夏垫活动断裂沉积物粒度分析及沉积环境研究

陈亚亚沈 军张金国赵江涛胡铭塬

（防灾科技学院，河北三河 065201）

夏垫活动断裂沉积物粒度分析及沉积环境研究

陈亚亚，沈 军，张金国，赵江涛，胡铭塬

（防灾科技学院，河北三河 065201）

利用夏垫断裂附近采集的样品，通过激光粒度仪实验进行粒度测试、分析，研究了第四纪沉积物平均粒径、标准偏差、偏度、峰态、众数、频率曲线、累计概率曲线等粒度特征，并用解析的方法研究了沉积物成分上的特点和变化。本文依据上述特征，将地层划分为8个沉积旋回，综合得出地层沉积动力和沉积环境的变化：较低能的沼泽相沉积、中能的河流相沉积、中高能的河流相沉积、高能的河流相沉积—低能的洪积相沉积、中高能的河流相沉积、低能的沼泽相沉积、中低能的浅湖相沉积、中能的浅湖相沉积。且本文认为地层中出现的两次富含黑灰色粘土、粉砂和碳化的植物遗体的沼泽相沉积应为地震引发的断塞塘沉积。

夏垫断裂；粒度分析；沉积环境；断塞塘；沉积旋回

0 引言

粒度分析主要用来研究沉积物（岩）的粒度大小和各种粒级分布特征［1］。沉积物主要在流水、风、重力等应力控制下运动，且埋藏后沉积物经压实、固结，一般粒度分布特征变化不大，因此根据沉积物不同的粒度特征变化推究古环境、古气候的变化［2－3］。为了更精细地对地层进行划分和对比，可以采用粒度分析的方法，更精确地标定发生断层错段的层位，为判断断层的错段和活动性提供了依据，也有助于解释研究区的环境演变［4］。

断塞塘沉积是断裂成因的积水洼地，沉积物在应力控制下进入其中形成的沉积。断塞塘沉积物常沿活动断裂带发育，表现为黄色粗粒层（下部）与黑色细粒层（上部）组成的沉积韵律，具有层序结构特征。粗粒层为由崩积和冲积等快速堆积形成的细砂、粗砂和砾石层，细粒层为属静水的湖塘相沉积形成的含碳的粘土、亚粘土和粉砂。每一期断塞沉积组合代表了一次断裂错动事件及其后的稳定时期，断塞沉积的韵律性结构是断裂周期性活动的产物［5］。

夏垫活动断裂位于华北平原区北部，是北京周缘区一条重要的发震断层，走向N50°E，倾向SE，倾角50°～70°，具有西北盘抬升、东南盘下降的正断倾滑性质，兼有右旋走滑分量［6－7］。 值得关注的是，1679年夏垫活动断裂发生了三河—平谷8级地震，在地表形成了1条长约10km的地震断层陡坎（图 1）［7－8］。

向宏发、冉康勇等在东柳河屯、潘各庄开挖古地震探槽发现厚层的黑灰色黏土和蜗牛壳层分布［9－10］，何宏林、杨晓平等在大胡庄探槽及钻探岩芯中也发现大量的黑色淤泥状地层［11－12］，说明沿夏垫断裂普遍发育黑灰色黏土、粉砂等静水条件下沉积的地层，它们应为由夏垫活动断裂引发的断塞塘沉积物［13－15］。

1 数据来源

廊坊市及附近地区全新统厚度一般为20～40m，更新统上部约 180 ～220m［16］。 钻孔位置位于廊坊市三河市齐心庄附近（图1），主要地貌特征为断层陡坎及低洼负地形，地标39.5827°N，116.5555°E，H ＝8.7637m，终孔深度为 70.2m，顶部约0.9m部分为人工填土，共计采集625个沉积物粒度样品。

图1 1679年三河－平谷8级地震断层空间展布图与齐心庄钻孔位置定位图（据徐锡伟等，2000修改）Fig．1 Distribution of fault of Sanhe⁃Pinggu M8 earthquake in 1967 and the location of drill hole in Qixinzhuang（amended after Xu et al，2000）

