華北盆地北緣寶坻斷裂晚更新世以來的活動性研究

張 歡 徐 康 王 慧 潘志龍 專少鵬, 張運強 李慶喆 卜 令 石光耀 張金龍

1 河北省區域地質調查院，河北省廊坊市曙光道32號, 065000 2 河北省地礦局第一地質大隊，河北省邯鄲市陵園路92號, 056001

寶坻斷裂位于華北盆地北緣，是張家口-渤海構造帶的重要組成部分，同時作為燕山褶皺帶與華北盆地冀中坳陷的邊界斷層，控制著新生代以來武清凹陷的沉積。前人依據石油工業地震及鉆井資料，對寶坻斷裂深部的幾何學與運動學特征進行了系統研究，認為寶坻斷裂呈上陡下緩的犁式正斷層特征，中段部分區域為坡坪式結構，并且其在中生代-新近紀的構造活動控制著武清凹陷的沉積和構造演化[1]。但至今學術界仍缺少對寶坻斷裂淺部特征及其第四紀以來活動性的定量研究。本文依托《河北1∶5萬大廠回族自治縣、三河縣、渠口鎮三幅第四系覆蓋區地質填圖》項目，通過地表地質調查、鉆探以及淺層高分辨率地震勘探方法，輔助14C同位素測年及光釋光測年，對寶坻斷裂淺部特征及晚更新世以來的地震活動性進行系統研究，為寶坻斷裂未來的地震活動性預測提供科學依據。

1 地質概況

研究區第四紀活動斷裂較為發育，主要包括NNE向、NE向、NW向及EW向4組斷裂。其中寶坻斷裂為EW向正斷層，延伸長度約68 km，最大位移達14.2 km，滑脫面深度約為10～15 km[1]。根據中國地震局地震目錄數據，研究區內密集的微震活動主要沿夏墊斷裂、張家灣斷裂展布，寶坻斷裂沿線并不密集(圖1(b))。

從以往野外調查資料來看，寶坻斷裂沿線未發現明顯的線狀地貌，其準確位置一直無法判斷。直至2004年，香河縣荊莊村、大田村一帶發現地裂縫，為定量研究寶坻斷裂晚更新世以來的活動性提供了重要線索。荊莊地裂縫整體呈北東東80°方向展布，穿過荊莊村及大田村北部，由10余條雁列狀地裂縫組成，單條裂縫延伸20～200 m不等，水平開裂約0.5～3 cm，垂直開裂約2～10 cm，地表可識別總長度達800余米。根據房屋修建年代及裂縫沉降量估算，荊莊地裂縫垂直位移速率為5.9～7.1 mm/a(圖1(c))。

2 人工淺層地震反射剖面

2.1 測線位置

為更好地查明寶坻斷裂淺部幾何學特征，本次工作采用縱波反射探測方法在香河縣荊莊村、大田村一帶沿垂直荊莊地裂縫延伸方向分別部署2條地震勘探線。其中DG03測線沿鄉村公路呈近NS向展布，震源采用500 kg車載重錘激發，檢波點距5 m，炮間距10 m，長度為1.48 km；D1-B1測線位于荊莊村東部，沿村內街道呈NS向展布，震源采用100 kg重錘1.5 m下落激發，檢波點距4 m，炮間距8 m，長度為0.68 km。

2.2 數據采集和處理方法

采用428XL型車載無線地震儀采集反射地震探測數據。DG03測線采樣間隔為0.5 ms，最大覆蓋次數90次，記錄長度為3 s，檢波器主頻為60 Hz，兩并兩串。D1-B1測線采樣間隔為0.25 ms，最大覆蓋次數90次，記錄長度為3 s，檢波器主頻為60 Hz，兩并兩串。數據處理采用水平多次疊加方法，包括數字濾波、反褶積、速度分析、疊加、偏移等。

