跨斷層綜合地質(zhì)剖面法在隱伏斷層野外地質(zhì)調(diào)查中的研究與應(yīng)用
——以瑞昌-武寧斷裂為例

曾新福 湯蘭榮 陶鑫 李清武 呂堅(jiān)

江西省地震局，南昌市洪都北大道865號 330039

0 引言

隱伏斷層的野外地質(zhì)調(diào)查一直是困擾地質(zhì)工作者的一個(gè)難點(diǎn)。與地表出露斷層的野外地質(zhì)調(diào)查方法不同，隱伏斷層沒有直接出露地表可供觀察的斷層泥，同時(shí)缺乏斷層物質(zhì)特征、斷層錯(cuò)動(dòng)量、斷錯(cuò)了何種地層、上覆未斷錯(cuò)的地層及斷層兩側(cè)地層的相對運(yùn)動(dòng)方向等直觀信息，使得野外調(diào)查工作難以開展。如何開展野外調(diào)查評價(jià)隱伏斷層活動(dòng)性仍是需要探討的問題。

20世紀(jì)80年代之前，隱伏斷層的活動(dòng)性研究處于方法探索與實(shí)驗(yàn)研究階段。20世紀(jì)80年代針對隱伏斷層的研究逐漸展開（張路等，2012）。20世紀(jì)90年代鉆孔聯(lián)合剖面法已開始用于隱伏活斷層探測。本世紀(jì)進(jìn)行的城市活斷層探測與地震危險(xiǎn)性評價(jià)工作開展了大量的隱伏斷層活動(dòng)性研究，提出并實(shí)踐了多種研究方法（馬文濤等，2004；徐明才等，2005；劉菁華等，2006；蘭曉雯等，2008；高景華等，2008）。目前針對隱伏斷層研究的傳統(tǒng)方法主要有化探、物探、槽探和鉆探等，或采取多學(xué)科方法進(jìn)行綜合探測研究（向宏發(fā)等，1994）。對于埋藏淺的隱伏斷層活動(dòng)性研究，探槽開挖的研究結(jié)果比較準(zhǔn)確和令人信服（何文貴等，2009），而對于埋藏較深的隱伏斷層，淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面的研究方法是最有效的（徐錫偉等，2000；李傳友等2007；張世民，2008；雷啟云等，2008）。這些以地質(zhì)地貌為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)研究隱伏斷層方法已被大家熟知和接受，同時(shí)，一些研究者認(rèn)為地球化學(xué)、地球物理等方面的探測是隱伏斷層分析研究必不可少的手段，僅靠地質(zhì)地貌工作不能對隱伏斷層的活動(dòng)性做全面研究（李建軍等，2015）。

傳統(tǒng)研究隱伏斷層的基本步驟是先選擇適宜的物探、化探手段，先初步確定斷層位置；再進(jìn)行淺層地震勘探，進(jìn)而查明隱伏斷層的確切位置；最后進(jìn)行鉆探或者槽探，以確定隱伏斷層確切位置和斷層活動(dòng)性質(zhì)。這一套方法已經(jīng)相對比較成熟，被大家廣泛接受和利用。該方法的缺陷是實(shí)施時(shí)間長、費(fèi)用高，需要投入的人力物力很大，一般項(xiàng)目難以承受。故需要我們結(jié)合長期野外地質(zhì)工作經(jīng)驗(yàn)來探討跨斷層綜合地質(zhì)剖面法（以下簡稱“綜合地質(zhì)剖面法”）在解決隱伏斷層活動(dòng)性問題中的應(yīng)用。該方法主要依靠斷層兩側(cè)相同地層地質(zhì)地貌面的對比分析來判斷斷層的活動(dòng)時(shí)代和活動(dòng)性質(zhì)。有人將其應(yīng)用在一些工程項(xiàng)目中，但尚沒有人對此展開系統(tǒng)分析研究，更未見把該方法與傳統(tǒng)方法（化探、物探、槽探和鉆探）和基巖出露斷層研究法進(jìn)行對比分析的報(bào)道。因此，迄今為止，未見到關(guān)于該研究方法的相關(guān)研究報(bào)道。本文將對此方法作詳細(xì)介紹，并以瑞昌-武寧斷裂為例，選用上述3種方法分別研究其斷裂活動(dòng)性，然后對比分析不同方法對同一斷層的研究結(jié)果，以此證明綜合地質(zhì)剖面法在解決隱伏斷層研究和工程實(shí)際問題時(shí)的可行性。

