引言

晚第四纪以来,青藏高原北东部地区显示为整体非均匀性挤压隆升构造背景,块体间断裂剪切走滑活动占主导地位,活动断裂是块体边界带发生高震级地震的构造条件,控制了大地震甚至中强地震的空间分布。祁连-海原断裂、西秦岭北缘断裂、六盘山断裂和热水-日月山断裂所围限的陇中盆地地震构造区(周本刚等,2013高孟潭,2015)具有相对独立的地质演化历史,该地震构造区由若干相间排列的隆起山地和新生代断陷(或拗陷)盆地组成。古近—新近纪沉积序列表明陇中盆地处于构造运动相对稳定阶段,但3.4Ma BP的青藏运动(李吉均等,1996)使陇中盆地面积萎缩,形成一系列相互隔离的次级盆地(张克信等,2010宋博文等,2014张鹏等,2016),并在局部构造作用下各自进入相对独立的演化阶段,秦王川盆地就是其中之一。发育在秦王川盆地西侧的秦王川盆地西缘断裂F8图 1),大部分与盆山边界吻合,部分隐伏在盆地之下。野外地质地貌调查未发现断层露头或微地貌变形等断层活动的直接证据,查明该断层的分布、尤其是上断点埋深,厘清断层的最新活动时代十分重要。


①全新世断裂;②晚更新世断裂;③早—中更新世断裂;④走滑断裂;⑤逆冲断裂;⑥隐伏断裂;⑦地表破裂带;⑧块体挤出方向(袁道阳等,2004);⑨8.0≤MS ≤8.9;⑩7.0≤MS ≤7.9;⑪ 6.0≤MS ≤6.9;⑫ 4.7≤MS ≤5.9;F1:祁连-海原断裂;F2:六盘山断裂;F3:西秦岭北缘断裂;F4:热水-日月山断裂;F5:青海南山断裂;F6:拉脊山断裂;F7:庄浪河断裂;F8:秦王川盆地西缘断裂;F9:马衔山-兴隆山断裂;F10:白银白杨树沟断裂
图 1 秦王川盆地及西缘断裂地震构造位置 Fig. 1 Seismo-tectonic background of the western margin fault and Qinwangchuan basin

第5个国家级新区——兰州新区位于秦王川盆地,是距兰州市老城区最近的具有良好开发前景的可利用土地。祁连-海原活动断裂、六盘山活动断裂和西秦岭北缘活动断裂虽然规模巨大、活动强烈,但距秦王川盆地较远,没有直接的构造关系,其对兰州新区建(构)筑物的安全影响可通过抗震设计与施工减轻。因此,秦王川盆地西缘断裂的活动性就成为对兰州新区地震危险性影响最大的因素。如果秦王川盆地西缘断裂为活动断裂,不仅很大程度地缩小了兰州新区可有效利用的建设用地面积,而且将极大地提高兰州新区内建(构)筑物的地震危险性。

在开展兰州新区地震小区划工作时,我们对秦王川盆地西缘断裂进行了综合探测(图 2),试图回答该断裂是否活动、是否能够产生强震的断裂等问题,并在此基础上对秦王川盆地的地质演化进行初步分析。


图 2 秦王川盆地及周边地区简明地质图 Fig. 2 Simplified geological map of the Qinwangchuan basin and its surrounding area
1 秦王川盆地及其西缘断裂的研究现状

秦王川盆地南北长、东西短,为地形相对平缓的冲洪积平原(图 3(a)),总体由北向南倾斜,海拔由2300m降至1880m,受贯穿盆地的NS向河流影响,盆地内分布有近NS向的低缓垄岗状残丘。盆地东、西、南三侧分布大面积风成黄土丘陵,北侧为古生界地层构成的褶皱隆起山体。秦王川盆地下部为新近—古近系湖相泥岩、泥质砂岩和砂砾岩为主的沉积序列,上部为第四系粉砂、粉土、砂砾石冲洪积堆积。


图 3 秦王川盆地及周边DEM影像图(a)和EW向地形剖面(b) Fig. 3 DEM image of the Qinwangchuan basin(a)and EW topographic profile(b)

秦王川盆地西缘断裂北起方家槽一带,向南延伸至哈家咀北,倾向W,倾角较陡,全长37km,为断陷盆地,由3个段落雁列而成,为晚更新世活动断层,控制着秦王川盆地的发育(张向红等,2000)。判定依据如下:①断层通过处航卫片线性清晰并构成丘陵与盆地的边界,西侧为晚更新世风成黄土丘陵地带,东侧为地势相对平坦的冲洪积物构成的盆地区(图 3(b));②电法测试结果显示测线上存在正交异常点;③断裂通过处局部地段新近纪地层顶面存在落差以及砂泥岩中发育石膏脉。

