北京平原区地质检查及成因分析

北京平原区地质检查及成因分析

0北京气候特点北京位于中国北方平原的西北角。其地理位置为东经1152511730，北纬39264103，面积16097.8公里。其中山区面积为10417.5km2,占总面积的62%;平原区面积为6390.3km2,占总面积的38%。从总体上看,地势西北高、东南低,西部是太行山余脉的西山,北部是燕山山脉的军都山,两山在南口关沟相交,形成一个向东南展开的半圆形大山弯(即人们所称的“北京弯”),环绕着一片缓缓向渤海倾斜的北京小平原。北京山区的海拔高度一般为1000～1500m,平原的海拔高度一般为20～60m。境内分布着永定河、潮白河、北运河、大清河及蓟运河五大河系,共有支流100余条。北京的气候为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候,四季分明,春、秋短促,冬、夏较长。夏季炎热多雨,冬季寒冷干燥。年平均气温为10～12℃,极端最低-27.4℃,极端最高42℃以上。年平均降水量600多毫米,为华北地区降水量最多的地区之一。降水季节分配很不均匀,全年降水约75%集中在夏季,7、8月份常有暴雨。在长达数十亿年的地球演化过程中,北京地区经历了一系列复杂而又剧烈的构造运动,形成了在区内广泛分布的基底构造和盖层构造。复杂的地质构造,剧烈的人类活动,特别是频繁的新构造活动,对北京地区的地质环境造成了巨大危害,并引发了地震、地裂缝等许多不良地质现象。1北京平原区构造演化期新构造是指自新近纪到第四纪初期的地质构造。前苏联的构造学者曾普遍认为,新构造时期的构造运动性质,与以前地质时期有本质区别,强调垂直振荡运动是新构造运动的基本特征。板块学说兴起以来,对上述观点有所冲击,认为新构造时期的构造运动性质,与以前地质时期没有本质区别,仍是以水平运动为主导的。对于新构造活动的时限和基本特征,至今仍存在着多种认识和不同见解。(地球科学大辞典,2006)万天丰(中国大地构造学纲要,2003)将78万年(中更新世)以来活动过的构造作为新构造,认为在中国大陆普遍存在早更新统与中更新统之间的角度不整合,中更新世以来构造活动的特征基本一致,且相当稳定,与新近纪及早更新世的喜马拉雅构造期的构造活动完全不同,应作为一个刚刚开始的新的构造演化阶段。这个观点得到了较多地质专家和学者们的认同,也是本文所采纳的观点和依据。北京平原区在大地构造上位于中朝准地台北部,地处祁、吕、贺山字形构造反射弧与阴山东西向构造带的交汇部位,经历了印支、燕山及喜马拉雅等多期构造运动,地质构造较为复杂。其中,印支期构造主要表现为在伸展体制下较深构造层次发育的固态流变构造和塑性变形以及收缩体制下的褶皱构造,形迹展布多呈近东西向;燕山期构造主要表现为在伸展体制下形成的北东东—北东—北北东向新生性和继承性火山构造盆地以及在收缩体制下形成的北东东—北东—北北东向褶皱及逆冲—逆掩—推覆断裂带,此外还相伴产生有一系列北西向张性断裂;喜马拉雅期构造不甚发育,主要表现为一系列的北东向正断层,形成了延庆—怀来盆地、北京断陷盆地以及顺义、马池口凹陷等。北京平原区的新构造活动强烈,并以断裂垂直活动为主。其中,活动性比较明显的断裂主要有黄庄—高丽营断裂、良乡—前门—顺义断裂、南苑—通县断裂以及马坊—夏垫断裂等(图1)。它们组成了密云—北京—涿县活动断裂带及平谷—三河活动断裂带,形成了北京平原区两隆一凹的构造特征。现对其中几条主要的活动性断裂构造进行简要介绍。1.1红流山-红用沸石断裂图7该断裂沿NEE走向,北起密云西田各庄,向南西经过怀柔、高丽营、北京西直门、房山,至河北涞水附近,全长近132km,是古近系—新近系组成的北京凹陷的西界主控断裂。