鄂尔多斯北缘断裂托克托段晚第四纪活动特征1

刘华国 贾启超 龚 飞

（中国地震灾害防御中心, 北京 100029）

引言

有历史记载以来，鄂尔多斯地块周缘均发生过6 级以上地震。其中，除河套断陷带外，鄂尔多斯地块周缘断裂带均发生过8 级以上大震（聂宗笙等，2010；戴勇等，2012；郭祥云等，2017）。根据地震的空区理论，河套盆地段的地震危险性相对较大。另外，近年来该段中小地震分布范围和历史上中强地震的分布范围基本一致，而河套断陷带内小震相对频繁和集中，因此危险程度不容忽视。鄂尔多斯北缘断裂位于鄂尔多斯地块北缘，是鄂尔多斯台地和河套断陷带的分界线，断裂展布于磴口至托克托一带，从托克托县附近横穿黄河。研究该断裂的晚第四纪活动特征，对于科学评价黄河流域内蒙古河套段的地震危险性具有重要意义。

前人对鄂尔多斯北缘断裂的空间几何展布、地质地貌表现特征、晚第四纪最新活动时代、潜在发震能力、断裂发育样式、发生中强地震的地质条件和动力学背景等方面进行了研究（邓起东等，1985，1999；国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组，1998；冉勇康等，2003；李建彪，2005，2006，2007；韩晓明等，2013；李彦宝等，2015；酆少英等，2015）。研究认为，该断裂在地貌上反应明显，地表形成高达20～50m 的地貌陡坎，并导致第四纪时期形成的河流发生左旋位错。但是，这些地貌陡坎的延伸方向与黄河阶地发育一致，存在外营力成因的不确定性。另外，前人多引用乌兰村探槽剖面2内蒙古自治区地震局，国家地震局地壳应力研究所. 1992. 内蒙古自治区托克托电厂活动断层研究报告.用于证明断裂的最新活动时间，该剖面显示，断裂为一组断面北倾的阶梯状正断裂，断错了上更新统砂砾石层和粉砂层，但实地野外调查并没有发现断裂活动到地表的迹象。托克托县城东跨断裂钻孔联合剖面，表明断裂南侧上新世地层被抬升，其上仅覆盖晚更新统河湖相地层，北侧为第四纪地层；剖面中断裂之上覆盖一层黑色淤泥层，测年结果为（31.3±1.9） ka，说明该断裂3 万年以来无活动。由于该钻孔联合剖面钻孔数量少、孔间距大，无法确切给出地层差异的具体原因，存在断裂构造和地层地貌导致差异的多解性，且断裂的具体位置也无法准确厘定。

基于以上考虑，本文在野外地质调查和微地貌测量的基础上，利用浅层人工地震勘探和钻孔联合剖面探测相结合的方法，结合地层年代样品测试结果，对鄂尔多斯北缘断裂托克托段开展了几何位置和最新活动时代的综合分析厘定。

1 地质构造背景

自上新世开始，在喜马拉雅运动的影响下，鄂尔多斯块体周缘形成了一系列断陷带，并接受巨厚的沉积，而鄂尔多斯块体则以隆升为主，开始了新的分异作用，形成鄂尔多斯块体周缘活动断裂带。其中，鄂尔多斯北缘断裂是其重要组成部分（图1），该断裂西起磴口，呈近东西走向，向东经达拉特旗延至托克托县，然后逐渐转为北东东向，止于和林格尔北与和林格尔断裂交汇，全长约360 km。断裂倾向北（北）西，倾角70°～80°，西段断距较大，达1 500～2 000 m，向东逐渐减小（李克等，1987）。

