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引言

海口市位于琼北断陷带内,区内断块差异构造运动明显,岩浆活动频繁,活动断裂发育,地震活动强烈,是少有的8度抗震设防省会城市。据2007年海口市城市活动断层探测结果,海口市周围分布的主要全新世活动断层包括北东东向马袅—铺前断裂、北西向长流—仙沟断裂、铺前清澜断裂。其中,马袅—铺前断裂位于强烈升降运动的地垒和地堑边缘转折地带,以垂向差异运动为主(李志雄等,2006徐起浩,2007胡亚轩等,2018),是1条陆上长约百余千米的深大断裂,具有高角度正断兼有左旋走滑性质,是1605年琼山7 ½级历史强震的发震断层(陈恩民等,19791989王志成,2006胡久常等,2007)。海口市城市活动断层探测运用地貌陡坎、钻孔联合剖面探测和地层年代学测定方法进行研究,结果显示,海秀断裂是马袅—铺前断裂的分支断裂,沿地表陡坎前缘展布于海口市中心,陡坎两侧地面落差5~15 m,为1条长约8 km的近东西向全新世正断层。然而得出以上结论的依据存在诸多不确定性,首先,从地貌上看,断裂沿线地貌陡坎形态上较曲折,有别于构造陡坎较平直的特点,成因存在不确定性;其次,揭示断层存在的钻孔联合剖面多数钻孔深度为20~30 m,缺少深部构造的支持依据,且揭示的标志性地层高低起伏度较大,地貌形态具有外营力改造特征;最后,根据《海口市活断层探测与地震危险性评价工程技术报告》,有落差的松散灰黑色砂地层为晚更新世早期,其顶部14C测年结果显示距今2.11 ka的地层未见断错,据此判定断层为全新世活动的依据存在不确定性。为此,有必要判断海口市中心海秀断裂存在性与活动性。

由于海秀断裂近东西向展布于海口市中心繁华地段,为经济建设和城市发展规划带来重大影响,准确厘定其几何位置和最新活动特征不仅可以科学评价海口城区地震危险性、合理开展防震减灾规划,为经济建设提供服务,且对全面认识琼北地区地震构造和地球动力学研究具有重要科学意义。基于此,本文在野外地质调查和微地貌测量分析的基础上,采用浅层人工地震勘探和钻孔联合剖面探测相结合的方法,对海秀断裂进行进一步研究。

1 地质构造背景

琼北断陷带内主要展布近东西向马袅—铺前断裂、北西向铺前—清澜断裂和长流—仙沟断裂。其中马袅—铺前断裂西起马袅,向东经马村、长流、琼山至铺前以东,陆上长约100 km,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动了第三系及以前的深部岩层,控制了大型地貌单元的分界和第四系橄榄玄武岩的分布,是1条规模大、切割深的活动断裂(陈恩民等,1989)。人工地震勘探证实,该断裂由多条次级断裂组成,上第三系被断错150~200 m(张新东等,2013刘华国等,2018)。据海口市活断层探测与地震危险性评价研究结果,海秀断裂为马袅—铺前断裂北侧分支,沿地表陡坎前缘展布于海口市秀英区海秀中路以北,向东断续延伸到海口公园北侧及文联路,海秀中路陡坎两侧地面落差10~15 m,和平路南横巷陡坎两侧地面高差5~7.2 m,南升北降,是1条倾向北的全新世活动断裂。


