潘志龍,張 歡,王 慧,李慶喆,卜 令,石光耀,張金龍

(河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院,河北 廊坊 065000)

0 引言

京津唐地區(qū)是地震頻發(fā)區(qū),歷史上曾發(fā)生多次破壞性地震,如1679年平谷—三河8級大地震、1976年唐山大地震等。該地區(qū)新構(gòu)造活動按展布方向分為NNE向活動斷裂、NE向活動斷裂、NW向活動斷裂及EW向活動斷裂[1][圖1(a)]。

NW向斷裂及EW向斷裂大部分隸屬于張家口—渤海構(gòu)造帶,包括張家口斷裂、新保安—沙城斷裂、施莊斷裂、孫河—南口斷裂、昌平—豐南斷裂、永定河斷裂、廊坊—武清斷裂、寶坻斷裂(EW向斷裂)、薊運河斷裂和海河斷裂等。其中,南口—孫河斷裂西北段距今60 ka以來經(jīng)歷過13次地震地表位錯事件,具有持續(xù)活動特點[2];南口—孫河斷裂南東段最新活動時代為中更新世晚期-晚更新世早期,早更新世期間和晚更新世晚期以來斷裂垂向運動位移量并不大[3-4]。昌平—豐南斷裂上斷點埋深80～100 m,其最新活動時代為晚更新世[5]。薊運河斷裂北段上斷點埋深25 m,最新活動時間為晚更新世;南段上斷點埋深55 m左右,最新活動時間為中更新世中晚期[6]。海河斷裂西段在(36.29±2.68) ka BP以來有過活動,但該斷層最晚活動時代不會晚于(8.415±0.115) ka BP,其主要活動時代在更新世末期至全新世早期;海河斷裂東段最新活動時代至少為(7.2±0.14) ka BP,已進入了全新世早中期[7]。

1.隱伏的第四紀活動斷裂;2.出露地表的活動斷裂;3.MS7.0以上地震;4.MS5.0～7.0地震;5.MS3.0～5.0地震; 6.小于MS3.0地震;7.震級及發(fā)震時間;8.研究區(qū)位置;9.DC89-1541地震剖面;10.構(gòu)造觀察孔位置及編號; 11.人工地震勘探線;12.香河—皇莊斷裂位置圖1 京津冀地區(qū)第四紀斷裂分布簡圖及研究區(qū)工作部署圖[13]Fig.1 Distribution map of Quaternary faults in the Beijing-Tianjin-Hebei region and the work deployment map of the study area[13]

NNE向與NE向斷裂包括野雞坨—豐臺斷裂、寧河—昌黎斷裂、夏墊斷裂、高麗營斷裂、燕郊斷裂、順義斷裂、香河—皇莊斷裂、陡河斷裂等。其中,野雞坨—豐臺斷裂、寧河—昌黎斷裂形成時代較老,規(guī)模也相對較小,其多被NNE向斷裂改造[8-9]。夏墊斷裂是1679年平谷—三河8級大地震的發(fā)震斷裂,至今在三河市東柳河屯至東興莊一帶還殘存著斷層陡坎,據(jù)前人對夏墊斷裂一帶高精度微地貌測量結(jié)果顯示,斷層陡坎延伸長度不小于30 km[10]。黃莊—高麗營斷裂北段第四紀以來活動跡象明顯,全新世以來表現(xiàn)為強烈蠕滑變形,平均垂直活動速率為0.10 mm/a,沿斷裂下盤誘發(fā)了線性分布的地裂縫、地面塌陷、墻體路面開裂等地質(zhì)災害現(xiàn)象[11]。順義斷裂為一條向SE傾的正斷層,晚更新世其活動性開始增強,全新世以來平均垂直滑動速率達0.51 mm/a,斷裂現(xiàn)今仍具有一定的蠕滑活動特征,并對淺地表部地裂縫發(fā)育具有明顯的控制作用[12]。