2 秦王川盆地西缘断裂综合探测

应用浅层人工地震勘探、钻孔联合剖面和槽探等有效的隐伏断层探测方法,对秦王川盆地西缘断裂进行了综合探测。

2.1 断裂所在位置的地层特征

秦王川盆地北侧和北东侧出露的寒武系—奥陶系变质岩构成了褶皱隆起山地。新近系湖相沉积在盆地下部广泛分布,但仅仅在盆地北侧呈残丘状出露,反映了受北侧隆起山地的抬升影响;第四系下更新统砾岩主要在砂梁墩呈近水平状出露,其物源来自北侧及北东侧的隆升山地;第四系中上更新统—全新统是构成秦王川盆地的堆积主体,为冲洪积淀的砂砾石、次生黄土,夹透镜状或火焰状粉砂土。整体而言,砾石具有从北向南磨圆度趋好的特征;全新统主要是分布在盆地东西两侧的古河道及盆地上部的冲洪积物,岩性为夹细砂和粉土的松散砂砾石,上部的次生黄土分布不连续且厚度变化大。

2.2 浅层人工地震探测

浅层人工地震探测技术在平原区隐伏断层的空间定位方面发挥着重要作用,是确定目标断层位置、性质及平面分布的有效手段(邓起东等,2003中国地震局,2009)。为了有效控制秦王川盆地西缘断裂的空间展布及上断点埋深,根据交通状况和地形条件,共布设了6条浅层人工地震测线(图 2),其中DZ6最长,为22.4km,DZ3最短,为2.06km。探测系统选用加拿大ARIES数字地震仪和60Hz检波器、可控震源,采用纵波反射法多次覆盖观测。通过前期测试,选用符合秦王川盆地地震地质条件的测试参数:震源选择震动4次、扫描频率15—120Hz、扫描长度12s,排列选择不对称接收窗口,距断层可能通过处越近则接收点间距越小。对获取的优良占比91.76%的高信噪比地震数据进行了道编辑、振幅补偿、动静校正等技术处理,使二维地震数据具有分辨率较高、有效波频带范围宽、干扰消除彻底和反射波层次清楚的特征。由于秦王川盆地下部为新近系—古近系湖相地层,上部为第四系冲洪积地层,两者的波阻抗差异较大,在地震时间剖面上反映明显,作为反射波(组)同相轴发生错断与否能得到很好的反映。

6条浅层人工地震剖面中秦王川盆地西缘断裂(F1)均有显示,探测结果见表 1。共建立4个反射波组进行地震数据分析,其中,TE3为古近系顶部反射波组,即新近系底部,连续性较好;TE2为古近系中部反射波组,连续性较好;TE1为古近系底部反射波组,连续性好;TN为第四系与新近系分界波组,在第四系堆积厚度较小的地段,该波组识别率较低。除DZ3测线上未见TE3标准反射波组错断外,其余测线上TE3、TE2和TE1均显示明显的F1错断特征。断层附近地层反射波连续性变差,破碎严重,发生弯曲及牵引变形(图 4图 5)。

表 1 秦王川盆地西缘断裂浅层地震探测结果表 Table 1 Shallow seismic detection results in the western margin fault of Qinwangchuan basin

图 4 DZ6浅层人工地震测线时间剖面和地质解译剖面(部分,道间距3m) Fig. 4 The shallow seismic prfile and geological interpretation along the exploration line DZ6(part, group interval 3m)

图 5 DZ4(a)和DZ7(b)浅层人工地震测线时间剖面和地质解译剖面(道间距3m) Fig. 5 The shallow seismic profile and geological interpretation along the exploration line DZ4(a) and line DZ7(b)(group interval 3m)

DZ6测线近EW向控制了整个秦王川盆地,且垂直于秦王川盆地西缘断裂。测线不仅很好地控制了盆地整体形态和基底埋深,而且控制了秦王川盆地西缘断裂及同组方向地质构造的发育情况。