2.3 寶坻斷裂淺層地震反射剖面特征

DG03測線淺層地震反射疊加剖面具有較高的信噪比和分辨率，700 ms以上地層界面反射波較為清晰，可識別出4組可連續追蹤的地層界面反射波(圖2(a))。結合區域資料對比，T0反射層連續性較好，為上新統明化鎮組頂部強反射界面，相當于第四系底界；T1反射層能量較強、橫向連續性好，為上新統明化鎮組底界；T2反射層為一個清晰的削截界面，代表中新統館陶組底界不整合界面；T3反射層也為侵蝕-上超型界面，代表新生界底界不整合界面，即基底反射界面。剖面750 m附近可見由淺到深的鏟狀反射特征分界線，其兩側地層的產狀不同和反射波組存在明顯錯位，因此判定其是寶坻斷裂在地震剖面上的反映。需要注意的是，剖面750 m處恰是勘探線與荊莊地裂縫的交會位置。在DG03剖面中，寶坻斷裂為南傾正斷層，呈鏟狀，上部略陡，向下逐漸變緩。斷層下盤時深約500 ms處可見明顯的反射界面，其上呈平行連續反射，界面下部可見一楔狀體，楔狀體略顯南傾，與上覆地層為角度不整合接觸，楔狀體之下則為雜亂反射，推測為前新生代或前中生代基底。斷層上盤可分辨范圍內的反射層整體連續性較好，未見基底反射界面，反映出新生界沉積厚度較下盤厚，地層層面略向北傾，并在剖面150 m及240 m處發育2條北傾次級正斷層。

1.第四系；2.上新統；3.中新統；4.古近系+中生界；5.前中生界；6.斷層；7.地震反射層

D1-B1測線淺層地震反射疊加剖面同樣具有較高的信噪比和分辨率，900 ms以上地層界面反射波較為清晰，多組地層界面反射波可連續追蹤(圖2(b))。T0反射層能量較強、橫向連續性好，為第四系底界；T1反射層為強反射界面，代表上新世明化鎮組底界；T3反射層為一個清晰的削截界面，代表基底反射界面。在剖面430 m附近可見由淺到深的椅狀反射特征分界線，其兩側地層的產狀和反射波組明顯不同，尤其是館陶組底界T2反射層在分界線兩側的反射波同相軸突然消失，這些特征同樣是寶坻斷裂在地震剖面上的反映，而剖面430 m處也是勘探線與荊莊地裂縫的交會位置。在D1-B1剖面中，寶坻斷裂為南傾正斷層，略呈椅狀，淺部較陡，在T1反射層上部略微變緩，向下又突然變陡。斷層下盤震相較為豐富，時深370 ms處可見明顯的強反射界面(T1)，時深600 ms處可見清晰的基底反射界面(T3)；斷層上盤反射波同相軸連續性好、能量較強，表現出沉積盆地連續沉積的特征，新生界沉積厚度明顯大于斷層下盤。

綜上所述，在香河縣荊莊村一帶，寶坻斷裂表現為近EW走向的南傾正斷層，剖面上呈鏟狀，上部略陡，向下逐漸變緩，其明顯控制著武清凹陷新近系的沉積，并對第四系沉積也具有一定的控制作用。

3 鉆孔分析

為查明寶坻斷裂晚更新世以來的活動性及其近地表特征，分別于寶坻斷層兩側部署2個構造觀察鉆孔，其中渠10孔位于斷裂下盤，距地裂縫北緣約10 m，井口高程6.41 m，終孔深度50.0 m；渠11孔位于斷裂上盤，距地裂縫南緣約15 m，井口高程6.22 m，終孔深度50.0 m，2個構造觀察孔鉆孔間距為43.6 m。鉆孔進尺精度<1 cm，但由于巖芯脹芯及丟失影響取芯精度≤10 cm。需要說明的是，淺層地震剖面及野外調查顯示，研究區第四系以水平沉積為主，因此鉆孔中地層默認為水平產出。

3.1 實驗測試

為了對鉆孔巖芯進行年代學約束，本次工作在渠10孔中進尺深度2～11 m之間采集4件富含有機質的粘土作為14C測年樣品，在進尺14～34 m之間采集4件光釋光樣品；在渠11孔進尺深度1～9 m之間采集6件富含有機質的粘土及螺化石作為14C測年樣品，在進尺14～34 m之間采集4件光釋光樣品。14C測年在北京大學科技考古與文物保護實驗室完成，實驗采用加速器質譜法(AMS)，所用14C半衰期為5 568 a，樹輪校正所用曲線為IntCal13 atmospheric curve[3]，數據處理所用程序為OxCal v4.2.4(表1)。光釋光測年在北京光釋光實驗室科技有限公司完成，實驗儀器為Daybreak 2200光釋光儀，所有樣品采用細顆粒簡單多片再生法獲得等效劑量值，采用飽和指數方法進行擬合。本次簡單多片法測量的細顆粒樣品再生劑量點不太分散，生長曲線未明顯飽和，測試數據可信，實驗結果見表2。

