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天津海河隐伏断裂构造活动特征与地震危险区段划分
作 者: 陈宇坤
导 师: 丁国瑜;卢演俦
学 校: 中国地震局地质研究所
专 业: 构造地质学
关键词: 海河断裂 断层分段 标准地层剖面 古地磁 断层活动性 声学探测 滨海平原区 地震危险区段划分
分类号: P542
类 型: 博士论文
年 份: 2007年
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内容摘要
海河断裂是张家口—渤海断裂带中段的南侧边界断裂。该断裂对于调整张家口—渤海断裂带的左旋剪切变形运动,改变区域应力应变状态,控制天津地区的新生代(或晚新生代)构造演化和中强地震的发生具有重要作用。该断裂是一条直接穿过天津市中心市区和滨海新区的晚第四纪活动断裂。研究该断裂的空间展布、几何结构特征、断裂分段、运动学与动力学特征、晚第四纪活动特征、深部构造特征及其地震危险性,无论在科学上,还是城市防震减灾实效上都具有重要意义。本文通过综合分析前人的研究成果,结合本人在“十五”城市活断层探测项目中开展的工作,对海河断裂的空间展布、几何结构特征、断裂分段、运动学与动力学及深部构造特征进行系统研究。从研究天津地区的第四纪地层,建立本地区(晚)第四纪年代地层序列入手,对海河断裂的晚第四纪活动特征进行了深入研究,在此基础上,进行断层的地震活动性和地震危险性研究。取得了以下主要认识和进展: 1、天津地区位于冀渤断块坳陷的中北部和燕山断块隆起南部,跨越了冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷等二级构造单元。在区域NEE—SWW向主压应力场作用下,NE向河北平原和NW向的张家口—渤海两组共轭剪切断裂带在天津地区交汇,共同控制了本地区的新构造变形和现今构造运动。两组方向的断裂带共同控制了区域强震的发生,区域强震和大部分中小地震发生在NE向断裂带与NW向的张家口—渤海断裂带的交汇地段,NE向断裂带控制了地震的大小和震源机制,NW向断裂带则对地震的地点和余震分布有较大的影响和控制作用。2、海河断裂走向北西,长110km,大致沿天津海河分布,沿线与沧东、天津等断裂相交汇,是一条切割黄骅坳陷、沧县隆起和冀中坳陷的区域性断裂。以沧东断裂和天津断裂为界,海河断裂可划分为三段,各段的空间分布特征、几何结构特征和深部构造特征均存在明显的差异。东段位于沧东断裂以东的塘沽区,总长50km,该段的断层型式主要以“Y”字形为主,主断层向南倾,南侧倾向相对的次级断层与北侧主断层构成“Y”字形构造型式,向下归并主断层上,形成的断裂带宽度约2km。该段可细分为两个次级段落,位于塘沽区的陆上段落长30km,海域段落长20km,二者呈左阶排列。中段位于沧东断裂与天津断裂之间,长30km,该段的断层组合型式以平行阶梯状为主,主断裂向南倾,倾角上部稍陡,下部稍缓,表现为凹面向上的铲式正断层。各分支断层在新生代地层中向上散开,各断层间距达到700~1000m,整个断裂带横向跨度最大可达到8~10km,该段以大寺断裂为界,也可细分为两个次级段落。海河断裂西段位于天津断裂以西至武清小王庄村,长30km,断层组合型式以簇状型式为主,在这种构造型式中,断裂带表现为一组倾向相背的紧凑断层带,主断层位于断裂带的中间或南侧,倾向SW,埋深较浅,次级断层倾向与主断层相同或相背,形成簇状断层带,断层间距很小,整个断裂带的宽度仅为1km左右。至断裂带的西端陈嘴附近,断裂带开始呈散开状,断裂带宽度明显增加,各分支断层沿走向比较凌乱,但优势走向方位为NNW和NW。在卫星遥感影像上呈现为分叉状的明暗条带。3、天津滨海地区黄骅坳陷和沧县隆起两个构造单元的沉积发展历史在具有一定相似性的同时,还存在较大的差异。近20万年以来,黄骅坳陷在遭受数次大规模的海侵的同时,沉积了近60m的沉积物,但在晚更新世以来,存在两个沉积间断期,分别为68.2ka~112.2ka和68ka~6.1ka。这种沉积间断是由于海平面下降造成了该地区的裸露剥蚀。距今20~78万年期间,该区主要在陆相河流、湖泊为主的沉积环境下,偶尔会发生风暴潮或海水的入侵,沉积速率相对较慢,总计沉积厚度为50多米。