青島大沽河斷裂活動性初步研究

李玉森, 湯士永, 何英澤, 劉 銳, 薛海濱, 李 煒

(1.青島市工程地震研究所,山東 青島 266003; 2.青島市地震監(jiān)測中心,山東 青島 266034)

青島大沽河斷裂活動性初步研究

李玉森1,2, 湯士永1, 何英澤1, 劉 銳1,2, 薛海濱1,2, 李 煒2

(1.青島市工程地震研究所,山東 青島 266003; 2.青島市地震監(jiān)測中心,山東 青島 266034)

大沽河斷裂是青島地區(qū)規(guī)模較大的一條隱伏斷裂,前人對該斷裂沒有進行過詳細的研究。由于缺乏足夠的證據(jù),無法確定該斷裂的展布和產(chǎn)狀,更加無法確定其活動性。本文首先基于地質(zhì)圖布設(shè)幾條地球物理勘探測線,根據(jù)物探結(jié)果,選取三處異常點分別布設(shè)若干鉆孔進行鉆探驗證。根據(jù)鉆孔地層結(jié)構(gòu)繪制三個聯(lián)合地質(zhì)剖面,剖面揭示有斷裂通過,從而在土層中選取四個土樣進行年代學(xué)測試。研究表明,大沽河斷裂通過了地球物理勘探的三處異常點,基本確定了斷裂走向;年代學(xué)測試結(jié)果表明該斷裂為早更新世或中更新世早中期斷裂,不屬于活動斷裂;根據(jù)統(tǒng)計規(guī)律,該斷裂不會發(fā)生破壞性地震,也不會造成地表破裂,重大建設(shè)工程不需要避讓該斷裂。本研究具有十分重要的意義。

大沽河斷裂; 活動性; 地球物理勘探; 鉆探驗證; 聯(lián)合地質(zhì)剖面; 土樣年代學(xué)測試; 不活動斷裂

0 引言

大沽河斷裂是青島地區(qū)一條重要的區(qū)域性隱伏斷裂,該斷裂大致沿著大沽河由北向南延伸。根據(jù)青島市“環(huán)灣保護,擁灣發(fā)展”的規(guī)劃布局,一大批大型建設(shè)工程將會在大沽河斷裂周邊建設(shè),因而確定該斷裂的空間展布和活動性就顯得尤為迫切,這直接關(guān)系到這些建設(shè)工程抗震設(shè)防的科學(xué)性及合理性。

目前對大沽河斷裂的研究大體上仍處于定性階段,斷裂空間展布主要依據(jù)地質(zhì)圖,但地質(zhì)圖并不太準確,缺乏有說服力的證據(jù)；斷裂活動性也主要是定性描述,缺乏必要的定量數(shù)據(jù),這樣可靠性就顯得不足,所以取得該斷裂基本的活動性數(shù)據(jù)是科學(xué)合理地確定建設(shè)工程抗震設(shè)防要求的前提條件。筆者利用科研基金項目,結(jié)合洋河大橋和青島新機場這兩個重大建設(shè)項目的地震安全性評價開展相關(guān)工作,并采用地球物理勘探、鉆探驗證和年代學(xué)測定這三種基本方法對大沽河斷裂開展研究,獲得了較為可靠的數(shù)據(jù),初步確定了大沽河斷裂南段的空間展布及其活動性特征,為建設(shè)工程的抗震設(shè)防提供了科學(xué)的依據(jù)。

1 洋河大橋項目地球物理勘探及鉆探驗證

洋河特大橋項目位于洋河匯入膠州灣處,依據(jù)地質(zhì)圖,大沽河斷裂從場地西側(cè)通過。為確定其具體通過位置,布設(shè)了地球物理勘探測線(圖1),在3-3′和4-4′測線發(fā)現(xiàn)了大沽河斷裂異常。

圖1 淺層折射波地震勘探測線布置圖Fig.1 Arrangement plan of shallow seismic survey lines based on refracttion wave

