河套断陷带包头断裂第四纪活动性研究

马兴全 孙 杰 赵显刚 王文旭 蔡颖哲 万 娜

(河南省地震局，郑州 450016)

河套断陷带包头断裂第四纪活动性研究

马兴全 孙 杰 赵显刚 王文旭 蔡颖哲 万 娜

(河南省地震局，郑州 450016)

已有资料表明包头断裂呈NE走向隐伏展布于河套断陷带内次级盆地白彦花凹陷的东边界，目前关于该断裂的活动性资料尚需补充。鉴于包头断裂发育于由乌拉山山前断裂带和大青山山前断裂带组成的传递斜坡内部，研究其活动性不仅有助于深入讨论相邻活动断裂带的连接方式及活动响应，还可为更全面地认识河套断陷带的地震构造特征提供资料。控制性浅层地震勘探和钻孔联合剖面综合探测是当前研究隐伏断裂活动性非常有效的方法之一。跨包头断裂的浅层人工地震纵波反射剖面显示该断裂为倾向NW的正断层，深度约75m处的强反射层(Tg)位错量约为25m； 在此基础上实施的联合钻探结果进一步揭示了该断裂具有明显的生长断层特征，其上断点止于地层顶部埋深45.6m的早更新世棕红色黏土层中，上覆上更新统与其为平行不整合接触。包头断裂属于早更新世断裂。

河套断陷带 传递斜坡 包头断裂 浅层地震勘探 钻孔联合剖面

0 引言

自20世纪90年代起，部分学者即开始利用浅层地震勘探结合钻孔联合剖面来研究隐伏断裂的活动性(向宏发等，1992，1993)。随后一些学者尝试利用钻孔地层以及年代学结果来恢复活动断裂的古地震记录(徐锡伟等，2000； 江娃利，2001； Blais-Stevensetal.，2001； Kukkonenetal.，2010； Stockheckeetal.，2012； Wangetal.，2014; Ezquerroetal.，2015)。近年来借助于城市活断层探测工程的广泛开展，该方法得到了大规模的应用和改进(Moreyetal.，1998； Chowetal.，2001； Prattetal.，2002； Improtaetal.，2003； 张学辉等，2006； 刘保金等，2008； 雷启云等，2008； 郭永锋等，2009)。目前，利用浅层地震勘探和钻孔联合剖面综合探测已成为研究隐伏断裂的重要手段之一。

图1 研究区地震构造图Fig. 1 Sketch map of seismic tectonics in the target zone.F1 乌拉山山前断裂带； F2 大青山山前断裂带； F3 包头断裂；F4 沙河-沙庆断裂； F5 大树湾断裂； F6 达拉特断裂； 右上角小图中的红框为研究区

包头断裂为河套断陷带内白彦花凹陷的东边界，亦是白彦花凹陷与包头凸起的分界断裂。根据现有资料，包头断裂(F3)与沙河-沙庆断裂(F4)呈NE走向共同展布于由乌拉山山前断裂带东段与大青山山前断裂带西段夹持的传递斜坡(relay ramp)中(图1)，它们的活动程度关系着该传递斜坡的稳定性，进而影响着这2条断裂带的连接方式及其在未来大地震中发生级联破裂的可能性(Gawthorpeetal.，1993； Peacocketal.，1994； Cartwrightetal.，1995； Childsetal.，1995； Crideretal.，1998； Ferrilletal.，1998； Vermilyeetal.，1999； McLeodetal.，2000； Imberetal.，2004； Solivaetal.，2008)。因此，为了更全面地认识该区的地震构造，不仅要深入研究乌拉山山前断裂带和大青山山前断裂带的活动性，还要对这2条断裂带之间传递斜坡内部的断裂活动情况展开讨论。乌拉山山前断裂带和大青山山前断裂带均为全新世以来强烈活动的断裂带(“鄂尔多斯周缘活动断裂系”课题组，1988； 江娃利等，2000b； 聂宗笙等，2010，2011)，目前关于它们的几何特征及活动性等方面的研究已取得丰硕成果(聂宗笙等，1986； “鄂尔多斯周缘活动断裂系”课题组，1988； 吴卫民等，1995； 梁金鹏等，1997； 马保起等，1998，2000； 江娃利等，2000a； 江娃利，2001； 冉勇康等，2002，2003； 李彦宝，2013； 李彦宝等，2015)。沙河-沙庆断裂(F4)与大青山山前断裂西段一起构成了包头凸起的东边界，为第四纪早期活动断裂*中国地震灾害防御中心，2015，标准钻孔与第四纪地层剖面建立报告。。而包头断裂(F3)目前仍缺乏可靠的活动性资料。