1 方法原理

在野外地質(zhì)工作中經(jīng)常會碰到這樣的問題，即要調(diào)查的斷層往往呈線狀負(fù)地形分布，斷層完全被第四系所覆蓋而處于隱伏狀態(tài)，使現(xiàn)場調(diào)查難以進(jìn)行。綜合地質(zhì)剖面法是解決該難題的一種有效方法。該方法主要依據(jù)斷層對兩側(cè)相同地層（主要是第四系）的錯(cuò)動(dòng)會產(chǎn)生高差，對兩側(cè)相應(yīng)地層地貌面的高程對比和斷層兩側(cè)的地層的相對運(yùn)動(dòng)方向等信息進(jìn)行分析，判斷斷層因運(yùn)動(dòng)而影響了的地層及其時(shí)代，進(jìn)而推斷斷層活動(dòng)時(shí)代與活動(dòng)性質(zhì)。正常地層的沉積模式為覆蓋式沉積，即新地層在老地層之上，而適用綜合地質(zhì)剖面法的沉積模式為嵌入式，其形成過程大致可用圖1表示。如圖1（a）顯示了下更新統(tǒng)的下伏基巖中發(fā)育斷層F，由于斷層破碎帶抗風(fēng)化能力較弱，經(jīng)過風(fēng)化剝蝕（河流侵蝕）、抬升和再沉積作用形成圖1（b），同理隨著時(shí)間的推移形成了圖1（c）和圖1（d）。若在此整個(gè)過程中斷層 F都沒有活動(dòng)，則①由于沉積環(huán)境的一致性，斷層兩側(cè)地層（第四系）巖性具有可對比性（雷啟云等，2011）；②因?yàn)闅夂驐l件相同，地貌面被剝蝕速度大致相當(dāng)，所以斷層兩側(cè)相對應(yīng)地層的高程和地貌面應(yīng)當(dāng)相近。若其間某個(gè)時(shí)代斷層有過活動(dòng)，斷層在活動(dòng)過程中兩側(cè)地層會產(chǎn)生相對位移，其中一部分位移量會產(chǎn)生斷距，還有一部分位移量會在近地表轉(zhuǎn)化為褶曲或傾斜（吳傳勇等，2011）。但不管是哪種變形都會產(chǎn)生地貌面的變化。使其兩側(cè)相應(yīng)地層在高程或者水平向地形地貌上產(chǎn)生差異。

圖1 適合綜合地質(zhì)剖面法分析隱伏斷層活動(dòng)性的剖面形成模型圖

圖2 隱伏活動(dòng)斷層的地質(zhì)地貌

比如斷層在中更新世活動(dòng)過，那么斷層兩側(cè)中更新世及其以前的地層必受影響，從圖2（a）可以看出斷層上、下盤相應(yīng)的早、中更新世地層高程不一致，而晚更新世以來地層地貌面不受影響。由于斷層下盤Q1、Q2地貌面均低于上盤相應(yīng)地層的地貌面 h，表明該斷層為中更新世活動(dòng)的正斷層。又如圖2（b），斷層兩側(cè)相應(yīng)的全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)地貌面高程相一致，兩側(cè)相應(yīng)的早更新世和中更新世地貌面高程明顯不一致，斷層兩側(cè)相應(yīng)的早更新世地貌面高差為h1，相應(yīng)中更新世地貌面高差為h2，且h1＞h2，說明斷層第四紀(jì)以來有過多次活動(dòng)，其最晚一次明顯活動(dòng)時(shí)代為中更新世。

