2020, Vol.40
2 太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站, 山西 太原 030025;
3 北京美辰建筑抗震工程有限公司, 北京 100021)
在城市活断层探测工作中，对于隐伏断层的探测方法主要有浅层地震勘探和钻孔联合剖面勘探[1]。通过浅层地震勘探可以确定断层的空间位置，通过钻孔联合剖面勘探和样品年代测试确定断层的上断点埋深和活动时代。除此之外，钻孔勘探成果还可以对隐伏断层的第四纪活动性和古地震序列进行研究[2~4]。
运城盆地位于山西断陷带南端，是山西地堑新生代发育的一系列断陷盆地之一。盆地自中新世形成以来持续剧烈下沉，接受了巨厚层新生代沉积[5~6]。盆地内部断层活动形成次一级的地垒、地堑构造。盐湖地堑即为其中一个，该地堑位于运城盆地南部，地堑内的盐湖两侧发育有盐湖南岸断层和盐湖北岸断层。盐湖南岸断层最早是由山西省地质矿产局物探队1987年曾完成运城市盐湖区的地热勘探工作得到的成果[7]，认为该断层展布于运城盐湖南岸，与盐湖北岸断层平行分布，长约24 km，断面NW倾的正断层。对于该断层，前人开展研究的工作较少，国内有关学者认为盐湖南岸断层是形成盐湖的一条边界断层，断层的活动时代为晚更新世[8]。近几年来笔者及团队在《运城生态智慧城控制性规划一期活断层探测》、《山西省运城市活断层试验探测浅层地震勘探工作》以及《运城市地震小区划浅层地震勘探》等工程项目中针对该断层做过不同程度的工作1~3)。本文依托这些工程项目中有关盐湖南岸断层的探测成果，对该断层的晚第四纪活动特征进行了研究。研究结果可为运城市防震减灾、城市规划及土地利用提供参考依据，也为研究运城市盐湖的形成机制提供参考。
1 盐湖南岸断层浅层地震勘探为了探测盐湖南岸断层的确切位置和上断点埋深，根据已有资料1~3)，结合现场地形地貌特征，布设了3条浅层地震勘探测线，它们分别是NA2、C1和CX3，并获得了该断层的断点，见图 1。断点的信息情况见表 1。在资料解译中，对于反射波组进行地质分层时参考浅层地震勘探报告的资料；地层反射波组分别用T01、T02、T03，…，等来表示第四系内部地层。
1)高云峰，曾金艳，等. 《运城生态智慧城控制性规划一期活断层探测》报告，2014
2)袁洪克，李自红，等. 《山西省运城市活断层试验探测浅层地震勘探工作》报告, 2012
3)曾金艳, 闫小兵，等. 《运城市地震小区划浅层地震勘探》报告, 2016
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图 1 浅层地震勘探测线和盐湖南岸断层断点位置示意图 Fig. 1 Schematic map of shallow seismic exploration line and south bank fault of Yuncheng Salt Lake break points location |
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表 1 盐湖南岸断层浅层地震勘探断点特征一览表 Table 1 South bank fault of Yuncheng Salt Lake breakpoint characteristic of shallow seismic exploration |
F1-1断点：测线NA2断点，采用道间距3 m，偏移距36 m/72 m，炮间距12 m，叠加次数21次的观测系统，BV-300车载可控震源单边放炮，震源出力70 %。于2014年6月4日完成野外测试，处理软件采用Focus地震数据处理系统。断点位于桩号1777.5 m处。由测线的时间剖面图(图 2a)可见，T01同向轴连续，T02以下波组出现不同程度的错断。断点两侧地层界面均呈视倾向南的形态，上盘下降、下盘上升，为正断层的特征。视断距6~8 m，断点倾向NW，视倾角较陡，倾角75°~85°。其可分辨的上断点埋深约75 m。
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图 2 各测线浅层地震勘探剖面(局部) Fig. 2 Part of the shallow seismic exploration profiles of NA2 (a), C1(b) and CX3 (c) surveying lines |
F2断点：测线C1断点，采用道间距3 m，偏移距30 m，炮间距12 m，叠加次数18次的观测系统，Y-27型车载可控震源单边放炮，震源出力80 %。于2012年6月20日完成野外测试，处理软件采用Focus地震数据处理系统。断点位于桩号4812 m处。由测线的时间剖面图(图 2b)可见，各界面呈现南深北浅的构造形态。中部向南，各界面埋深均呈逐渐加深趋势，直至南侧接近山体时，各界面反射波及层间规则反射波消失。剖面在桩号4812 m各界面均出现有规律性的错断特征，推测为盐湖南岸断层。断层错断至T01界面，且有继续向上延展的趋势，视断距4~6 m，断点倾向NW，视倾角较陡，其可分辨的上断点埋深约70 m。
