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跨蔚广盆地南缘断裂流动形变监测场地选址—以大探口场地为例

冉志杰 彭远黔 孟立朋 董博

冉志杰,彭远黔,孟立朋,等. 跨蔚广盆地南缘断裂流动形变监测场地选址—以大探口场地为例[J]. 华北地震科学,2021, 39(4):43-49. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.007
引用本文: 冉志杰,彭远黔,孟立朋,等. 跨蔚广盆地南缘断裂流动形变监测场地选址—以大探口场地为例[J]. 华北地震科学,2021, 39(4):43-49. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.007
RAN Zhijie,PENG Yuanqian,MENG Lipeng,et al. Fault Flow Deformation Monitoring Site Selection at the Southern Margin of The YU-Guang Basin—A Case Study of the Large Sounding Site[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(4):43-49. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.007
Citation: RAN Zhijie,PENG Yuanqian,MENG Lipeng,et al. Fault Flow Deformation Monitoring Site Selection at the Southern Margin of The YU-Guang Basin—A Case Study of the Large Sounding Site[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(4):43-49. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.007

跨蔚广盆地南缘断裂流动形变监测场地选址—以大探口场地为例

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2021.04.007
基金项目: 河北省地震科技星火计划项目“河北省跨断层短水准测量观测场地优化方案研究”(DZ20170504017)
详细信息
    作者简介:

    冉志杰(1979—),男,河北辛集人,高级工程师,主要从事地震活动性研究. E-mail:ranzhijie0927@126.com

    通讯作者: 彭远黔(1965—),男,重庆人,高级工程师,主要从事工程地震研究. E-mail:pengyq84531@126.com
  • 中图分类号: P315.2

Fault Flow Deformation Monitoring Site Selection at the Southern Margin of The YU-Guang Basin—A Case Study of the Large Sounding Site

图(10)
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-25
  • 网络出版日期:  2021-09-27
  • 刊出日期:  2021-10-20

跨蔚广盆地南缘断裂流动形变监测场地选址—以大探口场地为例

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2021.04.007
    基金项目:  河北省地震科技星火计划项目“河北省跨断层短水准测量观测场地优化方案研究”(DZ20170504017)
    作者简介:

    冉志杰(1979—),男,河北辛集人,高级工程师,主要从事地震活动性研究. E-mail:ranzhijie0927@126.com

    通讯作者: 彭远黔(1965—),男,重庆人,高级工程师,主要从事工程地震研究. E-mail:pengyq84531@126.com
  • 中图分类号: P315.2

摘要: 根据蔚广盆地南缘断裂活动特征,依据跨断层流动形变测量相关规范和标准,结合场地环境条件,在断裂的全新世活动段大探口选址跨断层流动形变测量场地。该场地满足相关规范要求,为开展跨断层流动形变测量奠定了基础。

English Abstract

冉志杰,彭远黔,孟立朋,等. 跨蔚广盆地南缘断裂流动形变监测场地选址—以大探口场地为例[J]. 华北地震科学,2021, 39(4):43-49. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.007
引用本文: 冉志杰,彭远黔,孟立朋,等. 跨蔚广盆地南缘断裂流动形变监测场地选址—以大探口场地为例[J]. 华北地震科学,2021, 39(4):43-49. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.007
RAN Zhijie,PENG Yuanqian,MENG Lipeng,et al. Fault Flow Deformation Monitoring Site Selection at the Southern Margin of The YU-Guang Basin—A Case Study of the Large Sounding Site[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(4):43-49. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.007
Citation: RAN Zhijie,PENG Yuanqian,MENG Lipeng,et al. Fault Flow Deformation Monitoring Site Selection at the Southern Margin of The YU-Guang Basin—A Case Study of the Large Sounding Site[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(4):43-49. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.04.007
    • 张家口地区位于张家口-渤海地震构造带与山西地震构造带的交汇区,新构造上属于张家口-宣化盆地,新构造复杂,活动构造发育,地震频发[1]。蔚广盆地是张家口区域内一个受南部边界正断层控制的、南深北浅的不对称半地堑盆地。该盆地小震分布较为广泛,不仅分布于断陷盆地边缘,在盆地内部也分布较多。蔚广盆地南缘断裂是一条活动断裂带,最新活动时代为晚更新世—全新世,为蔚广盆地规模最大的主边界断裂。

      跨断层观测是获取地震前兆信息的重要手段之一,在多次地震前后分别监测到形变异常特征,如1990年常熟5.1级地震和1995年苍山5.2级地震前后出现了断层形变前兆异常[2-3],2013年芦山7.0级地震前跨鲜水河、安宁河、则木河断裂带上出现显著的形变异常变化[4]。尤其是在张家口地区多次地震前后分别监测到形变异常特征,如1989年大同6.1级、1991年大同5.8级地震及1998年张北6.2级地震前后张山营跨断层基线出现异常变化[5]