香河—皇莊斷裂位于廊坊市香河縣安平鎮(zhèn)至三河市皇莊鎮(zhèn)東一帶,呈NE向展布。20世紀70、80年代的區(qū)域物探資料顯示,安平鎮(zhèn)—皇莊鎮(zhèn)一線為一條明顯的重力和航磁梯度帶,因此前人認為香河—皇莊斷裂是大廠凹陷與寶坻凸起的邊界斷裂。隨著大廠凹陷石油物探工作的開展,越來越多的證據(jù)表明香河—皇莊斷裂可能并非是大廠凹陷的東緣斷裂,而是一條新生代晚期形成的斷裂。但是,相對于其他NNE、NE向斷裂,香河—皇莊斷裂第四紀以來的活動性研究相對較為欠缺。

本文依托中國地質(zhì)調(diào)查局河北平原區(qū)填圖試點項目,采用淺層高分辨率地震和跨斷層的鉆孔對比,輔助14C同位素測年及光釋光測年方法,討論香河—皇莊斷裂晚更新世以來的活動性,以期為香河—皇莊斷裂相關(guān)研究提供地質(zhì)和地球物理證據(jù),并為京津冀地區(qū)地震預測以及預防地震災害提供科學依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于廊坊市香河縣東部,大地構(gòu)造上位于華北盆地大廠凹陷與寶坻凸起交匯部位[14]。區(qū)內(nèi)第四紀活動斷裂較為發(fā)育,主要包括NNE向展布的夏墊斷裂、燕郊斷裂,NE東向展布的香河—皇莊斷裂,NW向展布的南口—孫河斷裂,以及近EW向展布的三河—黃土莊斷裂(昌平—豐南斷裂中段)、寶坻斷裂。

石油物探及鉆孔資料顯示,研究區(qū)西側(cè)大廠凹陷內(nèi)新生代地層自下而上依次為古近系沙河街組、東營組,新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系,研究區(qū)東側(cè)寶坻凸起上新生代地層只發(fā)育有館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系[15-16]。根據(jù)本項目研究成果,研究區(qū)內(nèi)第四系為一套河流相砂、粉砂及黏土組合,其底界埋深在284 m左右。

根據(jù)中國地震局地震目錄數(shù)據(jù)(http://data.earthquake.cn),研究區(qū)內(nèi)密集的地震帶主要沿夏墊斷裂、南口—孫河斷裂展布,其中包括歷史上的3次5級以上破壞性地震,分別為1532年的5.5級地震、1536年6級地震及1679年8級地震,然而寶坻斷裂及香河—皇莊斷裂沿線微震活動并不是十分密集[圖1(b)]。根據(jù)野外調(diào)查,香河—皇莊斷裂沿線未發(fā)現(xiàn)地裂縫及地面塌陷現(xiàn)象,也不存在明顯的線狀地貌,初步判斷香河—皇莊斷裂并未出露地表。

2 淺層人工地震反射剖面

2.1 測線位置

香河—皇莊斷裂為一條隱伏斷裂,為了更好地查明其淺部幾何學特征,在香河縣西馬家窩村西采用縱波反射探測方法部署了兩條地震勘探線X2和X2c[圖1(c)]。其中,X2剖面沿鄉(xiāng)村公路呈NNW-SSE向展布,震源采用100 kg車載重錘激發(fā),檢波點距5 m,炮間距5 m,最小偏移距10 m,最大偏移距1 481 m,長度3.4 km。在X2剖面基礎(chǔ)上,針對斷層淺部布設(shè)了X2c超淺層地震剖面,其位于X2剖面1.5～1.7 km之間,即X2剖面中香河—皇莊斷裂上斷點投影位置附近,震源采用10 kg重錘1.5 m下落激發(fā),檢波點距4 m,炮間距4 m,長度200 m。

