北京南苑-通縣斷裂北東段結構特征及第四紀活動性研究

牛文治， 何付兵， 劉振華， 崔玉斌， 白凌燕， 王安國， 張悅澤，曹萌萌， 周捷銘

1.北京市地質調查研究所，北京 100097；

2.北京市市級職工創新工作室（城市地質、活動構造與監測），北京 100097；

3.中國地質調查局發展研究中心，北京 100037

0 引言

南苑-通縣斷裂是北京平原區一條重要的隱伏斷裂，是北京凹陷與大興凸起的邊界斷裂（趙忠海和朱紅軍，2003）。1976年北京開展地震地質會戰時，因其重力梯度和磁性異常顯著，被明確提出并命名為“南苑-通縣斷裂”，該斷裂呈北東向展布，南起涿州，向北東方向延伸經碼頭鎮、肖場村、葫蘆垡，過北西向永定河斷裂后，沿大興區南苑鎮、大紅門，至廣渠路、八里橋村，北至通州區平家疃村，呈“S”形展布，傾向北西（徐錫偉等，2015）。

自北京地震地質會戰以來，許多學者借助鉆探、物探、化探、地形地貌等多種手段，對南苑-通縣斷裂進行過研究（劉保金等，2009；何付兵，2019；雷曉東等，2021；Zhao et al.，2021）。根據該斷裂的幾何結構、活動特征、深部構造特征及與北西向斷裂的交切關系，將斷裂劃分為3段：北東段（平家疃村以東）、中段（平家疃村至南口-孫河斷裂）、南西段（南口-孫河斷裂至涿州）。對于斷裂的南西段先后進行過3次大規模研究：1979年北京地震地質會戰308地球物理測線顯示，斷裂南西段沒有錯斷第四紀地層（國家地震局地球物理研究所，1978）；2007年北京市活斷層探測與地震危險性評價表明，該段第四紀以來沒有明顯活動跡象（江娃利，2007）；2009年北京大興規劃新城前期區域工程地質勘查顯示，南苑-通縣斷裂南西段為一條基巖斷裂（黃驍等，2012）。對于斷裂的中段也開展過3次研究：1979年北京地震地質會戰317地球物理測線顯示，該段是全新世活動斷裂（國家地震局地球物理研究所，1978）；2016—2017年通州城市副中心地區重大地質問題調查與評價表明，中段斷裂錯斷整個第四紀地層至地表（方同明等，2016）；2018年宋莊地裂縫地質災害調查出現不同觀點，認為南苑-通縣斷裂中段沒有錯斷整個第四紀地層至地表，但為地裂縫形成提供了應力傳遞與積累（趙龍等，2018）。綜上，目前的研究認為南苑-通縣斷裂南西段是前第四紀斷裂，但關于斷裂中段是否斷錯第四紀地層至地表還存在爭議；而對于北東段（即過通州區平家疃村后）的勘探研究相對薄弱，僅根據重力資料大致確定了其走向為近東西向延伸，但斷裂活動情況尚不清楚。

南苑-通縣斷裂是影響北京市地質安全的重要地質要素，歷史地震顯示，北京地區1665年級地震震中距離該斷裂較近，可能與該斷裂密切相關。盡管該斷裂研究意義重大，但目前對該斷裂的認識尚不能滿足首都和諧宜居示范區發展目標的需求（豐成君，2014）。因此，文章基于野外地表調查，采用高精度重力、縱波地震和橫波地震綜合物探剖面方法、鉆孔聯合剖面探測和年代學方法，對南苑-通縣斷裂北東段進行勘探，對其結構特征和活動時代等方面進行探討，以期為首都地區國土空間規劃及防災減災體系建設提供了重要的地質依據。

1 研究區地質背景

研究區位于華北平原北部（圖1a），大地構造位于華北陸塊中北部、燕山中新生代陸內造山帶西段。自太古宙以來經歷了一系列構造運動，新生代古近紀始新世至漸新世時期，在強烈伸展裂谷作用背景下，北東向斷裂發生了不同規模的引張正斷層活動，形成“兩隆、兩凹”盆地與山嶺相間排列的盆嶺構造（黃秀銘等，1991）。宏觀上，這些引張正斷層呈北東向展布，可進一步劃分為京西凸起、北京凹陷、大興凸起、大廠凹陷和廊固凹陷。新近紀晚期至第四紀時期，北京平原區的斷陷盆地持續下降，接受沉積，積累了數百米厚的松散沖積物和洪積物。同時，由于新生代北西向和北東向斷裂復活，導致斷裂兩盤第四紀沉積物存在明顯差異（倪敬波等，2023）。

