冲-洪积平原1∶5万区域地质调查技术方法探索

赵勇

(北京市地质调查研究院，北京 100195)

0 引言

随着京津冀协同发展进入关键时期，新形势下对区域基础地质工作提出了更高要求，也带来了机遇和挑战，首都地质工作的社会功能随之发生深刻改变，已从传统的山区基岩区域地质、矿产调查转变为以服务首都规划建设为主的平原覆盖区基础地质调查。北京平原上分布着永定河、潮白河、北运河、大清河、蓟运河等几大水系，其演化变迁塑造了现今的北京平原地貌格局，第四系发育河、湖相洪积和冲积物，黏土、卵石各类沉积物均有分布。首都规划建设、人类活动与第四纪沉积物关系非常密切。因此，对第四纪地质的研究有着重要的实际意义。近年来对北京平原区第四纪地质方面开展了大量地质工作，取得了众多的认识和成果[1-13]，对北京地区第四纪地质研究起了重要的推动作用，但对第四纪区域地质调查工作尚未形成系统的技术方法体系。本文主要依托中国地质调查局北京1∶5万琉璃河、庞各庄、安次县幅区域地质调查及北京平原区活动断裂专项调查项目成果，系统总结了第四纪区域地质调查与评价的主要技术手段与方法，以更好指导今后覆盖区调查工作，服务于国土空间规划、重大工程和生态文明建设，从而达到保障首都城市地质安全的目标，对今后开展相关工作具有一定的指导和示范作用。

1 研究区概况

研究区域主要分布于北京平原覆盖区，构造上主要横跨北京凹陷、大兴凸起、廊固凹陷3个构造单元，其中NE向断裂构造主要有黄庄—高丽营断裂、南苑—通县断裂、礼贤断裂、夏垫断裂，NW向主要有南口—孙河断裂、永定河断裂等(图1)。平原区内第四系主要是源自永定河、潮白河等冲洪积环境堆积而成，河流多期作用相互叠加，表现为第四系沉积环境复杂多变，横向厚度差异较大，从30～450 m不等，总体呈现向南东倾斜的冲积平原，其中在北部马池口—沙河、顺义—后沙峪地区发育并形成第四纪沉积盆地。

图1 构造纲要及研究区位置

2 技术手段及方法

平原(覆盖区)1∶5万区域地质调查主要以浅部和深部第四纪松散沉积物、地质结构和活动断裂调查等为主要内容。本次对永定河冲积扇第四系发育特征与结构、第四纪气候、事件地质、构造地质及浅表晚第四纪古地理演化与人类活动等进行了系统调查研究。

2.1 资料收集与研究

收集区域各类地质资料是整个地质填图的首要工作任务，并贯穿整个工作阶段。涉及地形、遥感、物化探、地震地质、钻探、测试等各类资料，并对其进行综合分析和二次开发利用，明确已有工作成果并对其质量进行评估，找出存在和需要解决的关键地质问题，指导区域地质调查工作有序开展。

2.2 浅表地质调查方法

2.2.1 遥感技术

平原区基本不同程度地被植被、建筑物等覆盖，遥感技术被广泛应用到覆盖区先导调查中。考虑区域地质背景并结合测区地形地貌，对洪积扇区、冲积扇区等可选择不同的影像资料，包括不同时相或多时相数据(TM、ETM、MSS、Landsat 8、OLI、WorldView数据)，针对所解决的关键地质问题进行图像处理(影像处理、分析、融合)，建立各类解译标志和DEM模型。此方法可直接高效、快速地引导野外调查研究工作的开展。

2.2.2 路线地质调查

采用数字填图技术(Digital Mapping Techniques)，利用路线穿越法、追索法、地表露头剖面、洛阳铲或槽型钻等手段方法，以及覆盖区面上路线与点上剖面相结合的调查手段，开展浅表第四纪数字地质调查。

