2010, Vol. 53
2. 中国科学院研究生院, 北京 100049;
3. 北京市地震局, 北京 100080;
4. 中国地震局地球物理勘探中心, 郑州 450002;
5. 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081
, LIU Bao-Jin1,2,4, BAI Li-Xin3, MU Hong-Wang3, ZHANG Jie3, DING Yan-Hui3, LUO Hua-Chun3, FENG Rui5
2. Graduate University, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Earthquake Administration of Beijing Municipality, Beijing 100080, China;
4. Geophysical Prospecting Center, China Earthquake Administration, Zhengzhou 450002, China;
5. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
黄庄-高丽营断裂是北京地区一条重要的隐伏活动断裂，为一级新构造单元的分界正断层[1].从图 1展示的前人对该段断裂的定位结果看，不同时期、不同工作项目对其位置、走向的认识相差甚远1，2)[2].已有的钻孔资料表明，该地区及其附近基岩面形态确实显示可能存在具有垂直断错的断裂，但断裂位置不明确.
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图 1 断裂位置图(根据文献[2, 3, 4]) 北京市地震地质会战专题结果(1979);2.北京市地质构造图结果(1991);3.北京地区遥感影象构造解译图结果(1985); 4.断裂编号; 5.第四系; 6.前第四系; 7.奥运公园; 主要断裂名称:①黄庄-高丽营断裂; ②八宝山断裂; ③南口-孙河断裂 Fig. 1 Location of the fault (from Ref.[2, 3, 4]) |
有研究认为该段断裂活动时代为第四纪[1].北京市地矿局物探队(1990)曾在人工地震反射勘探工作中认为该断裂最新活动时代为中更新世中期3).但过去工作都对断裂上断点的埋深及确定的活动年代缺少有说服力的证据.
2001年北京申奥成功后，为满足工程建设的要求，对奥林匹克公园地区进行了断裂定位并探测其活动性，为奥运工程规划、建设提供依据.该地区为第四纪覆盖的城市地区，这项工作也为以后在全国范围内开展的城市地区隐伏断裂探测工作探索有效方法并总结、积累经验.
2 地球物理勘探 2.1 电阻率层析成像[3]通过断裂结构引起的电阻率异常变化探测断裂位置.探测目标分三个层次:控制性勘探(3条测线)，仪器WDJD-2，10 m道距，120道，隔离系数19~39，探测目标为深于100 m的电性结构，给出断裂粗定位; 初步勘探(9条测线)，仪器MIR-2000，4~8 m道距，120道，隔离系数32~35，探测目标为浅于150 m断裂定位; 详细勘探(4条测线)，仪器MIR-2000，2 m道距，120道，隔离系数35，探测目标为50m深度以上断裂准确位置.测线位置见图 2.叠加次数50次，供电频率2.7 s周期，测量精度控制在0.5%.
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图 2 各方法测线位置 Fig. 2 Location of profiles |
对控制性勘探采集数据的处理，采用Loke[4]设计的RES2DINV最小二乘法计算机反演计算程序[6]进行了正、反演计算.初勘和详勘数据采用中国地震局地球物理研究所RTS-1软件包进行处理. 图 3为单条测线结果典型图例.
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图 3 1#测线电阻率层析成像剖面 Fig. 3 The electrical resistivity tomography profile 1# |
电阻率层析成像方法探测显示电阻率异常位置见图 4，根据大致为北东-南西方向的断裂走向，可以连接出G1、G2、G3和G4 4个电阻率间断面，因为电阻率的变化与诸多因素有关，它们是否是断裂的反映还需要综合分析研究进行确认.
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图 4 电阻率异常位置 Fig. 4 L ocation of abnormity electrical resistivity |
浅层地震反射波勘探是确定地层界面最成功的地震勘探方法，本次探测就是以对地下地层界面的探测来确定断裂位置、性质、上断点埋深以及断裂向上延伸形态.测线位置见图 2，其中1#、3#、5#、6#、7#、10#、16#和16b#测线是针对探测测区黄庄-高丽营断裂布置的，5b#、9#、12#和15#主要为探测地下是否存在地层界面断错来验证电阻率层析成像方法探测到的G3和G4异常面是否是断裂的反映(该断裂为一级新构造单元的分界正断层，地震勘探应有断错反映).
