劉華國 賈啟超 龔 飛

（中國地震災(zāi)害防御中心, 北京 100029）

引言

有歷史記載以來，鄂爾多斯地塊周緣均發(fā)生過6 級以上地震。其中，除河套斷陷帶外，鄂爾多斯地塊周緣斷裂帶均發(fā)生過8 級以上大震（聶宗笙等，2010；戴勇等，2012；郭祥云等，2017）。根據(jù)地震的空區(qū)理論，河套盆地段的地震危險性相對較大。另外，近年來該段中小地震分布范圍和歷史上中強地震的分布范圍基本一致，而河套斷陷帶內(nèi)小震相對頻繁和集中，因此危險程度不容忽視。鄂爾多斯北緣斷裂位于鄂爾多斯地塊北緣，是鄂爾多斯臺地和河套斷陷帶的分界線，斷裂展布于磴口至托克托一帶，從托克托縣附近橫穿黃河。研究該斷裂的晚第四紀活動特征，對于科學評價黃河流域內(nèi)蒙古河套段的地震危險性具有重要意義。

前人對鄂爾多斯北緣斷裂的空間幾何展布、地質(zhì)地貌表現(xiàn)特征、晚第四紀最新活動時代、潛在發(fā)震能力、斷裂發(fā)育樣式、發(fā)生中強地震的地質(zhì)條件和動力學背景等方面進行了研究（鄧起東等，1985，1999；國家地震局《鄂爾多斯周緣活動斷裂系》課題組，1998；冉勇康等，2003；李建彪，2005，2006，2007；韓曉明等，2013；李彥寶等，2015；酆少英等，2015）。研究認為，該斷裂在地貌上反應(yīng)明顯，地表形成高達20～50m 的地貌陡坎，并導(dǎo)致第四紀時期形成的河流發(fā)生左旋位錯。但是，這些地貌陡坎的延伸方向與黃河階地發(fā)育一致，存在外營力成因的不確定性。另外，前人多引用烏蘭村探槽剖面2內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，國家地震局地殼應(yīng)力研究所. 1992. 內(nèi)蒙古自治區(qū)托克托電廠活動斷層研究報告.用于證明斷裂的最新活動時間，該剖面顯示，斷裂為一組斷面北傾的階梯狀正斷裂，斷錯了上更新統(tǒng)砂礫石層和粉砂層，但實地野外調(diào)查并沒有發(fā)現(xiàn)斷裂活動到地表的跡象。托克托縣城東跨斷裂鉆孔聯(lián)合剖面，表明斷裂南側(cè)上新世地層被抬升，其上僅覆蓋晚更新統(tǒng)河湖相地層，北側(cè)為第四紀地層；剖面中斷裂之上覆蓋一層黑色淤泥層，測年結(jié)果為（31.3±1.9） ka，說明該斷裂3 萬年以來無活動。由于該鉆孔聯(lián)合剖面鉆孔數(shù)量少、孔間距大，無法確切給出地層差異的具體原因，存在斷裂構(gòu)造和地層地貌導(dǎo)致差異的多解性，且斷裂的具體位置也無法準確厘定。

基于以上考慮，本文在野外地質(zhì)調(diào)查和微地貌測量的基礎(chǔ)上，利用淺層人工地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面探測相結(jié)合的方法，結(jié)合地層年代樣品測試結(jié)果，對鄂爾多斯北緣斷裂托克托段開展了幾何位置和最新活動時代的綜合分析厘定。

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

自上新世開始，在喜馬拉雅運動的影響下，鄂爾多斯塊體周緣形成了一系列斷陷帶，并接受巨厚的沉積，而鄂爾多斯塊體則以隆升為主，開始了新的分異作用，形成鄂爾多斯塊體周緣活動斷裂帶。其中，鄂爾多斯北緣斷裂是其重要組成部分（圖1），該斷裂西起磴口，呈近東西走向，向東經(jīng)達拉特旗延至托克托縣，然后逐漸轉(zhuǎn)為北東東向，止于和林格爾北與和林格爾斷裂交匯，全長約360 km。斷裂傾向北（北）西，傾角70°～80°，西段斷距較大，達1 500～2 000 m，向東逐漸減?。ɡ羁说龋?987）。

圖1 鄂爾多斯北緣斷裂托克托段地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig. 1 Geological structure map of the Ordos northern fault