图 1 海秀断裂地质构造简图 Fig. 1 Geological structure map of the Haixiu fault

区内上新世以来的地层包括沉积地层和火山岩地层,沉积地层主要包括:(1)上新统海口组,为海相沉积,岩性以含贝壳的碎屑岩和青灰色黏土为主。(2)下更新统秀英组,下部岩性为杂色或灰白色含砾黏土质中粗砂或黏土质砂砾层,斜层理发育;上部岩性以青灰色含粉砂黏土为主,夹紫红、灰黄及黄褐色黏土和粉、细砂层,水平层理发育。(3)中更新统北海组下层为棕红色黏土砂质砾石层或砂砾石层,上层为棕红或棕黄色黏土质中粗砂。(4)上更新统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。(5)全新统烟墩组为海积、冲积、洪积层,主要有粗砂、中砂、细砂及砂砾,还有粉质黏土、亚黏土及淤泥。火山岩活动期主要包括上新世金牛岭期、早更新世多文岭期、中更新世东英期、晚更新世长流期、全新世雷虎岭期。

2 研究方法

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),多位学者针对隐伏断层探测相继提出了一系列具有指导意义的技术、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),钻孔联合剖面探测是准确厘定断层位置、验证地球物理勘探结果的有效手段。

从地质图和遥感影像上看,研究区位于海口市海口湾附近,海秀断层距海最近距离不足1 km,最远不超过3 km。野外地质调查发现,区内沉积地层以海相砂和黏土为主,地貌陡坎受人为改造破坏严重,但总体较连续,选择3个较典型的地点进行微地貌测量。为获取断裂深部构造特征,分别在海口市区永万路、海港路、滨贸路、人民公园和美舍河西岸开展浅层人工地震勘探。考虑物探结果的不确定性,结合海口市城市活断层揭示的断层位置,分别在海港路和人民公园开展钻孔联合剖面探测,尽可能在断层两盘均布设穿透第四系地层的深钻孔,以更清晰地揭露断层与地层的浅部构造特征,结合地层年代学结果,最终分析厘定海秀断层几何位置和最新活动特征。

3 探测结果
3.1 地质地貌调查与微地貌测量

野外地质调查发现,海秀断裂两侧地形地貌差异较大,断裂北侧地形平坦,南侧海拔偏高,地形略有起伏。在此基础上,分别选择海港路(对应海港路物探测线位置)、滨贸路(对应滨贸路物探测线位置)、人民公园(对应人民公园物探测线位置)布设了3条较有代表性、平面上可控制地貌展布的微地貌测线(图1)。测量结果显示,海港路陡坎高差约15 m,滨贸路陡坎高差约15 m,人民公园陡坎高差约11 m(图2)。由于地表路面硬化严重,地层出露较少,局部出露地表的地层多为海相砂,陡坎两侧出露应为海成阶地。地貌陡坎由于地处市中心,地表形态受人为活动改造较大。鉴于此,本文将遥感影像、1∶10 000等高线揭示的地貌陡坎和断层几何位置进行了对比分析,结果如图3所示。由图3可知,断层与陡坎平面几何展布形态非常相似,弯曲度较大,与断层陡坎多为平直曲线有较大差异。由于地貌陡坎离海岸较近,可能为断层陡坎或海蚀阶地。


图 2 跨陡坎构造地貌测量结果 Fig. 2 The survey result of tectonic landform across scarp

图 3 浅层人工地震勘探线与钻孔位置平面图 Fig. 3 Position diagram of the shallow seismic exploration lines and the drill holes
3.2 浅层人工地震勘探结果

本次跨断层地球物理勘探采用浅层人工地震反射法,分别在永万路(长1 046 m)、海港路(长538 m)、滨贸路(长484 m)、人民公园(长387 m)和美舍河(长462 m)共布设5条浅层人工地震勘探测线(图3)。依据试验结果,选取浅层地震勘探基本参数为:20磅铁锤震源、24道接收、24/30 m偏移距、3 m道间距、8次覆盖、0.5 ms采样间隔、0.5 s记录长度。

永万路测线反射波时间剖面图如图4所示,由图4可知,测试段反射波组分布较连续,未出现明显的错断现象,仅在299~330 cdp出现弱反射波组分布特性,但从图4中仍可看出弱反射波组的连续分布。结合海南省重大工程海秀快速路地震安全性评价项目中开展的钻孔联合剖面资料,对反射剖面进行地质解释,认为本剖面地层中无断裂构造带分布。


