引言

1605年琼山7½级历史强震的震中位于海口江东的塔市村,震中烈度Ⅺ(陈恩民等,1979),极震区长轴方向为北东东向,是华南历史上毁坏性最大的历史地震,出现了罕见的大规模“陆陷成海”现象(徐起浩,2007)。作为主要发震断裂的北东东走向的马袅-铺前断裂是1条兼有左旋性质的高角度正断层(陈恩民等,1989),位于强烈升降运动的地垒和地堑的边缘转折地带,以垂向差异运动为主(李志雄等,2006)。由于该断裂地处滨海平原区,多为隐伏性质,其活动证据主要来自深部地球物理勘探资料的解释、1605年地震灾害分布及断裂附近氡气异常(王志成,2006胡久常等,2007)。海口市活断层探测的长丰探槽结果显示,断裂仅断错晚更新世地层2,在1605年琼山地震震中附近的海口江东地区尚未发现反映断裂全新世活动特征的浅部断错地层或断裂剖面。马袅-铺前断裂近东西向横穿海口市区,准确厘定其几何位置和全新世活动特征将有助于正确评价海口市地震危险性、推进防震减灾规划并服务于经济建设。

2 海南省地震局,2007.海口市活断层探测与地震危险性评价工程技术报告.

隐伏活动断层定位及其最新活动时代研究,多年来一直是技术难题(汪一鹏,2004)。自20世纪90年代利用钻孔联合剖面探测隐伏活动断层以来(向宏发等,1993向宏发,2003),许多专家相继提出了一系列具有重大指导意义的技术、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袁道阳等,2008雷启云等,2011曹筠等,2015)。在诸多勘探手段中,地球物理勘探方法是初步确定目标断层位置、性质及其平面分布的有效手段,如浅层地震勘探、高密度电法等,是钻孔联合剖面布设和断层活动性鉴定的基础(邓起东等,2003)。钻孔联合剖面探测不仅可以准确厘定断层位置、验证地球物理勘探结果,还可揭示槽探手段所不及深度内的地层岩性分布、断错现象及古地震等信息,是研究隐伏断层活动特征的有效手段。

本文采用地球物理勘探和钻孔联合剖面探测相结合的方法,分别在海口江东地区的林海三路和桃兰村展开探测,通过分析断层上断点、断错地层序列和年代,准确厘定了塔市附近的马袅-铺前断裂的空间几何位置,并分析其全新世活动特征。

1 地震构造背景

马袅-铺前断裂展布于琼北断陷区,西起马袅,向东经马村、长流、琼山至铺前以东,陆上长约100km,总体走向北东80°—85°,倾向北(图 1)。深部重力和航磁显示该断裂明显错条规模大、切割深的活动断裂,晚第四纪以来仍在活动,受北西向断裂切割,平面上不连续展布。人工地震证实,该断裂由多条断裂组成,上第三系被断错150—200m不等(张新东等,2013)。根据断裂活动性,以马村、铺前为界,大体可分为马袅-马村段(西段)、马村-铺前段(中段)、铺前-东坡段(东段)3段,马村-铺前段即是本文所要讨论的断裂中段。断裂活动强度具有西弱东强的特点,西段为中更新世活动断裂(刘华国等,2018),中、东段为全新世活动断裂1

1 海南省地震局,2007.海口市活断层探测与地震危险性评价工程技术报告.


图 1 马袅-铺前断裂中段地震构造简图 Fig. 1 Seismic tectonic map of the middle segment of the Maniao-Puqian fault

本区上新世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和青灰色粘土为主。下更新统(Qp1)秀英组,下部岩性为杂色或灰白色含砾粘土质中粗砂或粘土质砂砾层,斜层理发育;上部岩性以青灰色含粉砂粘土为主,夹紫红,灰黄及黄褐色粘土和粉,细砂层,水平层理发育。中更新统(Qp2)北海组下层为棕红色粘土砂质砾石层或砂砾石层,上层为棕红或棕黄色粘土质中粗砂。上更新统(Qp3)八所组岩性主要为棕红、棕黄色砂,向下递变为黄色砂及灰白色砂。全新统(Qh)为海积、冲积、洪积层,主要有粗砂、中砂、细砂及砂砾,还有粉质粘土、亚粘土及淤泥。