區(qū)內(nèi)第四紀沉積地層主要包括：（1）中更新統(tǒng)巖性以沖洪積砂礫石層、粉質(zhì)黏土為主，主要分布在呼包盆地內(nèi)部；（2）上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組巖性主要為河湖相黏土質(zhì)粉砂、含有機質(zhì)粉砂、粉土為主，主要分布在河湖Ⅱ階地下部、Ⅲ級臺地；上更新統(tǒng)城川組主要以泥石流堆積和洪積礫石層、砂礫石層、細粉砂、黏土、黃土，主要分布在Ⅱ級階地、大青山Ⅱ臺地、沖積扇；（3）全新統(tǒng)古城灣組主要以洪積或風積砂礫石層、粉砂、黏土質(zhì)粉砂為主，主要分布在Ⅰ級堆積臺地、洪積扇、洪積裙、沖積扇前緣、Ⅰ級階地。

2 研究方法

自20 世紀90 年代利用鉆孔聯(lián)合剖面探測隱伏活動斷裂以來（向宏發(fā)等，1993；向宏發(fā)，2003），針對隱伏斷裂探測相繼提出了一系列具有指導(dǎo)意義的技術(shù)、方法和建議，經(jīng)不斷完善和改進，逐漸形成了以地質(zhì)地貌調(diào)查、地球物理勘探、鉆孔聯(lián)合剖面探測、槽探和沉積地層年齡測定相結(jié)合的多方法、多層次綜合探測技術(shù)路線（徐錫偉等，2000；方盛明等，2002；鄧起東，2002；柴熾章等，2006；王萍等，2007；雷啟云等，2011；曹筠等，2015）。在諸多勘探手段中，地球物理勘探是初步確定目標斷裂位置、性質(zhì)及其平面分布的有效方法，如淺層地震勘探是鉆孔聯(lián)合剖面布設(shè)和斷裂活動性鑒定的基礎(chǔ)（鄧起東等，2003），鉆孔聯(lián)合剖面探測則可準確厘定斷裂位置，是驗證地球物理勘探結(jié)果的有效手段。本文在野外調(diào)查和微地貌測量基礎(chǔ)上（圖2），為確定斷裂位置和上斷點埋深，分別在西的蘇家灣、興旺莊布設(shè)淺層人工地震勘探。為避免物探結(jié)果的不確定性，在興旺莊測線北的西大圪垯附近開展了鉆孔聯(lián)合剖面探測（圖3），盡可能揭露第四紀地層，以便綜合分斷裂的晚第四紀活動特征。

圖2 淺層人工地震勘探測線與鉆孔位置平面圖Fig. 2 Position diagram of the shallow seismic exploration lines and the drill holes

圖3 淺層人工地震勘探線、地質(zhì)調(diào)查、地貌測量及鉆孔位置平面圖Fig. 3 Position diagram of the shallow seismic exploration lines, geological survey, geomorphologic survey, and the drill holes

3 野外調(diào)查與微地貌測量

研究區(qū)位于呼包盆地內(nèi)黃河沿岸附近，野外地質(zhì)調(diào)查表明，區(qū)內(nèi)沉積地層以河流相、湖相、風積為主，巖性主要為砂、粉質(zhì)黏土、粉土和黏土為主，地貌陡坎沿黃河展布，總體較連續(xù)。在前人資料分析、野外地質(zhì)調(diào)查和踏勘的基礎(chǔ)上，分別在蘇家灣（圖4（a））、興旺莊開展了微地貌測量（圖4（c））。結(jié)果顯示，蘇家灣測線附近存在二級湖積地貌陡坎，陡坎高差約23 m，從出露的地層判斷，具水平層理的湖相地層上覆現(xiàn)代風積砂（圖4（b）），未見地層變形跡象，推測斷裂尚未發(fā)育至地表，地貌陡坎的成因可能為黃河侵蝕形成的復(fù)合階地陡坎。興旺莊測線附近地形平坦（圖4（d）），無陡坎發(fā)育。綜合分析認為，跨斷裂的構(gòu)造地貌不發(fā)育，推測斷裂尚未斷錯至地表，在研究區(qū)內(nèi)隱伏展布。

圖4 跨陡坎的微地貌測量及地質(zhì)調(diào)查結(jié)果Fig. 4 The result of micro geomorphic survey across scarp and geological survey

4 探測結(jié)果

4.1 地球物理勘探結(jié)果

河套盆地深反射剖面顯示（酆少英等，2015），鄂爾多斯北緣斷裂主要由3 條斷裂組成，在剖面上呈“Y”字形展布（圖5），斷裂F7為其主斷裂，傾向北，為上陡下緩的正斷裂；斷裂F5和斷裂F6為斷裂F7的反向正斷裂，錯斷了第四系底界反射波（Tg），向下止于斷裂F7之上，在深度約20 km 處歸并到大青山山前斷裂，表明鄂爾多斯北緣斷裂是一條規(guī)模較大的邊界斷裂。