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理方法

本次反射地震探測數(shù)據(jù)采集儀器采用北京中科聯(lián)衡科技有限公司生產(chǎn)的428XL型車載無線地震儀。X2測線采樣間隔0.5 ms,最大覆蓋次數(shù)90次,記錄長度3 s,檢波器主頻60 Hz,兩并兩串。X2c測線采樣間隔0.25 ms,最大覆蓋次數(shù)45次,記錄長度1 s,檢波器主頻60 Hz,兩并兩串。數(shù)據(jù)處理采用水平多次疊加的方法,主要處理方法有數(shù)字濾波、反褶積、速度分析、疊加、偏移等[17]。

2.3 香河—皇莊斷裂淺層地震反射剖面特征

X2淺層地震反射疊加剖面具有較高的信噪比和分辨率,900 ms以上具有較為清晰的地層界面反射波,包含4組可連續(xù)追蹤的地層界面反射波[圖2(a)]。T0反射層位于時深200～250 ms間,具有連續(xù)性較好的強反射振幅特征,其下部反射波同軸性較上部略差,反映上下巖石物性略有差異。通過區(qū)域地層對比,推測T0反射層為上新統(tǒng)明化鎮(zhèn)組頂部的強反射界面,即第四系底界。T1反射層位于350～410 ms之間,且略向北西傾斜,為一組連續(xù)性較好的強反射層,其上下兩部分反射波差異性明顯。通過區(qū)域地層對比,推測T1反射層為上新統(tǒng)明化鎮(zhèn)組與中新統(tǒng)館陶組之間的界面。T2反射層位于550～590 ms之間,為一個清晰的削截界面,其下部反射層具有較好的同軸性和連續(xù)性,其地層明顯向北西傾斜,代表中新統(tǒng)館陶組底界的角度不整合界面。T3反射層位于590 ms之下,剖面0～2.3 km段為北西傾斜界面,2.3～3.4 km段為近水平界面。T3反射層為一個侵蝕-上超型界面,代表中、新生界與元古界-古生界之間的不整合界面,即基底反射界面。X2剖面1.6 km附近可見一個由淺到深的鏟狀反射特征分界線,其兩側(cè)地層產(chǎn)狀和反射波組明顯錯位或不同,因此判定它是香河—皇莊斷裂在地震剖面上的反映。該斷裂較為可靠的上斷點時深為100 ms左右,鑒于地震反射剖面淺表的反射效果不高,其上斷點可能更淺。剖面中,香河—皇莊斷裂為一條NW傾正斷層,呈鏟狀,上部略陡,向下逐漸變緩,其自上而下依次錯斷T0、T1、T2和T3反射層。其在T2和T3反射層上產(chǎn)生的斷距大致相同,且略大于T0、T1反射層,表明香河—皇莊斷裂對大廠凹陷中生界和古近系控制作用并不明顯,極有可能為一條新近紀以來形成的斷裂,切穿了前中生界基底,且第四紀以來仍有活動。

1.第四系;2.上新統(tǒng);3.中新統(tǒng);4.古近系+中生界;5.前中生界;6.斷層;7.地震反射層;8.構(gòu)造觀測孔圖2 西馬家窩村一帶淺層人工地震反射剖面圖Fig.2 Artificial shallow seismic reflection profile around Ximajiawo Village

X2c超淺層地震反射疊加剖面同樣具有較高的信噪比和分辨率,200 ms以上地層界面反射波較為清晰,可連續(xù)追蹤且同軸性較好[圖2(b)]。剖面90 m附近可見一個自上而下逐漸增加的反射層彎曲-錯斷現(xiàn)象,基本可以代表香河—皇莊斷裂淺部特征。剖面中,斷層高角度北西傾,自上而下略有變緩,在120 ms以下還可見兩條分支斷裂,而在30 ms以上,斷層效應(yīng)逐漸減弱,地震反射層趨于連續(xù)且平滑。

綜上所述,香河—皇莊斷裂在香河縣西馬家窩村一帶表現(xiàn)為一條NW傾正斷層,剖面上呈鏟狀,上部略陡,向下逐漸變緩,地震剖面中識別出的上斷點位于30 ms左右。香河—皇莊斷裂對大廠凹陷的控制作用并不明顯,為一條新近紀以來形成的斷裂,且第四紀以來仍有活動。

