引用本文
刘志成, 高战武, 徐伟, 袁兆德, 王继, 王万合. 河套断陷带包头凸起的构造特征[J]. 地震地质, 2019,41(5): 1105-1122.
LIU Zhi-cheng, GAO Zhan-wu, XU Wei, YUAN Zhao-de, WANG Ji, WANG Wan-he. TECTONIC CHARACTERISTICS OF BAOTOU UPLIFT IN HETAO DEPRESSION ZONE[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(5): 1105-1122.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.05.003
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河套断陷带包头凸起的构造特征
刘志成1, 高战武1,*, 徐伟1, 袁兆德2, 王继1, 王万合3
1)中国地震灾害防御中心, 北京 100029
2)中国地震局地质研究所, 北京 100029
3)中煤科工集团西安研究院, 西安 710077
*通讯作者: 高战武, 男, 正研级高工, E-mail: 515214334@qq.com。

〔作者简介〕 刘志成, 男, 1990年生, 2014年于北京大学获构造地质学硕士学位, 助理研究员, 现主要从事活动构造、 构造地貌和工程地震研究, 电话: 010-69941143, E-mail: chengchengzhi@126.com。

收稿日期: 2019-03-05
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFC1500401)、 中国科学院战略性先导科技专项(XDA2007030204)和中国地震局地震科技星火计划项目(XH20074)共同资助
摘要

河套断陷带是一个复式断陷盆地, 存在2个次级凸起和3个次级凹陷。 包头凸起分隔了白彦花凹陷和呼和凹陷, 基底为前寒武纪花岗片麻岩, 上覆地层为第四系。 文中利用浅层地震勘探、 活动断裂填图以及跨断层钻孔剖面等手段详细研究了包头凸起的构造特征。 浅层地震勘探揭示白彦花凹陷和呼和凹陷都是北深南浅的箕状凹陷, 包头凸起是SE陡NW缓、 NE宽SW窄的不对称凸起, 西沙湾-兴胜断裂和大青山山前断裂分别为凸起的NW和SE边界断裂。 凸起的SE边界断裂是全新世活动断裂, 属于大青山山前断裂西端的包头段, 其在物探剖面上表现为S倾、 上陡下缓的铲式断裂, 错断了呼和凹陷内的全部沉积地层; 断裂在地表沿晚更新世湖积台地南缘展布, 构造地貌标志显著。 西沙湾-兴胜断裂为隐伏断裂, 地震勘探和钻孔联合剖面都揭示该断裂未错断晚更新世湖相地层, 为早—中更新世断裂。 几何形态、 岩性构成和边界断裂等多方面证据均表明包头凸起是大青山隆起的西延, 分隔了乌拉山山前断裂和大青山山前断裂, 2条断裂构成独立的发震构造。 河套断陷带具有复杂的结构形态, 许多与其相关的科学问题需要进一步系统研究, 解析断陷带的形成与演化过程需要更多地关注断陷带内部的次级构造。

关键词: 河套断陷带; 包头凸起; 大青山山前断裂; 西沙湾-兴胜断裂
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)05-1105-18
TECTONIC CHARACTERISTICS OF BAOTOU UPLIFT IN HETAO DEPRESSION ZONE
LIU Zhi-cheng1, GAO Zhan-wu1, XU Wei1, YUAN Zhao-de2, WANG Ji1, WANG Wan-he3
1)China Earthquake Disaster Prevention Center, Beijing 100029, China
2)Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
3)Xi'an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group, Xi'an 710077, China;
Abstract

The Hetao depression zone, located to the north of Ordos block, is a complex depression basin that consists of two sub-uplifts and three sub-depressions. The depression zone is subject to the regional extensional stress field driven by the Indo-Asian continental collision and the westward subduction of the Pacific Plate. The Baotou uplift that separates the Baiyanhua sub-depression and Huhe sub-depression is mainly composed of Archean gneiss and is overlaid by Quaternary sedimentary strata. The two sub-depressions are bordered by the Wula Mountains and Daqing Mountains to the north, respectively. The bedrock exhumed in Wula Mountains and Daqing Mountains consists mostly of Precambrian granitic gneiss, and the piedmont depressions are infilled by thick Cenozoic strata. The Wulashan piedmont fault and Daqingshan piedmont fault extend along the range front of Wula Mountains and Daqing Mountains, respectively. The subsidence is controlled by the two boundary faults. Previous studies have preliminarily documented the characteristics of the northwest boundary fault of Baotou uplift. Combining shallow seismic exploration, active fault mapping, and geological drilling, this paper presents a detailed study on the tectonic characteristics of the Baotou uplift.
The shallow seismic exploration reveals that the Baotou uplift is an asymmetrical wedge with a steep southeast wing and a gentle dipping northwest wing. The Baotou uplift is wider in the northeastern part and narrows down towards the southwest. In seismic profiles, the Baiyanhua sub-depression and the Huhe sub-depression manifest as asymmetric dustpan-like depressions with south-dipping controlling faults. Baotou uplift is bounded by the Xishawan-Xingsheng Fault to the northwest and Daqingshan piedmont fault to the southeast. The two faults exhibit significant difference in many aspects, such as fault geometry, fault displacement, the latest active time, and so on. The southeast boundary fault of Baotou uplift is the Baotou section of the Daqingshan piedmont fault which is a Holocene active fault and the major boundary fault of Huhe sub-depression. East of Wanshuiquan, the fault strikes EW-NEE; west of Wanshuiquan, the strike changes to NW. The Daqingshan piedmont fault appears as a south-dipping listric fault in seismic profiles whose dip decreases with depth and cuts through all the sedimentary strata in Huhe sub-depression; the fault extends along the late Pleistocene lacustrine platform at surface with prominent geomorphological evidences. The Xishawan-Xingsheng Fault is a buried high-angle normal fault that mainly dips to the northwest and strikes NE. The fault strike changes to NNE at the eastern tip. Based on the results of seismic exploration and geological drilling, the Xishawan-Xingsheng buried fault is an early to middle Pleistocene Fault capped by late Pleistocene lacustrine strata. We reckon that the Xishawan-Xingsheng Fault is one of the synthetic faults that dip towards the main boundary fault of Baiyanhua sub-depression.
Similarities in lithology, geometry, and structural characteristics of south boundary faults all indicate that Baotou uplift is the western extension of Daqing Mountains. Multiple factors may contribute to the formation of Baotou uplift, such as tectonic subsidence and the development of large-scale river system and mega-lake. We suggest that the upwelling of asthenosphere may play a primary role in the evolution of Wulanshan piedmont fault and Daqingshan piedmont fault. Separated by the Baotou uplift, the Wulashan piedmont fault and Daqingshan piedmont fault can be regarded as independent seismogenic faults. The Hetao depression zone is featured by complex inner structures, and many scientific issues are subject to further researches. Thus, more attention should be paid to the secondary structures within the depression zone for a better understanding on the formation and evolution of Hetao depression zone.