浅层人工地震剖面中TE3反射波组错断量介于4—7m,表明新近纪地层底部界面具有断错显示。上断点埋深最浅不超过130m,最深不超过230m,该深度范围内为新近纪沉积地层。在测线DZ4、DZ8和DZ9中,秦王川盆地西缘断裂上盘见f3次级断层,DZ6主断面上盘发育f3和df1次级断层(图 4),均为主断裂F1活动派生的反冲型次级破裂面,构成“Y”型构造。从主断裂F1标准反射波组错断量分析,秦王川盆地西缘断裂的断距自深向浅逐渐变小,如DZ4(图 5(a))和DZ7(图 5(b))浅层人工地震剖面中古近纪底部、中部和顶部垂直断距分别约为34m、20m、7m和45m、25m、4m(表 1)。各浅层人工地震剖面中次级断层均未有错断TE3反射波组,表明主动盘中的次级破裂面上断点发育在古近纪地层中,而主断裂F1逆断点发育在新近纪下部地层中。由此表明秦王川盆地西缘断裂仅影响到新近纪下部地层,为前第四纪断裂。

2.3 钻孔联合剖面

浅层人工地震探测往往会局限于松散堆积层的分辨率与人工识别的主观性,而钻孔联合剖面更加客观地揭示断层的存在状态,在城市活动断层探测工作中可以取得实质性成果(邓起东等, 2003, 2007朱金芳等,2005柴炽章等,2006雷启云等,2008)。共实施6条钻孔联合剖面测线(图 2),单条测线最多布设10个钻孔,最大孔深50m,最小孔距5m。孔位分布于浅层人工地震探测结果显示的断层异常点两侧,越靠近异常点,孔距越小。

6条钻孔联合剖面探测结果相似(表 2),在秦王川盆地西缘断裂可能通过处,最大控制新近纪地层厚度29.6m的深度内没有发现断层面,也没有发现断层泥或断层角砾等断层物质、地层牵引变形和层位断错等现象。其中ZT2剖面显示在近距离内,新近系泥岩顶面有落差,有断层存在的可疑现象。

表 2 秦王川盆地西缘断裂联合钻探结果 Table 2 Cobined drilling results in the western margin fault of Qinwangchuan basin

以ZT2为例简要介绍钻孔联合剖面的探测结果(图 6)。ZT2布设于秦川镇保家窑村北,实施钻孔9个(编号ZK373—374、ZK377—383),孔距13—70m,孔深10—30.5m。ZT2所在位置地形西高东低,邻近的DZ9浅层人工地震测线上F1断层错断了TE3反射波组。ZT2钻孔联合剖面显示,上部地层为第四系次生黄土与棱—次棱角状砂砾石混杂堆积,反映了山间拗陷盆地的动荡河流相堆积特征;下部为新近系静水环境沉积泥岩。泥岩层顶面海拔高程在钻探控制范围内介于2062.50—2075.50m,并自西向东逐渐下降,第四系堆积物厚度相应地逐渐增大。其中,ZK381(孔口海拔高程2080.50m)和ZK377(孔口海拔高程2080.10m)之间的27m间距内,新近系泥岩顶面有2.7m的落差。为此加密布设钻孔ZK382,探明泥岩顶面距地表-8.4m,在ZK381的-7.5m和ZK377的-10.2m之间,说明泥岩顶面是向盆地中心方向呈逐渐下降的斜坡状,而不是呈陡坎状。


①全新统人工堆积物;②全新统冲洪积物;③上更新统冲洪积物;④全新统填土;⑤全新统粉土;⑥上更新统角砾;⑦上更新统粗砂;⑧上更新统中粗砂;⑨上更新统细砂;⑩上更新统含砾粉土;⑪上更新统粉土;⑫新近系泥岩;⑬钻孔编号及孔口高程;⑭孔距
图 6 ZT2钻孔联合剖面 Fig. 6 Section of the joint drilling ZT2
2.4 探槽

探槽位于保家窑南北向乡村公路的东侧,即盆山交界地带(图 2)。浅层人工地震测线DZ9探明该处秦王川盆地西缘主断裂F1埋深在150m以浅且具有明显的断错,上盘见1条与F1相向而倾的次级破裂面。ZT2钻孔联合剖面探测结果(图 6)亦表明,该处新近系红色泥岩顶面埋深介于7.5—10.2m,存在2.7m的落差。保家窑探槽(图 7(a))开挖方向为100 ,长度26m,最大深度20m,最宽处15m。