据北京地震地质会战浅层人工地震成果资料,该断裂两侧的第四系落差达140～280m,由此计算得到该断裂北段在第四纪平均垂直滑动速率为0.11～0.17mm/年。在该断裂南段芦井村北,见该断裂错断了中更新统和上更新统沉积地层(图2)。从图2中可明显看出,该断裂两侧中更新统红棕色黄土(Q2)的沉积厚度不同。其下盘的红棕色黄土堆积在侏罗系中统髫髻山组(J2t)火山角砾岩之上,厚约5m,上覆晚更新统黄土(Q3),二者的分界面高出地面约4.5m;其上盘由红棕色黄土组成的陡坎高约18m,上亦覆晚更新统黄土,但髫髻山组火山岩基座未出露地表。可见,基岩面的垂直落差至少在13m以上。由于火山岩与红棕色黄土的分界面是新的较平直的剪切面,故基岩面的垂直落差是构造运动造成的,而非原始地形陡坎或老断层崖所致。在该断裂中段高丽营镇西王路村西南,可清楚看到该断裂的揭露情况(图3)。该地段断裂走向约70°左右,断裂面向上延至地表,倾向南东,倾角为55°～60°。断裂错断了第四系中的灰色有机质层,垂直位错约1.5m。在附近的探槽断面上,也可清楚看到地层的缺失、重复、厚度变化及超覆现象。这说明该断裂至今仍在活动。1.2条北北东—良乡—前门—顺义断裂(F2)该断裂南起良乡,向北东经丰台、北京前门、天竺、北采—木林,全长约90余千米。据钻探和物、化探资料,该断裂是由数条北北东—北东向断裂组成,这些断裂总体呈35°～45°方向展布,在走向上并不连续。断裂面倾向南东,倾角较陡,随着向深度延伸,倾角逐渐变缓。据探槽揭示(图4),该断裂错断了第四系地层,错距约0.3m左右,断裂显示出正断层性质。根据地表调查追踪,发现沿该断裂方向普遍发育地表破裂,从众多地面建筑物上出现的裂缝来看,断裂具右旋拉张性质。1.3基岩结构异常图分析该断裂南起新城西,向北经塔上、古城、葫芦堡、南苑西、定福庄、翟里—沙岭,全长约130余千米。据钻探和物、化探资料,该断裂在基岩埋深等厚图上表现为一明显的梯度带,在区域布格重力异常图上的异常梯度可达4～6毫伽。在高碑店—平家疃段,断裂面倾向北西,错断了第四系地层;在通县—翟里一带,断裂对第四系和古近系—新近系的地层分布具有明显的控制作用。1.4第四系同生断系特征及生长盘厚度随高度1.该断裂为大兴凸起与大厂凹陷的分界构造,南起永乐店,北经西集、潘各庄、夏垫—马坊,全长约70余千米。断裂总体走向为30°左右,倾向南东,倾角约60°～70°,为一高角度正断层。据钻探和物、化探资料,该断裂东南侧第四系的沉积厚度为700m,而西北侧第四系的沉积厚度仅为300～400m,两盘的第四系厚度相差约300余米,地下水埋深也有较明显的变化。断裂面产状显示出上陡下缓的变化趋势,表明该断裂具有同生断裂的特征。据北京地震地质会战成果资料,其生长系数(即下降盘地层厚度与上升盘厚度的比值)为1.8～1.9。据向宏发等人研究(1989),该断裂不仅在早、中更新世活动强烈,而且自晚更新世中、晚期以来仍有活动。2新构造活动导致的地质条件恶化频繁的新构造活动,严重地影响着北京平原区的地质环境,并引发了许多不良地质现象。其中,较为常见的有地震、地裂缝以及地面不均匀沉降等。2.1与区域构造的关系地震是构造活动的产物,是构造活动一种特殊的表现形式。自有历史记载以来,北京市区共发生5级以上强震19次。其中以1057年发生在今北京市区附近的634634级地震和1679年发生在平谷马坊的8级地震对北京的影响最甚,破坏最为严重。1950年以来,北京市区虽未发生过强破坏性地震,但4级以下有感地震却发生过多次,最近的一次当为1996年发生在顺义的4.0级地震。