3 鉆孔分析

為了查明香河—斷裂皇莊斷裂晚更新世以來的活動性及其近地表特征,本次工作依據(jù)淺層地震剖面所指示的斷層位置,分別于香河—皇莊斷層兩側(cè)部署施工了一個構(gòu)造觀察鉆孔[圖1(c)]。其中,渠9孔位于斷裂下盤,距斷裂上斷點投影位置約70 m,井口高程9.67 m,終孔深度50 m;渠8孔位于斷裂上盤,距斷裂上斷點投影位置約81 m,井口高程9.86 m,終孔深度50 m。兩個構(gòu)造觀察孔鉆孔間距151 m,鉆孔進尺精度<1 cm,但由于巖芯脹芯及丟失影響,取芯精度≤10 cm。根據(jù)本次區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作,研究區(qū)內(nèi)第四系以水平沉積為主,層理傾角遠低于1°,X2及X2c剖面反映的淺部地層也為水平地層,因此鉆孔中地層默認為水平產(chǎn)出。

3.1 實驗測試

為了更好地約束香河—皇莊斷裂的活動時限,本次工作分別在兩個構(gòu)造觀測孔中采集了14C同位素測年樣品及光釋光測年樣品進行分析。在渠8孔進尺深度1.7～10.4 m間采集了4件富含有機質(zhì)的沉積物作為14C測年樣品,進尺13.6～31.2 m間采集了4件光釋光樣品;在渠9孔進尺深度1.6～10.2 m間采集了5件富含有機質(zhì)的沉積物作為14C測年樣品,進尺13.5～31.7 m間采集了4件光釋光樣品。需要指出的是,鉆孔中缺少較為封閉的古生物遺體化石,本次采集的14C同位素測年樣品全部為不完全封閉的含有機質(zhì)的沉積物。自然沉積過程中,地下水及生物活動對這些樣品中的14C同位素含量具有一定影響,因此14C測年結(jié)果僅代表一個相對的年齡,它相對沉積物的實際年齡可能偏小。

14C測年樣品測試在北京大學科技考古與文物保護實驗室完成,實驗采用加速器質(zhì)譜法(AMS),所用14C半衰期為5.568 ka,樹輪校正所用曲線為IntCal13 atmospheric curve[18],數(shù)據(jù)處理所用程序為Bronk Ramsey 的OxCal v4.2.4(表1)。光釋光測年樣品測試在北京光釋光實驗室科技有限公司完成,實驗儀器為Daybreak 2200(美國)光釋光儀,所有樣品采用細顆粒簡單多片再生法獲得等效劑量值,用飽和指數(shù)方法進行擬合。用簡單多片法測得的細顆粒樣品再生劑量點不太分散,生長曲線沒有明顯飽和,大部分樣品測試數(shù)據(jù)可信,實驗結(jié)果列于表2。需要說明的是,Q8OSL-4和Q9OSL-4兩件光釋光樣品年齡結(jié)果與標志層分析結(jié)果不一致,其中Q8OSL-4樣品的含水率僅為2.5%,與其野外采樣時的狀態(tài)及其他樣品含水率不符,存在樣品保存過程中漏光失效的可能。除此之外,根據(jù)張克旗等[19]對光釋光測年法測年范圍的研究發(fā)現(xiàn),石英OSL信號的快速組分在靠近100 ka時便接近飽和,導致常規(guī)光釋光測年對于超過100 ka以上的樣品難以準確定年,因此本文討論過程中不再參考Q8OSL-4和Q9OSL-4的測年結(jié)果。

表1 香河—皇莊斷裂構(gòu)造觀測孔14C測年數(shù)據(jù)表Table 1 14C dating data from observation boreholes in the Xianghe-Huangzhuang fault

表2 香河—皇莊斷裂構(gòu)造觀測孔光釋光測年數(shù)據(jù)表Table 2 OSL dating data from observation boreholes in the Xianghe-Huangzhuang fault

