张 磊，何付兵，，白凌燕，吴怀春，徐锡伟，蔡向民，王继明，孙永华，刘 予，方同明

(1.北京市地质调查研究院，北京100095;2.中国地震局地质研究所，北京100029;3.中国地质大学 (北京)地球科学与资源学院，北京100085)

顺义断裂最早于1967年提出，之后借助地震监测、野外考察、遥感、物探、化探及钻探等系列手段，辅助传统的第四纪年代测量方法，如14C同位素测年、光释光测年等，证实了该断裂的存在［2］，获得了更多研究如该断裂与顺义地区小地震的关系［3］和第四纪中－ 晚期活动特征［4－10］。由于传统的第四纪年代测量方法受技术条件的限制，研究工作无法实现对整个第四纪的年龄精确测定，因此也限制了对活动断裂第四纪较长时间内活动规律的有效研究。本文在磁性地层年代和光释光测年辅助下，开展对顺义断裂带北段上、下两盘钻孔沉积物磁化率数据天文旋回地层分析，建立钻孔上下盘岩芯精度为0.1 Ma的连续天文年代标尺，对比断层两盘不同地质时期的地层垂直落差，对顺义断裂北段第四纪以来较长时间的活动特征进行探讨。

1 基本原理

地球轨道参数的地轴斜率、偏心率和岁差发生周期性变化必然引起地球表面接收到的太阳日照量的周期性变化，进而导致全球气候的周期性变化，并记录在对气候变化响应敏感的沉积物中，表现在沉积物结构、构造、岩性、岩相和地球物理、地球化学参数等能够反映古气候变化的代用指标的旋回性变化［11］。天文旋回地层学即研究受天文轨道周期力控制形成的地层序列的地层学分支学科，其对地层记录的 (准)周期性旋回变化进行识别、描述、对比和成因解释，并将其应用于地质年代学以提高年代地层框架的精度和分辨率，实现地层高精度划分。其中，由周期在10 ka～2 Ma之间的轨道力周期性旋回，即米兰科维奇旋回形成的旋回地层序列是旋回地层学研究的重点［12－13］。理论上，如果从地层中识别出米兰科维奇旋回，就有可能建立分辨率达 0.02 Ma 的天文年代标尺［11，14－15］。目前，显生宙沉积物可将地球轨道参数的周期简化成岁差20 ka，短偏心率和长偏心率分别为100 ka和400 ka，这些周期的比例为 1∶5∶20［11］。米兰科维奇旋回正不断地从不同地质历史时期的海、陆相地层中揭示出来［16－18］，取得极好的地质方面应用。

开展天文旋回地层学分析研究，一般选择在地层连续、露头较好，且具有良好年代控制的地层剖面上进行［11］。在其研究过程中，首先选定地层沉积物或古气候代用指标，并从中识别出岁差、短偏心率和长偏心率的米兰科维奇旋回，即比较沉积旋回 (或古气候代用指标)的旋回叠置方式及比值与这三类地球轨道参数周期的比值是否相近。在此基础上，根据识别的旋回结果建立初始年代格架，即建立地层深度 (厚度)与时间上的耦合，深度(厚度)域上的变化转换为时间域上的变化。而后对初始年代格架下的旋回序列开展100 ka、40 ka或20 ka的信号滤波处理，以初步的年代学框架(磁性地层年代、放射性同位素年代等)为锚点，参考滤波曲线，将钻孔岩芯旋回序列对比到理论旋回曲线上，最终建立研究地层的天文年代标尺。

2 顺义断裂带概况

图1 顺义断裂带构造位置与基岩等深线分布及研究区位置分布图Fig.1 The location of Shunyi fault and its buried bedrock isobath

顺义断裂带西南起自健翔桥附近，经顺义天竺、首都机场、北小营至焦庄户一带，走向NE40°转NE60°，倾角60°左右，延长约40 km，是一条高角度正断裂带(图1)。其被NW向南口－孙河断裂带切割，并依此为界，可分为南、北两段。南段由于发育于北京城区内，研究程度较低，活动特征不详。北段主断裂倾向南东，局部发育多条次级断裂，整个断裂带控制了新生代顺义凹陷的形成和演化。由顺义凹陷内第四系最大厚度大于600 m(图1)揭示，其北段第四纪总体活动强度较大。

