高速公路穿越安丘—莒县活动断裂综合勘察方法研究

王学伟 满 君

(1.中国公路工程咨询集团有限公司,北京 100097; 2.中兵勘察设计研究院有限公司,北京 100053)

引言

活动断裂为在1万年来发生过活动,未来存在继续发生活动可能的断层。对于重要工程,应考虑10万年内(晚更新世)有过活动历史的断层[1]。由于断层两盘潜在的相对运动,发生相对运动时短时间内释放的巨大能量,会对邻近建筑产生破坏性影响。因此,对穿越工程提出较高的抗震设防要求。活动断裂的错动会引起公路路基路面的破裂和桥梁隧道的破坏,活动断裂引发的强烈地震还会导致崩塌、滑坡、地震液化等地质灾害,对公路造成不同程度的破坏。如四川省龙门山大型活动性断裂的逆冲诱发2008年5.12汶川8级大地震,造成大量山体滑坡、岩体崩塌和山谷泥石流等地质灾害,数十座公路桥梁和大量路基遭到损坏[2]。因此,对于活动断裂的勘察研究是公路建设项目的重要基础工作。

郯庐断裂带是中国东部规模最大的深大断裂带[3],在山东省和江苏省北部的段落称之为沂沭断裂带,安丘—莒县断裂位于断裂带东部,分别于公元前70年和公元1668年,发生过安丘7级大地震和郯城8.5级大地震等多次灾难性地震事件,是山东省最著名的活动性断裂[4-6]。

拟建潍坊至青岛公路及连接线工程WQSJ-1标段位于潍坊市区南侧,横跨沂沭断裂带,与安丘—莒县断裂大角度相交。依据GB18306—2015《中国地震动峰值加速度图》,项目区地震动峰值加速度值为0.2g,属于强震区。众多学者对安丘—莒县断裂的分布和活动性进行大量的研究工作。计昊旻等利用高分辨率正射影像和高精度DEM数据进行遥感解译和数据分析,对该断裂的右旋走滑特征进行论证[7];徐建国等利用浅层地震反波法查明沂沭断裂带北端东支断裂的浅部基本构造特征[8];王薇等通过浅层地震反射波法发现安丘—莒县断裂的一般展布特征[9];秦晶晶等利用浅层地震反射波法获得安丘—莒县断裂的基本性质、大体位置和总体空间展布等特征[10];曹筠等通过野外调查和浅层地震反波法及钻孔联合剖面法,查明安全—莒县断裂南段晚第四纪互动特征[11];王志才等利用航空照片、地质图、高分辨率卫片进行遥感解译,通过现场地质调查和填图、布置浅层地震法和电法勘探,确定安丘—莒县断裂的空间展布、分段和几何特征、活动性质与最新活动时代,得到定量位移数据和古地震特征[12]。综上所述,安丘—莒县断裂的构造复杂、分支多、各区段活动性质差异大,单一的勘测方法很难精确查明断裂的详细分布情况、活动性质及影响程度,而地质地貌、地球物理、地球化学和钻探工程等方法有机结合起来是正确解决断层定位和活动性的根本保证[13]。

2 区域地质背景

在大地构造分区上,拟建公路跨华北断块区的胶辽断块和鲁西断块(见图1)。

图1 山东省大地构造分区示意Fig.1 Geotectonic classification in Shandong Province

新生代以来,鲁西断块的差异运动具有继承性,整体抬升则具有间歇性。古近纪时隆起所形成的断陷盆地在新第三纪后上升演化为侵蚀盆地,其上形成第四系松散堆积层。新构造时期以来,胶辽断块持续隆起为主,但活动水平大幅度降低,经过长期的营力剥蚀作用,地表出露大面积的结晶基底[14]。

区域内的主干断裂带—郯庐断裂带是我国东部规模最大的巨型走滑式断裂带,也是华北构造单元分区的界限,穿越山东、江苏、安徽3个省区[15]。在山东省和江苏省北部的段落称之为沂沭断裂带,位于山东省中西部的过渡地带,是鲁西断块与鲁东断块两个构造单元的分界带,由鄌郚—葛沟断裂、沂水—汤头断裂、安丘—莒县断裂、昌邑—大店断裂等近于平行的断裂组成(见图2)。

