渭河断裂杨家村—窑店段展布及晚第四纪活动特征

田勤虎　周本刚　李晓妮　石金虎　魏青珂　卞菊梅

1)陕西省地震局、西安　710068　2)中国地震局地质研究所、北京　100029　3)中国地震局地球物理勘探中心、郑州　450002



渭河断裂杨家村—窑店段展布及晚第四纪活动特征

田勤虎1)周本刚2)*李晓妮1)石金虎3)魏青珂1)卞菊梅1)

1)陕西省地震局、西安7100682)中国地震局地质研究所、北京1000293)中国地震局地球物理勘探中心、郑州450002

渭河断裂杨家村—窑店段西起杨家村、经魏家泉、金家庄、东耳村、陈家台、到达窑店、走向NE、倾向S、长约33km、为同生正断层、沿渭河北岸I级、Ⅱ级、Ⅲ级阶地前、后缘展布。遥感解译、浅层地震探测、探槽、钻孔联合剖面结果表明、渭河断裂杨家村—窑店段在咸阳附近的渭河北岸阶地表现为断层陡坎、与NE向阶地坎重合；断裂在晚更新世晚期至全新世可能仍有活动。渭河断裂杨家村—窑店段自(46.0±3.3)ka以来断距较大、在11.0～16.5m之间；垂直滑动速率在0.34～0.45mm/a之间；断裂最新活动时间约为2.0ka BP。金家庄左阶斜裂区将渭河断裂杨家村—窑店段划分为杨家村—金家庄段和东耳村—窑店段。

渭河断裂浅层地震探测探槽阶地陡坎

0　引言

渭河断裂西起宝鸡、经眉县、武功、兴平、咸阳、西安、东至灞河、是1条区域性隐伏活动断裂。“西安市活断层探测与地震危险性评价项目”查明了渭河断裂东北段即窑店—张家湾段的展布(图1)、深部结构特征及其活动性(师亚芹等、2008)、认为渭河断裂是1条向S倾斜、全新世活动的基底正断层。渭河断裂窑店—张家湾段向SW延伸至咸阳城区、考虑到其对咸阳市的潜在危害性、“十一五”陕西省防震减灾重点项目 “咸阳市活断层探测与地震危险性评价”将渭河断裂杨家村—窑店段作为目标断裂(图1)、在地形地貌、野外地质调查、断裂遥感解译的基础上、结合浅层地震、钻孔联合剖面、针对渭河断裂杨家村—窑店段的展布、活动性进行了探测。

图1　渭河断裂展布图Fig. 1　Geological map of Weihe Fault.F1 桃园-龟川寺断裂；F2 固关-虢镇断裂；F3 千阳-彪角断裂；F4 岐山-马召断裂；F5 渭河盆地北缘断裂带；F6 扶风-礼泉-富平断裂；F7 渭河断裂；F8 秦岭北缘断裂；F9 周至-余下断裂；F10 口镇-关山断裂；F11 临潼-长安断裂；F12 泾阳-渭南断裂

1　断裂宏观展布

渭河北岸发育渭河漫滩、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地及黄土台塬、渭河断裂整体展布于渭河北岸阶地。自杨家村经咸阳、窑店到张家湾、渭河北岸兴平至咸阳之间存在1条明显的陡坎、坎高10～22m、为渭河北岸Ⅲ级阶地前缘、Ⅱ级阶地后缘。陡坎在咸阳以东为渭河北岸Ⅱ级阶地前缘、Ⅰ级阶地后缘、坎高3～10m、“西安市活断层探测与地震危险性评价项目”探测的渭河断裂窑店—张家湾段沿该陡坎展布。使用2.5m分辨率的SPOT 全色波段数据与15m分辨率的ETM遥感影像数据进行融合、通过RGB214等遥感影像解译发现(图2a)、渭河北岸Ⅲ级阶地前缘、Ⅱ级阶地后缘陡坎附近发育2套颜色深浅不一的第四纪沉积层、疑似为断裂通过位置。同时、在陡坎NE方向的金家庄、东耳村一带、可识别出多个牛轭状古河道、反映出渭河河床在第四纪于西安至咸阳之间有由南向北逐渐移动的轨迹。根据遥感解译、推测渭河断裂位于渭河北岸阶地陡坎处、经杨家村、魏家泉、咸阳市区、金家庄、东耳村、陈家台、延伸至窑店镇。

图2　渭河断裂遥感影像解译及探测展布图Fig. 2　Image interpretation and survey sites along Weihe Fault.

