琼北地区铺前−清澜断裂北段的全新世活动新证据

刘华国，李 峰，贾启超，王志成，张 攀，林 镇，张杰汉，施春花，张彦博，贾 伟，李昌隆

(1.中国地震灾害防御中心，北京 100029；2.海南省地震局，海南 海口 570203)

1605 年在海南海口江东新区的塔市村发生了琼山7½级历史强震，震中烈度为Ⅺ[1]，北东东向为极震区长轴方向，东端向东南转为南南东向，形似一个倒置侧卧的“汤勺”，勺口就在江东新区的文昌。该地震是华南地区破坏性最大的一次历史地震，形成了罕见的大范围“陆陷成海”现象[2]，其发震构造一直存在较大争议。陈恩民等[3]认为该地震的发震构造可能为北东东走向的高角度马袅−铺前断层，该断层是具有正断兼有左旋性质，处于地垒与地堑的边缘转折地带，以强烈垂向差异运动为主[4]。但海口市江东新区活动断层精细探测结果显示，马袅−铺前断裂在该区域不活动。根据地震烈度等值线图的形态，高烈度区在东寨港一带转为向南南东向，与铺前−清澜断裂的位置和走向一致，该断裂是东寨港的边界控制构造，可能为1605 年地震的发震构造，这与张新东[5]、徐晓枫[6]等利用小震精确定位得到的北西向震源断层比较吻合，垂直形变测量资料亦获得同样的信息。

由于琼北地区多为滨海平原，断层构造隐伏于浅表第四纪松散堆积物之下，隐伏断层精确定位及其最新活动参数的获取一直是困扰隐伏断层探测的一个技术难题[7]。琼北地区的断裂活动特征主要根据深部地球物理勘探资料、1605 年琼山大地震地质灾害分布情况或者断裂附近氡气异常情况来判断[4,8]。自20 世纪90 年代初开始利用地球物理探测和钻孔联合地质剖面探测研究隐伏活动断层以来[9-10]，许多专家学者相继提出了一系列具有重要指导意义的技术方法和工作建议，经过不断完善和改进，逐渐形成了地球物理探测、钻孔联合地质剖面探测、古地震槽探、沉积地层序列与年代测定相结合的多层次技术方法的综合探测路线[1,3,11-18]。地质地貌、小震定位、形变测量、重磁反演等大量资料证实[6]，铺前−清澜断裂是一条东盘相对上升，西盘相对下降的活动断裂，但是以往工作尚未发现该断裂全新世活动的确切地质证据。因此，铺前−清澜断裂活动特征的厘定不仅关系到1605 年大地震发震构造的准确评价，还对海南自贸港的海口江东起步区的地震危险性分析、国土规划及城市发展建设具有举足轻重的意义。

据此，针对研究区普遍存在第四纪玄武岩盖层和巨厚海相砂层沉积等地质特点，采用2 台28 吨大震源的浅层地震勘探和钻孔联合地质剖面探测相结合的技术方法，分别在海口江东新区三江镇的岐山头村和东寨村分别展开探测，厘定了铺前−清澜断裂北的段准确位置，获得了该断裂全新世活动证据。本次研究成果已用在国土规划和地震危险性评价工作中，修改了江东新区总体规划图和潜在震源区划分方案，为该区域的地震安全性评价提供了科学依据。

1 地震构造背景

本研究区位于琼北断陷带内，带内主要发育近东西向马袅−铺前断裂和北西向的铺前−清澜断裂(图1)。深部的重力和航磁资料显示马袅−铺前断层为一条切割深、规模大的晚第四纪活动断层，因为受北西向断裂切割，所以平面上展布不连续。人工地震结果显示，该断层由多条分支断层组成，断错至新近系，位移量达150～200 m[5]。该断层具有明显的西弱东强的活动特点，西段为中更新世断裂[2]，中、东段为全新世活动断层[15]。

图1 铺前−清澜断裂北段地震构造简图Fig.1 Seismic structural sketch map of the northern segment of the Puqian-Qinglan fault

北西走向的铺前−清澜断层分布在铺前镇至清澜港一带，呈NW335°～345°展布，陆上长约51 km，由多条平行的断裂组成，两端延伸入海域，往南海海域长度可达数百公里。东寨港和清澜港形态都呈北西向，并分布在同一轴线上，表明其受控于本断裂。在航卫片影像上，断裂两侧反差明显，线性轮廓清晰。重力和人工地震资料均显示，断裂北部切割较深，断裂南部切割较浅，基底断裂具有右旋性质，而盖层中则表现为左旋性质。前人根据地质、钻探、考古和大地形变测量等大量资料所揭示的断裂构造特征及其活动性的差异，将该断裂自北而南分为三段：北段东寨港段、中段三江−文昌段、南段清澜港段，且活动性依次减弱[1]。本次研究对象为断裂北段，该断裂段沿东寨港东、西两岸NW 向延伸，控制着东寨港地堑构造的边界，1605年琼山大地震期间，铺前镇附近强烈的沉降震害，也表明该断裂段具有最新活动。

