趙勇

(北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京 100195)

0 引言

隨著京津冀協(xié)同發(fā)展進入關(guān)鍵時期，新形勢下對區(qū)域基礎(chǔ)地質(zhì)工作提出了更高要求，也帶來了機遇和挑戰(zhàn)，首都地質(zhì)工作的社會功能隨之發(fā)生深刻改變，已從傳統(tǒng)的山區(qū)基巖區(qū)域地質(zhì)、礦產(chǎn)調(diào)查轉(zhuǎn)變?yōu)橐苑帐锥家?guī)劃建設為主的平原覆蓋區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查。北京平原上分布著永定河、潮白河、北運河、大清河、薊運河等幾大水系，其演化變遷塑造了現(xiàn)今的北京平原地貌格局，第四系發(fā)育河、湖相洪積和沖積物，黏土、卵石各類沉積物均有分布。首都規(guī)劃建設、人類活動與第四紀沉積物關(guān)系非常密切。因此，對第四紀地質(zhì)的研究有著重要的實際意義。近年來對北京平原區(qū)第四紀地質(zhì)方面開展了大量地質(zhì)工作，取得了眾多的認識和成果[1-13]，對北京地區(qū)第四紀地質(zhì)研究起了重要的推動作用，但對第四紀區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作尚未形成系統(tǒng)的技術(shù)方法體系。本文主要依托中國地質(zhì)調(diào)查局北京1∶5萬琉璃河、龐各莊、安次縣幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查及北京平原區(qū)活動斷裂專項調(diào)查項目成果，系統(tǒng)總結(jié)了第四紀區(qū)域地質(zhì)調(diào)查與評價的主要技術(shù)手段與方法，以更好指導今后覆蓋區(qū)調(diào)查工作，服務于國土空間規(guī)劃、重大工程和生態(tài)文明建設，從而達到保障首都城市地質(zhì)安全的目標，對今后開展相關(guān)工作具有一定的指導和示范作用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域主要分布于北京平原覆蓋區(qū)，構(gòu)造上主要橫跨北京凹陷、大興凸起、廊固凹陷3個構(gòu)造單元，其中NE向斷裂構(gòu)造主要有黃莊—高麗營斷裂、南苑—通縣斷裂、禮賢斷裂、夏墊斷裂，NW向主要有南口—孫河斷裂、永定河斷裂等(圖1)。平原區(qū)內(nèi)第四系主要是源自永定河、潮白河等沖洪積環(huán)境堆積而成，河流多期作用相互疊加，表現(xiàn)為第四系沉積環(huán)境復雜多變，橫向厚度差異較大，從30～450 m不等，總體呈現(xiàn)向南東傾斜的沖積平原，其中在北部馬池口—沙河、順義—后沙峪地區(qū)發(fā)育并形成第四紀沉積盆地。

圖1 構(gòu)造綱要及研究區(qū)位置

2 技術(shù)手段及方法

平原(覆蓋區(qū))1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查主要以淺部和深部第四紀松散沉積物、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和活動斷裂調(diào)查等為主要內(nèi)容。本次對永定河沖積扇第四系發(fā)育特征與結(jié)構(gòu)、第四紀氣候、事件地質(zhì)、構(gòu)造地質(zhì)及淺表晚第四紀古地理演化與人類活動等進行了系統(tǒng)調(diào)查研究。

2.1 資料收集與研究

收集區(qū)域各類地質(zhì)資料是整個地質(zhì)填圖的首要工作任務，并貫穿整個工作階段。涉及地形、遙感、物化探、地震地質(zhì)、鉆探、測試等各類資料，并對其進行綜合分析和二次開發(fā)利用，明確已有工作成果并對其質(zhì)量進行評估，找出存在和需要解決的關(guān)鍵地質(zhì)問題，指導區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作有序開展。

2.2 淺表地質(zhì)調(diào)查方法

2.2.1 遙感技術(shù)