依據(jù)地球物理勘探結(jié)果,采用布設(shè)排鉆的方式對物探推測異常點進行驗證。在洋河大橋的北岸4-4′線斷裂異常點處布設(shè)了6個鉆孔。

圖2為鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面圖。鉆探揭示主要地層為全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)及白堊紀沉積巖,其基本地質(zhì)特征如下:

(1) 全新統(tǒng)包括素填土、含淤泥質(zhì)土。素填土厚5 m左右,呈褐色～黃褐色,主要成分為粉質(zhì)黏土,松散、稍濕,為修攔河壩而回填,其時間不長,經(jīng)夯實處理；含淤泥質(zhì)土厚8 m左右,呈灰黑色或淺黑色、軟塑～可塑,為海相沉積,含有貝殼類碎屑。

(2) 上更新統(tǒng)包括粉質(zhì)黏土和粉細砂。厚約7 m左右,粉質(zhì)黏土呈褐黃色,硬塑,結(jié)構(gòu)致密,局部可見淺綠色氧化條帶,還可見直徑約1～2 cm的姜石；粉細砂呈褐黃色,含有大量的黏性土,巖芯成型性較好。

(3) 中更新統(tǒng)包括粉質(zhì)黏土和中粗砂。厚度6 m左右,粉質(zhì)黏土呈黃褐色～褐黃色,硬塑、結(jié)構(gòu)致密,可見直徑約1～3 cm的姜石；中粗砂呈棕黃色、密實、級配良好、成分以長石、石英為主,鉆孔底部可見石英質(zhì)的礫石,個別礫石氧化現(xiàn)象明顯,是第四紀中更新世的產(chǎn)物,礫石粒徑約2～8 mm,局部混少量淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,缺失下更新統(tǒng)地層。

(4) 鉆孔N3～N6中的白堊紀沉積泥巖,為紫紅色,巖石風(fēng)化較強烈,巖石硬度降低,巖芯保存較完整,可用硬物將其剖碎。其中夾有含礫砂巖,巖芯成碎塊狀,礫石有不同程度的磨圓,這也是區(qū)分是否為斷裂破碎巖的主要標志。

(5) 鉆孔N2中可看到斷層物質(zhì),該構(gòu)造巖分布在鉆孔N2中的27.20～27.50 m處,厚約30 cm,以碎粉碎裂巖為主,夾雜淺灰綠色的碎粉巖物質(zhì),高嶺土化蝕變現(xiàn)象較明顯,巖芯呈紫紅色—灰綠色。

鉆孔N1與N2的含礫砂巖巖芯完整性較好,而其他鉆孔中的含礫砂巖巖芯均已破碎。這說明雖然是同樣的地質(zhì)環(huán)境,但其巖石風(fēng)化程度有所不同,N1和N2下部的白堊系與其他鉆孔同深度的白堊系巖石物理性質(zhì)不同。在N3中第26.90～29.00 m中,巖芯呈碎塊狀,碎裂巖塊呈棱角狀,局部也可見到碎粉巖物質(zhì),確認為構(gòu)造碎裂巖,巖芯中沒有發(fā)現(xiàn)斷層的斷面構(gòu)造,碎粉巖中可見到礦物顆粒重結(jié)晶現(xiàn)象,沒有呈現(xiàn)擠壓痕跡。

圖2 洋河大橋北側(cè)聯(lián)合地質(zhì)剖面圖Fig.2 The composite drilling geological section in the north of Yanghe Bridge

鉆孔N1和N2的白堊系沉積巖的巖層層位及厚度均不能與其他鉆孔中的巖體層位及厚度相對應(yīng),據(jù)此推斷,N2和N3之間存在斷層,且斷層以平移為主,這是造成斷層?xùn)|西兩盤巖石物理性質(zhì)及巖體層位均不相同的主要原因。又由于該斷層的西盤(N1和N2)巖芯較為完整,含礫砂巖巖芯也較為完整,巖石硬度相對較大,風(fēng)化程度相對較低,而東盤(N3～N6)巖芯中局部較為破碎,主要是含礫砂巖較為破碎,巖石硬度相對較小,風(fēng)化程度較高,因此西盤巖石比東盤巖石成巖時代要早。另外斷層內(nèi)部物質(zhì)重結(jié)晶的晶型也揭示斷層沒有受過擠壓,由此推斷斷層具有張性特征,呈正斷層性質(zhì)。