圖5 呼包盆地的沉積層反射圖像（酆少英等，2015）Fig. 5 The deposit layer reflection image in Hu-bao basin（Feng et al., 2015）

參考深反射剖面所揭示的斷裂特征，分別在蓿亥圖西、興旺莊布設(shè)淺層人工地震勘探測線（圖6）。淺層地震探測數(shù)據(jù)采集設(shè)備為法國SN388 地震儀，地震波激發(fā)源使用美國Metrz 公司生產(chǎn)的M18/612 型可控震源（18 t）。依據(jù)試驗結(jié)果，選取淺層地震勘探基本參數(shù)為：炮間距12 m、最小偏移距10 m、最大偏移距608 m、300 道接收的觀測系統(tǒng)，采用連續(xù)變頻掃描，可控震源掃描頻率20～180 Hz、掃描長度8～12 s 、2～3 m 道間距、25 次覆蓋、0.5 ms 采樣間隔、0.5 s 記錄長度。根據(jù)現(xiàn)場地震記錄質(zhì)量情況，每個震點（激發(fā)點）實施了不同次數(shù)的垂直迭加。

（1）興旺莊淺層地震剖面

興旺莊測線呈近南北向布設(shè)于托克托縣北部，剖面長4 992 m，炮點320 個。據(jù)已有研究資料估計，此處第四系厚度為600～1 000 m，以此為依據(jù)對第四系底界（TQ）埋深進行標定，第四系內(nèi)部反射界面用T01、T02···T10標識，具體的時間剖面如圖6 所示。

圖6 興旺莊淺層人工地震勘探剖面圖Fig. 6 Profile of the shallow artificial seismic at Xingwangzhuang village

該測線時間剖面具有豐富的反射波組，雙程走時1 200 ms 以上可以清晰識別多個能量較強的反射波組。從剖面所反映的分界形態(tài)整體特征看，T03界面以上各界面特征相似，均為近水平層狀形態(tài)，雖有一定起伏，但幅度不大。T03界面以下，剖面南半部和北半部有著明顯區(qū)別。剖面北部T03以下各界面呈視傾向西的展布形態(tài)，且越向深部視傾角越大。剖面由北向南，T04、T05等界面相繼尖滅于T03界面，T03界面與下伏地層呈角度不整合接觸。剖面南部各界面則呈水平層狀形態(tài)，T03界面與下伏地層呈平行不整合接觸。由此可知，T03以下地層經(jīng)歷過多次構(gòu)造運動，使得深部地層在南北兩側(cè)形成不同結(jié)構(gòu)形態(tài)。深部地層在沉積完成后經(jīng)構(gòu)造應(yīng)力作用，北部地層呈視傾向北的形態(tài)，隨后整體抬升遭受剝蝕，使南側(cè)地層的T04和T05等界面缺失，而北部也缺失了部分地層。隨后區(qū)域地層下降接受沉積，形成T03以上的覆蓋層。

從剖面特征看，該測段發(fā)育多個斷點，經(jīng)詳細分析后，將剖面各斷點歸屬為FP1 斷裂和FP2 斷裂。其中，F(xiàn)P1 斷裂可分辨的上斷點埋深為150～160 m，斷距3～4 m，從各界面的錯斷形態(tài)判斷，該斷裂為視傾向北的正斷裂，其向上錯斷了T06及以下各界面，T03界面雖有擾動跡象，但界面基本連續(xù)，沒有被錯斷的證據(jù)。FP2 斷裂較為復(fù)雜，整體表現(xiàn)為由多條分支斷裂組成的“Y”字形斷裂帶，其中主斷面視傾向北，分別于深度約1 200 m 和700 m 處向北延展出2 個視傾向南的分支斷裂。其中，F(xiàn)P2 斷裂的主斷點向上錯斷了T03界面而沒有錯斷T02 界面，可分辨的上斷點埋深為130～140 m，垂直斷距為3～5 m。最北側(cè)視傾向南分支的上斷點距剖面樁號912 m，其向上錯斷了T02界面，可分辨的上斷點埋深為65～70 m，垂直斷距為4～6 m，與此斷點對應(yīng)的淺部地層反射波有一定程度的擾動跡象，揭示了其有進一步向上延展的可能。以上2 個斷點的判斷依據(jù)均為反射波同相軸的錯斷或消失。

