珠江三角洲地区活动断裂探查方法浅析

黄孝波，孙社良，屈尚侠

(1.广东省地质调查院，广东 广州 510080；2.广州市地质调查院， 广东 广州 510440)

珠江三角洲地区是广东省经济中心、科技中心，20世纪30年代开始，吴尚时等[1-8]提出珠江三角洲这一概念之后，经过几十年的调查和研究，提出了断块三角洲的成因认识，近20年来大量的工程勘查和区域地质调查，陆续发现了多条活动断裂，特别是佛山市西淋岗地区发现切割第四系断裂剖面[6-7]之后，引起了国内外专家和省领导的重视。在该项目的基础上，结合国内一些研究成果，对活动断裂探查方法进行归纳，一方面是对项目工作方法的总结，另一方面是为今后的活动断裂探查工作提供一些借鉴和参考。

1 活动断裂的定义

活动断裂又称活断层、活动断层，是一种普遍存在于地球上的构造现象，构造学、地震学、地球动力学等专家对活动构造都有研究，但是因研究目的、研究区所处环境、研究者的认识等因素的差异，大家对多活动断裂的定义各不相同，该文采用的定义是中国地震局在综合国内外学者成果和建议的基础上给出的定义：活动断裂指晚第四纪10万～12万年以来有过活动记录而且目前正在活动的断裂、将来的某一时期内仍有可能发生活动的断裂[9]。

2 活动断裂探查方法

活动断裂探查研究的主要任务是回答有没有断裂、活动断裂的规模和空间展布特征、活动断裂会不会引发地震，若会发生地震要怎么预防等问题。

活动断裂探查方法主要有地面地质调查[10-12]、物探[11-14]、地球化学方法[11-13,16]、钻探[11-13,17]、断层物质测年[11-12,17-18]、历史地震研究[11-12,19]等。下面简述这些方法的运用和优缺点。

2.1 断裂的地面调查法

断裂的地面调查法是一种定性分析方法，断裂调查主要是根据断裂露头岩性结构构造特征判断断裂的规模、性质、活动性。可以根据构造岩岩性判断断裂性质：如棱角状构造角砾岩可能为张性正断层产物，磨砾岩可能是压扭性逆断层产物，片理化构造岩可能是压剪性断裂产物，碎粉岩、断层泥可能是逆断层的产物；通过断裂构造岩和影响带的规模来判断断裂的规模；根据构造岩的胶结程度可以判断断裂的活动性，胶结差的构造角砾岩一般活动时间较晚，若野外看见松散状碎粉岩、角砾等，可以判断为活动断裂，但是要根据其他证据综合判断。

例如：在广州市花都区炭步镇，白坭-沙湾断裂露头上，开挖出来的新鲜面见到松散的碎斑岩、碎粉岩、构造角砾等，用地质锤轻轻敲击就跨落，且钻探揭露深部构造岩的特征也是十分松散，说明该断裂活动时间较新，可能是一个活断裂。

若在野外能够发现第四纪沉积物的错断，也能认为是活动断裂的存在证据，比如在佛山市西淋岗，采用了探槽和剥土方法揭露了断裂从基底花岗岩一直延伸到第四系，切割到花斑黏土层(晚更新世)；另外根据第四系厚度和全风化层厚度可以定性的辅助判断活动断裂的位置，主要原理是断裂处破碎，易风化形成沟槽，导致相同时期沉积物比没有断裂破碎带的地方更厚，有些开放性断裂破碎带导水能力强，抗风化能力比围岩更弱，如花岗岩的断裂破碎带上往往形成较厚的全风化层。一般而言，第四系沉积厚度或全风化层厚度等值线图中如有线状分布的高值区可以初步认为是活动断裂存在的证据。

断裂的地面调查法是一种定性的分析方法，调查人员的素质、经验和露头的好坏直接影响对断裂活动性判断的准确与否，一般不可单独使用，需配合其他方法共同验证。

2.2 浅层地震

对于活动断裂，特别是切割第四系的断裂，在第四系覆盖区浅层地震是一种比较理想的物探方法。珠江三角洲地区第四系厚度一般20～30m，厚者可达60m，而浅层地震的有效探测深度80～100m，与珠三角地区第四系厚度刚好匹配。

浅层地震勘探利用地层(岩体)地震波波速的差异来反映地层(岩体)的分布特征，如果地层(岩体)发生明显错断，在地震剖面上可以见到明显的同相轴不连续、错位现象，可以较好地反映地质体的分布特征[11-14]。例如在中山灵山镇上横栏村附近施工的浅层地震，从浅层地震剖面图上可以看到断裂切割了第四系(图1)，并且钻探验证了该断裂的存在。