3.2 鉆孔巖芯標志層分析

根據(jù)巖心巖性組合特征,兩口構(gòu)造觀察孔具有典型的曲流河相沉積特征,沉積物層理清晰,沉積構(gòu)造較為發(fā)育,具有較好的橫向?qū)Ρ刃?。本次標志層對比工作選取了曲流河沉積模式中水動力較弱且橫向上沉積較為穩(wěn)定的洪泛平原、河漫湖沼相沉積層,代表地下水水位震蕩的鈣核層、潛淯化、潴淯化層,以及代表沉積物長時間暴露的古土壤層、磚紅壤層為標志層,包括1層紅棕色黏土層、1層有機質(zhì)層、1層潛淯化層、7層鈣核層(圖3、4)。這些標志層均可以指示在相應(yīng)的沉積時期或地下水水位震蕩期兩個鉆孔均處于同一高程位置。

圖3 香河—皇莊斷裂構(gòu)造觀察孔巖芯典型特征Fig.3 Typical characteristicsof observation borehole cores in the Xianghe-Huangzhuang fault

兩個鉆孔巖芯中標志層落差(渠9孔標志層、標志界面絕對標高減去渠8孔對應(yīng)標志層、標志界面絕對標高)具有如下特征:

(1) 兩個鉆孔全新統(tǒng)對比效果較差。從沉積物組成看,渠8孔以洪泛平原微相粉砂質(zhì)黏土、黏土為主,底界埋深約3.4 m,而渠9孔則以決口扇微相粉砂沉積為主,并且缺失第一鈣核層,其相對年齡較渠8孔年輕,底界為粉砂-黏土界面,具有侵蝕面特征,埋深4.6 m左右(以渠8孔井口為基準,同下)。渠8孔第二鈣質(zhì)結(jié)核層位于全系統(tǒng)底界之下,而渠9孔則位于全系統(tǒng)底界之上,但兩者絕對高程僅相差0.1 m,大致等同于鉆孔取芯控制精度,因此可認為二者近于等深。本次野外調(diào)查顯示,香河—西馬家窩村—渠口鎮(zhèn)一帶有大量的決口扇堆積和古河道堆積,據(jù)此推斷,兩個鉆孔全新統(tǒng)差異可能與全新世以來古潮白河沖刷與改道有關(guān)。

(2) 上更新統(tǒng)上部(距今66.9～12 ka)兩個鉆孔橫向?qū)Ρ容^好,可以識別的3個標志層幾乎等深。其中,青灰色潛淯化層為一層厚約2 cm的青灰色粉砂質(zhì)黏土,渠8孔、渠9孔中絕對標高分別為3.46 m和3.52 m(圖3);第一有機質(zhì)層為一層富含碳質(zhì)的細砂、粉砂層,渠8孔、渠9孔中厚度均為0.7 m,其頂部絕對標高分別為0.56 m和0.57 m;第三鈣核層同樣等深,在兩鉆孔中均發(fā)育于一層棕灰色粉砂質(zhì)黏土中,其絕對標高均在-1.5～-2.3 m之間。進尺11～15 m之間,兩個鉆孔雖然缺少明顯的標志界面,但總體說來沉積物顏色、巖性、厚度大致相同,與上、下沉積物差異較為明顯,均為一套棕灰色、淺棕色黏土質(zhì)粉砂、粉砂組合,其相同深度的光釋光年齡分別為(59.1±4.9) ka和(66.9±5.6) ka(圖4),年齡誤差范圍存在重疊,因此可認為兩者基本等時。

圖4 香河—皇莊斷裂構(gòu)造觀測孔綜合對比圖Fig.4 Comprehensive comparison diagram of observation boreholes in Xianghe-Huangzhuang fault

