渭河盆地北緣斷裂東段將軍山—白水斷裂活動性研究

姚晨輝, 李鈺強

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司, 陜西 西安 710065)

0 引言

渭河盆地發育于鄂爾多斯塊體南緣和秦嶺構造帶北側之間,自始新世以來在區域構造水平伸展作用和深部物質運動產生的垂直力聯合作用下逐漸形成正斷層活動的斷陷格局[1-3]。研究發現,渭河斷陷盆地由多個不對稱發育的復式地塹(凹陷)和掀斜斷塊(凸起)構成[4-5]。胡亞軒等[6]根據區域內1980—2014年水準資料研究發現,渭河盆地水平運動速度為4.3～11.6 mm/a,方向從西部的SE、SEE向東逐步轉為SE、近E向,分別在107.8°E和110.5°E左右出現方向偏轉;垂向以繼承性運動為主,速率-4.6～6.2 mm/a;鄂爾多斯地塊以3 mm/a抬升,渭河盆地相對其以5 mm/a下沉,斷塊/斷裂交接處差異運動大、地震多發,西、南部斷裂活動大于東、北部。

渭河盆地北緣斷裂,又稱北山山前斷裂,其主體分布于渭河盆地北緣的北山南緣,西起岐山,經乾縣、禮泉、涇陽、耀縣、富平、蒲城,東抵合陽,全長約180 km,走向NE-NEE,傾向SE,傾角50°～80°,正斷性質,總體呈隱伏狀,局部有出露現象[7]。該斷裂在遙感影像圖上構造地貌明顯,以口鎮—關山斷裂為界可分為西段和東段兩部分,其中西段由岐山—店頭斷裂(F6-1)、龍巖寺—乾縣斷裂(F6-2)、楊莊鎮—口鎮斷裂(F6-3)三條斜列的NE向邊界斷裂組成,整體性較好;東段由新興—馬額斷裂(F6-4)、將軍山—白水斷裂(F6-5)等斷裂組成,空間分布較分散[7]。前人研究認為渭河盆地北緣斷裂除北東段的韓城—合陽斷裂為全新世活斷裂以外,其他分段的最新活動時代為晚更新世(圖1)[8-10]。

圖1 渭河盆地活動斷裂分布圖Fig.1 Distribution of active faults in the Weihe Basin

田勤儉等[11]對渭河盆地南緣和北緣幾條斷裂第四紀活動性的遷移變化進行研究,發現在大約80～90萬年前,渭河盆地南緣的臨潼-長安斷裂帶的活動性發生了顯著變化,驪山山前斷裂也有活動性遷移現象,渭南塬前斷裂開始強烈活動,渭南塬全面抬升;約12萬年前,渭河盆地北緣的口鎮-關山斷裂活動性明顯減弱。

本文的研究對象將軍山—白水斷裂(F6-5)是北山山前斷裂東段的一分支,位于將軍山、東太白山山前,向北東延伸至白水縣境內。某擬建抽水蓄能電站場地距離該斷裂最近距離約500 m,斷裂的活動性直接影響到電站的規劃選址。文獻[12]認為“該斷裂為一明顯地貌分界線,基巖斷層三角面發育,近場區該斷裂控制著將軍山南緣等北山山地,山前洪積扇發育,表明該地區全新世仍有垂直差異運動”。

目前對渭河盆地北緣斷裂帶西段研究較為扎實,取得的資料較多,而對東段斷裂活動性的研究相對較少,以遙感解譯為主,且多為定性判斷(圖2)。因此,本文通過地質地貌調查、音頻大地電磁法勘探、淺層地震反射勘探[13]、跨斷層鉆孔聯合剖面探測等工作,結合第四紀沉積物的年代測試等,對渭河盆地北緣斷裂東段的將軍山—白水斷裂在擬建工程區影響范圍內的展布與活動特征進行研究,以期為該斷裂未來的地震活動性預測提供科學依據。

圖2 研究區地震構造圖Fig.2 Seismic structure diagram of the study area

1 地質地貌特征

研究區以北山山前斷裂為界形成南北鮮明的地貌差異特征:斷裂北側為基巖山地,海拔1 000～1 200 m;南側為厚約數十米至二百多米的黃土覆蓋塬、梁地貌,海拔500～700 m。整體地勢北高南低,山前洪積扇地形平緩過渡到平坦地貌,未發現斷層錯段形成的錯臺、反坎等地貌特征(圖3)。

