首都地区因特殊的功能定位对地质安全的保障程度要求较高.北京平原区大多数地质灾害的形成发育与断裂构造活动关系密切，因此研究断裂的空间展布及活动特征具有重要意义.前人采用地球物理、槽探、钻探等手段，对北京平原区主要断裂构造如黄庄—高丽营、南口—孙河、顺义、夏垫、八宝山等断裂开展了广泛研究，取得了大量研究成果(车兆宏，1993; 何付兵，2019; 刘保金等，2009; 徐杰等，1992; 张世民等，2008)，但北京平原区主要断裂的深浅结构特征、活动构造诱发浅地表地质灾害的成灾机理等重大科学问题仍未得到解决.

重力场蕴含丰富的地质构造信息，重力测量是识别断裂构造的重要手段，与其他地球物理方法相比具有经济高效、覆盖面广、信息量多等优点(吴桂桔等，2020).以往用于构造解析的北京平原区重力测量资料网度为1∶20万，获得了莫霍面深度、地壳密度结构和宏观构造展布等信息(姜文亮和张景发，2012)，但存在测网稀疏、精度不高的问题.近年来北京平原区完成了1∶5万区域重力测量.本文对该资料采用二维离散小波变换、归一化总水平导数垂向导数和2.5D剖面反演方法获得了断裂构造平面位置、汇交关系及深浅延伸特征，为活动断裂相关研究提供了基础.

北京平原区位于燕山隆起、太行山隆起和华北断陷盆地交汇部位(图 1).中侏罗世至晚白垩世的燕山运动奠定了本区基本构造格局，发育了八宝山、二十里长山、黄庄—高丽营与南苑—通县等断裂(黄秀铭等，1991)，不同于晚中生代挤压作用为主，新生代以来华北地区主要处于伸展环境(Li et al., 2012).古近纪以来，华北地区主要以NW-SE向拉张为主(徐杰等，2000)，北京平原区受NE向黄庄—高丽营断裂与南苑—通县断裂活动影响，形成自西向东依次分布的京西隆起、北京凹陷和大兴隆起的“两隆一凹”的构造格局(汪良谋等，1990)，北京凹陷内沉积了始新统长辛店组和渐新统前门组，大兴隆起之上则缺失了古近纪地层；新近纪时期，NE向断裂持续活动，活动性逐渐增强，大兴隆起解体，古近纪形成的构造格局解体，北京冲积平原初步形成，至上新世晚期，新构造运动强度减弱，进入构造稳定期(张磊等，2017).第四纪以来，新构造运动继承性发展，NW向的南口—孙河断裂与NE向的黄庄—高丽营、顺义、夏垫、南苑—通县等断裂活动明显，形成了诸如马池口凹陷、后沙峪凹陷和天竺凹陷等一系列第四纪断陷盆地.晚更新世以来，黄庄—高丽营断裂、南口—孙河断裂活动强度在第四纪达到最大，其控制的沙河凹陷基本形成，同时顺义断裂活动显著，加速了北京凹陷北缘盆地的分化(张磊等，2016a)，晚第四纪以来，北京地区处于近东西向受压状态(秦向辉等，2014).

图 1

Fig. 1

图 1 北京平原区构造简图 Fig. 1 Sketch map of geology surrounding the Beijing plain

本文研究的北京平原区1∶5万区域重力数据覆盖面积7200 km²，测网500 m×250 m，测点平均密度7.7个/km²，布格重力异常总精度0.034×10^-5m·s^-2.原始布格重力异常采用Kriging插值，网格间距500 m×500 m.扩边之后进行补偿圆滑滤波处理，该处理主要参数有两个：指数因子和补偿因子，指数因子越大、补偿因子越小，滤波作用越强，压制高频成分效果越好；经试验选取指数因子50，补偿因子20，既能有效去除局部高频干扰，又能最大程度保留梯度异常信息.本文以补偿圆滑滤波后的布格重力异常作为进一步分析处理的基础(图 2a).