(3) 上更新統(tǒng)下部(距今126～66.9 ka)兩個鉆孔中沉積物巖性可對比性較好,均為一套灰色、青灰色砂、含礫砂、粉砂組合,但其光釋光年齡存在較大的差異。如果按光釋光標定的年齡推算,該階段兩個鉆孔的垂直落差至少在7 m以上,然而兩鉆孔中位于該套地層之下的第五至第七鈣核層以及紅棕色黏土層垂直落差均在1.5～1.8 m之間,因此,兩鉆孔上更新統(tǒng)下部的年齡差異不是斷層效應(yīng)造成的。在曲流河沉積模式中,曲流河凸岸往往為側(cè)向侵蝕環(huán)境,而在河流凹岸則為側(cè)向加積環(huán)境,隨著曲流河的擺動和堆積,逐漸在不同位置形成了時代不同卻具有相似沉積組合的垂向剖面特征。如圖5所示,剖面A和剖面B具有極為相似的垂向沉積序列,但其明顯屬于兩期曲流河沉積,因此,在渠8孔、渠9孔中上更新統(tǒng)下部沉積物年代差異是由于不同期次的曲流河沉積造成的。

1.決口扇沉積;2.天然提沉積;3.洪泛平原沉積;4.牛軛湖及廢棄河道沉積;5.邊灘沉積;6.河床沉積;7.第一期曲流河堆積;8.第二期曲流河堆積;9.第三期曲流河堆積圖5 上更新統(tǒng)上部曲流河沉積模式圖Fig.5 Depositional model of meandering river in the upper strata of Upper Pleistocene

(4) 中更新統(tǒng)上部(埋深30～50 m段)兩個鉆孔橫向可對比性較好,可識別出三層鈣核層和一層紅棕色黏土層。兩個鉆孔中第五、第六以及第七鈣核層均存在明顯落差,渠8孔中三個鈣核層頂界埋深較渠9孔分別低1.8 m、1.7 m和1.7 m,一致性較好(圖4)。兩個鉆孔中紅棕色黏土層頂界絕對標高分別為-26.79 m和-25.33 m,相對落差為1.5 m左右(圖3),與第五至第七鈣核層落差基本一致,而這1.5 m的落差基本上可以認為是香河—皇莊斷裂活動造成的。

綜合上述構(gòu)造觀察孔巖芯對比分析,香河—皇莊斷裂在晚更新世晚期至全新世之間無明顯活動,根據(jù)正斷層的斷層效應(yīng),形成1.5 m落差的斷層活動事件應(yīng)該發(fā)生于第五鈣核層形成后至棕灰色黏土質(zhì)粉砂、粉砂層之間(圖4)。

3.3 沉積速率分析

從年齡/深度(以渠8孔井口為基準)關(guān)系曲線上看[圖6(a)],渠8孔、渠9孔年齡/深度曲線斜率基本一致,表明兩者沉積關(guān)聯(lián)性較強,具有較高的對比性。在深度0～13.5 m間,兩者年齡/深度曲線基本一致;13.5～25 m段,兩者曲線斜率基本一致,表明兩者沉積速率大致相同,其存在的明顯年齡差異應(yīng)該與前文所述曲流河沉積模型有關(guān);25 m之下的沉積階段,由于年齡數(shù)據(jù)不可靠,參考意義不大。

圖6 香河—皇莊斷裂構(gòu)造觀察孔年齡/深度及沉積速率/深度關(guān)系圖Fig.6 Age/depth diagram and deposition rate/depth diagram of observation boreholes in Xianghe-Huangzhuang fault

在沉積速率/深度曲線中[圖6(b)],兩個鉆孔同樣具有較高的相似性。在深度0～3 m段,渠9孔沉積速率出現(xiàn)一個短暫的快速沉積階段,這一特點與全新世晚期以來西馬家窩一帶河流泛濫與改道相對應(yīng);3～30 m段,兩鉆孔沉積速率基本一致,特別是在17～27 m間均出現(xiàn)一個快速沉積階段,對應(yīng)鉆孔中晚更新世下部的河床、邊灘沉積。