2 地质地貌调查

野外地质调查发现,马袅-铺前断裂两侧在塔市附近展布区的地形地貌差异较大,断裂北侧地形平坦,为海岸堆积平原,南侧海拔稍高,地形略有起伏,为相对稳定的红土化的火山岩台地面,断裂两侧表现出强烈的垂直差异运动。高分辨率遥感影像上隐约可见线性影纹,线性影纹的北侧为浅色调,南侧为深色调,反映出该断裂两侧物质差异特征(图 2)。在振家村附近跨断裂开展的构造地貌测量结果显示,最大垂直落差可达6m。


图 2 振家村附近构造地貌调查与测量 Fig. 2 The investigation and survey of landform at Zhenjia village
3 地球物理勘探结果

本次跨断层地球物理勘探采用浅层地震反射法为主,高密度电法为辅,相互补充。在林海三路(1线)和桃兰村(2线)分别布设了浅层地震勘探测线(图 3)。依据试验结果,浅层地震勘探基本参数选取如下:20磅铁锤震源,24道接收,30m偏移距,3m道间距,6次覆盖,采样间隔0.5ms,记录长度0.5s,8次叠加。


图 3 浅层人工地震勘探测线及钻孔位置平面图 Fig. 3 Location of the shallow seismic exploration lines and the drill holes

林海三路测线长约1.8km(图 4(a)),在地震反射剖面上第1反射波组较清晰连续,反射波在地层中的走时为45—60ms,解释层面埋深18.5—23.2m。第2反射波组时间78—100ms,解释层面埋深45.2—52.6m,在物探点60号附近发生了台阶状错断或绕射。相同的位置在高密度电阻率断面影像图上电阻率差异明显,实测及反演电阻率断面均显示电性-地质层位的向北错断。受图像质量所限,第2反射波组的向上延伸情况和上断点位置不清楚。


图 4 林海三路(a)和桃兰村(b)浅层人工地震勘探剖面图 Fig. 4 Profiles of the shallow seismic exploration at Linhaisanlu (a) and Taolan village (b)

桃兰村测线长约1.5km(图 4(b)),在地震反射剖面上,第1反射波组较清晰,解释为沙滩岩面反射波;第2反射波组时间在50ms左右,对应中更新统以来的地层与青灰色粉质粘土(Q1)间层面反射;第3反射波组时间75—90ms,对应为青灰色粉质粘土(Q1)与贝壳碎屑砂(N2)间层面反射。图 4(b)中多处出现地震波组的错断或绕射。其中,在物探点25号附近地震波杂乱,电阻率差异明显;在物探点60号附近地震反射剖面上反射波组异常表现不明显,仅在高密度电法剖面上有异常。

综合地球物理勘探结果分析认为,马袅-铺前断裂在研究区内分为2支,物探所揭示的F2断裂位于振家村、桃兰村一线,近东西走向,向北陡倾,方位90°。物探所揭示的F1断裂位于F2北侧约480m,并与F2断裂构造带近似平行分布。地震反射波时间剖面显示,该断裂构造带错断的位置延伸至浅部,最新错断地层至少达到晚更新世地层,但断裂的准确位置和活动时代需要开展钻探获得。

4 钻孔联合剖面探测结果

根据地形地貌分布特征和地球物理勘探结果,分别在林海三路和桃栏村布设了3条钻探剖面,共计施工钻孔23个,最深106m,最小孔间距8m。由于钻探揭示的多为海相或滨海相地层,受海退海进的影响较大,地层相变普遍较大,以海口市活断层探测中关于地层的划分为主要依据进行地层的对比、分析,按照地层年代进行归类,钻探共揭示出5套地层。

4.1 林海三路剖面

根据地球物理勘探结果,跨断裂在林海三路布设了南北2条钻探剖面,北面钻探剖面长约381m,共实施6个孔,总进尺582m,钻孔深度为95.5—99m,每个钻孔均揭示出5套地层(图 5)。为了明确断层性质及断错地层序列,用RTK差分校正各孔相对高程,细分出如下6个地层单元。


图 5 林海三路钻孔联合剖面(zk1—zk6) Fig. 5 Combined section of the drill holes from zk1 to zk6 at Linhaisanlu