图 2

Fig. 2

图 2 北京平原区重力异常及小波变换6阶逼近图 (a) 布格重力异常；(b) 6阶逼近；Ⅲ1：西山褶皱带，Ⅲ2：北山褶皱带；Ⅲ3：北京断陷；Ⅲ4：大兴隆起；Ⅲ5：大厂断陷；Ⅲ6：廊固断陷. Fig. 2 Bouguer gravity anomalies and its 6th approximation of wavelet transformation of Beijing plain (a) Bouguer gravity anomalies; (b) 6th approximation; Ⅲ1: Xishan fold belt; Ⅲ2: Beishan fold belt; Ⅲ3: Beijing fault depression; Ⅲ4: Daxing uplift; Ⅲ5: Dachang fault depression; Ⅲ6: Langfang-Gu′an fault depression.

重力勘探仅区分出区域场和剩余场不能满足地质构造多层次解译的需要，小波变换自2000年左右引入我国重力场分析以来，经多年发展完善已成为重力异常多重分解的重要工具，其理论推导可参见文献(侯遵泽和杨文采，1997; 杨文采等，2001).小波变换的一个重要准则是低阶小波细节不变，即位场数据矩阵D经n阶(n为整数，n≥2)离散小波变换后产生小波细节D₁，D₂，…，D_n和n阶逼近D_a，其中小波细节D₁，D₂，…，D_n-1不随n的增大而改变.根据布格重力场小波变换的尺度—场源深度转换律(杨文采等，2015)，n阶小波细节的特征尺度L_n为

(1)

Δ为测点间距.小波细节特征尺度与异常的特征尺度相匹配，场源体埋深h与小波细节阶次n的关系式如下：

(2)

α为比例系数，与研究的异常体形态有关，一般为0.2~0.9，据此可得不同测量比例尺、不同阶次小波细节特征尺度，即场源埋深(见表 1).

表 1 (Table 1)

表 1 小波细节特征尺度及等效层划分(Δ=0.5 km) Table 1 Characterized scale of the wavelet details and the equivalent layers (Δ=0.5 km) 阶次 特征尺度/km 等效层 地质分层 1阶细节(n=1) 0.5 一 沉积盖层 2阶细节(n=2) 1 3阶细节(n=3) 2 4阶细节(n=4) 4 5阶细节(n=5) 8 二 结晶基底 6阶细节(n=6) 16 三 上地壳花岗岩层 6阶逼近 ＞16 四 下地壳及以下

表 1 小波细节特征尺度及等效层划分(Δ=0.5 km) Table 1 Characterized scale of the wavelet details and the equivalent layers (Δ=0.5 km)

由位场频率域解释理论可知，根据对数功率谱的斜率分段情况可将区域重力异常分解为几个异常子集，即小波变换细节或细节组合，对应不同埋深的场源等效层，小波变换的阶数要大于等于等效层层数.是否可做有意义的分解以及可分解为几层与区域重力异常的频率特性有关，可通过功率谱分析得到场源近似深度(杨文采等，2015)，本次测量Δ为0.5 km，经功率谱分析可分解为四层，小波变换的阶数设为6阶，将1~4阶细节合并，对应第一等效层，5阶、6阶细节对应第二、第三等效层，场源深度依次为3.6 km、7.2 km和14.4 km，6阶逼近为第四等效层，为场源深度14.4 km以深的区域异常(图 2b).一到四等效层异常分别反映了沉积盖层、结晶基底和上地壳花岗岩层以及下地壳及其以深的区域构造特征.1~6阶细节合并相当于剩余重力异常，获得研究尺度内断裂的总体异常特征(图 3a)，然后获得并分析一到三等效层异常(图 4a、c、e)，对断裂平面位置和深部延伸情况进行识别.

图 3

Fig. 3

图 3 剩余重力异常及其归一化总水平导数垂向导数图 (a) 剩余重力异常；(b) 剩余重力异常归一化总水平导数垂向导数图；A：阳坊岩体；B：宰相庄岩体. Fig. 3 The residual gravity anomaly and its NVDR_THDR map (a) The residual gravity anomaly; (b) NVDR_THDR map of the residual gravity anomaly; A: Yangfang pluton; B: Zaixiangzhuang pluton.