本区新近纪以来的地层主要包括：上新统(N2)海口组为海相沉积，岩性以含贝壳的碎屑岩为主。下更新统(Q1)秀英组，下部岩性为杂色或灰白色含砾黏土质中粗砂或黏土质砂砾层，斜层理发育；上部岩性以青灰色含粉砂黏土为主，夹紫红、灰黄及黄褐色黏土和粉、细砂层，水平层理发育。中更新统(Q2)北海组下层为棕红色黏土砂质砾石层或砂砾石层，上层为棕红或棕黄色黏土质中粗砂，该时期的火山岩岩性主要以橄榄玄武岩、粒玄岩和火山碎屑岩为主。上更新统(Q3)八所组主要为棕红、棕黄色砂，向下递变为黄色砂及灰白色砂，该时期的火山岩为火山碎屑岩和橄榄玄武岩为主。全新统(Q4)烟墩组地层为海积、冲积、洪积层，主要有粗砂、中砂、细砂及砂砾、粉质黏土，亚黏土及淤泥，该时期的火山岩岩性以火山碎屑岩为主，熔岩有气孔状橄榄玄武岩和玻基玄武岩等。

2 地质地貌调查

遥感影像上，研究区铺前−清澜断裂北段呈东、西两支断裂分布在东寨港的东西两侧，明显控制地堑地貌的发育，断裂两侧地形地貌差异较大，陆上多为相对稳定的红土化的火山岩台地面，入海口附近上覆地层为海相地层，因为强烈的差异化垂直地质运动，断裂两侧陆海分明。线性构造在高分辨率遥感影像上表现显著，反映出该断裂两侧物质差异特征(图2)。野外地质调查发现，在断裂通过的东寨村附近发育相对和缓地貌高差，人为改造明显，根据钻探资料，初步判断可能是一个多重因素叠加形成的地貌坎，陡坎高度约4 m(图2)。

图2 东寨村附近构造地貌调查Fig.2 Tectonic landform near Dongzhai Village

3 浅层人工地震勘探结果

本次跨断层地球物理勘探采用浅层人工地震反射法。在岐山头村附近(SJB-3 线)和东寨村附近(Kd5-4线)各布设了一条测线(图1)。考虑研究区第四纪玄武岩盖层和厚层海相(潟湖相)砂沉积等地质条件，现场探测中采用小道间距准确定位的工作模式。依据试验结果，浅层地震勘探基本参数选取如下：2 台28 吨可控震源组合激发，每个震源激发点垂直叠加10 次，400 道接收，2 m 道间距，覆盖次数不少于35 次，扫描频带10～120 Hz，扫描长度12 s。

岐山头村的SJB-3 测线长约1.7 km。根据地震剖面上的反射波组的错断、扭曲等特征(图3)，解释出2条逆冲断层Fp1和Fp2，在2 条断层之间地层出现褶皱隆起，在断层Fp1的西侧，Q+N 沉积最大厚度约为350 m，而在断层Fp2的东侧，Q+N 沉积层厚度变薄至200 m左右，显示了断层对地层沉积的控制作用。断层Fp1位于剖面桩号510 附近，为向东倾的逆断层，错断了剖面上的所有反射波，从剖面上可分辨的断层上断点埋深32～35 m。断层Fp2位于剖面桩号1 010 附近，该断层为西倾的逆断层，错断了剖面上T2之下的地层反射，可分辨的上断点埋深40～45 m。

图3 岐山头村SJB-3 浅层人工地震勘探解释剖面图和地质解释Fig.3 Profiles from artificial shallow seismic exploration interpretation and geological interpretation of survey line SJB-3 at Qishantou Village

东寨村的Kd5-4 测线长约4.4 km，根据地震反射剖面上的反射波组特征(图4)，解释了2 条逆冲断层Fp6和Fp7。断层Fp6是东寨港凹陷的西边界，浅层地震剖面上表现为倾向南西的逆冲断裂带，断层位于桩号1 206 处，上断点埋深约160 m，穿透了T1反射界面。Fp7大致沿东寨港的东缘分布的边界，是一条倾向北东的逆冲断裂带，断层位于桩号2 470 处，断裂穿透了T1 反射界面，上断点埋深约48 m。