Fp1断点：测线CX3断点，采用道间距3 m，偏移距36 m/72 m，炮间距12 m，叠加次数21次的观测系统，KZ28型车载可控震源单边放炮，震源出力70 %。于2016年3月10日完成野外测试，处理软件采用Focus地震数据处理系统。断点位于桩号1936 m处。由测线的时间剖面图(图 2c)可见，T01及以下波组出现不同程度的错断。断点两侧地层界面在浅部均呈视倾向北西的形态，上盘下降、下盘上升，为正断层的特征。视断距7~10 m，断点倾向NW，视倾角较陡，倾角73°~82°。其可分辨的上断点埋深约68 m。
综合以上3次勘探成果揭示的断点信息特征，推测F1-1、F2和FP1为盐湖南岸断层的断点，据此确定盐湖南岸断层的空间位置(见图 1)，断层东起东郭镇，沿SW方向经界村、西姚村、银张村至解州镇。全长约24 km，倾向NW。最浅上断点埋深约68 m，推测断距7~10 m。
2 盐湖南岸断层钻孔联合剖面勘探 2.1 钻孔联合剖面布设为了进一步研究盐湖南岸断层的活动性，结合浅层地震勘探的结果和现场施工条件，于2016年11月在东郭镇(35°1′51.6″N，111°7′1.2″E)完成了一条钻孔联合勘探剖面施工。剖面位置选择在与CX3测线平行的一条乡道上，两者相距约5 m。钻孔布设以浅层地震勘探解译的断点为中心两侧约40 m各布设一个钻孔作为钻孔联合剖面两端点钻孔，编号分别为Pz1(35°1′50.4″N，111°7′5.1″E)和Pz2(35°1′51.9″N，111°7′2.9″E)，然后采用逐步逼近法进行施工。共施工6个钻孔，剖面全长81 m，孔间最大距离41 m，最小距离9 m，钻孔总进尺495 m，最大施工深度85 m。钻孔位于浅层地震勘探测线上的位置见图 2c。
2.2 钻孔地层年代样品测试本次工作在Pz5(35°1′50.7″N，111°7′4.3″E)中采取了年代样品并进行测试，取得具体测试结果5个，采样位置见图 3。测试方法采用单片再生法。测试中用已知剂量的人工辐照产生的释光信号与自然释光信号对比，计算得到矿物颗粒的等效剂量，通过分析样品中的U、Th、K的含量，综合采样深度、海拔高度及样品含水量等，可计算出矿物颗粒的环境剂量率，累积的等效剂量除以环境剂量率，即为矿物颗粒埋藏至今的年代。本次测试使用的矿物为石英。结果详见表 2。
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图 3 东郭镇钻孔联合勘探地质剖面图 Fig. 3 The composite drilling geological section at Dongguo Village |
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表 2 钻孔联合剖面年代样品测试结果一览表* Table 2 Age sample test result of composite profile |
场地地层以冲湖积为主，地层岩性变化简单。钻孔联合勘探剖面施工的6个钻孔共揭露地层27层，地层主要以粉土、粉质粘土为主，部分层位夹薄层的粉细砂，见图 3。在分层和主要地层界面确定中主要考虑岩性和颜色特征。
(1) 全新统：层①，主要以浅黄色粉土为主，层底埋深6.18~6.85 m；
(2) 上更新统：层②~⑨，以一套褐黄色粉质粘土、浅黄色粉土、灰色砂质粉土为主，局部夹灰色、浅黄色细砂，褐黄色粉质粘土中含少量钙质结核。层底埋深27.1~35.9 m；
(3) 中更新统：层⑩~ ㉗，以一套褐灰色粉质粘土、青灰色粉质粘土、粉土以及黑色的粉质粘土和粉土组成的湖相沉积物，深部层位含有芒硝结晶体。
3 盐湖南岸断层的晚第四纪活动特征有史料记载以来，在运城盐池区25 km范围内发生过多次强震1)。最大震级的地震为1815年的平陆M6 3/4级地震，对盐池附近的影响烈度为Ⅷ度，其次为1642年安邑西的M6级地震，对盐池附近的影响烈度为Ⅶ度，据资料考证，2次地震并未造成盐湖附近地面变形破烈等现象[9]；2016年盐湖M4.4级地震发生在盐湖区龙居镇附近，震源深度约6 km，距研究断层最近约7.0 km，据现场灾害调查，本次地震虽然震感强烈，但并未造成严重损失，宏观震中周围未出现地表破裂和地面变形带[10]。沿盐湖南岸断层附近发生地震的震级小于4.0级，因此盐池区附近历史地震并不会对盐湖南岸断层小层序的地层错动产生影响，钻孔揭露的地层错断特征可以认为是由断层本身活动的结果。
1) 曾金艳, 闫小兵，等. 《运城市地震小区划浅层地震勘探》报告, 2016
3.1 断层断错的地层特征在断层判定时主要考虑岩性特征明显层位断错为依据，判定断层的依据如下：
标志层1：以层②、层③为主，特别是层②为薄层灰黑色的粉质粘土层，在施工的6个钻孔中均有揭示，层底埋深6.3~7.2 m；层③为青绿色~黄绿色粉质粘土，颜色特征很明显，层底埋深为16.15~18.60 m，层位除地形倾斜特征外无明显同步错断特征。
标志层2：主要为层⑤浅黄色的砂质粉土，该层在Pz4中的顶界埋深为20.2 m，在Pz6中的埋深为18.7 m，并且地层出现同步错断，推断断层位于Pz4和Pz6之间，断距约1.8 m。
