北京平原夏墊斷裂帶齊心莊探槽設計

1地表陡坎探槽夏墊斷裂是北京平原的一個重要擾動。該斷裂于1679年發生在三河-平原八度地震中。自70年代末以來,許多學者對夏墊斷裂的第四紀活動特征及1679年8級地震的發震構造進行了研究(齊心莊探槽位于齊心莊南800m。這里1679年8級地震形成的地表斷層陡坎呈近東西向分布,延伸300余米,與東西兩側地表陡坎呈左階斜列展布,陡坎兩側的地面垂直高差1.6m。該探槽工程共開挖了2個探槽及4個探坑,探槽與探坑的最大距離達400m(圖1),探槽最大深度4m,探坑深1～2m。探槽揭露的斷面位于現今地表陡坎以南23m。該項探槽工程揭露地層16個層位,實測2通過揭露地層破壞和古代地震事件2.1層位及構造特征在齊心莊探槽出露的16層地層中,除地表耕植土外,斷層上升盤有8個層位,斷層下降盤有7個層位。地層編號由老到新排序(圖2),下面按此序做描述。(1)灰黑色粘土,上部含少量銹斑,下部銹斑減少,含螺殼碎片,厚1m,上述層位(1)～(6)在1號探槽及2號探槽內斷層上升盤分布。同時,在距離2號探槽以南100m及200m的2號及3號探坑的底部可見到層位(6)～(7),TL測年距今(8.05±0.68)ka及(7.16±0.61)ka。距離2號探槽以南400m的3號探坑,出露層位(2)～(5),TL測年距今(13.57±1.15)ka(圖3)。(7)黃褐色粘土,含少量銹斑,探槽內出露最大厚度為1.9m,未見底。該層下部TL測年距今(9.71±0.82)ka,層位上部TL測年距今(8.54±0.73)ka。該層巖性與上述層位(5)近似,但厚度明顯大于層位(5)。該層與上覆地層之間的傾角達20°,故層位(5)被推測為崩積楔堆積。(8)黃色粉砂,略含粘土,底部含零星鈣核,厚0.6m,該層底部TL測年距今(7.39±0.63)ka。在斷面以南6m,該層的頂部TL測年距今(6.25±0.53)ka。(9)黃色粉砂,近斷面處混雜灰黑色粘土塊,粘土塊直徑1～3cm。該層總體形態呈崩積楔狀,底邊長1.4m,最大厚度0.7m。層頂部TL測年距今(6.68±0.57)ka。(10)灰黃色亞粘土,底部鈣核較多,粒徑1～3cm。該層超覆在層位(8)、(9)之上,厚0.8m,上述層(7)～(11)分布在2號探槽內斷層下降盤。其中層(11)在2號、3號探坑也有出露。2號探坑層(11)(12)該層位于2號探槽內斷層上升盤,探槽東西兩壁有所不同,分別命名為層位(12)-1及層(12)-2。(12)-1在探槽西壁出現,褐色亞粘土,含小粒零星鈣核,層位(12)-2在探槽東壁出現,灰色亞粘土,含小粒鈣核,厚0.3m。探槽東壁緊鄰斷面處,(12)-2層中有一高約0.4m、長約1m的黃色粉砂團塊,其下部呈張裂楔插入層位(5)中。(13)黃色砂,純凈,呈透鏡體狀,僅在2號探槽東壁出現,厚0.2m。(14)灰黃色亞粘土,含1～2mm厚的薄層黃色粉砂層,黃色粉砂層與灰黃色亞粘土被強烈揉皺,該層的底面呈波狀起伏,厚0.6m。層位頂部上述層位(14)～(15)出現在2號探槽斷層下降盤,層位穩定。(16)灰色耕植土,覆蓋在斷面兩側,厚0.2～0.3m。2.2探槽及古地震事件的格局從圖2可以看到,展布在2號探槽內的斷層斷錯了探槽內層位(1)～(13),此外層位(14)微細層理的揉皺,反映該層沉積后受到后期地震事件影響。該斷層下部,層位(1)～(9)被斷錯,斷面平直,斷層上部層位(12)及(13)被斷錯,斷面傾角較緩,顯示上部地層被錯斷后經歷過剝蝕(圖2)。齊心莊探槽存在以下的古地震現象:①地層層位錯斷;②斷層下降盤出現崩積楔;③斷層下降盤出現堰塞塘堆積;④張裂楔;⑤地層出現揉皺或液化現象。由圖2看到,該探槽沒有出現同層位錯。以下由老至新對古地震事件進行分析。探槽底部層位(7)的大角度地層分布形態,顯示了早期古地震事件(E層位(9)崩積楔狀的堆積代表探槽內由老至新的第二期古地震事件(E層位(11)為黑色粘土,代表靜水沉積。這種沉積既可能是古地震事件形成的陡坎前局部負地形堆積,也可能是大范圍的環境沉積。在2號探槽以南400m范圍內開挖的3個探坑表明,在距2號探槽以南約100m的2號探坑及200m以外的3號探坑中,該黑色粘土依然存在,但厚度變薄,在3號探坑內層(11)厚0.4m。而在2號探槽以南400m的4號探坑內,層(10)與層(11)全部消失,表明層(11)黑色粘土不代表大范圍的環境沉積,而是鄰近斷面的淤積塘堆積。該堰塞塘反映了探槽的第三次古地震事件(E層(11)與層(9)在探槽東壁斷面附近出現張性拖拽,反映了在層(11)沉積之后發生的斷層活動。