同理，如果隱伏斷層在水平向有錯(cuò)動(dòng)將引起斷層兩側(cè)微地貌面的不連續(xù)。圖3為右旋走滑斷層示意圖，由于斷層兩側(cè)地層各自沿?cái)鄬泳€往相反方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致原本連續(xù)的河流、山脊和小盆地被斷錯(cuò)一定距離。同理，通過對斷層兩側(cè)地層和地形地貌的對比研究，就可以明了隱伏斷層的活動(dòng)性（活動(dòng)時(shí)代和力學(xué)性質(zhì)）。

圖3 隱伏走滑斷層引起的水平向地形地貌變化

以上是利用綜合地質(zhì)剖面法解決隱伏斷層活動(dòng)性的基本原理與方法，其核心是利用隱伏斷層活動(dòng)對其兩側(cè)第四紀(jì)地層、地貌的錯(cuò)動(dòng)，并據(jù)此對斷層兩側(cè)相應(yīng)地層地貌面的連續(xù)性、高程差等方面的信息進(jìn)行綜合分析，確定該斷層的活動(dòng)時(shí)代和力學(xué)性質(zhì)。

2 適用條件及影響因素

因?yàn)橛镁C合地質(zhì)剖面法的前提是對第四紀(jì)不同時(shí)代的地質(zhì)、地貌作對比與分析，所以該方法適用于第四系廣泛分布和河流階地發(fā)育的地區(qū)。圖4（a）所示的研究區(qū)只發(fā)育晚更新世和全新世地層，缺失了早更新世和中更新世地層，雖然斷層對晚更新世以來地層的地質(zhì)、地貌沒有影響，但是不能確定斷層是否影響了早更新世和中更新世地層，因此判斷不了該斷裂為前第四紀(jì)斷裂還是早、中更新世斷裂。圖4（b）所示的研究區(qū)只發(fā)育早更新世和全新世地層，斷層對全新世沒有影響，卻明顯影響了下更新統(tǒng)，由于缺失了中更新世和晚更新世地層，只能作出斷層可能在早更新世、中更新世或晚更新世某個(gè)時(shí)期有過活動(dòng)，全新世沒有活動(dòng)的判斷。不能判斷斷層的確切活動(dòng)時(shí)代，大大降低了評價(jià)精度，滿足不了對斷層活動(dòng)性評價(jià)的要求。因此地層出露齊全是應(yīng)用該方法必須具備的主要條件，地層出露越齊全，分析結(jié)果越精確，反之，缺失地層越多，其分析結(jié)果精度就越差。由于地震研究和工程應(yīng)用主要關(guān)心斷層第四紀(jì)以來的活動(dòng)情況，所以第四紀(jì)地層出露齊全是綜合地質(zhì)剖面法分析隱伏斷層活動(dòng)性的必備條件。

圖4 第四系有缺失的地質(zhì)地貌

據(jù)上述可知，對工作區(qū)第四紀(jì)不同時(shí)期的地層結(jié)構(gòu)和特征的了解也是綜合地質(zhì)剖面法的關(guān)鍵一環(huán)。只有熟悉了不同時(shí)期的地層結(jié)構(gòu)和特征，才能快速準(zhǔn)確地確定它們的時(shí)代，提高在野外工作的效率和精度。

3 實(shí)例分析

為了說明綜合地質(zhì)剖面法在研究隱伏斷層和工程應(yīng)用中的實(shí)用性和可靠性，本文對瑞昌-武寧斷裂活動(dòng)性進(jìn)行了實(shí)例研究。

