曾新福 湯蘭榮 陶鑫 李清武 呂堅

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，同時缺乏斷層物質(zhì)特征、斷層錯動量、斷錯了何種地層、上覆未斷錯的地層及斷層兩側(cè)地層的相對運(yùn)動方向等直觀信息，使得野外調(diào)查工作難以開展。如何開展野外調(diào)查評價隱伏斷層活動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性評價工作開展了大量的隱伏斷層活動性研究，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，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時代和活動性質(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）的錯動會產(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)動方向等信息進(jìn)行分析，判斷斷層因運(yùn)動而影響了的地層及其時代，進(jìn)而推斷斷層活動時代與活動性質(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），同理隨著時間的推移形成了圖1（c）和圖1（d）。若在此整個過程中斷層 F都沒有活動，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。若其間某個時代斷層有過活動，斷層在活動過程中兩側(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性的剖面形成模型圖

圖2 隱伏活動斷層的地質(zhì)地貌

比如斷層在中更新世活動過，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，其最晚一次明顯活動時代為中更新世。

同理，如果隱伏斷層在水平向有錯動將引起斷層兩側(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)地層各自沿斷層線往相反方向運(yùn)動，導(dǎo)致原本連續(xù)的河流、山脊和小盆地被斷錯一定距離。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性（活動時代和力學(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性的基本原理與方法，其核心是利用隱伏斷層活動對其兩側(cè)第四紀(jì)地層、地貌的錯動，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，確定該斷層的活動時代和力學(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時期有過活動，全新世沒有活動的判斷。不能判斷斷層的確切活動時代，大大降低了評價精度，滿足不了對斷層活動性評價的要求。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）。沿斷裂走向曾發(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性有重要意義。為了研究該斷裂的活動性，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；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。由此得出斷層活動時代和力學(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時代和活動性質(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)礫石層被錯動數(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，屬中更新世斷裂。根據(jù)圖9地層的錯動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關(guān)系以及測年等信息綜合判定斷層的活動時代；并通過對擦痕、階步、斷層兩側(cè)標(biāo)志性地層相對錯動方向等信息來判斷斷層的運(yùn)動性質(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時代均為中更新世，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誤。

（3）由于不同時代的活動斷層危險性不一樣，不同運(yùn)動性質(zhì)的隱伏斷層其危險性有明顯不同（韓竹軍等，2002），隱伏斷層活動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時代、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時代和力學(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，本文只是一個初步研究，希望能起到拋磚引玉的作用。