引言

跨断层观测是获取地震前异常变化信息的重要手段之一,在多次地震前后分别监测到形变异常特征,如1990年常熟5.1级地震和1995年苍山5.2级地震的前后均出现了断层形变异常变化(孙昭祀等,1992李杰等,2001),2013年芦山7.0级地震前,跨鲜水河、安宁河、则木河断裂带上形变出现显著的异常变化(苏琴等,2014)。

自20世纪60年代起,中国地震局第一监测中心等单位在首都圈地区建立了跨断层流动形变监测场地,目前仍存有24处,其中13处为水准监测、11处为基线和水准同桩监测。

20世纪60年代末,华北地区建立跨断层流动形变监测网,在20世纪80年代末监测场地最多达近100处,目前仍保留监测场地74处。

张家口位于张家口—渤海地震构造带与山西地震构造带的交汇区,新构造上属于张家口—宣化盆地,新构造复杂,活动构造发育,地震频发(尤惠川等,2008)。区内发育多条活动断裂,断裂几何形态复杂,走向主要为NW—NWW和NE—NEE向,并分布少量近EW向活动断裂(周月玲等,2010周江林等,2012)。自1970年以来,华北地震台网记录到张家口地区发生MS ≥2.0地震210次,其中震级最大的是1998年张北6.2级地震,其次为1999年张北5.6级地震。

1 怀涿盆地活动构造背景

怀涿盆地位于首都圈地震重点监视防御区内,为张家口次级山间盆地,地处山西地震带与张家口—蓬莱地震带交汇处,地处内蒙地轴南缘东西向构造岩浆带的尚义—赤城—平泉断裂带与太行山北北东向构造岩浆带的上黄旗—乌龙沟断裂带相交区内。盆地内盖层属于浅部构造层次,断裂构造十分发育,存在NEE、NE、近SN及NW向4组断裂。盆地周缘断层第四纪晚更新世以来活动较强,地震活动频繁,1337年怀来地区发生过6$ {}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\; $级地震,1720年过发生6$ {}^{3}\!\!\diagup\!\!{}_{4}\; $级地震。

怀涿盆地北缘断裂是怀涿盆地的北缘边界断裂,北起怀来东北角杏林堡,往西南经西洪站、麻峪口、小水峪、黄土窑、鸡鸣驿、张家堡、郝家坡,终止于长瞳村一带,整体走向NEE,倾向SSE,倾角50°—75°,由一系列正断层右阶斜列组成,全长约58km。该断裂是1条晚更新世—全新世活动断裂,晚更新世以来的垂直断距约34m,平均垂直滑动速率为0.2—0.55mm/a(冉勇康等,1992方仲景等,1993徐锡伟等,2002)。历史上该断裂附近发生过多次5级左右的地震,如1338年涿鹿5.0级、1724年怀来新保安5.0级、1957年涿鹿5.0级和1967年怀来5.4级地震,现今地震活动也较强烈。

怀涿盆地北缘断裂几何结构具有不连续性,显示出明显的分段特征,冉勇康等(1992)根据断裂的分段原则将断裂在几何形态上分割成5个区间:①杏林堡—小水峪;②小水峪—黄土窑;③永丰堡—鸡鸣驿;④鸡鸣驿—黄土港;⑤沈庄—长瞳区间。其中3段为全新世活动段,分别为:杏林堡—小水峪段,断层上升盘存在三级地貌面,下降盘晚更新世洪积扇发育,全新世洪积扇较小,洪积扇面冲沟密度和切深较大,断层活动的最强时期在晚更新世,最晚1次错动在全新世晚期;小水峪—黄土窑段,其断层上升盘的断层三角面壮观,下降盘晚更新世和全新世洪积扇都很发育,并呈上迭式堆积,晚更新世以来断层活动强度较均匀,最近1次断错地表形成时间为全新世中期;沈庄—长瞳段,断层上升盘存在多级地貌面,下降盘洪积扇面积大,新老呈上迭关系,洪积扇上断层陡坎十分发育,晚更新世早、中期断层活动较弱,而晚更新世晚期以来活动增强,最近1次断错地表形成时间全新世晚期。

上述跨断层形变监测资料显示,其对地震具有较好的映震能力。陆明勇等(2011)将跨断层流动形变观测资料映震能力或监测场地监测能力分为好、较好和不好3个等级,分别用A、B、C来表示。张家口地区有5处跨断层流动形变监测场地,即土木、狼山、施庄、张山营、小水峪。其中施庄、小水峪为A;狼山、张山营为B;土木为C。

