北京南口—孙河断裂北西段综合物探剖面定位及其活动性研究.docx

1、北京南口孙河断裂北西段综合物探剖面定位及其活动性研究张磊I,白凌燕。蔡向民I王继明I,王志辉I,柳长峰2,周秋荣I,贺文静I(I.北京市地质调查研究院，北京102206；2.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院，北京100083)摘要：通过可控源音频大地电磁测深、浅层地震和氢气测量等多种地球物理探测手段建立综合剖面，对北京南口_孙河断裂白浮_百善段做出精确定位。同时开展钻探工作，利用沉积相分析、磁性地层学等方法对钻孔地层剖面进行对比分析，对南口_孙河断裂北西段第四纪以来的活动性进行探讨。研究结果表明，主断裂在该段位置的延伸情况与前人资料所提供的位置相比向北东方向偏移500-800百善联合钻孔

2、则得出该断裂中更新世、晚更新世和全新世以来的垂直活动速率分别为0.12nm./a,0.58nw./a,0.31mm/a，活动性特征表现为由弱到强、再到弱的总体规律。由此可见，建立物探综合剖面并辅以钻孔，对于城市隐伏断裂的定位具有较好的效果，可查明城市活动断层的位置并对其活动规律进行分析，继而采取防范和避让措施，对减轻城市地震灾害实际应用评估具有十分重要的意义。关键词：隐伏断裂；地球物理探测；综合剖面；活动速率；南口_孙河断裂中图分类号：|«631文献标志码：a文童编号：10()0-8527(2014)0】-0234-09StudyonthePositionofNorthWestSec

3、tionofNankounSunheFaultinBeijingandItsActivityZHANGLeP，BAIHng-yanCAIXiangrnin'，WANGJiiningWANGZhihi,，LIUChang-feng2*ZHOUQiu-wng1HEWenning,I.BeijinghuMulcof(<oh>gualSuwyBeijing102206*China*2.SduwlofEarthSdentti<uulReMurces*ChinaUnhrrsilyof(HM(iences'Beijing【00083，ChinaAbstract,Thecom

4、positeprofileofsomegeophysicalexplorationmethodsrincludingcontrolledsourceaudio-frequencymagnetotelluricemethodrshallowseismicandradonmethods*wasusedtopinpointthepositionofBaifu-BaishansectionofNankou-Sunhefault.Bystudyingtheboreholesedimentaryfaciesandthemagnetostragigra-phycharacteristicsrthispa|)

5、erdiscussedtheactivityofNankou-SunhefaultinQuaternary.Theresultsshowthatthepositiondisplacementofthemainfaultisfrom500to800meteisalongNEdirectioncomparer!withpreviousreports.TheresultoftwoboreholesinBaishanshowsthatthefault%verticalrateis0.12mm/a*0.58mm/aand0.31nun/ainMiddlePleistocene*LatePleistoce

6、neandHolocene*respectively.Tlieactivityofthefaultisweaktostrongzandthenweak.Thereforercombinedwithboreholeprofiles，thecoinpn*hensivegeophysicalprofilecanpinpointthelocationofburierlactivefaultsincities*andcanbeusedtoanalysisthefaultszcharacteristics,providingvaluableinformationfortakingeffectiveprev

7、entivemeasurestoreducethedisasterinurbanareasandtoprotectthelivesandpropertiesofpeople.Keywords'l)urie(lfault,geophysicalexploration,joinprofile*activityrate*Nankou-Sunhefault收稿日期：20134)121；改回日期：201311T4；责任编辑：潘令枝.基金项目：北京市地质矿产勘查开发局项目“北京规划新城前期区域工程地质勘查”(2007158202035983),作者简介：张磊，男，工程师，1982年出生，生态地质学

8、专业，主要从事活动断或研究.Email：ikkibab126.c«n0引言由于活动断裂是指现今正在活动的线性构造，它与地震和地质灾害密切相关城市隐伏活动断裂的突发错动产生的大地震和地表位错，会对城市安全和人民生命财产造成重大危害日。确定活动断裂的精确位置，对于城市土地利用及城市规划建设具有指导性的意义北京地区对于活动断裂的研究工作已取得了显著成绩2,但由于该项工作的难度和其他多种原因，隐伏断裂的探测研究尚有许多问题需要系统的深入研究南口_孙河断裂是华北地区环渤海张家口断裂带中一条重要的晚第四纪活动断裂20世纪70年代末期北京地震地质会战期间布设的钻孔及地球物理勘测，证实该断裂带在第四