使用粒度分析方法研究沉积物粒度分布特征，首先要进行粒度测量［17］。由于计算机技术的不断发展，高速、高效的激光粒度仪开始出现，沉积物粒度表征方法更趋于科学［18－20］。作者所使用的粒度数据由赵江涛等人经激光粒度仪实验得出，旨在通过钻孔数据研究夏垫断裂沉积物粒度分布特征和沉积物成分变化，分析夏垫断裂地区沉积物的沉积环境演化，确定可能存在的断塞塘沉积，为夏垫活动断裂的活动习性和运动特征提供证据。

2 沉积物粒度、成分特征分析与结果

常用来研究碎屑沉积物粒度特征的参数主要有平均粒径、标准偏差、偏度、峰态、众数等，单个粒度参数及其组合特征可作为定量判别沉积环境及沉积介质能量的参考依据［21］。粒度参数的优势在于它可以将岩芯变化特征数字化，通过数据来分析沉积物的特征，清晰方便。各粒度参数均由 Folk⁃Ward 图解法公式［22］计算获得。

2.1 粒度分级

目前国际上广泛应用的粒度分级是伍登—温德华—Φ值标准（表1），真值与Φ值的换算公式为：Φ＝－log2D（D为单位为毫米的颗粒直径）［23］。

表1 伍登—温德华—Φ值标准表Tab．1 Udden⁃Wentworth⁃Φ Grade Scale

2.2 粒度参数特征

平均粒径MZ是沉积物粒度特征中的主要特征之一，反应粒度分布的集中趋势及沉积介质的平均动力能，但物源区的粒度分布很大程度上也影响平均粒径大小。该钻孔样品的平均粒径范围 Φ0.9 ～8.1，主要集中在 Φ1.8 ～7.5，粒度总体集中于中砂、细砂、粉砂和粉砂质粘土（表2、图 2）。

表2 样品平均粒径分布统计表Tab．2 Statistical of average particle size distribution of sample

表3 粒度分选等级表及样品分选统计表Tab．3 Grain⁃size sorting and sample sorting statistics

标准偏差σi即分选程度，表示沉积物颗粒大小的均匀程度和围绕集中趋势的离差。水动力条件强的环境，沉积物的分选程度相对就高，如往复作用的海浪环境。反之，如流速变化频繁的河流、洪水等环境，分选程度就低。该钻孔样品σi值大多数位于1～2.75之间（表3、图2），沉积物总体分选较差，分选中等和分选较好的只占极少数，表明沉积总体水动力条件较弱。

偏度SK是表示频率曲线的不对称性的参数。单峰对称曲线：有一个峰值，峰两侧的粗细粒级的百分含量对应地逐渐减小，表明沉积物成分单一；双峰对称曲线：有两个峰值，且两个粒级的含量差异较小，表明沉积物由两种主要成分组成［24］。正偏态曲线的主峰值粒径较大，表示沉积物以粗颗粒为主，负偏态曲线则相反。不同的偏度值代表不同形态的频率曲线特征。钻孔样品SK值大多数位于0～0.6之间（表 4、图 2），极少数呈负偏，表明沉积物大多数分选较差，粒度较大的沉积物颗粒占优势。

峰态KG是用来量度粒度频率分布曲线的尖锐、钝圆程度的，并反映粒度分布的集中、分散状况。分选性好的沉积物，峰态通常越高，偏度越接近正态分布。该钻孔样品沉积物KG值主要分布于 0.75 ～2.25 之间，峰态主要为宽、中等、窄、很窄4个级别（表5、图2）。