      跨断层测量场地的选取是断层形变监测最为基础、最为重要的环节之一,其包含两部分内容:一是所跨活动断层的选取,断层的活动性对测量工作起着制约性的作用;二是针对测量场地的环境条件,应符合相关规范[6-10]

      针对断裂活动特征和不同的场地条件采用不同的选址方案和技术方法,综合考虑确定选址场地。通过在蔚广盆地南缘断裂沿线进行露头追踪及野外考察,分别对断裂出露点贺窑村、东宜兴庄村、西庄头村、南马庄村、大探口村进行跨断层流动形变测量场地选取,综合考察各种有利及不利因素后最终确定大探口测量场地。根据场地环境条件,结合断裂野外调查,应用电阻率层析成像、浅层地震反射波法等地球物理方法,查明大探口村附近蔚广盆地南缘断裂隐伏段的准确位置和断层结构,为开展跨断层流动形变测量提供地质构造方面的资料和依据。

    • 蔚广盆地南缘断裂西起广灵县贺家窑,经直峪、西宜兴、蔚县南马庄、北口、咀子岭、松枝口,东至上河村一带,全长约120 km,倾向NW,倾角50°~70°,主要由3组次级断层斜列组合而成,在地表锯齿状曲折延伸。该断裂为蔚广盆地规模最大的断裂,对蔚广盆地的形成、发展起着决定性的控制作用,是一条活动断裂带,最新活动时代为晚更新世—全新世活动。

      徐锡伟等[11]在《首都圈地区地壳最新构造变动与地震》一书中对蔚广盆地及其南缘断裂带进行了系统的论述和研究。自有历史记载以来,盆地内已经发生过多次中强地震,主要包括公元前231年MS6$\tfrac{1}{2}$地震、1581年MS5$\tfrac{3}{4}$地震、1618年MS6$\tfrac{1}{2}$地震、1911年MS5$\tfrac{1}{2}$地震,以及1956年MS4$\tfrac{1}{2}$地震。

      王林[12]在《盆地边界活动正断层多尺度构造地貌研究——以京西北蔚广盆地南缘断裂带为例》一文中对蔚广盆地南缘断裂带进行了详实研究和论述。通过实际调查和研究同样得到了与徐锡伟等[11]相似的结论:蔚广盆地南缘断裂带分为 5 个段落(图1),从西向东依次为上白羊段(S1)、唐山口段(S2)、北口段(S3)、松枝口段(S4)以及上虎盆段(S5);断裂晚更新世以来的活动部位主要集中在唐山口、北口、松枝口3个段落上,是控制蔚广盆地第四纪持续活动的主边界断裂段,与盆地的沉降中心部位相对应;而东、西两端的上虎盆段、上白羊段晚更新世以来的活动性已经十分微弱。

      图  1  蔚广盆地南缘断裂几何展布与分段特征[8]

      在 S2~S4 段落上,山前晚更新世晚期的冲洪积扇扇面被多处断层错断,形成了明显的断层陡坎,表明活动断层进一步向山前扇体之中发育和演化。

      据王林等[13]研究中论述,蔚广盆地南缘断裂唐山口段山前断裂属于全新世活动断裂,在位于S2 段落上东宜兴庄村南(考察点2)存在一段明显的断层陡坎(图2)。并且,在横跨断层陡坎处开挖的探槽揭示了3次古地震事件,3次古地震事件的同震累积垂直位移量约为 8.1 m,单次平均同震垂直位移量约为2.7 m,整条山前断裂的平均复发周期约为1.7 ka、平均滑动速率约为1.6 mm/a。

      图  2  东宜兴庄村南断层陡坎(镜向ES)

    • 根据断裂已有资料,对断裂出露点进行追踪和现场考察,沿线考察点有贺窑村(考察点1)、东宜兴庄村(考察点2)、西庄头村(考察点3)、南马庄村(考察点4)、大探口村(考察点5)(图1),在这些考察点分别追踪到断裂露头位置(图3)。根据蔚广盆地南缘断裂的活动特征以及场地自然环境,在断裂晚更新世以来的活动地段,选址3个跨断层测量场地,即大探口村西场地、西庄头村南场地和东宜兴庄村南场地。

      图  3  蔚广盆地南缘断裂断层出露点

      蔚广盆地南缘断裂在东宜兴庄村南的山前形成断层陡坎,断裂为全新世活动,该处断层在全新世时期有过3 次古地震事件。在断层陡坎的东侧有一NS向道路,地势平坦,视野较为开阔,场地周边无干扰源,交通便利。但由于该道路为田间地头路,后期土地规划极有可能对其进行重新规划,因此,暂不考虑该场地开展跨断层测量。