9、纪时期存在强烈活动。地貌学家依据平原古河道变迁，曾提出该断裂在全新世存在活动日、2001年江娃利等在昌平区旧县村开挖探槽对南口_孙河断裂的古地震事件进行了研究，得出全新世时期该断裂曾发生3次古地震事件，并指出该断裂是北京地区未来发生强震的构造区域3n本项调查表明受其活动性影响，该断裂带北西段沿线发育具良好线状特征的地表塌陷、房屋开裂等次生地质灾害现象本文依托北京昌平规划新城前期区域工程地质勘查项目，通过多种物探手段探测分析对比，建立综合剖面，对工作区内的南口_孙河断裂进行精确定位，并利用钻孔剖面进行对比，对物探工作进行验证的同时开展断裂的活动性研究1南口_孙河断裂概况南口_孙河断裂是首都圈平原

10、区一条北西向的活动断裂，也是环渤海一张家口断裂带中一条重要的隐伏、半隐伏的晚第四纪活动断裂该断裂北西端起自昌平县南口镇，向南东方向经七间房、百泉庄、东三旗、孙河至通县，总体走向310。，长约80km断知活动表现为枢纽方式，北西段自南口至北七家，断面倾向南西，倾角70。左右，控制了北西向马池口_沙河第四纪凹陷的发育，凹陷内第四系最大沉积厚度为600m；南东段自北七家至孙河段，断面倾向北东，控制了顺义凹陷南界东坝沉积中心，凹陷内第四系最大沉积厚度700800m从地貌上看，温榆河的流向也明显受断裂控制的沉降区影响，总是在断裂的下降盘边缘流动，且其穿过断裂的位置也在百善东部中国地套局曾在该断裂北西段的

11、雪山村、旧县村和百泉庄等地区做了大量的研究工作，通过钻探工程和槽探工程，取得了该断裂展布及活动性的详细资料-8-14-l6U9-2pO2地球物理探测综合剖面法城市活动断裂常为第四纪松散沉积物所覆盖，成为隐伏断裂，因此，地球物理勘探成为主要的探测方法常用的地球物理探测手段有地震勘探、直流电测深、探地雷达、井间地震和电磁成像及高精度重力测量等早品次工作在已有资料基础上对工作区白浮百善段布置了沙河高教园测线（ID1线）、东沙屯测线（L02线）、东沙河测线（H），线）和顺沙路测线（m2,线）4条综合物探测线（图1）,采用包括氧气尽量、浅层地震和可控源音频大地电磁测深（CSAMT）"不同的物探

12、测量手段，达到相互印证精繇定位的目的本次可控源音频大地电磁测深（CSAMT）系统的接收机采用加拿大凤凰公司的V8多功能电磁系统，发射系统为该公司生产的30kW的T30发射机；发电机为国产的BE30,磁棒型号为AMT25,测量电极采用固体不极化电极反演结果数函B用“Surfer8.0"进行网格化，根据点距网度定为50X50*网格化以后数据使用“Manzis67"绘制''反演电阻率断面图”，并在其基础上进行解释浅层地震探测使用的抗干扰高分辨率地震系统为美国生产的STRATAV1SORNX60，设置参数为：道间距3血，炮间距6nr偏移距024m，叠加次数15次，6

13、0道接收，单边排列资料处理工作是在奇国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所的SUNBlade2500工作站上进行的，使用的处理软件为帕拉代姆地球物理公司生产的专用地震处理解释软件包FOCUS和Geodepth等商业处理软件。瞬时氧气测量仪器选用上海申核电子仪器有限公司生产的FD-3017A型镭A测氯仪，进行10m点距测量，测量浓度曲线采用五点平滑处理2.1沙河高教园删线（L01线）该测线位于研究区中部，西南起北京航空航天大学新校区，东北至东沙屯村北草莓园采用的物探方法为可控源音频大地电磁测深（CSAMT）和 北京地履地质办公室北京地震地质会战第四专题成果：北京平原区全新世构造活动调查研究.19