表1 寶坻斷裂構造觀測孔14C測年數據表

表2 寶坻斷裂構造觀測孔光釋光測年數據

3.2 鉆孔巖芯標志層分析

兩口鉆孔巖芯巖性均為曲流河相沉積物，沉積物層理清晰，沉積構造較為發育，具有可靠的橫向對比性(圖3)。本次選取的標志層已剔除具有明顯河床沖刷特征的砂-粘土界面，主要選取曲流河相沉積中水動力較弱且橫向上沉積較為穩定的河漫湖沼相沉積層、古土壤及地下水水位振蕩界面作為標志層，這些標志層均可以指示相應的沉積時期或地下水水位振蕩期2個鉆孔均處于同一高程位置，其中包括1層鐵錳結核層、1層古土壤層、1層粘土層、1層泥炭層、2層潛育化層、3層鈣核層。

圖3 寶坻斷裂構造觀測孔巖芯典型特征

通過渠10孔、渠11孔聯孔對比，兩者巖芯中標志層落差(渠10孔標志層、標志界面絕對標高減去渠11孔對應標志層、標志界面絕對標高)具有如下特征(圖4)：

圖4 寶坻斷裂構造觀測孔綜合對比

1)兩鉆孔全新統上部鐵錳質結核層(14C年齡為1 725～3 955 a BP)底界埋深均為3 m左右，其落差為-0.1 m，基本等同于取芯控制精度，可能為取芯誤差所造成。渠10孔全新統底界埋深為5.3 m，絕對標高為1.1 m，界面上部為灰黃色粉砂(14C年齡為11 140±40 a BP)，下部為灰色粉砂。渠11孔全新統底界埋深位于5.0～5.3 m之間(有0.3 m巖芯丟失)，絕對標高為0.9～1.2 m，基本上與渠10孔一致，表明全新世以來寶坻斷裂基本無明顯垂直位移。

2)上更新統上部。在渠11孔進尺9.05～9.65 m之間識別出一層同震沉積層，即第一震積層，厚度為0.5 m。第一震積層底部為淺棕灰色粘土質粉砂，含大量直徑2～3 cm的泥礫，向上過渡為灰色含碳粘土質粉砂層，可見明顯的地震擾動特征，發育包卷層理及被粘土或有機質充填的細脈(圖3(b))，其頂部14C年齡為22 740±70 a BP。通過上述分析基本可以確定距今2.27萬年寶坻斷裂曾發生一次地震(E1地震)。渠11孔第一震積層之下的第一古土壤層與渠10孔落差為1.4 m，基本上可以代表E1地震的同震位移量。第一震積層之上，位于斷層下盤的渠10孔中缺失第一潛育化層(14C年齡為21 140±60 a BP)。需要注意的是，渠10孔第一粘土層底界面并非一個侵蝕界面，其可能指示在E1地震之后一段時間內斷層上下盤存在明顯的地貌差異。

3)上更新統中部。2個鉆孔中均發育有一層泥炭層(即第一泥炭層，光釋光年齡為97.1±4.4～98.0±5.3 ka)，泥炭層頂界面落差為1.3 m，考慮到取芯誤差，基本上與第一古土壤層1.4 m的落差一致，據此可以認為第一泥炭層沉積結束至第一古土壤層形成之間寶坻斷裂基本未活動。在渠11孔泥炭層內部，進尺20.45～20.95 m之間可見第二震積層，層內可見泥炭團塊及被泥炭充填的細脈，同時發育有大量包卷層理(圖3(d))，其代表寶坻斷裂另一次地震活動(E2地震)。此外，據兩鉆孔泥炭層厚度差為1.2 m、泥炭層底界及第二潛育化層累計落差2.5 m推算，E2地震事件同震位移約為1.2 m。需要說明的是，渠11孔泥炭層第二震積層之下部分的厚度明顯大于渠10孔，根據泥炭層內部第二鈣核層頂界落差推算，E2地震后渠10孔泥炭層應存在一定量的剝蝕(圖3(c)、3(d))。

4)中更新統上部。2個鉆孔中發育有一層粘土層，但其頂面為明顯的沖刷界面，無法作為對比標志層。粘土層內部第三鈣核層的落差為2.6 m，接近泥炭層底界落差2.5 m，因此判斷中更新統第三鈣核層形成至泥炭層沉積前期之間，寶坻斷裂并未產生明顯的垂直落差。