这些地震多集中发生在两个地区,一为北京—平谷地区,一为延庆怀来地区(图5)。纵观北京地区地震与活动构造之间的关系,大致具以下几点规律:(1)地震多呈带状分布,且多与活动构造带相重合。据统计,平谷—三河活动断裂带上先后发生过四次5级以上地震;密云—北京—涿县活动断裂带上先后发生过六次5级以上地震。现今仍有小震、微震。(2)发震构造多为北北东向,与区内活动构造带基本格局一致。地震的发生明显受控于上述两组活动断裂带构造。(3)主压应力轴多为北东向,其次为北东东向,仰角一般不超过30°,说明导致现今地壳运动直至发生地震的地应力以水平作用力为主。这与根据活动断裂的格局及运动方式所推导出的应力场基本是一致的。由此可以看出,北北东向活动断裂带是北京平原区地震带的主要发震构造。2.2区域分布现状地裂缝灾害是地质灾害中的一种地面变形灾害。在自然界中,引起地裂缝的因素是多种多样的。其中构造成因的地裂缝是构造活动在地面上反映出的最新构造形迹,是地应力作用的结果。北京平原区历史上曾多次发生较强烈的地裂缝灾害。如公元294年,“上谷地震……居庸地裂,广三十六丈,长八十四丈”;公元1679年,三河、平谷一带发生8级地震,“顺义旧署、城垣俱倾,民居尽圮,地裂尺许,中出黑水”。1976年唐山发生7.8级大地震,直接或间接地导致了北京昌平南新村、通县西集乡、顺义俸伯镇以及房山小次洛村等地出现了地裂缝,其中,尤以昌平南新村所受的灾害最为严重。据不完全统计,从1975年至今,北京发生了多处、多起地裂缝灾害,它们主要分布在平谷的马坊、英城、大兴庄、东高村、夏各庄,通县的张家湾、西集、郎府、觅子店,顺义的高丽营、木林、北彩、牛山、马坡、塔河、李桥、徐辛庄、焦庄户,昌平的南新村、十三陵、大东流,房山的纸坊村、小次洛以及延庆的大柏老等地。其分布状况大体呈现出以下几点主要特征:(1)绝大多数出现在平原区和山间盆地中的第四纪松散沉积物中。(2)多是中强震过程中产生的一种地面破坏现象,其规模和分布面积与诱发地震的强烈程度有关。(3)多分布在发震构造和孕震构造沿线,其走向多与构造线相一致。(4)有明显的方向性,其方向只受构造应力或活动断裂的制约,不受土质、地形、地貌、气温、气候、水文条件以及地表建筑物类型等因素的影响,可穿越不同的土质、微地貌单元和各类建筑物,断续连接成带。(5)往往表现出明显的水平方向应力作用的结果,可出现张性、压性、张扭性、压扭性等不同性质的裂缝,或者是几种性质裂缝按一定规律排列的集合体。(6)其上地面及建筑物墙体上均出现裂缝,建筑物墙体裂缝往往集中在方向相互平行的墙体上,如北东向或近南北向地裂缝往往造成东西向墙体裂缝。墙体裂缝主要为斜裂缝及水平裂缝,很少见到自上而下发育的竖裂缝。由此可以认为,北京平原区的地裂缝主要为构造成因,是上述两组活动断裂带自身的频繁活动及其所引发的地震活动在地表所造成的破坏现象。2.3地表陡坎多发生在北京农业带北京平原区的新构造活动多以垂直运动为主,易引起地表不均匀沉降,形成沿构造分布的陡坎。大量活动断裂研究表明,地表陡坎是活动断裂造成的一种重要的地貌现象,已成为识别活动断裂的一种地貌标志。在北京平谷—河北三河一带,分布着许多地表陡坎(图6)。除部分陡坎(沿河流支沟方向分布)是河流侵蚀成因外,其他许多陡坎呈北东方向,与河流水系呈垂直相交关系,显示了不受河流影响的展布特征,应为断裂活动所致。向宏发(1994)、冉勇康(1997)和黄礼良(1997)等研究认为,这些陡坎是1679年三河—平谷8级地震产生的地表断层陡坎,而马坊—夏垫断裂是该次地震带发震构造。由活动断裂所引起的地面不均匀沉降及其所造成的地表陡坎,会破坏农田,损毁公路,破坏水利设施,同样是一种不容忽视的不良地质现象。3