0.   引言

大量的研究表明^[1~5]，隐伏活动断裂除诱发地震导致上部地面产生严重的变形破坏带之外，其缓慢的蠕变亦能够造成地表变形及建筑物的破坏，并且危害程度不亚于地震活动。大多城市位于平原或盆地内，活动断裂多处于隐伏状态，均面临上述两种潜在危害。对于隐伏活动断裂，一般的地质调查手段难以对其进行研究，需采用综合调查及分析手段开展探测评价，如：地表地质调查、综合物探、钻探及槽探工程等综合方法。

由于北京地区的地震构造主要以控制第四纪沉积盆地的隐伏控盆断裂为主，这些隐伏断裂均具有较强的构造活动性，不但控制该区破坏性强震的发生，同时还引起地表地裂缝等地质灾害。因此，北京地区未来具有发生中强地震的构造背景。

北京未来科技城是为深入贯彻落实建设创新型国家，引进高技术人才而建设的创新创业基地。调查表明，沿黄庄—高丽营断裂北段沿线普遍发育地表破裂，破坏严重地区集中在未来科技城地区和西王路村一带，多见民房、道路等建筑物和市政设施的开裂和变形，地表可见规模性、集丛性地裂缝发育，断裂上盘地面沉降区面积具有逐年扩大化的特征，平均沉降速率亦有加速的趋势^[6]。因此对黄庄—高丽营断裂北段开展调查和灾害效应研究，对确保未来科技城地区地质安全、防灾减灾以及北京城市规划建设和土地合理利用具有十分重要的现实意义。

通过黄庄—高丽营断裂带北段所穿越的重点地区(北七家镇未来科技城)综合地浅层地震勘探、高密度电阻率法勘探和钻探工程，结合磁性地层研究结果，对该段活动断裂位置、结构特征和第四纪活动性进行了研究，并根据断裂活动在地表造成的地裂缝及建筑开裂调查结果，初步探讨了其致灾机理，分析了黄庄—高丽营断裂北段灾害效应。

1.   黄庄—高丽营断裂概况

北京平原区上新世晚期以来，始终表现为构造沉降运动为特征。然而，在区域伸展构造环境影响和作用下，平原区两组不同方向的隐伏断裂活动显著。其中，包括北东向的黄庄—高丽营断裂、顺义断裂、南苑—通县断裂和夏垫断裂；北西向的南口—孙河断裂(见图 1)。上述两组断裂产生的引张性正断活动，切割区内形成大小不等的微地块，各地块运动形式多样，或抬升或掀斜或下陷，在横向上构成“两隆两凹”的构造格局^[7]，即：京西隆起，北京凹陷、大兴隆起和大厂凹陷。这些新生代的构造运动决定了现代北京平原区地貌格局、水系展布和变迁。黄庄—高丽营断裂属于深大断裂，也是北京山区与平原区的分界构造线。南起涿州西城坊，经坨里、黄庄、八里庄、高丽营至怀柔高各庄，总长约110 km，走向北东，断裂面倾向南东，倾角约50°~80°。性质为正断层，最大断距在约200~1000 m。该断裂于形成于燕山期，新生代以来强烈活动控制了古近系和新近系，在此基础上，第四以来继承性发展，盆地继续演化。

图  1  研究区工作部署图

Figure  1.  Survey line in the working area

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北京地震地质会战时期的研究成果，表明黄庄—高丽营断裂为第四纪活动断裂^[8]。王挺梅等在1983年调查发现黄庄断裂(东河沿一大灰厂段)此段活断层具右旋—平移性质^[9]，最近一次较为明显的活动，当在晚更新世末或全新世；徐杰等在1992年提出黄庄—高丽营断裂活动可持续至中更新世^[10]，活动强度总体表现北强南弱；向宏发等在1996年通过地形地质、化探、浅层物探、钻探和槽探等多手段的联合剖面探测研究^[11]，首次查明了黄庄-高丽营断裂的准确位置及其活动性。车兆宏等在1997年于黄庄—高丽营断裂中段布设了同步监测网, 通过形变及重磁手段开展断裂活动性监测，2003年发现该地段是关键构造部位的应力场变化的敏感区^[12~13]；马文涛等在2005年利用人工地震对黄庄—高丽营断裂浅部进行探测^[14]；常旭等在2008年利用伪随机可控震源反射地震法^[15]对断裂在奥林匹克公园段进行探测；胡平等在2010年对黄庄—高丽营断裂奥林匹克公园段开展定位结构及活动性研究^[16]。本文通过对昌平区北七家镇未来科技城一带，开展黄庄—高丽营断裂段的平面展布，结构特征及活动规律等方面研究，对实现后期监测预警，确保未来科技城地区地质安全，防灾减灾以及北京城市规划建设和土地合理利用具有十分重要研究意义。