      蔚广盆地南缘断裂在大探口村处晚更新世以来曾经发生过活动。在大探口村西有一条NE向道路,地势平坦,视野开阔,周边无振动干扰源、荷载干扰源和水文地质环境变化干扰源,适宜开展跨断层测量。

      在西庄头村南,冲沟众多,地形起伏较大,无适宜开展跨断层测量的场地。

      现场考察结果:大探口村西场地砂石路面,沿山洪冲积沟南北设立测线。该地断层位置明确,干扰较小,土质坚实,保存时间较长,可作为地震水准观测之用。

    • 由于受盆地边缘断层的作用,盆地周边自山体区域向盆地呈阶梯状下降,形成缓坡等地带,在山边往往形成山前洪积扇,地形变化较大,且坡度大,呈裙状起伏。较老的山前断层往往出露于山体边缘,断裂走向往往随着山体走向变化而变化,沿线断层陡坎、断崖等地貌现象突出,多处可见断层错断第四纪地层。由于盆地边界断裂构造复杂,进行跨断层流动形变观测场地选址具有一定的难度,与常规选址存在一定的差异,如何进行选址需仔细斟酌,以便满足形变观测场地需求。

      针对盆地边界断裂复杂,以及地形变化较大的特点,依据跨断层流动形变测量相关规范和标准,结合场地环境条件,基于以下因素在大探口选址测量场地:①选址应在更容易发生地震的断裂全新世活动段,在大探口位于蔚广盆地南缘断裂全新世活动唐山口段(S2);②交通便捷,有乡村公路通往大探口村,并远离城镇,有利于长期观测;③无环境干扰源,场地远离人类活动场所,周边荒野;④场地附近应有断层出露,以便获得断裂的活动特征和断层位置;⑤存在地势平坦,视野开阔的场地。

      在位于大探口村东南部附近的扇体冲沟内出露断面(图4中观测点A),断面产状为 NE80°/NW∠75°,断层错断扇体的同时,形成了一段线性良好的断层陡坎,陡坎高约15 m左右(图5a)。

      图  4  大探口村附近断裂考察点及地球物理勘探测线位置(基于Google Earth影像)

      图  5  大探口村附近蔚广盆地南缘断裂地质剖面

      在大探口村南山前出露断面(图4中观测点B),断层上盘为马兰黄土和古土壤,下盘为灰岩(图5b),断面上清晰可见断层擦痕。该断面所属断层为盆地主控边界较老的基岩断面断裂。

      上述两处断面出露点附近地形起伏较大,不适宜作为跨断层测量场地。因此,经过现场踏勘,大探口村西沿一近NS向道路(图4图6)地势较为平坦、视野开阔,该场地断层被第四系所覆盖。为确定断裂的准确位置及其断层结构,以便布设跨断层水准标石。为此,应用电阻率层析成像和浅层地震勘探对断裂进行综合探测。

      图  6  大探口跨断层测量场地环境(镜头南)

      据王林等[13]研究表明,位于S2 段落上东宜兴庄村南,除扇体根部位置的较老山前断层之外,在其前部的扇体之中发育有最新的活动断层。跨断层测量场地不仅要横跨较老的山前断层,还应横跨扇体中发育最新的断层。因此,物探剖面应足够长,以便满足探测需求。

      电阻率层析成像(也称高密度电法)是利用地下介质电性结构差异探测地层或岩体的埋深,在识别断层、破碎带等方面十分有效,探测隐伏断裂已有大量成功实例[14-17]

      在大探口村西、村东分别布设两条电法测线DF1、DF2,野外数据采集使用DUK-2A型高密度电法测量系统,共布置114根、90根电极,电极距等间距4 m、3 m,采用温纳对称四极装置,探测深度31 m、23 m。

      测线DF1位于大探口村西,起始于山前扇体斜坡处,沿道路由南向北延伸,测线长456 m,测线位置见图4。由测线DF1探测结果(图7)看出,在剖面100 m处,浅部低阻层、深部高阻层厚度横向变化明显;在284~320 m段,电性结构相对复杂,浅部为低阻区,深部为高、低阻区交替,在该剖面上解释了2条断层F1、F2。结合浅层地震勘探结果,确认F1、F2为断裂构造。

