引言

张家口断裂是华北地区著名的张家口-渤海地震构造带西部的一条断裂(河北省地质矿产局,1993;高占武等,2001),是山西断陷带与燕山断块的构造分界之一,控制了张家口-宣化盆地的北部边界,所在盆地构造复杂,受到北西西向张家口-渤海构造带和北北东向山西断陷带的复合作用。断裂北侧中生代地层抬升,形成低山丘陵;南侧下降接受第四纪堆积,多构成山间盆地。断裂总体上呈北西西走向展布,长达70km,由北西向和近东西向2组多条次级高角度正(或逆)走滑断层组成,控制着本区的新构造活动。然而,对于这样一条构造位置很重要的断裂,不管是基础地质还是活动构造的调查与研究都很薄弱,至今没有明确标示该断裂构造几何的较大比例尺的基础性图件,对其第四纪构造变形和活动性的研究也不够深入,多是在地震安全性评价中对其进行基本调查和初步分析,一般仅停留在个别地点、个别剖面的考察与研究(杨文远等,1988;朱德瑜等,2000),很多细节不清楚。

本文根据作者等人在城市活断层探测与地震危险性评价中比较细致的地质地貌调查时获得的详实资料,对断裂的第四纪构造变形和活动性进行深入的分析与研究。

1 区域地质构造特征
1.1 地层发育与构造演化

张家口断裂所在区域大地构造上属于华北地台,其结晶基底为太古代-早元古代变质岩系,之上堆积有中、晚元古代-古生代沉积盖层,以碳酸盐岩和碎屑岩为主。中生代期间主要为断块差异运动,之后,构造演化进入喜马拉雅构造发展阶段。白垩纪末至古近纪初,本区构造活动相对平稳,广大地区处于剥蚀环境。新生代期间,本区以裂陷构造和断块隆起为主要特征,形成了晋冀北盆岭构造和张北坝上隆起。第四纪期间,形成张家口-宣化等山间盆地,第四系厚度可达240m以上。

1.2 地貌与新构造特征

张家口断裂附近区域在新构造上属于张家口-宣化盆岭构造区。断裂以北是火焰山-猴儿山强烈隆起,以南主要为万全-宣化断凹盆地和尖山中强隆起。火焰山-猴儿山强烈隆起位于北西西向的张家口断裂以北、近东西向的赤城-尚义断裂以南。地块峰顶面海拔高度大多在1400m以上,最高峰大于2000m,总体地势北东高、南西低。自震旦纪以后,该区表现为持续面状隆起,中、新生代以间歇性抬升为主,新生代地层在山间洼地零星分布。区内北台期夷平面海拔在1500m左右,唐县期夷平面海拔约1300m,河谷发育2—3级阶地。

张家口-宣化断凹盆地分布在张家口断裂以南,盆地平均海拔700m左右,是一个第三纪末到第四纪早期的强烈断陷,第四纪中、晚期以来断凹继续,但下降速度大大减弱。据钻孔资料,中更新统为一套红粘土和粘砂,厚40余米,主要分布在盆地南部山前地带的冲沟底部;上更新统为一套黄棕色粘土,夹砂砾石,顶部常含1m左右的黑垆土,该套地层广泛分布于盆地之中,并构成冲洪积扇和冲洪积台地。张家口-宣化盆地地下8.18m为全新统,8.18—86.50m为上更新统,86.50—185.98m为中更新统,185.98—240.00m为下更新统,第四系厚度达240m(陈望和等,1987)。

尖山中强隆起被张家口-宣化断凹盆地包围,峰顶海拔高度在1200m以上,最高达1286m,为上新世发育的唐县期夷平面。

新构造运动以来,区内不同地块之间表现出很大的构造差异运动。古近纪时期,本区处于剥蚀环境,形成准平原化地形。新近纪期间,断裂活动使早期准平原分化、瓦解,形成一系列断陷盆地,它们与周围的隆起断块(山地)一起形成盆岭构造。另外,古近纪和新近纪发育的两级夷平面还说明这种垂直升降运动具有间歇性抬升特点,使得地块遭受河流切割,形成现代河谷和多级冲积、洪积阶地。张家口断裂附近区域主要发育北西西向、北东向和北西向3组断裂构造,前2组断裂第四纪活动性较强。