① 褐红色粘土,素填土,混杂玄武岩角砾和砖块等,无分选,其厚为2.1—4m。

② 青灰色粘土、粉砂、细砂,局部夹褐红色粗砂,含生物碎屑和腐殖质。其中,下盘zk6、zk5与zk3出现深度分别为2.4—19.5m、2.1—19.8m和2.1—19.3m,平均厚17.3m;上盘zk4、zk1和zk2出现深度分别为2.0—19.9m、4—19.8m和2.6—19.7m,平均厚17.0m。

③ 黄色细砂含钙质结核,含较多生物碎屑。其中,下盘zk6、zk5与zk3出现深度分别为19.5—22.7m、19.8—22.1m和19.3—22.7m,平均厚3m;上盘zk4、zk1和zk2出现深度分别为19.9—22.5m、19.8—24.3m和19.7—23.2m,平均厚3.5m,推测为八所组。

④ 青灰色细砂、粘土及粉质粘土,含少量生物碎屑,水平层理发育,该层在上下盘沉积的厚度不等,上盘有增厚的趋势。其中,下盘zk6、zk5、zk3与zk4出现深度分别为22.7—60m、22.1—61.4m、22.7—62m和22.5—63.7m,平均厚38.6m;上盘zk1和zk2出现深度分别为24.3—65.7m和23.2—64.7m,平均厚41.4m,推测为秀英组。

④-1青灰色粗砂夹粘土,含少量砾石,粒径1—3cm,分选差。其中,下盘zk6、zk5、zk3与zk4出现深度分别为60—71.3m、61.4—72.4m、62.4—74.2m和63.7—75.2m,平均厚11.5m;上盘zk1和zk2出现深度分别为65.7—77m和64.7—76.4m,平均厚11.5m,推测为秀英组。

⑤ 生物碎屑岩、细砂岩,夹黄白色钙化斑块,岩芯完整性较好,推测为海口组。

根据地形地貌分布特征和地球物理勘探结果,在zk1—zk6剖面的延长线上,距离zk6最近约330m的位置,另外布设实施了另外1排长约232m钻孔联合剖面zk7—zk14。该剖面共实施8个钻孔,总进尺687m,最深106m,最小孔间距8m,共揭示了以下5套地层(图 6)。


图 6 林海三路钻孔联合剖面(zk7—zk14)及断面照片 Fig. 6 Combined section of the drill holes from zk7 to zk14 at Linhaisanlu

① 上部为素填土,下部为棕红色、棕黄色粘土及细砂,局部含生物碎屑和腐殖质。其中,下盘zk8、zk12、zk9和zk14厚度分别为9.2m、6m、6.9m、4.2m,平均厚6.6m;上盘zk10、zk13、zk11和zk7厚度分别为5.1m、6.6m、7m、8.8m,平均厚6.9m。根据底部14C测年结果,为全新世地层。

② 棕黄色、黄色及白色中细砂、粗砂。其中,下盘zk8、zk12、zk9与zk14出现深度分别为2.5—7.5m、1.6—9m、5.5—10.2m和3.2—7.3m,平均厚5.3m;上盘zk10、zk13、zk11和zk7出现深度分别为4.2—11.5m、5.7—9.5m、6.2—10.5m和8—11.4m,平均厚4.7m。该层的顶、底面均有不同程度的变形。根据14C测年结果,为全新世地层。

③ 上部为褐黄、灰黄色粘土,该层中局部发育断裂面,断裂擦痕明显,最大倾角约70°,局部见侧伏角45°,下部为灰黄色生物碎屑砂,含较多钙质结核和生物碎屑。其中,下盘zk8、zk12、zk9、zk14与zk10出现深度分别为7.5—19.2m、9—19.3m、10.2—19.8m、7.3—19.5m和7.3—19.9m,平均厚11.3m;上盘zk13、zk11和zk7出现深度分别为9.5—21.2m、10.5—21.3m和12.2—21.7m,平均厚约10.7m。该层的分界明显,推测为八所组。

④ 青灰色细砂、粘土及粉质粘土,含少量生物碎屑,局部水平层理发育。其中,下盘zk8、zk12、zk9、zk10与zk13出现深度分别为19.2—62.5m、19.3—64m、19.8—64.1m、19.9—64.6m和21.2—64m,平均厚44.7m;上盘zk11和zk7出现深度分别为21.3—68m和21.7—67.8m,平均度46.3m,推测为秀英组。