图 4

Fig. 4

图 4 等效层重力异常及其NVDR_THDR图 (a) 第一等效层重力异常；(b) 第一等效层NVDR_THDR图；(c) 第二等效层重力异常；(d) 第二等效层NVDR_THDR图；(e) 第三等效层重力异常；(f) 第三等效层NVDR_THDR图. Fig. 4 Gravity anomaly of the equivalent layers and its NVDR_THDR map (a) Gravity anomaly of the first equivalent layer; (b) NVDR_THDR map of the first equivalent layer; (c) Gravity anomaly of the second equivalent layer; (d) NVDR_THDR map of the second equivalent layer; (e) Gravity anomaly of the third equivalent layer; (f) NVDR_THDR map of the third equivalent layer.

断裂两侧因沉积地层的不连续而造成密度横向差异较大时会在重力异常上有所表现.以定量刻画地质体边缘位置为优势的场源边缘检测技术是断裂构造识别的重要方法(马龙等，2017; 严加永等，2015).场源边缘检测方法大致分数理统计和数值计算两类，其中归一化总水平导数垂向导数(NVDR_THDR)属数值计算类方法，对于平面重力数据g(x, y, z)，计算公式如下(Wang et al., 2009)：

(3)

(4)

式中THDR(x, y, z)为总水平导数；g_x和g_y分别为重力异常g沿x和y方向的一阶导数.

NVDR_THDR方法以极大值的位置识别断裂构造，提高了总水平导数的横向分辨力，并采用阈值技术消除了地质体边缘之外的信息，使得图片简单清晰，易于识别.本次对小波变换1~6阶细节合并得到的剩余重力异常、第一至第三等效层重力异常获得了NVDR_THDR图(图 3b，图 4b、d、f)，据此分析断裂的平面特征及在不同深度的延伸情况.

重力异常反演是位场数据处理解释识别地质构造的重要方法.重力异常2.5D剖面反演是利用二度半棱柱体，采用人机交互修改模型参数与计算机自动迭代计算相结合的方式，反演拟合地下不同密度地质体和地质构造，对重力异常进行定量解释.采用的反演方法是频率域Parker-Oldenburg方法，它具有快速迭代计算的优势(Oldenburg，1974; Parker，1973).跨北京平原区主要构造单元完成了3条长剖面重力反演，剖面数据等间隔图切布格重力异常，剖面编号自南向北依次是AA′、BB′和CC′，长度分别为47.7 km、60.5 km和76.7 km.反演深度8 km，地层密度参考相关文献设定(雷晓东等，2020)，为克服多解性，采用深孔地层资料作约束，剖面穿过的钻孔用黑色竖线标识，个别钻孔投影至剖面，用蓝色线标识(图 5).

图 5

Fig. 5

图 5 2.5D重力异常剖面反演及地质解释推断图(剖面位置见图 1) Fig. 5 2.5D Gravity anomaly profile inversion and geological interpretation map (the location of cross sections are shown on Fig. 1)

反演前首先确定初始地层结构模型，初步确定断裂要素，例如断裂位置依据图 3、图 4平面位置识别的结果，断距参考北京平原区基岩地质构造图及其他断裂探测已有成果.反演过程中根据拟合情况调整识别出最终的地层结构和断裂要素.AA′剖面位于平原区南部，自西北向东南布格重力异常呈现“低—高—低”变化，反映了北京断陷、大兴隆起和大厂断陷的基底形态及其控制性断裂南苑—通县断裂和礼贤断裂的垂向延伸特征(图 5a)；BB′剖面位于平原区中部，自西北向东南布格重力异常呈现“高—低—高—低”变化，反映了京西隆起、北京断陷、大兴隆起和大厂断陷的基底形态及其控制性断裂黄庄—高丽营断裂、八宝山断裂、南苑—通县断裂和礼贤断裂的垂向延伸特征(图 5b)；CC′剖面位于平原区北部，自西北向东南布格重力异常呈现“低—高—低—高”变化，反映了燕山隆起、北京断陷、大兴隆起和大厂断陷的基底形态及其控制性断裂黄庄—高丽营断裂、顺义断裂、南苑—通县断裂和夏垫断裂的垂向延伸特征(图 5c).