14、82做。何营。曰平共城南LOT屯张各庄双塔II北。陶所屯斤-悼村巩伊城段。老牛湾ZK.IOX'兰堡。上东辄曲沙断*.12K109河116220"卬控商=MiT断染也姬测深Ir南监116°。14'三浅层也席三htiR'UitE3氛弋街试E3己竺砌装位舌一上魁20向浮、鼓屯/0，L02。孟祖大血m主畸裂m主断芸订枯孔工作区综合物探测线部署图irtisive图1Fig.1Mapshowingthel（M：ationofcornprrl氧气测量，测线位置基本重合解译结果绘制的综合剖面如图2所示。CSAMT解译结果（图2（P）表明，在2425m附云反演电阻率断

15、面客在一个明显的低阻异常带，犹如楔子一般插入地下，向下延伸.低阻带两侧视电阻率梯度变化较大，说明两侧存在明显的电性差异，推测为断裂破碎造成地下充水，以致电阻率骤降，并以此推断在2425m附近为主断裂所在位置氧气删量浓度曲线采用五点平滑处理（图2，），其中25602960m之间出现明显的高言区间，推断应为氯气沿主断裂带散逸形成综上所述，南口孙河断裂在基岩上错断了青白口系地层，断裂带宽度约500m，该段共解译出2条次级断裂，主断裂倾向南西，倾角约为65。，土断点埋深约20m（图2（C），两种方法所示主断裂位置基本吻合，2.2东沙河测线（L01，线）该测线布设于工区中部，沿东沙河西岸河堤布设，西南起

16、西沙屯村南河堤，东北至化庄村东侧，采用的物探方法为浅层地震和氧气测量，测线位置基本重合。解译结果绘制的综合剖面如图3geophysicalsurveylinesinIliestudyarea所示。浅层地震解译结果显示（图3（b），位于测线1900m附近的断层特征十分明显，在断层上盘地震反射波组丰富，在断层下盘反射波组仅出现在剖面浅部，在剖面深层，几乎看不到连续性较好、能量较强的反射波.在解释的断层处，分布有一定宽度的弱能量条带，分析原因可能与破碎带有关,该断层使地震偏移剖面上的所有反射波组都发生了错断，推测为南口_孙河断裂的主断裂，氧气浓度曲线采用五点平滑处理（图3。），1900-2200m之

17、间存在明显的高值区间，推测其为主断裂置以上两种方法所示主断裂带位置基本吻合综上所述，南口孙河断裂在基岩上错断了青白口系地层，断裂带宽度约800m，该段共解译出3条次级断裂，主断裂倾向南西，倾角约为75。，上断点埋深约80m（图3（c）。2.3东沙屯测线（L02线）该测线位于工区最南端，西南起百沙路与京昌快速铁路交汇处，东北至孟祖村采用的物探方法为可控源音频大地电磁测深（CSAMT）和氨气测量，测线位置基本重合，解译结果绘制的综合 北京市地质矿产勘查开发局.北京市多参故立体地质调查第一专趣：北京平原区新生界立体地质调查2007.NF450OIMIWI30522I,S、M)妥怒y部图2高教园测线（

18、项测线）物探解释综合剖面图Fig.2PrcrfiiesofgeophysicalexplorationinGaojiaoyuan58剖面如图4所示。CSAMT解译结果（图4（b）表明剖面2500m附近，反演电阻率断面存在一个明显的台/异常，说明两侧地层存在明显的电性差异，以此推断在2500m附近为主断裂所在位置，断裂倾向南西，赤角约为75。氧气浓度曲线采用五点平滑处理（图4。），在25003100m之间出现明显的高值区间，推测为主断裂位置两种方法所示主断裂位置吻合综上所述，南口孙河断裂在基岩上错断了青白口系地层，断裂带宽度约700m,该段共解译出3条次级断裂，主断裂倾向南西,倾角约为65。，上