图1 鄂尔多斯北缘断裂托克托段地质构造简图Fig. 1 Geological structure map of the Ordos northern fault

区内第四纪沉积地层主要包括：（1）中更新统岩性以冲洪积砂砾石层、粉质黏土为主，主要分布在呼包盆地内部；（2）上更新统萨拉乌苏组岩性主要为河湖相黏土质粉砂、含有机质粉砂、粉土为主，主要分布在河湖Ⅱ阶地下部、Ⅲ级台地；上更新统城川组主要以泥石流堆积和洪积砾石层、砂砾石层、细粉砂、黏土、黄土，主要分布在Ⅱ级阶地、大青山Ⅱ台地、冲积扇；（3）全新统古城湾组主要以洪积或风积砂砾石层、粉砂、黏土质粉砂为主，主要分布在Ⅰ级堆积台地、洪积扇、洪积裙、冲积扇前缘、Ⅰ级阶地。

2 研究方法

自20 世纪90 年代利用钻孔联合剖面探测隐伏活动断裂以来（向宏发等，1993；向宏发，2003），针对隐伏断裂探测相继提出了一系列具有指导意义的技术、方法和建议，经不断完善和改进，逐渐形成了以地质地貌调查、地球物理勘探、钻孔联合剖面探测、槽探和沉积地层年龄测定相结合的多方法、多层次综合探测技术路线（徐锡伟等，2000；方盛明等，2002；邓起东，2002；柴炽章等，2006；王萍等，2007；雷启云等，2011；曹筠等，2015）。在诸多勘探手段中，地球物理勘探是初步确定目标断裂位置、性质及其平面分布的有效方法，如浅层地震勘探是钻孔联合剖面布设和断裂活动性鉴定的基础（邓起东等，2003），钻孔联合剖面探测则可准确厘定断裂位置，是验证地球物理勘探结果的有效手段。本文在野外调查和微地貌测量基础上（图2），为确定断裂位置和上断点埋深，分别在西的苏家湾、兴旺庄布设浅层人工地震勘探。为避免物探结果的不确定性，在兴旺庄测线北的西大圪垯附近开展了钻孔联合剖面探测（图3），尽可能揭露第四纪地层，以便综合分断裂的晚第四纪活动特征。

图2 浅层人工地震勘探测线与钻孔位置平面图Fig. 2 Position diagram of the shallow seismic exploration lines and the drill holes

图3 浅层人工地震勘探线、地质调查、地貌测量及钻孔位置平面图Fig. 3 Position diagram of the shallow seismic exploration lines, geological survey, geomorphologic survey, and the drill holes

3 野外调查与微地貌测量

研究区位于呼包盆地内黄河沿岸附近，野外地质调查表明，区内沉积地层以河流相、湖相、风积为主，岩性主要为砂、粉质黏土、粉土和黏土为主，地貌陡坎沿黄河展布，总体较连续。在前人资料分析、野外地质调查和踏勘的基础上，分别在苏家湾（图4（a））、兴旺庄开展了微地貌测量（图4（c））。结果显示，苏家湾测线附近存在二级湖积地貌陡坎，陡坎高差约23 m，从出露的地层判断，具水平层理的湖相地层上覆现代风积砂（图4（b）），未见地层变形迹象，推测断裂尚未发育至地表，地貌陡坎的成因可能为黄河侵蚀形成的复合阶地陡坎。兴旺庄测线附近地形平坦（图4（d）），无陡坎发育。综合分析认为，跨断裂的构造地貌不发育，推测断裂尚未断错至地表，在研究区内隐伏展布。

图4 跨陡坎的微地貌测量及地质调查结果Fig. 4 The result of micro geomorphic survey across scarp and geological survey

4 探测结果

4.1 地球物理勘探结果

河套盆地深反射剖面显示（酆少英等，2015），鄂尔多斯北缘断裂主要由3 条断裂组成，在剖面上呈“Y”字形展布（图5），断裂F7为其主断裂，倾向北，为上陡下缓的正断裂；断裂F5和断裂F6为断裂F7的反向正断裂，错断了第四系底界反射波（Tg），向下止于断裂F7之上，在深度约20 km 处归并到大青山山前断裂，表明鄂尔多斯北缘断裂是一条规模较大的边界断裂。