图4 东寨村Kd5-4 浅层人工地震勘探解释剖面图和地质解释Fig.4 Profiles from artificial shallow seismic exploration interpretation and geological interpretation of survey line Kd5-4 at Dongzhai Village

综合地球物理勘探结果分析认为，铺前−清澜断裂北段在研究区内分为两支，性质有正断和逆断两种性质，倾角都比较陡，说明该断裂具有走滑性质，上断点埋深32～48 m，最深可达160 多m。地震反射波剖面显示，该断裂错断的位置延伸至浅部地层，初步估计应该至少断错晚更新世地层，受限于浅层地震的探测精度，推测断层上断点可能更浅，但断裂的准确位置和活动时代需要通过跨断裂的钻孔联合剖面探测来确定。

4 钻孔联合剖面探测分析

根据地形地貌特征和浅层人工地震勘探结果，在岐山头村和东寨村附近分别布设了1 条钻孔联合地质剖面。由于钻探揭示的多为滨海相地层，受海退海进的影响较大，地层相变普遍，玄武岩、花岗岩等也有不同程度的揭示。鉴于此，以海口城市活断层探测、江东新区活动断层精细探测的相关工作成果作为地层划分和对比分析的参考，同时，补充开展了钻孔地层年代样品测试，为断层活动时代的厘定奠定了基础，本次工作碳十四样品测试由美国Beta 实验室完成。

4.1 岐山头村钻孔联合地质剖面

根据地球物理勘探结果，跨物探剖面解释的断裂分支Fp1断层在岐山头村附近布设了钻探剖面1 条，剖面总长约616 m，共实施钻孔17 个，其中有效钻孔12 个，总进尺1 270 m，最大孔深160 m，靠近断层上断点的最小孔间距5 m，用GPS 差分校正各孔相对高程。每个钻孔均揭示出多套地层(图5)，自上而下细分出5套地层单元，部分地层单元又分为几个亚层。

图5 岐山头钻孔联合地质剖面Fig.5 Cross-well stratigraphic correlation at Qishantou Village

①黏土、细砂层。表层为素填土(耕作土)，成分以砂粒土及黏性土为主，含少量植物根系。中部①-1为一套淤泥质黏土，深青灰色，厚约6 m，含炭块及海相贝壳、木头等，所有钻孔均有揭示。在zk15 号钻孔中孔深约5 m 处采集的木头样品15C14-1 放射性碳定年结果为7 255−7 153 a cal BP，在zk9 号钻孔中孔深约6.2 m 处采集的木头样品9C14-2 定年结果为7 663～7 573 a cal BP，说明该层淤泥质黏土的年代为7 663～7 153 a cal BP。下部①-2 为一套青灰色细砂层，含有黏土颗粒，仅分布在部分钻孔中，在zk15 号钻孔中孔深约12.8 m 处采集的木头样品15C14-2 的测试结果为8 346～ 8 191 a cal BP，说明该层为全新世地层，对比区域地层可知，该层属全新世烟墩组。

② 砂质黏土层。黄灰色，砂质黏土层，含砂量约为30%。在zk15 号钻孔中孔深约16.2 m 处采集的木头15C14-3 样品，测试结果为31 637−31 151 a cal BP，说明该层为晚更新世地层。

③中粗砂层。灰白色、灰黄色、黄灰色中粗砂层，受断层影响，厚度30～70 m。整体上，上部的③-1、③-3为灰白色中粗砂，含中粗砂颗粒约占15%，土质均匀，偶见砾石，含铁锰质氧化物斑点。下部③-4 为灰黄色中粗砂，成分以石英长石为主，砂质不纯，含黏性土约占5%，含砾石约占5%，粒径2～25 mm。该层中有2层粉质黏土亚层③-2、③-5，自西向东厚度减小，直至尖灭。③-6 火山岩残留，本层可见于钻孔1、5、6、8、11 之中。以凝灰岩为主，灰黑色，成分以长石石英为主，凝灰粒状结构，块状构造，岩心呈柱状及块状，一般长度5～15 cm，最长24 cm，一般块径20～40 mm，最大50 mm。

④ 粉质黏土层。成分以浅灰色粉质黏土为主。局部可见浅灰色、灰绿色黏土质砂，砂质黏土，含中粗砂颗粒，从钻孔揭示的断面可知，断裂倾角70°～90°，推测断裂具有走滑兼有逆冲性质。

