZ6測線近EW向控制了整個秦王川盆地，且垂直于秦王川盆地西緣斷裂。測線不僅很好地控制了盆地整體形態和基底埋深，而且控制了秦王川盆地西緣斷裂及同組方向地質構造的發育情況。

圖4 DZ6淺層人工地震測線時間剖面和地質解譯剖面（部分，道間距3m） Fig.4 The shallow seismic prfile and geological interpretation along the exploration line DZ6（part,group interval 3m）

淺層人工地震剖面中TE3反射波組錯斷量介于4—7m，表明新近紀地層底部界面具有斷錯顯示。上斷點埋深最淺不超過130m，最深不超過230m，該深度范圍內為新近紀沉積地層。在測線DZ4、DZ8和DZ9中，秦王川盆地西緣斷裂上盤見f3次級斷層，DZ6主斷面上盤發育f3和df1次級斷層（圖4），均為主斷裂F1活動派生的反沖型次級破裂面，構成“Y”型構造。從主斷裂F1標準反射波組錯斷量分析，秦王川盆地西緣斷裂的斷距自深向淺逐漸變小，如DZ4（圖5（a））和DZ7（圖5（b））淺層人工地震剖面中古近紀底部、中部和頂部垂直斷距分別約為34m、20m、7m和45m、25m、4m（表1）。各淺層人工地震剖面中次級斷層均未有錯斷TE3反射波組，表明主動盤中的次級破裂面上斷點發育在古近紀地層中，而主斷裂F1逆斷點發育在新近紀下部地層中。由此表明秦王川盆地西緣斷裂僅影響到新近紀下部地層，為前第四紀斷裂。

圖5 DZ4（a）和DZ7（b）淺層人工地震測線時間剖面和地質解譯剖面（道間距3m） Fig.5 The shallow seismic profile and geological interpretation along the exploration line DZ4(a)and line DZ7(b)(group interval 3m)

2.3 鉆孔聯合剖面

淺層人工地震探測往往會局限于松散堆積層的分辨率與人工識別的主觀性，而鉆孔聯合剖面更加客觀地揭示斷層的存在狀態，在城市活動斷層探測工作中可以取得實質性成果（鄧起東等，2003，2007；朱金芳等，2005；柴熾章等，2006；雷啟云等，2008）。共實施6條鉆孔聯合剖面測線（圖2），單條測線最多布設10個鉆孔，最大孔深50m，最小孔距5m。孔位分布于淺層人工地震探測結果顯示的斷層異常點兩側，越靠近異常點，孔距越小。

6條鉆孔聯合剖面探測結果相似（表2），在秦王川盆地西緣斷裂可能通過處，最大控制新近紀地層厚度29.6m的深度內沒有發現斷層面，也沒有發現斷層泥或斷層角礫等斷層物質、地層牽引變形和層位斷錯等現象。其中ZT2剖面顯示在近距離內，新近系泥巖頂面有落差，有斷層存在的可疑現象。

表2 秦王川盆地西緣斷裂聯合鉆探結果 Table2 Cobined drilling results in the western margin fault of Qinwangchuan basin

續表

以ZT2為例簡要介紹鉆孔聯合剖面的探測結果（圖6）。ZT2布設于秦川鎮保家窯村北，實施鉆孔9個（編號ZK373—374、ZK377—383），孔距13—70m，孔深10—30.5m。ZT2所在位置地形西高東低，鄰近的DZ9淺層人工地震測線上F1斷層錯斷了TE3反射波組。ZT2鉆孔聯合剖面顯示，上部地層為第四系次生黃土與棱—次棱角狀砂礫石混雜堆積，反映了山間拗陷盆地的動蕩河流相堆積特征；下部為新近系靜水環境沉積泥巖。泥巖層頂面海拔高程在鉆探控制范圍內介于2062.50—2075.50m，并自西向東逐漸下降，第四系堆積物厚度相應地逐漸增大。其中，ZK381（孔口海拔高程2080.50m）和ZK377（孔口海拔高程2080.10m）之間的27m間距內，新近系泥巖頂面有2.7m的落差。為此加密布設鉆孔ZK382，探明泥巖頂面距地表-8.4m，在ZK381的-7.5m和ZK377的-10.2m之間，說明泥巖頂面是向盆地中心方向呈逐漸下降的斜坡狀，而不是呈陡坎狀。