众数是指频率分布最高的颗粒粒径值，该钻孔样品众数值主要位于0～6Φ之间，随着深度和岩性的不同而发生变化，变化规律与平均粒径相似（图 2）［25］。

各粒度参数计算公式如下：

平均粒径计算公式：

图2 粒度参数随深度变化曲线图Fig．2 Variation curve of grain size parameter with depth

分选系数的计算公式：

表4 粒度偏度等级及样品偏度统计表Tab．4 Grain size skewness and sample skewness statistics

表5 粒度峰态等级及样品峰态统计表Tab．5 Grain size kurtosis and sample kurtosis statistics

偏度值的计算公式：

峰态计算公式：

2.3 沉积物成分分析

夏垫断裂地区的沉积物主要由粘土、粉砂、砂、砾等物质构成，但粒度参数所反映出来的沉积物特征往往具有综合性，不能显现出同一样品中各物质含量，平均粒径相同的样品其各物质的含量可能大相径庭。因此，作者根据从激光粒度仪中导出的同一样品粒度累计百分数数据制成沉积物各颗粒含量分布图，从图3、图4可以看出，沉积物基本构成主要以粉砂为主，平均百分含量达37.6%，其次为细砂，平均百分含量达25.6%，但在个别层位中中砂和粗砂含量也很高，如63～57.5，42 ～32.5m，两者之和可达 65%。 粘土含量较低，平均百分含量仅为10.1%，但在50～45m层位中，含量达到近50%。

3 沉积旋回与沉积环境分析与结果

3.1 控制性钻孔剖面描述

不同层位，由于沉积环境和沉积动力条件的不同，其沉积物颗粒含量变化较大，沉积物的粒度参数特征和频率曲线也各有特点，根据沉积物粒级百分含量和粒度参数特征将夏垫断裂处更新统上部和全新统地层划分为8个旋回（图2、3、4），各沉积旋回表现为下部粗粒层和上部细粒层相组合的韵律性结构［26］。详细剖面描述见图3。

3.2 沉积旋回特征

第八旋回：0～12.65m，该旋回总体粒度偏细，岩性以粘土、粉砂为主，底部粒度逐渐变粗，细砂和中砂含量明显变高。该旋回标准偏差1.25 ～2.25，分选较差，偏度 0.1 ～ 0.5，以正偏、极正偏为主，峰态0.75 ～1.5，表明中等能量的沉积环境。

第七旋回：12.65 ～ 24.1m，该旋回总体粒度较上段偏细，变化幅度较小，岩性以粘土、粘土质粉砂、粉砂为主，底部变粗为薄层细砂、中砂。该旋回标准偏差 1.5 ～ 2.25，分选差，偏度 0.2 ～0.5，以正偏、极正偏为主，峰态 0.75 ～1.5，表明中低能的沉积环境。

第六旋回：24.1 ～ 28.32m，该旋回总体粒度和上段相似，变化幅度较小，岩性以粘土、粘土质粉砂、粉砂质细砂为主，中部夹有薄层中砂。该旋回标准偏差 1.5～2.75，分选较上段差，偏度—0.2 ～0.5，负偏、正对称、正偏、极正偏都有，峰态0.75 ～1.5，表明较低能的沉积环境。

第五旋回：28.32 ～ 42.8m，该旋回总体粒度较粗，变化幅度较小，岩性以粘土、粉砂、中砂为主，表明中高能的沉积环境。该旋回标准偏差1～2.5，分选较差，偏度 －0.1 ～0.5，以近对称、正偏、极正偏为主，峰态0.75～2。 自下而上，分选逐渐变差，偏度先是越来越偏向正偏，然后突变为正对称、负偏，峰态由窄逐渐变宽，表明由中高能环境到的低能环境的转变。

图3 齐心庄地层岩性柱Fig．3 Lithological column in Qixinzhuang

第四旋回：42.8 ～ 55.66m，该旋回粒度变化较大，上部以粘土、粉砂为主，下部为细砂、中砂、粗砂、砾石为主。 该旋回标准偏差 1.75～2.25，分选较差，偏度 －0.1 ～0.5，以近对称、正偏、极正偏为主，峰态 0.75～2.25。 自下而上，分选逐渐变差，由正偏逐渐变为近对称，峰态由窄逐渐变宽，表明由高能环境向低能环境的转变。