Keyword: Hetao depression zone; Baotou uplift; Daqingshan piedmont fault; Xishawan-Xingsheng Fault
0 引言

河套断陷带位于鄂尔多斯块体北缘, 是鄂尔多斯周缘断陷盆地的重要组成部分(图 1), 也是构造活动十分强烈的区域之一。 地质构造和地球动力学研究表明, 断陷带的形成和演化受青藏块体NE向推挤和太平洋板块W向俯冲的联合控制(邓起东等, 1999; Tian et al., 2011; 酆少英等, 2015; 李晨晶等, 2017; 陈兆辉等, 2018)。 中新世以来, 强烈的断陷活动和快速隆升等因素共同塑造了河套断陷带的构造格局和地貌形态(“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; Feng et al., 2017; 徐芹芹等, 2017)。

图 1 研究区地貌及主要构造单元
a 河套盆地数字高程影像及主要断裂分布图; b 包头凸起及其邻区地貌及主要断裂分布图。F1大青山山前断裂; F2西沙湾-兴胜断裂; F3乌拉山山前断裂; F4大树湾断裂; F5乌拉山北缘断裂; F6鄂尔多斯北缘断裂Fig. 1 Topography and main tectonic units of the study area.

河套断陷带是地球科学、 地震地质研究的热点区域之一, 对断陷带的活动构造(马保起等, 1998; 聂宗笙等, 2011; Zhang et al., 2017)、 古地震事件(冉勇康等, 2003; 聂宗笙等, 2010; 李彦宝等, 2015; Dong et al., 2018)以及区域气候变化和环境变迁(李建彪等, 2007; 陈发虎等, 2008; Li et al., 2017; Yang et al., 2018)等方面的研究已经取得了较为丰硕的成果。 但对于断陷带的内部构造, 尤其是分隔次级凹陷的凸起构造, 其几何形态、 构造特征、 形成演化等诸多科学问题尚缺少相关的研究资料。 早期的石油物探和钻孔研究初步揭示了包头凸起的构造特征。 包头凸起在包头市东河区向SW潜入盆地, 分隔白彦花凹陷和呼和凹陷(“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; 赵重远等, 1990)。 马兴全等(2016)利用浅层地震勘探和钻孔联合剖面的方法, 对包头凸起的NW边界断裂进行了研究, 认为该断裂是早更新世断裂。

在包头市活动断层探测和泛第三极地区地震危险性评价等课题的支持下, 项目组利用浅层地震勘探、 活动断裂填图以及跨断层钻孔剖面等手段, 对包头凸起进行了详细探测和研究。 在总结前人工作的基础上, 本文分析了包头凸起的几何形态和构造特征, 为研究河套断陷带的演化提供新的资料。

1 地质概况

河套断陷带是一个复式的断陷盆地(图 1), 自西向东存在西山咀凸起和包头凸起2个凸起, 将断陷带分隔为临河凹陷、 白彦花凹陷和呼和凹陷(“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; 赵重远等, 1990)。 其中, 白彦花凹陷和呼和凹陷的北边界为乌拉山-大青山隆起, 沿隆起南麓发育乌拉山山前断裂和大青山山前断裂, 两者都是晚第四纪活动断裂, 构造地貌特征显著。 乌拉山山前断裂活动具有空间上的不均匀性, 构造地貌、 活动速率、 盆地沉降及水系地貌等都显示出西强东弱的断裂活动特征(马保起等, 1998)。 大青山山前断裂主体沿大青山南麓展布, 西端延入河套盆地, 断裂在盆地内的段落构成包头凸起的SE边界。 包头凸起的NW边界断裂为西沙湾-兴胜断裂, 又称包头断裂(马兴全等, 2016), 构成分隔包头凸起和白彦花凹陷的边界断裂。

乌拉山-大青山隆起主要出露前寒武纪基底花岗片麻岩, 山前断陷盆地沉积了巨厚的新生界, 山前平原主要出露晚更新世— 全新世地层。 在晚更新世, 河套断陷带发育了覆盖整个断陷带的古大湖, 是区域重要的古气候及古环境演化事件, 其标志性的湖相地层在钻孔、 台地中大量揭露, 该套地层可与标准的萨拉乌苏组地层对比(聂宗笙等, 1988; 邓金宪等, 2007; 李建彪等, 2007; 陈发虎等, 2008)。 河套地区晚第四纪地层存在多种划分方案, 但这些方案基本都认为湖相地层底界是(或接近)上更新统底界。 最近, Yang等(2018)对色尔腾山山前的湖相地层剖面开展了同位素、 磁化率和粒度等分析, 结合OSL和14C测年结果, 推断古大湖的发育时代为150~18kaiBP。

2 浅层地震勘探
2.1 测线设备及参数

地球物理勘探是城市活动断层探测最重要的技术方法之一, 其可有效揭示地下地质构造, 还能为钻孔联合剖面探测提供断点信息(邓起东等, 2003; 何正勤等, 2007)。 在包头市城市活动断层探测工作中, 项目组对包头凸起开展了浅层地震勘探工作, 布设了多条长度不一的地震测线(图 2, 图 3)。 其中, KQD2-1、 KQD1-2和N3测线覆盖了整个包头凸起, 其余测线主要针对西沙湾-兴胜断裂布设。 地震勘探工作由中煤科工集团西安研究院有限公司实施, 基本参数如下:

