四川绵阳科技城新区玉皇沟断层探测与活动性评价_徐琳.pdf

玉皇沟断裂是四川绵阳科技城新区内唯一的具有一定规模的断层，其第四系活动性对新区规划、建设和防震减灾具有重要意义。采用无人机航测、地震地质调查、探槽揭露、人工地震勘探、钻探联合剖面等探测方法研究其活动性。探测结果表明：1）该断层倾向SE，倾角2030，为一逆冲断层。2）在白垩系基岩区影像上线性构造明显，在第四系覆盖区无线性影像显示。3）人工地震勘探推断其上断点距地表1520 m，未进入第四系覆盖层。4）钻孔联合剖面揭示断层两侧基覆面无错动。因此，综合判断玉皇沟断层至少在晚更新世以来未活动，其可能形成于喜马拉雅幕造山时期。关键词：绵阳；玉皇沟断层；活动性鉴定；人工地震勘探Exploration and identification of activities of Yuhuanggou fault in Mianyang New AreaXU Lin1,CHEN Yongdong1,3,YANG Rong2,GUAN Yunbin1,4,LI Hai1,PANG Renjun1,XIONG Changli2,QIN Yulong2（1.Northwest Sichuan Geological Team,Sichuan Bureau of Exploration and Development of Geology and Mineral Resources,Mianyan 621000,Sichuan,China；2.Sichuan Institute of Geological Survey,Chengdu 610081,Sichuan,China；3.Institute of Sedimentary Geology,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,Sichuan,China；4.College of Earth Sciences,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,Sichuan,China）Abstract:Yuhuanggou fault is the only fault of scale in Mianyang Science and Technology City New Area,and its quaternary activ-ity is of great significance to the planning,construction and earthquake prevention and disaster reduction of the area.In this paper,UAV aerial survey,seismic geological survey,trough disclosure,artificial seismic exploration,joint drilling section and other meth-ods were used to detect and reveal the activities of the fault.The detection results show that:1)the fault dip SE,with a dip Angle from 20 to 30,is a thrust fault;2)The linear structure is obvious in the cretaceous bedrock area,but not in the Quaternary overburden area;3)Artificial seismic exploration infers that the upper breakpoint is from 15 m to 20 m above the surface and does not enter the Quaternary overburden layer;4)The joint borehole section reveals that there is no dislocation of the basal over-收稿日期：2022-09-13；修回日期：2022-10-25基金项目：绵阳市活断层普查（MYZC-2020-71）资助第一作者简介：徐琳（1986-），男，硕士，高级工程师，主要从事基础地质调查工作。