瑞昌-武寧斷裂北起瑞昌以北，向西南經(jīng)瑞昌盆地、范家鋪、橫港、魯溪至武寧，走向NE40°～50°，長70km左右。該斷裂北段隱伏于開闊的第四系盆地之下，中段隱伏于山間谷地之下，南段出露于基巖之中（圖5）。沿?cái)嗔炎呦蛟l(fā)生1575年3月 5?2級、1995年4月4.9級和2005年九江-瑞昌5.7級多次破壞性地震，多數(shù)研究者認(rèn)為該斷裂為2005年九江-瑞昌5.7級地震的發(fā)震構(gòu)造（李傳友等，2008；盧福水等，2006；Han et al，2012）。因此，研究該斷裂的活動(dòng)性對充分認(rèn)識瑞昌盆地的幾次破壞性地震及該斷裂的地震活動(dòng)性有重要意義。為了研究該斷裂的活動(dòng)性，筆者分別在斷裂的南段（山地基巖出露區(qū)）、中段（山間溝谷區(qū)）、和北段（開闊盆地區(qū)）采用了地表地質(zhì)剖面分析法、綜合地質(zhì)剖面法和傳統(tǒng)隱伏斷層分析法（化探、物探、鉆探相結(jié)合）等3種方法對該斷裂進(jìn)行分析研究。

圖5 瑞昌-武寧斷裂及測線位置示意圖

3.1 綜合地質(zhì)剖面法

前文分析指出了第四系出露齊全對綜合地質(zhì)剖面法研究結(jié)果的重要性。由于精度原因，在圖5中小范圍（局部）分布的早更新世地層無法顯示，在此引用了向宏發(fā)（2007）給出的武寧南長侖-武寧縣城修水階地分布圖（圖6）。由圖6可知該地區(qū)第四系發(fā)育齊全，河流階地非常發(fā)育，有從T1～T6多級階地。各級階地分布高程、階地堆積物特性都不盡相同。結(jié)合測年結(jié)果、區(qū)域地質(zhì)資料和李長安等（1997）的研究結(jié)果，綜合分析認(rèn)為，T6階地為早更新世早、中期階地；T5～T3為中更新世階地（Q2）；T2為晚更新世階地（Q3）；T1為全新世階地（Q4）。說明研究區(qū)（尤其是圖5中瑞昌-武寧斷裂C-D測線兩側(cè)）第四系發(fā)育齊全，適合綜合地質(zhì)剖面法的應(yīng)用。