(1)观测系统: XKCZ7和N2测线为2m道距, 360道接收; N3和KQD3测线采用3m道距, 其余测线为5m道距, 240道接收; 激发方式采用不对称中点激发, 叠加次数> 15次。

(2)数据采集: N2、 N3和XKCZ7测线采用加拿大Aries数字地震仪, 60Hz检波器, 采样间隔0.5m, 记录长度1.5s; 其余测线采用Geode DZ数字地震仪, 60Hz检波器, 采样间隔0.5ms或1ms, 记录长度0.5s或2s。

(3)激发因素: 使用28t的KZ-28型可控震源, 震动台数1台, 震动次数4~6次, 扫描方式为线性升频, 扫描频率为20~140Hz, 扫描长度12s, 驱动电平70%~75%。

图 2 研究区地质简图
F1大青山山前断裂; F2西沙湾-兴胜断裂; F3乌拉山山前断裂; F4大树湾断裂。物探剖面: ①KQD2-1; ②KQD1-2; ③N3; ④KQD1-3; ⑤N2; ⑥XKCZ7; ⑦KQD3; ⑧DZ-1Fig. 2 Simplified geological map of the study area.

图 3 典型测线地震反射剖面及解译图Fig. 3 Stacked time section and interpretation for representative shallow seismic profiles.

2.2 典型测线地质解释

KQD2-1测线沿包头市建设路布设, 全长约21km。 剖面地质现象清晰, 同相轴明显, 由NW向SE依次展示了白彦花凹陷、 包头凸起与呼和凹陷的构造形态(图3a)。 在剖面上识别了多个强反射界面, 包括晚更新世湖相地层(TQ32 和TQ31)、 基底基岩面(Tg)等, 同时解译了3个正断点。 剖面NW段为白彦花凹陷南缘, 凹陷上部地层近水平, 下部地层W倾于凹陷中心。 剖面SE段为呼和凹陷, 地层倾向于凹陷的北边界断裂, 呈北深南浅的箕状形态, 沉积地层的厚度和埋深向凹陷北缘逐渐增大。 夹于2个凹陷之间的是反射波组不发育的包头凸起, 呈NE缓、 SW陡的不对称形态。 呼和凹陷的北边界断裂是剖面上最醒目的断裂构造, 错断了凹陷内的全部反射界面, 第四系断距达1i000m以上。 剖面中部的断点为西沙湾-兴胜断裂, 呈倾向NW的高角度正断裂, 错断了基底基岩面(Tg), 上断点位于第四系底界(TQ)之下, 埋深约95m。

KQD1-3测线位于麻池以南, 主要揭示呼和凹陷的构造特征, 凹陷上部地层近水平, 下部地层倾向于主断裂(图3b)。 在呼和凹陷内部可识别数条陡立的次级正断裂, 呈阶状分布, 在底部归并于主断裂上。 由于断裂牵引作用, 上盘靠近主断裂的地层产生了弯曲变形。 主断裂呈上陡下缓的铲式断裂, 受障碍物影响, 测线北部未能跨过主断裂上部, 但沿断裂延伸方向追踪, 在地表能识别出明显的断层陡坎。

KQD3和KDQ1-2测线位于昆都仑河以东, 古河道的存在影响了该剖面的质量。 KQD3测线主要揭示了白彦花凹陷南缘的地层特征, 上部地层近水平, 下部地层N倾(图3c)。 KQD1-2测线信噪比一般, 波阻抗界面较少, 但局部较清晰(图3d)。 测线南端断点倾向SE, 视倾角上陡下缓, 错断了湖相地层(TQ32), 断裂以北为反射波组不发育的包头凸起。 西沙湾-兴胜断裂位于包头凸起的北侧, 倾向NW, 视倾角约62° , 错断了第四系底界。

2.3 凸起边界断裂

包头凸起的南、 北边界都由断裂控制, 浅层地震勘探揭示2条断裂的特征存在显著差异。 SE边界断裂的活动性明显强于NW边界断裂, 在地震剖面上的识别标志也更为清晰。 表1 和表2 统计了包头凸起边界断裂断点的构造特征、 投影位置等信息, 西沙湾-兴胜断裂的NE端控制点根据马兴全等(2016)布设的DZ-1地震测线和钻孔联合剖面确定。

表1 大青山山前断裂断点信息 Table1 Characteristics of interpreted fault points of Daqingshan piedmont fault
表2 西沙湾-兴胜断裂断点信息 Table2 Characteristics of interpreted fault points of Xishawan-Xingsheng Fault

物探剖面上, 包头凸起的SE边界断裂为S倾的铲式断裂, 断裂倾角随着深度增加而减小, 呈上陡下缓的弧形(图 3, 表1 )。 断裂具有长期活动的特征, 控制了呼和凹陷北缘的基底形态和地层沉积, 断裂上盘为巨厚的新生界, 第四系厚度> 1i000m。 断裂南侧晚更新世湖相地层的厚度和埋深均大于北侧湖相地层的厚度和埋深, 上断点埋深接近地表, 表明晚第四纪以来断裂仍有强烈的活动。

西沙湾-兴胜断裂两侧的波组特征差异明显, 断裂上盘为沉降盆地(白彦花凹陷), 下盘为反射波组不发育的潜山(包头凸起)。 根据物探结果(图 3, 表2 ), 西沙湾-兴胜断裂总体走向为NE, 在东端转为NNE。 断裂为倾向NW的高角度正断层, 倾角为60° ~80° , 上断点埋深一般在100m以浅。 断裂主要错断基底基岩面, 局部错断第四系底界, 晚更新世以来无活动迹象。