排鉆控制區(qū)分布有全新世統(tǒng)、上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)地層,這些地層層序清晰、層位穩(wěn)定,各層厚度基本穩(wěn)定,沒有明顯的變化,觀察不到斷裂對第四系造成明顯影響的痕跡。由于斷裂內(nèi)部物質(zhì)并沒有膠結(jié)成巖,所以大沽河斷裂不是前第四系斷裂。

2 青島新機場項目地球物理勘探及鉆探驗證

1∶20萬地質(zhì)圖(青島幅、靈山衛(wèi)幅)顯示,大沽河斷裂從新機場東側(cè)通過。由于其為隱伏斷裂,故采用地球物理勘察與鉆孔驗證相結(jié)合的方法,確定該斷裂的空間分布和活動性特征。物探測線布置和驗證鉆孔位置見圖3。其中5-5′和6-6′測線顯示有大沽河斷裂的異常。

在恒載以及人群活載的共同作用下，橋梁工程結(jié)構(gòu)可能會發(fā)生變形，根據(jù)模型計算分析，該橋梁工程豎向最大位移量為48.7mm，并且發(fā)生在橋梁跨中處十字剪刀撐，與起拱控制撓度值相比，最大位移偏大15.0mm，因此，在該結(jié)構(gòu)位置進行安裝時，應(yīng)該注意采用預(yù)先起拱的方式，其值則為在恒載+人群活載共同作用下所產(chǎn)生的豎向撓度，同時還應(yīng)該注意采用圓滑曲線設(shè)置形式。在荷載的組合作用下，該橋梁工程結(jié)構(gòu)豎向的最大位移量為109.7mm，而最大控制撓度值為125mm，因此能夠滿足橋梁工程設(shè)計規(guī)范。

圖3 物探測線布置和驗證剖面位置圖Fig.3 Arrangement plan of geophysical survey lines and checking profiles

在機場東側(cè),大沽河拐彎河堤處和李哥莊鎮(zhèn)北處物探測線的異常點處分別布置鉆孔進行驗證,見圖3中的A點和B點。

(1) 大沽河拐彎河堤處鉆孔勘察(A點)

圖4是大沽河河堤拐彎處鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面圖,鉆孔以字母A編號。鉆孔基本地質(zhì)特征如下:

圖4 大沽河河堤處聯(lián)合地質(zhì)剖面圖Fig.4 The composite drilling geological profile in the bank of Dagu River

該鉆探勘察范圍內(nèi)主要地層為第四紀全新世素填土、晚更新世粉質(zhì)黏土、中更新世含淤泥粉質(zhì)黏土,基巖為中生代安山巖。

素填土呈褐色～黃褐色、稍濕、較為松散,厚3 m 左右,主要成分為粉質(zhì)黏土夾少量碎石、砂礫,含大量植物根系。粉質(zhì)黏土呈褐色、中密、可塑,厚約1.5 m左右,切面較光滑,韌性中等。含淤泥粉質(zhì)黏土呈灰褐色～淺灰黑色、較軟、可塑,厚約1.7 m左右,軟塑～可塑,稍有異味,含有機物?；鶐r為白堊紀安山巖,灰綠色～褐綠色,隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,安山巖中穿插有大量寬約1～2 cm的白色～灰白色巖脈,巖脈的礦物成分為灰石和方解石,巖石風(fēng)化程度較高。

