宿迁城市活动断层探测多方法技术运用的典型案例

曹 筠 冉勇康 许汉刚 李彦宝张 鹏 马兴全 李丽梅

1)中国地质大学(北京)，北京 100083

2)中国地震局地质研究所，北京 100029

3)河北省地震局，石家庄 050021

4)江苏省地震局，南京 210014

5)河南省地震局，郑州 450016

0 引言

中国绝大多数的城市处在平原或盆地地区，城市活动断层大多处于隐伏或半隐伏状态，而隐伏活动断层定位及其最新活动时代研究，多年来一直是技术难题(汪一鹏，2004)。城市活动断层是城市潜在重大危害之一，因此，对其进行准确定位及活动性鉴定是城市活动断层探测与地震危险性评价工作的最关键环节，可为地震危险性和危害性评价，以及合理规划城市“避让带”提供可靠依据(邓起东等，2003，2007a)。目前，对城市活动断层的定位普遍采用浅层地震勘探和钻孔联合剖面相结合的方法，并在多年探索和实践中取得了一些具有开创性和代表性的成果(刘保金等，2002，2008;柴炽章等，2006;雷启云等，2011)。由于浅层地震勘探存在一定的误差，而钻孔联合剖面只能将断层及其上断点限定在一定范围内。近年在宿迁市合欢路场地，采用地质地貌调查、浅层地震勘探、钻孔联合剖面探测和槽探相结合的多方法、多层次探测技术，实现了对隐伏活动断层的准确定位及其最新活动时代的判定，可为后续开展的宿迁市地震危险性评价工作和规划城市“避让带”宽度提供可靠的定量化参数。

1 宿迁市地震地质构造背景

宿迁市位于华北平原东南部的华北陆块与苏鲁造山带结合部位。中国东部著名的郯庐断裂带穿城而过，区内沉积了中、新生代以来陆相碎屑岩层。郯庐断裂带在苏北由5条近于平行的断层组成，自东向西分别是昌邑－大店断裂(F1)、安丘－莒县断裂(F5)、白芬子－浮来山断裂(F2)、沂水－汤头断裂(F3)和鄌郚－葛沟断裂(F4)，其中F1，F2和F3，F4分别是中生代东、西地堑的边界断层，形成“两堑夹一垒”的构造样式，F5是在东地堑F1和F2之间新发育的一条断层(国家地震局地质研究所，1987;晁洪太等，1994a)。郯庐断裂带的F1，F5，F2和F34条断层经过宿迁城区，在城北的京杭大运河附近，还发育一条NWW向的宿迁闸－皂河镇断裂(F6)，属于苏锡常断裂的一条分支断层(图1)。宿迁城区范围内这几条断层均处于隐伏状态。

图1 宿迁市及周边地质构造略图Fig.1 Geological sketch map of Suqian City and its surrounding area.

2 宿迁市合欢路隐伏活动断层多方法探测

我们拟定量确定断层在地表或近地表的准确位置，并鉴定断层的晚第四纪活动性，包括明确断层上断点，断错地层和盖层年龄，获取断层全新世以来的古地震事件，得到断层活动规律。本次工作中采用了地质地貌调查→浅层地震勘探→钻孔联合剖面探测→槽探逐步精细化的研究程序。

前人资料(晁洪太等，1994b)显示，郯庐断裂带安丘－莒县断裂(F5)经过宿迁城北晓店。城北合欢路横穿晓店镇附近的丘陵地形，因此选定宿迁市合欢路附近开展有针对性的多方法技术探测工作。

2.1 地质地貌调查

安丘－莒县断裂(F5)是晓店一带东侧平原和西侧山体的分界断层(晁洪太，1994b)。由于风化侵蚀，人类改造以及断层沿线植被覆盖程度高等因素，使得该断层处于隐伏状态。断层沿线极少有野外地质露头，高分辨率遥感影像线性特征不太明显。依据晓店镇附近丘陵起伏状态，沿断层地貌仔细追索，发现宿迁市宿豫区晓店镇合欢路安顺驾校东600m范围内地形坡度变化非常大(图2a)。该位置恰处于晓店丘陵隆起的东坡，地质地貌显示安丘－莒县断裂应从此经过，选定此处作为进一步探测场地。合欢路北侧主要是麦田，麦田中有疑似断层陡坎存在，但有被后期人为改造的痕迹，路南是宿迁市未成年人社会实践基地(图2a，c)。

图2 合欢路场地照片Fig.2 Photo of Hehuan Road site.

