基于古地震探槽的南口-孙河断裂最新走滑变形证据研究1

赵 帅 李占飞 贾启超 李 峰 孟勇琦 钱荣毅 周小仙 孙明国 钱志强 曾维望 孙佳珺 谭晓迪

1）北京市地震局, 北京 100080

2）中国地质大学（北京）, 北京100083

3）应急管理部国家自然灾害防治研究院, 北京100085

4）中国地震灾害防御中心, 北京 100029

5）北方卓越（北京）勘测技术有限公司, 北京 100089

引言

张家口-渤海地震带是华北地区主要的北西向地震构造带，近期强震频发，形成明显的走滑型小震沿构造带密集分布的特征（陈成沟等，2017；林向东等，2017）。南口-孙河断裂是张家口-渤海断裂带在北京地区的主要组成单元，其第四纪以来的活动表现为对沉积厚度约为1.2 km 的马池口凹陷边界形态的明显控制。前人通过大量的活动构造研究揭示，南口-孙河断裂全新世以来存在显著活动，发生了3 次古地震事件，单次地震事件的垂直位错约为1.3 m，断裂的垂直滑动速率约为0.3 mm/a（江娃利等，2001；张世民等，2008）。近年来，北京市城市活动断层探测、地震灾害风险普查以及区域性地震安全性评价项目对南口-孙河断裂全新世活动段进行了大量的地震地质工作，提高了南口-孙河断裂的定位精度，明确了最新活动特征（胡平等，20062胡平，徐锡伟，孟勇琦，2006.北京市活动断层探测与地震危险性评价工程技术报告.；何付兵，2019；赵帅，20213赵帅，2021.北京市昌平区地震灾害风险普查技术报告.）。

已有研究表明，北京地区虽然基础地震构造格架为伸展型，但通过在南口-孙河断裂开展的大量基础地质、活动构造和地球物理探测研究，认为南口-孙河断裂是具有左旋走滑特征的正断层。这一认识与通过地壳形变观测、震源机制解研究以及断层的基础地质研究提出的华北地区80 ka 以来强震的主要构造类型可能为挤压走滑型特征所匹配（林向东等，2017；徐锡伟等，2019）。但是，针对南口-孙河断裂的活动构造研究仍存在一些科学问题有待解决。例如，针对断层走滑运动性质的认识仅停留在大尺度的基岩位错证据，是否有证明断裂走滑运动性质的直接地质证据？南口-孙河断裂在其不同的活动时期是以典型的走滑、正断还是倾滑断的特征发展？南口-孙河断裂在全新世是以水平向还是垂直向为主活动的？为回答上述科学问题，本研究在南口-孙河断裂昌平百善展布区域进行了古地震研究，通过沉积地层变形分析揭示了南口-孙河断裂的最新活动特征和走滑变形的直接证据。

1 南口-孙河断裂概述

南口-孙河断裂为张家口-渤海断裂带中一条重要的、呈半隐伏状态的 北西向活动断层，其北西端起自南口山前断裂，向南东方向经南口镇、百泉庄、沙河、北七家、东三旗、孙河、通县一带，全长约80 km，走向 310°～330°（徐锡伟等，2002，2015）。在空间上，该断裂还与北东向的小汤山-西北旺断裂、黄庄-高丽营断裂、顺义-前门-良乡断裂和南苑-通县断裂相交，具有明显的分段性，且各段断裂不同程度地发育了规模、数量不等的次级断层，表现为由主、次断层组合而成的断裂带（图1）。根据南口-孙河断裂的几何结构和展布，有学者以北东向小汤山-东北旺断裂或黄庄-高丽营断裂交汇处为界将断裂划分为东西段（向宏发等，1993，1995；方仲景等，1994；江娃利等，2001）。也有学者依据右阶斜列的几何结合特征，划分出倾向西南、控制马驰口隐伏凹陷的北西段，与黄庄-高丽营断裂、顺义-前门-良乡断裂等北东向断裂交汇并控制俸伯凹陷、后沙峪凹陷的中段，以及更东的东南段（张磊等，2014；何付兵，2019）。

图1 研究区区域地质图Fig.1 Regional geological map of researching area

南口-孙河断裂在昌平南口-雪山村-沙河一线地表局部可见断裂活动引起的地表断层陡坎，表现出半隐伏特性，是前人研究较为集中的部位，对于断层几何学、运动学特征的认识较为深入（向宏发等，1995；江娃利等，2001；王丹丹等，2007；张世民等，2007，2008）。已有研究表明，该断裂是以主、次断层组合形式产出，主断层倾向南西，控制北西向的马池口-沙河第四纪凹陷（张世民等，2007）同时，已有研究表明该段断裂为全新世活动，且60 ka 以来发生了13 次古地震事件（张世民等，2007），15 ka 以来发生了2～4 次古地震事件（向宏发等，1995；江娃利等，2001），是一条重要的第四纪发震断裂。