綜上所述,根據(jù)年齡/深度、沉積速率/深度曲線判斷,兩個鉆孔具有較強的關(guān)聯(lián)性,基本上處于同一沉積體系或沉積環(huán)境下,其巖芯對比具有較高的可靠性。

4 討論

4.1 香河—皇莊斷裂與地面沉降特征

對華北地區(qū)多期精密水準復測資料分析發(fā)現(xiàn),1992—1998年香河—皇莊斷裂兩側(cè)及周邊表現(xiàn)為微弱的抬升,年抬升速率<2 mm/a,而1998—2008年研究區(qū)整體處于緩慢的沉降區(qū),年均沉降速率一般<8 mm/a[20]。2007—2016年,香河、渠口鎮(zhèn)、寶坻一帶整體地表沉降程度較低,年均沉降速率一般<8 mm/a,部分地區(qū)甚至出現(xiàn)逆沉降(即抬升)。這些區(qū)域整體呈NNW向或EW向,且多具季節(jié)性變化特點[21-25],沉降中心分布與香河—皇莊斷裂關(guān)系并不明顯。

4.2 香河—皇莊斷裂活動性討論

根據(jù)構(gòu)造觀察孔巖芯對比及沉積速率分析,埋深15 m以淺,渠8孔、渠9孔標志層沒有明顯的垂直落差,指示香河—皇莊斷裂在晚更新世中期[(66.9±5.6) ka]以來沒有活動。

渠8孔、渠9孔埋深15～30 m為一套曲流河相河床-邊灘沉積,缺少可供對比的標志層或標志界面。從光釋光年齡上看,兩鉆孔巖芯存在明顯的時代差異,但這些差異完全可以用曲流河沉積模式解釋。假設(shè)這種時代差異是斷層效應(yīng)造成的,以同時期沉積物作為標志界面,那么香河—皇莊斷裂此階段的垂直落差將超過7 m,大于鉆孔埋深在30 m以下的標志層的落差,這種結(jié)果顯然不符合同沉積正斷層效應(yīng)。需要說明的是,雖然采用曲流河沉積模式可以解釋此階段兩鉆孔巖芯時代差異,但由于缺少可靠的標志層對比,不能排除該階段存在斷層活動的可能。

渠8孔、渠9孔埋深30～50 m間的各個標志層存在1.5～1.8 m的垂直落差,說明香河—皇莊斷裂至少在中更新世晚期還存在明顯的垂直位移。受限于鉆孔研究的局限性,本次工作并未在巖芯中識別出較為典型的地震事件,因此香河—皇莊斷裂在中更新世晚期的活動是蠕滑運動還是地震活動,尚需進一步研究。

綜上所述,香河—皇莊斷裂在中更新世晚期存在1.5～1.8 m的垂直落差,但至少在(66.9±5.6) ka以來沒有活動,現(xiàn)階段其整體處于不活動狀態(tài)。

4.3 香河—皇莊斷裂誘發(fā)地震的可能性

根據(jù)前人對京津冀地區(qū)發(fā)震規(guī)律的研究,該地區(qū)NW向張家口—渤海構(gòu)造帶(張渤帶)與NNE向斷裂交匯部位是現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的累積和釋放地帶[1,4,26],也是中強地震的主要發(fā)生地[27-29]。目前張渤帶的形變、應(yīng)變狀態(tài)正處于震后調(diào)整階段,不具備發(fā)生強震的條件[30]。也有部分學者根據(jù)斷層似摩擦系數(shù)推測,張渤帶西北段未來地震活動的可能性較高,斷裂帶中段及東南段應(yīng)力積累水平較低,中強地震活動的可能性較小[31]。

張渤帶各個分支斷裂中,寶坻斷裂在香河縣鉗屯鎮(zhèn)一帶轉(zhuǎn)而向SW向延伸,基本上與香河—皇莊斷裂平行展布[15-16];南口—孫河斷裂東南段最東基本上僅到通州區(qū)西集鎮(zhèn),并未與香河—皇莊斷裂相交[3];同時沒有相關(guān)文獻和證據(jù)表明香河—皇莊斷裂北段與其他NW向斷裂有交匯。