F1—南口山前斷裂；F2—黃莊-高麗營斷裂；F3—順義斷裂；F4—南苑-通縣斷裂；F5—禮賢斷裂；F6—夏墊斷裂；F7—南口-孫河斷裂；F8—二十里長山斷裂；F9—永定河斷裂；F10—桐柏斷裂；F11—李橋斷裂；F12—樓梓莊斷裂；F13—西集斷裂a—北京市平原區主要斷裂分布圖；b—南苑-通縣斷裂北東段斷裂分布圖及工作部署圖圖1 研究區地質構造簡圖Fig.1 Schematic map of geological structure in the study area(a) Distribution map of major faults in the plain area of Beijing; (b) Distribution map and work deployment map of Nanyuan–Tongxian faultF1–Nankou piedmont fault; F2–Huangzhuang–Gaoliying fault; F3–Shunyi fault; F4–Nanyuan–tongxian fault; F5–Lixian fault; F6–Xiadian fault;F7–Nankou–Sunhe fault; F8–Ershilichangshan fault; F9–Yongdinghe fault; F10–Tongbai fault; F11–Liqiao fault; F12–Louzizhuang fault;F13–Xiji fault

研究區內分布著4條隱伏斷裂：南苑-通縣斷裂、夏墊斷裂、李橋斷裂和西集斷裂。南苑-通縣斷裂是大興凸起和北京凹陷的邊界斷裂，斷裂北側位于北京凹陷，南側位于大興凸起（圖1b）。北京凹陷整體走向為北東向，新生代下伏地層主要為元古宇、古生界和中生界。始新世時期，地層沉積主要在黃莊-高麗營斷裂和南苑-通縣斷裂之間，呈北北東向展布，沉積中心大致在豐臺一帶。漸新世起，由于南苑-通縣斷裂中段活動加強，沉降中心較始新世時期向東南移動，以北京市區為沉積中心。新近紀時期，地層分布范圍也在黃莊-高麗營斷裂和南苑-通縣斷裂之間，但沉積厚度遠超古近紀時期（孫永華，2021）。大興凸起整體走向呈北東向，其基底以中元古代及早古生代地層為主，晚三疊世末期開始遭到抬升剝蝕，新生代沉積厚度一般在50～160 m（張曉亮等，2016；李正芳等，2021）。

2 研究方法

綜合物探剖面能夠在不同深度對斷裂進行探測，同時互相驗證減少多解性的影響。此次研究包括高精度重力勘探和淺層地震勘探。前者確定斷裂的深部特征，后者可獲取上斷點埋深。其中淺層地震勘探方法是活動斷層探測國家標準中重要的工作方法之一，縱波地震用于探測數十米至數百米的斷裂埋深特征，橫波地震用于探測數米至數十米的斷裂埋深特征。最后，利用鉆孔聯合地質剖面進一步驗證物探剖面成果，研究斷裂準確空間位置及最新活動時代（Zhao et al.，2004；曹新文等，2017；何付兵等，2020；云龍等，2021；王超群等，2022）。

2.1 儀器設備及數據采集

此次高精度重力測量使用加拿大Scintrex儀器公司生產的CG-5型重力儀，采用2000國家重力基準，利用國際大地測量協會推薦的1980年大地測量參考系統的正常重力公式計算正常重力值，按照《大比例尺重力勘查規范》（DZ/T 0171—2017）中相關要求執行?？v波地震剖面數據采集系統為法國SERCEL公司生產的408UL數字地震儀，激發震源使用抗干擾能力強的美國Metrz 公司的M18-612型可控震源，設置道間距2 m、炮間距10 m、單邊激發，地震波接收滿足檢波器位置準確的要求，目標層反射信噪比高，記錄合格率不低于95%。橫波地震剖面數據采集系統為美國SI儀器公司生產的SLand全數字地震儀，激發震源使用河北北奧生產的KZ3型可控震源車，設置道間距2 m、炮間距10 m、中間激發。地震波接收滿足水平安置，最大靈敏度方向垂直測線方向，記錄合格率不低于95%。此次地震剖面數據處理以Geoeast處理系統為主，速度分析和質量控制利用Geoeast和Omega軟件，靜校正利用Tomodel軟件，合理選擇參數及流程，確保最終成果滿足斷裂調查要求。