1.3 断裂展布与几何结构特征

张家口断裂西起万全镇北的水关台西,向西可能继续延至北新屯西,止于北东向洗马林北断裂;往东南沿万全-张家口公路北侧延伸,经五墩台、永丰堡、人头山、青边口,延至大白阳东南,总体走向310°,倾向南或北,倾角60°甚至更大,全长70km,为正(或逆)走滑性质(图1)。
断裂由西、中、东3段组成:西段( )较短,长约10km,位于两条北东向断裂之间,沿河谷展布,隐伏于地下,构成低丘与高台的构造分界;中部主体段落( )起自万全镇西北,向东偏南延至西望山北东,长达39km,由北西西向和近东西向2组多条长短不等的次级断层斜列组成,为山盆之间的构造边界;东段( )由北西西向和北西向2条断层组成,长21km,构造形迹不很清楚,止于其东的北东向断裂。整条断裂地质上表现为北侧中生代或太古代地层与南侧第四系的正(或逆)走滑断层接触,地貌上构成低山与山间盆地或丘陵的分界。

F1:张家口断裂;F2:万全断裂;F3:洗马林断裂;F4:洗马林北断裂;F5:赵川断裂系

图 1 张家口断裂附近地质构造图 Fig. 1Geological map along the Zhangjiakou fault in Hebei Province
2 断裂第四纪构造变形特征
2.1 总体变形特征

张家口断裂是一条基本出露于地表的裸露断层,地质地貌调查在多个地方发现了清楚的断层剖面,规模较大,可见晚更新世以来的活动迹象,新地层错断现象十分清楚,为高角度正(或逆)走滑断层。总体而言,张家口断裂由北西西向和近东西向两组、多段断层组成。前者为断裂主体,单条长度较大;后者构成重要的连接段,具有更明显的倾滑活动,微地貌有清楚显示。大多数段落表现为中生代火山-碎屑岩或太古代变质岩与第四系的截然相接,并发育断层破碎带,宽1—10m,地貌上构成巨大的断层崖。

2.2 主体段落西部亚段的变形特征

在清水河以西,张家口断裂的地质地貌表现极为清楚,侏罗纪低山与晚第四纪山前台地和构造洼地截然相接,形成较大规模和连续的断层陡崖。在万全镇西北山坡前沿开挖的剖面上,可见侏罗纪灰白色、黄色含砾砂岩与晚更新世灰色含小碎石黄土状土呈断层接触,断层产状85°/S∠70°,为南倾正断层(图2)。断面上发育磨光面、擦痕等滑动构造,并有异盘物质卷入,产生片理化现象,顶部被人工填土覆盖,可见断距达5m以上。取上盘黄土状土样品,经北京大学地表过程分析与模拟教育部重点实验室测定(下同),其光释光年龄为(56.8±3.9)ka B.P.。这些现象表明,该处断裂走向近东西,为张性正断性质,在晚更新世期间仍在活动,其平均垂直活动速率达0.09mm/a。

①侏罗纪灰白色、黄色含砾砂岩;②晚更新世灰色含小碎石次生黄土;△采样点

图 2 万全镇西北张家口断裂地质剖面 Fig. 2Geological section of the Zhangjiakou fault northwest of Wanquan town

在清水河以西的张家口市区西北山前,断裂表现为侏罗纪山体与第四纪平地的截然相接,山地前缘发育一系列大型的左阶斜列构造透镜体(照1)。在山前人工开挖剖面上,揭露出一条产状为75°/N∠45°的逆断层,使北盘的侏罗纪砂岩逆冲于南盘的晚更新世黄土之上(图3)。侏罗系发生劈理化,内部发育一条低角度逆掩断层,主断裂面附近两盘地层相互混合,下盘黄土强烈片理化。需要指出的是,断层的逆冲性质和构造透镜体的斜列形式指示该段断裂同时具有左旋走滑活动属性。此外,断层剖面显示两盘黄土落差大于15m,根据黄土的性状及与邻区资料对比,以50ka B.P. 估计其年龄,则该处断裂的平均垂直滑动速率大于0.30mm/a。