使用地震仪器:SUMMIT遥测数字地震仪和SWS-Ⅱ瞬时浮点放大地震仪.震源采用炸药震源(150~450 g)、Minivib 6500可控震源(最大出力2500 kg)和M1815可控震源(最大出力5000 kg).选用100 Hz高频检波器及其组合以提高高频分辨率并压制干扰噪声.道间距2 m (极少数测线为5 m)，最小偏移距24~40 m，覆盖次数6~15次.本次探测区是城市地区，经多方面努力、探索，取得了获取良好现场数据采集的经验，使勘探结果有了良好基础保证，实例见图 5.
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图 5 浅层地震1#测线时间(a)和深度(b)剖面(断错异常段) Fig. 5 Time (a) and deepness (b) section of shallow seismic reflection profile 1#(section by the abnormity) |
地震数据处理采用FOCUS地震反射处理系统，其数据处理流程和方法主要包括，折射静校正、时变带通滤波、二维倾角滤波、时变谱白化、正常时差校正(NMO)、倾角时差校正(DMO)、共中心点(CMP)叠加、剩余静校正、叠后偏移和叠后剖面去噪等.
对各测线(特别是联络测线6#、10#)相交点处的波组，以及6#测线北端点、3#测线和10#测线南端点构成的测线端点汇集处波组进行了对比，对测区波组形成了统一标识并结合钻孔资料给出对应地层界面.通过对12条测线的浅层地震反射探测发现，存在同属黄庄-高丽营断裂的F1和F2，其展布见图 6.F1走向NE57°，倾向NE147°，倾角60°~70°; F2走向NE32°，倾向NE122°，倾角60°~70°. F1和F2上断点埋深约为60~80 m且均为正断层.
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图 6 浅层地震及地球物理综合勘探对断裂的定位 Fig. 6 Location of the fault by geophsics synthetic exploration |
为了确认电阻率层析成像方法探测到的4个电阻率结构面是否为断裂反映，对比了浅层地震反射勘探的结果，发现分别在与G1和G2对应位置的浅层地震反射测线也存在波组断错反映，可以认为G1和G2电性间断面是由断裂引起的电阻率变化.但在G3和G4位置上地震勘探(特别是专门布置的9#、5b#、15#和12#测线)结果表明波组连续，没有断错.因此判定G3、G4不是由于断裂引起的电性间断面.经一系列综合分析发现连接出G3、G4的异常点位置均与现有水系或过去的老水系位置相同.鉴于水体与电阻率的密切和敏感关系，认为G3和G4是由于水系造成的电性异常所致，并非断裂造成的电性间断面.地球物理勘探方法最终给出测区存在断裂为F1和F2(见图 6).
3 钻探在上述两种地球物理勘探方法对断裂定位的基础上，通过钻探确定断裂准确位置、探测断裂结构及测区第四纪地层结构，全孔岩芯取样，进行四种样品年代测试和显微构造分析以划分地层年代并分析断裂活动性.
3.1 断裂定位及破碎带钻探为方便对比研究，选定沿1#和3#物探测线布置1号和3号钻探线.为了研究断裂破碎带的宽度、结构，布设了5号钻探线.由于1号和3号钻探线相距较远，在它们之间中部预计断裂通过的位置，补设了ZK22钻孔，以提高探测精度，见图 2.
1号钻探线约50 m深度(中更新统底部)地层连续稳定，以ZK15、ZK16两个钻孔为界，ZK16以西的钻孔岩芯在76.6 m深度起为上新统含砾泥岩，85.1 m起为侏罗系“洼里砾岩”，而ZK15以东钻孔120 m左右仍是第四纪卵砾石层，未见到上新统含砾泥岩和侏罗系“洼里砾岩”.因此黄庄-高丽营断层从ZK15、ZK16之间通过(图 7).3号钻探线45m深度以上岩性特征及层序组合基本相同，45 m深度以下则以ZK9、ZK10为界，东西两侧的钻孔存在十分明显差异(图 8)，且ZK10钻孔底部出现漏浆现象，根据其两侧钻孔第三系埋深差别较大的钻探结果，推测ZK10孔底正好穿到了F1断裂破碎带位置.ZK3和ZK8之间上新统地层顶面相差近20 m断距，F2应在这两个钻孔间通过(图 8).