图2 项目区断裂构造分布Fig.2 Distribution of fault structure in the project area

安丘—莒县断裂北起安丘市,经过白芬子、孟疃、茅埠、青峰岭、莒县一带,在地表出露程度较差。该断裂总体较为平直,走向总体约为北东20°,断面倾向东,断层倾角较陡,近乎直立。安丘—莒县断裂从昌邑文山到莒县胡家孟晏在平面上由北向南按照几何学特征可分成4段[16],本项目路线方案穿越最北段的昌邑—南流段,该段活断层起点在潍坊市昌邑区文山东,向南经过朱里镇辖区、眉村镇辖区及南流镇辖区等地,由4条右阶斜列结构的次级断裂组成,自北而南分布,文山小段长约5 km,朱里小段长约7 km,北眉—双官小段长约10 km,南流小段长约9 km,总段长约31 km,阶区宽2～3 km。沿活动断层在地表的发育特征为断层陡坎,呈西部高、东部低的地势特点,由北向南大体构成西部低缓丘陵区与东部平原区的分界带,西盘常见白垩纪地层,而东盘被第四系覆盖。本项目主要穿越南流小段,推测该断裂段经过南流镇丁家村西北,向南经过曹村西侧后再向南延伸至许营乡刘家洼村等地,根据地形特征分析,该断裂段走向14°,呈北东向延展。该断裂主要隐伏于第四系地层之下,地表未出露可明确最新活动迹象。线路从南流以南的曹村北侧紧邻通过(见图3)。

图3 拟建公路与安丘—莒县断裂位置关系[17]Fig.3 Location relation between the proposed highway and Anqiu-Juxian Fault

3 断层精定位与活动性鉴定

3.1 遥感解译与邻域露头考察

根据现场调查,安丘—莒县断裂大致所经区域为微丘区至平原区的过渡段,地表无岩层出露,该断裂在此段隐伏于地下,地表构造痕迹不明显。根据区域资料显示,该断裂一般分布于丘陵和平原过渡段,曹村以西为微丘地貌与平原地貌过度段,曹村及以东为平原地貌(见图4)。

图4 测区微丘和平原地貌分区示意Fig.4 Landform division of rolling terrain and plain area

距离曹村以北约20 km处的潍莱铁路与拟建公路成平行关系,也与安丘—莒县断裂呈大角度相交,由于两者相距较近,相交形式相似,具有较高的参考价值。对安丘—莒县断裂进行地表露头调绘,发现具有正断特征的露头,露头所在的取土坑位于潍莱铁路南侧苇园村附近(见图5)[18],在潍莱铁路与断裂交汇区域内发育土质残丘,残丘高2～5 m,根据调查,土丘向南断续延伸至曹村以西微丘区,断裂的分布在地形地貌特征上具有一定的延续性,有迹可循。

图5 苇园村西安丘—莒县断裂局部剖面Fig.5 Local section of Anqiu-Juxian Fault in Weiyuan

拟建公路以北约4 km的南流镇,该处第四纪地层上部以黄色粉土为主,下部以褐红色的砂质泥岩为主,两者呈连续或平行接触关系。但在一个剖面中,这两套地层表现为断裂接触(见图6)。

图6 南流镇丁家孟家村西断层剖面Fig.6 Section of the fault in Dingjia Village and Mengjia Village, Nanliu Town

褐红色地层由下部逆冲到黄色地层之上,颜色差异明显,断裂面产状280°∠40°,说明该断裂段晚更新世时期是活动的,而且具有逆冲运动分量。

在拟建公路南侧约4 km发现一处逆断层特征剖面,发育有宽5～10 m的断层泥带或断裂破碎带(见图7)。

图7 许营乡刘家洼村西600 m安丘—莒县断裂剖面Fig.7 Section of Anqiu-Juxian Fault, 600m to the west of Liujiawa Village, Xuying Commune

在拟建公路南侧约2 km处,局部地段古生代灰岩与中生代地层以断裂接触,推测为该断层的古老破裂面。

3.2 地球物理探测

(1)物探方法选择

通过大量实测研究,浅层地震反射波法被证明是最有效的物探方法之一[19],也是活动性断裂勘探的主要物探手段,特别在调查隐伏断裂的工作中。由于拟建公路走廊带内安丘—莒县活动断裂处于隐伏状态,故决定采用浅层地震法。