北京平原区布格重力异常总体呈“高—低—高—低”趋势，异常主体走向为NE向，局部为NW和EW向，并存在多处似圆或椭圆状重力异常圈闭，重力场的这种特征是断裂错动、岩浆侵入和火山活动等地质事件的综合反映.北京平原区整体属于华北板块Ⅰ级构造，并分属3个Ⅱ级构造单元：太行山褶皱带、燕山褶皱带和华北断坳.依据布格和剩余重力异常特征，可进一步识别出Ⅲ级构造单元，平原区西北石景山至沙河一带的重力高为西山褶皱带(Ⅲ₁)，平原区北部昌平至平谷一带的重力高为北山褶皱带(Ⅲ₂)，中部琉璃河至杨镇一带的重力低为北京断陷(Ⅲ₃)，大兴至通州一带异常醒目的重力高为大兴隆起(Ⅲ₄)，大厂一带的重力低为大厂断陷(Ⅲ₅)，采育一带的重力低为廊固断陷(Ⅲ₆).其中西山褶皱带属于太行山褶皱带的范畴，北山褶皱带属燕山褶皱带范畴，其余属华北断坳.构造单元之间以等值线密集的重力异常梯级带所反映的深大断裂为界.

布格与剩余异常不同特征(高低正负、等值线圈闭或扭曲形态等)场区分界及NVDR_THDR较为稳定连续的峰值异常带指示了断裂构造形迹(图 3b、图 4b).依规模将北京市平原区断裂划为一级断裂和二级断裂.一级断裂为构造单元边界和对区域沉积有重要控制作用的断裂，共15条，编号F₁-1至F₁-15；二级断裂为一般断裂，共75条，编号F₂-1至F₂-75.二级断裂中22条为本次新增，多为小规模断裂，其余为前人已有研究断裂，本次对其位置进行了重新厘定(图 6).总体而言，规模较大的布格和剩余重力异常场区边界、NVDR_THDR峰值异常带连续性强、呈宽峰形态，识别为一级断裂；而规模较小的剩余重力异常场区边界，NVDR_THDR峰值异常带连续性弱、呈窄峰形态，则识别为二级断裂.