2.3 深部地质调查方法

2.3.1 第四系结构调查

深部第四系结构主要依靠钻探手段，在深钻揭穿第四系基础上，获取岩心实物资料，从中找出地层标志对比层，进行岩性或岩性组合划分、古地磁长序地层定年，对晚更新世以来地层进行14C惯用年龄(AMS14C)、光释光(Optically Stimulated Luminesecence,OSL)测年、微体古生物、孢粉等测试[14-18]，综合确定第四纪早更新世、中更新世、晚更新世及全新世的界限，以期建立标准地质剖面。在此基础上，综合应用测井地层学，确定地下水赋水层位，研究水文地质背景条件。

2.3.2 隐伏断裂精确定位及活动性研究

地质环境的变化及其承载力与人类的生存活动密切相关，而城市隐伏活动断裂作为一种重要的地质灾害类型，对城市安全和人民生命财产产生直接或间接的影响，造成一定的重大威胁。隐伏断裂的精确定位与几何结构、活动方式、活动期次、强度等问题成为研究活动断裂所必需回答的关键地质问题。对北京平原隐伏断裂精确定位探测及其活动性进行研究，总结了系统调查技术方法，可为区域地壳稳定性及适宜性评价提供资料支撑，保障城市地质安全和减轻地质灾害提供可靠的地质依据。

(1)隐伏断裂精确定位方法采用“缝合”式隐伏断裂精确定位联合勘查手段，即从深部到浅部依次利用高精度重力剖面测量-可控源音频大地电磁测深-氡气测量-二维/三维地震勘探-高密度电法测量联合方法，采用实时动态(Real-Time Kinematic，RTK)定位系统，结合钻探、槽探工程验证综合物化探方法对断裂定位的成果，从而达到了对隐伏断裂的高精度定位目标(图2)。

图2 活动断裂精确定位联合方法

(2)断裂活动性研究地质大辞典中指出，“活动断裂”即现今正在活动或断续活动的断裂构造。在城市地质工作中主要指在全新世(11 000 a BP)以来有过活动历史，至今仍在活动，因而与人类和社会发展休戚相关的、未来一段时间内预期会发生活动的断裂构造。

钻探、槽探及第四纪测年新技术方法应用是研究断裂活动性的重要方法[19-20]，其有机结合可系统反映活动断裂在长尺度和短尺度时间序列上活动规律。

钻探方法通过研究活动断裂上下两盘钻孔岩心，分析沉积物(厚度、成分、粒度、色度等)、古生物(微体、孢粉等)、年代地层(AMS14C、OSL等)各方面特征，综合对比其断裂上下两盘同一极性带、极性亚带或同一地质时期内沉积物厚度的差异演化，确定断裂位错历史，包括第四纪以来的断裂位错量、错动序列等，可在长尺度上反映第四纪以来某一时期断裂的活动特征，为区域构造事件揭示提供数据。

槽探方法可直观地揭露活动断裂近地表的构造及活动迹象，通过槽探揭露，可进一步确定断裂近地表的空间展布与延伸，查明古地震事件的活动强度、时代，获取断裂活动定量化参数，分析断裂突发错动历史、年龄及重复间隔。

2.4 人类活动与生态环境调查

进入人类世，生态环境与人地关系的研究越来越得到重视，可充分应用孢粉学、年代学理论方法研究其古地理、古气候环境特征，结合史籍记载资料，对有人类活动以来的气候变迁、生态环境演化及其与人类活动之间的关系进行探讨，提供地学背景依据。

3 平原区地质调查成果

3.1 活动断裂

3.1.1 隐伏断裂精确定位

隐伏断裂精确定位采用前述“缝合”式隐伏断裂探测组合方法，在北京平原地带开展了物探综合探测(图3)。成果显示，不同物探技术方法对隐伏断层探测均有明显的异常显示。与钻探相结合(图4)，对隐伏断裂探测精确定位上明显优于以往单一方法，丰富了对异常地质体信息的提取和确认，提高了断裂调查精度与可靠性。图5[9]显示，三维地震勘探更加细致形象地反映深部地质构造的变化动态，尤其是在确定断裂相互交汇部位深层和浅层地质构造空间展布、几何特征等，精细刻画出了2组断裂的地质构造形迹特征。