前人通过探槽开挖不仅确定了该断裂为全新世活动断裂，还给出了全新世3 次古地震错动事件的具体发生年代，复发间隔为4 600 a 左右，最新一次地震事件的离逝时间为3 500-4 000 年，同震垂直位移1～2 m，服从准周期复发模式（江娃利等，2001）。基于前期判定的南口-孙河断裂全新世活动段相关参数，通过Wells 等（1994）的2 种经验关系（地震强度-地表破裂长度和破裂面积、地震强度-地震矩经验关系）进行估计，综合评估南口-孙河断裂全新世活动段在正断层发震模型下的潜在最大震级为7.0 级（胡平等，2006）。但是，已有研究对南口-孙河断裂的走滑构造变形特征的关注较少，针对断层上最近一次地震事件的离逝时间限制薄弱，而这些认识对北京地区地震危险性分析意义重大。

2 探槽内地层错断证据

2.1 地层特征

为进一步揭示南口-孙河断裂的最新构造变形特征，根据南口-孙河断裂在该区域内的浅层二维地震反射剖面、钻孔联合地质剖面探测定位结果，本研究在昌平百沙路和百流路之间的树林内进行了探槽挖掘（40°9′44″N，116°18′12″E），探槽总长度40 m，宽度7 m，最大深度4 m（图2）。探槽共测得14C 测年样品3 个，扫描电镜样品1 个。

图2 探槽和南口-孙河断裂空间相对位置示意图Fig.2 Schematic diagram of the spatial relative position of trenching and the Nankou-Sunhe fault

探槽揭示的沉积地层区分度相对较高，在断层两侧明显对应（图3、图4）。其中浅部主要为地表活动改造相对明显、存在植物根系的地表腐殖土，深度约1.2 m，在断层两侧存在显著的厚度变化。深度1～3 m 主要为淡黄色的粉砂体，内部含丰富的14C 测年物质。砂体内部基于颜色可以进一步分为3 个亚层，底部可能为氧化环境下形成的金黄色细砂体，砂体厚度在断层附近存在明显变化，本研究在该层采集14C样品2 个并送美国BETA 实验室进行年代学测试分析，获得年龄分别为（2 820±30）a BP 和（3 790±30）a BP。深度3～3.5 m 土层主要为黑色的黏土层，黏土层呈胶结状态，内部富含有机质，在华北地区普遍分布，可能代表了进入全新世（约10 ka）后统一的气候条件。深度3.5～4 m 土层主要分布淡黄色的细砂体，细砂体和上覆的黑色黏土层在断层附近不存在显著的厚度变化，本次在该层采集14C 样品获得年龄为（10 020±40）a BP。深度4～4.5 m 土层为深灰色的黏土层，呈显著胶结状态，黏土层内部含有黄色的沉积团块，地层区分度相对较低。总体来看，断层两侧沉积地层的区分度和对应性极好，14C 测年结果与地层的沉积顺序相匹配。

图3 探槽南壁沉积地层拼接照片及解释结果Fig.3 Sedimentary stratigraphic splice photo and interpretation result for the south wall of the trenching

图4 探槽北壁沉积地层拼接照片及解释结果Fig.4 Sedimentary stratigraphic splice photo and interpretation result for the north wall of the trenching

2.2 构造解释

探槽揭示断层的整体倾角（约75°～80°）相对较大，主断层面造成了显著的地层垂直差异变化（图3、图4）。探槽北壁断层倾向南东，依据倾向和标志层垂直落差判定断层为走滑兼具逆冲性质。探槽南壁断层倾向北西，依据断层倾向和标志层揭示断层为正断兼具走滑分量。总体来看，根据断层相对较陡的产状和花状汇聚的结构样式，南口-孙河断层可能主要表现为走滑运动。根据崩积楔、分支断层错断到同一层位、地层厚度变化、地层产状和褶皱变形等特征，结合沉积地层的对应性分布，探槽内共揭示出～4 次地震事件。其中浅部层位的最新地震事件主要依靠崩积楔和地层厚度变化，以及错断到同一层位的分支断层识别，地震事件的层位深度为1.3 m。其余3 次老的地震事件的确定主要依靠分支断层在同一层位的错断和砂土液化等识别，地震事件层位深度分别为2 m、2.4 m 和3.0 m。探槽底部深灰色黏土层内由于沉积层分辨率相对较低，断层错断信息识别相对困难，未揭示相应的古地震事件。依据探槽北壁浅部1.3 m 处未错断沉积层采集的2个14C 样品揭示，地层的年龄为（2 820±30）a BP 和（3 790±30）a BP，由此初步推断南口-孙河断裂最近一次地震事件的发震时间为2 820～3 790 a BP（图4），10 020 a 以来共发生了3 次古地震事件。因此，较长的强震离逝时间和显著的走滑运动揭示，南口-孙河断裂的地震危险性相对较高。