2　浅层地震探测

浅层地震勘探是城市活动断裂探测中定位隐伏断裂及其切割地层层位的主要方法之一(邓起东等、2003)。在利用浅层地震勘探方法探测城市隐伏活动断裂方面、中国地震局进行了大量的尝试与探索、并取得了一系列探测研究成果(方盛明等、2002、2006；刘保金等、2002、2006、2008；杨晓平等、2007；郝凯等、2008；苏英等、2013)、查明了多条穿越城市的隐伏活动断裂。渭河断裂是穿越咸阳市城区的隐伏活动断裂、为了探测其具体通过位置、“咸阳市活断层探测与地震危险性评价”项目根据地形地貌及场地条件、在杨家村—窑店段布设了9条控制性浅层地震测线(图2b)、间距2.0～3.0km、总长34.6km。通过解释发现、各测线表现出的断裂异常具有相似性；本文选取具有代表性的旅游路、秦皇路和烟王村浅层地震剖面对断裂特征进行分析、它们控制了渭河北岸漫滩、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地和黄土台塬陡坎。

2.1旅游路浅层地震测线

旅游路浅层地震测线(图2b中的W1)南端起于104省道、北端止于来祁寨村东北、全长2,772m、跨越了渭河北岸的Ⅱ、Ⅲ级阶地。使用道间距3m、炮间距15m、180道零偏移距不对称接收、18次覆盖的观测系统。地震波激发源为M615-18连续变频扫描可控震源、频率扫描范围为30～200Hz、扫描长度8s、探测深度1,000余m。

图3　W1测线地震反射叠加时间剖面Fig. 3　Stacked time section of shallow seismic reflection profile W1

图3 为旅游路测线的反射波叠加时间剖面及其解释结果、该剖面所揭示的地层界面展布和断裂特征非常清楚。根据剖面显示的反射波组特征、在剖面上解释了7组界面变化特征较为清楚的地层反射波T1—T7。根据剖面上的反射波同相轴的扭曲、错断以及反射波能量和同相轴数目的突变等特征、在测线桩号1643m的Ⅱ、Ⅲ级阶地陡坎处解释了1条向S倾斜的正断层。从剖面上多组地层反射波的展布特征分析、该断层至少错断了剖面上埋深38～42m的第四纪地层反射波T1。由于在T1反射波以前没有获得可供分析解释的地层反射、因此、从剖面上还不能确定断裂所错断的最浅地层。根据国家地质总局第三普查勘探大队汾渭盆地石油普查阶段地质成果报告资料(1977年)、该地区第四系厚度在500～600m之间、这与图3 探测的第四系底界深度基本一致。同时计算得出、该断裂断错第四系底界约100m。

图4　W3测线地震反射叠加时间剖面Fig. 4　Stacked time section of shallow seismic reflection profile W3

2.2秦皇路浅层地震测线

秦皇路浅层地震测线(图2b中的W3)南端起于咸阳中医肿瘤医院大门、向北经咸阳市汽车站、古渡镇、陈老户寨村、止于路桥工程一分公司大门、SW向布设、全长6755m、跨越了渭河北岸漫滩、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地及黄土台塬。探测时采用了道间距5m、炮间距20m、偏移距20m、180道单边接收、18次覆盖的观测系统、地震波激发与W1测线相同。

图4 为秦皇路测线的反射波叠加时间剖面及其解释结果。由图可以看出、在测线桩号1370m下方、地貌上Ⅱ、Ⅲ级阶地陡坎处、有1条由浅至深向S倾的反射特征分界线、在分界线附近、剖面上的地层反射均有波形紊乱、同相轴扭曲以及反射波能量的明显变化现象。根据剖面特征、可识别出9组特征较为清楚的地层反射、推断这些变化应为正断层的反映、可分辨的上断点位于T0与T1之间、埋深60～65m、垂直断距4～6m、其上地层直至剖面顶部仍有错断迹象、说明断裂在晚更新世晚期至全新世仍可能有活动。

