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深井盆地南缘断裂特征与活动性研究
深井盆地南缘断裂特征与活动性研究
周月玲 郭秋娜 孟立朋 范强 边庆凯
(河北省地震局,石家庄050022)
 [收稿日期]: 2016-08-21
摘要

深井盆地是山西断陷盆地带北段内部一个规模很小的次级盆地,为中更新世以来发育的三角型山间小型盆地。盆地附近断裂发育,构造复杂,深井盆地南缘断裂为主控边界断裂,控制着盆地的发展演化。本文通过对地形地貌、断裂剖面、地层测年及地震活动等方面的分析和研究,获得了断裂活动时代和活动速率等参数,综合阐述了断裂的空间展布及活动特征。研究表明:深井盆地南缘断裂晚第四纪期间仍在活动,最新活动时代为晚更新世晚期;断裂具有分段性,西段长约6km,多处可见断裂错断晚更新世地层剖面,属正断倾滑性质;东段表现为盆地与黄土斜坡直接接触,由西向东断裂地貌表现逐渐减弱,未见明显的断裂剖面,止于NW向构造,附近发生的4次4?级地震与该段断裂关系密切。


引言

研究区位于山西断陷带与张家口-渤海构造带交汇区,盆岭构造复杂,受NNE向山西断陷带与NWW向张家口-渤海构造带复合作用(周月玲等,2010),历史上发生过多次破坏性地震,属新构造运动活跃地区。该区的大地构造属于华北地台,古近纪时期,该区处于剥蚀环境,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与断隆山地。深井盆地便是中更新世以来在隆起断块内发育的一个山间小型盆地,盆地周边环山,内部平缓,海拔约1120m,南缘断裂控制着盆地的发育与演化。

深井盆地的边界断裂主要为盆地东南缘断裂,前人称之为深井盆地南缘断裂。该断裂处于阳原盆地北缘断裂东延和六棱山北麓断裂东北延交而不汇的部位,总体走向NE,倾向NW,断裂沿线及附近地区发生过4次4¾级地震。方仲景等(1993)、冉勇康等(2012)对该断裂进行过一定程度的调查研究。方仲景等(1993)利用韩家坡南该断裂晚更新世活动的地质剖面,给出了断裂的垂直滑动速率。冉康等(2012)对深井盆地南缘断裂进行条带状地质填图,在韩家坡南、南屯窑村南两个调查点获得该断裂的第四纪断层剖面,根据区域性对比,对韩家坡南断裂剖面重新进行了断裂平均滑动速率分析,给出了更加可靠的滑动速率数据。迄今为止,对于该断裂的研究仅限于上述2至3个典型剖面。

该断裂的构造位置特殊,第四纪活动性较强,加之断裂沿线时有中、小地震发生,有必要对断裂活动特征及与附近地震的关系进行深入研究。本文以前人工作为基础,依托于河北省星火计划面上课题,对该断裂开展详细的调查研究,在地形地貌、断裂剖面、地层测年及地震活动等方面进行分析,以总结该断裂的几何分布及活动特征。

1 构造背景与断裂特征
1.1 构造背景

研究区在新构造上属晋冀蒙盆岭构造区,是山西裂陷带深部右旋剪切运动在其北端形成的张性盆岭构造区。第四纪中晚期,在区域地壳应力场的张性作用下,在熊耳山隆起地块内形成了一个次级的小型盆地——深井盆地(图1)。盆地周围构造持续上升,形成中山地貌,长期遭受侵蚀作用,海拔在1200m以上,一般高出盆地面300—500m,地貌形态千差万别,山高谷深,山势陡峻、巍峨(河北省科学院地理研究所,1992)。盆地北侧和南侧的岩石以碳酸盐为主,东侧以火成岩为主,西侧以变质岩为主。盆地外围的宣化盆地南侧与桑干河河谷两侧为构造持续上升且长期遭受剥蚀-侵蚀作用而形成的低山地貌,海拔700—1000m,相对高度200—500m,坡度20°—25°,多单面山、桌状山。