标志层3：主要为层⑧砂质粉土层，浅黄色，湿，密实，含云母碎片，在断层附近，该层在断层上盘的顶、底埋深为24.3 m、27.1 m，厚度2.8 m；下盘顶、底埋深为22.1 m、24.9 m，厚度为2.8 m；顶、底面断距为2.2 m。
标志层4：层⑨粉质粘土：褐色-褐灰色，湿，可塑，含灰色条纹，局部夹砂质粉土。在断层附近，该层在断层上盘的顶、底埋深为27.1 m、30.9 m，厚度3.8 m；下盘顶、底埋深为24.9 m、27.4 m，厚度为2.5 m；顶、底面断距分别为2.2 m和3.5 m。
标志层5：以层⑰、层⑱为代表，层⑱为灰色-黑色的粉质粘土，可塑-软塑，有腥臭味，含黑色条纹斑点，偶见姜石，该层上覆的薄层砂质粉土，在Pz4中的层底埋深为53.5 m，在Pz5中的层底埋深为63.5 m。很明显此两层在Pz2、Pz3、Pz5和Pz1、Pz4中出现同步错断，层底落差约10.0 m。
另外在孔Pz5中77.5 m处见清晰断层界面，断层界面显示上部褐色粉质粘土与下部灰色粉质粘土成倾斜叠加，断层倾角约55°。
根据上述钻孔揭露的地层特征，确定断层的空间位置：1)断层穿过钻孔Pz5，倾角为55°；2)断层在钻孔Pz5和钻孔Pz3间错断层㉔ ~ ㉗；3)断层在钻孔Pz5和钻孔Pz4间错断层⑭ ~ ㉓；4)断层在钻孔Pz4和钻孔Pz6错断层④~ ⑬。由此确定的断层空间位置见图 3，上断点埋深约18.7 m，在勘探深度85.0 m范围内最大断距约14.0 m，最小断距1.5 m，各层位地层特征见表 3。
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表 3 钻孔联合剖面第四纪地层特征一览表 Table 3 Quaternary stratigraphic characteristics of composite profile |
通过对钻孔联合剖面地层对比，断层穿过钻孔Pz4、钻孔Pz5断错至第④层褐灰色的粉质粘土层，上断点埋深约18.7 m。根据表 2中年代样品测试结果为63.8±4.9 ka B. P.，断层错断的地层为上更新统，因此判定盐湖南岸断层的最新活动时代为晚更新世中期。
3.3 盐湖南岸断层晚第四纪活动特征根据钻孔土样年代学测试结果和断错的地层特征来分析盐湖南岸断层的活动特征。本文在分析过程中采用地层错距逐次分离法研究断层活动的特点[11]。地层的沉积年龄计算结合测年结果采用线性插值法进行[12]。按照此方法计算各地层沉积年龄。假设不同地层层位的断距为该地层沉积以来累计位移，结合地层的沉积年龄来估算断层不同时期的滑动速率。详细结果见表 4。
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表 4 不同层位地层沉积速率和顶、底界沉积物年龄表 Table 4 The table of difference layer sedimentation rate and sediments ages of top and bottom boundaries |
由表 4可以看出：钻孔揭露的上更新统底界为层⑨的褐灰色的粉质粘土层，断层的最新活动时代为55.7±0.43 ka B. P.。断层具有多期活动的特点：1)55.7~ 66.3 ka B. P断层的平均滑动速率为0.0226 mm/a，66.3~77.8 ka B. P.断层的平均滑动速率为0.0261 mm/a，此两个阶段断层的活动速率接近，86.9~91.6 ka B. P.断层的平均滑动速率为0.0851 mm/a，107.6~126.6 ka B.P断层的平均滑动速率为0.0684 mm/a。断层在晚更新世早期活动强度较晚更新世中期稍高，但在91.6~107.6 ka B. P.间断层处于间歇期。由此可以认为晚更新世以来断层经历了2次间歇期、2次构造活动期。最早的一次构造活动位于107.6~126.6 ka B. P.间，即晚更新世早期，之后进入约16 ka年的间歇，第2次构造活动期位于55.7~91.6 ka B. P.间，在这期间又可分为2次不同强度的活动，86.9~91.6 ka B. P.间断层活动强度高于55.7~77.8 ka B. P，之后进入断层的第2次间歇期，自55.7 ka B. P.年至今，断层一直处于间歇状态，未再活动。
由表 3和图 3可知，上更新统底界的地层为层⑨褐灰色粉质粘土层，该层的断距为3.5 m，可以认为该断距即为126.6 ka以来的断层的累计断距，由此推算盐湖南岸断层晚更新世以来平均滑动速率为0.0276 mm/a。根据李有利[13]的研究成果，中条山北麓断层在距今3万年以来垂直活动速率为0.6 mm/a，司苏沛等[14]对中条山北麓断层盐池段的研究，在24.7±0.2 ka B. P.以来，其平均滑动速率为0.75±0.05 mm/a。对比盐湖南岸断层和中条山北麓断层的滑动速率，可以认为盐湖南岸断层的活动程度远远弱于中条山北麓断层。