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图 7 1号钻探线钻孔剖面 Fig. 7 Drilling profile alone drill line 1# |
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图 8 3号钻探线钻孔剖面 Fig. 8 Drilling profile alone drill line 3# |
研究断裂破碎带的5号钻探线上ZK18在85 m深度出现严重漏浆现象; ZK19在82.5 m深度出现严重漏浆现象; ZK20未见漏浆，在85.0 m深度终孔; ZK21中在深度84.2 m之上为下更新统卵石层，84.3~90.7 m为上新统地层，岩性为棕红色、红褐色半胶结状含砾泥岩，其中在86.6~88.5 m的深度裂隙发育，地层极为破碎，在88.5 m处出现严重漏浆.经钻探施工技术处理后，继续钻进，90.7~91.7 m为侏罗系灰白色洼里砾岩，岩石坚硬致密，但裂隙发育，岩芯破碎，91.7~92.1 m (终孔深度)为灰白色洼里砾岩的角砾与上新统泥岩的砾石混杂，充填物为上新统棕红色粘土，随即钻杆遇到倾角较大的裂隙，通过钻杆受裂隙牵引倾斜方向判断裂隙倾向南东.从图 9可见，从ZK21钻孔底部直接取到了断层破碎带岩芯证据，取得了有实效的钻探结果.根据在5号钻探线上进行的钻探工作估算，该破碎带在该处的宽度可达约250 m，此破碎带上部在下更新统砾石、卵石层下部，且接近或在下更新统与上新世交界面附近，未见胶结现象.沿此断层破碎带钻探漏浆现象普遍.
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图 9 ZK21钻孔底部地层结构 Fig. 9 Stratum structure around the bottom of borehole ZK21 |
作为补点的ZK22钻探深度达到84.0 m (卵砾石层)时，出现了预计的严重漏浆，判断进入了断层破碎带.可见，由1号和3号钻探线上F1断点连接的断裂位置无误.
3.2 地层年代测试为定量地厘定断层活动的时间范围，综合考虑本次钻探工作中采集的可测样品和各种方法的适用性后，对约十万年以内时间的地层选用14C测年法和光释光(OSL)测年法，对大于十万年的地层样品，14C测年法和光释光测年法已不能给出可靠的年龄，采用古地磁测年方法来测定地层时代.此外，本次还采用了孢粉分析方法来对钻孔进行地层时代划分.
3.2.1 14C测年本次钻探中，ZK7、ZK8钻孔上部均发育两层灰色富含有机质、或细小炭粒、贝壳的粘质粉土、粘土岩性段，没有经历后期人类活动的改造(即没有外来碳质成分的加入).分别在这两层沉积物的顶、底部采样.经北京大学考古系实验室进行的样品处理和测试，最终结果为:ZK7中6 m深度样品的年龄为20175±2000 Bp，ZK8中9.4 m深度样品的年龄为22430±1100 Bp，Bp为距1950年的14C年代，14C年龄计算所用半衰期为5568年.
3.2.2 细颗粒红外释光测年(IRSL)测区第四系沉积物在沉积、搬运过程中经历了光晒退作用，被测主要矿物为石英、长石，其IRSL信号具有很好的热稳定性.样品一般在厚度大于20 cm以上的岩性段采样，以保证所测定的矿物形成以来，处在恒定的辐射场中，因此所采集的样品满足红外释光测年的基本条件.从区域地质资料及前人研究成果分析，估计在50 m以下沉积物中，其沉积年龄可能会超出红外释光测量年龄的下限.因此，样品均在深度小于50 m的浅部细颗粒岩性段中采集.从ZK2、ZK4、ZK7、ZK15和ZK16五个钻孔中共采集25个样品，经中国地震局地质研究所新构造年代学开放实验室进行了处理、测试，对各个钻孔所获得的年龄结果进行对比，最终认定25 m以下的沉积物，其IRSL年龄大于10万年.
