The activity characteristics and comprehensive geophysical evidence of the Zhangyan–Jinshanwei concealed active fault in Shanghai, China
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摘要: 上海城市隐伏断层十分发育，第四纪以来沉积了数百米厚的松散沉积层，受限于其特大城市复杂高干扰环境背景，隐伏断层的探测与活动性特征研究难以取得理想的效果，城市地质安全面临严重风险。文章通过高精度重力面积测量、高分辨率浅层地震勘探等地球物理探测方法，结合周边钻孔地层分层、地应力和年代学测试分析（碳十四和光释光），对张堰−金山卫断层第四纪和现今的活动性开展了探测与研究。结果显示，该断层空间上具有较好的延展性，断层行迹在布格重力异常和地震时间剖面上均有较好的地球物理证据反映。研究认为张堰−金山卫断层为逆冲断层，同时具有继承性和新生性活动特征，总体走向为北西向315°，倾向南西，基岩面断距约10 m，上断点已错断至第四系中更新统内，最新活动时代为中更新世，目前北西向地应力状态易于发生张扭性活动，该断层现今活动性依然需持续关注。此次研究探测思路与成果可为类似城市开展隐伏活动断层探测及活动性分析提供借鉴和参考。Abstract: The concealed faults in the urban area of Shanghai are well-developed, accumulating several hundred meters of loose sediment layers since the Quaternary. Hindered by the complex and highly disturbed urban environment, the detection and characterization of concealed faults face challenges, posing significant geological risks for urban safety. This study employs high-precision gravity area measurements, high-resolution shallow seismic exploration, and geophysical exploration methods. It integrates geological stratification from surrounding boreholes, stress, and chronostratigraphy analyses (C14 and optically stimulated luminescence) to investigate the Quaternary and current activity of the Zhangyan–Jinshanwei fault. Results show that the fault exhibits good spatial continuity, with evidence reflected in Bouguer gravity anomalies and seismic time profiles. The Zhangyan–Jinshanwei fault is identified as a thrust fault with inherited and newly developed activity characteristics. Its overall trend is northwestward at 315°, dipping southwest, with a fault distance of approximately 10 meters along the bedrock surface. The upper fault point has been displaced to the mid-Pleistocene in the Quaternary. The most recent active period occurred during the mid-Pleistocene, and the current northwestward stress state makes the fault susceptible to extensional and torsional activities. Continuous attention is required for the ongoing activity of this fault. This study's detection approach and findings can serve as a reference for similar urban concealed active fault detection and activity analysis.
