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    鄂西丹江口水库区域周边断裂构造解析及特征

    林松 唐启家 李媛 罗登贵 廖武林 王秋良

    林松, 唐启家, 李媛, 罗登贵, 廖武林, 王秋良, 2017. 鄂西丹江口水库区域周边断裂构造解析及特征. 地球科学, 42(10): 1830-1841. doi: 10.3799/dqkx.2017.555
    引用本文: 林松, 唐启家, 李媛, 罗登贵, 廖武林, 王秋良, 2017. 鄂西丹江口水库区域周边断裂构造解析及特征. 地球科学, 42(10): 1830-1841. doi: 10.3799/dqkx.2017.555
    Lin Song, Tang Qijia, Li Yuan, Luo Denggui, Liao Wulin, Wang Qiuliang, 2017. Analysis and Characteristics of Faults around Danjiangkou Reservoir, West Hubei Province. Earth Science, 42(10): 1830-1841. doi: 10.3799/dqkx.2017.555
    Citation: Lin Song, Tang Qijia, Li Yuan, Luo Denggui, Liao Wulin, Wang Qiuliang, 2017. Analysis and Characteristics of Faults around Danjiangkou Reservoir, West Hubei Province. Earth Science, 42(10): 1830-1841. doi: 10.3799/dqkx.2017.555

    鄂西丹江口水库区域周边断裂构造解析及特征

    doi: 10.3799/dqkx.2017.555
    基金项目: 

    中国地震局社会公益研究项目 1521401800062

    中央高校基本科研业务费专项资金 G1323531509

    国家自然科学基金青年基金项目 41404039

    详细信息
      作者简介:

      林松(1982-),男,工程师,硕士,主要研究方向为工程地震、工程物探

      通讯作者:

      唐启家

    • 中图分类号: P315

    Analysis and Characteristics of Faults around Danjiangkou Reservoir, West Hubei Province

    • 摘要: 鄂西地区位于中国大陆构造演化的关键节点上,地质构造十分复杂,而其中的丹江口水库区域更是我国南水北调工程的核心区域.在此处开展断裂构造研究对于深化南水北调工程的地震安全系统的建设具有重要意义.利用浅层地震反射波勘探技术对丹江口水库周边的3条主要断裂,即丹江、两郧和白河-谷城断裂进行分析,将各断裂内的断层构造进行地震剖面成像,得到了0~300 m深度范围内的断层结构特征.研究结果显示,3条断裂内的断层多为北东走向,丹江和白河-谷城断裂内的断层型态以正断层为主,但两郧断裂以逆断层为主,此特征可能与水库蓄水后,局部应力分布受到影响有关.研究成果不仅刻画出鄂西丹江口地区的断层形态,同时也对将来深入剖析此区域内背景应力及其周边构造单元之间的关系提供了重要的地震学参考资料.

       

    • 鄂西地区处于中国大陆东西方向地貌剧烈变化的兴安岭-太行山-武陵山条带上,在地质演化史上,整个研究地区经历了十分复杂的地质过程(黄汲清等,1977Liu et al., 2005邱瑞照等,2006何治亮等,2011田洋等,2015胡蓉等,2016).前人在鄂西及周边区域曾开展了一系列的工作,如重磁数据分析和大尺度地震面波层析成像等(袁学诚和华九如,2011Zhang et al., 2011),但这些研究结果的分辨尺度基本都在200~300 km以上,远达不到和地质构造做对应分析的要求.另外,南水北调工程是优化我国水资源时空配置的重大举措,是解决我国北方水资源严重短缺问题的特大型基础设施项目,对我国尤其是北方地区宏观经济和社会的发展起着决定性作用.南水北调中线工程的核心区域即位于鄂西的丹江口地区,研究丹江口及其周边区域的断裂特征和发育状态,对于深化南水北调工程的地震安全系统的建设具有重要意义(刘素梅和徐礼华,2004).

      近年来,随着地震勘探仪器及技术的进步,小尺度活动断裂的探测精度日益提高.本研究利用浅层地震反射波勘探技术,对丹江口区域的3条主要断裂(白河-谷城断裂、两郧断裂和丹江断裂)进行探测,旨在剖析南水北调工程这一重要枢纽地区的浅部结构,并为其构造演化研究提供参考.