⑤ 侵入岩，位于70 m 以下，成分为辉绿岩，花岗岩，岩心破碎，钻孔14、15、17 没有揭露，从底层落差表明在深部断层两侧地层差异较大。

根据岐山头村钻孔所揭示的地层单元，划分出a、b、c、d 四个标志地层，其中a 标志层为全新世地层①-2 深灰色黏土、细砂层与晚更新世的层②黄灰色砂质黏土层的分界线，累计落差约为8 m，其中，①-1 淤泥质黏土的累计落差约为4 m，靠近断层附近的落差约为2 m。b 标志层为晚更新世的层②与早−中更新世的层③-3 中粗砂层的分界线，落差约8 m，相对于标志a 而言，累计落差成倍增加。c 标志层为层③-4 底部的灰黄色中粗砂与层④的粉质黏土分界线，落差不小于50 m。d 标志层为层④的粉质黏土与层⑤侵入岩层分界线，由于下盘没有揭示出，落差不详。

岐山头钻孔联合地质剖面上的地层分布特征可以看出，浅层地震探测解释的断点附近主要表现为地层的褶皱弯曲变形、生长地层和断层的断错。依据钻孔所揭示的标志地层、地层落差以及钻探过程中发现的断面，推测该断裂带是由多条断裂组成的，且具有多期次活动特征。推测f1 断裂从zk12 和zk16 之间通过，分别断错了层①、②、③、④。层①-1 底部在断裂附近最小落差约2 m，积累落差为4 m，说明断裂已段错至该层。同时，由于断层多次活动导致层③中发育多个生长地层，如③-1、③-2、③-5，且具有不整合特征。同时随着地层深度增加，标志b 落差成倍数增加，由此推测层②、③可能经历了多次古地震事件。

综合以上分析，该断裂所断错的最新地层年代为8 346−7 153 a cal BP，说明具有走滑兼逆冲的全新世活动特征，累计位移量4 m，据此可得出全新世垂直活动速率(0.53±0.04) mm/a。标志地层b 累计垂直位移量为8 m，放射性碳十四定年结果为31 637−31 151 a cal BP，据此可得出晚更新世垂直活动速率约为0.25 mm/a。

4.2 东寨村钻孔联合地质剖面

根据地球物理勘探结果，跨断裂布设了长约132 m钻探剖面，共实施18 个孔，总进尺2 105.9 m，最大孔深160.5 m，最小孔间距6 m，用GPS 差分校正各孔相对高程。剖面主要揭示出8 套地层(图6)，有些地层又可分为一些亚层，自上而下细分出如下8 套地层单元。

①耕作土，棕红色土壤层，成分以砂粒土及黏性土为主，含少量植物根系，该层底部略有起伏。

② 灰黄色、浅红色玄武岩全风化，原岩结构构造已完全破坏，局部夹有未完全风化岩块，手掰易碎，裂隙面被锈斑浸染，岩心风化呈短柱状。zk2 至zk12 之间地层略有增厚。该层顶底作为标志地层分界线a 均发生了挠曲变形，累计挠曲垂直变形量4～5 m，推测构造变形已经影响到该层。其中风化玄武岩样品中放射性碳十四测试结果显示仅为7 030−7 266 a cal BP，平均垂直位移速率为0.63～0.08 mm/a。

③灰黄色中粗砂、粉质黏土，上部为浅红色粉质黏土，以黏粒为主，土质不均，含少量浅黄色条纹及铁锈斑纹，下部灰黄色黏土质粗砂或砂质黏土，以黏粒为主，土质不均，含粗砂颗粒、粉砂颗粒，夹1～2 cm 浅红色条纹，具水平层理。该层底部作为标志地层b 的分界线，在zk2−zk12 之间顶底均有挠曲变形，累计挠曲垂直变形量5～6 m，底部局部断错位移量1～2 m。该层的放射性碳十四测试结果24 280−23 782 a cal BP相当，推测为晚更新世八所组地层。

④-1 灰黄色、黄褐色砂质黏土，以黏粒为主，含中粗砂颗粒约占15%，该层顶底均被断错，累计垂直位移量达8 m，推测为晚更新世八所组地层。

④-2 青灰色砂质黏土、粉质黏土，以黏粒为主，含中粗砂颗粒约占15%，土质均匀，切面光滑，偶见砾石，含铁锰质氧化物斑点，该层底部作为标志地层c 的分界线，累计垂直位移量约10 m。该层年代超出了碳屑样品的测试范围，推测为中更新世地层。

⑤ 青灰色、浅黄色中粗砂，成分以石英长石为主，砂质不纯，含黏性土约占5%，含砾石约占5%，粒径2～25 mm。该层顶底均被断错，该层底部作为标志地层d 的分界线，顶部累计垂直位移量约10 m，底部累计垂直位移量约30 m。zk9 中揭示的该层中32.8 m处发育断面，倾角70°，具有高角度逆走滑性质，推测为中更新世地层。