照片 1 清水河西张家口断裂(镜向西南) Photo 1Feature of the Zhangjiakou fault west of Qingshuihe stream, view to southwest

①侏罗纪桔红色砂岩;②侏罗纪紫色砂泥岩;③晚更新世偶含小碎石黄土,夹砂砾石石层
图 3 清水河西张家口断裂地质剖面 Fig. 3Geological section of the Zhangjiakou fault west of Qingshuihe stream

在西太平山隧道口西侧,大型开挖剖面揭示出复杂和完整的张家口断裂结构(图4):北侧是较早活动的逆断层,发育于侏罗纪地层内部,被晚第四纪堆积物覆盖;南侧为近垂直断层,走向310°,北盘上升,南盘下降,构成张家口断裂的地貌变异带;中间还有一条北西走向的高角度断层,明显错断了晚更新世-全新世松散堆积物,断面上发育10cm厚的白色断层泥,并有片理化现象(照2)。


①侏罗纪紫红色砂岩;②晚更新世-全新世次生黄土;③晚更新世-全新世黄色松散碎石土;④全新世坡积物
图 4 西太平山南缘张家口断裂地质剖面 Fig. 4Geological section of the Zhangjiakou fault south along Mt. Xi Taiping
照片 2 西太平山南缘张家口断裂伴生断层(镜向东) Photo 2Local feature of the Zhangjiakou fault south along Mt. Xi Taiping, view to east
2.3 主体段落东部亚段的变形特征

在清水河以东,张家口断裂主体段落的构造表现与其西部分略有差异,断层南侧形成侏罗纪低山丘陵和地势较高的晚第四纪台地,沿线还有垭口等多种断层地貌发育。在张家口市区东北角黑山堰山前,张家口断裂中段低山与山前冲洪积扇的陡变接触带开挖的地质剖面发现,北侧为侏罗纪杂色火山岩、南侧是晚第四纪灰色松散堆积物,两者呈现非常清楚的断层接触(尤惠川等,2008)。基岩中还有一个平行的断面,接近顶部也是与第四系接触,它与主断面之间的岩石破碎,宽1m,破碎带顶部的第四系为杂乱的灰褐色砂砾土。主断面走向近东西,倾向南,倾角68º,为正断层,滑动迹象清楚,可见砾石定向排列,向下至地基以下1.5m仍为岩石与砂土接触,向上基本上“通天”,仅被厚30—40cm的褐色、灰黑色现代坡积物覆盖。上盘的第四系为比较杂乱的松散含砾砂土,总体下粗上细,近断层处上部至少存在3个小的韵律,向远离断层方向尖灭,极似“崩积楔”构造,应是断层多次活动的产物。根据地层的岩性特征和出露的微地貌位置分析,灰色含砾砂土为晚更新世-全新世堆积,厚约2m,底部光释光年龄为(30.5±2.6)ka B.P.,表明该处断层晚更新世晚期以来的平均垂直滑动速率至少为0.07mm/a。

在口里东窑子以东,山前开挖揭露出张家口断裂(图5),侏罗纪紫红色和灰白色、灰黄色砂泥岩,向南逆冲于中更新世(?)深褐色含碎石土层之上,断层产状302°/NE∠62°,发育1—5cm厚的红色断层泥和3—8cm厚的褐色断层泥。

①侏罗纪紫红色、灰白色、灰黄色砂泥岩;②中更新世(?)深褐色含碎石土层;
③全新世灰黄色砂砾土;④现代崩塌堆积

图 5 口里东窑子东张家口断裂地质剖面 Fig. 5Geological section of the Zhangjiakou fault east of Kouli-Dongyaozi