在A2號鉆孔中20.5～22.0 m處可見碎裂巖,垂直厚度近1.5 m,巖芯呈碎塊狀,直徑多在1～1.5 cm,破碎的巖塊為棱角狀。該段進尺較慢,巖芯采集率較低。A3號鉆孔中11.2～13.10 m和20.1～22.0 m處可觀察到碎裂巖,巖芯破碎較嚴重,碎塊直徑多在1.0 cm左右,少數(shù)2 cm左右,碎塊棱角分明。在A4號鉆孔中8.5～10.0 m處可見分布在中風(fēng)化安山巖之下的碎裂碎粉巖,呈灰綠色,稍濕,用手可以搓動,呈泥狀或砂狀,其發(fā)育不是很完全,可見到原巖的礦物顆粒被壓扁呈定向排列的狀態(tài)。

在該勘察處,第四系厚度約6 m左右,地層層位穩(wěn)定,厚度變化不大,基巖面起伏也不大,未發(fā)現(xiàn)第四系地層受到下覆斷層影響的痕跡,斷層物質(zhì)沒有膠結(jié)成巖。

(2) 李哥莊北勘察處(B點)

該鉆探勘察范圍內(nèi)主要地層為第四紀全新世素填土、晚更新世粉質(zhì)黏土、中更新世淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和中粗砂,基巖為中生代泥巖。

素填土呈黃褐色、稍濕、較為松散,厚1 m左右,主要成分為粉質(zhì)黏土夾少量碎石、砂礫,含大量的植物根系。粉質(zhì)黏土呈黃褐色～褐色、中密、可塑,厚約2 m左右,切面較光滑,韌性中等。含淤泥粉質(zhì)黏土呈灰褐色～淺灰黑色、較軟、可塑,厚約1.8 m左右,軟塑～可塑,稍有異味,含有機物。中粗砂呈黃褐色、中密、稍濕,磨圓中等,分選中等?；鶐r以白堊紀泥巖為主,紫紅色～磚紅色,泥質(zhì)結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,巖石風(fēng)化程度較高。B4和B5號鉆孔中還分布有砂巖,紫紅色～灰白色,中細粒砂質(zhì)結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造。

圖5 李哥莊北側(cè)聯(lián)合地質(zhì)剖面圖Fig.5 The composite drilling geological section in the north of Ligezhuang town

B2鉆孔中的構(gòu)造巖較發(fā)育,在B2號鉆孔中21.8～23.0 m和24.00～25.50 m處可見碎粉巖,呈淺藍色、稍濕,用手可以搓動呈泥狀或砂狀,碎粉巖發(fā)育不完全,可見到原巖的礦物顆粒呈鱗片狀分布。

B3號鉆孔中22.1～23.10 m處也可見到泥巖破碎,但破碎程度較低,碎塊的直徑大致在1.5～2.0 cm之間,多呈棱角狀;另有一些沿泥巖的層理破碎的現(xiàn)象,碎塊多為片狀。

B4號鉆孔中25.1～26.10 m和27.1～28.20 m處為碎裂巖,巖石破碎程度較高,碎塊直徑大致在1～1.5 cm,破碎的巖塊為棱角狀。該段進尺慢,取芯困難。B4號和B5號鉆孔夾有砂巖,呈灰白色,而其余鉆孔中沒有該巖層,所以地層無法對應(yīng),這是走滑斷層活動的主要證據(jù),結(jié)合地質(zhì)圖,推斷該斷裂具有左旋走滑性質(zhì)。

3 年齡樣測試

測年是確定斷裂活動時代的證據(jù)之一,在洋河大橋項目驗證鉆孔N2和N3的粉質(zhì)黏土中分別取1個測年土樣(土樣一、土樣二),在新機場項目大沽河拐彎河堤處驗證鉆孔A2和A4的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土中分別取1個測年土樣(土樣三、土樣四)。委托山東省地震工研究院進行光釋光測年,結(jié)果見表1。這些樣品代表未受斷裂影響的最老地層,見圖2和圖5。

測年結(jié)果表明,土樣年齡為第四紀中更新世晚期,大沽河斷裂并沒有影響到土樣所在地層,所以大沽河斷裂活動時代應(yīng)在此之前。鉆孔揭示斷層物質(zhì)并沒有膠結(jié)成巖,所以大沽河斷裂也不屬于前第四紀斷裂。根據(jù)鉆孔地質(zhì)特征和年齡樣測年結(jié)果綜合判定大沽河斷裂為第四紀早更新世斷裂或中更新世早中期斷裂。