根據(jù)華北油田DC89-1541地震剖面(圖7)顯示,在大廠凹陷南部,香河—皇莊斷裂為一條NW傾鏟狀斷層,下部斷層產(chǎn)狀略緩,向下交匯于東傾的大廠凹陷西緣斷裂并消失,其下延時深約3 500 ms,大致相當于3～4 km。根據(jù)李紅光等[32]對華北地區(qū)地震活動的研究,1978—2011年京津唐地區(qū)微震表現(xiàn)為明顯的、近直立的地震群,震源深度主要集中在5～25 km,98%的地震震源深度小于25 km,反映了華北地區(qū)發(fā)震斷裂多為高角度的深斷裂。因此,香河—皇莊斷裂幾何學形態(tài)及其深部特征與華北地區(qū)主要發(fā)震斷裂存在較大差異,發(fā)生破壞性地震的可能性較低。

綜合上述,香河—皇莊斷裂是一條位于張渤帶中段的NE向斷裂,且并未與張渤帶各個NW向分支斷裂存在交切?，F(xiàn)階段張渤帶中段發(fā)生中強地震活動的可能性較小,不存在構(gòu)造應(yīng)力的累積和釋放。此外,香河—皇莊斷裂晚更新世晚期以來沒有明顯活動,現(xiàn)階段處于不活動狀態(tài),其幾何學特征及下延深度也與現(xiàn)今華北地區(qū)主要發(fā)震斷裂區(qū)別顯著。因此,香河—皇莊斷裂未來發(fā)生中強地震的可能性較低。

5 結(jié)論

(1) 根據(jù)淺層地震反射剖面,香河縣西馬家窩地區(qū)的香河—皇莊斷裂表現(xiàn)為一條NE-SW走向的NW傾正斷層,剖面上呈鏟狀,上部略陡,向下逐漸變緩。該斷裂向下切穿了前中生界基底,但對新生代大廠凹陷東緣沒有明顯的控制作用,為一條新近紀以來形成的斷裂,在第四紀仍有活動。

1.前中生界;2.古近系+中生界;3.中新統(tǒng);4.新近系+第四系;5.上新統(tǒng)+第四系;6.前新近紀斷裂;7.新近紀以來仍有活動的斷裂圖7 大廠凹陷南部DC89-1541地震剖面解譯圖(據(jù)華北油田資料)Fig.7 Interpretation diagram of seismic profile DC89-1541 in southern Dachang Depression (After the data of Huabei Oilfield)

(2) 通過部署于斷層兩側(cè)的構(gòu)造觀察孔巖芯對比及測年數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn):在距地表30～50 m的中更新統(tǒng)上部,香河—皇莊斷裂兩側(cè)存在1.5～1.8 m的垂直落差,其上斷點位于距地表15～30 m范圍內(nèi),相當于晚更新世早期(距今126～66.9 ka);在距地表15 m以內(nèi),即晚更新世晚期以來,香河—皇莊斷裂兩側(cè)沒有明顯的垂直落差,其末次活動時間不會晚于(66.9±5.6) ka。

(3) 香河—皇莊斷裂未與張渤帶各個NW向分支斷裂存在交切,不存在構(gòu)造應(yīng)力的累積和釋放,晚更新世晚期以來該斷裂處于不活動狀態(tài),其幾何學特征及下延深度也與現(xiàn)今華北地區(qū)主要發(fā)震斷裂有顯著區(qū)別。因此,香河—皇莊斷裂未來發(fā)生中強地震的可能性較低。

致謝:感謝中國地質(zhì)科學院地質(zhì)力學研究所胡健民研究員、李振宏研究員,天津市地質(zhì)調(diào)查研究院王家兵教授級高工,北京市地質(zhì)調(diào)查研究院蔡向民教授級高工在野外工作中給予的幫助與指導;感謝北京大學考古文博學院潘巖老師在14C測年實驗中提供的幫助。