本文首先通过浅层地震勘探解译断点位置，后在包头东乌素图公园北侧开展联合钻探，建立钻孔联合剖面，通过对比各地层于各钻孔的出露深度及厚度差异，划分出断错地层序列，再结合该区丰富的地层及年代学资料，讨论包头断裂的第四纪活动性。

1 控制性浅层地震勘探

浅层地震勘探是探测地下地质构造的有效手段，目前针对隐伏断裂的探测主要使用地震反射波法。本次浅层地震勘探使用18ton可控震源车，基本参数如下：

(1)观测系统 接收道数192道，偏移距0m，道间距3m，炮点距9m或18m，16—32次覆盖，采用中间激发。

(2)数据采集 使用408UL地震采集系统进行数据采集。采样间隔0.5ms，记录长度2s，前放增益12dB，记录格式SEG-D，全通带接收。

(3)激发因素 激振频率为20～120Hz，扫描长度8s，扫描次数8次，驱动电平70%。

(4)接收参数 60Hz检波器2串2并组合，同点堆置。

测线DZ-1布设见图1。结果显示在地震时间剖面0.05～0.3s出现1组连续性好，能量强，多以1、 2相位出现的反射波组(Tg)。在桩号2,842～2,922，由于受到断层影响，深度约75m的强反射层(Tg)位错量约25m(图2)。由于本区地层波阻抗差异小，反射系数小，特征波组不突出，且断层浅部的落差小，造成断层在Tg层以上的延伸情况和上断点位置不清楚，确定其活动性需要进一步地开展钻探。

图2 浅层人工地震纵波反射时间剖面DZ-1(道间距3m)Fig. 2 Interpretation of shallow seismic profile，DZ-1.

2 钻孔联合剖面及地层单元划分

根据浅层地震勘探解译的断点位置在乌素图公园的北侧布置250m长的钻孔剖面。由于该区广泛接受来自乌拉山的坡洪积物、 黄河漫滩河流相以及湖相沉积物、 风积物的混合堆积，造成地层复杂多变且较多砾石层和砾石透镜体，钻探和取芯具有一定的难度。通过孔内不同时代地层的纵向对比以及同一地层在各孔(横向)的揭露情况，发现各地层在各孔均有良好的对应关系，指示了横向上较为稳定的沉积环境。根据土层的颜色、 粒度等物理性质和标志层将地层由浅至深分为3套(图3)。分述如下：

图3 乌素图公园北侧钻孔联合剖面Fig. 3 Composite drilling section on the north of Wusutu Park.Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ为3套地层序号，以较粗黑线分开； ①—⑦为地层单元编号

Ⅰ套地层自地表至22.3m深度附近，该套地层以棕黄色—浅棕黄色砂层、 粉砂层为主，夹有若干砾石层(透镜体)，含水量低，松散；

Ⅱ套地层深度22.3～36.5m左右，该套地层顶、 底均以富含黄褐色铁质结核斑点和云母颗粒的绿色黏土、 粉质黏土、 绿色含砾中砂为标志。顶部标志层深度为22.3～23.6m，底部位于35～36.5m；