2.2 工作量布置

為了揭示南苑-通縣斷裂北東段的空間展布和活動性特征，按照綜合物探剖面垂直布線原則，結合地表調查成果認識，對目標斷裂布置了2條綜合物探剖面L01和L02（圖1b）。L01綜合物探剖面位于順義區木燕路輔路，包括高精度重力G1（7.2 km）、縱波地震D1（4.6 km）和橫波地震S1（2.6 km）；L02綜合物探剖面位于順義區李大線及木北路輔路，包括高精度重力G2（5.0 km）、縱波地震D2（5.0 km）和橫波地震S2（2.5 km）。經綜合物探剖面解譯和斷裂精確定位后，鉆孔聯合地質剖面最終布置在目標斷裂特征明顯的L02綜合物探剖面上，共施工8口鉆孔，行政區隸屬于北京市順義區北務村。

3 研究成果

3.1 綜合物探聯合剖面

L01綜合物探剖面見圖2a。在高精度重力成果剖面圖中（圖2a），布格重力異常變化范圍在-17～-8 mGal，宏觀上表現為由南向北遞減，揭示基底埋深由南向北逐漸變深；在剩余重力異常曲線上，450～690號點間形成一個波峰，對應水平一階導數負極大值，而二階導數為0，表現為淺部地質體密度變化最大處，推測為南苑-通縣斷裂；在剖面北端，剩余重力異常曲線也存在異常反映，可能為地質體密度差異或基底地層巖性界面?？v波地震解譯結果顯示（圖2a），反射波疊加深度剖面震相豐富，剖面顯示新近系及以上地層整體表現出南薄北厚的傾斜形態；在剖面中段樁號2430附近，解譯出1個視傾向北的斷裂，該斷裂新近系TN和第四系TQ界面反射同相軸發生明顯的錯斷或扭曲現象，向上錯斷了第四系內部反射波同相軸T1，上斷點埋深解譯深度約60 m，視傾角上陡下緩，約56°～72°，表現出典型伸展正斷層屬性。橫波地震解譯結果顯示（圖2c），在剖面南部樁號2400附近，解譯出1個視傾向北的斷裂，該斷裂新近系以上反射波同相軸出現明顯錯斷，其上斷點埋深解譯深度為37 m，視傾角上陡下緩，約66°～84°。

圖2 南苑-通縣斷裂北東段物探解譯綜合剖面圖Fig.2 Comprehensive profile of geophysical exploration and interpretation for the Northeast section of the Nanyuan–Tongxian fault

L02綜合物探剖面見圖2b。在高精度重力成果剖面圖中（圖2b），布格重力異常變化范圍在-19～-9 mGal，宏觀上也表現為由南向北遞減，揭示基底埋深由南向北逐漸變深；在剩余重力異常曲線上，284～446號點間形成一個波谷，對應水平一階導數曲線上一正、一負兩個極值，且兩處的垂向二階導數均為0，推測306號點為南苑-通縣斷裂，426號點為拉張作用下產生的次級斷裂?？v波地震解譯結果顯示（圖2b），其反射波疊加深度剖面震相豐富，在剖面上解譯出2個斷裂，樁號1050附近為視傾向北的主斷裂，樁號2001附近為主斷裂上盤反向次級斷層，主斷裂上斷點埋深為57 m，視傾角上陡下緩，約60°～71°。橫波地震解譯結果顯示（圖2b），反射波疊加深度震相比縱波地震更豐富，根據剖面特征在剖面上解譯出2個斷裂，在剖面中部樁號970附近為視傾向北的斷裂，在剖面南段樁號2067附近為視傾向南的反向次級斷裂，2條斷裂新近系以上反射波同相軸出現明顯錯斷現象，向上分別錯段了第四系內部反射波同相軸T1和T3，解譯主斷裂上斷點埋深22 m，視傾角上陡下緩，約56°～73°。