图 6

Fig. 6

图 6 北京平原区断裂构造分布图 Fig. 6 Distribution map of faults in Beijing plain

一级断裂平面展布特征认识如下.黄庄—高丽营断裂(F₁-1)在几何特征和活动性上均以北七家为界可分为南北两段(徐锡伟等，2015)，为西高东低不同重力异常场区分界，NVDR_THDR异常峰值带显示断裂南段在琉璃河、房山以西走向多变，自南向北由55°变为80°，后又折转为30°，并在海淀东分裂为两支，均向北东延伸至孙河断裂(F₁-13)；北段推测延伸至怀柔北，厘定研究区内断裂总长度为121.4 km.南苑—通县断裂(F₁-2)为西低东高不同重力异常场区分界，大致以王四营为界，分为南北两段，NVDR_THDR异常峰值带相对其他北东向主要断裂而言连续性略差，断裂北段接东西走向的皮各庄断裂，断裂长度78.6 km.礼贤断裂(F₁-3)也称大兴断层或大兴凸起东缘断层(桂宝玲等，2012)，为西高东低不同重力异常场区分界，NVDR_THDR峰值异常带宽大醒目，反映断裂走向自西南向东北由NEE变为NE，断裂长度44.5 km.夏垫断裂带(F₁-4)由多条基岩断裂和第四纪断裂组成(何付兵等，2013)，但重力异常仅显示为一条宏观主断裂带，为西高东低不同重力异常场区分界，NVDR_THDR峰值异常带宽大醒目，走向多变，断裂带西部尚有两条平行峰值异常带，推断为燕郊断裂(F₂-23)和姚辛庄断裂(F₂-25)，推断主断裂延伸至平谷盆地，但明显受到NW向断裂破坏，总长度85.1 km.南口—孙河断裂大致以北七家为界，分北西段和南东段，其中北西段南口断裂(F₁-6)为南西低北东高不同重力异常场区分界，NVDR_THDR峰值异常十分清晰；南东段孙河断裂(F₁-13)和张家湾断裂(F₂-46)异常连续性差，两段总长度51.7 km.张喜庄断裂(F₁-7)为北高南低不同重力异常场区分界，NVDR_THDR峰值异常总体西强东弱，显示断裂走向NEE，连接了黄庄—高丽营断裂和顺义断裂，长度27.3 km.二十里长山断裂带(F₁-8)为东高西低不同重力异常场区分界，有多条长短不一的NW向NVDR_THDR峰值异常带，包括大孙各庄主断裂(F₁-57)、大孙各庄次断裂(F₁-58)、杨镇断裂(F₁-59)和马昌营断裂(F₁-60)，长度分别为19.6 km、15.1 km、27.0 km、27.9 km，性质均为逆断.皮各庄断裂(F₁-9)重力异常显示其被夏垫断裂分割为两段，东段为北高南低不同重力异常场区分界，NVDR_THDR峰值异常连续，走向有变化，西段为南高北低不同重力异常场区分界，NVDR_THDR峰值异常连续性差，断裂两段总长度48.3 km.牛堡屯断裂(F₁-10)为北东高南西低不同重力异常场区分界，串珠状NVDR_THDR峰值异常带，连接礼贤断裂和夏垫断裂，长度17.6 km.顺义断裂(F₁-12)为串珠状低重力异常的边界，NVDR_THDR峰值异常带分段连续，推测断裂向东北延伸至山前，并有两条明显的次级构造，西侧为望泉寺断裂(F₂-12)，东侧为南彩断裂(F₂-13)，主断裂长度35.6 km.八宝山断裂(F₁-14)为局部高重力异常圈闭带边缘，大致以北西向的永定河断裂(F₂-40)为界，可分为南北两段(焦青等，2005)，重力异常显示北段NVDR_THDR峰值异常带分段连续，与黄庄—高丽营断裂平行，间距渐达5 km，截止于孙河断裂，长度39.2 km，南段重力资料未覆盖.总体看相比于平原区西部主要断裂和其他二级断裂，东部礼贤断裂、夏垫断裂和皮各庄断裂东段的NVDR_THDR峰值异常带延伸性好、宽度大，说明断层断距大、影响带宽.

重力线性异常是断裂多期次构造活动综合叠加的反映.由重力异常NVDR_THDR峰值带幅值、宽度和连续性可以看出北京平原区NE向断裂总体规模大、切割深、活动性强，为主控断裂.这些断裂大多形成于中侏罗世至晚白垩世(燕山运动时期)，奠定了本区构造基础(黄秀铭等，1991).相对于分布连续、规模宏大的NE向断裂构造，NW向断裂形迹不清、分布弥散，但对NE向断裂错动迹象明显.黄庄—高丽营断裂NVDR_THDR峰值带在北七家附近有明显位移，说明南口—孙河断裂错断了黄庄—高丽营断裂，错断距离约0.8 km，具左旋走滑性质；而北七家东，NE向顺义断裂的NVDR_THDR峰值带连续性更好，未见被南口—孙河断裂明显错动迹象.这可能反映了黄庄—高丽营断裂最近一次强烈活动的时代最老，南口—孙河断裂次之，顺义断裂最新.永定河断裂错断南苑—通县断裂达2.1 km，同样显示了左旋走滑性质，同时也错断大兴隆起内部的瀛海断裂(F₂-20)；南口—孙河断裂带南东段张家湾断裂(F₂-46)错断了燕郊断裂(F₂-23)和姚辛庄断裂(F₂-25)，其他地球物理探测结果也有所证实(何祎等，2019; 李巧灵等，2019)；夏垫断裂南段被台湖断裂(F₂-43)和李桥断裂(F₂-48)改造(图 3b).黄庄—高丽营断裂(F₁-1)在海淀东与顺义断裂(F₁-12)相接.顺义断裂东北段与北西向杨镇断裂(F₂-59)交汇.