内框为研究区,实心圆为地震。F1:深井盆地南缘断裂;F2:阳原盆地北缘断裂;F3:洗马林-水泉断裂;F4:宣化盆地南缘断裂;F5:洋河断裂;F6:怀安盆地北缘断裂;F7:张家口断裂;F8:右所堡-松枝口断裂;F9:怀安镇盆地南缘断裂;F10:怀涿盆地北缘断裂;F11:六棱山北麓断裂;F12:蔚广盆地南缘断裂;F13:延庆-矾山盆地北缘断裂;F14:孙庄子-乌龙沟断裂;F15:紫荆关断裂
图 1 研究区构造简图 Fig. 1Mapshowing tectonic background of the study area

深井盆地内部为现代河谷、第四纪中晚期冲积平原。早更新世期间,受区域新构造运动影响,断裂活化,至中更新世初发生断陷,山地缓慢上升,盆地缓慢下降,接受了第四纪中晚期的湖积、洪积、冲洪积和冲积堆积物,后又经侵蚀切割作用而形成了三角型山间盆地。盆地东南缘明显受断裂控制,地表发生坡洪积(锥裙)倾斜,坡度一般5°—10°,侵蚀切割强烈,冲沟发育,切割深达30m以上,呈“U”形谷,呈现出台地地貌景观,台高100余米。盆地与断块台地或黄土台地之间为断层接触,该断层称为深井盆地南缘断裂,控制着盆地及其两侧地貌的形成和发育。

1.2 断裂展布与活动特征概述

深井盆地南缘断裂总体走向NE,倾向NW,考虑到地貌上黄土斜坡的延伸、断裂对盆地的控制作用、卫星影像解译以及前人认识,断裂西延至韩家坡以西的盆地端部、向东止于马铺村东NW向的洗马林-水泉断裂,长约13km(图2)。断裂主体活动部位在韩家坡-南屯窑段,在韩家坡以西,卫星影像线性地貌显示逐渐减弱,野外考察见老构造活动迹象,未发现第四纪以来断裂活动的证据;南屯窑以东至将台梁一带发育黄土斜坡,未观察到明显的线性地貌陡坎和断错第四系剖面;断裂继续向东延伸,影像显示基岩山内有白色石灰样物质,呈NE向条带状分布。根据断裂的活动情况和地貌表现,将断裂分为两段:断裂西段(韩家坡西-南屯东)与阳原盆地北缘断裂被基岩山相隔,构成地垒;断裂东段(南屯东-将台梁东)向东延伸,与洗马林-水泉断裂几乎垂直相交。

图 2 深井盆地南缘断裂地质图 Fig. 2Geological map around the southern margin fault of Shenjing basin
2 断层活动证据

从韩家坡向北东,在韩家坡、南屯和南屯窑等地发现了断裂错断第四纪地层、断裂活动形成陡坎和断层沟谷等断层活动现象。

2.1 韩家坡南断裂剖面

在韩家坡南约200m的大沟东侧(114°49′18.78°E,40°20′25.23″),笔者见到错动黄土的断层剖面,其特征与前人发现的剖面基本一致,应属同一地点。剖面上,断面清晰,并呈现一定宽度,向上逐渐尖灭在马兰黄土之中,断层走向NE75°,倾向NW,倾角56°。断层带宽5—10cm,由黄土、中粗沙、细砾石等物质构成,沿断裂带定向排列,偶见混有植物根系的透镜体和断裂两盘错动摩擦产生的白色物质。断裂上盘地层比较简单,从上到下由全新世黄土、晚更新世含沙黄土、古土壤和沙砾层组成;下盘由含沙黄土、古土壤和多个沙砾层组成(图3)。由年龄样品时代可以确定,该处断裂为晚更新世活动断层,方仲景等(1993)和冉勇康等(2012)也认为该剖面的断裂活动时代为晚更新世晚期。


