上海張堰-金山衛隱伏活動斷層活動特征及綜合地球物理證據

宋春華， 郁 飛， 施 剛

1.上海市巖土地質研究院有限公司，上海 200072；

2.上海市地礦工程勘察（集團）有限公司，上海 200072

0 引言

活動斷層與地震活動有著緊密聯系，是時刻威脅城市地質安全的重要新構造活動隱患（鄧起東等，2003，2007；徐錫偉，2006；吳中海，2019；宋春華等，2021；魏鵬等，2022）。上海人口稠密、經濟發達、城市化程度高，《上海市城市總體規劃（ 2017—2035 年）》明確提出了建立“卓越全球城市”的愿景，對城市地質安全的需求更是提升到新的高度。上海在20世紀90年代進行了“活動斷裂探測與地震危險性評價”工作（徐錫偉等，2015），確認了城市下眾多隱伏斷層的存在（顧澎濤，2006），后續鮮有相關工作開展，目前在斷層精準定位、斷層最新活動特征等方面，研究投入與認知程度都較北京、深圳等一線城市存在著一定差距（張浩等，2021；劉先林等，2022）。

城市隱伏活動斷層的空間展布、規模、產狀、活動時代等特征的探測與研究對評價斷層活動性至關重要（李傳友等，2007），也是保障城市安全、開展區域地殼穩定性評價工作的必要前提與基礎（譚成軒等，2009；姚鑫，2014；戚幫申等，2018；馬森等，2021；郭宇等，2022）。張堰-金山衛斷層是上海市西南部極其發育的隱伏斷層，其基本特征是基于重力、航磁資料推斷而來。斷層穿越金山老城區，陸上部分展布約15 km，分為兩段，呈雁行排列（火恩杰等，2004；章振銓等，2004），斷層傾向南西，總體走向約北西。從地形地貌特征上看，該斷層是查山凸起和金山凹陷的分界（張宏良和張潔，1996），對區域地貌及第四系沉積都有一定的控制作用。區域地震記錄顯示，2013年上海金山發生的1.3級地震可能與該斷層活動有關，根據地震的歷史重復規律，不排除未來該斷層重復活動引發區域地震地質災害的可能，因此亟待開展該斷層探測與活動性研究。

上海城市環境具有建、構筑物密集、交通繁忙的特征，環境背景噪聲干擾嚴重，針對隱伏斷層探測的常規電、磁類地球物理勘探方法很難取得理想的效果。此次研究采用區域控制性探測和精細探測逐步遞進的思路，應用高精度重力面積測量、高分辨率淺地震勘探相結合的綜合地球物理勘探方法，對上海市張堰-金山衛隱伏活動斷層開展調查工作，確認了斷層走向、上斷點位置、產狀與形態等特征。結合周邊鉆孔地應力測試和地層年代學測試結果，對斷層活動性進行分析，進一步厘定了該斷層最新活動時代、第四紀和現今活動性特征。探測工作與分析成果將為上海市城市地質安全保障提供基礎支撐，為城市斷層危險性評價、城市重大工程規劃和選址提供科學的基礎地質依據。

1 區域地質概況

上海地區第四紀地層發育，成因類型復雜，陸相和海相地層廣泛分布，第四系底界年齡約2.60 Ma，地層自下而上包括：下更新統（安亭組）、中更新統（嘉定組）、上更新統（南匯組和川沙組）和全新統（青浦組、上海組和婁塘組）的黏性土、粉性土、砂性土等（邱金波和李曉，2007）。前上新統基巖地層由下至上包括：古元古界、中元古界、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、白堊系、古近系、新近系等，分布面積最廣的地層為下白堊統火山巖系（上海地質礦產局，1988；張宏良，1999）。區內斷裂構造發育，主要分為北東向、北西向和近東西向三組斷裂，其中北西向斷裂多在燕山期時成型，分割北東向斷裂（圖1）。上海區內的大部分構造形成于喜馬拉雅構造運動期之前，到喜馬拉雅構造運動期時，構造運動已經相對減緩，新生成的斷裂明顯減少，但先期形成的斷裂發生復活，成為區內新構造運動的主要因素之一。近500年來，上海地區共發生了150多次地震（圖2），其中上海市發生地震89次，外圍地震波及上海有61次，包括1971年上海長江口4.9級地震、1984年南黃海6.2級地震、1996年上海長江口6.1級地震、1855年上海長江口5.0級地震、1624年上海黃浦江邊4.8級地震等。

