夏墊斷裂地表破裂型古地震事件的識(shí)別

夏墊斷裂地表破裂型古地震事件的識(shí)別

1構(gòu)造-沉積條件夏墊斷裂是華北平原區(qū)北部的一個(gè)重要的東部隱藏活動(dòng)擾動(dòng)。它傾向于n50e、傾向于se和坡度為5070。這是北京東部大工廠坍塌和通縣突出兩個(gè)第四紀(jì)構(gòu)造單元之間的邊界斷裂（圖1）。受夏墊斷裂正斷傾滑運(yùn)動(dòng)的影響,大廠凹陷持續(xù)沉降,堆積了厚約600-700m的第四系松散沉積物,通縣凸起相對(duì)隆升,第四系松散沉積物厚度僅300-400m。研究表明,夏墊斷裂兩側(cè)第四紀(jì)下更新統(tǒng)夏墊組的垂直位移達(dá)319m,中更新統(tǒng)翟里組139m,上更新統(tǒng)軍營(yíng)組15m(2孔剖面的層形成特征2.1斷裂北下盤面東柳河屯1號(hào)和2號(hào)鉆孔位于東柳河屯村東北800m附近的夏墊斷裂上、下盤(圖1),孔距104m,孔口高差1.9m。1號(hào)鉆孔位于夏墊斷裂北西盤(下盤)的上原始面,距夏墊斷裂地表出露點(diǎn)70m,孔深47.2m;2號(hào)鉆孔位于斷裂東南盤(上盤)的下原始面,距斷裂地表出露點(diǎn)34m,孔深61m;兩孔連線基本上垂直于夏墊斷裂走向(圖1)。地層年代樣品包括細(xì)砂、粉砂、粘土在內(nèi)的熱釋光樣(TL)和灰黑色、黑色木炭、泥炭等2.21人工粉砂質(zhì)粘土按深度排列,東柳河屯1號(hào)鉆孔揭露的地層層序和巖性是(圖2):(1)0.0～0.7m灰黃色耕作土(表土層),以粉砂質(zhì)粘土為主,粒狀結(jié)構(gòu),含植物根系。(2)0.7～3.4m褐黃色粉砂質(zhì)粘土,含黃色銹斑,中部夾薄層粘土質(zhì)粉砂層。距地表深1.3m和2.9m粘土質(zhì)粉砂樣品(TL-1和TL-2)的熱釋光年齡分別為距今(4.88±0.39)ka和(8.87±0.69)ka。(3)3.4～4.7m灰黃色粉砂質(zhì)粘土與粘土質(zhì)粉砂互層,4.3m深處含銹色薄層泥質(zhì)條帶。(4)4.7～12.2m灰色粘土質(zhì)粉砂層,底部為砂質(zhì)粘土。距地表深6m灰黑色粘土樣品(夏柳1孔-東柳河屯1號(hào)鉆孔揭露了夏墊斷裂下盤距今(0～34)ka堆積的全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)上段兩套地層,頂部全新統(tǒng)(Q2.32表土層覆土造林東柳河屯2號(hào)鉆孔揭露的地層層序和巖性按深度排列如下(圖2):(1)0～1.8m頂部灰黃色松散耕作土(表土層);中下部灰黃色粉砂質(zhì)粘土,含少量灰黑色植物根系,距地表深1.3m灰黑色植物根系樣品(夏柳2孔-東柳河屯2號(hào)鉆孔揭露了夏墊斷裂上盤距今0～26ka全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)上段連續(xù)堆積的兩套地層,全新統(tǒng)(Q2.4穩(wěn)定的同步變化根據(jù)鉆孔剖面的地層巖性特征、沉積韻律、沉積物顏色和地層年代學(xué)等資料,對(duì)比區(qū)域古氣候的變化可知(從兩鉆孔揭露的沉積物整體特征來(lái)看,它們的堆積速率具有從末次冰期間亞冰期、鼎盛期向冰后期迅速減少,并在冰后期趨于穩(wěn)定的同步變化現(xiàn)象(圖3):在末次冰期間亞冰期和鼎盛期早期(距今20～26ka),斷裂兩側(cè)的沉積物堆積快,速率可達(dá)3.6～4.9mm/a;末次冰期鼎盛期晚期(距今17.5～20ka)的堆積速率迅速降低到0.48～1.39mm/a;冰后期(距今0～17.5ka)的堆積速率僅0.4mm/a左右。這種現(xiàn)象不僅表明夏墊斷裂上下盤(兩鉆孔所在位置)具有相同的宏觀沉積環(huán)境,還表明古氣候環(huán)境是從寒冷潮濕向溫暖干旱轉(zhuǎn)化的,水動(dòng)力條件也由強(qiáng)變?nèi)?即末次冰期的間亞冰期和鼎盛期早期氣候寒冷潮濕,水動(dòng)力強(qiáng),沉積物來(lái)源豐富,堆積速率大;而鼎盛期晚期到冰后期氣候漸趨溫暖干旱,水動(dòng)力變?nèi)?