平原區(qū)基本不同程度地被植被、建筑物等覆蓋，遙感技術(shù)被廣泛應用到覆蓋區(qū)先導調(diào)查中?？紤]區(qū)域地質(zhì)背景并結(jié)合測區(qū)地形地貌，對洪積扇區(qū)、沖積扇區(qū)等可選擇不同的影像資料，包括不同時相或多時相數(shù)據(jù)(TM、ETM、MSS、Landsat 8、OLI、WorldView數(shù)據(jù))，針對所解決的關(guān)鍵地質(zhì)問題進行圖像處理(影像處理、分析、融合)，建立各類解譯標志和DEM模型。此方法可直接高效、快速地引導野外調(diào)查研究工作的開展。

2.2.2 路線地質(zhì)調(diào)查

采用數(shù)字填圖技術(shù)(Digital Mapping Techniques)，利用路線穿越法、追索法、地表露頭剖面、洛陽鏟或槽型鉆等手段方法，以及覆蓋區(qū)面上路線與點上剖面相結(jié)合的調(diào)查手段，開展淺表第四紀數(shù)字地質(zhì)調(diào)查。

2.3 深部地質(zhì)調(diào)查方法

2.3.1 第四系結(jié)構(gòu)調(diào)查

深部第四系結(jié)構(gòu)主要依靠鉆探手段，在深鉆揭穿第四系基礎(chǔ)上，獲取巖心實物資料，從中找出地層標志對比層，進行巖性或巖性組合劃分、古地磁長序地層定年，對晚更新世以來地層進行14C慣用年齡(AMS14C)、光釋光(Optically Stimulated Luminesecence,OSL)測年、微體古生物、孢粉等測試[14-18]，綜合確定第四紀早更新世、中更新世、晚更新世及全新世的界限，以期建立標準地質(zhì)剖面。在此基礎(chǔ)上，綜合應用測井地層學，確定地下水賦水層位，研究水文地質(zhì)背景條件。

2.3.2 隱伏斷裂精確定位及活動性研究

地質(zhì)環(huán)境的變化及其承載力與人類的生存活動密切相關(guān)，而城市隱伏活動斷裂作為一種重要的地質(zhì)災害類型，對城市安全和人民生命財產(chǎn)產(chǎn)生直接或間接的影響，造成一定的重大威脅。隱伏斷裂的精確定位與幾何結(jié)構(gòu)、活動方式、活動期次、強度等問題成為研究活動斷裂所必需回答的關(guān)鍵地質(zhì)問題。對北京平原隱伏斷裂精確定位探測及其活動性進行研究，總結(jié)了系統(tǒng)調(diào)查技術(shù)方法，可為區(qū)域地殼穩(wěn)定性及適宜性評價提供資料支撐，保障城市地質(zhì)安全和減輕地質(zhì)災害提供可靠的地質(zhì)依據(jù)。

(1)隱伏斷裂精確定位方法采用“縫合”式隱伏斷裂精確定位聯(lián)合勘查手段，即從深部到淺部依次利用高精度重力剖面測量-可控源音頻大地電磁測深-氡氣測量-二維/三維地震勘探-高密度電法測量聯(lián)合方法，采用實時動態(tài)(Real-Time Kinematic，RTK)定位系統(tǒng)，結(jié)合鉆探、槽探工程驗證綜合物化探方法對斷裂定位的成果，從而達到了對隱伏斷裂的高精度定位目標(圖2)。

圖2 活動斷裂精確定位聯(lián)合方法

(2)斷裂活動性研究地質(zhì)大辭典中指出，“活動斷裂”即現(xiàn)今正在活動或斷續(xù)活動的斷裂構(gòu)造。在城市地質(zhì)工作中主要指在全新世(11 000 a BP)以來有過活動歷史，至今仍在活動，因而與人類和社會發(fā)展休戚相關(guān)的、未來一段時間內(nèi)預期會發(fā)生活動的斷裂構(gòu)造。