      秦岭褶皱系东段是区域内的主要构造单元,南以青峰断裂带与扬子准地台分界.造山带基底由古元古界秦岭群、陡岭群(Pt1)、中元古界武当群、郧西群(Pt2)、中-新元古界宽坪群(Pt2-3)、新元古界毛堂群、陶湾群、耀岭河群(Pt3)等组成,盖层为震旦至三叠系(图 1).整个造山带的演化过程大致分为前震旦纪古陆壳拼接、早古生代地槽(陆缘裂谷盆地)发育、晚古生代印支期相继回返造山和燕山期后造山变形4个阶段.其二级构造单元南秦岭褶断带(Ⅰ2)位于山阳-内乡断裂带以南、青峰断裂带以北,由牛山、武当等震旦纪优地槽堆积、早古生代南部裂陷、晚古生代至早中生代冒地槽堆积等多期演化发育而成(张国伟等,1995).南部在早古生代晚期曾抬升成陆,褶皱造山则在印支期完成.晚中生代又遭受陆内造山变形的影响,形成总体由北向南的复式背、向斜和断裂构造,变形极为复杂(张国伟等,1996).新生代以来沿断裂的走(逆)滑活动,局部地段产生一系列拉分或挤压盆地,新构造变形和构造活动性比较强烈,但各地有较大的差异(董云鹏等,2008).

      图  1  研究区域地质构造简图
      F1.丹江断裂;F2.两郧断裂;F3.白河-谷城断裂;Ⅰ.赵岗测线;Ⅱ.郧西盆地测线;Ⅲ.郧县盆地测线;Ⅳ.潭口水库测线;Ⅰ1.中秦岭褶皱带;Ⅰ2.南秦岭褶皱带;Ⅰ3.南襄断陷;Ⅱ1.上扬子台褶带;Ⅱ2.鄂中褶断
      Fig.  1.  A diagram of geological structures in the study area
      1.1.1   丹江断裂

      丹江断裂发育在赵川-淅川印支褶断束内,走向总体为290°,在凉水河一带被北北东向、北东向断裂切割且稍具右旋位移.断裂东段在瓦成沟至金家棚一带,断续切割上白垩统与新近系.在金家棚村北林茂山,断裂出露清晰,走向为300°,倾向为北东向、南西向,倾角较陡.北盘为上白垩统浅灰、灰紫、浅褐黄色泥质灰岩、泥灰质粘土岩.根据断裂构造岩带结构特征分析,该断裂在新近系堆积后发生过2次滑移:① 早期倾滑即南盘拉张下降,并具右旋水平分量形成楔状断带;② 晚期以左旋挤压导致构造岩带破裂变形(李祖武,1981).遥感影像上,该断裂在丹江以东12 km范围内,显示清晰、笔直的线性地貌特征,北盘有一系列长度为1 km左右的近南北向沟谷,绝大多数呈左行扭动.前人对同一观察点的暗棕红色细粒碎裂岩分别利用TL法(Thermoluminescence)进行了年代测定,前者结果为(23.07±7.91)×104 a,后者为(364.97±31.02)×103 a(王清云和高士钧,2003).

      1.1.2   两郧断裂

      西起漫川关盆地西北,向东经郧西、郧县、均县直至没入南襄盆地,呈北西西-南东东向延伸,长度约为250 km,主断面倾向北,倾角为40°~75°.断裂带大部分发育在耀岭河群内部,变形带由数条平行断层组成.晚燕山时期具有强烈的逆走滑或推覆特征,形成宽大的韧性剪切带,重磁资料有明显反映.该断裂带按其几何学上被切割特点可以分成漫川关-郧西、郧西-郧县、郧县-紫山洼和紫山洼至南襄盆地几个构造段.晚白垩世末期或古近纪初期,该断裂可能以右旋走滑占优势,在断裂的右阶区形成漫川关、郧西、郧县、上寺、均县和李官桥等拉分盆地.之后,断裂呈现较强烈的左旋走(逆)滑特征,致使盆地封闭.第四纪以来可能承袭了这种运动体制并在构造-地貌上有一定显示:① 沿带总体呈负向低山、丘陵或河谷,形成近百公里的山间廊道.廊道之内又依次出现反差分明的斜(横)向地貌隆起和洼地.其中由新近纪晚期泥灰岩(TL测年为270×104 a)组成的隆起(火车岭)现已高出郧西河谷近400 m,抬升速率约为0.2 mm·a-1;② 断裂东延部分在南襄盆地西缘由汉江、周山和上寺等断层组成发散状断裂束;③ 第四纪年代学样品(Scanning Electron Microscope, SEM法)测定,该断裂在新近纪上新世、早更新世和中更新世也有强烈活动(陈蜀俊等,2004).TL法测定在24×104 a、25×104 a、40×104 a和45×104 a也曾有强烈活动,丹江水库地区的震群活动可能与此有关.该断裂是在中更新世中期强烈活动的断裂带,而东段的活动时代可能更晚(张国伟等, 1995, 1996).