（2）蘇家灣淺震剖面

蘇家灣測線的起點位于準格爾旗蓿亥圖、蔣宿黃河浮橋南約300 m 處，向南沿近南北向的柏油路布設(shè)，測線長度為3 198 m，炮點共計219 個。

由圖7 可知，蘇家灣測線剖面上的地層界面反射較為豐富，自上而下可識別出10 組特征明顯的地層反射，這些地層反射在剖面上可被連續(xù)、可靠追蹤，且界面展布特征和起伏變化形態(tài)也非常清楚。測線樁號480 m 以南，地層界面反射向北傾伏，且隨著深度的增加，地層傾角逐漸增多，樁號480 m 以北，向北傾斜的反射面有大致相同的傾角，且界面傾角大于剖面南側(cè)界面傾角。

圖7 蘇家灣淺層人工地震反射波疊加時間剖面圖Fig. 7 Reflection stacked time profile of the shallow artificial seismic at the Sujiawan village

蘇家灣淺層地震測線揭示了2 個特征較為清楚的斷點FP4、FP5，其中，斷點FP5 位于剖面樁號約480 m處，錯斷了反射波T2以下的所有地層反射，表現(xiàn)為向南傾的正斷裂特征，上斷點埋深約為70 m，對應(yīng)FP5的上斷點斷距為3～5 m。斷點FP4 位于蘇家灣測線樁號1500 m 處，為向北傾的正斷裂，該斷裂錯斷了深度約560 m 以下的地層反射，在深度500 m 以淺，剖面反射波組T1～T7均未出現(xiàn)錯斷顯示。

從本次淺層地震勘探所獲得的地震反射剖面解譯結(jié)果看，雖然2 個剖面獲得了多個斷點，但托克托興旺莊測線上的FP1 和FP2 斷點相距較近，且形態(tài)特征相似，其在深部有可能匯于一個斷面，應(yīng)為同一條斷裂的反映。斷裂呈“Y”字型，與深反射剖面所揭示的鄂爾多斯北緣斷裂形態(tài)相似。因此，這些斷點應(yīng)為鄂爾多斯北緣斷裂在地震反射剖面上的反映，斷裂在剖面上呈正斷層特征，主斷面視傾向北，斷裂規(guī)模較大，形成了寬數(shù)百米至兩千米左右的斷裂帶。

綜上所述，淺層人工地震勘探揭示的斷錯特征明顯，且斷裂結(jié)構(gòu)體系復(fù)雜，總體活動性較強。

4.2 興旺莊鉆孔聯(lián)合剖面探測結(jié)果

為確定斷裂準確位置和活動特征，在野外調(diào)查、淺層人工地震勘探的基礎(chǔ)上，選擇埋藏相對較淺的興旺莊附近的斷點，開展鉆孔聯(lián)合剖面探測工作，共布設(shè)9 個鉆孔（圖8）。最深鉆孔約90 m，最小孔間距14.1 m，鉆孔總進尺為613.5 m。為明確斷裂性質(zhì)及斷錯地層序列，利用RTK 差分校正各孔相對高程。按照城市活斷層探測的相關(guān)標準進行巖心采集與編錄、樣品采集等工作，對鉆孔剖面進行不斷加密，直至滿足探測要求。由于鉆探揭示的多為河、湖相地層，為約束地層年代并為地層劃分提供參考，在排鉆實施過程中分別采集了適用于電子自旋共振（ESR）、光釋光（OSL）和放射性14C 等多種測年方法的地層年代樣品，結(jié)合鉆探樣品測試結(jié)果，按照地層特征進行歸類，共揭示出8 套地層（圖8），其特點分別描述如下：

圖8 興旺莊鉆孔聯(lián)合剖面圖Fig. 8 Joint section of the drill holes at Xingwangzhuang villiage using ZK1 to ZK9

①黃褐色粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂，所有鉆孔均揭示了該地層，綜合地層年代小于（20 570±70）a。

②褐黃色粉土、粉質(zhì)黏土、夾粉砂，所有鉆孔均揭示了該地層，綜合地層年代20 570～43 500 a。

③淺灰色粉砂、粉質(zhì)黏土，所有鉆孔均揭示了該地層，通過多個鉆孔取得的木棒等物質(zhì)的14C 測年結(jié)果，綜合分析該地層年代約為20 570～43 500 a。該層地層相對比較穩(wěn)定，推測斷裂尚未斷錯至該層。

④深灰色粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂，所有鉆孔均揭示了該地層，綜合地層年代約43.5 a～70 ka。從剖面情況看，南傾的斷裂F2 斷錯了該層底部，垂直位移量約為2 m，即斷裂最新活動時代為4.35 a ～70 ka，為晚更新世活動斷裂。