顺义断裂带在构造地貌上表现明显，沿着断裂带呈线状凹陷或微型缓坡陡坎，由来广营一直延升至北小营一带，且于顺义区内段发育众多地裂缝，揭示全新世其仍在活动。同时，探槽［19］揭露近地表无明显的断面及错断位移，推测其活动方式以蠕滑为主。

3 钻孔布设及数据、样品的采集与处理

3.1 钻孔布设

本次钻孔布设基于对断裂由深到浅、逐次限定后精确定位开展。首先在前人圈定的顺义断裂分布图上大致垂直于断层的走向布设了一条长约4.11 kmNW向高精度重力勘探测线

。根据高精度重力勘探结果 (图2a)限定了断裂带深部基岩中大致位置，进一步通过对重力剖面测量数据的反演、水平一阶导数处理等，获得断裂带基岩断点位置、基岩断裂带宽度等特征。其次，在重力勘探工作基础上，大致垂直于断层走向分别布设了长约3.48 km和3.22 km的可控源电磁大地测深和二维浅层地震剖面 (图2b和c)，获得断裂带中、浅部几何形态等结构特征。并通过不同物探方法对同一地区从深部到近地表多方法断裂勘探“接力拼接”，可获得断裂带垂向结构［20］(图2d)。综合物探综合解译揭示顺义断裂带控制宽度达到1.8 km左右。据此，跨断裂带布设了4口钻孔ZK11-2、ZK12-1、ZK11-1和ZK12-2(图1，2)。其中ZK11-2和ZK12-1位于顺义断裂带下盘，终孔深度分别为310.74 m和298.94 m，为穿透第四系地层的基岩钻孔。ZK11-1和ZK12-2位于断裂带上盘顺义凹陷内，终孔深度分别为413.74和719 m，同样穿透第四系地层，但未穿透新生代地层。

通过钻孔岩芯古地磁、沉积相分析等综合手段研究［19］，第四纪以来，顺义断裂带北段上、下盘四孔钻孔岩性、岩相特征相似 (具体岩性、岩相特征见赵勇等［21］“北京平原顺义ZK12-2钻孔剖面第四纪磁性地层学研究”一文)，同处北京平原地区潮白河流域，隶属于同一沉积体系，且沉积连续。是故，顺义断裂带上、下两盘钻孔具有可对比性，满足本次开展天文旋回地层分析、对比的连续沉积之必要条件。

图2 顺义断裂带综合物探解译断裂带结构图Fig.2 Shunyi fault in geophysical and geological profiles

3.2 数据、样品的采集与处理

与气候变化相关联的参数均可作为旋回地层学分析的气候代用指标［11］。磁化率作为一种重要的环境代用指标，当前已经广泛应用于各类沉积环境研究中［22］。张永栋等［23］在北京冲洪积平原地区还探讨过磁化率同粒度的相关性，指出其对北京地区古气候研究的可行性。是故，本次古气候代用指标选取为岩芯磁化率。综合考虑顺义断裂带于这一地区宽度，为控制整个断裂带第四纪活动量，选取位于断裂上下两盘的ZK12-1和ZK12-2两钻孔开展旋回地层分析。

为获取原位高分辨率磁化率数据，测试前首先刮去钻探岩芯表面泥浆。然后根据区域地质资料，结合本次钻孔沉积物种类和沉积地层厚度大致估算断裂上下盘沉积速率约为21.58和7.16 cm/ka，进而确定本次磁化率测试密度计每10 cm岩芯测试一次，远远满足每个旋回至少包含4个等间距分布数据点。本次测试所用仪器为捷克AGICO公司生产的野外便携式SM30手持磁化率仪，共计获得磁化率数据12950组。

对取得的数据按照频谱分析方法进行旋回地层学分析［11］。分析前先对数据进行等间距的时间序列插值、去线性趋势、去均值、去极值和归一化预处理，再利用MTM频谱分析软件包进行频谱分析，采用Analyseries 2.0.4软件进行滤波处理和天文调谐以最终获得钻孔的连续天文年代标尺。

为建立钻孔岩芯地层天文年代标尺，对该两钻孔进行磁性地层年代测试和光释光、14C年龄标定，作为旋回分析的时间锚点，以将钻孔岩芯旋回序列对比到理论旋回曲线上。古地磁样品的采集主要选择在岩芯比较完整、连续，粒度较细的层位进行，对于主要为粗碎屑的沉积层，只能尽最大可能采集样品。首先用油性记号笔标出取样位置，并标明样品所取岩芯段的顶底方向，其次将做好记号的整段岩芯取出，在保证标志线所在的面不受破坏外，尽量获取岩芯中部的样品。本次对ZK12-1和ZK12-2两钻孔分别取定向古地磁样品120件和648件。