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0. 引言
活动断层与地震活动有着紧密联系，是时刻威胁城市地质安全的重要新构造活动隐患（邓起东等，2003，2007；徐锡伟，2006；吴中海，2019；宋春华等，2021；魏鹏等，2022）。上海人口稠密、经济发达、城市化程度高，《上海市城市总体规划（ 2017—2035 年）》明确提出了建立“卓越全球城市”的愿景，对城市地质安全的需求更是提升到新的高度。上海在20世纪90年代进行了“活动断裂探测与地震危险性评价”工作（徐锡伟等，2015），确认了城市下众多隐伏断层的存在（顾澎涛，2006），后续鲜有相关工作开展，目前在断层精准定位、断层最新活动特征等方面，研究投入与认知程度都较北京、深圳等一线城市存在着一定差距（张浩等，2021；刘先林等，2022）。
城市隐伏活动断层的空间展布、规模、产状、活动时代等特征的探测与研究对评价断层活动性至关重要（李传友等，2007），也是保障城市安全、开展区域地壳稳定性评价工作的必要前提与基础（谭成轩等，2009；姚鑫，2014；戚帮申等，2018；马森等，2021；郭宇等，2022）。张堰−金山卫断层是上海市西南部极其发育的隐伏断层，其基本特征是基于重力、航磁资料推断而来。断层穿越金山老城区，陆上部分展布约15 km，分为两段，呈雁行排列（火恩杰等，2004；章振铨等，2004），断层倾向南西，总体走向约北西。从地形地貌特征上看，该断层是查山凸起和金山凹陷的分界（张宏良和张洁，1996），对区域地貌及第四系沉积都有一定的控制作用。区域地震记录显示，2013年上海金山发生的1.3级地震可能与该断层活动有关，根据地震的历史重复规律，不排除未来该断层重复活动引发区域地震地质灾害的可能，因此亟待开展该断层探测与活动性研究。
上海城市环境具有建、构筑物密集、交通繁忙的特征，环境背景噪声干扰严重，针对隐伏断层探测的常规电、磁类地球物理勘探方法很难取得理想的效果。此次研究采用区域控制性探测和精细探测逐步递进的思路，应用高精度重力面积测量、高分辨率浅地震勘探相结合的综合地球物理勘探方法，对上海市张堰−金山卫隐伏活动断层开展调查工作，确认了断层走向、上断点位置、产状与形态等特征。结合周边钻孔地应力测试和地层年代学测试结果，对断层活动性进行分析，进一步厘定了该断层最新活动时代、第四纪和现今活动性特征。探测工作与分析成果将为上海市城市地质安全保障提供基础支撑，为城市断层危险性评价、城市重大工程规划和选址提供科学的基础地质依据。
1. 区域地质概况
上海地区第四纪地层发育，成因类型复杂，陆相和海相地层广泛分布，第四系底界年龄约2.60 Ma，地层自下而上包括：下更新统（安亭组）、中更新统（嘉定组）、上更新统（南汇组和川沙组）和全新统（青浦组、上海组和娄塘组）的黏性土、粉性土、砂性土等（邱金波和李晓，2007）。前上新统基岩地层由下至上包括：古元古界、中元古界、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、白垩系、古近系、新近系等，分布面积最广的地层为下白垩统火山岩系（上海地质矿产局，1988；张宏良，1999）。区内断裂构造发育，主要分为北东向、北西向和近东西向三组断裂，其中北西向断裂多在燕山期时成型，分割北东向断裂（图1）。上海区内的大部分构造形成于喜马拉雅构造运动期之前，到喜马拉雅构造运动期时，构造运动已经相对减缓，新生成的断裂明显减少，但先期形成的断裂发生复活，成为区内新构造运动的主要因素之一。近500年来，上海地区共发生了150多次地震（图2），其中上海市发生地震89次，外围地震波及上海有61次，包括1971年上海长江口4.9级地震、1984年南黄海6.2级地震、1996年上海长江口6.1级地震、1855年上海长江口5.0级地震、1624年上海黄浦江边4.8级地震等。
图 1 上海金山区位置、基岩地质及地球物理探测测线布置图a—上海市断层位置分布简图；b—金山区基岩地质及地球物理探测测线布置图Figure 1. Location, bedrock geology, and geophysical survey line layout of Jinshan District, Shanghai(a) Sketch map of fault distribution in Shanghai; (b) Geological and survey line layout of the bedrock in Jinshan District
图 2 上海及邻近地区1970—2017年（部分地区数据至2019年）地震分布图Figure 2. Earthquake distribution map of Shanghai and its neighboring areas from 1970 to 2017 (Data for some regions is up to the year 2019)2. 地球物理探测方法