圖3 研究區地形地貌特征(鏡像N)Fig.3 Topographic features of the study area

通過對研究區附近地質調查發現,在山前地形驟變帶,晚更新世黃土與奧陶系基巖地層分界部位未見斷裂接觸現象(圖4)。

圖4 奧陶系基巖與上覆晚更新世黃土(鏡像NW)Fig.4 Ordovician bedrock and overlying Late Pleistocene loess

研究區東側約12 km處發育有大規模河道下切形成的沖溝,下切深度約44 m,下切剖面揭露黃土地層,未見底,穿越北山山前斷裂,下切深度均勻,說明該斷裂在黃土地層形成后未發生錯斷(圖5)。研究區西側的河流兩岸出露第四紀地層,其中發育有2層古土壤層(圖6)。根據區域地質資料,晚更新世發育的古土壤層主要為褐紅色,中更新世則主要為棕紅色。調查分析認為上層古土壤為晚更新世的底界,下部古土壤為中更新世內的古土壤層，沿河流連續追索了這兩套古土壤層,在山根部位發現雖然古土壤層存在很大的傾角,但是連續分布,沒有被錯斷的現象。

圖5 研究區東側溝谷地貌(鏡像NW)Fig.5 Gully landform on the east side of the study area

圖6 研究區西側上覆第四紀地層與古土壤(鏡像NW)Fig.6 Overlying Quaternary strata and paleosol on the west side of the study area

綜合上述地貌地質調查的結果,初步分析認為將軍山—白水斷裂(F6-5)在研究區呈隱伏狀,未發現有全新世活動跡象。因此,需借助音頻大地電磁法勘探、淺層地震反射勘探、跨斷層鉆孔聯合剖面探測,并結合第四紀沉積物的年代測試等方法,對該斷裂的出露位置及活動性進行進一步研究。

2 斷裂幾何展布特征探測

2.1 音頻大地電磁法勘探

音頻大地電磁測深法是通過分析地面觀測到的由人工控制的電磁波信號在介質中激發的電磁波數據,來達到勘探地球內部導電性結構的目的。由于斷裂破碎帶和巖石表現出明顯的電阻率各向異性,因此可以通過研究斷裂帶附近的電阻率各向異性,達到探測斷裂的目的[14]。該方法具有工作效率高、抗干擾能力強、勘探深度大、分辨率高等優點,已在隱伏斷裂活動性探測應用中取得了較好的效果[15-17]。

研究區基巖為奧陶系灰巖,電阻率值較高,但當巖體破碎，巖溶或裂隙充水、發育有斷裂破碎帶時,其視電阻率會明顯降低,視電阻率等值線斷面圖會出現明顯的異常。根據研究區地形地貌、地面建筑物、障礙物分布情況,經現場踏勘布置3條音頻大地電磁法測線L1、L2、L3。測線按照垂直斷層線走向布置,每條測線2 000 m,共6 000 m,點距30 m,設計物理點約204個(圖7)。

圖7 物探測線布置圖Fig.7 Layout of geophysical prospecting lines

以L1測線研究成果為代表進行分析,從二維反演視電阻率斷面圖(圖8)可以明顯看出,斷面出現較大規模的低電阻率層,且視電阻率等值線在水平方向均出現不連續轉折變化,表現為垂向等值線密集分布梯度帶,且延縱深方向有一定發展。根據以上典型特征,推測該低電阻率區域為斷裂構造破碎帶。結合工作區區域地質資料,推測該斷裂帶在研究區走向為NE-NNE,傾角72°～80°,呈隱伏狀未出露。

圖8 大地電磁測深L1剖面綜合斷面圖Fig.8 Comprehensive section of magnetotelluric depth sounding profile L1

2.2 淺層地震勘探

淺層地震勘探方法是一種有效探測覆蓋區隱伏活動斷裂的地球物理探測手段,其原理是利用地震波在彈性介質傳播的理論,通過人工在地面激發地震波向地下深處傳播,遇彈性不同的介質分界面就會產生波的反射,用檢波器接收其反射波信號,通過淺層地震儀接收返回的反射地震波。研究不同反射界面反射回來的反射波場,利用同相軸的連續性和幾何形態,可以進行巖層分界面的解釋[18]。

