北京奧林匹克公園中黃莊奧林匹克公園地區(qū)隱伏斷裂綜合探測

北京奧林匹克公園中黃莊奧林匹克公園地區(qū)隱伏斷裂綜合探測

1奧林匹克公園地區(qū)黃莊-高立營斷裂是北京的一條重要的隱伏活動斷裂，是一級新構造單元的界限斷層層。從圖1所示的最初缺陷定位結果來看，不同時期、不同工作項目的位置和趨勢非常不同。根據現有的鉆孔數據，該區(qū)域及其附近巖石的形狀可能存在垂直破裂的錯誤，但缺陷的位置尚不清楚。有研究認為該段斷裂活動時代為第四紀.北京市地礦局物探隊(1990)曾在人工地震反射勘探工作中認為該斷裂最新活動時代為中更新世中期.但過去工作都對斷裂上斷點的埋深及確定的活動年代缺少有說服力的證據.2001年北京申奧成功后,為滿足工程建設的要求,對奧林匹克公園地區(qū)進行了斷裂定位并探測其活動性,為奧運工程規(guī)劃、建設提供依據.該地區(qū)為第四紀覆蓋的城市地區(qū),這項工作也為以后在全國范圍內開展的城市地區(qū)隱伏斷裂探測工作探索有效方法并總結、積累經驗.2地球物理勘探2.1探測目標及責任通過斷裂結構引起的電阻率異常變化探測斷裂位置.探測目標分三個層次:控制性勘探(3條測線),儀器WDJD-2,10m道距,120道,隔離系數19～39,探測目標為深于100m的電性結構,給出斷裂粗定位;初步勘探(9條測線),儀器MIR-2000,4～8m道距,120道,隔離系數32～35,探測目標為淺于150m斷裂定位;詳細勘探(4條測線),儀器MIR-2000,2m道距,120道,隔離系數35,探測目標為50m深度以上斷裂準確位置.測線位置見圖2.疊加次數50次,供電頻率2.7s周期,測量精度控制在0.5%.對控制性勘探采集數據的處理,采用Loke設計的RES2DINV最小二乘法計算機反演計算程序進行了正、反演計算.初勘和詳勘數據采用中國地震局地球物理研究所RTS-1軟件包進行處理.圖3為單條測線結果典型圖例.電阻率層析成像方法探測顯示電阻率異常位置見圖4,根據大致為北東一南西方向的斷裂走向,可以連接出G1、G2、G3和G44個電阻率間斷面,因為電阻率的變化與諸多因素有關,它們是否是斷裂的反映還需要綜合分析研究進行確認.2.2淺層地震反射探測實例淺層地震反射波勘探是確定地層界面最成功的地震勘探方法,本次探測就是以對地下地層界面的探測來確定斷裂位置、性質、上斷點埋深以及斷裂向上延伸形態(tài).測線位置見圖2,其中1#、3#、5#、6#、7#、10#、16#和16b#測線是針對探測測區(qū)黃莊—高麗營斷裂布置的,5b#、9#、12#和15#主要為探測地下是否存在地層界面斷錯來驗證電阻率層析成像方法探測到的G3和G4異常面是否是斷裂的反映(該斷裂為一級新構造單元的分界正斷層,地震勘探應有斷錯反映).使用地震儀器:SUMMIT遙測數字地震儀和SWS-II瞬時浮點放大地震儀.震源采用炸藥震源(150～450g)、Minivib6500可控震源(最大出力2500kg)和M1815可控震源(最大出力5000kg).選用100Hz高頻檢波器及其組合以提高高頻分辨率并壓制干擾噪聲.道間距2m(極少數測線為5m),最小偏移距24～40m,覆蓋次數6～15次.本次探測區(qū)是城市地區(qū),經多方面努力、探索,取得了獲取良好現場數據采集的經驗,使勘探結果有了良好基礎保證,實例見圖5.地震數據處理采用FOCUS地震反射處理系統(tǒng),其數據處理流程和方法主要包括,折射靜校正、時變帶通濾波、二維傾角濾波、時變譜白化、正常時差校正(NMO)、傾角時差校正(DMO)、共中心點(CMP)疊加、剩余靜校正、疊后偏移和疊后剖面去噪等.