3 包头凸起的几何形态

基于大量浅层地震勘探工作, 本文精确厘定了包头凸起在包头地区的空间展布和几何形态, 并初步揭示了凸起的构造特征。 包头凸起是SE陡NW缓、 SW窄NE宽的不对称凸起, 凸起的SW端仅宽数km, NE端的宽度逐渐扩展至近十km。 物探剖面上, 凸起区的反射波不明显, 钻孔资料揭示基岩凸起的岩性为前寒武纪花岗片麻岩(“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988), 第四系不整合于变质岩之上, 厚度不一。 早期的石油物探剖面在黄河南岸也揭示了相似形态的凸起构造(“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; 聂宗笙等, 2011), 应当是包头凸起往黄河南岸的延伸。 稍有不同的是在黄河南岸的昭君镇, 基岩出露地表形成陡立的台地。

由北向南, 包头凸起分隔了白彦花凹陷和呼和凹陷。 虽然地震测线未覆盖白彦花凹陷的北边界断裂, 但剖面上2个凹陷呈现了相似的构造特征。 因此, 2个凹陷都是北深南浅的箕状凹陷, 其几何形态和地层沉积受北边界断裂控制, 凹陷内部的地层总体呈现由南向北逐渐增厚的趋势。 包头凸起的构造位置决定了凸起边界断裂具有截然不同的活动特征。 凸起的SE边界断裂出露地表构成台地的边界, 对晚第四纪地层的分布有显著的控制作用; 北边界断裂在地貌上无显示, 为隐伏断裂(图 4, 图 5)。

图 4 包头地区地层厚度等值线图Fig. 4 Contour map showing the stratum thickness in Baotou area.

a 湖相层之上地层的厚度等值线图; b 晚更新世湖相地层的厚度等值线图。高程数据源自 1︰1万和 1︰25万地形图, 地层厚度根据地质资料①（①内蒙古自治区环境地质监测总站, 1985, 包头市上更新统与全新统地层厚度等值线图、包头市中更新统上统地层（淤泥）厚度分区图。）数字化绘制, 单位为m; 由于地层划分方案不同, 原图的“ 中更新统上统地层(淤泥层)” 应当为晚更新世湖相地层台地主要由湖相地层构成, 南缘为高20~30m的陡坎, 没有明显的北边界(图 4, 图5a— c)。 盆地内湖积台地宽阔平坦, 高程相对稳定, 台地东端与大青山相接(图5d)。 除个别区域被河流侵蚀或人为改造外, 台地连续延伸至大青山南麓, 湖相地层继续呈狭长条带状台地展布于大青山山前, 与基岩呈不整合接触。 前人对万水泉一带的湖相地层进行了14C测年, 结合台地中采集的动物化石, 分析认为台地湖相地层形成于晚更新世(聂宗笙等, 1988; 马保起等, 2004; 梁阿如娜, 2011)。 考虑到2条边界断裂的出露差异, 对凸起的SE边界断裂和NW边界断裂分别开展了活动构造大比例尺填图和钻孔联合地质剖面研究, 进一步明确了断裂的活动特征。

图 5 研究区地形剖面
a 剖面跨乌拉山山前断裂和大青山山前断裂; b、 c 剖面跨大青山山前断裂; d 剖面反映台地地势平坦。 剖面位置见图 4bFig. 5 Topographic profiles in the study area.

4 大青山山前断裂
4.1 断裂地表特征

包头凸起的SE边界断裂出露地表, 沿湖积台地南缘展布, 以北为湖积台地, 以南为冲积平原, 主要表现为陡坎、 断层崖等地貌(图 2, 图 6)。 断裂沿西召咀子、 麻池、 万水泉和东河区呈弧形延伸, 大致以万水泉为界, 在万水泉以东断裂为近EW走向, 以西为NE— NEE走向。

在昆都仑河以东的西召咀子发育孤立的NE向台地, 呈南陡北缓的掀斜状, 台地南缘为高约25m的陡崖(图5b, 图6a)。 断裂沿台地南缘发育, 错断了湖相砂层及上覆的棕灰色风积砂土层(图6b), 断面光滑, 倾角为60° , 发育正倾滑擦痕。 进入包头市区, 受人类活动影响, 断裂地貌多被改造为坡度相对较缓的斜坡(图6c— e)。 东河区以东, 断裂继续沿大青山南麓呈近EW向延伸, 发育多级台地, 断裂在剖面上多表现为阶状正断层(图6f), 其中Ⅱ 级台地对应研究区内的湖积台地。

为确定断裂的准确位置并揭示断裂的古地震特征, 在万水泉、 西脑包等地通过开挖或清理的方式获取了清晰的断裂剖面, 均揭露湖相地层及上覆的风积亚砂土层被断裂错断(图6c— e), 并识别了全新世以来的古地震事件(相关成果另文发表)。

图 6 大青山山前断裂野外照片
a 西召咀子, 高约25m的断层陡崖; b 西召咀子, 断裂错断湖相地层, 为典型的正断层, 倾角60° ; c 万水泉, 断裂沿湖积台地南缘展布; d 东河区西脑包, 断裂地貌被改造成大斜坡; e 东河区西脑包, 探槽揭示断裂错断湖相地层; f 东河区河东镇, 大青山南麓发育多级台地Fig. 6 Field photographs of Daqingshan piedmont fault.

4.2 断裂活动特征

浅层地震勘探和地质地貌调查表明包头凸起的SE边界断裂是一条全新世强烈活动的断裂。 断裂为正倾滑性质, 地质剖面上表现为中— 高倾角正断层或阶梯状正断层, 在地震剖面上表现为上陡下缓的铲式断裂。 在地表, 断裂构成台地与盆地的地貌分界, 断裂北侧为湖积台地, 以南为全新统黄河冲洪积地层; 在地壳浅部, 断裂分隔了包头凸起与呼和凹陷, 构成基岩潜山与第四系的分界。

包头凸起SE边界断裂的浅部和地表构造特征与大青山南麓山前活动断裂的构造特征基本一致, 这表明凸起的SE边界断裂是大青山山前断裂向盆地的延伸。 前人通常将大青山山前断裂划分为5段, 断裂在盆地内的段落称为包头段或召湾— 雪海沟段, 分段依据主要包括构造地貌、 古地震、 盆地沉降等方面的差异(冉勇康等, 2003; 何仲太等, 2007)。