图1 灵山镇上横栏村浅层地震剖面示断裂切割第四系[20]

浅层地震是一种操作简单，成本相对较低的物探手段，对切割第四系的断裂反应较为灵敏，能够直观地反应第四系的分布特征。该方法也有其局限性，它可以有效识别浅部地质体的错断，包括正断层和逆断层，但是对于没有明显上下错动的走滑断裂，识别能力较差，另外，如果第四系太厚，对基岩断裂的识别能力不强，探测深度有限。

2.3 地球化学探测法

地球化学方法主要是根据某些高挥发性的元素容易从地下迁移到地面形成一定规律的地球化学异常来判断断裂分布和活动性[11-12,15-17]，氡气和汞气能不断地通过地质体中软弱面从地壳深部往地表运动，导致在断裂附近的土壤中氡气、汞气富集，活动断裂由于活动时间新，断裂物质胶结差，开启性好，成为氡气、汞气运移的条件。工作中可以根据氡气(汞气)的异常曲线判断断裂的存在与否以及断裂的一些特征，比如尖而窄的单峰曲线可以推断出该断裂为近直立埋深较浅的小型断裂；圆而宽的单峰异常曲线显示的是埋深较大、产状较陡的大型断裂或者断裂埋深不大，覆盖物空隙小，不利于断层气逸散的断裂；双峰异常曲线一般认为是中等规模的倾斜断裂特征，主峰一般对应断裂开口处，次级异常峰对应的是断裂上盘；多峰异常曲线代表倾斜甚大断裂特征，断裂的上盘一般有次级裂隙发育[15-17,21-22]。广东省地调院在南沙区布设的几条跨断裂的氡气剖面在断裂带附近均有异常显示(图2)，反映断裂具有一定的活动性。

图2 广州南沙区十九涌氡气测量异常曲线[20]

地球化学探测法如氡气(汞气)测量操作简单、成本低，受地形控制不明显，可以进行大范围长距离的测量，其缺点是受天气、土壤含水量、采样时间等影响，具有一定的不稳定性。

2.4 钻探及联孔剖面法

活动断裂，特别是切割第四纪地层的断裂，对区域稳定性评价至关重要，但是一般在野外露头难以发现，需要借助物探和钻探来控制。钻探岩心上一般难以发现断裂迹象，但是也有一些钻孔可以看到，比如在佛山西淋村钻探中发现了断裂切割到花斑黏土层，且断面高角度，擦痕明显。一些钻孔岩心完整，但某些标志层的埋深与相邻钻孔相同标志层的埋深有明显的差异，可以通过一定范围内的钻孔进行联孔剖面绘制，结合综合物探成果推断第四纪地层断裂的存在。如在广州番禺区三号综合剖面可以看出(图3)，Ns56,Ns57,Zs53联孔剖面显示，区域上F139和F224断裂形成的地堑切割了花斑黏土，断裂活动时间为晚更新世，为活动断裂。钻探联孔剖面是一种定性分析手段，需要配合其他手段共同使用才能准确地判断活动断裂的特征。

S1γη—志留纪二长花岗岩；E1x—古近系莘庄村组；E1-2b—古近系心组；Qel—第四系残积层；Qpsp—晚更新统石排组；Qpxn—晚更新统西南镇组；Qpsj—晚更新统三角组；Qhhl—全新统横栏组；Qhw—全新统万顷沙组；Qhdl—全新统灯笼沙组；Qs—人工填土图3 广州番禺三号联孔剖面示断裂切割晚更新世地层[20]

钻探及联孔剖面法是判断第四系断裂活动的直接证据，非常直观，说服力强。其缺点是钻探施工的成本较高，带来一定的环境问题，还要结合物探资料，也可能或漏判一些错段距离不大的断裂。