Ⅲ套地层自36.5m深度向下，为1套棕红色黏土、 砾石层、 粉质黏土以及棕红色含钙质结核粉土互层，厚度巨大。

为了明确断层性质及断错地层序列，校正各孔高程后，自下而上细分出如下7个地层单元(图3)：

①钙质结核层 该层为较厚的、 高度密实的钙质结核，主体呈现浅肉红色，据其与上部地层明显的物理特征差异推测其可能为反射层Tg。该层由BTZ-1和BTZ-2孔揭露，前者出现深度为95.1m，后者为78.4m，两者落差16.7m。

表1 层①—⑤顶底埋深及位错量

Table1 The depth of the top and bottom of the strata ①—⑤ and the respective displacements

m

注 “/”代表该层的顶即上部地层的底； “—”表示未见底。②薄层棕红色黏土、 粉质黏土 该层的厚度比较稳定，各个钻孔均有出露，其厚度为1.1～1.3m。其中，上盘BTZ-1、 BTZ-5与BTZ-7出现深度分别为75.1～76.3m、 72～73.5m和75.4～76.6m； 下盘BTZ-6、 BTZ-4、 BTZ-3和BTZ-2孔出现深度分别为58.3～59.6m、 60.8～61.9m、 60.1～61.2m和68.5～69.5m。

③厚层棕红色黏土 该层在上下盘沉积的厚度不等，BTZ-5、 BTZ-7孔揭露深度分别为59～65.6m与59.3～66.7m，平均厚度6.7～6.8m； 下盘沉积较薄，BTZ-4、 BTZ-3、 BTZ-6孔分别于54.8～58.6m、 54.7～57m、 54.3～56.2m深度出现该层。

④厚层棕红色粉土，夹杂砾石 该层亦出现上盘厚度大于下盘的现象，BTZ-5、 BTZ-7孔出现深度为52.5～59m、 52.1～59.3m，平均厚度6.8m； 下盘BTZ-6、 BTZ-4、 BTZ-3中该层出露深度为49.1～54.3m、 49.1～54.8m、 49.5～54.7m，平均厚度5.1～5.3m。

⑤厚层棕红色黏土 该层特征与层③厚棕红黏土类似，上盘BTZ-5、 BTZ-7孔中的出现深度分别为45.6～52.5m、 45.1～52.1m，平均厚度为7m； 下盘BTZ-6、 BTZ-4、 BTZ-3孔分别于45.6～49.1m、 45.6～49.1m、 46～49.5m深度出现，平均厚3.5m。

⑥绿色黏土、 粉质黏土，底部为绿色含砾中砂 该层富含黄褐色的铁质结核斑点和云母颗粒，下部呈现水平微层理，表现出湖相沉积的特点。

⑦绿色黏土、 粉质黏土，底部为绿色中粗砂，与层⑥类似。各层的厚度及位错量见表1。

包头断裂具有明显的生长断层的特征。层⑤，层④以及层③在断层下降盘的沉积厚度(分别为6.9m、 6.5m和6.6m)均明显大于其在上升盘的沉积厚度(3.5m、 5.2m和1.9m)。从层①到层⑤，位错量随着地层年代的逐渐年轻而减小，层⑤的顶面在断层上、 下盘均埋深45.6m，说明包头断裂的活动限于层⑤沉积结束之前。

3 地层年代及包头断裂活动性

前人在河套地区广泛开展的关于地层学和古环境研究已取得的丰硕成果(聂宗笙等，1988； 马保起等，2004； 李建彪等，2005；李建彪，2006； 梁阿如娜，2011； 蒋复初等，2012)，为我们判断包头断裂的活动时代提供了丰富的年代学资料。包头地区广泛沉积萨拉乌苏组与城川组2套湖相地层，年代分别对应晚更新世早期与晚期(聂宗笙等，1988； 李建彪，2006)，呼包盆地的下更新统主要为棕红—棕黄色黏土、 黏土质粉砂，中更新统以灰色、 深灰色黏土和棕黄—浅灰色黏土为主(李建彪等，2007)。