2.   断裂带北段结构特征

平原区由于第四系覆盖，其发育的断裂无法进行露头尺度上的研究，因此，地球物理勘探技术成为最主要的探测方法^[17]。其中，浅层人工地震勘探法由于探测其原理，使其具有较高的分辨率，对于第四系内部不同的反射层具有很好的识别效果^[14~19]。

本次工作共部署2条二维地震勘探剖面，野外使用Sercel 428XL有线遥测地震数据采集系统，单边激发，90道接收，道间距3 m，炮间距9 m，记录长度1 s；震源车作为主动源，检波器接收频率为100 Hz，单点锤击6次以上。数据解译使用Promax地震处理软件。

D₁测线位于肉鸡场南门小路上，长度约1.0 km，剖面自西向东布设。地震剖面的解译结果如图 2所示。剖面共识别出3个反射界面，其中，CMP100~400之间存在一个小幅隆起，CMP150~200之间存在断裂——F黄高。断裂倾向南东，倾角约70°，具有明显的正断层特征，基岩断距约150 m，向上延伸至第四系内部，断距逐渐减小，产状变陡。同时，剖面上还反映出1条次级断裂F₁，倾向北西，倾角约50°，与该断层形成“Y”字形结构。

图  2  反射地震时间剖面及解译图(D1)

Figure  2.  Section and interpretation chart of reflection seismic time (D1)

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D₂测线位于D₁测线南侧的顺于路上，长度约1.8 km，剖面自西向东布设。地震剖面的解译结果如图 3所示。该剖面的信噪比相对较低，各反射同相轴连续性较差。可能由于外界干扰所致。剖面上共识别出3个反射界面，其中，CMP250~350之间存在断裂——F黄高。断裂倾向南东，倾角约80°，基岩断距约200 m，延伸至第四系内部形成“直上型”断裂，“铲式”断层结构明显。

图  3  反射地震时间剖面及解译图(D2)

Figure  3.  Section and interpretation chart of reflection seismic time (D2)

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综上，黄庄—高丽营断断裂北段是由主断裂和次级断裂组成的断裂带，总体上表现为张性的正断层，断裂倾向南东，倾角越70°~80°，基岩深度附近垂直断距较大，可达150~200 m左右。断裂向上延伸至第四系内部，由于松散层的物性差异，断面产状逐渐变陡，从上而下表现为“铲式”断层。由于该断裂表现出明显的正断特征，下降盘在断面附近收到牵引力向下拖曳，出现不均匀的下沉，形成了局部位置的“Y”字形断层组合特征。

3.   断裂带北段活动性分析

钻探工程作为城市隐伏活动断裂最常用的探测方法，不仅能够对物探工作进行有效的验证，同时通过对钻孔岩芯进行岩石地层分析及年代学的测试，实现对目标断裂活动性的分析研究的目的^[20~26]。磁性地层学研究所提供的年代学证据，能够为断裂活动性研究提供有力的技术数据支撑^[27~42]。

本次工作在黄庄—高丽营断裂北段上下两盘各布设了1个钻孔(见图 1)，其中ZK4地理坐标为116°28′12″E、40°7′12″N，孔深626 m；ZK5孔地理坐标为116°27′36″E、40°8′24″N，孔深477 m。钻探工程采用油压式钻机，取芯率达90%以上，岩芯采样间距0.5 m，将岩芯样用陶瓷刀加工出边长为2 cm×2 cm×2 cm的立方体样品，标记顶底方向。最终采集古地磁样品752块，其中，ZK4孔514块，ZK5孔238块。整个实验是在中国地质大学(北京)古地磁学与环境磁学实验室完成，使用设备包括ASC-TD48热退磁炉和2G755-4K超导磁力仪。