      1.1.3   白河-谷城断裂

      总体走向290°~300°,倾向北东,倾角45°~80°.西起白河公馆,沿武当山北缘向东南伸展到石花街,并与青峰断裂交汇,总长约为240 km.该带由许多平行的断片组成,并被一系列北东向斜滑断层切割,形成25个以上的几公里至十余公里的小构造段,而十堰以西最长的构造段只有50 km.变形带宽约4 km以上,各类构造岩十分发育.自早元古代形成后,发生多期构造活动(雷东宁等,2012).主断裂主要表现为由北向南的冲断或推覆构造.新构造活动主要表现为在断裂两盘差异隆起基础上带有一定分量的左旋走滑位移,形成六里坪、郑家湾等晚更新世拉分谷地,西段在1868年曾发生过5.5级地震.经断层泥物质热释光(TL)法测定其最晚活动年龄为150×104 a,表明该断裂带属于活动强度较小的早更新世断裂(刘锁旺和丁忠孝, 1990).

      工作区地层属华南地层大区,以襄樊-广济断裂带为界,南为扬子区,北为秦岭区.在工作区内主要为南秦岭-大别山地层区的十堰-随州地层分区及部分上扬子地层分区.结合钻孔及测年资料,笔者在本研究工作区地震剖面上识别出3个主要界面(T1、T2、T3),按地质年代自下而上可分为白垩系、新生界古近系及第四系(表 1).现将其沉积地层特征分述如下.

      表  1  研究区域地层系统划分
      Table  Supplementary Table   The stratigraphic classfication in the study area
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      1.2.1   白垩系

      主要分布于郧县-李官桥盆地、南襄盆地、房县盆地、江汉盆地及新洲盆地之中,南秦岭-大别山地层遭受大量剥蚀,仅在局部地震剖面上可与钻孔资料结合进行识别,故将其与古近系和新近系未进行细致的划分,将其底界面定义为T3.

      1.2.2   古近系与新近系

      主要分布于郧县-李官桥盆地、南襄盆地、房县盆地、江汉盆地及新洲盆地之中,其分布范围比白垩系要小.由一套陆相河流-湖泊相沉积组成.沉积物中,化学岩、蒸发岩和有机岩十分发育.古近纪有多次基性火山喷发,与下伏白垩系呈整合或平行不整合接触.全系化石相当丰富,有古脊椎动物,腹足类、双壳类、叶肢介、有孔虫、介形虫及轮藻、孢粉等植物类群.厚度一般为2 000~3 000 m,最厚可超过7 000 m.在地震剖面上将其底界面定义为T2.

      1.2.3   第四系

      工作区第四系主要发育为东部南襄盆地,西部山峦重叠,河谷深切,表现为构造-侵蚀中山地貌景观,第四系不发育,只在盆地及河流两岸有少量出露.第四系主要发育地层为云池组、善溪窑组、宜都组和平原组.在地震剖面上将其底界面定义为T1.

      区域地质资料显示,研究区域内第四系地层分布具有厚度小(最大厚度约24 m)、沉积相变化大的特点,一般构成河流阶地、河漫滩及山间凹地中的平地,成因类型以河流冲积为主,也有少量的残坡积.笔者在实际研究中也考虑到松软土层对探测结果造成的影响,因此通过了解工作区的区域地质情况、各地层岩土性质,结合前期钻探资料,获取了场地内的基岩、粘土、裂隙等不同地质体之间的物性参数(表 2),从而在此基础上展开浅层地震反射研究.