圖2 上海及鄰近地區1970—2017年（部分地區數據至2019年）地震分布圖Fig.2 Earthquake distribution map of Shanghai and its neighboring areas from 1970 to 2017 (Data for some regions is up to the year 2019)

2 地球物理探測方法

不同巖土地層介質間有著明顯的物性（密度、視電阻率和速度）差異（王仁杰，2010；尚彥軍等，2018；周超等，2022），工作區內地層物性差異是開展張堰-金山衛斷層調查與研究的基礎（表1）。張堰-金山衛斷層調查與研究主要采用高精度重力面積測量和高分辨率淺層地震勘探等方法進行隱伏活動斷層活動特征探測。金山衛分布有密集的居民區、商業區、廠房，道路縱橫交錯，存在強烈的人類活動震動、噪音等干擾，屬于典型的城市復雜高干擾環境。調查研究依照區域控制性探測、精細探測、綜合分析解譯等步驟逐步推進實施。首先采用大比例尺高精度（1∶25000）重力面積測量了解金山衛地區基巖起伏形態、隱伏斷層分布及劃分等要素（李長波等，2022），指導后續物探調查工作的布置（圖1）；然后應用淺層地震探測查明一定深度范圍內地層結構、斷層性質及傾向、錯斷的層位及上斷點埋深等重要信息（張慧利等，2014；王繼等，2020）。

表1 工作區主要地層物性特征一覽表Table 1 List of physical properties of main strata in the work area

重力測量是利用不同巖土體間的密度差異引起的重力變化進行地質勘探的一種方法（王謙身，2003），通過改正計算獲得布格重力異常和自由空氣重力異常，應用位場轉換、求導、反演等處理方法，可以獲取重力場線性梯級帶、不同特征的重力場分界線、重力方向導數異常平面上條帶狀分布的極值點的連線（極值帶）或零值線等特征（程家印等，1983；徐偉民等，2014），推斷解釋覆蓋層以下不同密度巖土體的埋藏情況，從而可以找出異常地質體構造邊界（沈博，1994）。此次調查采用加拿大生產的CG-5型高精度石英彈簧重力儀，儀器投入使用前進行靜態、動態及一致性試驗。野外工作中按基點—輔助點—基點的次序進行1∶25000重力面積測量觀測，采集過程中需要規避密集建筑物群和交通震動干擾，盡量選擇晚上至凌晨時間段進行野外數據采集工作。

淺層地震勘探是指利用地下介質彈性和密度的差異，通過觀測人工地震產生的彈性波在不同巖土地層間的波阻抗差異（陸基孟和王永剛，2009；李萬倫等，2018），推斷和解釋地下巖土地層的精細結構、斷層的空間展布的方法（顧勤平等，2015）。利用地震速度分析數據對地震剖面進行時間深度轉化（Cameron，2009），與鉆探分層數據進行對比，在線和道方向的剖面進行精細解釋，可以詳細刻畫斷層的性質，如傾向和傾角，以及錯段層位等信息。淺層地震勘探在實際應用中需要根據現場交通、環境噪聲以及人文條件選擇合適震源和激發偏移距，最終選擇晚上至凌晨時間段進行采集，采用120道、間距5 m的100 Hz縱波檢波器組成全排列接收，偏移距為300 m，采樣間隔0.25 ms，記錄長度1.024 s，前置放大器采用全通方式，激發震源采用BV300型出力18 t可控震源，掃描長度為10 s，掃描頻帶10～120 Hz，疊加次數為1～4次，震源出力40%，斜坡長度0.5 s，偏移距為300 m。