19、断点埋深约40m（图4（c）2.4顺沙路测线（L02'线）该测线位于工区南部，测线沿百沙路布设,西南起百沙路与南丰路交叉路口处，东北至六环路边。采用的物探方法为浅层地震、抗干扰电法和氧气测量，测线位置基本重合商译结果绘制O的联合剖面如图5所示。地震剖面（图5（1）指示2ioom附近的断层特征十分明显，在断层上盘地震反射波组丰富，在断层下盘反射波组仅出现在剖面浅部，在剖面中深层几乎看不到连续性较好、能量较强的反射波，在解释的断层上盘，地震£射波组在解释的断层处向上倾斜，且具有一定宽度的弱能量条带，该断层使地震偏移剖面上的所有反射波组都发生了借断-推测为南口断裂的主干断裂.氧气浓

20、度曲线采用五点平滑处理（图5）,在15002100m之间存在明显的高值区间，对应南口_孙河断裂带，两种方法所示主断裂位置吻合。综上所述，南口_孙河断裂基岩上错断了青白口系地层，断裂带宽度约700m，该段共解译出2条次级断裂，主断裂倾向南西，倾角约为76。，上断点埋深约60m（图5（c）。3活动性分析在地质探测中，开展钻探工程已成为常用的方法。本项目在上述地球物理探删所确定的断裂位置基础上，选取研究区布设钻孔，(X?二度泛rM(X?二度泛rM100。图3东沙河测线（31，测线）物探解释综合剖面图Fig.3ProfilesofgeophysicalexplorationineastShahc验证综

21、合物探方法所得成果，同时对钻孔岩心进行沉积相分析，结合古地磁测试年龄等进行地层对比，确定南口_孙河断裂段第四纪以来的活动特征本次工作在昌平百善镇以西顺沙路南侧农O田中布置钻孔2个（图6）。109#孔位于南口一孙河断裂下盘，孔口标高42.27m，在88.0m深度处揭露基岩，岩性为元£序青白口系下马岭组炭质页岩.108#孔位于南口一孙河断裂上盘，孔口标高41.12m，在400.5m深度揭露基岩（孔深457m）,岩性为元古宇青白口系下马岭组炭质页岩。磁性地层研究表明3）：109#孔B/M界线，即中更新统和下更新统界线深度为24.1m；108#孔B/M界线，即中、下更新统界线深度为117mo

22、下更新统岩石组合总体为一套河湖相的粉砂、砂质粘土、粘质砂土、淤泥质粉砂及淤泥质砂葆粘土沉积_沉积物总诏颗粒较细，粉砂成分含量较高，沉积物的颜色从上至下为褐黄色褐灰色_灰黑色一棕红色，逐渐过渡，组成多个沉积旋回下部主要为一套棕红、棕黄色粘质砂土、粉砂及淤泥质沉积物，具浅晶相沉积的特点，鬲部混有棱角一次棱角状碎石，成分多为下马岭组页岩,局部夹有多层角砾石层和砂砾石层，属山前洪积扇中心相中部主要为淤泥质砂质粘土和粘质砂土互层，中间夹有多层细砂层、中粗砂或砾石层,砂砾石层中多混有泥质，细砂层中具有水平薄层理，淤泥质沉积物主要为青灰色、青绿色，比较致密坚硬，粘质砂土以棕黄色、谴红色为主，具铁质斑点或结核

23、，具有河流相赤湖沼相交替的特点,上部岩性主要为骨灰色、淡青色淤泥质粘质砂土或砂质粘土、黄褐色粘质砂土、浅灰色中粗砂及砂砾石层，其中淤泥质沉积物帝普遍见有螺类化石，粘质砂土层中见有铁质斑点及钙质结核, 北京市地质矿产勘查开发局.北京规划新城前期区域工程地质勘查)10000900()8000700060003()0040<K)3000200<)KMK)NE45*属湖沼相或湖沼边缘相。该套地层不整合于元古宇下马岭组地层之上，磁性地层柱未见高斯正极性世，本区缺失第三系中更新统下部以灰绿色、浅灰色砂质粘土、粘质砂土粉砂组成多个沉积/回，并见有钙质结核及螺类化石碎片，局部夹有中粗砂层及砂砾石层