      表  2  几种介质的物性参数
      Table  Supplementary Table   Physical parameters of several media
      介质名称 密度(g/cm3) P波速度(m/s)
      粉质粘土 1.4 450~800
      砂砾石 2.0 500~1500
      砾岩 1.5~2.4 1 500~3 500
      粉砂岩 2.1~3.3 1 500~2 500
      灰岩 2.3~3.3 2 500~6 000
      花岗岩 26~2.75 4 500~6 500
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      本研究采用王振东(1988)蒋维平和孟宪民(2008)提及的地震反射波法,对研究区参考研究区域内主要活动断裂进行探测,选用NZ分布式64道地震仪进行外业数据采集工作,通过野外排列扩展试验,震源采用单边锤击多次叠加,48道接收,12次覆盖,道间距为2 m,采样间隔为0.25 ms,记录长度为512 ms.考虑断裂的分布长度及范围后,笔者主要针对目标区内较大地质构造(丹江断裂、两郧断裂、白河-谷城断裂)共布置6条测线进行浅层地震反射勘探工作(表 3).

      表  3  研究区域内测线信息
      Table  Supplementary Table   Data of measuring line in the study area
      测线名称测线起点位置坐标 测线终点位置坐标测线长度
      (m)
      纬度(°) 经度(°) 纬度(°) 经度(°)
      赵岗测线Ⅰ 32.54310 111.6624 32.53944 111.6613446
      赵岗测线Ⅱ 32.54064 111.6626 32.53080 111.66591 178
      柳陂测线 32.82233 110.7521 32.82714 110.76071 012
      张家槽测线 32.83897 110.7157 32.85303 110.72631 856
      四堰坪测线 33.01753 110.4371 33.01537 110.4369238
      潭口水库测线 32.25109 111.4151 32.25437 111.4183478
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      利用浅层地震反射波勘探技术获取活动断裂的浅部结构是地球物理学研究中常用的方法.通过对浅层构造的分析,笔者可推测获得断裂相关信息,为了解本区构造演化过程提供依据.

      丹江断裂位于研究区内东北缘,笔者针对此断裂布设2条测线:赵岗Ⅰ(图 2图 3)和Ⅱ测线(图 4).

      图  2  丹江断裂浅层地震深度剖面及地质解译图(赵岗测线Ⅰ)
      Fig.  2.  Geological and fault structures in the Danjiang fault zone (Zhaogang arrat Ⅰ)
      图  3  丹江断裂赵岗Ⅰ测线钻孔联合剖面
      Fig.  3.  Combined borehole section in the Danjiang rupture zone(Zhaogang array Ⅰ)
      图  4  丹江断裂浅层地震深度剖面及地质解译图(赵岗测线Ⅱ)
      Fig.  4.  Geological and fault structures in the Danjiang rupture zone (Zhaogang array Ⅱ)
      3.1.1   赵岗Ⅰ剖面

      赵岗Ⅰ、Ⅱ测线均位于丹江口水库库首区域(图 1中Ⅰ字标记处),深度剖面显示此部分断裂在10 m左右深度,有一组连续性较差的界面,可以追踪到桩号120 m左右.31 m深度处有另外一组界面,该界面在桩号130 m左右下降,可追踪到的最深处接近70 m,界面深度在约100 m的宽度内变化近30 m,往东出现多组界面,深度为25~160 m,整体向东变深.根据以上界面变化特征,笔者推断该条剖面由北东至南西方向主要发育3条断层:① 桩号120 m处存在一条南西倾向正断层,上断点深度约12 m,断距约10 m;② 桩号220 m处存在一北东倾向正断层,上断点埋深约25 m,断距约10 m;③ 280 m处存在一北东向正断层,上断点埋深20 m,断距约10 m.