⑤ 生物碎屑岩、细砂岩,夹黄白色钙化斑块,岩芯完整性较好,局部夹松散砂层,推测为海口组。

4.2 桃兰村剖面

根据地球物理勘探结果,跨断裂布设了长约742m钻探剖面,共实施9个孔,总进尺824m,钻孔深度范围在89—95m,每个钻孔均揭示出5套地层(图 7)。为了明确断层性质及断错地层序列,用RTK差分校正各孔相对高程,细分出如下6个地层单元。


图 7 桃兰村钻孔联合剖面(tzk1—tzk9) Fig. 7 Combined section of the drill holes from tzk1 to tzk9 at Taolan village

① 上部为素填土,下部为棕红色、棕黄色粘土及细砂,局部含生物碎屑和腐殖质。

② 棕黄色、黄色及白色中细砂、粗砂,14C测年结果为7560—7408a BP。

③ 顶部为褐黄、灰黄色黏土,该层中发育断裂面,断裂擦痕明显,最大倾角约70°,下部为灰黄色生物碎屑砂,含较多钙质结核和生物碎屑,推测为八所组。

④ 青灰色细砂、粘土及粉质粘土,含少量生物碎屑,局部水平层理发育,推测为秀英组。

⑤ 棕黄色、浅灰色砾砂、粗砂、中砂为主,分选差,磨圆度差,次棱角状,局部夹细砂薄层,固结较好。夹浅红色生物碎屑砂岩,含大量化石和生物碎屑钙化斑点,岩芯完整性较好,局部成岩,推测为海口组。

⑤-1浅红色生物碎屑砂岩,含大量化石,岩芯完整性较好,推测为海口组。

5 断裂活动参数讨论

根据林海三路zk1—zk6钻孔所揭示的地层单元,划分为a、b、c标志地层,其中a标志层为晚更新世黄色含钙质结核细砂与早更新世青灰色细砂、粘土及粉质粘土的分界线,落差不明显。b标志层为早更新世青灰色细砂与上新世生物碎屑岩、细砂岩的分界线,落差约4.2m。c标志层为层④底部的青灰色砂与粉质粘土分界线,落差约4.2m。依据钻孔所揭示的标志地层及其落差,钻孔联合勘探结果揭示了F1断裂的存在,推测F1断裂从zk3和zk4之间通过,分别断错了层⑤、层④-1。层⑤顶界在断裂附近落差约2m,断裂两盘总体落差可达4.2m,推测靠近断裂处的古地貌被后期改造为坡折带。层④-1顶底界落差均约4.2m,层④地层顶面深度基本一致,说明断裂未断错至该层顶面,该层下盘厚度大于上盘,有明显的生长地层特征。同时,层①、②、③上下盘稳定均匀发育,未见明显错断痕迹。根据14C测年结果,层③中样品编号为zk1 C-1的地层年代为8773±186a BP,说明断裂全新世以来不活动,又据海口市城市活断层探测项目组(2007)第四系地层标准柱状图,层③为晚更新世八所组地层,综合分析认为断裂可能断错了早更新世地层,晚更新世以来不活动。

根据林海三路振家村附近zk7—zk14钻孔所揭示的地层,划分为a、b、d、e标志地层,其中a、b分界线与zk1—zk6钻孔揭示的地层特征具有一致性,a标志层地层落差为1.8m,b标志层地层落差约为3.9m。d标志层为全新世棕黄色砂与褐黄粘土、生物碎屑砂的分界线,地层落差约为2m。e标志层为棕红色粘土与,棕黄色砂的分界线,地层落差约为3.9m。依据钻孔所揭示的地层及其落差,钻孔联合勘探结果揭示了F2断裂的存在,推测F2断裂从zk14和zk10之间通过,分别断错了层⑤、④、③、②。层⑤顶界在断裂附近(24m距离内)落差约3.9m,整体落差可达6m。层④顶界在断裂附近的顶部落差约1.8m,钻孔揭示的断裂两盘总体落差可达2m左右。层③顶界在断裂附近地层落差约2m。钻探实施过程中,在zk10层③9.2m深处,发现了发育镜面擦痕的断裂面,断层最大倾角约70°,侧伏角约45°,指示正倾滑性质,说明断裂已断错至该层。又因层②的顶面起伏较大,明显受到干扰,其顶面又在断层两盘的zk14和zk10中出现约1m落差,故而推测断裂已经影响到层②的砂层,可能为一次强震的同震位移量,推测为1605年琼山7½级历史强震所致的可能性较大。如果认为其为特征地震,则②层可能经历了2次古地震事件,导致产生了底部2m落差。层①为断裂断错层②后的最新沉积地层,受到强烈的构造和外营力作用,表现为地层波状起伏。根据实地考察和钻孔揭示的地层,跨断裂地貌测量总体得到的约6m的垂直落差可能是由于火山岩红土化所形成的台地面。根据美国Beta实验室地层样品14C测年结果,层①的底部地层年代为8017—7935a BP,层②的形成年代为7965—7848a BP,综合分析F2为全新世活动断裂,错断层②的年代为7965—7935a BP。钻探揭示自7965—7935a BP以来,层②可能经历了2次古地震事件,导致地层2m垂直落差,断裂的垂直位移速率约为0.25mm/a。从层②顶部约1m的地层落差,到层③和层④约2m的地层落差,再到层⑤约4—6m的地层落差,随着地层深度增加,标志地层落差成倍数增加,由此推测层②、③、④、⑤可能经历了多次古地震事件。