向东,在梅家营以北的山前冲沟西壁,发现了清楚的张家口断裂构造剖面(图6、照3):北侧为侏罗纪灰白色、灰黄色泥岩构成的山体;南侧是冲洪积台地,由白垩纪肉红色砾岩基座和其上的晚更新世含砾黄土状堆积组成;两者之间为逆断层,上部倾角变缓,顶部被很薄的现代坡积物覆盖。应该指出,该处断层具有最新活动性,形成3—4m高的冲沟裂点。此外,还发生明显的左旋位移。


①侏罗纪灰白色、灰黄色泥岩;②白垩纪肉红色砾岩;③晚更新世含砾次生黄土
图 6 梅家营北张家口断裂地质剖面 Fig. 6Geological section of the Zhangjiakou fault north of Meijiaying
照片 3 梅家营北张家口断裂(镜向北西) Photo 3Feature of the Zhangjiakou fault north of Meijiaying, view to northwest

继续向东,接近张家口断裂东段的青边口附近,粗略的控制性调查依然发现了冲沟的左旋错动(照4)和地层的断层接触(图7),表明该处断裂在晚更新世期间是活动的,而不是前人认为的张家口断裂向东不活动。当然,东段的地质地貌表现不如其西主体落清楚,许多活动性细节有待于今后进一步调查和研究。

照片 4青边口附近张家口断裂东段冲沟错动(镜向南东) Photo 4Offset of gully across the Zhangjiakou fault near Qingbiankou, view to southeast

①侏罗纪砂泥岩;②侏罗纪灰白色破碎带;③晚更新世-全新世次生黄土,夹砂砾石层
图 7 青边口附近张家口断裂东段地质剖面 Fig. 7Geological section of the Zhangjiakou fault near Qingbiankou
3 断裂第四纪活动性研究
3.1 断层活动性质

综合本文前述资料,不难发现张家口断裂的活动性质比较复杂,有时表现出正断属性,有时具有逆冲性质,某些情况下还发现冲沟的左旋错动。仔细分析可以总结出张家口断裂的一些活动规律:首先,绝大多数剖面的断层倾角都比较大,许多甚至是直立的,加上保存的典型冲沟错动现象,说明张家口断裂应以左旋走滑活动为主,没有发现更多的水平活动现象是断裂还具有较大的倾向活动分量的缘故;其次,断裂具有独特的几何结构,由2组多段断层组成,北西-北西西向断层构成断裂主体,大多具有北倾逆断性质,近东西向断层为前者的连接构造,长度较小,几乎都是南倾正断性质。因此,张家口断裂是一条高角度北倾逆冲、或南倾正断的左旋走滑断层。

3.2 断层最新活动时代

前人资料认为张家口断裂研究精度较差,主体段落为晚更新世断层,最新活动年代为距今17.1—21.9ka,东段的最新活动时代为中更新世(朱德瑜等,2000;冉勇康等,2001;高占武等,2001)。我们先前的调查研究表明,张家口断裂的最新活动时代为晚更新世中晚期至全新世(尤惠川等,2008)。我们在城市活断层探测中更详细地分析研究后,对于中部主体段落,已有(12.8±0.9)—(56.8±3.9)ka B.P.的测年数据加上地层对比支持这一结论;而断裂东段,本文虽没有直接资料证实但仍不排除它的最新活动发生在晚更新世期间。因此,我们认为,除西端延伸部分外张家口断裂为晚更新世活动断层,主体段落的最新活动时代可能持续到全新世。

3.3 断层垂直活动速率

前人还没有明确给出张家口断裂的活动速率,本文前述资料给出了断裂主体段落零星的垂直活动速率,即晚更新世中晚期以来单条断层的平均垂直活动速率大于0.07—0.30mm/a。鉴于张家口断裂可能有多个滑动面,上述数据作为张家口断裂垂直活动速率估计是偏于保守的,更接近实际的估计有赖于今后进一步的调查和研究。这里,我们还要讨论的是,从宏观的角度去估计张家口断裂的垂直活动速率。