根据磁倾角的变化特征建立了ZK4孔和ZK5孔的磁极倒转序列，ZK4孔岩沉积物中，0~170.8 m定为布容正极性带；170.8~550.6 m定为松山负极性带；384.5~420.5 m定为奥尔杜维正极性亚带；550.6 m以下定为高斯正极性带。ZK5孔岩沉积物中，0~107 m定为布容正极性带，107~301 m定为松山负极性带(见图 4)结合磁性地层研究，及本区第四纪区域岩石组合特征，共同建立了目标钻孔的第四系格架。ZK4孔、ZK5孔的下更新统底界分别为550.6 m和301 m；中更新统底界分别为170.8 m和107 m；上更新统底界分别为100.5 m和70 m；全新统底界分别为5.2 m和4.2 m。

图  4  钻孔ZK04、ZK05与标准极性柱^[43]对比图

Figure  4.  The contrast diagram of magnetostratigraphy of the cores ZK4、ZK5 and polarity zones^[43]

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黄庄—高丽营断裂上下盘第四纪以来不同时间段内的地层岩性，沉积厚度或者沉积速率具有明显差异，能够反映该断裂两侧垂直活动的特点。通过计算断裂两盘沉积速率差从而得到断裂的平均活动速率。参考2009年国际地层年表第四纪地层划分^[44]，计算得出各钻孔的沉积速率(见表 1)。早更新世至全新世，ZK4孔沉积速率分别为0.21 mm/a、0.11 mm/a、0.82 mm/a、0.52 mm/a；ZK5孔沉积速率分别为0.11 mm/a、0.07 mm/a、0.57 mm/a、0.42 mm/a，黄庄-高丽营断裂北段的平均垂直活动速率分别为0.07 mm/a、0.04 mm/a、0.23 mm/a、0.10 mm/a。沉积速率变化与活动速率变化均体现了相同的规律(见图 5)，即：较强—弱—强—较强的变化特点。

表  1  地层沉积速率表

Table  1.  Stratigraphic average sedimentation rates

断裂名称	时代	地层底界埋深/m		钻孔沉积速率/(mm/a)		沉积速率差/(mm/a)
黄庄高丽营断裂		ZK04	ZK05	ZK04	ZK05
	早更新世	550.6	301	0.21	0.11	0.10
	中更新世	170.8	107	0.11	0.07	0.04
	晚更新世	100.5	70	0.82	0.57	0.25
	全新世	5.2	4.2	0.52	0.42	0.10

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图  5  钻孔沉积速率对比图

Figure  5.  The contrast diagram of average sedimentation rates of borehole

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第四纪时期北京西山新构造运动能够有效的表征区域构造演化特点。作为北京地区最为显著的活动断裂—黄庄—高丽营断裂，其活动性与之亦有很好的对应关系。第四纪以来北京西山的强烈隆升，上升速度为0.10~0.26 mm/a；中更新世隆升速度达0.1 mm/a。在0.10~0. 012 Ma B.P.的晚更新世期间，山脉上升幅度和速度达到第四纪各阶段的最大值，隆升速度达0.82 mm/a。全新世阶段，山体仍较强烈上升隆升速度为0.66 mm/a^[45]。综上可见，黄庄—高丽营断裂第四纪以来的活动性与本区新构造运动具有较好的吻合关系。

4.   灾害效应分析

黄庄—高丽营断裂作为北京平原区一条重要的隐伏活动断裂，调查表明断裂北段高丽营地区地质灾害发育，表现为与断裂走向一致的地裂缝、房屋开裂、地面下沉等地质灾害现象。特别是断裂北段沿线，该地区地裂缝最早发现于上个世纪90年代初，近年来发展有加剧之势。地裂缝北起西王路村，穿过未来科技城区，南至八仙别墅，走向大致呈北东45°~60°，断续延伸长度2500 m左右。地裂缝造成了房屋的墙体、地坪和地面的破坏，裂缝带宽度达50 m左右，一般多表现为墙体开裂，表现为东南侧下降，下降幅度10 cm~20 cm，村中民居多见开裂，并持续发展^[46]。断裂以东的京承高速公路也出现了不同程度的变形坏。八仙别墅区地裂缝整体走向为北东45°，斜穿整个小区中心。由地裂缝引起小区道路和房屋的破坏，呈良好的线性特征，地裂缝两侧路面由于塌陷形成约8 cm左右的高差，局部别墅因墙体破坏严重已拆除，并原址重建。