圖6 武寧南長侖-武寧縣城修水階地分布高程及綜合剖面（向宏發(fā)等，2007）

瑞昌-武寧斷裂北段隱伏于第四紀(jì)盆地或山間谷地之下，南段出露于基巖之中。斷裂構(gòu)造地貌表現(xiàn)清晰，斷裂控制了瑞昌盆地和范鎮(zhèn)盆地的形成和展布，使盆地與山體相間排列，并與斷裂走向相一致。在范家鋪一帶斷層順著山間谷地走向隱伏于第四系之下（江西省地質(zhì)局，1966）。筆者在雙源至紅光村做了一個(gè)綜合地質(zhì)剖面，剖面走向南東，從東南側(cè)Q1形成的臺地（山坡）向北西跨過溝谷（斷層所在位置）至西北側(cè)Q1形成的臺地（山坡），剖面長度約800m。根據(jù)野外勘測，對斷層兩側(cè)第四紀(jì)地層巖性特征作對比分析和厘定，結(jié)果顯示斷層兩側(cè)Q1、Q2、Q3和Q4地層發(fā)育齊全。斷層兩側(cè)的高臺地上均分布有一套壓實(shí)性較好的礫石層（九江礫石層），根據(jù)區(qū)調(diào)資料（江西省地礦局，1984）顯示該地層為早更新世地層，對該地層取樣進(jìn)行熱釋光測年結(jié)果為（1056.53±92.28）ka（中國地震局地質(zhì)研究所等，2006）。斷層西北側(cè)由九江礫石層形成的Q1臺地海拔為63～77m，而該地層在盆地東南側(cè)形成的Q1臺地海拔高度為56～65m（圖7）。由此得出斷層兩側(cè)Q1臺地地貌面為西北側(cè)高于東南側(cè)7～12m。比上述臺地低一級的臺地由網(wǎng)紋狀紅土構(gòu)成，土質(zhì)堅(jiān)硬，根據(jù)區(qū)調(diào)資料（江西省地礦局，1984）顯示，網(wǎng)紋紅土層為中更新世地層，取樣進(jìn)行熱釋光測年結(jié)果為（659.60±56.07）ka，這一測試結(jié)果與區(qū)調(diào)資料的結(jié)果相一致。網(wǎng)紋紅土所形成的斷層兩側(cè)Q2臺地高程為西北側(cè)高于東南側(cè)6～8m。而斷層兩側(cè)晚更新世地層形成的地貌面無明顯高差（斷層西北側(cè)臺地海拔高27～34m，東南側(cè)臺地海拔高度為26～34m），全新世地層在斷層兩側(cè)的地貌面呈平坦連續(xù)狀。根據(jù)對斷層兩側(cè)第四系的詳細(xì)對比分析（表1）可知，斷裂活動(dòng)導(dǎo)致兩側(cè)Q1、Q2臺地地貌面海拔高度發(fā)生明顯差異，晚更新世以來地質(zhì)地貌沒有受到影響，說明斷層在中更新世有過活動(dòng)；從斷層?xùn)|南側(cè)（上盤）（江西省地質(zhì)局，1966）早、中更新世地層地貌面均低于下盤相應(yīng)地層地貌面高度可以判斷該斷裂為正斷層。由此得出斷層活動(dòng)時(shí)代和力學(xué)性質(zhì)與前人研究結(jié)果（盧福水，2006，李傳友等，2008，Han et al，2012）相一致。

圖7 雙源至紅光村綜合地質(zhì)剖面圖

表1 斷層兩側(cè)相同地層地貌面高程對比分析

3.2 傳統(tǒng)隱伏斷層分析法

傳統(tǒng)隱伏斷層研究法主要依靠化探、物探、鉆探和槽探等手段判定斷裂活動(dòng)時(shí)代和活動(dòng)性質(zhì)。2006年彭澤核電廠址可行性研究階段地震安全性評價(jià)項(xiàng)目在瑞昌盆地針對武寧-瑞昌斷裂瑞昌段隱伏斷層用物探、鉆探相結(jié)合的方法做了研究。據(jù)淺層物探結(jié)果顯示，斷層兩側(cè)基巖存在明顯落差，并造成中更新統(tǒng)礫石層的不連續(xù)分布（圖8）。根據(jù)物探解譯結(jié)果在解譯斷層兩側(cè)布設(shè)了聯(lián)合鉆孔，鉆探結(jié)果驗(yàn)證了物探解譯結(jié)果的正確性。在鉆孔ZK17和鉆孔ZK22之間中更新統(tǒng)礫石層被錯(cuò)動(dòng)數(shù)米，白云質(zhì)灰?guī)r形成數(shù)米的基巖陡坎，并且在鉆孔ZK17孔中有斷層破碎帶（圖9）。斷層物質(zhì)熱釋光年代樣品測試結(jié)果為（310±27.53）ka，這反映該斷裂在第四紀(jì)中期仍有過明顯活動(dòng)，屬中更新世斷裂。根據(jù)圖9地層的錯(cuò)動(dòng)能判斷斷層為正斷層。