清水河沿岸跨越张家口断裂,利用河流阶地和钻孔资料是研究该断裂总的垂直活动速率的有效方法。图8是清水河阶地示意性横剖面,共发育4级阶地,宽阔而连续的Ⅳ级阶地拔河高度约100m,其主体堆积为中更新世砾石层和红色土(照5),上覆晚更新世风城黄土。观察研究表明,黄土是后期加积的。因此,该级阶地形成于中更新世,中更新世末期开始抬升不再接受河流堆积,大致可以此数据来估计张家口断裂北盘晚更新世以来总的抬升幅度。而断裂南盘早已下降并接受后期堆积,我们未经发表的断裂附近的钻孔资料表明,下降盘晚更新世以来的堆积厚度多在60m以上。至此,我们可以估计张家口断裂晚更新世以来总的垂直活动速率为:≥(100+60)m/120ka=1.33mm/a。应该说,这一数据更接近于实际,它明显比单个剖面单条断层的活动速率要大得多。或许,我们对于Ⅳ级阶地抬升年代的估计不够准确,但修正的结果可能不会偏差太大。

 

图 8 清水河阶地剖面 Fig. 8Geological section across Qingshuihe stream
照片 5 清水河阶地堆积(镜向北) Photo 5geological section on the terrene of Qingshuihe stream, view to north

另外,郭良迁等(2003)指出,张家口-蓬莱断裂带西段(张家口断裂为其组成部分)呈左旋走滑,水平滑动速率为1.57mm/a。这一数据也许有助于我们估计张家口断裂的垂直活动速率。

4 结论

(1)张家口断裂可分为西、中、东3段,各段多由北西-北西西向和近东西向2组多条次级断层组成,总体呈北西西走向展布,长达70km,是张家口及附近一条重要的地质地貌构造分界线,控制着第四纪构造演化和地貌发育:北侧抬升为低山丘陵,南侧下降构成盆地平原或山间洼地。

(2)张家口断裂的组成断层均为高角度走滑为主的逆或正断层,其中,北西-北西西向断层构成断裂主体,大多具有北倾逆断性质,近东西向断层为前者的连接构造,长度较小,表现为正断性质。因此,张家口断裂是一条高角度北倾逆冲或南倾正断的左旋走滑断层。

张家口断裂第四纪期间持续活动,除西端延伸部分外为晚更新世活动断层,主体段落的最新活动时代可能持续到全新世。

(3)张家口断裂中部主体段落活动强烈,晚更新世中晚期以来单条断层的平均垂直活动速率大于0.07—0.30mm/a;张家口断裂有多个滑动面,根据清水河阶地和相关钻孔资料估计,总的垂直活动速率达到1.33mm/a。

参考文献
[1]陈望和,倪明云等,1987.河北第四纪地质. 北京:地质出版社, 1—186.[本文引用:1次]
[2]高占武,徐杰,宋长青,孙键宝,2001.张家口-蓬莱断裂带的分段特征. 华北地震科学, 19(1):35—42.[本文引用:2次]
[3]郭良迁,薄万举,杨国华,2003.华北地区断裂带的现代变形特征. 大地测量与地球动力学, 23(2):29—36.[本文引用:1次]
[4]河北省地质矿产局,1993.河北省区域地质志. 北京:地质出版社, 1—496.[本文引用:1次]
[5]冉勇康,陈立春,徐锡伟,2001.北京西部活动构造定量资料与未来强震地点的讨论. 地震学报, 23(5):502—513.[本文引用:1次]
[6]杨文远,王生立,1988.万全-刁鄂、武家沟-万全断裂构造活动性及地震发展趋势. 河北地质学院学报, 11(1):59—66.[本文引用:1次]
[7]尤惠川,邵翠茹,杨歧焱,周江林,周月玲,2008.张家口断裂发现第四纪晚期活动证据. 震灾防御技术, 3(4):474—477.[本文引用:2次]
[8]朱德瑜,王珊玲,许桂林,皇甫清,2000.河北省张家口断裂带的空间展布和第四纪活动特征. 地壳构造与地壳应力文集(13), 74—78.[本文引用:2次]