不同岩土地层介质间有着明显的物性（密度、视电阻率和速度）差异（王仁杰，2010；尚彦军等，2018；周超等，2022），工作区内地层物性差异是开展张堰−金山卫断层调查与研究的基础（表1）。张堰−金山卫断层调查与研究主要采用高精度重力面积测量和高分辨率浅层地震勘探等方法进行隐伏活动断层活动特征探测。金山卫分布有密集的居民区、商业区、厂房，道路纵横交错，存在强烈的人类活动震动、噪音等干扰，属于典型的城市复杂高干扰环境。调查研究依照区域控制性探测、精细探测、综合分析解译等步骤逐步推进实施。首先采用大比例尺高精度（1∶25000）重力面积测量了解金山卫地区基岩起伏形态、隐伏断层分布及划分等要素（李长波等，2022），指导后续物探调查工作的布置（图1）；然后应用浅层地震探测查明一定深度范围内地层结构、断层性质及倾向、错断的层位及上断点埋深等重要信息（张慧利等，2014；王继等，2020）。
表 1 工作区主要地层物性特征一览表Table 1. List of physical properties of main strata in the work area地层及岩性 密度/
（g/cm3）纵波速度/
（m/s）第四纪黏土 1.64～1.98 827～884 第四纪砂层 1.78～2.03 1184～1268 第四纪砂砾层 1.87～2.16 1312～1680 中生代安山岩 2.30～2.70 1640～2260 中生代岩浆岩 2.61～2.81 1640～2260 重力测量是利用不同岩土体间的密度差异引起的重力变化进行地质勘探的一种方法（王谦身，2003），通过改正计算获得布格重力异常和自由空气重力异常，应用位场转换、求导、反演等处理方法，可以获取重力场线性梯级带、不同特征的重力场分界线、重力方向导数异常平面上条带状分布的极值点的连线（极值带）或零值线等特征（程家印等，1983；徐伟民等，2014），推断解释覆盖层以下不同密度岩土体的埋藏情况，从而可以找出异常地质体构造边界（沈博，1994）。此次调查采用加拿大生产的CG-5型高精度石英弹簧重力仪，仪器投入使用前进行静态、动态及一致性试验。野外工作中按基点—辅助点—基点的次序进行1∶25000重力面积测量观测，采集过程中需要规避密集建筑物群和交通震动干扰，尽量选择晚上至凌晨时间段进行野外数据采集工作。
浅层地震勘探是指利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测人工地震产生的弹性波在不同岩土地层间的波阻抗差异（陆基孟和王永刚，2009；李万伦等，2018），推断和解释地下岩土地层的精细结构、断层的空间展布的方法（顾勤平等，2015）。利用地震速度分析数据对地震剖面进行时间深度转化（Cameron，2009），与钻探分层数据进行对比，在线和道方向的剖面进行精细解释，可以详细刻画断层的性质，如倾向和倾角，以及错段层位等信息。浅层地震勘探在实际应用中需要根据现场交通、环境噪声以及人文条件选择合适震源和激发偏移距，最终选择晚上至凌晨时间段进行采集，采用120道、间距5 m的100 Hz纵波检波器组成全排列接收，偏移距为300 m，采样间隔0.25 ms，记录长度1.024 s，前置放大器采用全通方式，激发震源采用BV300型出力18 t可控震源，扫描长度为10 s，扫描频带10～120 Hz，叠加次数为1～4次，震源出力40%，斜坡长度0.5 s，偏移距为300 m。
3. 地球物理探测结果分析
3.1 高精度重力测量结果分析
高精度区域控制性重力测量经处理获得1∶25000布格重力异常图（图3），显示工区的布格重力异常变化大致呈北西走向，西南低、东北高，其中测区中北部与东南角各存在一处正异常，工作区中部北西向重力梯度带特征明显，推断为张堰−金山卫断层构造线大致分布位置，断层总体走向为北西向315°。
采用水平方向导数方法处理断裂或构造边界的分布情况，可以用来分析区内某一方向的构造线特征。重力异常的水平方向导数等值线圈闭的同向轴可以指示密度变化的边界，从而可利用其判断断裂的平面位置。因此，对工作区向上延拓300 m高度的异常，做了水平0°、45 °、90°、135°四个不同方向的导数（图4），分别反映南北方向、北西方向、东西方向、北东方向的断裂或密度变化构造线的展布，0°、45°、90°三个不同重力水平方向导数Vxz的极大值（图4a—4c）位置均显示断裂构造优势走向，而135°水平导数（图4d）求导方向上无原始异常，结合布格重力异常可方便地确定台阶上沿断裂构造的地面投影位置，显示为明显的北西向断裂构造带走向特征。
为揭示三维测区张堰−金山卫断层的深部空间伸展情况，对布格重力异常作了300 m、600 m、900 m、1600 m、2400 m和3000 m共六个不同高度的向上延拓（图5），重力向上延拓后的水平梯度所突出的构造线可作为岩体边界和断层走向构造线解释的依据（张凤旭等，2007；孟小红等，2009）。北西向断层构造线的行迹刻画识别均较为清晰，推测为张堰−金山卫断层的断层走向构造线。但是重力异常的垂向分辨能力弱，断层在第四纪内部延伸特征需结合地震勘探资料进一步分析解释（雷晓东等，2021）。