但在距今68~120万年期间,陆相沉积速率可能较大,沉积物厚度达100m左右。沧县隆起在近20万年以来接受的沉积物厚度不到30m,期间经历了两次海侵事件,但沉积厚度不大。在晚更新世以来存在三个沉积间断期,对应的时间分别为:92.0ka~122.2ka、41.5ka~88.7ka.和10.0ka~41.5ka。三个间断面下伏地层均是陆相沉积,缺少海相地层。在距今20~78万年期间,该区主要以陆相沉积为主,沉积速率很慢,在漫长的50~60万年期间,沉积厚度仅为20多米,说明该区长期处于裸露剥蚀或沉积间断状态。在第四纪中期到早期,沉积地层厚度也不大,说明该区仍然继承着沧县隆起的沉积发育历史。4、古地磁磁性地层学研究表明,BZ1、BZ2、TN3钻孔所代表的黄骅坳陷和沧县隆起在第四纪年代地层序列上存在较大差异,与前人在上世纪八、九十年代对天津市的钻孔地层的研究结果也存在很大的差异。根据前人研究,天津宝坻断裂以南地区的第四纪地层没有再按照构造单元进行细分,黄骅坳陷和沧县隆起的地层序列被视为一致的,即全新统底界埋深为20m左右,上更新统底界埋深70~80m,中更新统底界埋深180~210m,下更新统底界埋深则为400m。本次研究表明,二者的第四纪地层序列存在显著的差别,分别代表了第四纪不同的沉积发育历史,形成的相应沉积物的类型和厚度都明显不同,因此这两个构造单元也应当分为两个不同的沉积单元;另外,本次研究表明,黄骅坳陷中的BZ1钻孔的全新统、上更新统及中更新统底界深度分别为19m、45m、103m左右;沧县隆起上BZ2钻孔和TN3钻孔的全新统、上更新统及中更新统底界深度分别为13m、30m、56m,而作为第四纪底部的M/G界线埋深仅为162m左右,都远远浅于前人得出的相应埋藏深度。5、研究表明,海河断裂东、西段在晚第四纪以来的活动特征存在明显的差异。根据14C测年资料,海河断裂西段在36290±2680a B.P.以来有过活动,但该断层最晚活动时代不会晚于8415±115a B.P,其主要活动时代应该在更新世晚期;在塘沽地区的海河断裂东段,最新活动时代为7200±140a B.P.,已进入了全新世早中期。通过中、浅部声学地层剖面探测,获得天津塘沽地区海河断裂的上断点埋深位于河底面以下30m,钻孔勘探揭示的上断点埋深为16.4m,其最新活动时间已进入全新世。在渤海近岸海域,声学地层探测揭示海河断裂的上断点最浅距离海底为31.2m,与塘沽陆上段基本一致。浅部声学地层剖面探测方法用于内陆淡水河道的隐伏断层探测,具有分辨率高、抗干扰能力强的优势,能够清晰地反映浅部地层的细节信息。将该方法与浅层地震探测、钻孔勘探等手段结合起来,为滨海多水地区隐伏断层的探测、断层活动性的判定甚至于断层古地震学提供了便捷而又可靠的途径。6、深部构造探测与研究表明,天津地区的地壳分层结构比较明显;不同构造单元的电性和速度特征存在很大差异。华北地区的断裂有的具有独特的深部构造组合:地壳浅部存在铲状正断裂,它们是中生代末期燕山运动形成的压扭性断层,在现今构造应力场作用下,显示左旋走滑特征,浅部断层在6~8km的深度逐渐消失,没有再向下延伸;在中地壳发育有高角度以平移活动为主的深部断裂,此断裂具有由下向上发展的趋势,在下地壳以韧性变形为主,至中地壳转化为弹性变形;这些深部断裂与地壳浅部断裂汇而不交,中间往往以低速层分隔;中地壳下部或下地壳上部发育高导层或低速层,它们对下地壳的韧性变形和中地壳的弹性变形起到了解耦的作用,这些构造组合在一起,构成地震发生的深部构造条件。大部分地震发生在低速层上面的高速体内,在接近低速体的高速体边缘上地震分布尤为密集。在海河断裂的东段和西段也存在着类似的深部构造条件。7、通过对本地区孕震构造模型的数值模拟表明,地壳中有效剪应力增长最快的部位出现在平均10 km左右(8~15km)深度的高速体上部和地壳深部断层上面,该区域的有效剪应力在加载最后阶段可成为正值,说明该区域的剪应力影响要大于围压的影响,岩石就会产生剪切破裂,发生地震。华北地区的大部分中强地震发生在地下8~15km深度范围内。主要是由于8~15km深度的区域有效剪应力为正值,而在更深的深度上,由构造应力形成的最大剪应力不能克服正应力(围压)的影响,而使有效剪应力为负值,说明这些区域随深度增大,围压越大,反而处于更加稳定的状态。根据有效剪应力的计算原理,模拟计算了在海河断裂及邻近地区有效剪应力的分布。