(2)物探测线布置

本项目共布置浅层地震测线7条,其中5条测线(测线3-测线7)针对安丘—莒县断裂。侧地层反射特征存在明显的转折现象,推测为断裂反映。在该测线上解释了1个断点FP3。FP3为逆断层,视倾向西,可分辨的上断点位于测线324 m处,埋深约20 m,垂直断距为3～5 m。

(3)勘测成果综合分析

①测线3成果分析

测线3剖面(见图8)在CDP324附近,测线3-测线7解释剖面的反射能量均较强,其中测线3的反射相位相对单一,其他测线剖面反射相位相对丰富,整个剖面地层特性明显。

图8 测线3地震反射波时间剖面及地质解释Fig.8 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 3

②测线4成果分析

测线4剖面(见图9)在CDP288、CDP848、CDP2104 附近,两侧地层反射特征存在明显的紊乱错断现象,推测为断裂反映。在该测线上解释3个断点FP4、FP5、FP6。其中,FP4为正断层,视倾向东,可分辨的上断点位于测线288 m处,埋深约12 m,垂直断距为4～6 m;FP5为正断层,视倾向东,可分辨的上断点位于测线848 m处,埋深约14 m,垂直断距为4～6 m;FP6为正断层,视倾向西,可分辨的上断点位于测线2 104 m处,埋深约14 m,垂直断距为6～8 m。

图9 测线4地震反射波时间剖面及地质解释Fig.9 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 4

③测线5成果分析

测线5剖面(见图10)在CDP384、CDP520、CDP792附近,两侧地层反射特征存在明显的紊乱错断现象,推测为断裂反映。在该测线上解释3个断点FP7、FP8、FP9。FP7为正断层,视倾向东,可分辨的上断点位于测线384 m处,埋深约10 m,垂直断距为5～6 m;FP8为正断层,视倾向东,可分辨的上断点位于测线520 m处,埋深约10 m,垂直断距为5～6 m;FP9为正断层,视倾向东,可分辨的上断点位于测线792 m处,埋深约21 m,垂直断距为8～10 m。

图10 测线5地震反射波时间剖面及地质解释Fig.10 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 5

④测线6成果分析

测线6剖面在CDP920附近(见图11),两侧地层反射特征存在明显的紊乱错断现象,推测为断裂反映。在该测线上解释1个断点FP10。FP10为正断层,视倾向西,可分辨的上断点位于测线920 m处,埋深约20 m,垂直断距为8～10 m。

图11 测线6地震反射波时间剖面及地质解释Fig.11 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 6

⑤测线7成果分析

测线7剖面未发现波形畸变、同相轴扭曲及错断等现象(见图12),认为在该测线控制范围内无断层通过。

图12 测线7地震反射波时间剖面及地质解释Fig.12 Time section of seismic reflection and geological interpretation for survey line 7

综上,测线4、测线5、测线6控制安丘—莒县断裂东支和西支,连接断点位置,东支与新建公路交于K24+900附近,西支与新建公路交于K23+550附近。断裂F1仅在测线3上有反应,而北侧的测线7未探测到断点,推测该断裂规模较小。

3.3 钻探揭示

(1)断裂东支与西支钻探

拟建公路与安丘—莒县断裂相交的区域范围内布置的公路构筑物场地勘探工作量较多,通过钻孔揭露的岩性差异及地层特征可证明物探解译的可靠性。钻探揭露的主要地层岩性为角砾岩、第四系覆盖层、断层角砾岩等,地层突变位置及程度与物探测线4地震反射波时间剖面及地质解释中推测的断层位置及特征相近,断裂主要错断了白垩系地层及上覆部分第四系地层。其中西支错断特征相对明显,东支错断特征不明显,地层呈微向下弯曲状(见图13),主要表现为水平活动,一定程度上验证了浅层地震法解译的准确性。从浅层地震和该断裂的地质调查情况分析,西支断裂破碎带宽度为15～20 m,东支断裂破碎带宽度为10～20 m。

图13 安丘—莒县断裂东支和西支断裂钻孔地质剖面Fig.13 Geological section of boring for eastern and western branch faults of Anqiu-Juxian Fault