第四纪以来, 呼和凹陷的沉降中心位于包头东的土默特右旗一带(赵重远等, 1990), 第四系厚度可达2i000m以上, 向两端第四系厚度逐渐降低。 包头凸起的SE边界断裂属于大青山山前断裂西端, 断裂走向存在明显的弧形转折, 断裂上盘第四系厚度> 1i000m, 但在地表没有形成与之相匹配的基岩隆起(图5d)。 这一地貌特征与黄河侵蚀以及古大湖的发育有着密切联系。

5 西沙湾-兴胜断裂
5.1 钻孔联合剖面

钻孔联合剖面是确定隐伏断裂准确位置和活动习性的重要技术手段之一(徐锡伟等, 2000; 张世民等, 2008), 基于浅层地震勘探的钻孔联合剖面方法已经被广泛应用于城市活动断层探测(邓起东等, 2003; 朱金芳等, 2005; 雷启云等, 2008)。 西沙湾-兴胜断裂是隐伏断裂, 根据测线KQD2-1确定的上断点地表投影位置, 在紧临测线的位置平行测线走向布设了1排钻孔, 称为建设路钻孔剖面(图 7)。

图 7 建设路剖面钻孔布设位置图Fig. 7 Borehole locations of the Jianshe Road composite drilling section.

钻孔剖面揭露的地层主要由黏土、 粉砂、 细砂和砾砂等组成, 根据岩性、 颜色等特征, 自上而下将钻孔土芯划分为3个大层, 并确定了3个标志层。

层①深约15m, 上部为人为扰动的素填土, 底部为分选、 磨圆较差的粗砂、 砾砂, 砾石直径多为0.5~2cm, 最大可达3~4cm。

层②深15~40m, 是典型的湖相地层。 顶部和底部为具水平层理的黄绿色粉砂层, 分别确定为标志层B1和B2, 反映滨湖-浅湖环境; 中部为厚约20m的灰黑色含有机质黏土、 粉细砂, 具纹层构造, 反映静水沉积环境。

层③深度> 40m, 主要是冲积相红褐色、 黄褐色黏土, 局部夹粉砂、 细砂层, 普遍发育钙质结核或钙板, 将70~80m深处出现的1套厚约4m的细砂、 含砾砂层确定为标志层B3。

标志层B1和B2分别对应层②的顶界和底界, 层位深度略有起伏, 但基本连续, 无明显落差(图 8, 表3 )。 根据ZK-4中黏土样品的14C测年结果, 结合前人在河套断陷带开展的湖相地层研究(李建彪等, 2007; 陈发虎等, 2008; Yang et al., 2018), 认为层②形成于河套断陷带最新的古大湖事件, 所对应的时代为晚更新世大部分时期。 层②和层①清晰地展示了晚更新世古大湖形成、 扩张、 退缩至消亡的演化过程。 在钻孔ZK-1和ZK-2中, 标志层B3有明显的落差, 推测是断裂活动所致, 断距> 4m。 总之, 识别的断裂未错断晚更新世湖相地层, 表明断裂晚第四纪以来不活动。

图 8 建设路钻孔联合地质剖面
1 黏土; 2 粉砂; 3 细砂; 4 含砾砂层、 砾砂; 5 素填土; 6 灰黑色地层; 7 黄绿色地层; 8 钙板; 9 14C样品Fig. 8 Geological sketch of the Jianshe Road composite drilling section.

表3 建设路钻孔岩心标志层深度 Table3 Depth of the key beds in the Jianshe Road composite drilling section
5.2 断裂活动特征

浅层地震勘探揭示西沙湾-兴胜断裂主要错断基底基岩面, 钻孔资料显示断裂对晚第四纪地层的分布无明显控制作用(图 4)。 钻孔联合剖面进一步证实西沙湾-兴胜断裂未错断晚更新世湖相地层。 因此, 本文认为西沙湾-兴胜断裂的最新活动时代为早— 中更新世, 这一认识与前人的研究结果基本一致。 马兴全等(2016)在乌素图公园北侧布设的钻孔联合剖面揭示西沙湾-兴胜断裂具有生长断层属性, 断裂错断下更新统, 对上覆的晚更新世湖相地层无影响。

与大青山山前断裂相比, 西沙湾-兴胜断裂的规模较小、 活动性较弱, 结合区域伸展构造背景, 西沙湾-兴胜断裂应当是白彦花凹陷演化过程中协调北边界断裂(乌拉山山前断裂)活动而发育的反向正断裂, 晚第四纪以来断裂已经停止活动。 在研究区, 西沙湾-兴胜断裂在东端转为NNE走向, 白彦花凹陷的宽度向E逐渐缩小, 同时乌拉山山前断裂的构造地貌也趋于不明显。 这些特征都是西沙湾-兴胜断裂活动呈西强东弱的反映。

6 讨论

根据几何形态和边界断裂特征可知, 包头凸起是隐伏于河套断陷带内部的不对称凸起, 与地表的大青山一起构成了呼和凹陷的北界。 钻孔资料、 地震勘探以及黄河南岸的露头剖面均表明包头凸起由前寒武纪花岗片麻岩构成, 与大青山出露的基底岩性一致。 空间展布上, 大青山的西端和包头凸起的东端是连续的, 同时地震勘探和地质调查也表明二者之间未发育明显的断裂构造。 基于以上分析, 本文认为包头凸起是大青山山脉向W延伸进入盆地形成的潜山。 大青山是典型的掀斜式山脉, 由于包头凸起位于断陷带的内部, 凸起的构造形态与地表的乌拉山隆起更为相似, 但总体仍呈现SE陡、 NW缓的掀斜特征。 显然, 古湖和大型河流的发育、 断陷盆地长期沉降等因素, 共同导致了原先的大青山西端隐伏于断陷带内部。

图 9 包头凸起三维示意图Fig. 9 Three-dimensional schematic diagram of Baotou uplift.