3 地球物理探測結果分析

3.1 高精度重力測量結果分析

高精度區域控制性重力測量經處理獲得1∶25000布格重力異常圖（圖3），顯示工區的布格重力異常變化大致呈北西走向，西南低、東北高，其中測區中北部與東南角各存在一處正異常，工作區中部北西向重力梯度帶特征明顯，推斷為張堰-金山衛斷層構造線大致分布位置，斷層總體走向為北西向315°。

圖3 布格重力異常等值線圖Fig.3 Bouguer gravity anomaly contour map

采用水平方向導數方法處理斷裂或構造邊界的分布情況，可以用來分析區內某一方向的構造線特征。重力異常的水平方向導數等值線圈閉的同向軸可以指示密度變化的邊界，從而可利用其判斷斷裂的平面位置。因此，對工作區向上延拓300 m高度的異常，做了水平0°、45 °、90°、135°四個不同方向的導數（圖4），分別反映南北方向、北西方向、東西方向、北東方向的斷裂或密度變化構造線的展布，0°、45°、90°三個不同重力水平方向導數Vxz的極大值（圖4a—4c）位置均顯示斷裂構造優勢走向，而135°水平導數（圖4d）求導方向上無原始異常，結合布格重力異?？煞奖愕卮_定臺階上沿斷裂構造的地面投影位置，顯示為明顯的北西向斷裂構造帶走向特征。

圖4 布格重力異常的水平方向導數圖Fig.4 Horizontal derivative plots of Bouguer gravity anomalies

為揭示三維測區張堰-金山衛斷層的深部空間伸展情況，對布格重力異常作了300 m、600 m、900 m、1600 m、2400 m和3000 m共六個不同高度的向上延拓（圖5），重力向上延拓后的水平梯度所突出的構造線可作為巖體邊界和斷層走向構造線解釋的依據（張鳳旭等，2007；孟小紅等，2009）。北西向斷層構造線的行跡刻畫識別均較為清晰，推測為張堰-金山衛斷層的斷層走向構造線。但是重力異常的垂向分辨能力弱，斷層在第四紀內部延伸特征需結合地震勘探資料進一步分析解釋（雷曉東等，2021）。

圖5 不同上延高度重力異常斷層構造線識別結果圖Fig.5 Identification results of gravity anomaly fault layer structural lines at different upward elevations

采用Parker-Olderburg界面反演方法（關小平，1991；郭濤等，2019）揭示基巖埋深整體呈西南部深、東北部淺的態勢（圖6），最深處在-190 m左右，最淺處在-50 m左右，測區中北部、東南角基底形態有明顯凸起，南西側基巖地層有明顯斷陷跡象，斷層構造線優勢走向為北西方向。

圖6 基底反演結果圖Fig.6 Inversion results of basement

3.2 淺層地震勘探成果分析

為更精細劃分和識別斷裂構造，采用變速成圖和建立高精度速度場的地震數據處理方法，最終地震時間剖面顯示0.25 s以淺出現了多個有效反射波組（圖7），地震反射波組T1和T2同相軸局部不連續、不穩定，能量中等到中強，分別對應上更新統川沙組（Qp3c）的頂界面和底界面；Tg反射波同相軸連續性好、穩定，能量強，可連續追蹤，對應是基巖面反射波，其雙程旅行時約為0.205～0.23 s。根據地震剖面反射波組的橫向變化特征，樁號900 m位置附近地震反射波組Tg（時間約0.22 s區段）同相軸錯斷明顯，與其上部的反射波組同相軸錯斷特征進行斷點組合，顯示為逆沖斷層性質，基巖面斷距約10 m，傾向南西。斷層在第四紀地層中也有明顯的錯斷行跡，上斷點也可追蹤至第四紀（埋深約100 m）內。

圖7 淺層地震勘探測線時間剖面圖Fig.7 Time profile of shallow seismic exploration line

對上海市首座地應力監測站SDJ-1鉆孔內的（圖1）第四紀松散沉積樣品進行光釋光和碳十四年代學測試（測試結果見圖8），地震時間剖面斷層上斷點埋深約100 m，其對應年齡為110～140 ka之間（圖8），可以推斷上斷點錯斷至第四系中更新統地層（Qp2j），為第四紀中更新世活動斷層。