對各測線(特別是聯絡測線6#、10#)相交點處的波組,以及6#測線北端點、3#測線和10##測線南端點構成的測線端點匯集處波組進行了對比,對測區(qū)波組形成了統(tǒng)一標識并結合鉆孔資料給出對應地層界面.通過對12條測線的淺層地震反射探測發(fā)現,存在同屬黃莊一高麗營斷裂的F1和F2,其展布見圖6.F1走向NE57。,傾向NE147。,傾角60°～70°;F2走向NE32。,傾向NE122。,傾角60°～70°.F1和F2上斷點埋深約為60～80m且均為正斷層.2.3g、3g、g4斷裂為了確認電阻率層析成像方法探測到的4個電阻率結構面是否為斷裂反映,對比了淺層地震反射勘探的結果,發(fā)現分別在與G1和G2對應位置的淺層地震反射測線也存在波組斷錯反映,可以認為G1和G2電性間斷面是由斷裂引起的電阻率變化.但在G3和G4位置上地震勘探(特別是專門布置的9#、5b#、15#和12#測線)結果表明波組連續(xù),沒有斷錯.因此判定G3、G4不是由于斷裂引起的電性間斷面.經一系列綜合分析發(fā)現連接出G3、G4的異常點位置均與現有水系或過去的老水系位置相同.鑒于水體與電阻率的密切和敏感關系,認為G3和G4是由于水系造成的電性異常所致,并非斷裂造成的電性間斷面.地球物理勘探方法最終給出測區(qū)存在斷裂為F1和F2(見圖6).3斷裂特征和顯微構造分析在上述兩種地球物理勘探方法對斷裂定位的基礎上,通過鉆探確定斷裂準確位置、探測斷裂結構及測區(qū)第四紀地層結構,全孔巖芯取樣,進行四種樣品年代測試和顯微構造分析以劃分地層年代并分析斷裂活動性.3.1黃莊—斷裂定位及破碎帶鉆探為方便對比研究,選定沿1#和3#物探測線布置1號和3號鉆探線.為了研究斷裂破碎帶的寬度、結構,布設了5號鉆探線.由于1號和3號鉆探線相距較遠,在它們之間中部預計斷裂通過的位置,補設了ZK22鉆孔,以提高探測精度,見圖2.1號鉆探線約50m深度(中更新統(tǒng)底部)地層連續(xù)穩(wěn)定,以ZK15、ZK16兩個鉆孔為界,ZK16以西的鉆孔巖芯在76.6m深度起為上新統(tǒng)含礫泥巖,85.1m起為侏羅系“洼里礫巖”,而ZK15以東鉆孔120m左右仍是第四紀卵礫石層,未見到上新統(tǒng)含礫泥巖和侏羅系“洼里礫巖”.因此黃莊—高麗營斷層從ZK15、ZK16之間通過(圖7).3號鉆探線45m深度以上巖性特征及層序組合基本相同,45m深度以下則以ZK9、ZK10為界,東西兩側的鉆孔存在十分明顯差異(圖8),且ZK10鉆孔底部出現漏漿現象,根據其兩側鉆孔第三系埋深差別較大的鉆探結果,推測ZK10孔底正好穿到了F1斷裂破碎帶位置.ZK3和ZK8之間上新統(tǒng)地層頂面相差近20m斷距,F2應在這兩個鉆孔間通過(圖8).研究斷裂破碎帶的5號鉆探線上ZK18在85m深度出現嚴重漏漿現象;ZK19在82.5m深度出現嚴重漏漿現象;ZK20未見漏漿,在85.0m深度終孔;ZK21中在深度84.2m之上為下更新統(tǒng)卵石層,84.3～90.7m為上新統(tǒng)地層,巖性為棕紅色、紅褐色半膠結狀含礫泥巖,其中在86.6～88.5m的深度裂隙發(fā)育,地層極為破碎,在88.5m處出現嚴重漏漿.經鉆探施工技術處理后,繼續(xù)鉆進,90.7～91.7m為侏羅系灰白色洼里礫巖,巖石堅硬致密,但裂隙發(fā)育,巖芯破碎,91.7～92.1m(終孔深度)為灰白色洼里礫巖的角礫與上新統(tǒng)泥巖的礫石混雜,充填物為上新統(tǒng)棕紅色粘土,隨即鉆桿遇到傾角較大的裂隙,通過鉆桿受裂隙牽引傾斜方向判斷裂隙傾向南東.從圖9可見,從ZK21鉆孔底部直接取到了斷層破碎帶巖芯證據,取得了有實效的鉆探結果.