图5 呼包盆地的沉积层反射图像（酆少英等，2015）Fig. 5 The deposit layer reflection image in Hu-bao basin（Feng et al., 2015）

参考深反射剖面所揭示的断裂特征，分别在蓿亥图西、兴旺庄布设浅层人工地震勘探测线（图6）。浅层地震探测数据采集设备为法国SN388 地震仪，地震波激发源使用美国Metrz 公司生产的M18/612 型可控震源（18 t）。依据试验结果，选取浅层地震勘探基本参数为：炮间距12 m、最小偏移距10 m、最大偏移距608 m、300 道接收的观测系统，采用连续变频扫描，可控震源扫描频率20～180 Hz、扫描长度8～12 s 、2～3 m 道间距、25 次覆盖、0.5 ms 采样间隔、0.5 s 记录长度。根据现场地震记录质量情况，每个震点（激发点）实施了不同次数的垂直迭加。

（1）兴旺庄浅层地震剖面

兴旺庄测线呈近南北向布设于托克托县北部，剖面长4 992 m，炮点320 个。据已有研究资料估计，此处第四系厚度为600～1 000 m，以此为依据对第四系底界（TQ）埋深进行标定，第四系内部反射界面用T01、T02···T10标识，具体的时间剖面如图6 所示。

图6 兴旺庄浅层人工地震勘探剖面图Fig. 6 Profile of the shallow artificial seismic at Xingwangzhuang village

该测线时间剖面具有丰富的反射波组，双程走时1 200 ms 以上可以清晰识别多个能量较强的反射波组。从剖面所反映的分界形态整体特征看，T03界面以上各界面特征相似，均为近水平层状形态，虽有一定起伏，但幅度不大。T03界面以下，剖面南半部和北半部有着明显区别。剖面北部T03以下各界面呈视倾向西的展布形态，且越向深部视倾角越大。剖面由北向南，T04、T05等界面相继尖灭于T03界面，T03界面与下伏地层呈角度不整合接触。剖面南部各界面则呈水平层状形态，T03界面与下伏地层呈平行不整合接触。由此可知，T03以下地层经历过多次构造运动，使得深部地层在南北两侧形成不同结构形态。深部地层在沉积完成后经构造应力作用，北部地层呈视倾向北的形态，随后整体抬升遭受剥蚀，使南侧地层的T04和T05等界面缺失，而北部也缺失了部分地层。随后区域地层下降接受沉积，形成T03以上的覆盖层。

从剖面特征看，该测段发育多个断点，经详细分析后，将剖面各断点归属为FP1 断裂和FP2 断裂。其中，FP1 断裂可分辨的上断点埋深为150～160 m，断距3～4 m，从各界面的错断形态判断，该断裂为视倾向北的正断裂，其向上错断了T06及以下各界面，T03界面虽有扰动迹象，但界面基本连续，没有被错断的证据。FP2 断裂较为复杂，整体表现为由多条分支断裂组成的“Y”字形断裂带，其中主断面视倾向北，分别于深度约1 200 m 和700 m 处向北延展出2 个视倾向南的分支断裂。其中，FP2 断裂的主断点向上错断了T03界面而没有错断T02 界面，可分辨的上断点埋深为130～140 m，垂直断距为3～5 m。最北侧视倾向南分支的上断点距剖面桩号912 m，其向上错断了T02界面，可分辨的上断点埋深为65～70 m，垂直断距为4～6 m，与此断点对应的浅部地层反射波有一定程度的扰动迹象，揭示了其有进一步向上延展的可能。以上2 个断点的判断依据均为反射波同相轴的错断或消失。