5)第三鈣質結核層之下。2個鉆孔均為河床及邊灘沉積，且在渠11孔底部見到明顯的沖刷面，因此其不具備對比意義。

綜上所述，寶坻斷裂在全新世活動并不顯著，而晚更新世為寶坻斷裂的劇烈活動期。斷層上斷點位于第一潛育化層至全新統底界之間，即距地表5～7 m。根據構造觀察孔巖芯對比可知，距今10萬年以來，寶坻斷裂發生2次地震活動，其中最近一次E1地震發生于22 740±70 a BP，同震位移1.4 m，E2地震發生于距今97.1±4.4～98.0±5.3 ka之間，同震位移1.2 m，2次地震發震間隔約7.5萬年。需要說明的是，由于曲流河相沉積的側向侵蝕作用，構造觀察孔巖芯中存在侵蝕界面和沉積間斷界面，同時鑒于鉆孔巖芯的局限性，暫時無法排除還存在其他未能識別的地震活動，因此寶坻斷裂的發震周期不能簡單解釋為7.5萬年，還需要通過進一步研究來確定。

3.3 沉積速率分析

在構造觀察孔年齡/深度關系圖中(圖5(a))，渠10孔、渠11孔年齡/深度曲線整體趨于一致，表明兩者沉積關聯性較強，具有較高的對比性。在局部上可見2處渠11孔曲線斜率明顯小于渠10孔，其中S1位于深度4.1～7.1 m之間(以渠10孔井口為基準，下同)，S2位于深度17.8～23.6 m之間，表明此時渠11孔的沉積速率明顯大于渠10孔。在2個鉆孔巖芯中，S1段、S2段及其對應的渠10孔沉積段均為連續沉積，并未見到明顯的沉積間斷界面或河床侵蝕界面，可排除渠10孔因沉積物剝蝕或河流侵蝕而造成沉積速率降低的情況。因此，在S1段和S2段沉積時期，導致2個鉆孔沉積速率存在差異的原因是寶坻斷裂上下盤垂向上的差異性活動。

從圖5(b)可以看出，渠11孔S1和S2兩段均出現明顯的沉積速率異常增大現象。渠11孔S1段沉積速率達到3.47 mm/a，而與該段對應的渠10孔沉積速率僅為0.18 mm/a。S1段位于第一震積層之上，略晚于E1地震，說明S1快速沉積段發育于E1地震斷層上盤陡坎前。渠11孔S2段沉積速率為1.02 mm/a，而與之對應的渠10孔沉積速率僅為0.34 mm/a。S2段與E2地震對應性較好，兩鉆孔沉積速率差異可能與E1地震斷層下盤陡坎(渠10孔)的侵蝕有關。

圖5 寶坻斷裂構造觀察孔年齡/深度關系及沉積速率/深度關系

4 討 論

4.1 寶坻斷裂與荊莊地裂縫關系

荊莊、大田村一帶自20世紀50年代開始一直使用渠水灌溉，周邊不存在用水量巨大的企業和地下采礦企業，可排除抽水沉降和采空沉降成因。本次部署的淺層地震剖面顯示，寶坻斷裂上延位置恰好與荊莊地裂縫發育位置及展布方向重疊，因此荊莊地裂縫為受寶坻斷裂控制的構造型地裂縫。此外，構造觀察孔巖芯顯示，寶坻斷裂兩側埋深5 m以上的地層幾乎不存在垂直落差，基本說明斷裂未切穿地表。根據前人研究成果[4-5]，本文認為荊莊地裂縫的成因機制為區域伸展構造活動產生的拉張應力沿隱伏斷裂向上擴展，并使地表土體處于局部拉張應力環境，導致地表產生一系列微型破裂構造。

根據華北地區多期精密水準復測資料可知，1992～1998年寶坻斷裂以南發生明顯沉降，斷裂以北微弱抬升，年抬升速率小于2 mm/a，而1998～2008年研究區整體緩慢沉降，且具有明顯的增大趨勢，但年均沉降速率一般小于8 mm/a[6]。根據前人通過InSAR技術對北三縣地區地表沉降監測與分析結果來看，2007～2016年寶坻斷裂以北地區的香河、渠口鎮、寶坻一帶地表沉降程度較低，年均沉降速率一般小于8 mm/a，部分地區甚至出現逆沉降(即抬升)，這些區域整體呈NNW向或EW向，且多具季節性變化特點；寶坻斷裂以南的五百戶、劉宋、新開口一帶的平均沉降速率顯著高于斷裂北側，沉降速率在8～16 mm/a之間[7-9]，沉降中心分布與寶坻斷裂及武清凹陷空間展布具有一致性，表明受寶坻斷裂與基底構造控制。因此，荊莊地裂縫的形成除與寶坻斷裂關系密切外，測區南部以安頭屯-新開口一線為界南北地表不均勻沉降產生的剪切應力也會加快荊莊地裂縫的發展。