作为大青山隆起的西延, 包头凸起不仅分隔了白彦花凹陷和呼和凹陷, 对2个凹陷北边界断裂的展布和演化也起着重要的控制作用。 转换构造(Relay Structures)被认为是伸展背景下正断裂生长和连接的重要机制(Peacock et al., 1991, 1994; 董进等, 2004; 陈昭年等, 2005), 在这一模式中, 正断裂经历独立断裂、 软连接及硬连接等阶段的演化。 乌拉山山前断裂和大青山山前断裂之间存在大范围的同向叠置, 其形态与转换斜坡(Relay Ramp)有一定的相似性, 假设断裂遵循转换斜坡的演化模式, 那么断裂应当处于软连接的较早期阶段。 此外还存在另一种可能, 深部构造如软流圈上涌(Tian et al., 2011; 李晨晶等, 2017)是控制断裂演化的主要机制, 2条断裂的演化是相对独立的。 物探研究、 断裂填图都表明在叠置区域内未发育连接2条断裂的次级活动断裂, 而且包头凸起可能一直延伸至河套断陷带的南边界。 因此, 本文认为后一种机制更合理。 但无论哪种演化模式, 现有的资料都表明上述2条断裂构成相对独立的发震构造。

河套断陷带经历了长期的演化, 具有较为复杂的结构形态(“ 鄂尔多斯周缘活动断裂系” 课题组, 1988; 赵重远等, 1990; 杨会峰等, 2017), 很多科学问题有待于进一步的研究, 如包头凸起与河套断陷带南边界断裂(鄂尔多斯北缘断裂)的构造关系、 河套断陷带内部次级凸起的构造对比。 加强对断陷带内部凸起构造的系统勘探和研究具有重要科学和社会意义, 这不仅有助于提升对河套断陷带的形成演化、 活动构造展布及孕震机理等科学问题的认识, 也能更好地服务于河套地区的防震减灾事业。

7 结论

本文通过浅层地震勘探、 断裂填图和钻孔联合剖面等方法对河套断陷带包头凸起的几何形态和构造特征进行了系统研究, 取得的主要结论如下:

(1)包头凸起是SE陡、 NW缓的不对称凸起, 分隔了白彦花凹陷和呼和凹陷, 二者都是北深南浅的箕状凹陷。

(2)包头凸起的SE边界断裂属于大青山山前断裂包头段, NW边界断裂为西沙湾-兴胜隐伏断裂, 前者是全新世活动断裂, 后者是第四纪早期断裂。

(3)根据凸起的几何形态、 边界断裂及岩性构成等特征, 本文认为包头凸起是大青山山脉向断陷带内部延伸形成的潜山。

(4)包头凸起对乌拉山山前断裂和大青山山前断裂的展布和演化起着重要的控制作用, 乌拉山山前断裂和大青山山前断裂构成相对独立的发震构造。

致谢 本研究的野外工作得到了包头市地震局的大力支持; 审稿人对文章提出了建设性的修改意见; 14C样品的测试工作由美国BETA实验室完成。 在此一并表示感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] 陈发虎, 范育新, Madsen D B, 等. 2008. 河套地区新生代湖泊演化与“吉兰泰-河套”古大湖形成机制的初步研究[J]. 第四纪研究, 28(5): 866—873.
CHEN Fa-hu, FAN Yu-xin, Madsen D B, et al. 2008. Preliminary study on the formation mechanism of the “Jilantai-Hetao”Megalake and the lake evolutionary history in Hetao region[J]. Quaternary Sciences, 28(5): 866—873(in Chinese). [本文引用:3]
[2] 陈兆辉, 王椿镛, 楼海. 2018. 鄂尔多斯地块地壳上地幔速度结构及构造意义[J]. 科学通报, 63(3): 327—339.
CHEN Zhao-hui, WANG Chun-yong, LOU Hai. 2018. Crust and upper mantle velocity structure beneath the Ordos Block and its tectonic significance[J]. Chinese Science Bulletin, 63(3): 327—339(in Chinese). [本文引用:1]
[3] 陈昭年, 陈发景, 王琦. 2005. 正断层软联接及其传递带类型[J]. 现代地质, 19(4): 495—499.
CHEN Zhao-nian, CHEN Fa-jing, WANG Qi. 2005. Types of normal faults’ soft linkage and corresponding transfer zones[J]. Geoscience, 19(4): 495—499. [本文引用:1]
[4] 邓金宪, 刘正宏, 徐仲元, 等. 2007. 包头地区晚更新世—全新世地层划分对比及环境变迁[J]. 地层学杂志, 31(2): 133—140.
DENG Jin-xian, LIU Zheng-hong, XU Zhong-yuan, et al. 2007. Subdivision and correlation of the late Pleistocene-Holocene strata in the Baotou area and its paleoenvironment variation[J]. Journal of Stratigraphy, 31(2): 133—140. [本文引用:1]
[5] 邓起东, 程绍平, 闵伟, 等. 1999. 鄂尔多斯块体新生代构造活动和动力学的讨论[J]. 地质力学学报, 5(3): 13—21.
DENG Qi-dong, CHENG Shao-ping, MIN Wei, et al. 1999. Discussion on Cenozoic tectonics and dynamics of Ordos block[J]. Journal of Geomechanics, 5(3): 13—21(in Chinese). [本文引用:1]
[6] 邓起东, 徐锡伟, 张先康, 等. 2003. 城市活动断裂探测的方法和技术[J]. 地学前缘, 10(1): 93—104.
DENG Qi-dong, XU Xi-wei, ZHANG Xian-kang, et al. 2003. Methods and techniques for surveying and prospecting active faults in urban areas[J]. Earth Science Frontiers, 10(1): 93—104(in Chinese). [本文引用:2]
[7] 董进, 张世红, 姜勇彪. 2004. 正断层位移长度关系及其研究意义[J]. 地学前缘, 11(4): 575—584.
DONG Jin, ZHANG Shi-hong, JIANG Yong-biao. 2004. The displacement-length relationship of faults and its significance[J]. Earth Science Frontiers, 11(4): 575—584(in Chinese). [本文引用:1]
[8] “鄂尔多斯周缘活动断裂系”课题组. 1988. 鄂尔多斯周缘活动断裂系 [M]. 北京: 地震出版社: 39—76.
Research Group on Active Fault System around Ordos Massif. 1988. Active Fault System around Ordos Massif [M]. Seismological Press, Beijing: 39—76(in Chinese). [本文引用:6]
[9] 酆少英, 刘保金, 姬计法, 等. 2015. 呼和浩特-包头盆地岩石圈细结构的深地震反射探测[J]. 地球物理学报, 58(4): 1158—1168.
FENG Shao-ying, LIU Bao-jin, JI Ji-fa, et al. 2015. The survey on fine lithospheric structure beneath Hohhot-Baotou Basin by deep seismic reflection profile[J]. Chinese Journal of Geophysics, 58(4): 1158—1168(in Chinese). [本文引用:1]
[10] 何正勤, 陈宇坤, 叶太兰, 等. 2007. 浅层地震勘探在沿海地区隐伏断层探测中的应用[J]. 地震地质, 29(2): 363—372.
HE Zheng-qin, CHEN Yu-kun, YE Tai-lan, et al. 2007. Application of shallow seismic exploration in detection of buried fault in coastal areas[J]. Seismology and Geology, 29(2): 363—372(in Chinese). [本文引用:1]
[11] 何仲太, 马保起, 卢海峰. 2007. 大青山山前活动断裂带分段与潜在震源区划分[J]. 地震地质, 29(4): 765—775.
HE Zhong-tai, MA Bao-qi, LU Hai-feng. 2007. Active fault segmentation and the identification of potential seismic zones along the Daqingshan piedmont fault[J]. Seismology and Geology, 29(4): 765—775(in Chinese). [本文引用:1]
[12] 雷启云, 柴炽章, 孟广魁, 等. 2008. 银川隐伏断层钻孔联合剖面探测[J]. 地震地质, 30(1): 250—261.
LEI Qi-yun, CHAI Chi-zhang, MENG Guang-kui, et al. 2008. Composite drilling section exploration of Yinchuan buried fault[J]. Seismology and Geology, 30(1): 250—261(in Chinese). [本文引用:1]
[13] 李晨晶, 白登海, 薛帅, 等. 2017. 鄂尔多斯地块深部岩石圈电性结构研究[J]. 地球物理学报, 60(5): 1788—1799.
LI Chen-jing, BAI Deng-hai, XUE Shuai, et al. 2017. A magnetotelluric study of the deep electric structure beneath the Ordos Block[J]. Chinese Journal of Geophysics, 60(5): 1788—1799(in Chinese). [本文引用:2]
[14] 李建彪, 冉勇康, 郭文生. 2007. 呼包盆地第四纪地层与环境演化[J]. 第四纪研究, 27(4): 632—644.
LI Jian-biao, RAN Yong-kang, GUO Wen-sheng. 2007. Division of Quaternary beds and environment evolution on Hubao Basin in China[J]. Quaternary Sciences, 27(4): 632—644(in Chinese). [本文引用:3]
[15] 李彦宝, 冉勇康, 陈立春, 等. 2015. 河套断陷带主要活动断裂最新地表破裂事件与历史大地震[J]. 地震地质, 37(1): 110—125. doi: DOI: 103969/j. issn. 0253-4967. 2015. 01. 009.
LI Yan-bao, RAN Yong-kang, CHEN Li-chun, et al. 2015. The latest surface rupture events on the major active faults and great historical earthquakes in Hetao fault-depression zone[J]. Seismology and Geology, 37(1): 110—125(in Chinese). [本文引用:1]
[16] 梁阿如娜. 2011. 晚第四纪包头盆地古湖演化与环境变迁 [D]. 呼和浩特: 内蒙古师范大学.
LIANG-A Ru-na. 2011. The evolution of paleo-lake and transition of the environment since Late Pleistocene in Baotou Basin[D]. Inner Mongolia Normal University, Hohhot(in Chinese). [本文引用:1]
[17] 马保起, 李德文, 郭文生. 2004. 晚更新世晚期呼包盆地环境演化与地貌响应[J]. 第四纪研究, 24(6): 630—637.
MA Bao-qi, LI De-wen, GUO Wen-sheng. 2004. Geomorphological response to environmental changes during the late stage of late Quaternary in Hubao Basin[J]. Quaternary Sciences, 24(6): 630—637(in Chinese). [本文引用:1]
[18] 马保起, 盛小青, 张守仁, 等. 1998. 乌拉山山前断裂晚第四纪活动研究 [G]∥ 中国地震局地壳应力研究所编. 地壳构造与地壳应力文集(11. 北京: 地震出版社: 22—27.