3.3 地表地質(zhì)剖面分析法

圖8 瑞昌斷裂淺層地震測線f13斷點(diǎn)解譯圖

圖9 瑞昌斷裂淺層地震測線f13斷點(diǎn)鉆孔的地層柱狀對比圖

地表出露斷層地質(zhì)剖面分析法是指在基巖出露區(qū)能直接看到斷層構(gòu)造帶，根據(jù)斷層物質(zhì)的特征，如構(gòu)造帶的破碎程度、斷層物質(zhì)的膠結(jié)和軟硬程度，是否發(fā)育斷層泥，斷層面的新鮮程度，斷層與第四系的斷錯(cuò)關(guān)系以及測年等信息綜合判定斷層的活動(dòng)時(shí)代；并通過對擦痕、階步、斷層兩側(cè)標(biāo)志性地層相對錯(cuò)動(dòng)方向等信息來判斷斷層的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的一種方法。在瑞昌-武寧斷裂南段基巖區(qū)的東塅村附近可見該斷裂構(gòu)造帶（圖10）。該斷裂帶的斷面平直，產(chǎn)狀為63°/SE∠65°，斷裂破碎帶寬2.5～3.0m，斷裂構(gòu)造帶中間部位為構(gòu)造混雜帶，母巖清晰可辨，兩側(cè)主要表現(xiàn)為強(qiáng)烈的碎裂巖帶和扁豆體帶，尤其是在東南側(cè)的主斷面上，斷層物質(zhì)松軟，可見0.5～1.0cm厚的灰綠色、灰白色斷層泥條帶。采集斷層物質(zhì)熱釋光年代樣品（DJ-TL-3），測試結(jié)果為（323.92±27.53）ka。表明斷層最后一次活動(dòng)是在中更新世。通過斷層兩側(cè)紫紅色頁巖標(biāo)志層的相對運(yùn)動(dòng)方向可以判定該斷層的力學(xué)性質(zhì)為正斷層。

圖10 魯溪鎮(zhèn)南東塅村房屋后圍斷裂剖面圖

通過以上3種不同方法對瑞昌-武寧斷裂活動(dòng)性進(jìn)行了研究，其結(jié)果表明：3種研究方法得到的斷層活動(dòng)時(shí)代均為中更新世，斷層力學(xué)性質(zhì)均為正斷層，具有高度的一致性。

4 結(jié)論與討論

從隱伏斷層綜合地質(zhì)剖面法的原理、適用條件和實(shí)例等分析可以得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）在合適的條件下，用綜合地質(zhì)剖面法分析研究隱伏斷層的活動(dòng)性是可行且有效的。

（2）用綜合地質(zhì)剖面法分析隱伏斷層的活動(dòng)性簡便易行、投入較少且工作周期短。不足之處是其結(jié)果的精度不高，比如斷層兩側(cè)某一地層的地貌面稍有高差（如2～4m），很難斷定這是由斷層活動(dòng)引起的還是差異風(fēng)化形成的。這就需要研究者能夠作出正確的分析和判斷，從而避免該方法的不足給研究造成偏差或者錯(cuò)誤。

（3）由于不同時(shí)代的活動(dòng)斷層危險(xiǎn)性不一樣，不同運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的隱伏斷層其危險(xiǎn)性有明顯不同（韓竹軍等，2002），隱伏斷層活動(dòng)對其上部不同位置產(chǎn)生的破壞區(qū)別也很大。因此研究隱伏斷層的主要目的是了解斷層活動(dòng)時(shí)代、斷層力學(xué)性質(zhì)和斷層的確切位置等。用綜合地質(zhì)剖面法分析隱伏斷層能夠得到斷層活動(dòng)時(shí)代和力學(xué)性質(zhì)，但不能得到斷層的具體展布；而化探手段能夠解決隱伏斷層的位置及展布問題，卻得不出隱伏斷層的活動(dòng)性。所以本文認(rèn)為把綜合地質(zhì)剖面法和化探方法結(jié)合起來應(yīng)用，是研究隱伏斷層一種有效的補(bǔ)充手段。尤其是在時(shí)間緊、經(jīng)費(fèi)有限的情況下，能讓較少的投入產(chǎn)生較好的效果。

如何開展隱伏斷層野外地質(zhì)調(diào)查是有待深化和共同探討的課題，本文只是一個(gè)初步研究，希望能起到拋磚引玉的作用。