图 3 韩家坡南断裂剖面 Fig. 3Fault profile in the south of Hanjiapo

在韩家坡东另一条大沟中发现了断裂通过的痕迹。大沟西侧(114°50′8.10″E,40°20′43.28″N)可见断裂通过位置有明显的地貌变化。断裂南侧黄土层内厚约2m的砂砾石层连续发育,断裂北侧砂砾石层突然消失,推测被厚层含砂砾石的黄土覆盖(图4)。断裂通过位置形成小型北东向冲沟,在冲沟内见砂砾石层内部发生错断,砂砾石层厚度没有明显变化。该砂砾石层由大小混杂的砂砾石组成,夹有水平层理的细沙层,整体极松散,砾石呈棱角状,受断裂活动影响,水平发育的细砂层被拖拽错动,断距约30cm。在大沟东侧(114°50′12.45″E,40°20′45.02″N)亦发现在断裂通过处形成的断层沟谷,沟谷南侧含厚30—40cm的红色砂砾石层,沟谷北侧红色砂砾石层消失,被含砂砾石黄土取代。

根据沟谷两侧断裂位置可以确定该断裂走向NE60°,根据地层特征判断断裂晚更新世仍有活动。

图 4 韩家坡东断裂剖面 Fig. 4Fault profile in the east of Hanjiapo
2.2 南屯村南断裂剖面

南屯村南黄土台地发育,在新构造运动作用下形成深切冲沟,多条冲沟在断裂通过位置均发生右旋现象,断裂南侧基岩出露,断裂北侧为巨厚黄土堆积。在南屯村南一条大沟内,发现了断裂错断第四纪地层(114°50′58.12″E,40°21′7.61″N;图5),断裂上断点有可能延入到近地表的全新统底部或其下部的晚更新世晚期地层内。断层上盘为晚更新世风积黄土,质地较纯,节理裂隙发育,偶含砂砾石;断层下盘风积黄土与红色砂砾岩不整合接触,砂砾石胶结,大小混杂,呈棱角状,近断层处砂砾岩破碎,沿断层带发育平行断裂的节理裂隙,断层破碎带宽约1.2m,断层走向NE35°—45°,倾向NW,倾角75°,地表陡坎高2m以上。

图 5 南屯村南断裂剖面 Fig. 5Fault profile in the south of Nantun village

在南屯村南另一沟口西侧发现断裂错断地层剖面(114°5110.92″E,40°21′19.82″N;图6),上盘为第四纪中晚期黄土,推测为中更新世黄土,质地较硬,节理发育;下盘为前第四纪胶结沙砾岩。该处断层走向NE,倾向NW,倾角约45°,断层破碎带较宽(20—30cm),带内可见断裂活动产生的白色物质。在大沟以东发育断裂陡坎,高3—4m,错断冲沟的多级阶地,说明断裂在此发生过多期垂直正断活动。

图 6 南屯村南大沟断裂剖面及陡坎地貌(镜向北东) Fig. 6Fault profile and fault scarp in the south of Nantun village (view to NE)
2.3 南屯窑断裂剖面

在南屯窑村西北处(114°5146.67″E,40°21′30.30″N;图7),断层断错了第三纪红色砾岩与中更新世黄褐色含砾砂土。断层破碎带宽约60cm,带内砾石定向强烈,砂砾岩破碎,断层走向70°,倾向NW,倾角79°,砂砾岩内疑似见断层磨光面。剖面上部红色砾岩与马兰黄土呈正常风积堆积接触,未观察到明显的断面。地貌上,亦形成一定规模的斜坡,卫星影像显示有微弱的陡坎变化。其特征与前人发现的断层走向NE80°,倾角45°的断裂剖面走向类似,倾角稍有偏差。

图 7 南屯窑村北断裂剖面及位置图 Fig. 7Fault profile and location in the north of Nantunyao village
3 断层活动性分析及相关问题讨论
3.1 样品年代分析及断裂活动性