2.2 浅层地震勘探

根据合欢路场地沿线基岩埋深和地层变化大的实际情况，布设浅层地震勘探测线QL2(图1)。测线全长3 723m，点距3m，偏移距36m，72道接收，12次覆盖。采用可控震源，冲击震源2次施工。

在浅层地震发射波叠加时间剖面上明显分辨出4条断层，自西向东分别标记为F、F5－1、F5－2和F1。剖面0～1 510m桩号段，基岩面埋深较浅，反射波组同相轴能量强，起伏大，基岩埋深大致在20～130m之间;1 510～1 986m桩号段，因受F5－1和F5－2断层控制，其间所有地层反射均向西倾，且断层附近绕射波特征明显，基岩顶面埋深最深处达200m以下;1 986m桩号以东，T3、T5反射同相轴分布较为稳定，宿迁组埋深约50m左右，基岩埋深约为130m(图3a)。

4条断层中F5－1断层特征清晰，断层断错浅层地震勘探范围内全部反射波组所代表的地层，应是最新活动断层。F5－1断层上激发的原始记录中断层两侧地层差异很大，波组发育特征完全不同。西侧波组发育单一，直达波以下基本没有发射波发育;东侧75～500ms发育了一系列反射波组，且这些反射波组特征差异明显，有正常走时波组、有倒转走时波组，充分反映出F5－1两侧地层的巨大差异及对地层的切割(图3b)。测线折射原始记录中，61道两侧直达波速度明显不同，西侧(1～61道)为1 950m/s，对应地层是上新统宿迁组(N2s);东侧(61～120道)直达波速度为1 700m/s左右，对应第四纪地层(图3c)。综合反射和折射剖面信息，初步判断F5－1断层地面投射点为1510桩号附近。

图3 合欢路场地浅层地震勘探典型剖面Fig.3 Typical section of shallow seismic profile at the Hehuan Road site.

2.3 钻孔联合剖面探测

依据浅层地震勘探解译的F5－1断层东倾，断层西侧基岩埋深浅、东侧深的实际情况，又鉴于浅层地震勘探存在一定的定位误差，我们于桩号1 510两侧各35m处布设了Hh1#和Hh2#钻孔(图4)。Hh1#孔揭露白垩系王氏组顶界为61.2m，王氏组上部为第四纪地层;而Hh2#孔王氏组顶界则为18.6m，王氏组与宿迁组不整合接触，两孔地层序列差异与地震勘探解译的断层两侧地层情况吻合，因此断层存在于两孔之间。在两孔中间桩号1 510处布设Hh3#孔，其揭露的地层序列与Hh2#相近，而与Hh1#相差非常大，参考对折定位方法原理(雷启云等，2011)，断层应位于Hh1#和Hh3#之间。考虑到浅层地震所解译的F5－1断点东倾，其断点上延后，断层应更接近Hh3#孔，因此，在距Hh3#孔15m处布设了Hh4#孔。Hh4#孔在34.1～34.6m揭露断层，断层下盘为王氏组，上盘为第四系棕黄色黏土，断层带主要是灰白色黏土(图5)。为进一步缩小断层上断点范围，在距离Hh3#孔东8m处又布设Hh5#孔，该钻孔在24.8～25.3m揭露断层，断层上、下盘地层及断层泥与Hh4#揭露完全一致(图5)，至此可以确定断层上断点应在Hh3#和Hh5#之间。钻孔Hh3#和Hh5#之间的孔间距为8m，两孔孔口标高差约0.2m，层⑧底界差0.3m，而标志性层⑨底界只差0.1m，难以合理说明断层断错最新层位。为进一步缩小断层上断点范围，明确断层断错的最新地层，在Hh3#和Hh5#之间布设了Hh6#孔。Hh6#孔揭露的地层序列与Hh3#孔相近，且宿迁组与王氏组之间不整合接触。Hh5#和Hh6#之间孔间距5m，孔口标高差0.13m，标志性层⑨底界没有位差，而层⑧底界依然存在0.3m位差。综合各孔地层关系，判断断层上断点在Hh5#和Hh6#孔之间5m范围内，断层断错层⑧底界，上断点位于层⑧4.4～6.1m。

图4 合欢路井位布设位置图Fig.4 The relative position of boreholes at the Hehuan Road site.