E-mail：引用格式：徐琳，陈永东，杨荣，官云彬，李海，庞仁俊，熊昌利，秦宇龙，2023.四川绵阳科技城新区玉皇沟断层探测与活动性评价J.城市地质，18（2）：239-247239第 18 卷 第2期 2023 年 6 月burden on both sides of the fault.Therefore,it is concluded that the Yuhuanggou fault has been inactive at least since the late Pleis-tocene,and may have been formed during the Himalayan Act I orogenic period.Keywords:Mianyang;Yuhuanggou fault;identification of activity;manual seismic survey有着“中国西部硅谷”美誉的绵阳科技城承载着我国大量的国防军工、电子信息、精细化工、新材料等科研和生产任务，2020年成立的绵阳科技城新区也将会是未来科技城建设的重点。而该区临近龙门山地震构造带，区域地震地质条件复杂，因此查清该区的地质背景，尤其是查明区内断层发育特征及其活动性，对科技城新区规划、建设和防震减灾工作至关重要。活断层的鉴定通常采用遥感解译、地震地质调查、地球物理勘探、钻探、探槽、地质定年检测、地球化学测量等多手段相结合的综合评价方法（邓起东等，2007；邢晓琴等，2022；徐吉祥等，2022）。玉皇沟断层是20世纪80年代地质工作者在开展区域地质调查时发现的，它是绵阳科技城新区唯一的已知地表断层。前人对于该条断裂的研究甚少，仅仅是对为数不多的地表露头进行了调查，其第四纪活动性不得而知。本文在高分辨率遥感影像解译的基础上，通过无人机航测、地震地质调查、探槽开挖、人工地震勘探、钻孔联合剖面等方法获得了断层的基本特征，并对其断层活动性进行评价。1 区域地质背景龙门山是青藏高原东南缘与四川盆地的分界线，也是中国“南北地震带”的重要构成部分（邓起东等，1994）。在2008年“512”汶川地震之后，龙门山在构造和地震地质研究方面备受关注（徐锡伟等，2008；Godard et al.，2009；Hubbard et al.，2009；Hubbard et al.，2010；冉勇康等，2018；丰成君等，2018；孟秋等，2021）。绵阳科技城新区位于四川盆地西北缘，距离龙门山断裂带仅20 km，常称之为川西前陆盆地。川西前陆盆地形成于晚三叠世的印支运动（李英强，2018），早侏罗早白垩世盆地内沉积了巨厚的内陆湖盆相红层，以及间夹其中的“白田坝砾岩”“莲花口砾岩”和“剑门关砾岩”等大型冲洪积扇堆积层体；晚白垩世上新世整体抬升接受剥蚀，第四纪以来盆地受河流侵蚀，沿河谷地带发育级阶地（四川省地质矿产勘查开发局川西北地质队，1996）。2 断层基本特征玉 皇 沟 断 层 是 川 西 北 地 质 队 在 1989 年 开 展150 000绵阳市等4幅区域地质调查工作时发现的，是绵阳科技城新区内仅有的具有一定规模出露地表的断层。该断层分布于河边场玉皇沟界牌镇金凤村一带，处于河边-土门垭背斜轴部，呈北东10方向延展，北段被安昌河第四系松散堆积物掩盖，地表可见长约8 km，倾向为100120，倾角2030，为东盘上冲的低角度逆断层，断层带较破碎，断层面附近的泥质岩及砂岩出现明显的牵引现象，地层产状显著变陡，倾角60以上，根据七曲寺组六段灰白色砂岩在两盘出露高差，推测其垂直断距为2030 m。其南北两端均隐伏于第四系覆盖层之下（图1）。3 探测过程3.1 地震地质调查与探槽揭露本次针对玉皇沟断裂进行了细致的追索调查。