      图  7  大探口村西测线DF1电阻率层析成像剖面

      测线DF2位于大探口村东,沿山前冲沟布设,从南向北延伸,长264 m,测线位置见图4。由测线DF2探测结果(图8)看 出,在108~120 m段,浅部高阻层、深部低阻层厚度横向变化明显;192 m至测线末端,电性结构相对复杂,为高、低阻区交替,在该剖面上解释了2条断层F3、F4,结合图7浅层地震勘探结果,确认F3为断裂构造,推测F4为盆地边缘岩性变化所产生的电阻率异常显示。对比测线DF1的位置和探测结果,以及蔚广盆地南缘断裂的走向,认为断层F3与测线DF1探测到的断层F2为同一断层。

      图  8  大探口村东测线DF2电阻率层析成像剖面

      为进一步确定测线DF1、DF2所探测到的断层及其结构,应用浅层地震勘探对断层进行探测。浅层地震勘探是根据地下介质弹性和密度的差异界面上地震波的运动学和动力学特征,探测和判定断裂构造,并在山间盆地断裂探测中得到应用[18]

      浅层地震勘探使用STRATAVISOR NXZP96地震仪记录,采用3 m道间距、12次覆盖、单边放炮,72道接收,24道备用,向前连续追踪的观测系统。

      浅层地震剖面Ⅰ—Ⅰ ′ 位于大探口村西,从南向北布设,剖面起点位于测线DF1的50 m处,剖面长672 m,从剖面中反射波同相轴的横向变化可见(图9),位于剖面桩号40~51 m和252~267 m之间的反射波同相轴被错断,难以连续追踪。根据反射波同相轴的横向变化特征和上下关系,在剖面上解释了2条断层,标识为F1、F2。断层F1为倾向北的正断层,破碎带宽度约11 m,地表投影坐标39°44′35.34″N,114°32′38.62″E;断层F2为倾向北的正断层,破碎带宽度约15 m,地表投影坐标39°44′41.67″N,114°32′41.55″E。

      图  9  大探口村西浅层地震勘探剖面Ⅰ—Ⅰ′探测结果

      在大探口村东,沿测线DF2布设了一条长672 m的浅层地震勘探剖面Ⅱ—Ⅱ′,剖面起点距测线DF2起点80 m,从剖面中反射波同相轴的横向变化可见(图10),位于剖面桩号195~210 m之间的反射波同相轴被错断,难以连续追踪。根据反射波同相轴的横向变化特征和上下关系,在剖面上解释了1条倾向北的正断层,破碎带宽度约15 m,地表投影坐标39°44′40.79"N,114°33′08.33"E。对比测线DF2探测结果,浅层地震勘探所探测到的断层与测线DF2中的断层F3为同一断层。此外,测线DF2中的断层F4在浅层地震勘探剖面Ⅱ—Ⅱ′中无显示,推测为山前冲洪积扇边缘与沉积盆地过渡带的横向不均匀所至。

      图  10  大探口村东浅层地震勘探剖面Ⅱ—Ⅱ′探测结果

      综合电阻率层析成像、浅层地震勘探的探测结果,结合断裂出露剖面,以及断裂的走向,认为隐伏区内断层F1应是扇体根部蔚广盆地南缘断裂较老的山前断层,断层F2应是扇体之中发育最新的活动断层,断层近EW走向,倾向N,倾角70°,破碎带宽度约15 m,断层埋深近地表。

    • 通过对蔚广盆地南缘断裂沿线进行野外踏勘、勘选和物理探测断层具体位置,最终优选大探口村西场地作为跨断层流动形变监测场地。监测场地内有F1和F2两个断层点,由于F1为扇体根部较老的山前断层,断层F2应是扇体之中发育最新的活动断层,故监测布设主要针对断层F2开展。监测布设方案为:大探口村西场地砂石路面,沿山洪冲积沟,南北设立测线,该地断层位置明确,干扰较小,土质坚实,保存时间较长,可作为地震水准观测之用。按照行业标准DB/T47-2012《地震地壳形变观测方法 跨断层位移测量》,做土层综合桩,采取单线支线测量,分段、分光段两端控制的方法。

    • 根据蔚广盆地南缘断裂活动特征,依据跨断层流动形变测量相关规范和标准,结合场地环境条件,在位于蔚广盆地南缘断裂全新世活动唐山口段(S2)的大探口选址跨断层流动形变测量场地。该场地交通便捷、环境条件好,而且场地附近断层出露,断层位置明确。为满足测量场地的规范要求,在断层出露附近,沿一近NS向的道路布设观测场地。基于场地内断层被第四系所覆盖,为确定断裂的准确位置及其断层结构,应用电阻率层析成像和浅层地震勘探地球物理方法对蔚广盆地南缘断裂进行了综合探测,结合断裂出露剖面、断裂的走向,查明大探口场地隐伏区内较老的山前断层和扇体中发育最新的活动断层的准确位置和断层结构,为开展跨断层流动形变测量和布设水准标石提供了地质构造方面的资料和依据。

参考文献 (18)

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