鉆探、槽探及第四紀測年新技術(shù)方法應用是研究斷裂活動性的重要方法[19-20]，其有機結(jié)合可系統(tǒng)反映活動斷裂在長尺度和短尺度時間序列上活動規(guī)律。

鉆探方法通過研究活動斷裂上下兩盤鉆孔巖心，分析沉積物(厚度、成分、粒度、色度等)、古生物(微體、孢粉等)、年代地層(AMS14C、OSL等)各方面特征，綜合對比其斷裂上下兩盤同一極性帶、極性亞帶或同一地質(zhì)時期內(nèi)沉積物厚度的差異演化，確定斷裂位錯歷史，包括第四紀以來的斷裂位錯量、錯動序列等，可在長尺度上反映第四紀以來某一時期斷裂的活動特征，為區(qū)域構(gòu)造事件揭示提供數(shù)據(jù)。

槽探方法可直觀地揭露活動斷裂近地表的構(gòu)造及活動跡象，通過槽探揭露，可進一步確定斷裂近地表的空間展布與延伸，查明古地震事件的活動強度、時代，獲取斷裂活動定量化參數(shù)，分析斷裂突發(fā)錯動歷史、年齡及重復間隔。

2.4 人類活動與生態(tài)環(huán)境調(diào)查

進入人類世，生態(tài)環(huán)境與人地關(guān)系的研究越來越得到重視，可充分應用孢粉學、年代學理論方法研究其古地理、古氣候環(huán)境特征，結(jié)合史籍記載資料，對有人類活動以來的氣候變遷、生態(tài)環(huán)境演化及其與人類活動之間的關(guān)系進行探討，提供地學背景依據(jù)。

3 平原區(qū)地質(zhì)調(diào)查成果

3.1 活動斷裂

3.1.1 隱伏斷裂精確定位

隱伏斷裂精確定位采用前述“縫合”式隱伏斷裂探測組合方法，在北京平原地帶開展了物探綜合探測(圖3)。成果顯示，不同物探技術(shù)方法對隱伏斷層探測均有明顯的異常顯示。與鉆探相結(jié)合(圖4)，對隱伏斷裂探測精確定位上明顯優(yōu)于以往單一方法，豐富了對異常地質(zhì)體信息的提取和確認，提高了斷裂調(diào)查精度與可靠性。圖5[9]顯示，三維地震勘探更加細致形象地反映深部地質(zhì)構(gòu)造的變化動態(tài)，尤其是在確定斷裂相互交匯部位深層和淺層地質(zhì)構(gòu)造空間展布、幾何特征等，精細刻畫出了2組斷裂的地質(zhì)構(gòu)造形跡特征。

(a) 高密度電阻率反演剖面

圖4 鉆孔地層對比與斷裂位置

圖5 三維地震勘查反映的活動斷裂交匯三維示意圖[9]

3.1.2 隱伏斷裂活動性研究

(1)鉆探方法。圖6顯示了鉆探對平原區(qū)順義斷裂活動性的揭示。在斷裂下盤ZK12-1鉆孔中，布容正極性帶和松山反極性帶界線位于115 m深度處，布容反極性帶中的136～139.5 m和173.5～182 m的正極性帶分別為Jaramillo和Olduvai亞正極性帶，松山反極性帶和高斯正極性帶界線位于232 m深度處； 斷裂上盤ZK12-2的布容正極性帶和松山反極性帶界線位于170 m深度處，布容反極性帶中的200～210 m和464～520 m的正極性帶分別為Jaramillo和Olduvai亞正極性帶，松山反極性帶和高斯正極性帶界線位于706 m深度處[21-23]，研究表明，順義斷裂在更新世早中期活動性最強，兩盤垂直相對運動速率最大達0.314 mm/a，這與該時期北京平原北部地區(qū)構(gòu)造加速下沉及北京早更新世海侵事件相關(guān)。