圖6 ZT2鉆孔聯合剖面 Fig.6 Section of the joint drilling ZT2

2.4 探槽

探槽位于保家窯南北向鄉村公路的東側，即盆山交界地帶（圖2）。淺層人工地震測線DZ9探明該處秦王川盆地西緣主斷裂F1埋深在150m以淺且具有明顯的斷錯，上盤見1條與F1相向而傾的次級破裂面。ZT2鉆孔聯合剖面探測結果（圖6）亦表明，該處新近系紅色泥巖頂面埋深介于7.5—10.2m，存在2.7m的落差。保家窯探槽（圖7（a））開挖方向為100o，長度26m，最大深度20m，最寬處15m。

從圖7可以看出，探槽南壁地層結構分2部分，第一部分是層①新鮮面呈紫紅色泥巖，產狀近水平，為新近紀湖相沉積地層；第二部分是層②—⑧晚更新世以來河流相沖洪積堆積物，其中層②下部14C測年結果介于（26170±120）a BP（QCB-14C-1）—（22720±100）a BP（QCB-14C-2），為1套晚更新世堆積物。

圖7 保家窯探槽南壁素描圖 Fig.7 Sketch profile of southern wall of the Baojiayao trench

新近系上部單元屬于同一物源在不同水力作用下的堆積物，層①與層②接觸面不平整，底部具有明顯的沖刷面特征。層②底部發育厚3—5cm細礫石層，該礫石層在兩層之間普遍見及，沖刷泥巖陡坎處則沒有該礫石層。該薄層小圓礫為泥質河床上的滯留沉積物，是山區弱水動力環境下河流相沉積的主要標志（圖7（b））。層④—⑦是1套以次棱角狀礫石為主的粗粒堆積物，夾有或大或小兩端尖滅狀的粉砂、粉土透鏡體，為快速高水位環境下的產物。探槽剖面中新近系紫紅色泥巖陡坎的形成則是水流下切與側向侵蝕、局部垮塌綜合作用的結果，侵蝕坎具有向泥巖內部擴張的趨勢。這種新近系泥巖上部的侵蝕坎在秦王川盆地南緣亦可見及，不僅侵蝕作用造成泥巖頂面起伏不平，而且股狀水流下切至泥巖深度大于3m，形成后期河床相砂礫石充填楔狀體（圖7（c））。這類侵蝕界面不僅深度有限，而且以界面不平整為特征，后期充填楔狀體呈上寬下窄的倒三角形。圖7中侵蝕坎西側泥巖頂面抬升，在方家槽局部地段出露泥巖殘丘，向東至盆地內部秦川鎮地段新近系泥巖埋深變淺。表明探槽附近新近系地層埋深頂面的落差與近NS向古河道的存在以及水流不均衡侵蝕作用密不可分。秦王川盆地中南部第四系堆積物特征與探槽剖面中新近系上部地層單元特征相似，只是厚度逐漸變厚。秦王川盆地在高低水位多變環境下將北側物源區的剝蝕物質攜帶至平坦區堆積，這與秦王川盆地現今北高南低的地形相吻合。

保家窯探槽剖面第四系和新近系地層中未發現斷層面及構造片理化、各巖性組界面未見錯位等現象，該探槽中未見斷層。

3 斷裂所在地區現今構造活動

在區域北東向擠壓構造應力環境中，不同級別的斷裂吸收和消化了不同幅度的垂直和水平變形量，斷裂所控制的塊體具有不同幅度的運動變形。區域地震活動圖像顯示活動塊體邊界斷裂控制了絕大部分中強震，甚至大震（圖1）。塊體內部的莊浪河斷裂及以西褶皺隆起區小震密集分布，已發生過3次5級以上地震，而莊浪河以東包括秦王川盆地及西緣斷裂的地區，小震零星分布，無規律性。

莊浪河弧形逆沖斷裂西側為海拔3000m以上的中高山區，東側為海拔2000m以下的低山丘陵和沖洪積平原區，斷裂控制了該地區的構造環境、中強震分布以及地層褶皺變形。莊浪河Ⅰ—Ⅲ階地的抬升幅度反映出該斷裂第四紀以來的變形方式和活動時代（劉小鳳等，2003），西岸階地變形強度大于東岸，且階地變形速度在晚第四紀以來有逐漸加強的趨勢（劉興旺等，2012）。地震地質調查表明，莊浪河斷裂在地表的破裂形跡不清楚，新活動性并不顯著，第四紀以來的多期構造活動使斷裂西側的白堊系—新近系地層發生褶皺變形，同時卷入了第四系堆積層，以逆斷裂—褶皺作用控制著該地區中強地震的分布（袁道陽等，2002），也是支配包括秦王川盆地及西緣斷裂所在地區地殼構造變形、中強地震分布的主導性斷裂。而莊浪河東側的秦王川盆地西緣斷裂規模小，形態簡單，兩側地形比差20—60m，斷裂活動強度、規模和吸收地殼形變的作用已不能與莊浪河斷裂相提并論。秦王川盆地西緣斷裂只是在整體抬升的構造環境下處于被動的弱響應地位，已不具有控貌作用，其活動性大幅減弱已屬正常。