对获取的定向古地磁初始样品进行就地精加工成边长为2 cm的立方体样品后送古地磁实验室。古地磁测试在中国地质大学 (北京)古地磁与环境磁学实验室进行，磁化率各向异性测试仪器为捷克AGICO公司生产的MFK1卡帕桥磁化率仪，磁性矿物类型测试仪器为捷克AGICO公司生产的KLY4S卡帕桥磁化率仪，完成对ZK12-1和ZK12-2两钻孔分别120件和640件样品的系统热退磁分析，建立两钻孔的古地磁极性柱 (图3和4)。

图3 ZK12-1孔天文年代标尺Fig.3 The astronomical age reference of core ZK12-1(a)磁倾角与地磁极性柱;(b)磁化率在深度域上的变化特征;(c)根据古地磁极性柱提供的初始年代格架将磁化率在深度域上的变化转化为时间域，并获得100 ka的滤波曲线;(d)偏心率理论曲线及其与磁化率曲线的对比

4 测试结果

4.1 古地磁分析结果

最终建立ZK12-1钻孔磁倾角及地磁极性柱见图3a，同标准磁极性柱进行对比分析并解释:0～115 m深度显示为正极性带，解释为布容正极性带;115～232 m深度显示为以负极性带为主，解释为松山负极性带，带内在136～139.5 m和173.5～182 m深度出现两次正极性带，分别解释为松山负极性带内的Jaramillo和Olduvai正极性亚带;232 m至终孔深度显示为正极性带，解释为高斯正极性带。

最终建立ZK12-2钻孔磁倾角及地磁极性柱见图4a，同样同标准磁极性柱进行对比分析并解释:0～170 m深度显示为正极性带，解释为布容正极性带;170～710 m深度显示为以负极性带为主，解释为松山负极性带，其带内出现五次正极性带，解释200～210 m和464～520 m深度出现的松山负极性带内的Jaramillo和Olduvai正极性亚带，另外3个正极性带可能为短时漂移事件;710 m至终孔深度显示为正极性带，解释为高斯正极性带。

结合钻孔岩性、岩相分析和本次工作于钻孔中所取的为数不多光释光、14C测年资料［19］，分别建立ZK12-1和ZK12-2钻孔初步第四纪年代格架。钻孔ZK12-1和ZK12-2的早、中、晚更新世和全新世地层底面埋深分别为232.8，115.2，48.8和3 m，以及706，170，66.5和4.4 m。

图4 ZK12-2孔天文年代标尺Fig.4 The astronomical age reference of core ZK12-2(a)磁倾角与地磁极性柱;(b)磁化率在深度域上的变化特征;(c)根据古地磁极性柱提供的初始年代格架将磁化率在深度域上的变化转化为时间域，并获得100ka的滤波曲线;(d)偏心率理论曲线及其与磁化率曲线的对比

4.2 旋回地层学分析结果

ZK12-1孔磁化率数据频谱分析结果揭示出明显的旋回性，具有约 51.2，20.5 m，15.2，8.9，6.4，5.8，5.4，4.3，4，3.3 和 2.7 m 的主周期，其中(20.5～15.2 m)∶(8.9 m)∶(4.3～3 m)的比值接近5∶2∶1，与 (短偏心率100 ka)∶(斜率40 ka)∶(岁差20 ka)的比值接近，这些旋回可能分别代表了短偏心率、斜率和岁差沉积旋回 (图5a)。根据磁性地层学结果建立初始年代格架，将磁化率数据在深度域上的变化转换为时间域上的变化后，频谱分析结果显示出明显的短偏心率、斜率和岁差周期(图5b)。进一步对初始年代格架下的磁化率序列进行100 ka的短偏心率信号滤波处理 (图5c)，以磁性倒转年龄为锚点，参考滤波曲线，将磁化率序列对比到理论偏心率曲线上，依据是将磁化率高值对比到偏心率高值上，磁化率低值对比到偏心率低值上，据此建立了ZK12-1孔天文年代标尺 (图3、表1)。

图5 ZK12-1孔磁化率在深度域 (a)，初始年代格架 (b)和调谐后 (c)频谱分析结果Fig.5 Depth，tuning and the preliminary age framework of magnetic susceptibility data in core ZK12-1