(a) 高密度电阻率反演剖面

图4 钻孔地层对比与断裂位置

图5 三维地震勘查反映的活动断裂交汇三维示意图[9]

3.1.2 隐伏断裂活动性研究

(1)钻探方法。图6显示了钻探对平原区顺义断裂活动性的揭示。在断裂下盘ZK12-1钻孔中，布容正极性带和松山反极性带界线位于115 m深度处，布容反极性带中的136～139.5 m和173.5～182 m的正极性带分别为Jaramillo和Olduvai亚正极性带，松山反极性带和高斯正极性带界线位于232 m深度处； 断裂上盘ZK12-2的布容正极性带和松山反极性带界线位于170 m深度处，布容反极性带中的200～210 m和464～520 m的正极性带分别为Jaramillo和Olduvai亚正极性带，松山反极性带和高斯正极性带界线位于706 m深度处[21-23]，研究表明，顺义断裂在更新世早中期活动性最强，两盘垂直相对运动速率最大达0.314 mm/a，这与该时期北京平原北部地区构造加速下沉及北京早更新世海侵事件相关。

图6 磁性地层划分对比柱状图

(2)槽探方法。为探讨平原区南口—孙河断裂全新世以来的活动特征及规律，开挖探槽工程。探槽长约150 m，宽约3 m，深约4 m，总体走向为NE40°，分为AB、BC和CD，剖面清楚揭示了南口—孙河断裂近地表活动性特征(图7)[21]。

图7 百善探槽东壁剖面[21]

研究选取其中CD段进行分析[21]，在其剖面上可见较多的小型构造发育。其中F1-2错断了⑧层的粉砂层以下地层，⑧层两侧地层垂直位移约5 cm，未见有明显的破碎带特征，但地层两侧可见明显的牵引构造，在断裂的左侧，该层呈透镜状包裹于黏土地层中，其底面错断明显。⑨层杂色黏质粉砂层向上挤入⑧层的黏土层中，推测其可能为古地震事件影响形成的震动液化脉。F1-1错断了⑧层以下的地层。F1为探槽揭露的主断裂，剖面表明，主断裂F1明显错断了⑨层，向上延伸至⑧层，主断裂下降盘⑧-2、⑨层突然消失，⑧层上部的杂色粉砂质黏土层厚度突增，在断裂下降盘形成漏斗形态的厚层崩积物，且具有明显的混杂堆积特征，粉砂及黏土多呈不规则团块状分布，局部可见灰黑色薄层状堰塞塘沉积淤泥质沉积物。据AMS14C测年结果分析，主断裂活动的最新时间为(13 620±60) a BP。CD段上部⑦层褐色黏土层延伸稳定，未见其错断，因此可区分F1和F2为2 次不同的断错事件。样品TC01-⑨-1，采样深度为3.8 m，测试年龄为(16 770±70) a BP； 样品TC01-⑧-2-1采样深度为3.4 m，测试年龄为(17 350±100) a BP； 上下地层年龄出现倒置的现象。由于上述2 件样品分布在主断裂附近，可能受到断裂破碎带影响，致使地层年龄数据有误，但总体反映出受主断裂控制的两盘地层分属不同时代的特征。综合分析认为，百善探槽中所揭露的地质构造现象证明南口—孙河断裂北西段第四纪以来至少可识别出2 次古地震事件，其年龄分别为(9 370±40)～(9 230±45) a BP 和(13 960±60)～(13 620±90) a BP，错断地层的最浅深度为1.2 m。

3.2 浅表地层

平原(覆盖区)把对地表剖面调查作为重点调查内容(图8)，剖面上地层出露情况好，便于进行追踪观察与素描，并编制多条短剖面可进行有效的地层划分与对比，从而分析地层横向变化(图9)，一定程度上指示了区域沉积或构造沉降背景特征。