3.2 鉆孔聯合地質剖面

3.2.1 鉆孔聯合地質剖面地層分層特征

鉆孔聯合地質剖面揭示地層巖性較多，包括黏土、粉砂質黏土、黏土質粉砂、粉砂、細砂、中粗砂、砂礫石等；細顆粒含有炭斑、銹斑、鈣質和鐵猛質結核等特殊成分，反映鉆孔沉積環境復雜多變。根據巖性及其組合特征，自上而下可以劃分為21層（圖3）。第①層：孔深0～3.4 m，以黃褐色細砂為主；上部為表耕土，可見植物根系；中部含厚0.5～1.0 cm黏土夾層。第②層：孔深3.4～6.4 m，黃色粉砂，松散，發育水平層理。第③層：孔深6.4～8.1 m，以灰色黏土質粉砂為主，較上層顏色突變，正粒序。第④層：孔深8.1～9.5 m，灰色粉砂質黏土，含炭斑，發育近水平層理，下部9.0～9.5 m以深灰色黏土為主。第⑤層：孔深9.5～11.5 m，灰色黏土質粉砂，較松散，粒度隨深度增加逐漸變大。第⑥層：孔深11.5～14.1 m，灰色黏土，近水平層理，可見炭斑，中部粉質組分含量較多。第⑦層：孔深14.1～21.5 m，以灰色黏土質粉砂為主，近水平層理，偶見炭斑，下部為黏土質粉砂與粉砂質黏土互層沉積。第⑧層：孔深21.5～25.4 m，深灰色黏土，巖性單一，塊狀，含鈣質結核，局部存在銹斑。第⑨層：孔深25.4～30.2 m，灰色細砂，正粒序層理，上部以細砂為主，下部逐漸過渡到中砂，磨圓度中等。第⑩層，孔深30.2～33.4，灰色粉砂質黏土，底部顏色逐漸過渡為灰綠色。第?層，孔深33.4～34.0 m，灰色砂礫石，礫石成分主要為花崗巖、石英巖類等，磨圓好，分選差。第?層，孔深34.0～36.2 m，淺灰色粉砂質黏土，發育近水平層理。第?層，孔深36.2～38.9 m，深灰色粉砂質黏土，上部夾有深灰色黏土。第?層，孔深38.9～42.6 m，褐色黏土，厚層狀，發育有銹斑和鈣核。第?層，孔深42.6～46.0 m，黃色黏土質粉砂，下部顏色逐漸變深。第?層，孔深42.6～55.3 m，灰色黏土，厚層狀，偶見鈣質結核，底部顏色漸變成灰綠色。第?層，孔深55.3～59.6 m，灰綠色粉砂質黏土，偶見鈣質和鐵猛質結核。第?層，孔深59.6～62.3 m，黃褐色粉砂質黏土，底部發育鈣核。第?層，孔深62.3～74.1 m，主體為灰色、灰褐色粉砂質黏土，夾有深灰色黏土和灰綠色黏土質粉砂（含有鈣質結核）。第?層，孔深74.1～80.9 m，褐色含鈣質結核黏土質粉砂，上部含有灰褐色黏土和灰褐色粉砂質黏土。第?層，孔深80.9～92.0 m，以黃色黏土質粉砂為主，無層理，含有銹斑和鈣質結核。

圖3 鉆孔聯合地質剖面綜合解釋Fig.3 Comprehensive interpretation map of composite drilling geological section

3.2.2 第四紀地層劃分

此次分別在鉆孔ZK05和ZK06中各采集1件14C年齡樣品（表1），在鉆孔ZK04和ZK07中各采集1件光釋光年齡樣品（表2）。在ZK05深度6.7 m處取得含有機質灰色黏土質粉砂年齡樣品，測試年齡為（11.84±0.04） ka，與全新世底界11.7 ka年齡接近，推斷出鉆孔聯合剖面全新世底界為6.5 m。根據深海氧同位素曲線的氣候變化反映，上更新統底界的暖期氣候與MIS5基本一致，在這一界線下伏地層中，由于土壤干濕交替引起的氧化與還原交替過程，在鉆孔內形成銹斑甚至鐵錳結核且出現含鈣質結核的層位（高秀林等，1986；趙勇等，2019）。研究發現ZK02孔36.1 m處，下伏地層中鈣核和銹斑等特征基本與之相符；地層顏色也由灰色突變成黃褐色，故將36.1 m作為上更新統底界。中更新統底界應位于古地磁B/M界面0.78 Ma，根據ZK02孔古地磁項目資料，孔深74.1 m處為中更新統底界（何付兵，2021）。下更新統底界應位于古地磁M/G界面2.58 Ma，此次鉆孔剖面位置與ZK01孔位置相距約500 m，其測年數據具有一定的可比性，根據ZK01孔古地磁項目資料，古地磁2.58 Ma界面孔深189.6 m（何付兵，2021）。下更新統底界埋深約為189.6 m，其下伏地層為鈣質膠結紅褐色黏土，為上新世晚期地層。