2.3 事件证据

基于对探槽内沉积地层的对比分析，探槽北壁记录的古地震事件最为完整。通过对探槽内自上而下沉积的6 组区分度高的沉积地层对比分析，探槽北壁可能记录了4 次古地震事件（图5）。其中，最近一次地震事件（E1）主要发生在沉积层②（灰色粉砂层）顶部，事件存在证据主要为分布于探槽1 m 和5 m 处的3 条分支断层，同步错断到这一层位并造成了沉积层②以下的各个沉积层明显的垂直位错。地震事件2（E2）存在的主要证据为主断层面的垂直错断，事件层位为沉积层③的底部。该事件存在的另一个明显的证据是崩积楔沉积，它发育于主断层面的前方，揭示了断层错断活动和后期侵蚀堆积过程。地震事件3（E3）存在的主要证据同样为探槽剖面4 m 处的系列分支断层错断至同一层位，发震层位为沉积层④的底部，可能造成了沉积层⑤在分支断层附近发生了明显的褶皱变形。探槽内揭示的最老的古地震事件4（E4）被错断到沉积层⑥中部的分支断层所揭示，同时伴随着沉积层内部发生了显著的砂土液化脉分布。综上，4 次古地震事件在探槽内各个沉积层位区分明显，但是这些古地震事件的存在证据相对单一，需要在断裂上开展更多的古地震研究工作予以进一步验证。

2.4 古地震分析

研究组将E1 古地震事件与前人在南口-孙河断裂全新世活动段识别的古地震事件进行了对比，发现E1事件与江娃利等（2001）在旧县探槽解译的第3 次古地震事件较为吻合（图6）。旧县探槽中，第3 次古地震事件的判别依据是黑色黏土组成的构造楔层以及上覆的堆积层，根据构造楔的14C 年龄（3 987±100）a BP以及上覆盖堆积层凹兜底部的热释光年龄（3 670±310）a BP，推测该地震发生在距今3 987～3 670 a 之间。本研究根据断层断错灰色粉砂层形成的垂直形变位置以及未产生形变位错的上覆地层位置中的2 个14C 测年结果，约束了E1 地震的发震时间约为2 820～3 790 a BP。

2.5 断层面微观特征

本次研究对探槽南壁深度3 m 处黑色黏土层中断层面进行精细观察并取样开展SEM 扫描电镜测试取样分析，以上分析在河北省区域地质调查院实验室完成。从样品中提取了大小为2 cm×2 cm×2 cm 的正方体试样块，样块表面代表的断层面未有人工扰动，在对断层面进行注胶和喷砂后，进行扫描分析（图7）。

图7 扫描电镜试验取样位置Fig.7 Scanning electron microscope experiment sampling position

对样品进行分辨率20 μm 的扫描，并对样品局部层理、擦痕和定向等进行观察与分析（图8）。样品为灰黑色黏土，样品根据色域分为3 部分，灰黑色为矿物致密区域，黑色表示矿物空隙，灰白色表示矿物边缘呈片状展布，边缘位置展示出贝壳状断口以及其平行阶状的特征。样品中灰黑色矿物可见较清晰的水平擦痕，擦痕宽度约5 μm，长度90～125 μm，呈水平状，与灰白色边缘断口形成线状展布特征，这一现象与林传勇等（2006）对松散沉积物中剪切带碎屑颗粒分布的线性分布特征研究结果较为一致，推测与断层面水平运动有关。因此，槽探断面的微观特征可以作为南口-孙河断裂走滑运动的表现之一。

图8 扫描电镜样品局解释图Fig.8 Partial interpretation diagram of the scanning electron microscope sample

3 结论

本研究获得了南口-孙河断裂在探槽中的空间形态、最新活动证据和走滑运动特征，基于以上研究内容，得到以下几点认识：

（1）南口-孙河断裂在昌平百善地区的活动时代为全新世，探槽内断层结构表现多条陡倾角（约75°）分支断层构成的花状构造样式，显微镜下构造分析主断层面清晰地揭示了黏土矿物水平定向排列、擦痕和断口特征，代表了南口-孙河断裂显著的左旋走滑构造变形。

（2）对探槽内自上而下沉积的6 组区分度高的沉积地层对比分析，发现探槽北壁可能完整地记录了4次古地震事件，最近一次古地震事件的发震时间为2 820～3 790 a BP，10 020 a BP 以来发生了3 次古地震事件。

（3）南口-孙河断裂的左旋走滑构造变形证据与华北平原区现今的构造应力场和地震地质证据相匹配，提示北京地区的未来强震发震类型可能主要为走滑型，与华北地区80 ka 以来主导的走滑剪切构造变形相关。

致谢 本研究得到了中国地质大学（北京）徐锡伟研究员的现场指导；昌平区地震局张东亚为研究场地协调提供了有力支持，河北省区域地质调查院李杰和田颖高级工程师对扫描电镜试验提供了帮助和支持，在此一并表示感谢！