曹建玲等(2016)分析认为,1991年大同5.8级地震前,在首都圈的张山营基线出现异常变化;在1998年张北6.2级地震中,张山营基线在1997年8—10月的张性变化与1989年大同6.1级地震前出现的先顺扭后反扭的异常变化形态相似。

2 监测场地优选思路

监测场地的选址包含2部分内容:其一是针对测量场地所跨活动断层的选取,所选断层的活动性对测量工作起到制约性的作用;其二是针对测量场地条件的选取,应符合相关规范,并且综合考虑地震地质、地形地貌、环境干扰源等因素。

怀涿盆地北缘断裂位于山间盆地边缘。此类构造断陷盆地内一般地势低洼并常堆积有厚度不等的松散覆盖层,且地表地形陡峭,地下地质条件非常复杂,地层倾角陡,新老地层倒置。由于盆地边缘断层的作用,盆地周边自山区向盆地呈阶梯状下降,形成缓坡等地带,是第四系各种成因松散物质堆积的场所。在山边往往形成山前洪积扇,并且坡度大,呈裙状起伏。断层往往出露于山体边缘,断裂走向随山体走向变化,沿线断层陡坎、基岩断崖等地貌现象十分突出,多处可见断层错断第四纪地层。由于山间盆地断裂构造复杂,其流动形变观测场地的选址与一般跨断层流动形变观测场地有较大区别,常规选址方法在此往往会受到限制,如何实施才能取得较好的效果,满足选址要求成为将要解决的问题。研究表明(国家地震员,1991),第四纪以来活动的断层,特别是晚更新世晚期和全新世仍明显活动的断层,更容易发生地震。

跨断层监测场地选址相关的国家和行业标准有:《地震台站建设规范地形变台站第3部分:断层形变台站》(中国地震局,2004)、《地震台站观测环境技术要求第3部分:地壳形变观测》(中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等,2004)、《地震水准测量规范》(中国地震局,2015),上述标准中对场地选址的具体要求有:

(1)地震地质条件:观测场地布设在活动断裂的活动段,测线应跨越活动断裂带的主断层,首选基岩出露场地;无基岩出露场地覆盖层厚度应小于30m,并且地表土坚实。

(2)地形地貌条件:观测场地宜选址在地形平坦、视野开阔。地势低洼、地下水水位较高地区,泥石流、滑坡等地质灾害易发地段,古河道、河堤、冲积层河岸,陡坎和风口等上述地段不宜选址。

(3)环境干扰源:①振动干扰源:产生高频振动、爆破冲击振动行为,如机场、铁路、公路、采石、采矿、冲压、粉碎作业场地等。②荷载干扰源:由于物资增减、迁移,使地面单位面积荷载变化,引起地壳形变的来源,如海域潮汐、水库、湖泊、河流;采空区荷载的变化;大型建筑、仓库、重型工厂的荷载变化。③水文地质环境变化干扰源:引起地壳形变观测场地水文地质参数或性质变化,如采油、抽水、注水等。上述环境干扰源与距跨断层测量观测仪器的最小距离,如表 1所示。

表 1 跨断层形变测量环境要求 Table 1 Environmental requirements for cross-fault deformation measurement

针对山间盆地断裂复杂的特点,结合跨断层流动形变监测场地选址规范,确定跨断层形变监测场地优选思路为:依据断裂已有研究成果,在断裂全新世活动段,开展野外地质调查,选择断裂出露点附近地势平坦、视野开阔的场地,该断裂出露点应具有直接证据证明断裂的全新世活动特征;在第四系覆盖场地,结合地球物理勘探结果确定断裂具体位置。此外,场地应满足环境干扰相关规定以及有利于长期观测等条件。

3 监测场地适宜性分析

怀涿盆地北缘断裂研究成果表明(戚帮申,2017),在断裂的杏林堡—小水峪段,断层活动的最强时期在晚更新世,最晚1次错动在全新世晚期。由此可见,该断裂段为全新世活动段,以下3个场地均位于该段落内。

3.1 西洪站场地

西洪站村北为典型的丘陵山区,地势起伏变化,怀涿盆地北缘断裂展布于山前,在西洪站村北241省道旁开挖槽内见断层剖面,断层上盘为马兰黄土和全新世冲洪积砂砾石层,下盘为基岩,断层走向345°,倾角约73°(图 2),断层错断晚更新世马兰黄土—全新世冲洪积物,马兰黄土OSL年龄为(17.02±2.01)ka BP(戚帮申,2017),该处断层活动时代为晚更新世—全新世。


图 1 怀涿盆地北缘断裂及其周围地区的断裂分布 Fig. 1 Fault distribution of the Huaizhuo basin and its surrounding area