（2）苏家湾浅震剖面

苏家湾测线的起点位于准格尔旗蓿亥图、蒋宿黄河浮桥南约300 m 处，向南沿近南北向的柏油路布设，测线长度为3 198 m，炮点共计219 个。

由图7 可知，苏家湾测线剖面上的地层界面反射较为丰富，自上而下可识别出10 组特征明显的地层反射，这些地层反射在剖面上可被连续、可靠追踪，且界面展布特征和起伏变化形态也非常清楚。测线桩号480 m 以南，地层界面反射向北倾伏，且随着深度的增加，地层倾角逐渐增多，桩号480 m 以北，向北倾斜的反射面有大致相同的倾角，且界面倾角大于剖面南侧界面倾角。

图7 苏家湾浅层人工地震反射波叠加时间剖面图Fig. 7 Reflection stacked time profile of the shallow artificial seismic at the Sujiawan village

苏家湾浅层地震测线揭示了2 个特征较为清楚的断点FP4、FP5，其中，断点FP5 位于剖面桩号约480 m处，错断了反射波T2以下的所有地层反射，表现为向南倾的正断裂特征，上断点埋深约为70 m，对应FP5的上断点断距为3～5 m。断点FP4 位于苏家湾测线桩号1500 m 处，为向北倾的正断裂，该断裂错断了深度约560 m 以下的地层反射，在深度500 m 以浅，剖面反射波组T1～T7均未出现错断显示。

从本次浅层地震勘探所获得的地震反射剖面解译结果看，虽然2 个剖面获得了多个断点，但托克托兴旺庄测线上的FP1 和FP2 断点相距较近，且形态特征相似，其在深部有可能汇于一个断面，应为同一条断裂的反映。断裂呈“Y”字型，与深反射剖面所揭示的鄂尔多斯北缘断裂形态相似。因此，这些断点应为鄂尔多斯北缘断裂在地震反射剖面上的反映，断裂在剖面上呈正断层特征，主断面视倾向北，断裂规模较大，形成了宽数百米至两千米左右的断裂带。

综上所述，浅层人工地震勘探揭示的断错特征明显，且断裂结构体系复杂，总体活动性较强。

4.2 兴旺庄钻孔联合剖面探测结果

为确定断裂准确位置和活动特征，在野外调查、浅层人工地震勘探的基础上，选择埋藏相对较浅的兴旺庄附近的断点，开展钻孔联合剖面探测工作，共布设9 个钻孔（图8）。最深钻孔约90 m，最小孔间距14.1 m，钻孔总进尺为613.5 m。为明确断裂性质及断错地层序列，利用RTK 差分校正各孔相对高程。按照城市活断层探测的相关标准进行岩心采集与编录、样品采集等工作，对钻孔剖面进行不断加密，直至满足探测要求。由于钻探揭示的多为河、湖相地层，为约束地层年代并为地层划分提供参考，在排钻实施过程中分别采集了适用于电子自旋共振（ESR）、光释光（OSL）和放射性14C 等多种测年方法的地层年代样品，结合钻探样品测试结果，按照地层特征进行归类，共揭示出8 套地层（图8），其特点分别描述如下：

图8 兴旺庄钻孔联合剖面图Fig. 8 Joint section of the drill holes at Xingwangzhuang villiage using ZK1 to ZK9

①黄褐色粉土、粉质黏土、粉砂，所有钻孔均揭示了该地层，综合地层年代小于（20 570±70）a。

②褐黄色粉土、粉质黏土、夹粉砂，所有钻孔均揭示了该地层，综合地层年代20 570～43 500 a。

③浅灰色粉砂、粉质黏土，所有钻孔均揭示了该地层，通过多个钻孔取得的木棒等物质的14C 测年结果，综合分析该地层年代约为20 570～43 500 a。该层地层相对比较稳定，推测断裂尚未断错至该层。

④深灰色粉土、粉质黏土、粉砂，所有钻孔均揭示了该地层，综合地层年代约43.5 a～70 ka。从剖面情况看，南倾的断裂F2 断错了该层底部，垂直位移量约为2 m，即断裂最新活动时代为4.35 a ～70 ka，为晚更新世活动断裂。