图 5 不同上延高度重力异常断层构造线识别结果图Figure 5. Identification results of gravity anomaly fault layer structural lines at different upward elevations采用Parker-Olderburg界面反演方法（关小平，1991；郭涛等，2019）揭示基岩埋深整体呈西南部深、东北部浅的态势（图6），最深处在−190 m左右，最浅处在−50 m左右，测区中北部、东南角基底形态有明显凸起，南西侧基岩地层有明显断陷迹象，断层构造线优势走向为北西方向。
3.2 浅层地震勘探成果分析
为更精细划分和识别断裂构造，采用变速成图和建立高精度速度场的地震数据处理方法，最终地震时间剖面显示0.25 s以浅出现了多个有效反射波组（图7），地震反射波组T1和T2同相轴局部不连续、不稳定，能量中等到中强，分别对应上更新统川沙组（Qp3c）的顶界面和底界面；Tg反射波同相轴连续性好、稳定，能量强，可连续追踪，对应是基岩面反射波，其双程旅行时约为0.205～0.23 s。根据地震剖面反射波组的横向变化特征，桩号900 m位置附近地震反射波组Tg（时间约0.22 s区段）同相轴错断明显，与其上部的反射波组同相轴错断特征进行断点组合，显示为逆冲断层性质，基岩面断距约10 m，倾向南西。断层在第四纪地层中也有明显的错断行迹，上断点也可追踪至第四纪（埋深约100 m）内。
对上海市首座地应力监测站SDJ-1钻孔内的（图1）第四纪松散沉积样品进行光释光和碳十四年代学测试（测试结果见图8），地震时间剖面断层上断点埋深约100 m，其对应年龄为110～140 ka之间（图8），可以推断上断点错断至第四系中更新统地层（Qp2j），为第四纪中更新世活动断层。
图 8 地应力监测钻孔SDJ-1岩性柱状图及测年结果图Figure 8. Lithological histogram and dating results of Borehole SDJ-1 for ground stress monitoring4. 断层活动性特征分析
4.1 张堰−金山卫断层第四纪活动特征
根据探测资料及钻探成果，对张堰−金山卫断层第四纪活动性特征进行综合讨论。综合物探成果显示，张堰−金山卫断层走向与已有的根据重磁场特征推测的断层走向存在有一定平面摆动偏差（张宏良等，1996；张宏良，1999），其走向约北西315°，倾向南西，上断点错断埋深位置约100 m。地应力监测站SDJ-1（图1）四分量压磁地应力探头安装于完整基岩上（埋深约168 m处），揭示了180.17 m钻探深度范围内的地层，包括第四系全新统、上更新统、中更新统、下更新统的黏性土、粉性土、砂性土及下白垩统的安山岩。自上而下揭示的地层岩性特征为：①全新统青浦组（Qh3）属滨海−河口相沉积，顶、底板埋深1.00～42.00 m；②上更新统南汇组（Qp3n）属滨海相沉积，为第一承压含水层，顶、底板埋深42.00～60.00 m；③上更新统川沙组（Qp3c）属河口相沉积，为第二承压含水层，顶、底板埋深60.00～93.50 m；④中更新统嘉定组（Qp2j）属河流−三角洲相、湖泊相沉积，为第三承压含水层，顶、底板埋深93.50～120.60 m，含碎块状安山岩，土质分布不均匀；⑤下白垩统黄尖组（K1h）为灰绿色安山岩。其顶部为风化层，在深部122.60～139.70 m岩石破碎，裂隙发育，推测为张堰−金山卫断层活动形成的断层破碎带。结合高分辨率浅层地震时间剖面上断点错断位置和第四纪沉积物的年代学测试结果（图8），可以推断断层已错断至第四系中更新统地层，为中更新世活动断层，推测此北西向断层可能是在燕山期张扭结构面的基础上，于喜山期继续活动发展和强化形成的，具有较强的新生特点（张宏良，1999；包汉勇等，2013；李三忠，2019）。晚近时期以来，上海地区历史地震震中的分布都与北西向断层有着密切联系，这与现今中国东部地区北西向断层为最活跃的地质构造一致（章振铨等，2004；李三忠等，2019）。
4.2 张堰−金山卫断层现今活动特征
张堰−金山卫断层附近地应力监测站钻孔SDJ-1原位地应力实测显示现今最大水平主应力方向为北西42°～62°（表2），优势方位为北西向（张浩等，2020），该应力状态有利于北西向张堰−金山卫断层发生张扭活动。上海地震台网测定金山区2013年1月曾发生1.3级地震，震源深度8 km，可能与该断层活动有一定关系，断层现今活动性依然活跃（吴中海和张会平，2021），同时也说明了上海地区北西向断层现今仍具有较强活动性特征。