在河边场石碑湾山坡斜坡处，有较多的基岩出露，调查点东侧山坡上基岩岩性为七曲寺组五段浅紫红色薄层状粉砂岩夹泥岩或互层状产出，岩层产状为2354，主要可见2组裂隙，29881，2885；调查点西侧为七曲寺组六段浅灰白色厚层状长石岩屑砂岩，主要裂隙产状为32050，862。两侧基岩岩性明显不同，且东侧的七曲寺组六段灰白色砂岩（标志层）在更高的山顶一带出露，岩性存在明显的错动迹象，标志层错距1020 m，加之点处垭口负地貌地形、出露岩石破碎，故推测为断层通过，但断层面被坡积物掩盖。通过探槽开挖有效地揭露到断层面（图2），可见西侧七曲寺组六段灰白色砂岩与东侧五段紫红色泥岩相抵，断层面上可见擦痕和阶部构造（图3），明确了玉皇沟断裂为一向东倾的低角度逆断层，断层产状为13430。240徐琳等 四川绵阳科技城新区玉皇沟断层探测与活动性评价http:/ 50 km12345671-第四系；2-白垩系；3-人工地震测线；4-钻孔联合剖面；5-断层；6-隐伏断层；7-推测断层。图1 玉皇沟断层平面展布图Fig.1 Plane distribution of Yuhuanggou fault01 m-Q4dl：第四系坡积物；-K1q 6：白垩系七曲寺组六段；-断层破碎带；-K1q 5：白垩系七曲寺组五段。图2 河边镇石碑湾探槽剖面图Fig.2 The Shibiwan trench and its interpretation at Hebian Town241第 18 卷 第2期 2023 年 6 月在界牌镇五显村半山坡山沟边，调查点西侧为浅灰白色浅紫灰色厚层状细粒长石岩屑砂岩，在山坡处形成陡坎，岩石结构完整，向西侧延伸稳定，裂隙较少，岩层产状为2305；调查点东侧岩石十分破碎，该套厚层状细砂岩突然消失不见，仅可见零星碎块，主要出露浅紫红色泥岩夹粉砂岩。从两侧岩性的突变来看，推测为断层所致，但断层面被掩盖，为明确其结构特征，也进行了探槽揭露。从探槽剖面中可以看到，断层面光滑呈微波状，断层产状为 12425，断层东盘为紫红色泥岩，西盘为紫灰色浅灰白色砂岩（图 4）。东盘的砂岩底面逆冲到西盘砂岩顶面之上，错距约5 m。3.2 无人机航测利用无人机低空遥感观测技术获取高分辨率地貌数据，可以有效识别活动断层相关地貌特征，为活断层鉴定提供支撑（马金保等，2019）。本次工作采用大疆精灵4RTK无人机对玉皇沟断裂南段进行了航测，获得精度约为5 cm的正射影像数据，运用Global maper和ArcGIS对航测影像处理，获得山体阴影灰度图，从图5可以清晰的看到，在基岩出露山区，断层通过处有明显的线性构造特征，在第四系覆盖区线性构造消失。断层通过处的山顶第四系级阶地面图切剖面显示（图6）：断层通过处地表第四系级阶地面无高差变化，由此说明断层仅发育在下伏基岩中，未断错第四系级阶地。根据区域资料，第四系级阶地形成于中更新世，表明该断层在中更新世以来不活动。3.3 人工地震勘探浅层地震勘探是城市活动断裂探测中解决隐伏断裂定位及切割地层层位最主要的方法之一（邓起东等，2003；吾守艾力肉孜，2010；周永恒等，2021）。本-Q4dl：第四系坡积物；-白垩系七曲寺组泥岩；-断层破碎带；-白垩系七曲寺组砂岩。图4 界牌镇金凤村探槽剖面图Fig.4 The Jinfeng Village trench and its interpretation at Jiepai Town图3 擦痕和阶部构造照片Fig.3 Photographs of scratches and step structures242徐琳等 四川绵阳科技城新区玉皇沟断层探测与活动性评价http:/ 000 m的长剖面（DZ01）和2条探测深度为300 m的短剖面（DZ02-1/DZ02-2）。对1 000 m以浅的长剖面探测采用M18/612HD可控震源（26T），通过对比试验，确定采用890 Hz工作频率，出力70%，扫描长度18 S，炮间距15 m，道间距5 m，震动5次，接收道数为450道。对300 m以浅的短剖面采用机械震源，道距3 m，接收道数125道，震动3次。数据采集采用Geode DZ 200数字地震仪和国勘数字地球（北京）科技有限公司研发的I-Nodal节点式全内置地震采集站。1 000 m以浅的长剖面（DZ01）共有2 399个测点，剖面北起辽安路新城页岩砖厂，南至兴安大道与绵兴西路交汇处。