根据邢作云等[15]对汾渭裂谷南部运城盆地研究的成果，运城盐湖是运城盆地特殊构造活动所形成。在早更新世，特别是中更新世和晚更新世早期，运城盆地南部发生特殊的构造运动，中条山北麓断层急速下陷，断层的后推作用致使中条山山前形成一条近EW向窄长凸起及小断层，盐湖南岸断层在此时形成。从本次研究盐湖南岸断层的晚第四纪特性来看，盐湖南岸断层在晚更新世早期的活动正是中条山北麓断层在此期间活动所引起，其活动强度远远低于中条山北麓断层。
4 结论通过分析，本文可以得出如下结论：
(1) 运城盆地盐湖南岸断层上断点埋深约为18.7 m，错断地层为晚更新世55.7±0.43 ka，属晚更新世中期活动断层。盐湖南岸断层是中条山北麓断层后推作用下形成，其活动强度远远低于中条山北麓断层，属弱活动断层，其晚更新世以来的累计位移为3.5 m，平均滑动速率0.0276 mm/a。
(2) 盐湖南岸断层具有间歇活动的特点，在晚更新世以来存在2次间歇，分别位于91.6~107.6 ka B. P.间和55.7 ka B. P.以来，间歇时间分别为约16000 a和55700 a；两次活动期间断层的活动强弱存在一定差异，晚更新世早期活动强度高于晚更新世中期，并且同一次活动期内不同时段活动强弱也存在差别。
(3) 本文分析并未考虑地层倾斜变形的影响，并且使用的年代样品均为释光测试结果。由于测试精度的影响，因此对于断层活动特征分析可能存在偏差，但间歇次数应当是至少值，该结果对盐湖南岸断层的活动特征研究以及盐湖的演化研究仍具有一定的参考意义。
致谢: 感谢太原理工大学李斌老师对本文的英文翻译给予的帮助。
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2 National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan, Taiyuan 030025, Shanxi;
3 Mei Chen Building Seismic Engineering Limited Liability Company of Beijing, Beijing 100029)
Abstract
The south bank fault of Yuncheng Salt Lake is located on the south bank of Yuncheng Salt Lake in Yuncheng City (35.02°N, 110.98°E). To further investigate its activity characteristics since the Late Quaternary, the borehole profile exploration together with the dating of borehole samples were carried out based on the shallow seismic exploration. The fault activity characteristics since the Late Quaternary was then analyzed in terms of the buried depth of the upper breakpoint of the fault, the distance of the fault marker layer and the sedimentary age of the stratum. The results indicate that since 55.7±0.43 ka B.P., no obvious activity has happened in the South Bank Fault of Yuncheng Salt Lake, and the activity age of the fault is the early and middle stage of the Late Pleistocene. The fault has experienced two periods of tectonic activity and two periods of intermittence since the Late Quaternary, with the intermittent of ca.16000 a and 55700 a. However, during the two activities, the degree of fault activity was different. In the early stage of Late Pleistocene, the fault activity was obviously stronger than that in the middle stage. The average slip rate of the fault since the Late Pleistocene is 0.0276 mm/a, which is a weak active fault.