3.2.3 孢粉分析经中国地震局地质研究所对测区钻孔岩芯进行系统的孢粉分析与鉴定，从而进行了钻孔岩芯气候地层时代划分.在ZK22钻孔0~56.0 m深度范围采集了20个样品(该钻孔56.0 m至84.0 m终孔为砂、卵砾石层，无法采集样品).最终对ZK22钻孔沉积物的地质时代划分为:0.0~5.0 m或0.0~4.0 m沉积物(层)的地质时代拟划为全新世(Q4);5.0~25.0 m或6.5~26.5 m沉积物(层)的地质时代拟划为晚更新世(Q3);25.0~56.0 m (25.0~84.0 m)或26.5~56.0 m (或26.5~84.0 m)划为早更新世-中更新世(Q1~Q2).
3.2.4 古地磁测试分析考虑到测区第四纪以来地层沉积厚度相对较小，而且多数岩性适合磁性地层学研究，使得进行采用磁性地层学方法来划分本地区地层时代成为可能，为确定测区断裂活动时代提供佐证.为此分别对1号和3号钻探线上断裂两侧的ZK7，ZK10和ZK15，ZK16钻孔进行了磁性地层学研究.对样品进行地磁极性测试，以在12万年发生的极性倒转Blake事件(相当于Q2、Q3界线)，和在78万年发生的极性倒转Brunhes与Matuyama界线(相当于Q1、Q2界线)的深度划分地层年代界限[6].对ZK7、ZK10、ZK15、ZK16钻孔岩芯进行了处理，制作成连续的2 cm×2 cm×2 cm的测试样品标本，标本的剩磁测试在中国科学院地质与地球物理研究所使用2G超导磁力仪完成，退磁通过MMTD60热退磁仪进行.
本次古地磁测试结果认为在20.0~22.0 m的反极性应为Blake事件(相当于Q2、Q3界线)，41.0~44.0 m范围出现的反极性应为Brunhes与Matuyama界线(相当于Q1、Q2界线).
3.3 地层年代划分及钻探剖面综合上述各种测年结果，结合钻探工作，对比前人工作[7, 8]，给出测区地层年代划分(见表 1)和1号、3号钻探线的剖面(见图 7和图 8).
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表 1 不同测年方法测定的地层界线深度(单位:m) Table 1 Stratum boundary deepness mensuration (m) |
利用断层物质的变形显微构造研究断裂的运动学和动力学特征，已经有几十年的历史，但该方法主要运用于固结的岩石，少见用于松散沉积物研究.本次运用显微构造方法来分析钻孔岩芯是一种新尝试，希望通过岩芯样品中沉积物变形显微构造的研究，分析断层上断点上方地层扰动情况，研究断裂活动特征.本次选取的钻孔岩芯样品取自3号钻探线跨坐与F1断裂两侧的ZK7和ZK10中，特别是ZK10正好穿达断裂破碎带，在有粘土的岩芯段中从23.5~56.1 m深度分别取得6块和8块(共14个)样品进行显微构造分析.分析表明，所有样品为典型的细粒、中粗粒碎屑沉积结构，属正常的碎屑沉积岩.沉积碎屑分布均匀，无优势方向，说明在钻孔ZK7和ZK10的51.5 m和56.1 m深度上，沉积物自沉积以来没有经受任何扰动，从而表明黄庄-高丽营断层应该没有穿透到51.5 m的深度之上.
4 断裂定位及其活动性 4.1 断裂定位综合分析依据电阻率层析成像、浅层地震反射、钻探等方法工作结果和ZK23钻孔资料，给出了测区断裂展布，见图 6.略去前面内容的赘述，图 6中有两点值得注意，一是电阻率层析成像、浅层地震反射方法确定的同一处断裂断错异常点位置有偏差，甚至差出百余米，这可认为是对同一处断裂破碎带(宽可达250 m)中不同断面的正常反映.二是ZK23钻孔在102.5 m深处到达上新世(N2)地层，可见F2东南侧上新世(N2)地层均为100 m深度上下，几乎为一稳定的平面，ZK2、ZK3揭示的上新世(N2)地层稳定在81~82 m，这就形成了稳定的约20 m的高差，这是对存在F2的支持佐证.根据钻探工作还可以看到测区上新世顶面被F1和F2错落成西高东低的三级平台(图 10).