ZK12-2孔磁化率数据频谱分析结果同样揭示出明显的旋回性，具有约117，19.5，17.1，9.0，7.35，4.85，4.54和3.59 m的主周期，其中 (20～16 m)∶(9～7.35 m)∶(4.85～3 m)的比值接近5∶2∶1，与 (短偏心率 100 ka)∶(斜率 40 ka)∶(岁差20 ka)的比值接近，这些旋回可能分别代表了短偏心率、斜率和岁差沉积旋回 (图6a)。根据磁性地层学结果建立的初始年代格架，将磁化率数据在深度域上的变化转换为时间域上的变化后，频谱分析结果显示出明显的短偏心率、斜率和岁差周期 (图6b)。进一步对初始年代格架下的磁化率序列进行100 ka的短偏心率信号滤波处理 (图6c)，以磁性倒转年龄为锚点，参考滤波曲线，将磁化率序列对比到理论偏心率曲线上，依据是将磁化率高值对比到偏心率高值上，磁化率低值对比到偏心率低值上，据此建立了ZK12-2孔的天文年代标尺 (图4、表1)。

图6 ZK12-2孔磁化率在深度域 (a)，初始年代格架 (b)和调谐后 (c)频谱分析结果Fig.6 Depth，tuning and the preliminary age framework of magnetic susceptibility data in core ZK12-2

5 断层的几何形态与活动特征探讨

5.1 断层的几何形态

根据多种物探综合解译成果绘制不同深度综合绘制不同深度顺义断裂带垂向结构 (图2d)，顺义断裂带北段南彩地区由三条分支断裂F1、F2与F3构成。其中，F1为主断裂，产状NE倾，倾角约60°(地震剖面视倾角49°)，深、浅部物探手段均有显示，且地表发育地裂缝，为活动断裂。F2、F3断裂为顺义断裂带分支断裂，F3分支断裂 (前人［24］命名为望泉寺断裂，并认为该断裂控制了中生代盆地，为晚侏罗系地层和中上元古界地层的分界断裂)倾向北西，被重力、可控源探测深度所揭示，但在二维地震探测剖面至500m深度特征不明显 (图2c)，产状不明。F2分支断裂主断面也倾向北西，在近地表处向上分为Fa与Fb两条断层(图2d)，深、浅部物探手段同样均有显示，地表亦发育地裂缝，同为活动断裂。F3分支断裂中，Fa断层产状NW倾，倾角约55°(地震剖面视倾角43°)，根据产状向下延伸最终汇交于顺义断裂带主断裂F2中，而Fb断层产状NE倾，倾角近直立(地震剖面视倾角74°)，在约350 m深度汇于Fa断层或向深部延伸?

5.2 活动特征

对比ZK12-1和ZK12-2钻孔分别建立的天文年代标尺上顺义断裂带上、下盘堆积年代相同的层位的沉积物0.1 Ma期间沉积厚度或沉积速率，换算断裂位错量，揭示顺义断裂带及断裂带两盘地块活动特征。

表1 顺义断裂每100ka活动速率统计表Table 1 The activity rate per 100 ka of the Shunyi fault zone

1)顺义断裂带下盘沉积速率介于0.03～0.1932 mm/a(表1)。沉积速率随时间变化曲线上 (图7)大约以1～1.1 Ma年代划分为两段:早于1.1Ma沉积速率较较慢，且波动不大;1 Ma以来沉积速率明显增快，且有所波动，至约0.3 Ma以来，宏观沉积速率逐渐转缓。一般来说，正断裂带下盘由于断裂活动抬升作用，沉积环境稳定性相对下盘要差，可能存在沉积间断地层缺失或因断裂活动抬升剥蚀而引起的地层缺失。然而，顺义断裂带为隐伏活动断裂带，综合研究表明［19］其下盘第四纪沉积连续。因此，该沉积速率是否可以反映更大空间区域上板桥地块乃至北京平原区第四纪整体沉降特征?即早更新世早、中期北京平原区沉降较慢，早更新世晚期以来沉降明显增快，至晚更新晚期略有转缓。

2)顺义断裂带上盘沉积速率则介于0.0840～0.4369 mm/a(表1)。沉积速率随时间变化曲线上 (图7)同样大约以1～1.1 Ma年代划分为两段:早于1.1 Ma沉积速率较最快，且波动很大;1Ma以来沉积速率明显减缓，总体波动也不大，至约0.3 Ma前后沉积速率有所波动，进一步变慢。隐伏断裂带的上盘沉积环境相对稳定［25］，其沉积规律可代表上盘地块的沉降特征。是故，顺义凹陷整个第四纪沉积特征表现为早更新世早、中期沉降较快，早更新世晚期以来沉降明显减缓，晚更新晚期至全新世进一步转缓。