      为得到更好的印证结果,本次研究同时在丹江断裂的赵岗Ⅰ测线实地进行地质钻孔工作,排钻结果显示,赵岗Ⅰ测线确实在桩号120 m处存在一处向南倾的断面,倾角约为45°,为正断层,垂直断距约20 m(图 3).断裂上断点切割最新地层为灰白色含粘土质中粗砂,对比该地区地层特征笔者分析认为,该套含粘土质中粗砂层的地层时代为晚更新世,其上灰黄色粘土夹砾石的地层时代也为晚更新世.笔者推测丹江断裂在该段的最新活动时代为晚更新世.这与赵岗测线Ⅰ中识别的断层① 具有高度的一致性(图 2),印证了浅层地震反射结果的真实性.

      3.1.2   赵岗Ⅱ剖面

      在20 m左右深度,有一组较为连续的反射波界面,第2反射界面及第3组反射界面在桩号295 m、865 m、1 030 m这3处出现错断.笔者推断该条剖面由北西至南东方向主要发育3条断层:① 桩号295 m处存在一处北东倾向正断层,上断点深度约30 m,断距约5 m;② 桩号865 m处存在一北东倾向正断层,上断点埋深约20 m,断距约10 m;③ 桩号1 030 m处存在一南西向正断层,上断点埋深32 m,断距约10 m.此外,在345桩处的深部地层中也可见错断,但据笔者分析该断层未对研究层位造成干扰,故未在解译图中标出.

      考虑到地形及两郧断裂的长度,本研究在两郧断裂经过的郧县盆地及郧西盆地分别布设2和1条测线,分别是柳陂(图 5图 6)、张家槽测线(图 7)及四堰坪测线(图 8).

      图  5  两郧断裂浅层地震深度剖面及地质解译图(郧县盆地柳陂测线)
      Fig.  5.  Geological and fault structures in the Liangyun fault zone (Liubei part of Yunxian basin array)
      图  6  两郧断裂柳陂测线钻孔联合剖面
      Fig.  6.  Combined borehole section in the Liangyun fault zone (Liubei array)
      图  7  两郧断裂浅层地震深度剖面及地质解译图(郧县盆地张家槽测线)
      Fig.  7.  Geological and fault structures in the Liangyun fault zone (Zhangjiacao part of Yunxian basin array)
      图  8  两郧断裂-浅层地震深度剖面及地质解译图(郧西盆地四堰坪测线)
      Fig.  8.  Geological and fault structures in the Liangyun fault zone (Siyanping array in Yunxi basin)
      3.2.1   柳陂剖面

      柳陂及张家槽测线均位于丹江口水库上游区域(图 1中Ⅲ字标记处),从深度剖面中可以看出第1层的厚度在40 m左右,在桩号210~370 m范围内有一个明显的隆起,最浅处深度不到20 m,随后在40 m左右变化.由此笔者推断该条剖面由南西至北东方向主要发育2条断层:① 在桩号210 m左右存在一北东倾向逆断层,上断点埋深约40 m,断距约3 m;② 在该测线桩号565 m处同样可能存在一北东倾向的逆断层,上断点埋深约20 m,断距约3 m.

      与赵岗测线的验证手段相同,笔者也将柳陂测线钻孔联合剖面与地震解译成果进行了断裂特征对比,排钻结果揭示(图 6),LB1、LB2、LB3钻孔地层连续、稳定、成层性好,而在LB4孔第⑦ 层灰褐色含粘土质砂中夹有第⑨ 层灰色砾石,与前3个孔存在较大差异,由此推测断层错断第⑦ 层灰褐色含粘土质砂,断层为正断性质,倾向SW,断层规模不大,垂直断距约1 m.根据前述地层资料和年代数据可知,该套灰褐色含粘土质砂的地层时代为Q3,故笔者推测两郧断裂在该段的最新活动为晚更新世.该结果与柳陂测线中识别的断层② 具有一致性,同样印证了浅层地震反射结果的真实性.

      3.2.2   柳陂剖面张家槽测线

      结果表明测线起始时在85 m深度左右有一个较强的反射界面,到桩号225 m左右,该反射界面出现明显错断深度变浅至75 m左右,其下方的几组同相轴存在同样的变化.测线桩号1 080 m左右深度变为50 m左右,且同相轴出现明显错断,测线桩号1 620 m处同相轴同样出现明显错断.由此笔者推测该条剖面由南西至北东方向主要发育3条断层:① 桩号225 m左右存在一北东倾向的逆断层,断距约10 m;② 桩号1 080 m处有一南西倾向的逆断层,上断点埋深约50 m,断距约10 m;③ 桩号1 620处为一北东倾向逆断层,上断点埋深约60 m,断距约10 m.