本次工作选取地质灾害最为发育的未来科技城地区开展工作，基于城区内华都肉鸡场南侧围墙及路面的变形破坏，部署了高密度电阻率勘探剖面。该方法作为城市地质工作中重要的探测手段，能够有效的对活动断裂浅部信息进行捕捉，兼具简洁，方便、经济和直观的特点^[47~51]。

高密度电法测线G1长度789 m，电极距3 m。选用仪器为骄鹏E60D多功能电法仪。解译成果(见图 6)显示桩号219处，两侧电阻率存在明显差异。西侧(断裂上升盘)可划分两个电性层面，0~8 m的低阻层和8~69 m的高阻层。东侧(断裂下降盘)可划分三个电性层面：0~12 m的低阻层，12~22 m的不连续的高阻层和22~69 m低阻层(见图 6a)。综合对比分析桩号219两侧剖面的电性差异，推断该处存在明显的断裂带，倾向南东，上断点延伸至地表造成路面出现明显的陡坎，围墙变形严重，南东一侧强烈下沉，墙基下沉深度约20 cm(见图 6b)。北京市地质调查研究院在该地区的跨断层水准监测数据显示，断裂两盘存在明显的差异性沉降，仅2017年上半年，断裂下降盘的累积平均沉降量已达到20 mm左右，局地最大可达30 mm。

图  6  高密度电阻率法剖面解译断裂与地表形变对应关系图

Figure  6.  Correspondence diagram of interpretation for high density resistivity profile section and ground deformation of the fault

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综上，黄庄—高丽营断裂全新世以来依然存在强烈的蠕滑变形。该断裂带“Y”字形组合特征表明断裂下降盘在断面附近受到牵引力向下拖曳，在纵弯作用下，产生张裂，因而形成了构造成因的地裂缝及地面塌陷等，且这些地质灾害均集中发育在断裂的下降盘。

5.   结论

本文选取北京未来科技城地区，对黄庄—高丽营断裂北段进行精细研究，通过浅层人工地震，高密度电阻率法及钻探工程等综合方法对断裂带结构特征，第四纪活动性及沿线发育的地质灾害致灾机理进行详细分析，获得以下几点认识：

(1) 黄庄—高丽营断裂北段总体上表现为张性的正断层，断裂倾向南东，倾角约70°~80°，基岩深度附近垂直断距较大，可达150~200 m左右。断裂向上延伸至第四系内部，产状逐渐变陡，表现为“铲式”断层的特点，局部位置表现为“Y”字形结构特征。

(2) 黄庄—高丽营断裂北段为全新世活动断裂。第四纪以来活动显著，早、中、晚更新世和全新世以来平均垂直活动速率分别为0.07 mm/a、0.04 mm/a、0.23 mm/a、0.10 mm/a。沉积速率变化与活动速率变化均体现了相同的规律，即：较强—弱—强—较强的变化特点，与本区新构造运动(西山隆升)的特征吻合。

(3) 黄庄—高丽营断裂北段全新世以来存在强烈的蠕滑变形，该断裂带“Y”字形组合特征表明断裂下降盘在断面附近收到牵引力向下拖曳，在纵弯作用下，产生张裂，因而形成了具有与断裂走向一致的地裂缝，地面塌陷，墙体路面开裂等地质灾害现象，且这些地质灾害均集中发育在断裂的下降盘。

(4) 不同的方法组合能够有效的对城市隐伏活动断裂进行探测研究，其中综合物探对于解决断裂带几何学具有较好的效果，钻探工程配合年代学能够对其活动性进行探讨。因此，在开展相关工作的时候，应选取最优的方法组合，实现对目标断裂精细的调查研究的目标。