图 4 永万路浅层人工地震勘探反射剖面图与地质解释图 Fig. 4 Profile of the shallow artificial seismic and geological exploration on the Yongwan Road

海港路测线反射波时间剖面图如图5所示,由图5可知,156~168 cdp、264~312 cdp出现反射波组间断特性,考虑海口市城市活断层钻孔联合剖面资料揭示的断裂在192 cdp附近通过,开展钻孔联合剖面探测进行验证。


图 5 海港路浅层人工地震勘探反射剖面图与地质解释图 Fig. 5 Profile of the shallow artificial seismic and geological exploration on the Haigang Road

滨贸路测线反射波时间剖面图如图6所示,由图6可知,1~12 cdp、102~115 cdp、156~174 cdp出现反射波同相轴错移。经现场调查,滨贸路与海秀路拐弯处分布有地下排污管道,埋深3 m,直径约2 m,恰好位于物探测线起测段,解释1~12 cdp地震反射波异常为该排污管道引起。102~115 cdp反射波异常对应地形突变的陡坎,震源点位于高坡上,接收点位于陡坡下,钻孔岩芯显示火山角砾岩、凝灰岩较完整,未见层位错断和岩石破碎现象,解释102~115 cdp地震反射波异常为陡坎地形引起。156~174 cdp反射波异常,但地表较平缓,为检查该异常,在滨贸路西侧对应位置平行布置地震短剖面,道间距加密至2 m,其他测试参数同3线,时间剖面图清晰地反映了1条反射波组,对应岩面反射,反射波同向轴横向分布较连续,反射波T0时间为48.2~59.7 ms,未见反射波组同相轴错移。解释156~174 cdp反射波异常是由局部垂向分布的地下管道产生。综合分析认为本测线无地层错断异常存在。


图 6 滨贸路浅层人工地震勘探反射剖面图与地质解释图 Fig. 6 Profile of the shallow artificial seismic exploration on the Binmao Road

人民公园测线反射波时间剖面图如图7所示,由图7可知,出现3处反射波异常,第1处位于68 cdp,该点下方80~180 ms出现反射波同相轴弱错移,且处在第四系地层底板深度最深点,宽约8 m,上宽下窄;第2处位于138 cdp,宽度6~8 m,该点下方出现反射波同相轴错移,浅部左侧以低频成分分布为主,右侧地层频率明显提高;第3处位于175~193 cdp,该段出现弱反射波带,一是由陡坎地形引起(坎下击震,坎上接收),二是由断裂构造带引起(地层挤压错断,层间无波阻抗差异,反射界面消失)。对以上3处可能为断裂成因的异常点开展钻探联合勘探验证。


图 7 人民公园浅层人工地震勘探反射剖面图与地质解释图 Fig. 7 Profile of the shallow artificial seismic and geological exploration in the Renmin Park

美舍河测线反射波时间剖面图如图8所示,由图8可知,出现2处反射波异常,第1处位于34~44 cdp,宽度约15 m,该点下方80~100 ms出现反射波同相轴错移,125 ms以下反射波组杂乱或消失;第2处位于199~214 cdp,宽度23 m,该点下方80~130 ms反射波组出现同相轴弱错移,130 ms以下反射波错乱,反射能量明显减弱,层间无波阻抗差异,反射界面消失。结合海口市城市活断层钻孔资料,认为该剖面地层中无断裂构造带分布。


图 8 美舍河浅层人工地震勘探反射剖面图与地质解释图 Fig. 8 Profile of the shallow artificial seismic and geological exploration along the Meishe River