沉積物來(lái)源貧乏,堆積速率減小。3夏墊斷裂上下盤沉積旋回變化的年代學(xué)-質(zhì)量變化對(duì)比東柳河屯1,2號(hào)鉆孔地層年代學(xué)特征可知(圖2),斷裂上下盤堆積年代相同層位的沉積物巖性、厚度或沉積速率等是有差異的,反映出夏墊斷裂上下盤存在著相對(duì)的差異升降運(yùn)動(dòng)。以沉積環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的夏墊斷裂下盤地層為標(biāo)準(zhǔn),兩鉆孔地層剖面自上而下具有如下顯著的差異特征。(1)全新世時(shí)期(距今0～10ka),斷裂下盤(1號(hào)鉆孔)除頂部發(fā)育著0.7m厚的地表耕作土外,主要堆積了一套褐黃色粉砂質(zhì)粘土,代表了冰后期氣候轉(zhuǎn)暖偏干環(huán)境下的細(xì)粒堆積。斷裂上盤(2號(hào)鉆孔)全新統(tǒng)在巖性上除深3.5～4.3m的層3與下盤層2相同外,其它層位的沉積物粒度更細(xì),在深1.8～3.5m范圍內(nèi)堆積了粘土層,頂部的耕作土層也厚達(dá)1.8m。(2)晚更新世晚期(距今10～26ka)斷裂下盤發(fā)育了由含礫中細(xì)砂層、粉砂和粉砂質(zhì)粘土等組成的2個(gè)沉積旋回(A1B1和A2B2),沉積層韻律明顯,代表末次冰期間亞冰期和鼎盛期氣候有規(guī)律干濕循環(huán)變化環(huán)境下的河湖相堆積,厚約28.6m,其中中細(xì)砂層約占總量的38.8%,粘土質(zhì)粉砂和粉砂層約占56.3%,粉砂質(zhì)粘土層僅占4.9%;而在斷裂上盤同層位地層厚度達(dá)49.9m,中細(xì)砂層含量約占42.6%,粘土質(zhì)粉砂、粉砂層約占20.1%,粉砂質(zhì)粘土或粘土等細(xì)粒沉積層不僅含量增加(約占37.3%),夾層層數(shù)增多,并構(gòu)成了具韻律結(jié)構(gòu)的多個(gè)次級(jí)沉積旋回。(3)斷裂上下盤沉積物堆積速率具有同步減小的變化趨勢(shì)(圖3),但斷裂上盤的堆積速率在任何時(shí)段都大于或等于下盤的堆積速率。在距今(0～17.5)ka的末次冰期鼎盛期后期到冰后期,斷裂下盤的堆積速率保持恒定約0.4mm/a,但上盤的堆積速率偏大,且有起伏:在全新世中晚期(距今0～8ka)堆積速率約0.45mm/a,在全新世早期到晚更新世晚期(距今8～17.5ka)約0.65～1mm/a;在晚更新世晚期末次冰期鼎盛期(距今17.5～21ka)下盤的堆積速率約0.48mm/a,而上盤的堆積速率猛增到(1.39±0.2)mm/a;同樣,在末次冰期鼎盛期早期及更早的間亞冰期(距今21～26ka),上盤的堆積速率約4.85mm/a,比下盤要大1.2mm/a,表明在相同的宏觀沉積環(huán)境下,夏墊斷裂上下盤相對(duì)的差異升降運(yùn)動(dòng)可引起數(shù)毫米量級(jí)的年堆積速率差異。(4)據(jù)1,2號(hào)鉆孔地層剖面的地層年代學(xué)-深度對(duì)比可知(表1),夏墊斷裂兩側(cè)距今10ka以來(lái)的累積垂直位移約3.4m,距今21.1ka以來(lái)約14.2m,距今25.7ka以來(lái)約19.6m,距今26ka以來(lái)約24.9m,考慮到沉積年代距今25～26ka的沉積物顆粒較粗,為含礫石中砂,局部相變的可能性最大,故認(rèn)為后者的垂直位移量不太可靠;由此可得夏墊斷裂全新世時(shí)期的垂直滑動(dòng)速率約0.34mm/a,距今10～21ka期間的速率約0.98mm/a,距今21～26ka期間約1.2mm/a,更早時(shí)期的年代和深度資料存在更大的不確定性,很難獲得有關(guān)斷裂活動(dòng)的定量數(shù)據(jù)。夏墊斷裂上盤較下盤同時(shí)代沉積物具有厚度增大、細(xì)粒沉積物層數(shù)增多和堆積速率高等特征,標(biāo)志著斷裂兩側(cè)間歇性地差異升降運(yùn)動(dòng)可在斷裂上盤形成有利于細(xì)粒沉積物堆積的局部環(huán)境,引起斷裂上下盤同時(shí)代地層巖性、地層厚度或堆積速率的顯著差異,這些差異直接記錄了夏墊斷裂兩側(cè)的垂直差異運(yùn)動(dòng)過(guò)程。