⑤浅灰色粉土夹粉质黏土，所有钻孔均揭示了该地层，综合地层年代约70～83 ka。底部被北倾的断裂F1 和南倾的断裂F2 所断错，垂直位移量分别为2.5 m、2 m。

⑥黑灰色粉质黏土夹深灰色粉土，所有钻孔均揭示了该地层，综合地层年代约83 a～120 ka。底部被北倾的断裂F1 和南倾的断裂F2 所断错，垂直位移量分别为2.6 m、2 m。。

⑦灰褐色粉质黏土，除ZK4、ZK3、ZK2 之外，所有钻孔均揭示了该地层，综合地层年代约120～870 ka。底部被北倾的断裂F1 和南倾的断裂F2 所断错，垂直位移量分别为2.5 m、2.2 m。

⑧深灰粉质黏土夹粉土，ZK1、ZK7、ZK8、ZK9 均揭示了该地层，综合地层年代约大于870 ka。

兴旺庄钻孔联合剖面揭示了多个地层被断错，根据断错关系，厘定出2 条地堑式断裂，分别为北倾的南支断裂F1 和南倾的北支断裂F2，剖面所揭示的层①、层②、层③地层较稳定，推测地层未受最新构造变形的影响，说明断裂尚未断错层③及以上地层。而层④～层⑧在断裂通过处均发生了不同程度的构造变形，位错量在2～2.5 m，说明断裂断错了层④及以下地层。

通过地层的详细对比分析，推测断裂F1 一次性将层⑤、层⑥、层⑦、层⑧同时断错，产生了约2.5 m的垂直位移，之后沉积了层④及以上地层，该层在断裂F1 上盘局部出现沉积厚度增加现象，比如层⑤。层④综合地层年代为43.5 a～70 ka，层⑤综合地层年代为70～83 ka，结合断点上覆地层和断错地层特征，综合分析认为，断裂至少断错了70～83 ka 的地层，说明断裂F1 的最新活动时代为晚更新世。剖面所揭示的断裂F2 一次性将层④、层⑤、层⑥、层⑦、层⑧同时断错，产生了约2～2.2 m 的垂直位移，之后沉积了层③及以上地层，层③的地层年代为20 570～43 500 a，层④的地层年代为43.5～70 ka，综合分析断裂断错的最新地层年代为43.5～70 ka ，说明断裂F2 的最新活动时代为晚更新世。除此之外，由于钻孔所揭示的地层普遍偏老，为降低由于地层年代测试产生的不确定性，本文在地层年代厘定过程中采用了多种测试方法联合的办法。

5 结论

本文在综合野外调查、微地貌测量、地球物理勘探、钻孔联合剖面探测以及地层年代测试结果的基础上，获取了断裂的最新活动证据和活动特征，主要得到以下结论:

（1）鄂尔多斯北缘断裂托克托段在宏观上展布于黄河沿岸，未见湖相台地和河流阶地被断错的地貌形迹，推测断裂的最新活动可能尚未至地表，晚第四纪以来活动不强，地表的地貌陡坎应为河流侵蚀成因。

（2）鄂尔多斯北缘断裂在深、浅地震反射剖面上表现为“Y”字形展布的张性断裂带，具有多个地堑式分支断裂，是一条主断裂北倾，分支断南倾，上陡下缓的大规模边界断裂。

（3）钻孔联合剖面显示，鄂尔多斯北缘断裂在托克托段发育2 条地堑式分支断裂，单支断裂的垂直位移量为2～2.5 m，最新活动时代为43.5～70 ka，是一条晚更新世活动断裂，具有一定的地震危险性。

致谢 感谢国家自然灾害研究院徐锡伟研究员在项目实施过程中给予的指导和建议，感谢包头市地震局在野外调查及钻探施工过程中给予的帮助，感谢审稿专家提出的宝贵意见和建议。