根據在5號鉆探線上進行的鉆探工作估算,該破碎帶在該處的寬度可達約250m,此破碎帶上部在下更新統(tǒng)礫石、卵石層下部,且接近或在下更新統(tǒng)與上新世交界面附近,未見膠結現象.沿此斷層破碎帶鉆探漏漿現象普遍.作為補點的ZK22鉆探深度達到84.0m(卵礫石層)時,出現了預計的嚴重漏漿,判斷進入了斷層破碎帶.可見,由1號和3號鉆探線上F1斷點連接的斷裂位置無誤.3.2地層時代劃分為定量地厘定斷層活動的時間范圍,綜合考慮本次鉆探工作中采集的可測樣品和各種方法的適用性后,對約十萬年以內時間的地層選用14C測年法和光釋光(OSL)測年法,對大于十萬年的地層樣品,14C測年法和光釋光測年法已不能給出可靠的年齡,采用古地磁測年方法來測定地層時代.此外,本次還采用了孢粉分析方法來對鉆孔進行地層時代劃分.3.2.1樣品的制備和分析方法本次鉆探中,ZK7、ZK8鉆孔上部均發(fā)育兩層灰色富含有機質、或細小炭粒、貝殼的粘質粉土、粘土巖性段,沒有經歷后期人類活動的改造(即沒有外來碳質成分的加入).分別在這兩層沉積物的頂、底部采樣.經北京大學考古系實驗室進行的樣品處理和測試,最終結果為:ZK7中6m深度樣品的年齡為20175±2000Bp,ZK8中9.4m深度樣品的年齡為22430±1100Bp,Bp為距1950年的14C年代,14C年齡計算所用半衰期為5568年.3.2.2沉積年齡的確定測區(qū)第四系沉積物在沉積、搬運過程中經歷了光曬退作用,被測主要礦物為石英、長石,其IRSL信號具有很好的熱穩(wěn)定性.樣品一般在厚度大于20cm以上的巖性段采樣,以保證所測定的礦物形成以來,處在恒定的輻射場中,因此所采集的樣品滿足紅外釋光測年的基本條件.從區(qū)域地質資料及前人研究成果分析,估計在50m以下沉積物中,其沉積年齡可能會超出紅外釋光測量年齡的下限.因此,樣品均在深度小于50m的淺部細顆粒巖性段中采集.從ZK2、ZK4、ZK7、ZK15和ZK16五個鉆孔中共采集25個樣品,經中國地震局地質研究所新構造年代學開放實驗室進行了處理、測試,對各個鉆孔所獲得的年齡結果進行對比,最終認定25m以下的沉積物,其IRSL年齡大于10萬年.3.2.3地質時代劃分經中國地震局地質研究所對測區(qū)鉆孔巖芯進行系統(tǒng)的孢粉分析與鑒定,從而進行了鉆孔巖芯氣候地層時代劃分.在ZK22鉆孔0～56.0m深度范圍采集了20個樣品(該鉆孔56.0m至84.0m終孔為砂、卵礫石層,無法采集樣品).最終對ZK22鉆孔沉積物的地質時代劃分為:0.O～5.0m或0.0～4.0m沉積物(層)的地質時代擬劃為全新世(Q4);5.0～25.0m或6.5～26.5m沉積物(層)的地質時代擬劃為晚更新世(Q3);25.0～56.0m(25.0～84.0m)或26.5～56.0m(或26.5～84.0m)劃為早更新世-中更新世(Q1～Q2).3.2.4地質-地質性質和年代學考慮到測區(qū)第四紀以來地層沉積厚度相對較小,而且多數巖性適合磁性地層學研究,使得進行采用磁性地層學方法來劃分本地區(qū)地層時代成為可能,為確定測區(qū)斷裂活動時代提供佐證.為此分別對1號和3號鉆探線上斷裂兩側的ZK7,ZK10和ZK15,ZK16鉆孔進行了磁性地層學研究.對樣品進行地磁極性測試,以在12萬年發(fā)生的極性倒轉Blake事件(相當于Q2、Q3界線),和在78萬年發(fā)生的極性倒轉Brunhes與Matuyama界線(相當于Q1、Q2界線)的深度劃分地層年代界限.對ZK7、ZK10、ZK15、ZK16鉆孔巖芯進行了處理,制作成連續(xù)的2cm×2cm×2cm的測試樣品標本,標本的剩磁測試在中國科學院地質與地球物理研究所使用2G超導磁力儀完成,退磁通過MMTD60熱退磁儀進行.