①新近系紫红色泥岩,产状近水平;②浅土黄色粉土,具水成特征;③土黄色泥砾混杂体,未固结,为1次洪水事件产物;④青灰色次棱角状砾石,成份较均一;⑤土黄色粉砂透镜体;⑥褐黄色粉砂透镜体,形态各异;⑦灰色含砾粉土层,沉积较稳定,厚度有变化;⑧砾、土、砂混杂人工耕土层,构成地表
(a)探槽特征,红色短线为DZ6、DZ4、DZ7和ZT2控制的可疑断层F1通过位置;(b)新近系泥岩顶部冲刷面特征,以细砾石薄层为标志;(c)新近系泥岩局部形成的侵蚀凹槽,向下呈尖灭状
图 7 保家窑探槽南壁素描图 Fig. 7 Sketch profile of southern wall of the Baojiayao trench

图 7可以看出,探槽南壁地层结构分2部分,第一部分是层①新鲜面呈紫红色泥岩,产状近水平,为新近纪湖相沉积地层;第二部分是层②—⑧晚更新世以来河流相冲洪积堆积物,其中层②下部14C测年结果介于(26170±120)a BP(QCB-14C-1)—(22720±100)a BP(QCB-14C-2),为1套晚更新世堆积物。

新近系上部单元属于同一物源在不同水力作用下的堆积物,层①与层②接触面不平整,底部具有明显的冲刷面特征。层②底部发育厚3—5cm细砾石层,该砾石层在两层之间普遍见及,冲刷泥岩陡坎处则没有该砾石层。该薄层小圆砾为泥质河床上的滞留沉积物,是山区弱水动力环境下河流相沉积的主要标志(图 7(b))。层④—⑦是1套以次棱角状砾石为主的粗粒堆积物,夹有或大或小两端尖灭状的粉砂、粉土透镜体,为快速高水位环境下的产物。探槽剖面中新近系紫红色泥岩陡坎的形成则是水流下切与侧向侵蚀、局部垮塌综合作用的结果,侵蚀坎具有向泥岩内部扩张的趋势。这种新近系泥岩上部的侵蚀坎在秦王川盆地南缘亦可见及,不仅侵蚀作用造成泥岩顶面起伏不平,而且股状水流下切至泥岩深度大于3m,形成后期河床相砂砾石充填楔状体(图 7(c))。这类侵蚀界面不仅深度有限,而且以界面不平整为特征,后期充填楔状体呈上宽下窄的倒三角形。图 7中侵蚀坎西侧泥岩顶面抬升,在方家槽局部地段出露泥岩残丘,向东至盆地内部秦川镇地段新近系泥岩埋深变浅。表明探槽附近新近系地层埋深顶面的落差与近NS向古河道的存在以及水流不均衡侵蚀作用密不可分。秦王川盆地中南部第四系堆积物特征与探槽剖面中新近系上部地层单元特征相似,只是厚度逐渐变厚。秦王川盆地在高低水位多变环境下将北侧物源区的剥蚀物质携带至平坦区堆积,这与秦王川盆地现今北高南低的地形相吻合。

保家窑探槽剖面第四系和新近系地层中未发现断层面及构造片理化、各岩性组界面未见错位等现象,该探槽中未见断层。

3 断裂所在地区现今构造活动

在区域北东向挤压构造应力环境中,不同级别的断裂吸收和消化了不同幅度的垂直和水平变形量,断裂所控制的块体具有不同幅度的运动变形。区域地震活动图像显示活动块体边界断裂控制了绝大部分中强震,甚至大震(图 1)。块体内部的庄浪河断裂及以西褶皱隆起区小震密集分布,已发生过3次5级以上地震,而庄浪河以东包括秦王川盆地及西缘断裂的地区,小震零星分布,无规律性。

庄浪河弧形逆冲断裂西侧为海拔3000m以上的中高山区,东侧为海拔2000m以下的低山丘陵和冲洪积平原区,断裂控制了该地区的构造环境、中强震分布以及地层褶皱变形。庄浪河Ⅰ—Ⅲ阶地的抬升幅度反映出该断裂第四纪以来的变形方式和活动时代(刘小凤等,2003),西岸阶地变形强度大于东岸,且阶地变形速度在晚第四纪以来有逐渐加强的趋势(刘兴旺等,2012)。地震地质调查表明,庄浪河断裂在地表的破裂形迹不清楚,新活动性并不显著,第四纪以来的多期构造活动使断裂西侧的白垩系—新近系地层发生褶皱变形,同时卷入了第四系堆积层,以逆断裂—褶皱作用控制着该地区中强地震的分布(袁道阳等,2002),也是支配包括秦王川盆地及西缘断裂所在地区地壳构造变形、中强地震分布的主导性断裂。而庄浪河东侧的秦王川盆地西缘断裂规模小,形态简单,两侧地形比差20—60m,断裂活动强度、规模和吸收地壳形变的作用已不能与庄浪河断裂相提并论。秦王川盆地西缘断裂只是在整体抬升的构造环境下处于被动的弱响应地位,已不具有控貌作用,其活动性大幅减弱已属正常。