4古地震事件序列特征4.1緣構(gòu)地層學(xué)特征與斷裂下盤顯示的垂直位移假定夏墊斷裂兩盤塊體之間的滑動(dòng)不存在蠕滑現(xiàn)象,屬典型的粘滑型錯(cuò)動(dòng),則每一次垂直粘滑錯(cuò)動(dòng)均會(huì)在上盤(下降盤)形成有利于細(xì)粒沉積物堆積的局部環(huán)境,使下降盤短時(shí)間內(nèi)的堆積速率增高,沉積物顆粒變細(xì),或堆積厚度增加。與下盤(抬升盤)同時(shí)代層位(地層)巖性相比,下降盤沉積物顆粒非正常相變成細(xì)粒沉積層(粉砂質(zhì)粘土層、粘土層等)或細(xì)粒沉積層厚度異常增大,且有一定垂直位移量發(fā)生的地層學(xué)特征可作為辨別地表破裂型古地震事件的構(gòu)造地層學(xué)標(biāo)志。雖然沉積碎屑物來(lái)源地差異、水流風(fēng)向的改變等許多局部因素也能形成類似的地層學(xué)特征,容易與辨別地表破裂型古地震事件的構(gòu)造地層學(xué)標(biāo)志相混淆,但非地震地表破裂形成的地層學(xué)特征與斷裂下盤同時(shí)代層位(地層)之間不存在額外的垂直位移。例如,2號(hào)鉆孔埋深15.9m(距今20.9ka的層8底界或相當(dāng)于1號(hào)鉆孔埋深9.7m層位地層)的相變地層學(xué)特征(細(xì)粉砂層(9)→粘土層(8))和埋深13.2m(距今19.8ka的層6或相當(dāng)于1號(hào)鉆孔埋深7.55m層位地層)的地層學(xué)標(biāo)志(中細(xì)紗(7)→粘土質(zhì)粉砂層(6))在夏墊斷裂兩側(cè)具有相同的累積垂直位移量約7.5～7.6m(圖3),說(shuō)明埋深15.9～16.5m的細(xì)粉砂層堆積后并沒(méi)有立刻發(fā)生粘滑錯(cuò)動(dòng),相變是非地表破裂型地震因素引起的;同樣,埋深分別為32.8m(層20底界)和28.5m(層17底界)的兩個(gè)相變地層學(xué)特征與埋深23.3m(層15底界)的地層學(xué)標(biāo)志亦具有相同的累積垂直位移量(約14.2m),說(shuō)明前兩個(gè)相變也是非地表破裂型地震因素引起的。因此,雖然上述辨別地表破裂型古地震的構(gòu)造地層學(xué)標(biāo)志具有一定的不確定性,但只要利用累積垂直位移量作為約束條件,從新到老逐一扣除每一次地表破裂型地震的同震垂直位移,復(fù)原真實(shí)的斷裂作用過(guò)程,可排除或降低構(gòu)造地層學(xué)標(biāo)志本身的不確定性,即具有一定垂直位移量的地層學(xué)標(biāo)志才代表一次地表破裂型古地震事件,且古地震事件發(fā)生在地層巖性相變(地層學(xué)標(biāo)志)點(diǎn)上,其確切的年代可通過(guò)鉆孔地層剖面上沉積相變點(diǎn)上下地層實(shí)測(cè)年代值作為約束,或相鄰兩個(gè)有效實(shí)測(cè)年齡值的線性內(nèi)插獲得。4.2土產(chǎn)地震反復(fù)階段事件35次地表破裂型古震據(jù)辨別地表破裂型古地震事件的構(gòu)造地層學(xué)標(biāo)志,結(jié)合兩鉆孔地層剖面上同時(shí)代層位地層的垂直位移量隨深度的變化、從新到老逐一扣除(古)地震同震垂直位移量,可復(fù)原斷裂作用過(guò)程。