4 討論

秦王川盆地在古近—新近紀時為炎熱干燥氣候條件下形成的陸相動蕩湖泊沉積環境，為1套厚400m左右的紫紅色砂泥巖沉積建造，并夾有石膏層。該泛湖盆環境在隨后的構造—地貌演化史中逐漸進入相對獨立的穩定階段，盆緣的構造活動已大幅弱化或消減，取而代之的是整體抬升環境下湖盆萎縮，處于較穩定的低地環境沉積階段（圖8）。秦王川盆地北東側砂梁墩一帶殘留的近水平且膠結堅硬的下更新統礫巖，相當于五泉礫巖，厚數米且出露范圍有限，而同期的該套礫巖至黃河以南的范家坪厚度達347m，礫石變形傾角50o，是蘭州地區對青藏運動A幕（李吉均等，1996）的具體響應（韓飛，2009；張炎等，2010）。由此表明該運動至秦王川盆地一帶已大幅衰減，表現為塊體內部以整體抬升為主。秦王川盆地北部以3條沙溝作為盆地進水通道，南部有4條通向盆地之外的大型溝道，以此連接黃河（圖3（a））。發育于北部山地的水系向盆地流徑，逐漸形成了近南北向順盆山交界處匯聚的主河道。區域階地對比表明，晚更新世以來，由于北側坪城盆地的抬升導致河流改道，秦王川盆地演化成為干旱盆地（袁道陽等，2000）。

圖8 秦王川盆地的形成演化模式 Fig.8 Illustratien of the formation and geological model of the Qinwangchuan basin

關于盆地類型劃分及相關問題已有大量的研究（劉池洋等，2015），秦王川盆地應劃歸為山間拗陷盆地。該盆地類型跟與斷裂密切相關的斷陷（裂陷）盆地類型成因不同，亦與活動斷裂帶之間的拉分剪切盆地成因明顯不同。總體來說，秦王川盆地是在地殼不均衡升降導致的局部地表負向地形的基礎上，受控于周緣隆起，形成水體匯聚和松散物堆積的地貌凹地，這是該盆地形成的先決條件。早期山間凹地的形成可能與秦王川盆地西緣斷裂差異性運動存在聯系，而盆地中后期沉積演化則與已存斷裂聯系不密切，或者斷裂作用已經消失。

秦王川盆地西緣斷裂屬于前第四紀隱伏斷裂，秦王川盆地是不受其控制的斷陷盆地。秦王川盆地西緣斷裂不會產生地表破裂，工程建設不需要避讓。蘭州新區地震危險性與盆地內部地質構造無關，而是來自外圍活動斷裂與地震的影響。新區的一般建設工程抗震設防可按國家有關強制性標準進行，重大工程需要依據《工程場地地震安全性評價》（GB17741—2005）（中華人民共和國國家標準，2005）進行地震安全性評價工作。

5 結論

（1）秦王川盆地西緣斷裂在6條淺層人工地震測線上均有顯示，斷裂上斷點埋深最淺為130m，錯斷了TE3反射波組，該深度處為新近系湖相沉積序列下部層位，表明該斷裂僅影響到新近系下部地層。

（2）垂直可疑地段布設6組排鉆39孔（分別控制第四系厚度9.5—30.58m和新近系厚度9.64—27.8m），均未揭露出斷層物質，地層界面及標志層無斷錯現象。探槽揭示第四系沖洪積堆積結構沒有斷錯或擠壓現象，新近系泥巖頂部的陡坎為古河道沖刷侵蝕所致，是動蕩水流下切、側蝕和局部垮塌綜合作用的結果。

（3）秦王川盆地在古近紀—新近紀為炎熱干燥氣候條件下形成的陸相動蕩湖泊沉積環境，該湖盆在隨后的構造-地貌演化中進入相對獨立的發展階段。盆地中后期沉積演化過程中，斷裂作用已大幅弱化或消失，湖盆萎縮，形成山間水體匯聚和松散物堆積的地貌凹地，演化成為山間拗陷盆地。

（4）秦王川盆地西緣斷裂為前第四紀斷裂，規模小，結構簡單，未出露地表，不具有發生地表同震錯動的孕震能力和控制地貌的作用。該斷裂對秦王川盆地的構造穩定性不構成影響，亦不影響蘭州新區的規劃與發展。

致謝：本文14C樣品由美國BETA年代實驗室測試，對參加蘭州新區地震小區劃工作的人員以及審稿專家提出的寶貴意見和建議表示感謝。