表 2 地应力测量取值结果表Table 2. Results of ground stress measurement values序号 中心深度/m 主应力值/MPa SH/Sh SH方向/（°） SH Sh Sv 1 143.6 9.54 5.41 2.85 1.76 NW42° 2 145.5 10.77 5.88 2.90 1.83 NE80° 3 155.5 10.62 5.75 3.17 1.85 NW56° 4 157.5 10.10 5.61 3.22 1.80 NW62° 5 164.5 11.81 6.38 3.40 1.85 6 170.0 12.91 6.96 3.55 1.85 NW46° 7 176.3 12.29 6.53 3.72 1.88 注：SH为最大水平主应力，MPa；Sh为最小水平主应力，MPa；Sv为根据上覆岩石埋深计算的垂直主应力，MPa；KHh=SH/Sh，为水平主应力比值，表征地应力状态 5. 结论
此次研究利用高精度重力面积测量及高分辨率浅层地震勘探技术，精细查明张堰−金山卫断层一定深度范围内地层结构、隐伏断层空间分布及上断点位置等要素。
（1）地球物理探测结果刻画的断层行迹在布格重力异常和地震时间剖面上均有较好的物性异常反映，研究显示张堰−金山卫断层横穿金山老城区，性质为逆断层，总体走向为北西向315o，倾向南西，基岩面断距约10 m。
（2）张堰−金山卫断层上断点已错断至第四系中更新统内，为第四纪中更新世活动断层，分析认为张堰–金山卫断层是于燕山期张扭结构面基础上，于喜山期继续活动发展和强化形成的，同时具有继承性和新生性活动特征，在现今中国东部地区北西向地应力状态下易于发生张扭性活动，该断层活动性仍需持续关注。
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图 1 上海金山区位置、基岩地质及地球物理探测测线布置图
a—上海市断层位置分布简图；b—金山区基岩地质及地球物理探测测线布置图
Figure 1. Location, bedrock geology, and geophysical survey line layout of Jinshan District, Shanghai
(a) Sketch map of fault distribution in Shanghai; (b) Geological and survey line layout of the bedrock in Jinshan District
图 2 上海及邻近地区1970—2017年（部分地区数据至2019年）地震分布图
Figure 2. Earthquake distribution map of Shanghai and its neighboring areas from 1970 to 2017 (Data for some regions is up to the year 2019)
图 5 不同上延高度重力异常断层构造线识别结果图
Figure 5. Identification results of gravity anomaly fault layer structural lines at different upward elevations
图 8 地应力监测钻孔SDJ-1岩性柱状图及测年结果图
Figure 8. Lithological histogram and dating results of Borehole SDJ-1 for ground stress monitoring
表 1 工作区主要地层物性特征一览表
Table 1. List of physical properties of main strata in the work area
地层及岩性 密度/
（g/cm3）纵波速度/
（m/s）第四纪黏土 1.64～1.98 827～884 第四纪砂层 1.78～2.03 1184～1268 第四纪砂砾层 1.87～2.16 1312～1680 中生代安山岩 2.30～2.70 1640～2260 中生代岩浆岩 2.61～2.81 1640～2260 
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表 2 地应力测量取值结果表
Table 2. Results of ground stress measurement values
序号 中心深度/m 主应力值/MPa SH/Sh SH方向/（°） SH Sh Sv 1 143.6 9.54 5.41 2.85 1.76 NW42° 2 145.5 10.77 5.88 2.90 1.83 NE80° 3 155.5 10.62 5.75 3.17 1.85 NW56° 4 157.5 10.10 5.61 3.22 1.80 NW62° 5 164.5 11.81 6.38 3.40 1.85 6 170.0 12.91 6.96 3.55 1.85 NW46° 7 176.3 12.29 6.53 3.72 1.88 注：SH为最大水平主应力，MPa；Sh为最小水平主应力，MPa；Sv为根据上覆岩石埋深计算的垂直主应力，MPa；KHh=SH/Sh，为水平主应力比值，表征地应力状态
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