24、，属河流相沉积；中部以黄褐色、浅灰黄色粘质砂土、淤泥质砂质粘土为主，夹有云砾石层及中粗砂层，具河流相、河漫滩相的二元结构特征；上部以褐黄色粘质云土、灰黄色砂质粘土构成多个韵律层，属水动力较弱河流相及湖沼边缘相108#孔剖面87.1117m之间与109#孔剖面14,124.1m之间沉积物组合总体特征相同，岩性以砂房粘土、粘质砂土、粉砂为主，08#孔岩性以灰白色、黄色浅黄色的中粗砂细砂粘质砂土、砂质粘土组成几个向上变细的韵律层,表明当时水动力环境是有规律的变化；在中粗砂层中，普遍见有小砾石，砾石成分主要为中酸性火山岩，呈次圆状，结构较松散，属河流相沉积。109#孔岩性为褐黄、灰黄色粘质砂土和砂质粘

25、土互层，并夹有数层粉砂组成多个韵律层，是河流相与浅湖沼相交替出现的结果通过上述剖面岩石组合特征所反映的沉积环境变化，结合北京地区第四系划分确定了上更新统和中更新统的界线,109#孔界线为14.1m，108#孔界线为87.1m.对浅部地层开展了“c同位素测年，109#孔深度3.9m处获得年龄(13870±60)a，108#孔深度7.2m处获得年龄(12840±60)a，沉积物总体为一套湖沼相及河流相沉积。沉积物的颜色一般较深，为灰黑深灰褐灰色等，岩性以淤泥质粉砂)0)0x)o0(0(>(0(5432(官己二些浇尸械U781724197022162462昨离/m180()

26、20002200240026002800300C图5顺沙路测线(02顷线)物探解释综合剖面图Fig.5ProfilesofgeophysicalexplorationinShunshaRode粘土、粘质砂土为主，并夹有黑色淤泥层及泥炭层，局部见有褐黄色粉砂质粘土，粘质粉砂，含大量锈斑，属洪泛平原沉积，因此，确定08#孔、109#孔的全新统底界分别为4.4m和2.1m。通E上述综合分析，建立了本区第四纪南地层格架,如图6所示。南口一孙河断裂上、下盘第四纪以来不同时间段内的地层岩性、沉氧厚度或者堆积速率具有明显差异，具体表现为上盘较下盘同时代的沉积物厚度增大、细粒沉积物层数增多和堆积速率增高等特征

27、，它们客观地记录了该断裂两侧垂直差异运动的过程一本文的分析假定断裂无端滑活动,断裂两侧的垂直差异运动是通过粘滑错动实现的108#孔和109#孔分别位于断裂上盘和下盘，孔口标高落差i.i5m，中更新世、晚更新世和全新世以来南口孙河断裂两盘的累积垂直落差分别为94.05m、74.15m、3.45m，参考2012年国际地层年表第四纪地层界线划分，得出南口_孙河断裂中更新世、晚更新世和全新世以来的垂直活动速率分别为0.i2nun/a、0.58mm/a、0.31mm/a<>由此可见，南口孙河断裂北西段自第四纪以来活动强烈，中更新世晚更新世全新世总体活汇向此60-山反向.：.：粉砂钻孔图6钻孔

28、柱状剖面对比图布容上砂舍撕f<9波成；"交原'英格上黑°I矿岩；,带I二£宕Fig.6C<xi!rasldiagramoflx)r<4iolcpn)filcs布容.止向IttZklG9岩性柱060120m动规律表现为弱_强_弱的特点北京山区第三纪地层总体抬升，第四纪以来具有继承性.从初步推算出的各地史阶段山区上升速度可以看出第四纪时明显高于第三纪，尤其是从中更新世晚期开始表现为强烈上升，其速度大大高于新生代的任何一个地史阶段，预测今后山区仍将有加速上升的发展趋势早更新世山体上升120m，隆升速率0.08nun/a；中更新世山体上升60m，