将各等效层断裂识别图对比可知，北京平原区大部分二级断裂均为盖层断裂，深部延伸有限，一级断裂的深部延伸相对较好.黄庄—高丽营断裂南段(F₁-1)、南苑—通县断裂(F₁-2)、礼贤断裂(F₁-3)、夏垫断裂(F₁-4)、香河断裂(F₁-5)和皮各庄断裂东段(F₁-9)在中上地壳花岗岩层(第三等效层)仍有延伸迹象，至少切穿了康氏界面(图 4c).南口断裂(F₁-6)、孙河断裂西段(F₁-13)、二十里长山断裂(F₁-8)和张喜庄断裂(F₁-7)仅延伸至结晶基底层(第二等效层)(图 4b)；这与地震转换波法和深地震放射剖面得到的结果基本一致，但略有差异.地震转换波测深揭示黄庄—高丽营断裂南段、夏垫断裂和香河断裂延深达40~50 km(邵学钟等，1980)，重力异常在下地壳及以下反映断裂迹象不清，但在第三等效层即上地壳尺度上述断裂异常清晰.中深层地震剖面揭示的黄庄—高丽营断裂北段、顺义断裂和南苑—通县断裂的下延深度分别为8.5~9.0 km、5.5~6 km和8.5~9 km(刘保金等，2009).因在第二等效层未发现延伸迹象，本文认为黄庄—高丽营断裂北段和顺义断裂下延浅于上述深度；而南苑—通县断裂在第三等效层仍有延伸，故该断裂的下延深度应大于上述深度.深地震反射剖面揭示夏垫断裂深部存在地壳深断裂，断层面较陡，近于直立，向下切割了结晶基底，并延伸至下地壳和莫霍面(刘保金等，2011).该断裂在第二、第三等效层NVDR_THDR峰值异常清晰连续，反映地壳深部延伸特征明显，且发现深部与东西向的皮各庄断裂汇交关系密切.

重力2.5D剖面反演结合钻孔资料揭示，黄庄—高丽营断裂(F₁-1)南段切割深度、断距大于北段，南段控制了北京断陷内白垩系—第四系沉积，形成白垩系沉积的西界，东界则为崇文门断裂(F₂-15)；黄庄—高丽营断裂西侧的八宝山断裂表现为逆断，推测为深部隐伏花岗岩体的边界(图 5b).南苑—通县断裂则相反，北段断距大于南段.礼贤断裂北段断距大于4 km，控制了大厂断陷内采育凹陷的发育，北段断距远大于南段(图 5a、b).夏垫断裂带在剖面位置处基岩断距在1 km以上(图 5c).顺义断裂表现为正断，其西侧的望泉寺断裂(F₂-15)则表现为逆断，两条断裂之间形成局部基底隆起(图 5c).深大断裂两盘基岩地层密度差异往往相对较大，利用重力异常可反演地层界面埋深从而获知断裂在基岩内部的延伸情况，但断裂两盘均为密度差异极小的新生界时，重力异常将很难追踪到断裂的浅部延伸特征.这时应结合其他地球物理手段和钻探成果来研究断裂的活动性.

依据《活动断层与区域地壳稳定性调查评价规范(DD2015-02)》中断层活动强度的分级标准，结合断裂最新活动时代(徐锡伟等，2015；范强等，2017；戚帮申等，2020)和本文获得断层规模的认识，对北京平原区主要断裂进行活动性初步分析.其中，强活动性的断裂有黄庄—高丽营断裂、夏垫断裂、南口断裂、张喜庄断裂、顺义断裂；较强活动性的断裂为南苑—通县断裂、礼贤断裂；中等活动性的断裂有二十里长山断裂、皮各庄断裂、桐柏断裂；弱活动性的断裂为牛堡屯断裂、孙河断裂、八宝山断裂、影壁山断裂(表 2).