在距今26ka的鉆孔地層剖面上可識(shí)別出11次地表破裂型(古)地震事件(圖2,3和表2),其中距地表深1.8m和3.5m出現(xiàn)的細(xì)粒沉積物(表土層)厚度增大或沉積相突變(粉細(xì)砂→粘土)現(xiàn)象(2號(hào)鉆孔),分別代表距今4.2ka和7.97ka左右的兩次地表破裂型古地震(事件2和3),即全新世時(shí)期共發(fā)生過(guò)3次地表破裂型地震,而不是前人利用古地震探槽揭露的1～2次古地震(夏墊斷裂上距今26ka以來(lái)發(fā)生的11次地表破裂型(古)地震在時(shí)間軸上是不規(guī)則的,不同時(shí)段具有不同的復(fù)發(fā)行為(圖2和3):末次冰期間亞冰期和鼎盛期(距今19.3～26ka)是夏墊斷裂地表破裂型(古)地震叢狀群集期(事件6～11),復(fù)發(fā)間隔較短,介于900～1900a之間,且多數(shù)僅900～1200a;末次冰期鼎盛期晚期到冰后期(距今0～19.3ka)的地表破裂型(古)地震屬準(zhǔn)周期復(fù)發(fā)模式,復(fù)發(fā)間隔明顯地增長(zhǎng),包括公元1679年三河-平谷8級(jí)地震在內(nèi)的最近5次地表破裂型(古)地震(事件1～5)的復(fù)發(fā)間隔介于3700～5800a之間。由此可見(jiàn),夏墊斷裂上的地表破裂型古地震并不簡(jiǎn)單地遵循周期、準(zhǔn)周期或叢狀群集復(fù)發(fā)模式,而是它們的分段疊加。這種分段疊加的復(fù)發(fā)行為與古氣候環(huán)境的變遷具有很好的相關(guān)關(guān)系:地表破裂型地震的短間隔叢狀群集發(fā)生在氣溫極度寒冷的末次冰期間亞冰期和鼎盛期,而氣候逐漸回升變暖的鼎盛期晚期到冰后期地表破裂型地震屬準(zhǔn)周期復(fù)發(fā)行為。5地表破裂型古地震復(fù)發(fā)模式(1)夏墊斷裂全新世時(shí)期的垂直滑動(dòng)速率約0.34mm/a,距今10～21ka期間的速率約0.98mm/a,距今21～26ka期間約1.2mm/a。斷裂作用(垂直運(yùn)動(dòng))的強(qiáng)度有從末次冰期鼎盛期向冰后期減弱的趨勢(shì)。(2)夏墊斷裂上、下盤距今26ka以來(lái)同時(shí)代的地層巖性、沉積厚度或堆積速率等是有明顯差異的,具體表現(xiàn)為上盤較下盤同時(shí)代沉積物具有厚度增大、細(xì)粒沉積物層數(shù)增多和堆積速率增高等地層學(xué)特征,它們客觀地記錄了夏墊斷裂兩側(cè)的垂直差異運(yùn)動(dòng)過(guò)程。假定斷裂無(wú)蠕滑現(xiàn)象,斷裂兩側(cè)的垂直差異升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)粘滑錯(cuò)動(dòng)(地表破裂型地震)實(shí)現(xiàn)的,則下降盤沉積物顆粒非正常相變成細(xì)粒沉積層(粉砂質(zhì)粘土層、粘土層)或細(xì)粒沉積層厚度異常增大,且上下盤相關(guān)點(diǎn)有垂直位移發(fā)生的構(gòu)造地層學(xué)特征可作為辨別地表破裂型古地震事件的構(gòu)造地層學(xué)標(biāo)志。這種標(biāo)志的可靠程度取決于鉆孔剖面巖性分層的詳細(xì)程度及其年代樣品測(cè)定點(diǎn)的疏密程度。當(dāng)在鉆孔地層剖面上能分辨出厚度大于0.2m以上微層,各微層有一個(gè)以上有效年代值的理想條件下,通過(guò)斷裂兩側(cè)地層年代學(xué)的對(duì)比和分析,不僅可以定量地恢復(fù)斷裂作用過(guò)程,識(shí)別作為粘滑錯(cuò)動(dòng)(地表破裂型地震)這一位移突變事件,還可以定量判定作為長(zhǎng)期平穩(wěn)錯(cuò)動(dòng)的蠕滑現(xiàn)象及其量值大小,最終可檢驗(yàn)、修改、補(bǔ)充本文提出的識(shí)別鉆孔地層剖面中地表破裂型古地震的構(gòu)造地層學(xué)標(biāo)志。(3)根據(jù)古地震識(shí)別的構(gòu)造地層學(xué)標(biāo)志,結(jié)合斷裂兩側(cè)垂直位移量隨深度的變化和斷裂作用過(guò)程的復(fù)原,可識(shí)別出夏墊斷裂距今約26ka以來(lái)共發(fā)生過(guò)11次地表破裂型(古)地震,它們具有時(shí)間分段的不規(guī)則復(fù)發(fā)行為:末次冰期間亞冰期和鼎盛期(距今19.3～26ka)的古地震服從叢集群集復(fù)發(fā)模式,復(fù)發(fā)間隔主要介于900～1200a;末次冰期鼎盛期晚期到冰后期(距今0～19.3