      3.2.3   柳陂剖面四堰坪测线

      从深度剖面上可以看出3组较为明显的同相轴深度分别约为20 m、40 m、60 m,在桩号110 m、155 m左右均有明显错断,且均为上盘相对上升,下盘相对下降,笔者推测该条剖面由北东至南西方向主要发育2条断层:① 桩号110 m处存在一条南西倾向的逆断层,上断点深度约20 m,断距约5 m;② 桩号155 m处存在一条南西倾向的逆断层,上断点深度约18 m,断距约5 m.

      笔者在白河-谷城断裂东起点的潭口水库布设了一条测线(图 9),探勘结果显示第1界面最浅处仅5 m左右,有一定起伏,从西向东增加约20 m,至测线尽头深度约25 m.第2界面深度在测线300 m以西深度为22 m左右,在桩号300 m处有一明显错断,向东下降约10 m,深度变至32 m左右,且其上方的界面在该处也明显错断,同时从该断点向东,同相轴明显增加,由此笔者推断该处有一北东向的正断层,上断点埋深约15 m,断距约10 m.另外,在371桩处也存在明显的多层位断点,根据区域地质背景和第四纪地貌特征,笔者分析该处为河流阶地所形成的陡坎,即为同沉积断裂,故不在此文中进行研究.

      图  9  白河-谷城断裂浅层地震深度剖面及地质解译图(潭口水库测线)
      Fig.  9.  Geological and fault structures in the Baihe-Gucheng zone (Tankou reservoir array)

      秦岭褶皱系东段在不同时期和变形环境的构造作用下,使得区域内断裂带内发育的多期构造形迹相互叠加,由此形成了复杂构造单元.鄂西地区受到四川盆地向东运动的影响,背景应力大致为NW-SE向挤压(Wang et al., 2001).在这样的条件下,鄂西地区一般的断层型态以带走滑的逆断型态为主,并常伴随着褶皱构造(吴树仁,1994夏金语等,2008Zhang et al., 2009Mei et al., 2013Zou et al., 2014罗佳宏和马文涛,2016).从浅层反射结果可以发现(表 4),丹江断裂和白河-谷城断裂的错断型态以正断为主,而两郧断裂则呈现相反的情况.

      表  4  浅层反射结果统计
      Table  Supplementary Table   Shallow reflection results
      剖面名称测线名称断点位置(m)推测断距(m)断点埋深(m)倾向错断性质
      丹江断裂赵岗测线Ⅰ1201012南西正断
      2201025北东正断
      2801020北东正断
      赵岗测线Ⅱ295530北东正断
      8651020北东正断
      10301032南西正断
      两郧断裂
      郧县盆地
      柳陂测线210340北东逆断
      565320北东逆断
      张家槽测线2251075北东逆断
      10801050南西逆断
      16201060北东逆断
      两郧断裂
      郧西盆地
      四堰坪测线110520南西逆断
      155518南西逆断
      白河-谷城断裂潭口水库测线210320北东正断
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      两郧断裂的3条测线显示两郧断裂错断倾向较为复杂,主要偏向NE,但没有明显的优势方向.在NE向区域局部构造应力场作用下,白河-谷城断裂带的左旋走滑运动,使得NE向、近EW向断裂具有张性特征,NNW向具有走滑特征.在NE向斜滑断裂系上发生的一些地震具有构造成因,与白河-谷城断裂走滑在构造上是相关的(雷东宁等,2012).陈蜀俊等(2004)针对地表结构分析及岩石采样定年的研究结果发现,两郧主断裂带及旁侧发育了一系列复杂多样的伴生构造,主要由雁列式和平列式断层组成,分布于两郧断裂主位移带两侧及尾部,而丹江口库区是雁列式断层出现的区域之一,从主断裂向下形成花状构造.从剖面上来看(图 2),笔者在丹江口布设的测线清楚地刻画出了浅部断层的花状特征,推测深度至少达到300 m,此结果与陈蜀俊等(2004)的推测相吻合,且进一步给出了花状构造向下延伸的深度.

