沧口断裂位于华北克拉通胶辽台隆的东部边缘, 是胶东半岛内牟平‒即墨断裂带南部的一条重要断裂^[1], 控制并切割早白垩系青山组、杨家庄组和燕山晚期花岗岩体, 是中新生代强烈活动的区域性断裂。在青岛市区, 沧口断裂东南部是燕山期花岗岩构成的低山丘陵区, 西北部是胶莱盆地(图1)。沧口断裂控制了现代地貌和晚第四纪沉积, 构成一条明显的北东向第四纪地貌分界线。

虽然青岛地区开展过1:5万和1:20万的区域地质调查以及多个重大工程的地震安全性评价工作, 对青岛临近地区(包括沧口断裂在内)的多条断裂进行了研究, 但由于野外工作条件的限制及城市覆盖区的影响, 取得的资料非常有限^[2-5], 对断裂活动性的调查和研究程度非常低。在“青岛市活断层探测与地震危险性评价”项目(简称“活断层探测”)实施过程中, 对包括沧口断裂在内的主要断裂进行了活动性鉴定和详细研究, 并对沧口断裂窑上至胶州湾段进行了详细的研究和断裂活动性分段^[6]。但是, 由于黄岛段大部分区域被楼房覆盖, 地形地貌表现不明显, 前期开展的 1:5 万和 1:20 万区域地质调查及活断层探测均未对沧口断裂在黄岛段的空间展布及活动性进行有效的研究。

黄岛区(原胶南区)是我国国家级新区, 同时也是国家海陆统筹发展试验区、国际高端海洋产业集聚区、海洋经济国际合作示范区和国际航运枢纽。未来会有大量高端企业入驻该区, 会有大量超高层建筑在此兴建。因此, 开展黄岛区沧口断裂活动探测, 查明断层的准确位置、分布规模和活动性, 评价其地震危险性和危害性, 确定沧口断裂黄岛段断裂避让带, 是黄岛新区经济建设和可持续发展的需要, 可为国土资源规划、城市建设及防震减灾提供必要的科学依据, 对改善城市基础设施建设和投资环境具有重要的意义。

本文根据活动断层探测时的地质考察, 并综合近几年在黄岛地区开展的重大工程地震安全性评价工作, 对沧口断裂在黄岛段的空间展布和现代活动性进行研究, 并且给出沧口断裂黄岛段的断层避让宽度。

1 地质构造特征

1.1 区域地质构造演化

青岛及邻区属于华北克拉通胶辽断块区, 结晶基底为元古代的变质岩系, 经过吕梁运动固结形成。古生代以来长期处于强烈的构造隆升阶段, 缺失古生代至三叠纪地层, 导致大面积的结晶基底出露。中生代中、晚期以来, 构造运动进入新的发展阶段, 区内发生强烈的差异性升降运动, 西部胶莱地区断陷盆地接受浅海相和陆相沉积, 东部广泛出露燕山晚期花岗岩。晚第三纪以来, 受印度板块与亚欧大陆碰撞的影响, 华北克拉通进一步解体, 除渤海海峡、北黄海及蓬黄地区下沉外, 其余地区继续隆起。

区内断裂大致形成于中生代, 控制着燕山期和喜山期岩浆活动以及现代地貌轮廓。早期为左旋压扭运动^[6-8], 受太平洋板块运动从βNNWβ向转变为NWWβ向的影响, 断裂运动从早期的左旋压扭运动转变为后期的右旋平移运动。从青岛及其邻区的微震震中分布来看, 微震震中呈线性排列, 反映了断裂的现代活动和控震作用^[2,9-11]。

1.2 现代地貌特征及新构造运动

块体活动、断裂活动及其控制的现代地貌形态是新构造运动的主要表现形式。青岛地区以低山丘陵和平原两种地貌类型为主, 大致以沧口断裂为界划分为西北、东南两个不同的地貌单元。沧口断裂东南部地区主要为花岗岩组成的低山丘陵区, 崂山山地海拔在 250 m 以上; 沧口断裂西北部地形比较低缓, 沿海多第四系河海堆积港湾以及第四系冲洪积与剥蚀平原, 海拔一般在 100 m 以下。从总体上看, 青岛地区地貌形态受沧口断裂影响明显, 沧口断裂在第四纪时期活动显著。

青岛地区新构造运动强度不大, 主要以构造隆升为主, 与中生代和古近纪相比, 差异性活动明显减弱。第四系发育不良, 许多地区基岩出露或仅覆盖不厚的残坡积物, 部分地区发育晚更新世及全新世堆积物, 局部地区发育中更新世沉积物。构造带内新构造运动比较强烈, 表现出继承性特点, 形成多级夷平面、台地和阶地, 主要的夷平面为唐县和临城两期夷平面^[6], 海拔高度分别为 200 m 左右和数十米。唐县期夷平面地貌上表现为较缓且不连续的地形转折, 有线性展布的垭口和谷地等, 受断裂影响明显。

2 沧口断裂黄岛段几何结构特征

沧口断裂东北起自即墨远洪沟村, 向南西一直延伸到黄岛, 走向北东, 在 40°~55°之间变化。断裂倾向变化较大, 东北部以倾向南东为主, 中南部以倾向北西为主, 断裂倾角陡立, 一般在 70°~88°之间, 个别地点倾角稍缓, 约在 50°~60°之间。“活断层探测”项目根据断裂的几何形态、活动时代、断裂带组合特点、活动习性及地形地貌, 将沧口断裂窑上至黄岛段分为 4 个断层段^①, 即窑上‒西南泊段、松山‒太平庄段、丹山‒胶州湾段和黄岛段。除黄岛段外, 各段均表现出明显的晚更新世活动特征。受条件限制, 沧口断裂黄岛段的空间展布及活动特征多为推测的结果。本文根据“活断层探测”期间的地质考察及近几年在此区域开展的工作, 对沧口断裂黄岛段的空间展布及活动特征进行研究, 取得一些新的认识。