图8 永定河韩家铺一带河道泥砾层混杂堆积(洪泛作用)剖面

图9 浅表层次地层立体展示

3.3 第四纪地质结构

依据深部地质调查方法，建立了钻孔第四纪高精度地质结构，实施的PGZ01钻孔成果显示，Qp1/ Qp2界线位于松山负极性与高斯正极性界线处(M/G)、Qp2/ Qp3界线位于布容正极性与松山负极性与界线处(B/M)，Qp3/ Qh界线位于海洋O同位素5阶段位置(岩性上所反映的为暖期和冷期交互沉积的暗色地层和氧化条件下黄褐色地层)。Qh底界位于末次盛冰期结束气候转暖期沉积含有机质的地层附近及AMS14C测年大约在10 000 a BP[13](图10)，结合微体古生物、孢粉等测试，进一步佐证了地层划分的可靠性和准确性(图11)。

图10 PGZ01孔晚新生代以来综合地层柱状图

图11 PGZ01孔岩心照片及晚更新世地层划分

3.4 水文地质调查成果

地下水资源开采利用的主要层位集中在第四纪地层。针对第四纪地质结构，应用测井沉积学理论，进一步对含水地层岩性组合进行划分，确定赋水分布层位、年代及其性质。图12有效圈定了地下水的分布，显示了地下水赋存空间及其展布规律，可为城市规划建设所需(应急)水源地的选择以及水资源的合理开发利用提供可靠的地质数据。

3.5 人类活动与生态环境调查成果

在研究区实施的L05钻孔揭露了商周遗址地区第四纪以来地层，反映了晚更新世以来古地理、古气候环境演化特征，为了解商周遗址地区人类活动情况提供了地质背景资料。由图13可见，全新世以来沉积层相对较薄，由AMS14C测年可见，其末次冰消期—全新世地层约3 m多厚。通过L05孔孢粉、微体古生物分析，存在明显两期气候相对温和潮湿的湖沼环境(图14)，尤其是在L05孔上部AMS14C测年为(37 790±30) a BP、(23 040±90) a BP，显示其处于同期海洋O同位素3阶段(MIS3)时期，所见腹足类及口盖、轮藻及淡水介形类发育，显示植物繁茂，水体发育，周边存在湖沼环境，气候比较温暖和湿润。与区域上东南部榆垡PGZ01孔3～2 ka期间出现湖沼沉积相比[13]，遗址区应该是位于较高地貌部位，处于山前平原高地，厚度3 m以上全新世地层沉积物以黄褐色为主，所见孢粉指示是疏林草原植被景观，气候温凉偏干，致使平原地区湖沼水体范围缩小，便于人类生存，为商周时期的燕国选址奠定了有利的自然条件，从而促使人们不断向山前平原地区扩展生存。

图13 L05孔岩性柱、古地磁极性柱、AMS 14C测年

图14 L05孔孢粉(a)与微体古生物(b)综合统计

4 结论

(1)探索并系统总结了北京平原区1∶5万区域地质调查技术方法，融合多学科、多手段形成了覆盖区浅层与深层2个层次有效调查方法/组合体系，提高了城市地质调查的精度和可靠性，可为今后开展工作起到示范和指导作用。

(2)在活动断裂调查、浅表地层和第四纪地质结构与地层划分、水文地质调查等基础地质方面取得了重要进展和成果认识，具有重要的理论价值和实际指导意义，可为城市规划决策、重大工程建设和应急水源地水资源合理开采、城市减灾防灾等提供地学支撑。

(3)人类活动与生态环境关系研究以商周遗址地区为例，对人类活动与气候特征进行了探索，建立古地理环境演化序列，为古人类活动和自然环境演变研究提供技术指导和理论依据。

致谢：在项目实施过程中，得到中国地质调查局天津地质矿产研究所王强研究员给予悉心指导以及同事李瑞杰、魏波、吴虎峻、张晓亮、王志辉、刘立岩等参与野外调查，在此谨致谢忱。