2.3烟王村浅层地震测线

烟王村浅层地震测线位于咸阳市东北侧的烟王村西(图2b中的W8)。测线方向NNW、南端起于101县道、向北经陕西省粮油机械厂、毛王沟村西、止于烟王村北、全长2404m。由于该测线上的面波干扰比W1测线强、探测时采用了道间距2m、炮间距10m、偏移距20m、180道单边接收、18次覆盖的观测系统、地震波激发与W1测线相同。

图5 为烟王村测线的反射波叠加时间剖面解释图、根据剖面显示的反射波组特征、可识别出8组特征较为清楚的地层反射(图中的T1—T8)。在测线桩号770m附近、地貌上Ⅰ、Ⅱ级阶地陡坎处、可看到1条明显的断裂分界线、且其下地层反射在相应位置也出现有反射波同相轴的错断以及同相轴数目的突变和反射能量的变化等现象、这表明断裂附近与其两侧的地层物性和第四系厚度应有不同。烟王村测线揭示的断层在剖面上表现为向S倾的正断层、从该剖面上可分辨的T1反射波埋深38～42m、垂直断距5～7m、其上地层直至剖面顶部仍有错断迹象、说明断裂在晚更新世晚期至全新世仍可能有活动。

图5　W8测线地震反射叠加时间剖面Fig. 5　Stacked time section of shallow seismic reflection profile W8

2.4浅层地震探测结果总体分析

通过对9条测线断裂异常位置和相关参数分析(表1)、浅层地震剖面所揭示的断层在剖面上的特征非常清楚、均为正断层、主断面S倾。将上断点位置进行地面投影、投影点坐标在金家庄以西与渭河北岸Ⅲ级阶地前缘、Ⅱ级阶地后缘陡坎相对应；而在东耳村以东、基本上与渭河北岸Ⅱ级阶地前缘、Ⅰ级阶地后缘陡坎相对应；断裂整体位于渭河北岸阶地陡坎处、经杨家村、魏家泉、咸阳市区、金家庄、东耳村、陈家台、延伸至窑店。

表1　浅层地震断裂异常参数表

Table1　Abnormal fault parameters of shallow seismic survey

测线编号异常点坐标/(°)异常点位置/m可分辨的上断点埋深/m可分辨的上断点断距/m断层性质断层倾向W1108.5738E,34.3161N164338～422～4正断层SW2108.6427E,34.3380N410645～483～5正断层SW3108.6936E,34.3486N137060～654～6正断层SW4108.2718E,34.3543N161332～353～5正断层SW5108.7379E,34.3486N160553～553～5正断层SW6108.7647E,34.3683N94545～506～8正断层SW7108.7741E,34.3724N118680～908～10正断层SW8108.8112E,34.3948N77038～425～7正断层SW9108.8522E,34.4108N179450～586～8正断层S

从浅层地震剖面可分辨的断层上断点T1埋深来看、除W7测线浅部无好的地层反射、确定的断层上断点较深以外、其他剖面上可分辨的断层上断点埋深均在32～65m之间；但多个剖面在可分辨的上断点T1、T0与地面之间仍有错断迹象。0～2.2m深度地层光释光(OSL)年龄在10ka以内、2.2～29.7m深度地层光释光(OSL)年龄在90ka左右、66m 深度地层ESR年龄在550ka左右*陕西省地震局、2011、咸阳市活断层探测与地震危险性评价技术报告。；由浅层地震剖面确定的可清楚分辨的断层断错最浅地质层位属于中更新世—晚更新世地层、同时、不排除断裂晚更新世晚期至全新世活动的可能。