為進一步揭示斷裂的展布,在斷裂隱伏段布設了3條跨斷層的淺層地震勘探測線,地震剖面長度6 365 m,物理點816個,采用多次覆蓋觀測系統的地震縱波反射探測方法對其進行了探測。圖9為典型測線L1的時間剖面和地質解釋剖面。

在對反射波疊加時間剖面進行波組分析對比、追蹤的基礎上,經過地震波速度和時深轉換,對地震反射剖面上的反射波場特征和測區的地質構造特點進行斷層的推斷解釋。判別斷層的主要依據是:(1)反射波同相軸的明顯中斷和錯位;(2)反射波同相軸數目的明顯增減或消失;(3)反射波同相軸形態和反射波能量的突然變化;(4)反射波同相軸出現強相位反轉以及上下波組的相互依賴關系;(5)波組發生變化,存在明顯的錯斷,斷層解釋后能夠連續追蹤;雖然同相軸能夠聯系追蹤,但是波組整體發生變化,斷層解釋后波組能夠一致;(7)異常波的出現(如繞射波、斷面反射波等);(8)斷層上、下盤地層產狀存在明顯差異。

通過對區域地質資料和3條地震剖面的綜合分析解釋,在3條地震時間剖面上共解釋了7個斷點(表1)。其中可靠及較可靠的斷點有5個,可靠性較差的斷點2個,組合為2條斷層。總體來看,工作區內的斷裂總體走向多為NE向,傾向S,覆蓋層由北向南逐漸增厚。

從斷點的剖面特征分析,FP1-1、FP2-1、FP2-2及FP3-1組成的北支斷層西側的斷錯幅度大于東側,FP1-3與FP2-3組成的南支斷層東側的斷裂地震剖面特征更加明顯,而西側測線FP2-3上的斷點特征則相對較弱。圖10為淺層地震勘探解釋斷層分布圖。

圖9 L1測線時間剖面和地質剖面圖Fig.9 Time profile and geological profile ofsurvey lineL1

表1 斷點特征一覽表

圖10 淺層地震勘探解釋斷層分布圖Fig.10 Interpretation of the distribution of faults using the shallow seismic exploration method

3 斷裂活動性研究

為了進一步查清將軍山—白水斷裂的準確位置及活動性,驗證淺層地震勘探和音頻大地電磁法勘探結果的有效性,針對淺層地震勘探識別出的斷層,開展了兩組聯排鉆孔探測。通過對巖芯編錄和照片拼接,繪制巖芯柱狀圖,建立鉆孔聯合剖面,通過地層(特別是標志層)對比,綜合判斷該斷裂的位置及最新活動時代。

3.1 聯排鉆孔探測

L2、L3聯排鉆孔工作區分別位于L2和L3地震測線上,L2測線針對地震勘探推測的FP2-2,L3測線針對地震勘探推測的FP3-1。其中,L2剖面直線長度178 m,走向近SN,共布設6個鉆孔,相鄰鉆孔間距最小10 m,最大50 m;L3剖面直線長度145 m,走向近SN,共布設8個鉆孔,相鄰鉆孔間距最小9 m,最大46 m(圖11、12)。

圖11 L2聯排鉆孔探測剖面位置示意圖Fig.11 Schematic diagram of the position of row borehole exploration section L2

圖12 L3聯排鉆孔探測剖面位置示意圖Fig.12 Schematic diagram of the positionofrow borehole exploration section L3

依據鉆孔巖芯編錄資料,結合土層巖性、顏色以及古土壤變化特征,將地層分為①、②、③、④共4套地層。其中第①套地層由褐黃色黃土、雜色中礫組成,層底部為棕紅色古土壤;第②套地層由褐黃色黃土、黃褐色黃土組成,層底界為棕紅色古土壤;第③套地層由雜色中礫、褐黃色黃土、棕紅色古土壤組成,總體表現為古土壤與黃土的互層現象,地層底界為棕紅色古土壤;第④套地層主要由褐黃色粉質黏土組成。

