收集区域各类地质资料是整个地质填图的首要工作任务, 并贯穿整个工作阶段。涉及地形、遥感、物化探、地震地质、钻探、测试等各类资料, 并对其进行综合分析和二次开发利用, 明确已有工作成果并对其质量进行评估, 找出存在和需要解决的关键地质问题, 指导区域地质调查工作有序开展。

2.2.1 遥感技术

平原区基本不同程度地被植被、建筑物等覆盖, 遥感技术被广泛应用到覆盖区先导调查中。考虑区域地质背景并结合测区地形地貌, 对洪积扇区、冲积扇区等可选择不同的影像资料, 包括不同时相或多时相数据(TM、ETM、MSS、Landsat 8、OLI、WorldView数据), 针对所解决的关键地质问题进行图像处理(影像处理、分析、融合), 建立各类解译标志和DEM模型。此方法可直接高效、快速地引导野外调查研究工作的开展。

2.2.2 路线地质调查

采用数字填图技术(Digital Mapping Techniques), 利用路线穿越法、追索法、地表露头剖面、洛阳铲或槽型钻等手段方法, 以及覆盖区面上路线与点上剖面相结合的调查手段, 开展浅表第四纪数字地质调查。

2.3.1 第四系结构调查

深部第四系结构主要依靠钻探手段, 在深钻揭穿第四系基础上, 获取岩心实物资料, 从中找出地层标志对比层, 进行岩性或岩性组合划分、古地磁长序地层定年, 对晚更新世以来地层进行¹⁴C惯用年龄(AMS ¹⁴C)、光释光(Optically Stimulated Luminesecence, OSL)测年、微体古生物、孢粉等测试^{[14, 15, 16, 17, 18]}, 综合确定第四纪早更新世、中更新世、晚更新世及全新世的界限, 以期建立标准地质剖面。在此基础上, 综合应用测井地层学, 确定地下水赋水层位, 研究水文地质背景条件。

2.3.2 隐伏断裂精确定位及活动性研究

地质环境的变化及其承载力与人类的生存活动密切相关, 而城市隐伏活动断裂作为一种重要的地质灾害类型, 对城市安全和人民生命财产产生直接或间接的影响, 造成一定的重大威胁。隐伏断裂的精确定位与几何结构、活动方式、活动期次、强度等问题成为研究活动断裂所必需回答的关键地质问题。对北京平原隐伏断裂精确定位探测及其活动性进行研究, 总结了系统调查技术方法, 可为区域地壳稳定性及适宜性评价提供资料支撑, 保障城市地质安全和减轻地质灾害提供可靠的地质依据。

(1)隐伏断裂精确定位方法采用“ 缝合” 式隐伏断裂精确定位联合勘查手段, 即从深部到浅部依次利用高精度重力剖面测量-可控源音频大地电磁测深-氡气测量-二维/三维地震勘探-高密度电法测量联合方法, 采用实时动态(Real-Time Kinematic, RTK)定位系统, 结合钻探、槽探工程验证综合物化探方法对断裂定位的成果, 从而达到了对隐伏断裂的高精度定位目标(图2)。

图2

Fig.2

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	图2 活动断裂精确定位联合方法Fig.2 Conjoint methods of location acquirsition for active faults

(2)断裂活动性研究地质大辞典中指出, “ 活动断裂” 即现今正在活动或断续活动的断裂构造。在城市地质工作中主要指在全新世(11 000 a BP)以来有过活动历史, 至今仍在活动, 因而与人类和社会发展休戚相关的、未来一段时间内预期会发生活动的断裂构造。

钻探、槽探及第四纪测年新技术方法应用是研究断裂活动性的重要方法^{[19, 20]}, 其有机结合可系统反映活动断裂在长尺度和短尺度时间序列上活动规律。

钻探方法通过研究活动断裂上下两盘钻孔岩心, 分析沉积物(厚度、成分、粒度、色度等)、古生物(微体、孢粉等)、年代地层(AMS ¹⁴C、OSL等)各方面特征, 综合对比其断裂上下两盘同一极性带、极性亚带或同一地质时期内沉积物厚度的差异演化, 确定断裂位错历史, 包括第四纪以来的断裂位错量、错动序列等, 可在长尺度上反映第四纪以来某一时期断裂的活动特征, 为区域构造事件揭示提供数据。

槽探方法可直观地揭露活动断裂近地表的构造及活动迹象, 通过槽探揭露, 可进一步确定断裂近地表的空间展布与延伸, 查明古地震事件的活动强度、时代, 获取断裂活动定量化参数, 分析断裂突发错动历史、年龄及重复间隔。