韩家坡-南屯段断裂地质剖面与断层陡坎发育,陡坎高1.5—5m不等,其中韩家坡断裂剖面发育古土壤标志层。为更好地确定断层活动时代及活动速率,笔者在韩家坡剖面上取了2个土样(土样1、土样2)进行光释光年代测试(由山东省地震工程研究院测试;土样2(OSL:3.6±0.9ka)判断为废样),结合前人年代测试结果对剖面地层时代进行分析。土样1位于断层剖面上部,距离地表约1.6m,光释光测试结果为6.1±0.6ka;土样3参考方仲景等(1993)的科研成果,距离断层较近,距地表约3m,热释光测试结果为26.5±0.021ka。土样1测试结果说明断裂剖面表层有薄层全新世风积物,土样3的测年结果说明其所在地层为晚更新世地层。韩家坡地质剖面(图3)上晚更新世地层之中发育一层古土壤,呈灰棕色,厚约20cm,错距约5m,通过区域性对比,再根据陈立春(2011)的研究结果可知,紧邻马兰黄土的古土壤上限年代为74ka左右。深井盆地南缘断裂条带状地质填图报告中,在74—26.5ka内,古土壤断错距5m,估算得到断裂的平均垂直滑动速率约为0.1mm/a。

3.2 断裂东段与地震的关系

深井盆地南缘断裂东段向东延入基岩山内,止于NW向构造,该段断裂地貌表现不如西段清楚,未观察到明显的线性陡坎地貌与断层剖面,反映断层在晚第四纪坡洪积扇堆积以来无明显地表变形迹象。基岩山内断裂构造复杂,NE、NW向断裂均有发育,构成中生界与上元古界的边界,NW向断裂与洗马林-水泉断裂间断连接。历史上在构造交汇区附近发生过4次4¾级地震(表1,图2)。

表1 断裂附近历史地震 Table 1 Historical earthquakes near the fault

1449年2月、1483年4月、1520年10月发生的3次4¾级地震均位于阳城子东约3km的构造交汇区;1505年3月发生的4¾级地震发生在马圈东。据历史地震目录记载,上述历史地震定位精度为3,有感城市包括宣化、万全(旧)、新保安、怀安城、怀来卫(旧怀来,在今怀来东南)、龙关、阳原、蔚县及涿鹿等地。笔者发现有感范围的NE向长度大于NW向,通常地震等震线、有感范围长轴方向为构造的延伸方向,因此这种现象可能与区域NE向构造有关。地震附近亦有NW向断裂,虽然归属于洗马林-水泉断裂,但与其已经间断,活动性也远低于洗马林-水泉断裂,野外调查亦未见其活动证据,均为基岩内老构造。从地震有感范围及两组断裂的活动情况看,地震的发生与NE走向深井盆地南缘断裂的构造活动关系更为密切。

3.3 与阳原盆地北缘断裂的构造关系

阳原盆地北缘断裂与深井盆地的位置关系如图1所示,该断裂东段(黑岩村-歪头山北麓段)与深井盆地南缘断裂构成地垒构造(徐锡伟等,2002)。

野外调查发现,两条断裂之间为雾迷山组白云岩构成的基岩山体(地垒),地垒南侧为基岩破碎带,直接与中更新世和晚更新世地层呈正断层接触,断层下降盘上大型冲沟发育。本次研究,在韩家坡南175乡道西侧(114°49′28.58″E,40°19′59.52″N)发现了宽约500—600m的白云质灰岩(Pt2)断裂破碎带,厚层白云质灰岩内发育多条断裂,近断裂破裂带裂隙发育,白云质灰岩与Q2-3地层呈正断层接触(图8左),上覆薄层全新世坡积物,断层走向近EW,倾向S,倾角45°;乡道东侧见基岩山镜面构造(图8右)及第四系内断裂,从沟口阶地(Q4)未变位看,这是一条晚更新世末期的活动断层。与地垒北侧的深井盆地南缘断裂相比(韩家坡断裂剖面),该断裂活动强度、规模都更胜一筹,其活动影响着地垒北侧的深井盆地南缘断裂,尤其是深井盆地南缘断裂西段。