圖6 磁性地層劃分對比柱狀圖

(2)槽探方法。為探討平原區(qū)南口—孫河斷裂全新世以來的活動特征及規(guī)律，開挖探槽工程。探槽長約150 m，寬約3 m，深約4 m，總體走向為NE40°，分為AB、BC和CD，剖面清楚揭示了南口—孫河斷裂近地表活動性特征(圖7)[21]。

圖7 百善探槽東壁剖面[21]

研究選取其中CD段進行分析[21]，在其剖面上可見較多的小型構(gòu)造發(fā)育。其中F1-2錯斷了⑧層的粉砂層以下地層，⑧層兩側(cè)地層垂直位移約5 cm，未見有明顯的破碎帶特征，但地層兩側(cè)可見明顯的牽引構(gòu)造，在斷裂的左側(cè)，該層呈透鏡狀包裹于黏土地層中，其底面錯斷明顯。⑨層雜色黏質(zhì)粉砂層向上擠入⑧層的黏土層中，推測其可能為古地震事件影響形成的震動液化脈。F1-1錯斷了⑧層以下的地層。F1為探槽揭露的主斷裂，剖面表明，主斷裂F1明顯錯斷了⑨層，向上延伸至⑧層，主斷裂下降盤⑧-2、⑨層突然消失，⑧層上部的雜色粉砂質(zhì)黏土層厚度突增，在斷裂下降盤形成漏斗形態(tài)的厚層崩積物，且具有明顯的混雜堆積特征，粉砂及黏土多呈不規(guī)則團塊狀分布，局部可見灰黑色薄層狀堰塞塘沉積淤泥質(zhì)沉積物。據(jù)AMS14C測年結(jié)果分析，主斷裂活動的最新時間為(13 620±60) a BP。CD段上部⑦層褐色黏土層延伸穩(wěn)定，未見其錯斷，因此可區(qū)分F1和F2為2 次不同的斷錯事件。樣品TC01-⑨-1，采樣深度為3.8 m，測試年齡為(16 770±70) a BP； 樣品TC01-⑧-2-1采樣深度為3.4 m，測試年齡為(17 350±100) a BP； 上下地層年齡出現(xiàn)倒置的現(xiàn)象。由于上述2 件樣品分布在主斷裂附近，可能受到斷裂破碎帶影響，致使地層年齡數(shù)據(jù)有誤，但總體反映出受主斷裂控制的兩盤地層分屬不同時代的特征。綜合分析認為，百善探槽中所揭露的地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象證明南口—孫河斷裂北西段第四紀以來至少可識別出2 次古地震事件，其年齡分別為(9 370±40)～(9 230±45) a BP 和(13 960±60)～(13 620±90) a BP，錯斷地層的最淺深度為1.2 m。

3.2 淺表地層

平原(覆蓋區(qū))把對地表剖面調(diào)查作為重點調(diào)查內(nèi)容(圖8)，剖面上地層出露情況好，便于進行追蹤觀察與素描，并編制多條短剖面可進行有效的地層劃分與對比，從而分析地層橫向變化(圖9)，一定程度上指示了區(qū)域沉積或構(gòu)造沉降背景特征。

圖8 永定河韓家鋪一帶河道泥礫層混雜堆積(洪泛作用)剖面

圖9 淺表層次地層立體展示

3.3 第四紀地質(zhì)結(jié)構(gòu)

依據(jù)深部地質(zhì)調(diào)查方法，建立了鉆孔第四紀高精度地質(zhì)結(jié)構(gòu)，實施的PGZ01鉆孔成果顯示，Qp1/ Qp2界線位于松山負極性與高斯正極性界線處(M/G)、Qp2/ Qp3界線位于布容正極性與松山負極性與界線處(B/M)，Qp3/ Qh界線位于海洋O同位素5階段位置(巖性上所反映的為暖期和冷期交互沉積的暗色地層和氧化條件下黃褐色地層)。Qh底界位于末次盛冰期結(jié)束氣候轉(zhuǎn)暖期沉積含有機質(zhì)的地層附近及AMS14C測年大約在10 000 a BP[13](圖10)，結(jié)合微體古生物、孢粉等測試，進一步佐證了地層劃分的可靠性和準確性(圖11)。