第三旋回：55.66 ～ 63.9m，该旋回总体粒度较粗，变化幅度不大，岩性以粉砂、细砂、中砂为主，夹少量粗砂，表明中高能的沉积环境。该旋回标准偏差 0.75 ～2，分选较上段好，偏度 0.3 ～0.5，以极正偏为主，峰态1～2。 自下而上，分选逐渐变差，偏度变化较小，峰态由窄变为中等，逐渐变宽，表明沉积动力逐渐减小。

第二旋回：63.9 ～67.9m，该旋回总体粒度较粗，岩性以粉砂、细砂、粗砂为主，夹少量粘土和中砂，表明中高能的沉积环境。该旋回标准偏差1～2.25，分选较上段差，偏度 0.2 ～0.5，以正偏、极正偏为主，峰态1～2。

图4 沉积物各颗粒含量分布图Fig．4 Each particle content distribution of sediment

图5 各旋回概率累积曲线图Fig．5 Probability accumulation curves of every sedimentary cycle

第一旋回：67.9 ～70.2m，该旋回总体粒度较细，变化幅度较大，上部岩性以粉砂为主，下部以细砂为主，表明中低能的沉积环境。该旋回标准偏差1 ～2.25，分选较差，偏度 0.2 ～0.4，以正偏、极正偏为主，峰态0.75～2。自下而上，分选逐渐变好，偏度变化不大，峰态由窄变为中等，表明沉积动力逐渐变小。

图6 各旋回频率曲线图Fig．6 Frequency curves of every sedimentary cycle

3.3 沉积环境分析

结合沉积物成分、粒度参数的分析结果及样品概率累计曲线、频率曲线特征（图5、图6），综合得出该钻孔的动力条件和沉积环境，现分述如下：

第八旋回：频率曲线为正偏窄单峰型，分选差，概率累计曲线为三段式，粗截点在1.5～2.5Φ，细截点在4～5Φ，推移总体含量约 5%，跳跃总体含量约65%，悬浮总体含量约30%，颗粒总体较细，以粉、细砂为主，颜色以深灰色为主，推断为中等水能的浅湖相沉积。

第七旋回：频率曲线为正偏中等双峰型，分选较差，概率累计曲线为二段式，截点在4～5Φ，跳跃总体含量约80%，悬浮总体含量约20%，颜色以浅棕黄色、灰色为主，推断为中低能的浅湖相沉积。

第六旋回：频率曲线为正偏中等单峰型，分选较差，概率累计曲线为三段式，粗截点在3Φ左右，细截点在4～5Φ，推移总体含量约2%，跳跃总体含量约48%，悬浮总体含量约50%，颜色以暗灰色为主，且在该层发现被碳化的植物茎干，推断为较低能的沼泽相沉积。

第五旋回：频率曲线为正偏窄单峰型，分选较差，概率累计曲线为三段式，粗截点在0～1Φ，细截点在3～4Φ，推移总体含量约5%，跳跃总体含量约80%，悬浮总体含量约15%，颜色以浅棕黄色、暗灰色为主，推断为中高能的河流相沉积。

第四旋回：上段：频率曲线为正态中等单峰型，分选较差，概率累计曲线为一段式，表明沉积物未经分选就沉积下来，样品中的大颗粒与小颗粒混杂，反应了低能洪积的沉积条件。

下段：频率曲线为正偏窄单峰型，分选较差，概率累计曲线为二段式，截点在2.5Φ左右，跳跃总体含量约85%，悬浮总体含量约15%，颜色以暗棕黄色为主，该层底部可见砾石和粗砂，推断为高能的河流相沉积。

第三旋回：频率曲线为正偏窄单峰型，分选较差，概率累计曲线为二段式，截点在2～3Φ，跳跃总体含量约90%，悬浮总体含量约10%，颜色以浅棕黄色、暗棕黄色为主，推断为中高能的河流相沉积。

第二旋回：频率曲线为正偏窄单峰型，分选较差，概率累计曲线为二段式，截点在2.5Φ左右，跳跃总体含量约70%，悬浮总体含量约30%，颜色以暗棕黄色为主，推断为中能的河流相沉积。