3　晚第四纪活动特征

前人在渭河断裂窑店—张家湾段的船张村、庇李村发现了多个断裂错断全新世地层的剖面(师亚芹等、2007、2009)。经过野外地质调查、我们又在渭河Ⅲ级阶地前缘陡坎处的杨家村砖瓦厂发现了1个天然剖面(TC1、图2)。对该剖面进行剥离(图6)、晚更新世古土壤(标志层③)被错断约16.5m、晚更新世晚期黄土层(标志层②)底界被错断约11.0m；根据14C年龄样品测定、其底部沉积时间为(37.46±2.36)ka BP 、估算渭河断裂晚更新世晚期以来的垂直滑动速率在 0.34mm/a左右、为同生正断层。主断裂F1顶端裂缝发育、裂缝穿越了晚更新世古土壤和耕作层直通地面；另1条分支断裂F6顶端穿入约2,000a前的汉代古墓(据西北大学考古系)、使古墓砖墙底部形成宽1～2cm的张裂缝、疑似为断裂的张性活动所致、说明断裂在全新世可能仍有活动。在该剖面东侧的Ⅲ级阶地前缘、也发现了多个上更新统古土壤被错断的断层剖面、但由于近地表地层缺失、无法判断断裂的最新活动时代。结合部分浅层地震勘探剖面上断裂穿透可分辨的T1反射波直至地面分析、杨家村-窑店断裂在晚更新世晚期至全新世可能仍有活动。

通过浅层地震异常点附近布设的钻孔联合剖面(剖面编号与浅层地震测线一致)及杨家村探槽晚更新世晚期以来标志性地层释光年龄分析(表2)、断裂晚更新世晚期以来错距较大、一般在11.0～16.5m之间、垂直滑动速率在0.34～0.45mm/a之间。

表2　钻孔联合剖面断裂异常参数表

Table2　Abnormal fault parameters of composite drilling section

剖面编号剖面名称上断点所在标志层岩性标志层底界埋深/m上断点埋深/m错距/m断错地层年龄/ka滑动速率/mm·a-1TC1杨家村探槽灰黄色黄土14.03.011.037.460.34TC1杨家村探槽褐红色古土壤22.15.616.546.0±3.40.36W2咸平路褐黄色黄土8.5<8.514.336.4±2.30.39W6魏家泉褐黄色黄土5.6<5.612.928.8±0.10.45

4　结论与讨论

渭河北岸发育有渭河漫滩、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级阶地及黄土台塬、各地貌单元之间存在陡坎、通过控制性浅层地震勘探、结合遥感、地形地貌、地质剖面、钻孔联合剖面、探槽、查明了渭河断裂杨家村—窑店段的展布及晚第四纪活动特征。断裂整体位于渭河北岸阶地陡坎处、经杨家村、魏家泉、咸阳市区、金家庄、东耳村、陈家台、延伸至窑店镇。考虑到断裂在东耳村、金家庄一带存在1个左阶斜裂区、阶区宽约1km、将渭河断裂咸阳段分为杨家村—金家庄段和东耳村—窑店段、左旋。杨家村—金家庄段沿渭河北岸Ⅲ级阶地前缘、Ⅱ级阶地后缘陡坎展布、经程家村、魏家泉、到达金家庄、走向NE、倾向S、倾角较大、长约23km；东耳村—窑店段与渭河北岸Ⅱ级阶地前缘、I级阶地后缘陡坎相对应、西起东耳村、经陈家台到达窑店、走向NE、倾向S、倾角较大、长约10km。

在杨家村探槽断裂向上延伸的方向使汉代古墓砖墙形成了1～2cm宽的裂缝、疑似为断裂的张性活动所致、结合部分浅层地震剖面上断裂穿透了可分辨的T1反射波并直达地面、说明断裂在晚更新世晚期至全新世可能仍有活动。综合对比杨家村—金家庄段和东耳村—窑店段、它们在活动性及活动方式上无明显差别、晚更新世晚期以来错距较大、一般在11.0～16.5m之间、垂直滑动速率在0.34～0.45mm/a之间、为同生正断层。“西安市活断层探测与地震危险性评价项目”查明的窑店—张家湾段与本次查明的杨家村—窑店段在位置上可连接为1段、即杨家村—张家湾段。