29、平均隆升速率0.075mm/a；晚更新世山体上升72m，隆升速率为整个第四纪以来的最大值，达到0.82mm/a；全新世山体上升28m，隆升速率0.66nun/aWo综上所述，北京地区山体隆升速率变化特征从中更新世至全新世总体表现为慢_快_慢的特点，南口_孙河断裂第四纪的活动性规律表现为中更新世_晚更新世全新世总体活动规律呈现弱_强_弱的特点，这一规律与北京山区隆升速率变化的特征基本吻合O4结论通过上述研究，对北京南口一孙河断裂定位研究得到如下几点认识：（1）利用综合物探探测方法建立联合剖面是开展平原区隐伏活动断裂定位研究的有效手段可控源电磁测深和抗干扰电法对于确定基岩断裂的效果较好，浅层地震则

30、具有较高的分辨率，适用于分析中深层次的地层错断一氧气测量可以作为较好的定位方法辅助应用（2）通过对物探联合剖面进行对比分析得出,南口一孙河断裂在白浮一百善段所判定的主断裂位置较巳有资料向东北方向偏移500-800mo（3）通过钻孔地层对比，南口_孙河断裂两盘的中更新统、上更新统和全新统累积垂直落差分别为94.05m、74.15m、3.45m，由此得到该断裂中更新世、晚更新世和全新世以来的垂直活动速率分别为0.12mm/a、0.58mm/a、0.31mm/a。由此可见，南口孙河断裂第四纪以来活动强烈,中更新世晚更新世-全新世总体活动规律表现为弱_强_弱的特点。其活动特点与北京山区隆升速率变化特征

31、基本吻合，致谢：感谢中国地质大学（北京）刘文灿教授,中国地震局地壳应力研究所江娃利研究员在成文中给予的指导和帮助参考文献：邓起东，徐锡伟，张先康，等.城市活动断裂探测的方法和技术早.地学前缘，2003*10（1）：93-104.y徐海鹏，李树德，杨景春，等.北京南口山前断裂活动及其对地貌发育的影响中国地理学会.中国地理学会第一次构造地貌学术讨论会论文选集.北京：科学出版社，1984-40-46.黄秀铭，汪良谋，徐杰，等.北京地区新构造运动特征9.地震地质，1991，13。：43-51.y江娃利，北京平谷地区地表陡坎的成因识别早地震地质，1999，21（4）：309-315.&向宏发，方

32、仲景，费三发，等.隐伏断裂研究及其工程应用一以北京平原区为例皿.北京：地寅出版社，1994：1-97.y车兆宏.南口孙河断层活动性研究字.地震地质，199416（2）:115-120.郭旭东，严富华，黄秀铭北京西山新构造运动的分期9.现代地质，1995,9（1）：51-59.R向宏发，方仲景，张晚霞，等.北京平原区隐伏断裂晚第四纪活动特征的联合剖面研究早.地展研究，1996，18（I）:75-79.6】张福存北京正负电子对撞机断裂场地稳定性评价早岩土工程学报，1996，18（2）:69-74.W闻学泽.时间相依的活动断裂分段地真危险性评估及其问题吊.科学通报，1卯8,43（14）：1457-1

33、466.折徐锡伟，计凤桔，于贵华，等.用钻孔地层剖面记录恢复古地蔑序列：河北夏垫断裂古地质研究早.地震地质，2000*22（I）：9-19.02】江姓利，侯治华，肖振敏，等.北京平原夏垫断裂齐心庄探槽古地宸事件分析早.地震地质，2000,22（4）：413-422.qi邓起东，张培震，冉康勇，等.中国活动构造基本特征9.中国科学：D辑，200232（12）：1020-1031.5J张世民，王丹丹，刘旭东，等.北京南口一孙河断裂带北段晚第四纪活动的层序地层学研究早.地宸地质，2007,29（4）:729-743.qj张世民，王丹丹，刘旭东，等.北京南口_孙河断裂晚第四纪古地震事件的钻孔剖面对比与分析早.中国科学：d辑，2008，38（7）：881-895.叩柯柏林，北京平原区北部孙河断裂的地熟地质特征早，现代地质，2009，23（1）：43-48.5李乐，陈棋福.利用重复地煤估算北京平原地区隐伏断裂深部的活动速率9.地箴地质，2010，32（3）：508_519.（8）胡平，刘保金，白立新，等.奥林匹克公园地区隐伏断裂综合探测早地球物理学报，2010,53（6）：1486-1494.（9）江娃利，侯治华，谢