图7 顺义断裂带上下盘沉积速率、活动速率随时间变化曲线分布图Fig.7 Curve of the Deposition rate-Ages and Activity rate-Ages of the Shunyi Fault Zone

3)对比顺义断裂带上、下两盘沉积速率，断裂带上盘沉积速率均值远大于断裂带下盘，且任何时间段均大于断裂带下盘 (图7，表1)，反映出顺义断裂带上、下盘存在着相对的差异升降运动。根据限定的地质时代，换算其第四纪以来不同阶段的累积垂直位移及100ka时间段内平均活动速率(表1)。早于～1.1Ma期间，顺义断裂带活动速率较大，平均活动速率达到0.2752 mm/a，是强烈活动时期。而且上、下两盘沉积速率随时间曲线明显“镜状对称” (图7)，而上盘沉积速率的波状起伏对应下盘的稳定沉积，进一步揭示其活动还具有间歇性特征。在 ～2.5、 ～2.3、～2.0、1.6～1.8和1.2～1.3 Ma等5个时间段是断裂带最强烈活动期，其它时间段则表现为相对平静活动期(图7)。～1.1 Ma以来，顺义断裂带活动速率明显减小，平均活动速率仅为0.0738 mm/a。上、下盘沉积速率随时间变化曲线由“镜状对称”转变为“同步变化” (图7)，推测可能同顺义断裂带活动方式发生了变化有关，1.1 Ma后活动方式逐渐转化为今探槽揭露的以蠕滑活动方式为主。同样，这段时间，顺义断裂同其它活动断裂一样，仍具有间歇性特征。在～0.5、～0.3 Ma为期间的强烈活动期，～0.9 Ma为次活动期，其它时间段为相对平静期 (图7)。趋势显示最近的100ka以来，顺义断裂带活动速率逐渐减小，也同前人［6，26］研究成果基本一致。

6 结论

1)顺义断裂带上、下盘所在的顺义凹陷地块和板桥地块活动特征表现为在整个第四纪期间整体下沉，但受顺义断裂带活动影响，差异沉降明显。顺义凹陷早更新世早、中期沉降较快，早更新世晚期以来沉降速度明显减缓。而板桥地块则正好相反。

2)顺义断裂带活动特征则表现为早更新世早、中期 (早于～1.1 Ma)活动强烈，活动方式可能以粘滑活动为主。而早更新世晚期以来 (～1.1 Ma以来)，活动速率明显减缓，活动方式转变为以蠕滑活动方式为主。同时，顺义断裂带活动还具有间歇性特征，整个第四纪以来，可以划分为～2.5、 ～2.3、 ～2.0、1.6～1.8、1.2～1.3、 ～0.5、～0.3 Ma等7个相对活动强烈期和～0.9 Ma次活动强烈期。

3)通过天文旋回地层学分析可建立连续地层的天文年代标尺，用于解决第四纪较长时间段精确地层年代对比限制，为隐伏活动断裂较长时间活动规律的研究开辟新的途径。本次钻孔岩芯的天文旋回地层学分析按照短轴偏心率周期 (100 ka)进行，仅以磁性柱年龄作为锚点。如果同时辅助有其它更多测年数据，采用不等间距进行插值，可开展以第四纪岁差周期 (20 ka)调谐，提高天文旋回地层学分析的精度，进一步细化隐伏活动断裂规律的探究。

4)本次钻孔间距与地层划分精度的限制，以天文旋回地层学框架建立的钻孔天文年代标尺开展的地层厚度对比仅能识别断裂的活跃期与平静期，对于蠕滑活动方式为主的活动断裂研究可能意义更大。因为，该方法前提条件之一是地层的连续沉积，而陆相地层沉积过程中，受构造因素控制的地区更多可能存在沉积间断或因断裂活动引起的地层缺失。是故，该类方法很难分辨粘滑活动引起的地震地表位错事件，更不必说细化分辨单个地震地表位错事件，毕竟活跃期可能由数次地震地表位错事件组成［7］。

致谢:本文在成文过程中得到了中国地质大学 (北京)张世红、杨天水教授的指导，在此表示感谢。

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