表 2 (Table 2)

表 2 北京平原区主要断裂特征统计表 Table 2 Statistical table of primary fault attributes in Beijing plain 编号 名称 长度/km 走向 倾向 性质 断层规模 最新活动时代 断层活动性分级 F1-1 黄庄—高丽营断裂 121.4 NE SE 正断 北段为盖层断裂； 南段为地壳断裂 全新世(北段)； 早更新世(南段) 强活动 F1-2 南苑—通县断裂 78.6 NE NW 正断 地壳断裂 晚更新世 较强活动 F1-3 礼贤断裂 44.5 NE SE 正断 地壳断裂 活动性质不明 较强活动 F1-4 夏垫断裂 85.1 NE SE 正断 地壳断裂 全新世 强活动 F1-6 南口断裂 28.3 NW SW 正断 基底断裂 全新世 强活动 F1-7 张喜庄断裂 27.3 EW S 正断 基底断裂 全新世 强活动 F1-8 二十里长山断裂 22.2 NW NE 逆断 基底断裂 活动性质不明 中等活动 F1-9 皮各庄断裂 48.3 EW N/S 正断 基底断裂 活动性质不明 中等活动 F1-10 牛堡屯断裂 17.6 NW SW 正断 盖层断裂 活动性质不明 弱活动 F1-11 桐柏断裂 17.8 EW SE 正断 基底断裂 早中更新世 中等活动 F1-12 顺义断裂 35.6 NE SE 正断 基底断裂 全新世 强活动 F1-13 孙河断裂 23.4 NW NE 正断 盖层断裂 前第四纪 弱活动 F1-14 八宝山断裂 39.2 NE NW 逆断 盖层断裂 前第四纪 弱活动 F1-15 影壁山断裂 12.1 NE SE 逆断 盖层断裂 前第四纪 弱活动 *表中断裂要素均为北京段(研究区内)；活动时代参考：范强等，2017; 戚帮申等，2020; 徐锡伟等，2015；断层活动性分级参考《活动断层与区域地壳稳定性调查评价规范(DD2015-02)》.

表 2 北京平原区主要断裂特征统计表 Table 2 Statistical table of primary fault attributes in Beijing plain

区域重力异常是获取断裂要素的重要资料，本文基于布格和剩余重力异常以及小波变换、场源边缘检测和2.5D剖面反演结果综合得到了丰富的断裂构造要素信息.在布格和剩余重力异常图上，断裂表现为不同特征异常区边界，但准确的位置需要通过归一化总水平导数垂向导数(NVDR_THDR)显示的峰值异常带追踪识别得到.选用16个有代表性的、断裂带附近分层信息较准确的钻孔检验识别效果(表 3)，这些钻孔与断裂的平均距离为350 m，前人通过详细工作已确定钻孔处于断层的上盘或下盘位置.分析可知NVDR_THDR峰值异常带识别断裂位置水平精度应优于155 m.断裂定位精度较高应与NVDR_THDR峰值异常带更靠近断裂上断点在地表投影位置有关.通过分析异常带的连续性、幅值、宽度及其错切关系等可判断断裂的平面延伸性、宏观断距、控制范围等特征.不同等效层重力异常特征分区边界及其NVDR_THDR图峰值异常带反映了断裂的深部延伸情况，而2.5D剖面反演结果则突出显示了断裂在地壳浅部的延伸特征.根据重力异常获得的断层要素与区域地质认识基本一致.重力异常识别断裂与其他方法相比优势明显，它可连续追踪断裂形迹，准确确定断裂长度，清晰显示断裂汇交关系，判断平面和垂向延伸情况，但其不足是垂向分辨能力不够，尤其是断裂活动至新生界时因两盘密度差异小而无法判断断裂上断点水平投影位置.另外，NVDR_THDR属于场源边缘类检测方法，而场源边缘不仅仅是断裂，还可以是地层边界，将本次断裂识别结果与以往基岩地质构造图对比分析，可知NVDR_THDR峰值异常带还反映了平原区隐伏岩体侵入边界特征，例如西北部的阳坊岩体(图 3b，“A”)和东北部的宰相庄岩体(图 3b，“B”)，其异常带呈近似圆形分布，与断裂异常特征明显不同，不应厘定为断裂.