综上所述,浅层人工地震勘探得到的断错特征不明显,仅在海港路和人民公园剖面上有微弱反映,特征需开展钻探进一步确定。

3.3 钻孔联合剖面探测结果

在野外调查、微地貌测量、浅层人工地震勘探和地层年代样品测试的基础上,分别在海港路和人民公园跨陡坎布设2排钻探剖面,分别钻7、6个孔,每排联合钻孔至少有2个深度>100 m的深孔,最大孔深131 m,最小孔间距8 m,确保揭示出早更新世地层。为明确断层性质及断错地层序列,利用RTK差分校正各孔相对高程。按照城市活断层标准进行岩芯采集与编录、样品采集等工作,对钻孔剖面进行不断加密,直至满足探测要求。由于钻探揭示的多为海相或滨海相地层,参考海口市活断层探测中关于地层划分的主要依据,进行钻探地层对比、分析。同时,为约束地层年代并为地层划分提供参考,在排钻实施过程中分别采集电子自旋共振(ESR)、光释光(OSL)和钾/氩(K/Ar)等多种地层年代样品,根据钻探样品测试结果,按照地层年代进行归类。

3.3.1 海港路剖面

结合已有资料,根据野外地质调查、微地貌测量和浅层人工地震勘探结果,跨地貌陡坎在秀英区海港路布设1条钻孔联合剖面,剖面长约224 m,共实施7个钻孔,钻孔自南向北依次为hglzk7、hglzk5、hglzk1、hglzk4、hglzk3、hglzk2、hglzk6,总进尺795 m,钻孔深度为103.2~131.1 m,钻孔共揭示出7套地层(图9),自上而下细分出10个地层单元,各地层单元特点如下:⑩表层素填土(4~5 m以上)。⑨黄色、褐黄色砂层,粗砂、中砂、细砂、粉砂互层变化,OSL样品测试结果为(89.9±15.3)ka,属晚更新世八所组地层。⑧褐黄色粉质黏土,含斑马条纹,水平层理发育,本层普遍发育,所有钻孔均有揭示,选为标志地层a,OSL样品测试结果为(94.7±18)ka,属晚更新世八所组地层。⑦青灰色黏土,水平层理发育,局部偶见粉砂层和砂质盖板,厚度≤10 cm,底部起伏度较小,所有钻孔均有揭示,选为标志地层b,OSL样品测试结果为(98.3±10.6)ka,属晚更新世八所组地层。⑥上部为青灰色粉质黏土,砂包泥盖板发育,局部发育交错层理,ESR样品测试结果为(862.3±200)ka;下部为青灰(微绿)色细砂与青灰色粉质黏土不均匀交互发育,细砂含贝壳碎屑偏多,一般含量>10%。⑤青灰色黏土,硬塑,固结较好,半成岩,岩芯呈短柱状,ESR样品测试结果为(959±90)ka。④灰白色含生物碎屑与黏土的细砂岩,局部固结较好,岩心完整,所有钻孔均有揭示,选为标志性地层c。③灰绿色含火山角砾的砂岩,夹泥岩,局部固结成岩,顶底起伏度均较小,所有钻孔均有揭示,选为标志性地层d,ESR样品测试结果为(1 507±392)ka。②深蓝色火山角砾岩与凝灰岩互层。①灰绿色凝灰岩,局部夹火山角砾岩,K/Ar样品测试结果为(5 130±940)ka,推测为金牛岭期火山岩地层。


图 9 海港路钻孔联合剖面 Fig. 9 Joint section of the drill holes at Haigang Road using hglzk1 to hglzk6