表1 光釋光測年結(jié)果

統(tǒng)計顯示,中國東部地區(qū)晚更新世以前發(fā)生活動的斷裂不會發(fā)生造成地表錯斷或破裂的地震,大沽河斷裂為早更新世或中更新世早中期斷裂,所以它不會造成地表破裂,也不會影響建設(shè)工程的穩(wěn)定性。

4 結(jié)論及存在的問題

本文使用地球物理勘探、鉆探驗證及土樣測年等技術(shù)方法對大沽河斷裂進行了初步研究,得到如下結(jié)論:

(1) 大沽河斷裂為隱伏斷裂,該斷裂南起紅石崖,向北經(jīng)洋河入?？凇⒗罡缜f鎮(zhèn)、藍村鎮(zhèn)、任兆鎮(zhèn),到達南墅鎮(zhèn)南,長約54 km,總體呈N10°E方向延伸,沿走向略有彎曲,斷裂面近直立,為左旋走滑正斷層。

(2) 大沽河斷裂為早更新世或中更新世早中期斷裂,不屬于活動斷裂,不會造成地表破裂,不會影響建設(shè)工程的穩(wěn)定性。

大沽河斷裂是一條規(guī)模較大的區(qū)域性隱伏斷裂,受條件限制,本文僅在斷裂的局部地段選取了兩處物探異常點布設(shè)了鉆孔進行鉆探驗證,并取四個土樣進行年代學(xué)測試,從定量角度獲得了對該斷裂的初步認識,這為本地區(qū)合理確定抗震設(shè)防要求提供了重要依據(jù)。以上結(jié)論僅是初步研究結(jié)果,今后繼續(xù)在其他地段開展進一步研究,從整體上準確把握該斷裂的空間展布和鑒定其活動性是十分必要的。

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A Preliminary Study of the Activity of Dagu River Fault in Qingdao Area

LI Yu-sen1,2, TANG Shi-yong1, HE Ying-ze1, LIU Rui1,2, XUE Hai-bin1,2, LI Wei2

(1.QingdaoEngineeringEarthquakeInstitute,Qingdao266003,Shandong,China; 2.EarthquakeMonitoringCenterofQingdaoCity,Qingdao266034,Shandong,China)

The Dagu River fault is a large buried fault in Qingdao area, which extends from the north to the south along the Dagu River. There have been no previous studies that cautiously focused on this fault. As there is no adequate analysis data, researchers are unable to ensure the fault distribution and attitude. In addition, they cannot ensure the fault activity. In this study, we first arranged several geophysical exploration lines based on the geological map. Then, according to the geophysical exploration, we selected three abnormal sites to drill several holes and subsequently developed three combined geological profiles with respect to stratum. On the basis of the geological map, three abnormal sites, and combined geological profiles, we found where the fault passes through. We selected four soil samples from the stratum to test their chronology. Research shows that the Dagu River fault passes through the three abnormal sites because the stratum changed in different holes. We virtually make sure the fault's trend and distribution. Chronology test report shows that the age of the Dagu River fault is early Pleistocene or early mid-Pleistocene, but it is not an active fault. According to statistical regularity, the Dagu River fault will not initiate any destructive earthquakes or rupture the earth's surface. Therefore, large-scale projects should not be away from the fault. As numerous large-scale projects will be initiated in Qingdao area, conducting this study is essential in actual projects.

Dagu river fault; activity; geophysical exploration; drill verification; combined geological profile; soil sample; chronology test; inactive fault

2015-12-14 基金項目：山東省地震局青年基金項目(JJ1402Y);青島市地震局專項課題(16Z07)作者簡介：李玉森(1979-),男,碩士,高級工程師,主要從事地震地質(zhì)、活動構(gòu)造、工程地震學(xué)等方面的研究。E-mail:lys2001605@sohu.com。

TU47

A

1000-0844(2016)06-0964-06

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.06.0964