圖8 地應力監測鉆孔SDJ-1巖性柱狀圖及測年結果圖Fig.8 Lithological histogram and dating results of Borehole SDJ-1 for ground stress monitoring

4 斷層活動性特征分析

4.1 張堰-金山衛斷層第四紀活動特征

根據探測資料及鉆探成果，對張堰-金山衛斷層第四紀活動性特征進行綜合討論。綜合物探成果顯示，張堰-金山衛斷層走向與已有的根據重磁場特征推測的斷層走向存在有一定平面擺動偏差（張宏良等，1996；張宏良，1999），其走向約北西315°，傾向南西，上斷點錯斷埋深位置約100 m。地應力監測站SDJ-1（圖1）四分量壓磁地應力探頭安裝于完整基巖上（埋深約168 m處），揭示了180.17 m鉆探深度范圍內的地層，包括第四系全新統、上更新統、中更新統、下更新統的黏性土、粉性土、砂性土及下白堊統的安山巖。自上而下揭示的地層巖性特征為：①全新統青浦組（Qh3）屬濱海-河口相沉積，頂、底板埋深1.00～42.00 m；②上更新統南匯組（Qp3n）屬濱海相沉積，為第一承壓含水層，頂、底板埋深42.00～60.00 m；③上更新統川沙組（Qp3c）屬河口相沉積，為第二承壓含水層，頂、底板埋深60.00～93.50 m；④中更新統嘉定組（Qp2j）屬河流-三角洲相、湖泊相沉積，為第三承壓含水層，頂、底板埋深93.50～120.60 m，含碎塊狀安山巖，土質分布不均勻；⑤下白堊統黃尖組（K1h）為灰綠色安山巖。其頂部為風化層，在深部122.60～139.70 m巖石破碎，裂隙發育，推測為張堰-金山衛斷層活動形成的斷層破碎帶。結合高分辨率淺層地震時間剖面上斷點錯斷位置和第四紀沉積物的年代學測試結果（圖8），可以推斷斷層已錯斷至第四系中更新統地層，為中更新世活動斷層，推測此北西向斷層可能是在燕山期張扭結構面的基礎上，于喜山期繼續活動發展和強化形成的，具有較強的新生特點（張宏良，1999；包漢勇等，2013；李三忠，2019）。晚近時期以來，上海地區歷史地震震中的分布都與北西向斷層有著密切聯系，這與現今中國東部地區北西向斷層為最活躍的地質構造一致（章振銓等，2004；李三忠等，2019）。

4.2 張堰-金山衛斷層現今活動特征

張堰-金山衛斷層附近地應力監測站鉆孔SDJ-1原位地應力實測顯示現今最大水平主應力方向為北西42°～62°（表2），優勢方位為北西向（張浩等，2020），該應力狀態有利于北西向張堰-金山衛斷層發生張扭活動。上海地震臺網測定金山區2013年1月曾發生1.3級地震，震源深度8 km，可能與該斷層活動有一定關系，斷層現今活動性依然活躍（吳中海和張會平，2021），同時也說明了上海地區北西向斷層現今仍具有較強活動性特征。

表2 地應力測量取值結果表Table 2 Results of ground stress measurement values

5 結論

此次研究利用高精度重力面積測量及高分辨率淺層地震勘探技術，精細查明張堰-金山衛斷層一定深度范圍內地層結構、隱伏斷層空間分布及上斷點位置等要素。

（1）地球物理探測結果刻畫的斷層行跡在布格重力異常和地震時間剖面上均有較好的物性異常反映，研究顯示張堰-金山衛斷層橫穿金山老城區，性質為逆斷層，總體走向為北西向315o，傾向南西，基巖面斷距約10 m。

（2）張堰-金山衛斷層上斷點已錯斷至第四系中更新統內，為第四紀中更新世活動斷層，分析認為張堰–金山衛斷層是于燕山期張扭結構面基礎上，于喜山期繼續活動發展和強化形成的，同時具有繼承性和新生性活動特征，在現今中國東部地區北西向地應力狀態下易于發生張扭性活動，該斷層活動性仍需持續關注。