(2)断层F1、F2

①断层F1、F2位置

工程地质勘察钻探过程中,在汶河河道及东岸(安丘—莒县断裂东支以东)发现存在断层活动迹象,表现为构造泥岩发育,定名为F1,位于汶河东岸。在东环立交桥附近钻探揭露构造泥岩带,位于安丘—莒县断裂西支以西,定名为F2。

②钻孔布置

为查明F1、F2断裂的性质及活动性,进行针对性的钻孔布置。其中对F1断裂两侧布置4个钻孔,编号为WH1、WH2、WH3和WH4。在F2断裂两侧布置了4个钻孔,编号为DL1、DL2、DL3、DL4,位置示意见图14。

图14 断裂、物探测线、钻孔与新建公路位置关系示意Fig.14 Location relation between fault, survey line of geophysical dating, boring and the new highway

③钻孔成果

根据钻探成果,分别绘制F1断裂钻孔地质剖面(见图15)和F2断裂钻孔地质剖面(见图16)。由图15可知,该剖面第四系地层结构简单,层厚无明显变化,基岩面起伏不大。

图15 断裂F1钻孔地质剖面Fig.15 Geological section of boring for fault F1

图16 断裂F2钻孔地质剖面Fig.16 Geological section of boring for fault F2

第⑦层泥岩在WH1孔显著增厚,底面较另外3孔低约5 m,第⑧层构造泥岩也存在明显的竖向错动现象,据此判断F1断裂发育在WH1孔与WH2孔之间,且发生于第四纪之前。综上分析,判断F1断裂位于WH1孔与WH2孔之间,为前第四纪断裂。

由图16可知,该剖面第四系地层结构简单,除受地形影响外,地层厚度变化较小,基岩面起伏不大。在DL1和DL2号钻孔中见蓝灰色构造泥岩,DL3和DL4号钻孔中缺失。据此判断F2断裂上断点位于DL2和DL3号钻孔之间,为前第四纪断裂,依据其角度判断,推测为逆冲断裂。

考虑F1、F2两条断裂均未对第四系地层的厚度和结构产生影响,且普遍以受断层影响的构造泥岩为特征,这显然与安丘—莒县断裂不同。据此判断,F1、F2两条断层为活动时间更早的前第四纪断裂。另外,F2断裂在钻孔地质剖面上显示了西倾缓倾角的逆断性质,而与浅震测线FP4、FP7点推断的东倾陡倾角正断层不同。分析原因在于浅震方法由于能量较小,更利于探测浅部的第四系地层和活动断裂,而对隐伏较深的基岩和前第四纪断裂难以清晰分辨,同时由于FP4、FP7点物探仅识别了单一的同相轴,难以依据地层确定断层倾向、倾角和性质。据此认为图16揭示的断层特征更为可信。

3.4 C14及光释光试验测年

根据相关研究[18],潍莱铁路勘察期间,在距离曹村以北约20 km处的潍莱铁路与安丘—莒县断裂相交处钻采取测年C14样品及光释光样品,分别由美国Beta实验室及中国地震局地壳应力研究所光释光实验室进行测试。表明地层时代为晚更新世-全新世。由于两者相距较近,相交形式相似,其试验结果具有较高的参考价值。

3.5 综合分析断裂位置、活动性及影响

根据以上分析内容,安丘—莒县断裂活动性为第四系晚更新世晚期及全新世,活动性较强,对拟建公路影响较大。其两侧的F1和F2断层为前第四纪断裂,活动性较弱,对拟建公路影响较小。

探测结果显示,安丘—莒县断裂与新建公路相交段为晚更新世及全新世活动,断裂西支与新建公路相交于K23+550处,断裂东支与新建公路交点为K24+900处,活动性较强,对拟建公路影响较大。根据规范要求[20],无法避开时应采用路基形式以最短距离通过。附近发现的F1、F2断裂为前第四系断裂,对拟建公路影响较小。

4 结语

本次研究采用综合勘察方法,充分利用既有研究资料有利于初步确定该断裂的大体分布情况以及活动性特征。在研究既有成果的基础上,对于初步确定的断裂分布区域进行地形地貌、地质露头的区域地质调绘工作十分必要,可进一步缩小研究范围,通过物探勘测反映的地质体物性异常,结合钻探的验证工作,可查明断裂构造的分布特征,为今后跨活动断层带工程的建设提供有益借鉴。