进入人类世, 生态环境与人地关系的研究越来越得到重视, 可充分应用孢粉学、年代学理论方法研究其古地理、古气候环境特征, 结合史籍记载资料, 对有人类活动以来的气候变迁、生态环境演化及其与人类活动之间的关系进行探讨, 提供地学背景依据。

3.1.1 隐伏断裂精确定位

隐伏断裂精确定位采用前述“ 缝合” 式隐伏断裂探测组合方法, 在北京平原地带开展了物探综合探测(图3)。成果显示, 不同物探技术方法对隐伏断层探测均有明显的异常显示。与钻探相结合(图4), 对隐伏断裂探测精确定位上明显优于以往单一方法, 丰富了对异常地质体信息的提取和确认, 提高了断裂调查精度与可靠性。图5^[9]显示, 三维地震勘探更加细致形象地反映深部地质构造的变化动态, 尤其是在确定断裂相互交汇部位深层和浅层地质构造空间展布、几何特征等, 精细刻画出了2组断裂的地质构造形迹特征。

图3

Fig.3

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	图3 联合剖面定位活动断裂位置Fig.3 Location of active fault in joint section

图4

Fig.4

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	图4 钻孔地层对比与断裂位置Fig.4 Borehole stratigraphic correlation and fault location display

图5

Fig.5

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	图5 三维地震勘查反映的活动断裂交汇三维示意图[9]Fig.5 Geometric stereogram at intersection of active faults by three-dimensional seismic exploration[9]

3.1.2 隐伏断裂活动性研究

(1)钻探方法。图6显示了钻探对平原区顺义断裂活动性的揭示。在断裂下盘ZK12-1钻孔中, 布容正极性带和松山反极性带界线位于115 m深度处, 布容反极性带中的136~139.5 m和173.5~182 m的正极性带分别为Jaramillo和Olduvai亚正极性带, 松山反极性带和高斯正极性带界线位于232 m深度处; 断裂上盘ZK12-2的布容正极性带和松山反极性带界线位于170 m深度处, 布容反极性带中的200~210 m和464~520 m的正极性带分别为Jaramillo和Olduvai亚正极性带, 松山反极性带和高斯正极性带界线位于706 m深度处^{[21, 22, 23]}, 研究表明, 顺义断裂在更新世早中期活动性最强, 两盘垂直相对运动速率最大达0.314 mm/a, 这与该时期北京平原北部地区构造加速下沉及北京早更新世海侵事件相关。

图6

Fig.6

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	图6 磁性地层划分对比柱状图Fig.6 Division and correlation of magnetic stratigraphic column

(2)槽探方法。为探讨平原区南口— 孙河断裂全新世以来的活动特征及规律, 开挖探槽工程。探槽长约150 m, 宽约3 m, 深约4 m, 总体走向为NE40° , 分为AB、BC和CD, 剖面清楚揭示了南口— 孙河断裂近地表活动性特征(图7)^[21]。

图7

Fig.7

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	图7 百善探槽东壁剖面[21]Fig.7 Section of the east wall of Baishan prospecting trench[21]

研究选取其中CD段进行分析^[21], 在其剖面上可见较多的小型构造发育。其中F_1-2错断了⑧层的粉砂层以下地层, ⑧层两侧地层垂直位移约5 cm, 未见有明显的破碎带特征, 但地层两侧可见明显的牵引构造, 在断裂的左侧, 该层呈透镜状包裹于黏土地层中, 其底面错断明显。⑨层杂色黏质粉砂层向上挤入⑧层的黏土层中, 推测其可能为古地震事件影响形成的震动液化脉。F_1-1错断了⑧层以下的地层。F₁为探槽揭露的主断裂, 剖面表明, 主断裂F₁明显错断了⑨层, 向上延伸至⑧层, 主断裂下降盘⑧-2、⑨层突然消失, ⑧层上部的杂色粉砂质黏土层厚度突增, 在断裂下降盘形成漏斗形态的厚层崩积物, 且具有明显的混杂堆积特征, 粉砂及黏土多呈不规则团块状分布, 局部可见灰黑色薄层状堰塞塘沉积淤泥质沉积物。据AMS ¹⁴C测年结果分析, 主断裂活动的最新时间为(13 620± 60) a BP。CD段上部⑦层褐色黏土层延伸稳定, 未见其错断, 因此可区分F₁和F₂为2 次不同的断错事件。样品TC01-⑨-1, 采样深度为3.8 m, 测试年龄为(16 770± 70) a BP; 样品TC01-⑧-2-1采样深度为3.4 m, 测试年龄为(17 350± 100) a BP; 上下地层年龄出现倒置的现象。由于上述2 件样品分布在主断裂附近, 可能受到断裂破碎带影响, 致使地层年龄数据有误, 但总体反映出受主断裂控制的两盘地层分属不同时代的特征。综合分析认为, 百善探槽中所揭露的地质构造现象证明南口— 孙河断裂北西段第四纪以来至少可识别出2 次古地震事件, 其年龄分别为(9 370± 40)~(9 230± 45) a BP 和(13 960± 60)~(13 620± 90) a BP, 错断地层的最浅深度为1.2 m。