⑥-1 浅灰色、灰绿色黏土质砂，富含水，含中粗砂颗粒。该层顶底部被断错，累计垂直位移量均约为30 m，推测为中更新世地层。

⑥-2 灰绿色、棕红色粉质黏土，以黏粒为主，土质均匀，刀切面光滑。该层顶底作为标志地层e 的分界线均被断错，累计垂直位移量30、36 m，推测为中更新世地层。

⑦-1 上部为浅灰色砂质黏土，以黏粒为主，含中粗砂颗粒约占10%，下部为浅灰色灰绿色中粗砂，砂质不纯，含黏性土约占5%。该层顶底部被断错，累计垂直位移量约36、38 m。

⑦-2 灰绿色细砂，砂质较纯，该层顶底部被断错，顶累计垂直位移量38 m，推测为中更新世地层。

⑦-3 浅灰色、灰绿色黏土质粉砂，含中粗砂颗粒约占15%，成分以石英长石为主，含黏性土约占5%砂。该层在断层上盘不清晰。该层底部作为标志地层f 的分界线均被断错，累计垂直位移量达42 m，推测为早更新世地层。

⑧ 70 m 以下，上部为青灰色断层角砾，成分为花岗岩，岩心破碎，有断层泥及岩粉充填，岩心呈碎块状，块径10～90 mm。下部为灰黄色断层角砾，二长花岗岩，蚀变破碎严重，岩心呈砂土状夹碎块状。该层顶部被断错最大位移量可达42 m。

根据钻探结果，该断层上断点埋深已至11 m 以浅，全新世地层已见发生变形，不排除已断错至地表的可能性，根据最新断错地层的年代推测该断裂最新活动时代为全新世。综合分析认为，该断裂带规模较大，是由多条断层组成的长期活动的大型走滑兼逆冲性质的断裂带，断层错断了多个地层，最新累计垂直位移4～5 m，中更新世以来累计垂直位移达42 m，根据地层年代样品测试结果，认为该断裂具有全新世活动特征，平均垂直位移速率为(0.63±0.08) mm/a。

5 1605 年琼山7½级地震发震构造讨论

本文采用地球物理勘探和钻孔联合地质剖面探测相结合的方法，分别在岐山头村和东寨村展开探测，通过地球物理解释、上断点分析、被断错地层序列对比、断面的甄别和地层年代样品测试等工作，不仅准确厘定了铺前−清澜断裂北段的空间几何位置(图1)，而且获得了关于铺前−清澜断裂北段的全新世活动证据。探测结果显示，该断裂是一条具有一定宽度、多分支、多期次活动的断裂。根据钻孔揭示的地层特征，断裂第四纪以来的累积垂直位移量最大可达40 多m，全新世累计垂直位移量可达4～5 m，垂直位移速率为0.53～0.63 mm/a。钻孔获取的断裂面显示，该断裂为以走滑为主，兼具逆冲性质，这与琼北断陷盆地内的张性构造应力场和构造地貌表现基本吻合[5](张新东等，2013)。钻探结果显示该断裂段发生过多次古地震事件，可能包含1605 年琼山地震。通过本次研究，结合前人对马袅−铺前的最新研究成果、历史等震线特征，认为1605 年琼山地震的发震构造可能为北西向的马袅−铺前断裂。

6 结论

a.通过物探和钻探，综合厘定了铺前−清澜断裂北段的空间几何位置，获得了铺前−清澜断裂北段的全新世活动证据。探测结果显示，铺前−清澜断裂是一条具有一定宽度、多分支、多期次活动的断裂，断裂具有走滑兼逆冲性质，上断点埋深10 m 左右，自8 346−7 153 a cal BP 以来断裂有过活动，全新世最新累计垂直位移量可达4～5 m，垂直位移速率为0.53～0.63 mm/a。

b.前人研究认为马袅−铺前断裂为1605 年地震的发震构造，从本次工作看，铺前−清澜断裂全新世活动的证据比较充分，推断为1605 年琼山71/2级地震的发震断裂。

c.建议针对铺前−清澜断裂、马袅−铺前断裂的延伸段展更详细的探测工作，开展对比分析和历史震害的调查工作，寻找更多的证据，以厘定1605 年琼山地震的发震构造。

致谢：感谢海口市国土资源局、海口市应急管理局、中煤科工西安研究院(集团)有限公司和中国地震局地球物理勘探中心在物探、钻探施工过程中给予的帮助！