后期层⑧～层⑫的测年结果明显偏老，都在25ka BP以上，有可能这些地层是在修路过程中后期人为填入或者受到修路时人为扰动影响，且现今合欢路沥青路面较北侧麦田有约4m多的高差(图2b)。需开挖探槽确定断层上断点及断层活动性的准确信息，并利用探槽确定断层断错的最新地层年龄与钻探结果相互校正。

总之，合欢路钻孔联合剖面共布设了6个钻孔，孔深19.8～83m，孔间距3～35m，有效限定了合欢路场地断层的位置(图4，5)，为开挖探槽位置提供了可靠依据。

图5 合欢路场地钻孔联合剖面Fig.5 The composite drilling section at the Hehuan Road site.

2.4 探槽研究

图6 合欢路探槽剖面Fig.6 Cross section of the trench at Hehuan road.

根据合欢路场地钻孔联合剖面确定的断层范围，在合欢路北侧断层延长线约30m左右的农田内，并跨越田间疑似断层陡坎，布设一个中型上下两阶探槽(图2c，图6)。探槽长16m，深5m，上阶高2.7m，下阶高2.3m。探槽开挖结果证明田间疑似断层陡坎是受后期人为因素影响形成。探槽揭露断层上断点位于探槽中从东向西第8个1m格子中间。对探槽中控制古地震事件的每个分层采光释光测年样品，从中选取了15个样品送到中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室测定，除其中有6个样品年龄明显偏老外，其余9个样品呈现从深部到浅部越来越年轻的正常年龄趋势。这些样品很好限定了合欢路探槽揭示的4次古地震事件。第1次事件断层断错沉积地层U3，并造成U3、U4地层变形，利用U3，U5地层年龄限定事件在(83.9±4.7)～(57.6±2.2)ka BP。第2次事件断层断错地层U5，事件后堆积U6楔状地层，并被后期堆积U7地层所覆盖。利用U5和U6地层限定事件在(50.4±1.6)～(45.3±1.2)ka BP。第3次事件断层断错事件发生前的堆积地层U7，U8，被后期形成的U9所覆盖，当时的地表和震后的沉积物一起填充楔体A的底部，利用楔体底部年龄和U8年龄，限定事件在(15.8±0.6)～(6.2±0.3)ka BP。最新一次事件断层断错(5.9±0.3)ka BP以来的堆积地层U9，被后期小冲沟带来约20cm厚的砾石层覆盖，事件限定发生在(5.9±0.3)ka BP以后。间接说明了钻孔联合剖面顶部地层可能受到人为因素的影响，有可能致使地层光释光样品测年结果偏老。

通过探槽确定的合欢路场地安丘－莒县断裂位于探槽中间，断层最新一次活动事件发生在(5.9±0.3)ka BP以后，属于全新世活动断层。

3 小结

利用前人成果作为安丘－莒县断裂宿迁段地质地貌调查的区域参考;通过地质地貌调查，选择合欢路附近开展浅层地震探测工作;利用浅层地震勘探方法初步判定断层的位置;依据优选法(对折法)布设钻孔联合剖面，将断层上端点限定在5m宽、4.4～6.1m深的范围内;在钻孔确定的断层位置的往北延长线上30m处开挖探槽，于探槽中间揭露出断层带，完成断层近地表的精确定位。通过序列的年代样品测试，很好地揭示了断层的活动性和古地震事件。显然，利用多层次，多手段综合探测方法，在合欢路场地安丘－莒县断裂宿迁段的断层精定位及其活动性研究中取得了很好的效果。

合欢路探槽显示距今80ka以来，该断层至少发生过4次古地震事件。最新一次事件发生在(5.9±0.3)ka BP以后，说明安丘－莒县断裂宿迁段，至少在宿迁北的合欢路一带为全新世活动断层。