平原(覆盖区)把对地表剖面调查作为重点调查内容(图8), 剖面上地层出露情况好, 便于进行追踪观察与素描, 并编制多条短剖面可进行有效的地层划分与对比, 从而分析地层横向变化(图9), 一定程度上指示了区域沉积或构造沉降背景特征。

图8

Fig.8

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	图8 永定河韩家铺一带河道泥砾层混杂堆积(洪泛作用)剖面Fig.8 Section of mixed deposition (flood) of channel in the vicinity of Hanjiapu in Yongding River

图9

Fig.9

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	图9 浅表层次地层立体展示Fig.9 Three-dimensional display map of shallow strata

依据深部地质调查方法, 建立了钻孔第四纪高精度地质结构, 实施的PGZ01钻孔成果显示, Qp₁/ Qp₂界线位于松山负极性与高斯正极性界线处(M/G)、Qp₂/ Qp₃界线位于布容正极性与松山负极性与界线处(B/M), Qp₃/ Qh界线位于海洋O同位素5阶段位置(岩性上所反映的为暖期和冷期交互沉积的暗色地层和氧化条件下黄褐色地层)。Qh底界位于末次盛冰期结束气候转暖期沉积含有机质的地层附近及AMS ¹⁴C测年大约在10 000 a BP^[13](图10), 结合微体古生物、孢粉等测试, 进一步佐证了地层划分的可靠性和准确性(图11)。

图10

Fig.10

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	图10 PGZ01孔晚新生代以来综合地层柱状图Fig.10 Comprehensive stratigraphic column of the PGZ01 since Late Cenozoic

图11

Fig.11

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	图11 PGZ01孔岩心照片及晚更新世地层划分Fig.11 Core photos and stratigraphic division of the PGZ01 in Late Pleistocene

地下水资源开采利用的主要层位集中在第四纪地层。针对第四纪地质结构, 应用测井沉积学理论, 进一步对含水地层岩性组合进行划分, 确定赋水分布层位、年代及其性质。图12有效圈定了地下水的分布, 显示了地下水赋存空间及其展布规律, 可为城市规划建设所需(应急)水源地的选择以及水资源的合理开发利用提供可靠的地质数据。

图12

Fig.12

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	图12 第四纪地层结构与赋水层位划分对比Fig.12 Structure map of stratum and aquifer in Quaternary

在研究区实施的L05钻孔揭露了商周遗址地区第四纪以来地层, 反映了晚更新世以来古地理、古气候环境演化特征, 为了解商周遗址地区人类活动情况提供了地质背景资料。由图13可见, 全新世以来沉积层相对较薄, 由AMS ¹⁴C测年可见, 其末次冰消期— 全新世地层约3 m多厚。通过L05孔孢粉、微体古生物分析, 存在明显两期气候相对温和潮湿的湖沼环境(图14), 尤其是在L05孔上部AMS ¹⁴C测年为(37 790± 30) a BP、(23 040± 90) a BP, 显示其处于同期海洋O同位素3阶段(MIS3)时期, 所见腹足类及口盖、轮藻及淡水介形类发育, 显示植物繁茂, 水体发育, 周边存在湖沼环境, 气候比较温暖和湿润。与区域上东南部榆垡PGZ01孔3~2 ka期间出现湖沼沉积相比^[13], 遗址区应该是位于较高地貌部位, 处于山前平原高地, 厚度3 m以上全新世地层沉积物以黄褐色为主, 所见孢粉指示是疏林草原植被景观, 气候温凉偏干, 致使平原地区湖沼水体范围缩小, 便于人类生存, 为商周时期的燕国选址奠定了有利的自然条件, 从而促使人们不断向山前平原地区扩展生存。

图13

Fig.13

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	图13 L05孔岩性柱、古地磁极性柱、AMS 14C测年Fig.13 Lithologic column, paleomagnetic polar column and 14C dating of Borehole L05

图14

Fig.14

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	图14 L05孔孢粉(a)与微体古生物(b)综合统计Fig.14 Spore-pollen(a) and microbial biomass(b) in Borehole L05