第一旋回：频率曲线为正态宽单峰型，分选较差，概率累计曲线为二段式，截点在5～6Φ，跳跃总体含量约60%，悬浮总体含量约40%，颜色以深灰色、炭黑色为主，且在该层发现了被碳化的植物茎干，推断为较低能的沼泽相沉积。

4 结论

本文根据沉积物粒级百分含量和粒度参数特征将夏垫断裂处晚更新世以来的地层划分为8个旋回，各沉积旋回由下至上粒度逐渐变细，沉积动力逐渐减小，具有很好的韵律性。各旋回的频率曲线和概率累计曲线特征也各有特点，由此反映的沉积环境和沉积动力条件也各有不同。综合上述特点，本文认为夏垫活动断裂处地层晚更新世以来经历了较低能的沼泽相沉积、中能的河流相沉积、中高能的河流相沉积、高能的河流相沉积—低能的洪积相沉积、中高能的河流相沉积、低能的沼泽相沉积、中低能的浅湖相沉积、中能的浅湖相沉积8个沉积旋回。

由于地层处于夏垫活动断裂附近，晚更新世以来发生过多次地震，且断塞塘沉积常表现为含碳的粘土、亚粘土和粉砂等静水湖塘相沉积，因此本文认为地层中出现的两次富含黑灰色粘土、粉砂和碳化的植物遗体的沼泽相沉积应为断塞塘沉积，沉积旋回的下界可能为地震发生的时代，上界为断塞塘淤积消失的时代。

从粒度特征角度来看，断塞塘沉积颜色以深灰色、暗灰色为主，粒度较细，分选较差，偏度范围较大，频率曲线峰态较宽，概率累积曲线显示，其推移总体含量几乎为零，以跳跃总体和悬浮总体为主。

致 谢在本文的撰写过程中首先要感谢防灾科技学院给予的经费支持和场地、仪器等帮助，然后要感谢沈军教授对本论文的指导，还要感谢于晓辉、戴训也、焦轩凯几位老师对本文的修改意见和赵江涛等同学提供的数据支持，最后感谢参与审稿的各位专家！

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Grain⁃Size Analysis and Sedimentary Environment Research of Quaternary Sediments on Xiadian Active Fault

Chen Yaya， Shen Jun， Zhang Jinguo， Zhao Jiangtao， Hu Mingyuan
（Institute of Disaster Prevention，Sanhe065201，China）

This paper use grain⁃size samples collected nearby Xiadian fault， tested and analyzed by laser particle size analyzer， to research grain⁃size characteristics of quaternary sediment， such as average grain size， standard deviation， skewness， kurtosis， mode， frequency curve， accumulative probability curve．And this paper researches the characteristics and changes of sediment composition by the analytic methods．Based on the above characteristics，this paper divides strata in Xiadian active fault into 8 sedimentary cycles，and concludes the changes of sedimentary power and sedimentary environment： lower energetic marsh sediments， middle energetic fluvial sediments， middle⁃high energetic fluvial sediments， high energetic fluvial sediments⁃lower energetic diluvial sediments， middle⁃high energetic fluvial sediments， lower energetic marsh sediments， middle⁃low energetic shallow lacustrine sediments，middle energetic shallow lacustrine sediments．In this paper， the authors hold the opinion that the marsh sediments which appeared two times in the strata and are rich in black⁃gray clay and silty sand， carbonized plant remains，should be sag⁃pond sediments which were caused by earthquake．

Xiadian fault； grain⁃size analysis； sedimentary environment； sag⁃pond； sedimentary cycle

P534 文献标识码：A 文章编号：1673－8047（2017）03－0017－11

2017－06－08

国家自然科学基金（41372216）；国家大学生创新项目（201511775003）．

陈亚亚（1994—），男，硕士，主要从事构造地质学研究。

沈军（1966—），男，博士，教授，主要从事地震地质研究方向。