根据桃兰村附近钻孔所揭示的地层,划分为a、b、f标志地层,其中a、b标志层与林海三路钻孔所揭示的地层特征具有一致性,a标志层落差为1.4—1.6m,b标志层地层落差约为1.3—1.6m。f标志层为层⑤-1浅红色生物碎屑砂岩与⑤浅灰色生物碎屑砂岩的分界线,地层落差1.4—3.4m。依据标志地层的落差,推测F1断裂从tzk1和tzk3之间通过,F2断裂从tzk8和tzk9之间通过。

对F1而言,层⑤-1、层⑤、层④在断裂附近顶部落差约为1.3—1.4m,断裂通过处,层层③与层②相对平稳分布,故推测断裂未断错至层③。又层③为晚更新世八所组地层,故推测F1断裂晚更新世以来不活动。

对F2而言,层⑤-1在断裂附近落差约3.4m,层⑤、层④在断裂附近的顶部落差约1.6m。层②和层③在断裂附近有明显加厚,并发生倾斜,具有生长地层的分布特征,断裂附近层③落差约2m,可以推测断裂活动已经断错至层③,推测层②也受到构造影响,但变形不明显。

在钻探实施过程中,tzk9中的层③约10.5m深处的粘土中发现了断裂面,其镜面明显,倾角约70°,具有明显正断性质。又根据美国Beta实验室地层样品14C测年结果,层②底部地层的年代为7560—7408a BP,故认为该断裂7560—7408a BP以来垂直位移约为1.6m,垂直位移速率约为0.27mm/a。

综上所述,通过钻孔联合剖面勘探,准确厘定了马袅-铺前断裂中段的空间位置。从钻孔联合剖面揭示的地层资料来看,马袅-铺前断裂是1条具有一定宽度、多分支的断裂。其中,F2为主断裂,全新世以来活动;F1为次级断裂,属于第四纪早期断裂。剖面所揭示的地层深度范围内,断裂第四纪以来的累积位移量可达4—6m,同震垂直位移量1—2m,垂直位移速率约为0.26±0.1mm/a。钻孔揭示的断裂面显示,断裂特征表现为正断为主,兼走滑性质,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(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,可能包括1605年历史强震,其地震危险性不容忽视。

6 结论

本文采用地球物理勘探和钻孔联合剖面探测相结合的方法,分别在林海三路和桃兰村展开探测,通过分析断层的上断点、断错地层序列和盖层年龄,获得了马袅-铺前断裂中段的全新世活动特征。

(1) 2排钻孔联合剖面揭露了断面的存在,实测得知,该断裂段具有正倾滑性质,倾向北,倾角约70°,上断点埋深9.2—10.5m。

(2) 钻探准确厘定了该断裂段的空间位置,表现为近东西向平行展布的南北2支,呈阶梯状发育。其中,北支为第四纪早期次级断裂,南支为全新世活动性较强的主断裂。

(3) 剖面所揭示的地层深度范围内,该断裂段第四纪以来的累积垂直位移量可达4—6m。自7965—7408a BP以来断裂有过活动,垂直位移量1—2m,垂直位移速率约为0.26±0.1mm/a。

致谢: 中国地震局地质研究所冉勇康研究员给予了现场指导和宝贵建议,审稿专家提出了修改意见,海口市民防局在钻探施工过程中给予帮助,在此一并感谢。
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