圖10 PGZ01孔晚新生代以來綜合地層柱狀圖

圖11 PGZ01孔巖心照片及晚更新世地層劃分

3.4 水文地質(zhì)調(diào)查成果

地下水資源開采利用的主要層位集中在第四紀地層。針對第四紀地質(zhì)結(jié)構(gòu)，應用測井沉積學理論，進一步對含水地層巖性組合進行劃分，確定賦水分布層位、年代及其性質(zhì)。圖12有效圈定了地下水的分布，顯示了地下水賦存空間及其展布規(guī)律，可為城市規(guī)劃建設所需(應急)水源地的選擇以及水資源的合理開發(fā)利用提供可靠的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

3.5 人類活動與生態(tài)環(huán)境調(diào)查成果

在研究區(qū)實施的L05鉆孔揭露了商周遺址地區(qū)第四紀以來地層，反映了晚更新世以來古地理、古氣候環(huán)境演化特征，為了解商周遺址地區(qū)人類活動情況提供了地質(zhì)背景資料。由圖13可見，全新世以來沉積層相對較薄，由AMS14C測年可見，其末次冰消期—全新世地層約3 m多厚。通過L05孔孢粉、微體古生物分析，存在明顯兩期氣候相對溫和潮濕的湖沼環(huán)境(圖14)，尤其是在L05孔上部AMS14C測年為(37 790±30) a BP、(23 040±90) a BP，顯示其處于同期海洋O同位素3階段(MIS3)時期，所見腹足類及口蓋、輪藻及淡水介形類發(fā)育，顯示植物繁茂，水體發(fā)育，周邊存在湖沼環(huán)境，氣候比較溫暖和濕潤。與區(qū)域上東南部榆垡PGZ01孔3～2 ka期間出現(xiàn)湖沼沉積相比[13]，遺址區(qū)應該是位于較高地貌部位，處于山前平原高地，厚度3 m以上全新世地層沉積物以黃褐色為主，所見孢粉指示是疏林草原植被景觀，氣候溫涼偏干，致使平原地區(qū)湖沼水體范圍縮小，便于人類生存，為商周時期的燕國選址奠定了有利的自然條件，從而促使人們不斷向山前平原地區(qū)擴展生存。

圖13 L05孔巖性柱、古地磁極性柱、AMS 14C測年

圖14 L05孔孢粉(a)與微體古生物(b)綜合統(tǒng)計

4 結(jié)論

(1)探索并系統(tǒng)總結(jié)了北京平原區(qū)1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查技術(shù)方法，融合多學科、多手段形成了覆蓋區(qū)淺層與深層2個層次有效調(diào)查方法/組合體系，提高了城市地質(zhì)調(diào)查的精度和可靠性，可為今后開展工作起到示范和指導作用。

(2)在活動斷裂調(diào)查、淺表地層和第四紀地質(zhì)結(jié)構(gòu)與地層劃分、水文地質(zhì)調(diào)查等基礎(chǔ)地質(zhì)方面取得了重要進展和成果認識，具有重要的理論價值和實際指導意義，可為城市規(guī)劃決策、重大工程建設和應急水源地水資源合理開采、城市減災防災等提供地學支撐。

(3)人類活動與生態(tài)環(huán)境關(guān)系研究以商周遺址地區(qū)為例，對人類活動與氣候特征進行了探索，建立古地理環(huán)境演化序列，為古人類活動和自然環(huán)境演變研究提供技術(shù)指導和理論依據(jù)。

致謝：在項目實施過程中，得到中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)礦產(chǎn)研究所王強研究員給予悉心指導以及同事李瑞杰、魏波、吳虎峻、張曉亮、王志輝、劉立巖等參與野外調(diào)查，在此謹致謝忱。