MA Bao-qi, SHENG Xiao-qing, ZHANG Shou-ren, et al. 1998. Late Quaternary activities of the Wulashan piedmont fault[G]∥ Institute of Crustal Dynamics, CEA(ed). Collected Works on Crustal Structure and Crustal Stress(11), Seismological Press, Beijing: 22—27(in Chinese). [本文引用:2]
[19] 马兴全, 孙杰, 赵显刚, 等. 2016. 河套断陷带包头断裂第四纪活动性研究[J]. 地震地质, 38(4): 874—884. doi: DOI: 103969/j. issn. 0253-4967. 2016. 04. 006.
MA Xing-quan, SUN Jie, ZHAO Xian-gang, et al. 2016. The study of Quaternary activity of Baotou Fault in Hetao active fault subsidence zone[J]. Seismology and Geology, 38(4): 874—884(in Chinese). [本文引用:2]
[20] 聂宗笙, 李克. 1988. 内蒙古包头地区萨拉乌苏组的发现及其意义[J]. 科学通报, 33(21): 1645—1649.
NIE Zong-sheng, LI Ke. 1988. Discovery and significance of Salawusu formation in Baotou area, Inner Mongolia[J]. Chinese Science Bulletin, 33(21): 1645—1649(in Chinese). [本文引用:2]
[21] 聂宗笙, 任云, 刘志明, 等. 2011. 内蒙古包头市区大青山山前断裂地震活动断层初步研究[J]. 现代地质, 25(5): 938—957.
NIE Zong-sheng, REN Yun, LIU Zhi-ming, et al. 2011. Preliminary study on seismic active faults of the Daqingshan frontal fault in Baotou City, Inner Mongolia[J]. Geosciences, 25(5): 938—957(in Chinese). [本文引用:2]
[22] 聂宗笙, 吴卫民, 马保起. 2010. 公元849年内蒙古包头东地震地表破裂带及地震参数讨论[J]. 地震学报, 32(1): 94—107.
NIE Zong-sheng, WU Wei-min, MA Bao-qi. 2010. Surface rupture of the 849AD earthquake occurred to the east of Baotou City, China, and discussion on its parameters[J]. Acta Seismologica Sinica, 32(1): 94—107(in Chinese). [本文引用:1]
[23] 冉勇康, 张培震, 陈立春. 2003. 河套断陷带大青山山前断裂晚第四纪古地震完整性研究[J]. 地学前缘, 10(S1): 207—215.
RAN Yong-kang, ZHANG Pei-zhen, CHEN Li-chun. 2003. Research on the completeness of paleoseimic activity history since Quaternary along the Daqingshan piedmont fault in Hetao depression zone, North China[J]. Earth Science Frontiers, 10(S1): 207—215(in Chinese). [本文引用:2]
[24] 徐芹芹, 季建清, 赵文韬, 等. 2017. 内蒙古大青山晚中生代以来的隆升-剥露过程[J]. 北京大学学报(自然科学版), 53(1): 57—65.
XU Qin-qin, JI Jian-qing, ZHAO Wen-tao, et al. 2017. Uplift-exhumation history of Daqing Mountain, Inner Mongolia since late Mesozoic[J]. Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, 53(1): 57—65(in Chinese). [本文引用:1]
[25] 徐锡伟, 计凤桔, 于贵华, 等. 2000. 用钻孔地层剖面记录恢复古地震序列: 河北夏垫断裂古地震研究[J]. 地震地质, 22(1): 9—19.
XU Xi-wei, JI Feng-ju, YU Gui-hua, et al. 2000. Reconstruction of paleoearthquake sequence using stratigraphic records from drill logs: A study at the Xiadian Fault, Beijing[J]. Seismology and Geology, 22(1): 9—19(in Chinese). [本文引用:1]
[26] 杨会峰, 张翼龙, 孟瑞芳. 2017. 河套盆地构造控水研究及地下水系统划分[J]. 干旱区资源与环境, 31(3): 177—184.
YANG Hui-feng, ZHANG Yi-long, MENG Rui-fang. 2017. Study on water-controlling mechanism of structures and dividing result of groundwater system in Hetao Basin, Inner Mongolia[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 31(3): 177—184(in Chinese). [本文引用:1]
[27] 张世民, 王丹丹, 刘旭东, 等. 2008. 北京南口-孙河断裂晚第四纪古地震事件的钻孔剖面对比与分析[J]. 中国科学(D辑), 38(7): 881—895.
ZHANG Shi-min, WANG Dan-dan, LIU Xu-dong, et al. 2008. Using borehole core analysis to reveal Late Quaternary paleoearthquakes along the Nankou-Sunhe Fault, Beijing[J]. Science in China(Ser D), 38(7): 881—895. [本文引用:1]
[28] 赵重远, 刘池洋. 1990. 华北克拉通沉积盆地形成与演化及其油气赋存 [M]. 西安: 西北大学出版社: 126—155.
ZHAO Zhong-yuan, LIU Chi-yang. 1990. The Formation and Evolution of the Sedimentary Basins and Their Hydrocarbon Occurrence in the North China Craton [M]. Northwest University Press, Xi'an: 126—155. [本文引用:4]
[29] 朱金芳, 徐锡伟, 黄宗林, 等. 2005. 福州市活断层探测与地震危险性评价 [M]. 北京: 科学出版社 : 246—278.
ZHU Jin-fang, XU Xi-wei, HUANG Zong-lin, et al. 2005. Active Faults Exploration and Seismic Hazard Assessment in Fuzhou City [M]. Science Press , Beijing: 246—278(in Chinese). [本文引用:1]
[30] Dong S P, Zhang P Z, Zheng W J, et al. 2018. Paleoseismic observations along the Langshan range-front fault, Hetao Basin, China: Tectonic and seismic implications[J]. Tectonophysics, 730: 63—80. [本文引用:1]
[31] Feng L X, Brown R W, Han B F, et al. 2017. Thrusting and exhumation of the southern Mongolian Plateau: Joint thermochronological constraints from the Langshan Mountains, western Inner Mongolia, China[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 144: 287—302. [本文引用:1]
[32] Li B F, Sun D H, Xu W H, et al. 2017. Paleomagnetic chronology and paleoenvironmental records from drill cores from the Hetao Basin and their implications for the formation of the Hobq Desert and the Yellow River[J]. Quaternary Science Reviews, 156: 69—89. [本文引用:1]
[33] Peacock D C P, Sand erson D J. 1991. Displacements, segment linkage and relay ramps in normal fault zones[J]. Journal of Structural Geology, 13(6): 721—733. [本文引用:1]
[34] Peacock D C P, Sand erson D J. 1994. Geometry and development of relay ramps in normal fault systems[J]. American Association of Petroleum Geologists Bulletin, 78(2): 147—165. [本文引用:1]
[35] Tian X, Teng J, Zhang H, et al. 2011. Structure of crust and upper mantle beneath the Ordos Block and the Yinshan Mountains revealed by receiver function analysis[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 184(3): 186—193. [本文引用:2]
[36] Yang X C, Cai M T, Ye P S, et al. 2018. Late Pleistocene paleolake evolution in the Hetao Basin, Inner Mongolia, China[J]. Quaternary International, 464: 386—395. [本文引用:2]
[37] Zhang H, He Z T, Ma B Q, et al. 2017. The vertical slip rate of the Sertengshan piedmont fault, Inner Mongolia, China[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 143: 95—108. [本文引用:]