剖面经过断裂为已知的玉皇沟断裂，全长12 732 m，走向为西北-东南。测线在地震时间剖面图上，反映出多组强反射震相。结合地质资料，推断T0震相为七曲寺组底界面，T1震相为汉阳铺+莲花关组底界面，T2震相为莲花口组底界面，T3震相为遂宁组底界面。T0 震相地震反射波能量强，连续性好，在CMP2867处错断；T1地震反射波能量强，连续性好；T2、T3震相反射能量较强，连续性好；根据同相轴特征及上述错断位置，推测分布断裂F1，倾向向东，推断F1断裂分布位置与玉皇沟断裂一致。断裂延伸到近地表，上断点埋深015 m，下断点未穿透七曲寺组，其下断点底部双程走时 300 ms 左右，对应层位深度285295 m（图7）。针对1 000 m以浅长剖面解释的玉皇沟断裂分布特征，部署了 2 条 300 m 以浅的浅层地震反射波剖面，DZ02-1测线长1 576.5 m，DZ02-2长1 636.2 m，综合推断剖面见图8。DZ02-1测线地震反射剖面（图8左）在时间剖面上反映出3组反射震相。结合地质资料，推断TQ震相为第四系与七曲寺组界面，层厚约10 m；T1震相为七曲寺组与汉阳铺组界面；T2震相为汉阳铺组底1-线性构造；2-图切剖面位置。图5 无人机航测影像解译对比图Fig.5 Comparison of uav aerial survey image and interpretation图6 玉皇沟断裂剖面图Fig.6 Geological section of Yuhuanggou fault243第 18 卷 第2期 2023 年 6 月界面。TQ震相地震反射波能量较强，连续性较好，在CMP1908位置存在明显变形；T2震相地震反射波能量一般，连续性较好。根据上述同相轴错断与变形特征，推断分布断裂F1，倾向向东。双程时间极短，推断F1断裂上断点深度1520 m，未穿透第四系。由DZ02-2测线地震反射剖面（图8右）在时间剖面上反映出3组反射震相。TQ震相地震反射波能量较强，连续性较好，无错断，层厚约10 m；T1震相地震反射波能量一般，连续性一般，在CMP1858位置存在明显错断；T2震相地震反射波能量一般，连续性较差：推断分布断裂F1，倾向向东。双程时间极短，推断F1断裂上断点深度1520 m，未穿透第四系，下断点深度200280 m，消失于泥岩软弱层中。3.4 钻孔联合剖面探测钻孔联合剖面是第四系物覆盖区探测隐伏活动断层的有效方法之一，可直接揭示隐伏断层附近地层特征，准确地给出断层的位置、上断点埋深及活动性（向宏发等，1993；徐锡伟等，2000；赵江涛，2017；徐锡伟等，2002；杨晓平等，2007；雷启云等，2008；王银等，2015）。为进一步验证玉皇沟断裂第四纪以来的活动性，在浅层地震勘探剖面解译的基础上，部署了6个钻孔的钻孔联合地质剖面。钻孔以DZ02-2浅层地震解译断层上断点对应的地表位置为中心，孔间距分别为：10 m、15 m、25 m，联合剖面长90 m。钻孔联合剖面所在地目前为人工河堤，据历史卫星影像显示，该处在2017年前为小型河谷平原地貌，为农田开发利用，属于第四系河流级阶地。联合钻孔结果显示（图9），在ZK01-ZK06的顶部层为厚0.61.1 m的回填层，层为厚12 m的黄灰图7 DZ-01地震反射及地质解译剖面Fig.7 Seismic reflection and geological interpretation section of DZ-01244徐琳等 四川绵阳科技城新区玉皇沟断层探测与活动性评价http:/ m的灰色、青灰色黏土、细砂、泥砾石层，属于河流级阶地堆积物，底部层为白垩系七曲寺组紫红色泥质粉砂岩粉砂质泥岩，靠山一侧基岩埋深较浅，靠近河谷基覆面变深，在ZK03钻孔7.98.0 m处见断层破碎带，该段岩心十分破碎。从剖面可见，第四系堆积层在断裂附近未见错断现象，基覆界面平整，故推测断层未错断第四系。根据区域地质资料，第四系河流级阶地形成时代为晚更新世。因此，可以认为玉皇沟断裂在晚更新世以来不活动。4 讨论如前文所述，玉皇沟断裂发育于白垩系下统七曲寺组地层中，在级阶地、级阶地上均未发现其踪迹，表明断裂形成于早白垩世中更新世期间。