      同样背景应力下,研究区内的3条断裂中的断层倾向大致相同,但错断性质不同.探测丹江口断裂的赵岗测线位于丹江口水库库首区,探测白河-谷城断裂的测线位于潭口水库,2条断裂中断层的错断倾向主要为NE向,断距均约10 m.人为蓄水或注水是否能引发断层错动在国内外已有非常多的研究讨论其可能性,虽有正反两面意见,但整体而言,可能性是存在的(Ge et al., 2009; Deng et al., 2010; van der Elst et al., 2013; Weingarten et al., 2015冯向东等,2015).前人的研究也表明,水库开始蓄水后,周边区域的应力分布会有平衡过渡-新环境平衡-形变加速的现象,且对跨断层形变有显著的影响,这个现象的产生可能与构造应力的增强相关,或者是一种断层在新的稳定环境下正常变化的结果(祖丽菲亚·尼亚孜等,2011).一般情况下,水库蓄水对断层主要的影响有3点:一是水渗入断层面产生润滑作用,使得断层面的摩擦力减小;二是水渗入后改变了地下岩石的孔隙度和孔隙压力;三是水体渗入近地表的沉积层,使得沉积物质体积增加.前人研究表明,丹江口地区早期曾受到拉张应力作用,现今应力以挤压为主,断层多为逆走滑或推覆形态(李祖武,1981陈蜀俊等,2004雷东宁等,2012).在这样的背景下,如无其他干扰,笔者可以预期未来整个丹江口区域的断层形态将会是以逆断层为主.然而,在近丹江口水库库首区的赵岗测线及潭口水库测线显示了和此区主要断裂相反的特征,此种情况可能有2种解释,一是水库的蓄水后提供的垂向压力应大于侧向背景应力,一定程度地降低或抵消了挤压应力作用.二是挤压应力还没完全反应到库首区域.若是第1种情况,应该可以在库首区和两郧断裂附近测量到明显不同的地壳抬升速率;若是第2种情况,在丹江口区域的地壳抬升速率应该是接近的.然而,研究区域内应力场分析及水库蓄水前后的应力差,已超出了本研究的范围,未来在此区域开展的其他精细地球物理研究,如GPS(Global Positioning System)或其他大地形变测量也许能深入解释当地应力来源和断层型态之间的关系(李煜航等,2015).

      (1) 根据剖面所揭示的地层反射波组特征,笔者在丹江断裂2条测线地震反射剖面上共解释了6个错断特征明显的断点,南西倾向正断层2处,北东倾向正断层4处.断点埋深12~32 m,断距5~10 m,总体反映出丹江断裂埋深较浅.断层性质以正断为主,断层不同段的倾向有所差异,分别为南西向和北东向.

      (2) 笔者在两郧断裂的3条测线地震反射剖面上共解释了7个错断特征明显的逆断层.其中,4个为NE向,3个为SW向.整体断点埋深15~80 m,推测断距3~12 m.综合分析认为,两郧断裂在郧县盆地内埋深相对较深.断裂性质以逆断为主,部分分支断裂具有正断特征,主断面倾向北东,部分分支断裂倾向南西.花状构造向下延伸的深度约为300 m.

      (3) 白河-谷城断裂的测线地震反射剖面显示断点埋深15~20 m,推测断距3~10 m,白河-谷城断裂为正断层,倾向北东.

      (4) 丹江断裂和白河-谷城断裂及两郧断裂的错断性质不同,可能是水库蓄水产生的垂直应力和背景应力交互作用造成的结果.

      浅层反射探测是以地下目标体和周围介质的物性差异为基础来进行探测的一种地质勘探方法,其结果受多方面的影响.因此,若在测线的布置、探测方案的选择以及探测结果的解释中,结合其他的地质资料综合比对,将会对此区的整体构造有更加全面的了解.