4.2 寶坻斷裂地震活動性

在由多條獨立斷裂組成的活動斷裂中，每一段都為獨立的破裂和活動單元，具有自己獨特的活動歷史，不同段的活動方式、幅度、速率、單次地震的同震位移量、地震地表破裂長度、最大震級以及地震復發間隔等均有所不同[10-11]。張家口-渤海斷裂帶(張渤帶)具有明顯的分段特征，不同分支斷層的活動性具有明顯差異。

近年來，部分學者對張渤帶各個分支斷裂的活動性進行了不同程度研究。南口-孫河斷裂西北段距今60 ka以來經歷過13次地震地表位錯事件，具有持續活動特點[12]。南口-孫河斷裂南東段最新活動時代為晚更新世早期-中更新世晚期，早更新世和晚更新世以來，斷裂垂向運動位移量較小[13]。昌平-豐南斷裂上斷點埋深80～100 m，其最新活動時代為晚更新世[14]。薊運河斷裂北段上斷點埋深25 m，最新活動時間為晚更新世；南段上斷點埋深約55 m，最新活動時間為中更新世中晚期[15]。海河斷裂西段在36 290±2 680 a BP以來發生過活動，但該斷層最晚活動時代不晚于 8 415±115 a BP，其主要活動時代為更新世末期至全新世早期；海河斷裂東段最新活動時代至少為7 200±140 a BP，相當于全新世早中期[16]。

部分學者根據斷層似摩擦系數推測，張家口-渤海斷裂帶西北段未來地震活動可能性較高，斷裂帶中段及東南段應力積累水平較低，中強地震活動可能性較小[17]。此外，現有研究普遍認為，京津冀地區張渤帶與NNE向斷裂交會位置往往是中強地震和大地震發生區域[17-19]。寶坻斷裂位于張渤帶中段，未發現NNE向第四紀活動斷裂與之交會，其上斷點埋深為5～7 m之間，最近一次地震的活動時間為22 740±70 a BP，相當于晚更新世晚期，基本與同樣位于張渤帶中段的昌平-豐南斷裂、海河斷裂及薊運河斷裂的末次活動時間接近，全新世以來這些斷層基本上處于不活躍狀態。

綜上分析可知，全新世以來寶坻斷裂整體處于不活躍狀態，誘發中強地震和大地震的可能性較低。

5 結 語

1)根據淺層地震反射剖面可知，香河縣荊莊地區寶坻斷裂表現為一條近EW走向的南傾正斷層，剖面上呈鏟狀，上部略陡，向下逐漸變緩，其明顯控制著新生代以來武清凹陷的沉積，且對第四紀沉積也具有一定控制作用。

2)通過部署在斷層兩側的構造觀察孔巖芯對比及測年數據可知，寶坻斷裂上斷點距地表約5～7 m。距今10萬年以來寶坻斷裂共發生2次地震活動，累積位移2.6 m，其中最近一次E1地震發生于22 740±70 a BP，同震位移1.4 m；E2地震發生于距今97.1±4.4～98.0±5.3 ka之間，同震位移1.2 m，2次地震間隔約7.5萬年。鑒于鉆孔巖芯的局限性，寶坻斷裂的發震周期不能簡單解釋為7.5萬年，還需要通過進一步研究來確定。

3)根據本次鉆孔研究，結合前人對張渤帶各分支斷裂活動性及發震規律的研究成果，綜合判斷寶坻斷裂全新世以來整體處于不活躍狀態，誘發中強地震和大地震的可能性較低。

4)荊莊地裂縫為受寶坻斷裂控制的構造型地裂縫，其形成機制為區域伸展構造活動產生的拉張應力沿隱伏斷裂向上擴展，并使地表土體處于局部拉張應力環境，導致地表產生一系列微型破裂構造。此外，寶坻斷裂南北兩側地表不均勻沉降產生的剪切應力也會加快荊莊地裂縫的發展。

致謝：感謝中國地質科學院地質力學研究所胡健民研究員、李振宏研究員，天津市地質調查研究院王家兵教授級高級工程師，北京市地質調查研究院蔡向民教授級高級工程師在野外工作中給予的幫助與指導；感謝中國地震局地震預測研究所張軍龍研究員對本文的指導與幫助；感謝北京大學考古文博學院潘巖老師在14C測年實驗中提供的幫助。