⑤淺灰色粉土夾粉質(zhì)黏土，所有鉆孔均揭示了該地層，綜合地層年代約70～83 ka。底部被北傾的斷裂F1 和南傾的斷裂F2 所斷錯，垂直位移量分別為2.5 m、2 m。

⑥黑灰色粉質(zhì)黏土夾深灰色粉土，所有鉆孔均揭示了該地層，綜合地層年代約83 a～120 ka。底部被北傾的斷裂F1 和南傾的斷裂F2 所斷錯，垂直位移量分別為2.6 m、2 m。。

⑦灰褐色粉質(zhì)黏土，除ZK4、ZK3、ZK2 之外，所有鉆孔均揭示了該地層，綜合地層年代約120～870 ka。底部被北傾的斷裂F1 和南傾的斷裂F2 所斷錯，垂直位移量分別為2.5 m、2.2 m。

⑧深灰粉質(zhì)黏土夾粉土，ZK1、ZK7、ZK8、ZK9 均揭示了該地層，綜合地層年代約大于870 ka。

興旺莊鉆孔聯(lián)合剖面揭示了多個地層被斷錯，根據(jù)斷錯關(guān)系，厘定出2 條地塹式斷裂，分別為北傾的南支斷裂F1 和南傾的北支斷裂F2，剖面所揭示的層①、層②、層③地層較穩(wěn)定，推測地層未受最新構(gòu)造變形的影響，說明斷裂尚未斷錯層③及以上地層。而層④～層⑧在斷裂通過處均發(fā)生了不同程度的構(gòu)造變形，位錯量在2～2.5 m，說明斷裂斷錯了層④及以下地層。

通過地層的詳細對比分析，推測斷裂F1 一次性將層⑤、層⑥、層⑦、層⑧同時斷錯，產(chǎn)生了約2.5 m的垂直位移，之后沉積了層④及以上地層，該層在斷裂F1 上盤局部出現(xiàn)沉積厚度增加現(xiàn)象，比如層⑤。層④綜合地層年代為43.5 a～70 ka，層⑤綜合地層年代為70～83 ka，結(jié)合斷點上覆地層和斷錯地層特征，綜合分析認為，斷裂至少斷錯了70～83 ka 的地層，說明斷裂F1 的最新活動時代為晚更新世。剖面所揭示的斷裂F2 一次性將層④、層⑤、層⑥、層⑦、層⑧同時斷錯，產(chǎn)生了約2～2.2 m 的垂直位移，之后沉積了層③及以上地層，層③的地層年代為20 570～43 500 a，層④的地層年代為43.5～70 ka，綜合分析斷裂斷錯的最新地層年代為43.5～70 ka ，說明斷裂F2 的最新活動時代為晚更新世。除此之外，由于鉆孔所揭示的地層普遍偏老，為降低由于地層年代測試產(chǎn)生的不確定性，本文在地層年代厘定過程中采用了多種測試方法聯(lián)合的辦法。

5 結(jié)論

本文在綜合野外調(diào)查、微地貌測量、地球物理勘探、鉆孔聯(lián)合剖面探測以及地層年代測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，獲取了斷裂的最新活動證據(jù)和活動特征，主要得到以下結(jié)論:

（1）鄂爾多斯北緣斷裂托克托段在宏觀上展布于黃河沿岸，未見湖相臺地和河流階地被斷錯的地貌形跡，推測斷裂的最新活動可能尚未至地表，晚第四紀以來活動不強，地表的地貌陡坎應(yīng)為河流侵蝕成因。

（2）鄂爾多斯北緣斷裂在深、淺地震反射剖面上表現(xiàn)為“Y”字形展布的張性斷裂帶，具有多個地塹式分支斷裂，是一條主斷裂北傾，分支斷南傾，上陡下緩的大規(guī)模邊界斷裂。

（3）鉆孔聯(lián)合剖面顯示，鄂爾多斯北緣斷裂在托克托段發(fā)育2 條地塹式分支斷裂，單支斷裂的垂直位移量為2～2.5 m，最新活動時代為43.5～70 ka，是一條晚更新世活動斷裂，具有一定的地震危險性。

致謝 感謝國家自然災(zāi)害研究院徐錫偉研究員在項目實施過程中給予的指導(dǎo)和建議，感謝包頭市地震局在野外調(diào)查及鉆探施工過程中給予的幫助，感謝審稿專家提出的寶貴意見和建議。