      致谢: 本文的完成要感谢湖北省地震局以及中国地质大学地球内部多尺度成像湖北重点实验室的全力支持及两位审稿人对本文提供的宝贵意见!
    • 图  1  研究区域地质构造简图

      F1.丹江断裂;F2.两郧断裂;F3.白河-谷城断裂;Ⅰ.赵岗测线;Ⅱ.郧西盆地测线;Ⅲ.郧县盆地测线;Ⅳ.潭口水库测线;Ⅰ1.中秦岭褶皱带;Ⅰ2.南秦岭褶皱带;Ⅰ3.南襄断陷;Ⅱ1.上扬子台褶带;Ⅱ2.鄂中褶断

      Fig.  1.  A diagram of geological structures in the study area

      图  2  丹江断裂浅层地震深度剖面及地质解译图(赵岗测线Ⅰ)

      Fig.  2.  Geological and fault structures in the Danjiang fault zone (Zhaogang arrat Ⅰ)

      图  3  丹江断裂赵岗Ⅰ测线钻孔联合剖面

      Fig.  3.  Combined borehole section in the Danjiang rupture zone(Zhaogang array Ⅰ)

      图  4  丹江断裂浅层地震深度剖面及地质解译图(赵岗测线Ⅱ)

      Fig.  4.  Geological and fault structures in the Danjiang rupture zone (Zhaogang array Ⅱ)

      图  5  两郧断裂浅层地震深度剖面及地质解译图(郧县盆地柳陂测线)

      Fig.  5.  Geological and fault structures in the Liangyun fault zone (Liubei part of Yunxian basin array)

      图  6  两郧断裂柳陂测线钻孔联合剖面

      Fig.  6.  Combined borehole section in the Liangyun fault zone (Liubei array)

      图  7  两郧断裂浅层地震深度剖面及地质解译图(郧县盆地张家槽测线)

      Fig.  7.  Geological and fault structures in the Liangyun fault zone (Zhangjiacao part of Yunxian basin array)

      图  8  两郧断裂-浅层地震深度剖面及地质解译图(郧西盆地四堰坪测线)

      Fig.  8.  Geological and fault structures in the Liangyun fault zone (Siyanping array in Yunxi basin)

      图  9  白河-谷城断裂浅层地震深度剖面及地质解译图(潭口水库测线)

      Fig.  9.  Geological and fault structures in the Baihe-Gucheng zone (Tankou reservoir array)

      表  1  研究区域地层系统划分

      Table  1.   The stratigraphic classfication in the study area

      表  2  几种介质的物性参数

      Table  2.   Physical parameters of several media

      介质名称 密度(g/cm3) P波速度(m/s)
      粉质粘土 1.4 450~800
      砂砾石 2.0 500~1500
      砾岩 1.5~2.4 1 500~3 500
      粉砂岩 2.1~3.3 1 500~2 500
      灰岩 2.3~3.3 2 500~6 000
      花岗岩 26~2.75 4 500~6 500
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      表  3  研究区域内测线信息

      Table  3.   Data of measuring line in the study area

      测线名称测线起点位置坐标 测线终点位置坐标测线长度
      (m)
      纬度(°) 经度(°) 纬度(°) 经度(°)
      赵岗测线Ⅰ 32.54310 111.6624 32.53944 111.6613446
      赵岗测线Ⅱ 32.54064 111.6626 32.53080 111.66591 178
      柳陂测线 32.82233 110.7521 32.82714 110.76071 012
      张家槽测线 32.83897 110.7157 32.85303 110.72631 856
      四堰坪测线 33.01753 110.4371 33.01537 110.4369238
      潭口水库测线 32.25109 111.4151 32.25437 111.4183478
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      表  4  浅层反射结果统计

      Table  4.   Shallow reflection results

      剖面名称测线名称断点位置(m)推测断距(m)断点埋深(m)倾向错断性质
      丹江断裂赵岗测线Ⅰ1201012南西正断
      2201025北东正断
      2801020北东正断
      赵岗测线Ⅱ295530北东正断
      8651020北东正断
      10301032南西正断
      两郧断裂
      郧县盆地
      柳陂测线210340北东逆断
      565320北东逆断
      张家槽测线2251075北东逆断
      10801050南西逆断
      16201060北东逆断
      两郧断裂
      郧西盆地
      四堰坪测线110520南西逆断
      155518南西逆断
      白河-谷城断裂潭口水库测线210320北东正断
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    出版历程
    • 收稿日期:  2017-01-02
    • 刊出日期:  2017-10-18

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