对比分析剖面揭示的地层单元,可分为a、b、c、d 4个标志性地层。其中,地层⑧为标志性地层a,该层含水平层理发育的斑马条纹,较典型,顶底均有缓倾角起伏,如hgzk5揭示的标志地层a与两侧钻孔有2 m高差,但hgzk5揭示的标志性地层b底界稳定性较好,且钻孔均未揭示构造变形痕迹,推测地层曾受到不同程度的侵蚀。标志性地层a、b采集的OSL样品测试结果为(94.7±18)ka,属晚更新世八所组地层。地层④为标志性地层c,为灰白色含生物碎屑与黏土的细砂岩,与上覆青灰色黏土差异较大,分界线明显,该层顶部向北缓慢下降,但底部地层较稳定,且未见构造变形痕迹,推测为侵蚀改造所致。地层③为标志性地层d,该层灰绿色含火山角砾的砂岩与顶部灰白色含生物碎屑和底部深蓝色火山角砾岩均有较大差异,顶底均较稳定。根据K/Ar样品测试结果,地层⑩为上新世海相喷发的金牛岭期火山岩。综合分析认为,海港路钻孔联合探测深度范围内未见断错地层现象,即上新世以来未发现断裂活动迹象,地层局部发生缓倾角倾斜推测为侵蚀所致。

3.3.2 人民公园剖面

根据野外地质调查、微地貌测量和浅层人工地震勘探结果,在跨地貌陡坎和物探解释异常带布设长约300 m钻探剖面,共钻6个孔,最大孔深114.5 m,总进尺590 m,每个钻孔均揭示出7套地层(图10),自上而下细分出10个地层单元,各地层单元特点如下:⑩棕红色(浅黄色)砂、黏土,局部含黄色斑点,黄色条纹,OSL样品测试结果为(83.5±10.9)ka,地层年代为晚更新世八所组;⑨浅灰色黏土,局部含少量砂质夹层,OSL样品测试结果为(80.8±9.3)ka~(94.8±13.6)ka,属晚更新世八所组或更老;⑧青灰色粉质黏土、细砂,水平层理发育,OSL样品测试结果为(110.4±14.2)ka,样品超出了OSL样品测年范围,误差较大;⑦黄色(黄褐色)细砂、中砂,含有铁质结核,OSL样品测试结果为(110.4±14.2)ka,样品超出了OSL样品测年范围,误差较大,而ESR样品测试结果为(287.2±25)ka,应属中更新世北海组;⑥青灰色粉质黏土,含少量砂质夹层;⑤青灰色细砂、粉质黏土,局部发育成岩钙板,ESR样品测试结果为(706±221)ka~(711.7±199.1)ka;④青灰色粉质黏土,局部夹细砂薄层;③青灰色(偏浅绿色)粉质黏土,ESR样品试结果为(690.3±120.3)ka~(1 211±439.1)ka;②青灰色粉质黏土,含少量贝壳碎屑,水平层理发育;①青灰色粉质黏土,混10%~30%砂颗粒,分选差,ESR样品测试结果为(1 556±720)ka,样品测试误差较大。


图 10 人民公园钻孔联合剖面 Fig. 10 Joint section of the drill holes at Renmin park using zk1 to zk6

对比分析剖面揭示的地层单元,大致可分为a、b、c、d 4标志性地层,其中地层⑨为标志性地层a,该层为浅灰色黏土,与顶部棕红色(浅黄色)砂黏土和底部青灰色粉质黏土差异均较大。该层顶部有缓倾角北倾,但底界稳定性较好,几乎近水平,且钻孔均未揭示构造变形迹象,推测地层顶部倾斜为侵蚀所致,OSL样品测试结果为(80.8±9.3)ka~(94.8±13.6)ka,属晚更新世八所组或更老。地层⑦为标志性地层b,该层含有铁质结核的黄色(黄褐色)中西砂层,受氧化作用影响明显,与上下地层颜色差异较大,分界线明显。该层顶部界线起伏较大,底部界线相对平稳,所有钻孔均揭示构造变形迹象。同时,考虑标志性地层c顶部水平,故推测为侵蚀改造所致或沉积过程中地表水顺砂层输送到地下氧化所致。地层①为标志性地层d,混10%~30%砂颗粒,分选差,与含少量贝壳碎屑的上覆地层差异明显,分界线近水平,钻孔未揭示构造变形迹象,ESR样品测试结果为(1556±720)ka,属于早更新世秀英组。综合分析认为,人民公园钻孔联合探测深度范围内未见断错地层现象,未见陡变地层落差,个别地层发生起伏,推测为外营力改造所致,故早更新世以来未发现断裂活动迹象。