4 讨论

秦王川盆地在古近—新近纪时为炎热干燥气候条件下形成的陆相动荡湖泊沉积环境,为1套厚400m左右的紫红色砂泥岩沉积建造,并夹有石膏层。该泛湖盆环境在随后的构造—地貌演化史中逐渐进入相对独立的稳定阶段,盆缘的构造活动已大幅弱化或消减,取而代之的是整体抬升环境下湖盆萎缩,处于较稳定的低地环境沉积阶段(图 8)。秦王川盆地北东侧砂梁墩一带残留的近水平且胶结坚硬的下更新统砾岩,相当于五泉砾岩,厚数米且出露范围有限,而同期的该套砾岩至黄河以南的范家坪厚度达347m,砾石变形倾角50 ,是兰州地区对青藏运动A幕(李吉均等,1996)的具体响应(韩飞,2009张炎等,2010)。由此表明该运动至秦王川盆地一带已大幅衰减,表现为块体内部以整体抬升为主。秦王川盆地北部以3条沙沟作为盆地进水通道,南部有4条通向盆地之外的大型沟道,以此连接黄河(图 3(a))。发育于北部山地的水系向盆地流径,逐渐形成了近南北向顺盆山交界处汇聚的主河道。区域阶地对比表明,晚更新世以来,由于北侧坪城盆地的抬升导致河流改道,秦王川盆地演化成为干旱盆地(袁道阳等,2000)。


图 8 秦王川盆地的形成演化模式 Fig. 8 Illustratien of the formation and geological model of the Qinwangchuan basin

关于盆地类型划分及相关问题已有大量的研究(刘池洋等,2015),秦王川盆地应划归为山间拗陷盆地。该盆地类型跟与断裂密切相关的断陷(裂陷)盆地类型成因不同,亦与活动断裂带之间的拉分剪切盆地成因明显不同。总体来说,秦王川盆地是在地壳不均衡升降导致的局部地表负向地形的基础上,受控于周缘隆起,形成水体汇聚和松散物堆积的地貌凹地,这是该盆地形成的先决条件。早期山间凹地的形成可能与秦王川盆地西缘断裂差异性运动存在联系,而盆地中后期沉积演化则与已存断裂联系不密切,或者断裂作用已经消失。

秦王川盆地西缘断裂属于前第四纪隐伏断裂,秦王川盆地是不受其控制的断陷盆地。秦王川盆地西缘断裂不会产生地表破裂,工程建设不需要避让。兰州新区地震危险性与盆地内部地质构造无关,而是来自外围活动断裂与地震的影响。新区的一般建设工程抗震设防可按国家有关强制性标准进行,重大工程需要依据《工程场地地震安全性评价》(GB17741—2005)(中华人民共和国国家标准,2005)进行地震安全性评价工作。

5 结论

(1)秦王川盆地西缘断裂在6条浅层人工地震测线上均有显示,断裂上断点埋深最浅为130m,错断了TE3反射波组,该深度处为新近系湖相沉积序列下部层位,表明该断裂仅影响到新近系下部地层。

(2)垂直可疑地段布设6组排钻39孔(分别控制第四系厚度9.5—30.58m和新近系厚度9.64—27.8m),均未揭露出断层物质,地层界面及标志层无断错现象。探槽揭示第四系冲洪积堆积结构没有断错或挤压现象,新近系泥岩顶部的陡坎为古河道冲刷侵蚀所致,是动荡水流下切、侧蚀和局部垮塌综合作用的结果。

(3)秦王川盆地在古近纪—新近纪为炎热干燥气候条件下形成的陆相动荡湖泊沉积环境,该湖盆在随后的构造-地貌演化中进入相对独立的发展阶段。盆地中后期沉积演化过程中,断裂作用已大幅弱化或消失,湖盆萎缩,形成山间水体汇聚和松散物堆积的地貌凹地,演化成为山间拗陷盆地。

(4)秦王川盆地西缘断裂为前第四纪断裂,规模小,结构简单,未出露地表,不具有发生地表同震错动的孕震能力和控制地貌的作用。该断裂对秦王川盆地的构造稳定性不构成影响,亦不影响兰州新区的规划与发展。

致谢: 本文14C样品由美国BETA年代实验室测试,对参加兰州新区地震小区划工作的人员以及审稿专家提出的宝贵意见和建议表示感谢。
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