综合分析浅层地震剖面可分辨的断层上断点埋深和断层剖面、由浅层地震剖面可确定的渭河断裂断错的最浅地质层位均属于早中更新世—晚更新世地层、但不排除其晚更新世晚期到全新世活动的可能。而据杨家村探槽揭露、断裂使约2,000a前的汉代古墓形成了1～2cm宽的张裂缝、说明断裂在全新世可能仍有活动。显然、2种方法确定的断层活动时代是不同的。这表明、尽管采用浅层地震勘探方法可确定隐伏断裂的位置和初步判定断裂的活动性、但由于受到地震勘探分辨率的限制、仅靠地震勘探资料往往难以分辨上断点埋藏深度较浅或断距较小的断层、也即由地震勘探资料确定的断层上断点往往大于断层的真实上断点埋深；因此、为判定断裂的最新活动和对剖面进行详细的地质分层、还需要结合钻孔联合剖面、探槽开挖、地层年代测试等方法(刘保金等、2009、2012)。

致谢论文得到了审稿老师的斧正、并提出了宝贵意见；在修改过程中陕西省地震局冯希杰、种瑾等多位地质专家给予了帮助与建议；浅层地震由中国地震局地球物理勘探中心勘探；释光年龄样品由中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室测试：在此一并表示感谢。

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Abstract

The Yangjia Village-Yaodian segment of Weihe Fault、starting from Yangjia Village in the west、passing through Weijiaquan、Jinjiazhuang、Donger Village、Chenjiatai to Yaodian、occurs as a NE-striking fault dipping south with a total length of 33 kilometers. As a syn-depositional normal fault、it extends along the leading and trail edge of T1、T2and T3terrace at the northern bank of Weihe River. Results of remote sensing interpretation、shallow seismic exploration、exploratory trench、and drilling show that the Yangjia Village-Yaodian section of Weihe Fault manifests as fault scarps、overlapping with the NE-extending terrace scarp at the northern bank of Weihe River. Weihe Fault broke the T1that can be distinguished on the shallow seismic profile and multiple profiles with broken signs from T1to the ground、which is the same with the cracks through the Han Tomb at the top of the exploratory trench in Yangjia Village. It shows that the fault may still be active from the late Pleistocene to Holocene. Through composite drilling section and the analysis of exploratory trench、there is no significant difference in activity between the Yangjia Village-Jinjiazhuang and Donger Village-Yaodian section. This segment has experienced a large displacement event since (46.0±3.3)kaBP、approximately 11.0～16.5m、with a vertical slip rate of 0.34～0.45mm/a. The most recent activity occurred approximately around 2.0kaBP. The left-step en echelon fracture zone at Jingjiazhuang separates this section into two minor ones、Yangjia Village-Jinjiazhuang section and Donger Villag-Yaodian section. Yangjia Village-Yaodian section in Weihe Fault and Yaodian-Zhangjiawan section which was found out in the Xi′an active fault detection and seismic risk assessment project can be combined into the Yangjia Village-Zhangjiawan section.

DISTRIBUTION OF YANGJIA VILLAGE-YAODIAN SECTION OF WEIHE FAULT AND THE CHARACTERISTICS OF ITS LATE QUATERNARY ACTIVITY

TIAN Qin-hu1)ZHOU Ben-gang2)LI Xiao-ni1)SHI Jin-hu3)WEI Qing-ke1)BIAN Ju-mei1)

1)EarthquakeAdministrationofShaanxiProvince、Xi′an710068、China2)InstituteofGeology、ChinaEarthquakeAdministration、Beijing100029、China3)GeophysicalExplorationCenter、ChinaEarthquakeAdministration、Zhengzhou450002、China

Weihe Fault、distribution、shallow seismic exploration、trench、terrace scarp

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.011

2014-05-04收稿、2015-12-02改回。

中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1220)、陕西省自然科学基础研究计划(2011JM5012)、中国地震局地震科技星火计划项目(XH13023Y)与陕西省防震减灾 “十一五”重点项目 (SCZC2008)共同资助。

周本刚、男、研究员、E-mail: zhoubg@ies.ac.cn。

P315.2

A

0253-4967(2016)01-0141-11

田勤虎、男、1982年生、2007年于长安大学获地图学与地理信息系统专业硕士学位、高级工程师、主要研究方向为活动构造、工程地震、地震应急、电话：029-88465343、E-mail：glorich@126.com。