通过对比钻孔联合剖面(图3)与现有的研究成果，地层单元②—⑤整体以棕红色黏土，夹杂棕红色粉土及粉质黏土、 粗砂层为主，其年代应为早更新世。标志层⑥、 ⑦为绿色黏土、 粉质黏土，底部为绿色中—细砂并具有水平微层理，具有典型湖泊相的沉积特征，认为其分别对应着萨拉乌苏组和城川组，年代分别为晚更新世的早期与晚期，其沉积未受断裂活动影响。断裂上断点终止于45.6m处，仅位错下更新统，据此认为包头断裂属早更新世活动断裂。

4 结论与讨论

本文通过浅层地震勘探解译、 联合钻探及地层对比，获取了包头断裂的活动性。取得的主要结论如下：

(1)包头断裂为倾向NW的生长正断层，其上断点止于下更新统中，属于早更新世断裂；

(2)钻孔内不同时代地层性质差异明显，横向沉积环境相对稳定，晚更新世湖相地层与下更新统的颜色、 岩性与标准地层可比，两者为平行不整合接触，该区缺失中更新统。

该结果对讨论乌拉山山前断裂带东段与大青山山前断裂带西段之间的构造关系有重要意义。前已述及，沙河-沙庆断裂为第四纪早期活动断裂，那么包头凸起可能为大青山隆起向W扩展的组成部分； 也就是说，大青山山前断裂的扩展使包头凸起与大青山隆起一起进行差异性升降运动，并在局部形成半地堑盆地； 结合本文包头断裂为早更新世断裂的结论，可以判断包头凸起可能为分隔乌拉山山前断裂与大青山山前断裂的障碍构造，这将使得二者更趋向作为独立的发震构造来完成破裂过程。

致谢 感谢审稿专家及中国地震局地质研究所李彦宝博士后对本文提出的建议。

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THE STUDY OF QUATERNARY ACTIVITY OF BAOTOU FAULT IN HETAO ACITVE FAULT SUBSIDENCE ZONE

MA Xing-quan SUN Jie ZHAO Xian-gang WANG Wen-xu CAI Ying-zhe WAN Na

(EarthquakeAdministrationofHenanProvince，Zhengzhou450016，China)

Existing achievements about Baotou Fault demonstrate it as a buried eastern boundary of the Baiyanhua Basin in Hetao active fault subsidence zone，striking NE. More data is needed to assess its activity. Located in the relay ramp between Wulashan Fault and Daqingshan Fault，Baotou Fault’s activity is of great importance to discuss the linkage mode and the response to the earthquake of the adjacent fault. Also it is necessary to the knowledge of the characteristic of the seismic tectonic in local area. Recently it is prevalent to combine shallow seismic profile and composite drilling section to study the activity of the buried fault. Shallow seismic profile indicates that Baotou Fault is a normal fault，inclining to NW. The displacement of the Tg at 75m underground is 25m. Composite drilling section indicates that it is a growth fault，the up-break point of which is 45.6m underground and ends in brownish red clay strata of early Pleistocene. In comparison，the upper Late Pleistocene strata are out of the influences of the tectonic subsidence zone. Baotou Fault’s activity is limited to the early Pleistocene.

Hetao active fault subsidence zone，relay ramp，Baotou Fault，shallow seismic profile，composite drilling section

10.3969/j.issn.0253- 4967.2016.04.006

2014-09-23收稿，2015-06-01改回。

中国地震局 “中国城市活动断层探测与地震危险性评价”项目资助。

P315.2

A

0253-4967(2016)04-0874-11

马兴全，男，1987年生，2013年于中国地震局地质研究所获硕士学位，现主要从事地震地质、 活动构造与工程抗震方面研究，电话： 0371-68109105，E-mail: 568046846@qq.com。