结果表明,受华北地区近年来一系列地震和断层相互作用的影响,海河断裂西段的双口以南及东段的邓善沽、大沽一带位于有效剪应力为正值的地区,具有较强的地震危险性,海河断裂中段则位于有效剪应力为负值的地区,发生地震的危险性较低。8、利用对海河断裂的构造特征、分段特征、晚第四纪活动性、断裂带地震活动特征、断层深部构造特征及震源模型的数值模拟研究结果,对海河断裂的地震危险性进行了研究,确定了海河断裂的两个中强地震危险区分别位于海河断裂东段的塘沽—大沽一带和西段武清以南一带。9、通过对天津海河断裂活动性的探测研究,摸索出一套比较适合于滨海沉积平原区隐伏断层的探测与研究方法,可为今后在类似地区开展完全深隐伏断层的探测与研究提供借鉴作用。综合以上研究和进展,本论文取得了以下几点创新性的结果:1、通过钻孔岩芯年代学与古地磁磁性地层学测试分析,对天津地区黄骅坳陷和沧县隆起两个构造单元的年代地层进行了研究,建立了天津地区第四纪的年代地层剖面,对本区第四纪内部的分层界线重新进行了划分。为今后在该区开展更深入细致的磁性地层和第四纪年代地层研究奠定了基础。2、通过深入的探测与研究,弄清了海河断裂的空间分布、几何结构、断层分段以及晚第四纪活动特征。3、对海河断裂及其邻近地区进行了系统的深部构造特征研究,首次揭示了该断裂不同区段的深部构造组合特征及其深部孕震构造背景。利用对海河断裂的构造特征、分段特征、晚第四纪活动性、断裂带地震活动特征、断层深部构造特征及震源模型的数值模拟结果,对海河断裂为了发生地震的危险区段进行了划分,为开展该断裂的地震危险性定量研究进行了新的尝试。4、通过研究探讨,摸索出一套适用于滨海沉积平原区的隐伏断层探测与活动性评价方法。特别是将浅部声学地层剖面探测技术用于内陆淡水河道的隐伏断层探测。将该方法与浅层地震探测、钻孔勘探等手段结合起来,充分利用海相地层的标志性作用,可为滨海多水地区隐伏断层的探测、断层活动性的判定以及断层古地震学研究提供了便捷而又可靠的途径。
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全文目录
摘要 3-6 Abstract 6-12 前言 12-19 一. 研究现状与存在问题 12-15 二. 滨海地区活动构造研究中的主要科学问题 15-16 三. 选题依据 16-17 四. 研究内容和主要工作量 17-19 第一章 区域地震构造与断裂系统格局 19-39 第一节 区域构造背景及其演化特征 19-25 第二节 区域新构造运动特征 25-29 第三节 区域断裂构造格局 29-38 小结 38-39 第二章 海河断裂的构造特征 39-56 第一节 海河断裂的研究历史与现状 39-41 第二节 海河断裂的构造特征 41-46 第三节 海河断裂的分段特征 46-55 小结 55-56 第三章 天津地区第四纪标准地层剖面研究 56-75 第一节 天津地区第四纪地层 56-61 第二节 天津地区第四纪年代地层学研究 61-67 第三节 天津地区第四纪标准地层剖面 67-73 小结 73-75 第四章 滨海平原区完全深隐伏断层活动性研究 75-95 第一节 海河断裂水上声学浅地层探测与研究 75-86 第二节 海河断裂钻孔地层对比研究 86-93 第三节 滨海平原区隐伏断层活动性研究方法探讨(小结) 93-95 第五章 海河断裂的深部构造与动力学特征 95-116 第一节 海河断裂的深部构造特征 95-106 第二节 海河断裂的构造应力场特征 106-108 第三节 海河断裂孕震构造的数值模拟研究 108-115 小结 115-116 第六章 海河断裂地震危险区段划分 116-123 第一节 海河断裂的地震活动性研究 116-120 第二节 海河断裂的地震危险区段划分 120-123 第七章 主要结论与存在问题 123-127 主要结论与进展 123-126 存在问题与下一步工作 126-127 参考文献 127-135 致谢 135-136 作者简介 136-137
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中图分类: > 天文学、地球科学 > 地质学 > 构造地质学 > 构造运动
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