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图 10 断层两侧上新世地层深度 Fig. 10 Deepness of Pliocene stratum on both sides of the fault |
黄庄-高丽营断裂在探测区的平面展布如图 6，沿1号和3号钻探线揭示其竖向结构见图 11和图 12.
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图 11 1号钻探线构造剖面 Fig. 11 Structure profile along drill line 1# |
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图 12 3号钻探线构造剖面 Fig. 12 Structure profile along drill line 3# |
根据14C、细颗粒红外释光、磁性地层、孢粉等多种测年方法进行的地层年代学研究表明，从物探到钻探(包括显微构造分析)工作揭示的该断裂错断的地层为上新世地层(N2)，而中更新统底部杂色砾石层和下更新统顶部粘土层稳定连续未被错动，另外断层充填物为上新世地层物质，因此确定黄庄-高丽营断层处于奥林匹克公园地区的段落最新活动时代为早更新世.
4.2.2 活动性质该段断裂为正断层，倾向南东.这从地震反射探测剖面给出了明确的结果，钻探工作进一步给出了直接证据和明确结果.钻探工作还证实了沿该断层存在破碎带，此破碎带出现在下更新统砾石、卵石层下部，且接近或出现在下更新统与上新世交界面附近，未见胶结现象.
4.3 地震活动性支持测区断裂活动的探测结果准确的震源定位可以研究地震与断裂关系，认识断裂活动性.对测区及附近地区进行了地震重新定位.本次地震重新定位后的震中分布较之前更显丛集，震群活动沿断层分布现象较明显，显示出地震活动与断层活动的密切关系，见图 13.从这项研究结果看，与黄庄-高丽营断裂密切相关的地震活动位于断裂被南口-孙河断层截断的以北段落，从地震活动性角度表明了黄庄-高丽营断裂的现今活动在北段.被南口-孙河断层截断的黄庄-高丽营断层以南段落几乎无地震活动，特别是奥林匹克公园地区及周边附近1980年以来几乎没有地震活动，说明在这一段落黄庄-高丽营断层现今没有活动或现今活动极其微弱.这支持了测区断裂最新活动年代的探测结果.
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图 13 地震重新定位前(a)和定位后(b)震中分布图 Fig. 13 Epicenter before (a) and after (b) earthquake relocation |
奥林匹克公园地区存在同属黄庄-高丽营断层的两条倾向南东的正断层F1和F2.F1走向NE57°，倾向NE147°，倾角60°~70°; F2走向NE30°，倾向NE120°，倾角60°~70°，其展布见图 6. F1和F2的上断点深度约为60~80 m，均错动Q1底部地层而未错断Q1顶部地层，最新活动时代为早更新世，不属于地震活断层.沿该段黄庄-高丽营断层存在破碎带(已探测到有的地方约达250 m宽)，此破碎带开始出现于下更新统砾石、卵石层下部，且接近或出现在下更新统与上新世交界面附近，未见胶结现象.
5.2 城市隐伏断裂探测方法探索从本项工作实践经验看，在城市地区进行隐伏断裂探测，多种物探方法能提高探测可靠性避免出现遗漏等问题，但当以地震勘探为主导; 在物探认识指导下的钻探工作是取得直接证据的必要手段，但精度要足够; 古地磁方法是第四纪活动断层控制性确定活动年代的有效方法，但多种方法综合判定是更准确定年的保证; 尽可能地利用新技术寻求新的有效方法; 尽可能地借鉴相关学科的认识，提升工作可靠性.
致谢孟勇琦、林元武、朱艾澜、李清林、何正勤、郭士军、张俭玺、何永年、邓起东、杨主恩、徐锡伟等参与了本项目工作.在城市地区进行这项工作，难度和复杂程度很大，涉及包括科学界、各级政府及部门、各行各界，在此谨对给予本项工作大力支持的人士和评审专家致以衷心的感谢.
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