表 3 (Table 3)

表 3 钻孔信息表 Table 3 Boreholes and its related faults information 孔号 断裂名称 断裂位置 性质 基岩岩性 基岩埋深/m 与断裂距离/m ZK1 张喜庄断裂 下盘 正断 灰岩/∈ 695 593 ZK2 张喜庄断裂 上盘 正断 砂页岩/C-P 526 196 ZK3 南口—孙河断裂 下盘 正断 页岩/Pt22h 115 180 ZK4 南口—孙河断裂 上盘 正断 白云岩/Pt22w 800 159 ZK5 顺义断裂 上盘 正断 火山岩/J 690 213 ZK6 八宝山断裂 上盘 逆断 火山岩/J 139 525 ZK7 燕郊断裂 下盘 正断 页岩/Pt23x 315 316 ZK8 燕郊断裂 上盘 正断 白云岩/Pt22t 478 485 ZK9 南苑—通县断裂 上盘 正断 灰岩/∈ 470 262 ZK10 南苑—通县断裂 下盘 正断 灰岩/∈ 318 155 ZK11 南苑—通县断裂 下盘 正断 灰岩/∈ 240 207 ZK12 黄庄—高丽营断裂 上盘 正断 灰岩/∈ 1284 481 ZK13 南口—孙河断裂 上盘 正断 未见基岩 >616 488 ZK14 顺义断裂 下盘 正断 砂岩/ J2-3t 284.8 561 ZK15 礼贤断裂 上盘 正断 未见基岩 ＞420 423 ZK16 礼贤断裂 下盘 正断 白云岩/Pt22g 880 452 *ZK13数据来自文献：张磊等，2016b；ZK15数据来自文献：赵勇等，2018.

表 3 钻孔信息表 Table 3 Boreholes and its related faults information

本文采用小波多尺度变换、归一化总水平导数垂向导数法和2.5D剖面反演相结合对北京平原区高精度区域重力资料进行了处理，获得了断裂构造平面位置、长度、规模、汇交关系及深浅延伸特征，分析了利用重力异常识别断裂的效果，得到结论如下：

(1) 北京平原区NE向断裂平面延展长度大、连续性强，NW向断裂分段性明显，连续性弱，但NW向断裂对NE向断裂有切割改造迹象.例如南口—孙河断裂错断了黄庄—高丽营断裂，错断距离约0.8 km，永定河断裂错断南苑—通县断裂达2.1 km，NW向断裂显示了明显的左旋走滑性质.近EW或SN向断裂分布较为局限.

(2) 北京平原区控制地质构造单元边界的主要断裂平面和垂向延伸特征差异明显，顺义断裂、孙河断裂东段、永定河断裂等为盖层断裂；南口断裂、孙河断裂西段、二十里长山断裂和张喜庄断裂为基底断裂；黄庄—高丽营断裂南段、南苑—通县断裂、礼贤断裂、夏垫断裂和皮各庄断裂东段为地壳断裂.

(3) 分析重力异常场区特征及归一化总水平导数垂向导数(NVDR_THDR)峰值异常带的连续性、幅值、宽度及错切关系可有效识别断裂构造行迹，研究断裂要素信息，同时要结合地质资料排除隐伏岩体边界的干扰影响.通过小波变换获得的不同深度等效层异常结合2.5D剖面反演可有效研究断裂在基岩内部的深浅延伸情况，但重力异常的垂向分辨能力弱，断裂在新生界内部延伸特征需结合其他地质资料进一步分析.