2.5 断裂物质测年法

断裂物质测年是一种定量分析手段。目前主要使用测年方法有锆石U-Pb法、K/Ar法、40Ar-39Ar法、热释光法(TL)、光释光法(OSL)、AMSC-14法、电子自旋共振法(ESR)以及宇宙成因核素测年等[11-12,17-18,23]。锆石U-Pb法判断断裂活动年龄的工作原理是根据断裂切割岩体的锆石U-Pb年龄，推测断裂最老的活动年龄，这一方法往往导致断裂活动年龄偏老；K/Ar法或40Ar-39Ar法是利用断裂带中自生云母进行测年，确定断裂活动时间(自生云母形成时间)；热释光法(TL)是利用断裂带内构造岩进行热释光试验，确定断裂形成时代，其原理是利用断裂物质中的石英颗粒被加热时发光的现象来估算断裂物质的形成年龄；光释光法测年是根据沉积物接受光照(沉积)之后，经过实验室光学仪器光学激发而释放光，通过测量释放光(能量)的总量就能判断断裂活动的年龄；电子自旋共振(ESR)测年是根据测年物质的ESR信号强度和样品的年平均计量就可以算出断裂ESR年龄；宇宙成因核素测年是根据地质体暴露地表后接受到的宇宙核素辐射而产生的核素，通过实验室测定岩石中宇宙核素成因浓度计算岩石的暴露年龄[23]。

珠江三角洲活动断裂探查中主要采用了构造岩热释光测年法、第四纪细粒沉积物光释光测年法、第四系有机质AMSC-14测年，以及电子自旋共振测年(ESR)、锆石U-Pb测年法和40Ar-39Ar测年等方法，取得较好的效果。

断裂物质测年能够较为直观地反映断裂活动的时间，特别是热释光测年和电子自旋共振测年能够反映最近一次构造活动的时间，判断是否为活动断裂直接证据。其缺点是测试费用高，周期长，如宇宙成因核素测年，国内能够完成该项测试的机构很少，样品需要寄送到国外进行测试。

2.6 历史地震法

地震是断裂活动最明显、最直接的证据，有地震记录就有活动断裂，地震往往是发生在几条断裂交会的地方[9,11-12]。如2019年4月21日，河源2.9级地震，发生在河源断裂上；2019年4月24日，增城2.7级地震发生在瘦狗岭断裂东端。通过统计历史地震，可以明显地看出，珠江三角洲地区的历史地震主要发生在主干断裂的交会点(图4)，因此可以推断，这些发生过历史地震的断裂都是活动断裂。

图4 珠江三角洲历史地震分布图(据文献[9]改编)

2.7 其他方法

除上述6种常用的方法之外，还有一些方法可以用来辅助判断断裂是否为活动断裂。

此外，还有学者通过断层泥中矿物颗粒表面形貌判断断裂活动时间早晚以及断裂的活动方式，断层泥中的矿物颗粒在断裂活动过程中会不断被挤压、碰撞刻画形成不同形态的刻蚀形貌，在断裂形成之后，倘若断裂出露地表或有地下水渗流经过，之前形成的刻蚀形貌就会被水流溶蚀，不断弱化、消减这些刻蚀形貌，实验室可以通过分析这些颗粒的刻蚀形貌、溶蚀形貌进行定性分析，辅助判断断裂的活动性，一般而言，断层泥中矿物颗粒以挤压碰撞刻蚀为主的断裂带一般时代较新，可能是活动断裂[24-25]。

地热水(温泉)也是活动断裂的一个表现，如五桂山南断裂由东往西，依次出现中山温泉、泉眼温泉、斗门御温泉、都斛温泉等，是由NE向五桂山南断裂和NW向次级断裂活动引起的地热异常。

3 存在的问题和建议

(1)通过地面调查、物探、化探、钻探、测年、历史地震研究等手段，主要解决的问题是断裂的规模、空间展布形态和过去一段地质历史时期内断裂的活动情况，但是对于断裂将来一段时期内是否重新活动没有判断依据。

(2)目前没有一个成熟断裂带建筑避让方法可以推广运用。珠江三角洲地区断裂密布，建成区也有不少断裂，如广从断裂、狮子洋断裂、瘦狗岭断裂、白坭-沙湾断裂、西江断裂、五桂山南断裂、五桂山北断裂等，这些断裂两侧在城市建设规划时如何进行规避断裂活动带来的破坏和对建筑进行合理的地震设防。

(3)目前活动断裂的监测预警方法较落后，一定条件下可靠性不强。目前主要是运用断裂带及周边长期的应力应变监测、断裂带两侧长期的GPS位移形变观测、断层带上断层气(氡气、汞气、甲烷、二氧化碳、氦气)监测、地震波(地震台网)监测等，一定的条件下，这些手段的有效性和准确性受众多因素干扰，可靠性不高。

建议加强活动断裂探查的方法手段研究，创新探查方法，运用新的理论和大数据对活动断裂区城市建设进行科学规划、避让，建立有效的监测预警系统，保障城市长久稳定发展。

致谢：感谢项目组林小明博士、李出安主任、李宏卫博士、张献河副主任、易隆科工程师等同志的指导和帮助，感谢审稿专家提出的宝贵修改意见和建议！