图 2 西洪站村北怀涿盆地北缘断裂剖面 Fig. 2 The profile of the northern margin fault of the north Huaizhuo basin in Xihongzhan village

经过野外调查,断裂出露点附近无开阔地带,并且断层距241省道仅十几米,存在振动干扰,不利于开展跨断层监测。

3.2 小水峪场地

怀琢盆地北缘断裂在小水峪村附近走向近EW,山前晩更新世、全新世冲洪积台地发生明显错断,形成断层陡坎,在小水峪村北断层剖面上盘的晚更新世马兰黄土(OSL年龄(13.09±1.71)ka BP)—全新世冲洪积物发生错断,形成明显断层陡坎(戚帮申,2017),该处断层活动时代为晚更新世—全新世(图 3(a))。


图 3 小水峪村北怀涿盆地北缘断裂出露剖面(a)及附近场地环境(b) Fig. 3 The outcrop profile (a) and the environment of surrounding site (b) at the northern margin of the north Huaizhuo basin in Xiaoshuiyu village

野外调查发现,在断层出露处东北200m处,有一近NS向横跨断裂的乡间道路,道路地势平坦,视野开阔(图 3(b)),可拟选为跨断层监测场地,但该场地断裂隐伏于第四系覆盖层之下,为确定断裂的具体位置,沿道路布设了1条近NS向长324m的浅层地震勘探剖面(杨歧炎等,2015),勘探结果表明,断层位于剖面249m处,但断裂隐伏处附近冲沟发育(图 4),难以满足跨断层测量场地要求,因此该场地不适宜作为跨断层流动形变监测场地。


图 4 小水峪村东北怀涿盆地北缘断裂浅层地震勘探剖面(a)及断裂隐伏处场地环境(b) Fig. 4 Shallow seismic prospecting profile of the north margin of the Huaizhuo basin in the northeast of Xiaoshuiyu village (a) and the site environment of the buried fault (b)
3.3 麻峪口场地

通过野外调查、断裂走向追踪发现,在西洪站与小水峪断裂出露处之间的麻峪口村东北有一近NS向地势平坦、视野开阔横跨怀涿盆地北缘断裂的场地,该场地为乡村田间道路,场地被第四系地层所覆盖,为确定断裂的具体位置,沿道路布设了1条长672m的浅层地震勘探剖面。勘探结果表明,剖面上存在2条断层F1、F2,断层分别位于剖面230m、430m处(图 5)。根据断裂构造走向追踪以及断裂位置及规模,认为F1为怀涿盆地北缘断裂的主边界断裂,F2为怀涿盆地北缘断裂的新生断裂,其发育在山前冲洪积扇的沉积层内,是山前断裂向盆地内部的进一步拓展和演化。


图 5 麻峪口村东北怀涿盆地北缘断裂浅层地震勘探结果 Fig. 5 Results of shallow seismic exploration of faults in the northern margin of the Huaizhuo basin in northeast Mayukou village

该场地地势平坦、视野开阔,无环境干扰,距村庄较远,便于长期观测,适宜作为跨断层流动形变监测场地。为将来布设水准标石可提供断裂准确位置,对断层进行了野外标识,图 6(b)为断层F1野外标识。


图 6 麻峪口村东北场地环境(a)及断层F1野外标识(b) Fig. 6 Field environment (a) and fault F1 field identification (b) in Northeast of Mayukou village

针对山间盆地断裂复杂的特点,根据断裂活动特征、场地条件,以及相关规范,对跨怀涿盆地北缘断裂的西洪站村等场地进行综合分析,各个场地的适宜性分析见表 2

表 2 跨断层测量场地综合分析 Table 2 Comprehensive analysis of measuring sites across faults

需要指出的是,张家口地处河北省西北部,分为坝上、坝下2大部分,坝上高原区属内蒙古高原的南缘,海拔一般在1400m左右。坝下低中山盆地,山峦起伏,沟谷纵横,海拔高度在1000—2000m之间。群山之间有较大的山间盆地呈串珠状排列,海拔高度500—1000m。受自然环境影响,张家口经济、交通网络欠发达,城镇化进程较慢,对跨断层流动形变监测场地布设较为有利,能够满足长期监测,但自然环境因素,特别是地形起伏变化给选址带来了不利因素。

4 结语

本文以张家口怀涿盆地北缘断裂为例,针对山间盆地断裂复杂的特点,利用断裂已有研究成果,结合断裂野外地质调查、浅层地震勘探,并根据环境条件、自然条件以及相关规范要求,对断裂全新世活动段的西洪站村、小水峪村、麻峪口村场地进行了综合分析,优选出适宜跨断层流动形变监测的麻峪口村场地。

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