本次古地磁測試結果認為在20.0～22.0m的反極性應為Blake事件(相當于Q2、Q3界線),41.0～44.0m范圍出現的反極性應為Brunhes與Matuyama界線(相當于Q1、Q2界線).3.3層的年齡劃分和開挖剖面綜合上述各種測年結果,結合鉆探工作,對比前人工作,給出測區(qū)地層年代劃分(見表1)和1號、3號鉆探線的剖面(見圖7和圖8).3.4顯微構造分析利用斷層物質的變形顯微構造研究斷裂的運動學和動力學特征,已經有幾十年的歷史,但該方法主要運用于固結的巖石,少見用于松散沉積物研究.本次運用顯微構造方法來分析鉆孔巖芯是一種新嘗試,希望通過巖芯樣品中沉積物變形顯微構造的研究,分析斷層上斷點上方地層擾動情況,研究斷裂活動特征.本次選取的鉆孔巖芯樣品取自3號鉆探線跨坐與F1斷裂兩側的ZK7和ZK10中,特別是ZK10正好穿達斷裂破碎帶,在有粘土的巖芯段中從23.5～56.1m深度分別取得6塊和8塊(共14個)樣品進行顯微構造分析.分析表明,所有樣品為典型的細粒、中粗粒碎屑沉積結構,屬正常的碎屑沉積巖.沉積碎屑分布均勻,無優(yōu)勢方向,說明在鉆孔ZK7和ZK10的51.5m和56.1m深度上,沉積物自沉積以來沒有經受任何擾動,從而表明黃莊—高麗營斷層應該沒有穿透到51.5m的深度之上.4錯誤定位和活動4.1同一事斷裂斷錯異常點位置.依據電阻率層析成像、淺層地震反射、鉆探等方法工作結果和ZK23鉆孔資料,給出了測區(qū)斷裂展布,見圖6.略去前面內容的贅述,圖6中有兩點值得注意,一是電阻率層析成像、淺層地震反射方法確定的同一處斷裂斷錯異常點位置有偏差,甚至差出百余米,這可認為是對同一處斷裂破碎帶(寬可達250m)中不同斷面的正常反映.二是ZK23鉆孔在102.5m深處到達上新世(N2)地層,可見F2東南側上新世(N2)地層均為100m深度上下,幾乎為一穩(wěn)定的平面,ZK2、ZK3揭示的上新世(N2)地層穩(wěn)定在81～82m,這就形成了穩(wěn)定的約20m的高差,這是對存在F2的支持佐證.根據鉆探工作還可以看到測區(qū)上新世頂面被F1和F2錯落成西高東低的三級平臺(圖10).黃莊—高麗營斷裂在探測區(qū)的平面展布如圖6,沿1號和3號鉆探線揭示其豎向結構見圖11和圖12.4.2中斷活動4.2.1黃莊—最新活動年代根據4C、細顆粒紅外釋光、磁性地層、孢粉等多種測年方法進行的地層年代學研究表明,從物探到鉆探(包括顯微構造分析)工作揭示的該斷裂錯斷的地層為上新世地層(N2),而中更新統(tǒng)底部雜色礫石層和下更新統(tǒng)頂部粘土層穩(wěn)定連續(xù)未被錯動,另外斷層充填物為上新世地層物質,因此確定黃莊—高麗營斷層處于奧林匹克公園地區(qū)的段落最新活動時代為早更新世.4.2.2地層破碎帶的發(fā)現該段斷裂為正斷層,傾向南東.這從地震反射探測剖面給出了明確的結果,鉆探工作進一步給出了直接證據和明確結果.鉆探工作還證實了沿該斷層存在破碎帶,此破碎帶出現在下更新統(tǒng)礫石、卵石層下部,且接近或出現在下更新統(tǒng)與上新世交界面附近,未見膠結現象.4.3斷裂與黃莊—地震活動性支持測區(qū)斷裂活動的探測結果準確的震源定位可以研究地震與斷裂關系,認識斷裂活動性.對測區(qū)及附近地區(qū)進行了地震重新定位.本次地震重新定位后的震中分布較之前更顯叢集,震群活動沿斷層分布現象較明顯,顯示出地震活動與斷層活動的密切關系,見圖13.從這項研究結果看,與黃莊—高麗營斷裂密切相關的地震活動位于斷裂被南口—孫河斷層截斷的以北段落,從地震活動性角度表明了黃莊—高麗營斷裂的現今活動在北段.被南口—孫河斷層截斷的黃莊—高麗營斷層以南段落幾乎無地震活動,特別是奧林匹克