在早白垩世晚期新近纪时期，燕山造陆运动和喜山幕造山运动相继导致前陆湖盆北段提前关闭、隆升和褶皱，并成为南段成都断陷盆地的物源供给区之一，同时致使上白垩统新近系沉积地层全部缺失。其后，在第四纪“动、静”交替新构造间歇性抬升运动主导下，又在区内形成了由山顶古夷平面、级河流基座阶地冲积层和级堆积阶地冲积层组合而成的相当完美的层状构造剥蚀台地侵蚀堆积阶地地貌景观（四川省地质调查院，2013）。古近纪与新近纪交替之际的喜马拉雅幕造山时期，在龙门山地区表现为构造运动学指向南东的逆冲断层及相关褶皱等（颜丹平等，2020），在前陆盆地一侧则主要表现为由侏罗系下白垩统红层所形成的梓潼北东-北北东向开阔复式大向斜构造，和在梓潼大向斜近槽部槽部的下白垩统汉阳铺组和七曲寺组红层中的新安背斜、贯山向斜、塔水-忠兴场向斜，河边-土门垭背斜和金山铺-观太向斜等。该时期构成成都盆地西北和南东边界的彭灌断裂与龙泉山断裂也全面复活、相向对冲。玉皇沟断裂可能正是在这个时期的北西-南东相向对冲挤压环境下形成的倾向南东的逆冲断层。进入第四纪，前陆盆地表现为间歇性抬升，玉皇沟断层在中更新世以来未活动。图8 DZ02-1（左）与DZ02-2（右）地震反射及地质解译剖面Fig.8 DZ02-1(left)and DZ02-2(right)seismic reflection and geological interpretation profiles245第 18 卷 第2期 2023 年 6 月5 结论玉皇沟断裂发育于绵阳科技城新区河边场界牌镇一带，通过无人机航测遥感解译可见在基岩出露区有较好的线性构造特征，在第四系覆盖区无显示；探槽揭露断层走向NE，倾向SE，倾角2030，为逆断层性质；在第四系覆盖区，人工地震勘探推断其上断点距地表1520 m，下断点埋深200300 m，消失于泥岩软弱层；钻孔联合剖面显示断层未错断第四系级阶地，表明至少在晚更新世以来不活动。综合判断，该断层形成于喜马拉雅幕造山时期，可能在中更新世以来未活动。因此在绵阳科技城新区建设和规划中可不必考虑避让。参考文献邓起东，陈社发，赵小麟，1994.龙门山及其邻区的构造和地震活动及动力学 J.地震地质，16（4）：389-403.邓起东，卢造勋，杨主恩，2007.城市活动断层探测和断层活动性评价问题 J.地震地质，29（2）：189-200邓起东，徐锡伟，张先康，王广才，2003.城市活动断裂探测的方法和技术 J.地学前缘，13（1）：93-104.丰成君，戚帮申，张鹏，孙东生，孟静，牛琳琳，王苗苗，谭成轩，陈群策，2018.汶川Ms 8.0地震后龙门山断裂带地壳应305ZK06456.87ZK05456.83ZK04456.84ZK03456.89ZK02456.94ZK01457.00物探解译上断点位置海拔/m45745545345144944744544344143943725 m15 m10 m15 m25 m人工填土灰色粗砂黄灰色粉质黏土青灰色黏土粉砂岩夹泥岩灰色 砂土逆断层灰色泥砾石层灰色含砂砾石层图9 跨断层钻孔联合探测剖面Fig.9 Geological interpretation section of borehole across fault246徐琳等 四川绵阳科技城新区玉皇沟断层探测与活动性评价http:/ J.地质力学学报，24（4）：439-451.雷启云，柴炽章，孟广魁，杜鹏，王银，谢晓峰，张学辉，2008.银川隐伏断层钻孔联合剖面探测 J.地震地质（1）：250-263.李英强，2018.龙门山与四川盆地结合带的地质结构与成因机制 D.中国地质大学（北京）.马金保，张波，王洋，艾晟，2019.基于低空遥感地貌观测的逆断层陡坎研究：以张流沟滩断层陡坎为例 J.地学前缘，26（2）：92-103.孟秋，高宽，陈启志，胡才博，2021.2008年汶川大地震孕震、同震及震后变形和应力演化全过程的数值模拟 J.地质力学学报，27（4）：614-627.冉勇康，王虎，陈立春，陈文山，梁明剑，徐锡伟，2018.龙门山断裂带晚第四纪的大地震活动：来自古地震研究的资料 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