L2聯合鉆孔剖面:標志層A,主要由棕紅色古土壤組成;標志層B,為棕紅色古土壤層,含少量鈣核、鈣質條紋;標志層C,為雜色礫石層,上伏地層表現為棕紅色古土壤與褐黃色黃土的互層現象,下伏地層表現為褐黃色、褐紅色粉質黏土。

L3聯合鉆孔剖面:標志層a,為棕紅色古土壤,位于雜色中礫與褐黃色黃土之間;標志層b,為棕紅色古土壤,位于雜色中礫層中,上部地層主體為雜色中礫,個別孔位含黃土夾層,下部在巖性上表現為“礫石-黃土”的二元結構;標志層c,為棕紅色古土壤,含個別鈣核,個別孔位含褐黃色黃土、雜色中礫夾層,上部為褐黃色黃土,下部為雜色中礫;標志層d,由棕紅色古土壤組成,上部地層為褐黃色黃土,下部地層為褐黃色粉質黏土。

從L2聯合鉆孔剖面看(圖13),第②套地層頂部(埋深約17～27 m)比較連續,橫向變化較小,但是底界在L2-ZK6與L2-ZK3之間明顯被錯開,該地層古土壤層的底界(標志層B)被錯斷了1 m左右。第③套地層標志層C的古土壤層底部在ZK6和ZK3附近的錯動位移量約為6 m,并在L2-ZK3深47 m處的巖芯中見到斷層,表現為棕紅色古土壤與黃棕色土壤的分界。據此可以推斷,L2聯合鉆孔剖面斷層走向EW,傾向N,其上斷點位置位于L2-ZK6與L2-ZK3之間,埋深24～25 m。

從L3聯合鉆孔剖面可以看出(圖14),第③套古土壤層c和第④套古土壤層d,其頂界是連續的,而其底界在L3-ZK5與L3-ZK6之間存在明顯的高差,其古土壤層和厚度也有明顯差別,推測斷層錯斷了第③套古土壤層的底界,位錯量為1 m左右。第④套古土壤層d在L3-ZK6與L3-ZK2之間有明顯的高差,推測斷層從這兩孔之間通過,兩側古土壤層d被錯動了2.5 m。在ZK6鉆孔巖芯中可以看到斷層的痕跡,斷層裂縫中充填紅色黏土,可以確定是斷層錯動形成的。據此可以判斷,上斷點的位置位于L3-ZK5與L3-ZK6之間第③套古土壤層c的頂部,埋深29 m。

通過對兩條聯排鉆孔的探測,確定淺層地震探測所推測的斷層上斷點埋深為25～30 m。

圖13 L2聯合鉆孔剖面及斷層位置和上斷點Fig.13 Joint borehole section L2 and the location and upbreakpoint of fault

圖14 L3聯合鉆孔剖面及斷層位置和上斷點Fig14 Joint borehole section L3 and the location and upbreakpoint of fault

3.2 地質測年法

分別對L2聯合鉆孔剖面鉆孔ZK1、ZK2、ZK5,L3聯合鉆孔剖面鉆孔ZK2、ZK4、ZK7、ZK8進行年代樣品采集工作,采用細顆粒石英光釋光測年法對所選樣品進行測定,測試結果列于表2。

從測年結果可以看出,L2剖面第①套地層連續,未被錯斷,該地層底界測年結果為192.89～289.25 ka;L3剖面第②套地層連續,未被錯斷,該地層底界測年結果為187.12～221.99 ka,表明將軍山—白水斷裂(F6-5)斷裂晚更新世未有活動。

4 結論

(1) 通過對區域地質資料和地質地貌調查,將軍山—白水斷裂(F6-5)在研究區未發現斷層錯段形成的錯臺、反坎等地貌特征,判斷該斷裂在研究區呈隱伏狀。

表2 聯合鉆孔剖面樣品測年結果

(2) 通過音頻大地電磁和淺層地震勘探,初步查明該斷裂在研究區內總體走向為NE向,傾向S,傾角為72°～80°。

(3) 通過聯排鉆孔探測以及地質測年,確定淺層地震探測所推測的斷層上斷點埋深為25～30 m,最新活動時代為中更新世晚期,未發現晚更新世以來活動的證據,判斷該斷層為中更新世活動斷層。