图 8 阳原盆地北缘断裂韩家坡南断裂剖面 Fig. 8Profile of the northern margin fault of Yangyuan basin in the south of Hanjiapo
4 结语

笔者对深井盆地南缘断裂研究过程中得到的认识及存在的问题归纳如下:

(1)深井盆地南缘断裂分为2段,具有不同的活动特征及地貌表现。韩家坡-南屯窑段,线性陡坎地貌发育,断裂长约6km,走向NE,倾角60°左右,最新活动时代为晚更新世晚期,断裂平均垂直滑动速率为0.10mm/a;南屯窑-将台梁段为隐伏段落,向东延入基岩山内,止于NW向断裂,断裂地貌表现不明显,未见晚第四纪以来的断裂剖面,以多次地震的形式释放能量。

(2)深井盆地南缘断裂夹持于阳原盆地北缘断裂和洗马林-水泉断裂之间,与阳原盆地北缘断裂构成地垒,与洗马林-水泉断裂近直角相交。研究区内阳原盆地北缘断裂活动强度强于洗马林-水泉断裂,受2条夹持断裂活动的影响可能是深井盆地南缘断裂具有明显分段性的原因。

(3)深井盆地南缘断裂东段未发现断裂活动的地貌表现及断裂剖面,据历史地震目录记载本段附近发生过4¾次历史地震,经核实均与NE向活动构造相关,推测本段为隐伏断裂,更为可靠的证据仍需开展地球物理探测。本次对该段的空间展布及活动性的研究延续前人的认识。

参考文献
1.陈立春,2011.北天山乌鲁木齐转换区构造系晚第四纪活动性北京:中国地震局地质研究所
2.方仲景,郑炳华,段瑞涛,1993.晋冀北地区的活动断裂及其与地震相关性的研究(科研报告)北京:中国地震局地质研究所
3.国家地震局震害防御司,1995.中国历史强震目录北京:地震出版社
4.河北省科学院地理研究所,1992.河北省地貌和地貌图北京:科学出版社
5.冉勇康,陈立春,李彦宝等,2012.宣化盆地南缘断裂与深井盆地南缘断裂条带状地质地貌填图(科研报告)北京:中国地震局地质研究所
6.徐锡伟,吴卫民,张先康等,2002.首都圈地区地壳最新构造变动与地震北京:科学出版社
7.周月玲,尤惠川,2010.张家口断裂第四纪构造变形与活动性研究震灾防御技术,5(2):157—166.


Characteristics of Quaternary Activities of the Southern Margin Fault of the Shenjing Basin, Hebei Province
Zhou Yueling, Guo Qiuna, Meng Lipeng, Fan Qiang and Bian Qingkai
(Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050022, China)
Abstract

The Shenjing basin is a small-scale secondary basin in the Shanxi fault basin system, which is surrounded by bedrock mountain and is separated from other secondary basins. There are many faults around the basin, the south margin fault of Shenjing basin, as the main boundary fault, played the important role in the evolution and development of the basin. In this paper, we analyzed and studied the topography, fracture profile, strata dating and seismic activities of the fault, as well as the spatial distribution and activity characteristics of the fault. Our research shows that the fault on the south margin of Shenjing basin was active during Quaternary. The latest active period of the fault is in the late Pleistocene, which is characterized with segmentation. The west segment is about 6km long with many late Pleistocene stratigraphic sections in normal dip slip nature. The east segment shows basin direct contact with loess slope. From west to east, the tectonic behavior of landform gradual weakening to end at the old NW structure. The occurrence of 4 earthquake with MS4? near the fault is closely related to the NE trending fault structure.



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深井盆地南缘断裂特征与活动性研究
周月玲 郭秋娜 孟立朋 范强 边庆凯
《震灾防御技术》, DOI:10.11899/zzfy20160405