該次事件活動發生在距今(2.233±0.070)ka以后。層(14)、(15)是層(11)沉積后斷層上升盤遭受剝蝕以后的超覆堆積。層(14)中薄層揉皺現象反映了淺水環境中地層的強烈振蕩,代表了層(14)沉積后經歷了一次強震事件。層(14)的此外,探槽東西兩壁斷層上升盤層位(5)頂部出現多條黃色粉砂充填的張裂楔,表明層(5)之上原是一古地面。這些張裂楔代表的古地震事件略早于這些黃色粉砂的熱釋光年代,大體對應上述E上述古地震事件E綜上所述,探槽共揭示了4次強震事件,其中包括3次古地震事件及一次歷史地震,即1679年三河-平谷8級地震。3次古地震發生的時間分別距今(10.85～9.71)ka、(7.39～6.68)ka、(5.416～2.233)ka,其均值分別為(10.28±0.57)ka、(7.035±0.355)ka、(3.824±1.591)ka。這4次強震事件的間隔分別為(3.245±0.336)ka、(3.211±0.815)ka及(3.553±0.796)ka,平均強震間隔為(3.336±0.396)ka。此處標準差計算方法參見2.3同震同震位移、地表陡坎的演變探槽斷裂兩側缺少同層地層,無法計算同層地層的垂直落差。但依據現今地表陡坎與斷層的位置及斷層兩側地層的沉積相分析,仍有可能從恢復古地震事件的斷層地形入手,盡量接近真實地反映這幾次地震事件的同震垂直位移(1679年三河-平谷8級地震的同震垂直位移,在探槽開挖地點表現為1.6m高的陡坎,同時,2號探槽內層位(15)是1679年以后的沉積,即層位(15)的厚度及現今該點地表陡坎的高度,代表了1679年三河-平谷8級地震(E3比較以往的研究結果3.1齊心莊探槽與東柳河屯探槽的對比在齊心莊西3.3km開挖了潘各莊探槽,深4.0m。從表2可以看到,潘各莊探槽中的層(2)、(7)和層(9)與齊心莊探槽中的層(1)和層(5)、層(14)巖性可大致對應,但潘各莊探槽中的層(8)無法與齊心莊探槽中的層(8)、(9)、(10)、(11)對應。這與潘各莊探槽斷層下降盤開挖長度不充分有關。齊心莊探槽與東柳河屯探槽在斷層上升盤有2套地層可對比,在斷層下降盤有3套地層可大致對比。在地震事件方面,在同震垂直位移分析中,潘各莊探槽斷層兩側見到4層地層的同層對比,垂直位移2m。從上述3個探槽古地震事件對比結果可以看到,沿同一地表地震破裂帶不同地段開挖的探槽,得到的古地震期次不完全相同。其中齊心莊探槽與東柳河屯探槽的全新世地震事件有三次對應(圖4)。同時,齊心莊探槽比東柳河屯探槽多一次距今(3.824±1.591)ka的古地震事件。在探槽地層的同震垂直位錯分析方面,在考慮探槽內斷層兩側地層位錯與地表陡坎關系之后,東柳河屯探槽與齊心莊探槽的同層垂直位錯可大體對比。3.2層位錯距與古地震事件的發生焦振興等根據對潘各莊鉆孔的古地震事件分析,潘2孔層(7)～(9)以上的層位有4次古地震事件(江娃利,2000),它們與齊心莊探槽的4次古地震事件在時間方面存在差異。依據鉆孔分析的古地震事件較同期的探槽古地震事件時間上存在滯后現象,這可能是因為在鉆孔中只能依據層位錯距來判斷事件,而在探槽剖面中可依據地層形態判斷古地震事件。例如,潘2孔中的第3、4期古地震事件(E徐錫偉等人(1999)在夏墊斷裂東柳河屯打了2個鉆孔,通過鉆孔地層剖面對比及地層年代學測定,研究了夏墊斷裂2.6萬年以來的古地震序列。徐錫偉等人(2000)認為,在距今1萬年期間,夏墊斷裂曾發生3期地表破裂型強震事件。這3期強震事件除1679年三河-平谷8級地震外,另2期強震事件發生在距今(4.2±0.37)ka及(7.97±0.65)ka。由此表明,東柳河屯鉆孔與齊心莊探槽在全新世期間后3次地震事件大體對應(圖4)。4強震事件間隔及對比在夏墊地表地震斷層東段開挖的齊心莊探槽研究中,得到以下結論:(1)齊心莊探槽揭示了夏墊斷裂全新世活動的4次地震事件。其中最新一次地震為1679年三河-平谷8級地震,其余三次為古地震事件。(2)根據探槽內地層斷錯與地層測年情況,這3次古地震事件分別發生在距今(10.85～9.71)ka、(7.39～6.68)ka及(5.416～2.233)ka。4次強震事件的間隔分別為(3.245±0.336)ka、(3.211±0.815)ka及(3.553±0.796)ka,平均強震間隔為(3.336±0.396)ka。(3)齊心莊探槽四次強震事件的最小同震位移由新至老分別為:1.8m,1.2