表1 碳十四樣品測試結果一覽表Table 1 Test Results of 14C Samples

表2 光釋光樣品測試結果一覽表Table 2 Test results of OSL samples

4 斷裂活動性分析

4.1 主要的標志層位錯特征

通過對比鉆孔聯合地質剖面，8個鉆孔所揭露的地層中有4個典型標志層具有落差（圖3）。第⑧層為一套深灰色黏土，黏土含量達到95%以上，上、下巖性界面清晰；ZK02與ZK05地層中的第⑧層頂界高差約2.1 m，時代為晚更新世。第?層為一套灰色礫石，磨圓好，直徑1～6 cm；ZK02與ZK09地層中的第?層頂界高差約為3.4 m，時代為晚更新世。第?層為一套褐色黏土，可從黏土顏色和發育的銹斑和鈣核識別出該套黏土；ZK05與ZK04中第?層的頂界高差約為4.8 m，時代為中更新世。第?層為一套灰綠色粉砂質黏土，粉砂質黏土顏色在鉆孔剖面中與其他地層區別較大，呈現易于識別的灰綠色；ZK07與ZK04中第?層的層頂界高差約為6.1 m，時代為中更新世。

4.2 南苑-通縣斷裂北東段活動性分析

通過綜合物探剖面方法、鉆孔聯合剖面探測和年代學方法，認為該斷裂經過通州區平家疃村后總體走向轉為近東西向。斷裂高精度淺層地震剖面反射波組振幅和頻率在南苑-通縣斷裂北東段均有所顯示，解譯斷裂呈現上陡下緩鏟式斷層特征，且在斷裂上盤發育與之相交的次級斷裂，組合呈Y字形產出，且該斷裂主斷層傾角較為陡峭，達56°～75°，表現出典型正斷層特征。淺層地震剖面上還顯示上斷點最淺處埋深約22 m，活動時代較新。南苑-通縣斷裂近東西向展布格局在第四紀以來呈現正斷層屬性是符合區域構造應力場規律的（張磊等，2014；豐成君，2014；白凌燕等，2018）。

根據鉆孔聯合剖面顯示，第⑦層巖性以水平層理灰色黏土質粉砂為主，頂部因沉積物顏色不同而界線清晰，下部發育黏土質粉砂與粉砂質黏土互層沉積，特征也較明顯。該層頂部各鉆孔地層近水平，而底部在斷裂兩盤略有差異，表現出斷裂兩盤沉積物厚度有所差異，推斷南苑-通縣斷裂北東段上斷點埋深至少延伸至第⑦層底部。因此，推斷上斷點埋深約在21.6 m處?；诖舜毋@孔第四系地層劃分并結合鄰區已有鉆孔地層年代學資料（孫永華，2021），推斷南苑-通縣斷裂北東段屬于晚更新世活動斷裂。

5 結論

文章通過綜合物探聯合剖面和鉆孔聯合地質剖面，結合鉆孔第四紀地層年代劃分，對南苑-通縣斷裂北東段結構和活動性得到如下結論。

（1）查明了南苑-通縣斷裂北東段結構特征：南苑-通縣斷裂至通州區平家疃村后走向轉近東西向，傾向北，傾角56°～75°，表現為張性的正斷層特征。

（2）通過綜合物探聯合剖面和鉆孔聯合地質剖面揭示了斷裂的上斷點位置，斷裂最淺的上斷點埋深為21.6 m，為一條晚更新世活動斷裂。

（3）綜合物探剖面法是平原區隱伏斷裂定位的有效手段。高精度重力對于確定斷裂位置有很好的效果，淺層地震具有較高的分辨率，對于判斷斷裂性質、傾向傾角、上斷點埋深及斷距有很好的研判作用。

致謝：感謝中國地質科學院地質力學所胡道功研究員、王超群博士和曹新文博士在成文過程中的指導與幫助；感謝審稿專家及編輯對文章提出的寶貴意見。