4 断裂存在性讨论

如前文所述,海口市城市活断层研究结果认为海秀断裂是马袅—铺前断裂的分支断裂,是1条向北倾的正断层全新世活动断裂,海口市区现有地貌陡坎为叠加断层陡坎而成,该断裂已出露至地表,即说明正断裂两侧地层存在明显落差,微地貌测量揭示出地貌陡坎最大垂直落差为11~15 m。但多个浅层人工地震勘探剖面结果显示,断裂在剖面显示微弱,断错地层迹象不明显,即深部构造变形微弱,这与地貌陡坎的较大垂直落差特征不匹配。在海港路和人民公园跨地貌陡坎开展的钻孔联合剖面探测验证结果显示,钻孔揭示出的多套标志性地层整体较稳定,钻孔深度范围内局部发育地层小角度倾斜或起伏,均未发现地层断错现象,也未发现地层中断裂发育迹象,推测地层起伏为古地貌面或不整合面所致,钻孔联合剖面探测揭示的地层对比分析未发现断裂活动导致的浅部构造变形。为尽可能揭示断层构造变形演化历史,揭示出早第四纪地层或更老地层,钻探最大深度达131 m。根据海口市城市活断层测年结果,推测钻孔揭示的地层可能超出碳14测年方法有效范围,故采用了多种测年方法相结合的方式,尽可能消除测年方法的局限性,获取相对合理的地层年代,减小地层年代限定的误差。2排钻孔揭示的最老地层年代分别为5130、1221 ka,分属上新世金牛岭期火山岩、早更新世秀英组地层,即上新世以来,海秀断裂在探测深度范围内不存在。

海秀断裂与马袅—铺前主断裂的距离为5~7 km,断裂平面几何展布形态弯曲度较大,与海口市中心现存地貌陡坎形态高度一致,这与正断层活动易形成相对平直的断层陡坎的认识有较大差异。由图3等高线展布情况和遥感影像揭示的第四纪环境情况可知,该地貌陡坎离海岸较近,钻探结果同样揭示出了多套海相、滨海相、泻湖相沉积,推测地貌陡坎可能为多期海退海进形成的海蚀阶地坎,陡坎南北侧应分属海成二级阶地和海成一级阶地,可排除断裂活动导致该陡坎的可能。

综合分析认为,海口市区原断裂沿线的地震危险性被高估了,经济建设不需要考虑断裂避让问题,从而使海口市中心大量宝贵土地资源得到利用。本研究成果验收时得到行业内专家的高度认可,已应用于海南省自贸港规划建设中,有效支撑了海南自贸港的发展,对海南自贸港的发展规划和经济建设具有重要实际意义,且对科学评价区域地震危险性、全面认识区域地震构造特征具有重要科学意义。

5 结论

本研究利用野外调查、微地貌测量、浅层人工地震勘探、钻孔联合剖面探测及地层年代学相结合的方法对活断层探测揭示的海秀断裂进行了综合研究。结果表明,上新世以来,海口市原海秀断裂在探测深度范围内不存在,现有地貌陡坎应为海蚀阶地坎,可排除断裂陡坎的可能,原来断裂沿线区域的地震危险性被高估了,经济建设和发展规划可不考虑该断裂的避让问题。

致谢 感谢中国地震局地质研究所研究员冉勇康与杨主恩、中国地壳应力研究所研究员江娃利、应急部国家自然灾害研究院研究员徐锡伟与张世民在项目野外验收中给予的指导和建议,感谢审稿专家提出的宝贵意见和建议,感谢海口市应急管理局(民防局)在钻探施工过程中给予的帮助。

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