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图1   青岛及临近地区地质构造简图

Fig. 1   Geological map of Qingdao and its adjacent area

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图2   沧口断裂黄岛段分布

Fig. 2   Distribution of Huangdao section of Cangkou fault

沧口断裂在黄岛前湾一带经保税区、经武家庄、长江路街道办事处、辛庄、高家台、张家庄、小洼、白果树村和新建村进入黄海(图 2)。断层走向北东, 倾向北西, 长约 15 km, 断裂带宽度在 5~ 35 m之间。断层主要发育在燕山花岗岩体中, 控制了该区现代地貌和第四纪沉积。断裂西北侧为小珠山山脉, 由燕山期花岗岩构成。断裂南东侧分布着白垩系, 对白垩纪地层有一定的控制作用。黄岛地区第四纪沉积明显受到北东向断层的控制, 形成狭长的北东向第四系沉积和海湾地带。总的来说, 在地形地貌上, 沧口断裂沿山丘之间的低洼地带延伸, 两侧地形高度没有明显的落差, 对现代水系的影响不明显。

3 断裂构造活动特征

3.1 断裂剖面特征

沧口断裂黄岛段主要发育在城市覆盖区和第四系覆盖区, 地表仅在周家夼及其西南一带出露。在周家夼五顺物流中心出露沧口断裂断层破碎带(图3, 破碎带北侧), 破碎带内岩石较破碎, 以碎裂岩为主, 发育多条次级断面。破碎带北端断层面近直立, 断层走向 40°~45°, 发育断层泥, 断层泥带宽5~10 cm。断面有斜向擦痕, 擦痕侧伏向南西, 侧伏角为 26°, 显示断裂为右旋逆冲运动。破碎带以北为花岗岩, 受断裂影响, 花岗岩也较为破碎, 节理发育。该处断裂破碎带上覆厚 0.2~1 m 的第四系坡积物, 坡积物没有受断裂影响。

周家夼村东五顺物流中心仓库施工时, 沿沧口断裂带进行了大面积的开挖, 开挖的深度大、范围广, 很好地揭示出沧口断裂的形态。我们对开挖剖面做了认真的清理, 并对剖面进行实测。剖面走向220°, 长 36 m, 高 3~5 m。剖面北端的地理坐标为35°57′4.43″N, 120°8′34.19″E; 剖面南端的地理坐标为 35°57′3.92″N, 120°8′33.79″E。剖面上部是第四系残坡积物, 下部是断裂破碎带(图 4), 上部第四系残坡积物未受下部断层影响。图 4 剖面中地层特征如下: 层①为现代坡积砾砂层, 局部为坡洪积砾石层, 砾径一般为5~10 cm, 最大超过30 cm; 层②为红色坡积物, 水平层理清楚, 底部有一层砾石, 并且从下至上颗粒由粗变细; 层③为红褐色砂层夹砂质亚黏土, 发育斜层理; 层④为构造碎裂岩, 原岩为花岗岩, 发育多条次级断面; 层⑤为构造角砾岩,浅灰绿色, 一系列构造透镜体镶嵌在一起; 层⑥为灰绿色断层泥, 断层泥厚度为 0.3~1 m, 具有很强的黏性, 沿断层面定向排列, 发育波状弯曲的片理。剖面内发育多条断层, 其中断层 F1 和 F2 发育断层泥, 采集断层泥做电子自旋共振(ESR)测年(样品ZLK-03和ZLK-04, 其中ZLK-03采于最新活动面上), 在上覆坡积物中采集样品做光释光(OSL)测年, 结果见表 1。根据剖面分析和测年结果可以判断, 断层活动性质为右旋逆冲运动, 活动时代为中更新世中期。

我们在黄岛隐珠镇新建村西南约 200 m处开挖一个探槽。探槽北侧的经纬度为°35°53′22.85″N, 120°04′43.36″E; 探槽南侧经纬度为°35°53′22.14″N, 120°04′43.55″E。探槽总体走向近南北, 长约 18 m。剖面上部为第四纪残坡积物, 下部为断层破碎带(图 5), 上部第四纪残坡积物未受到断层影响。剖面地层特征如下: 层①为第四纪残坡积物, 厚度约 0.5 m, 主要为花岗岩风化堆积物, 混有植物根系; 层②为白垩纪安山玢岩, 紫红色, 风化严重, 剖面南侧有基岩出露; 层③为碎裂岩, 剖面揭示 3条碎裂岩带, 灰白色, 呈薄片至薄块状, 显示受到一定的挤压作用; 层④为安山玢岩风化物, 紫红色, 呈泥状, 可见钠长石风化斑晶; 层⑤为断层泥, 灰绿色, 厚约30 cm, 具有很强的黏性, 沿着断层面定向排列; 层⑥为细粒花岗岩, 风化严重, 仅保留原岩的结构; 层⑦为燕山期粗粒花岗岩, 风化严重, 可见原岩结构。

在探槽西侧约 5 m 处, 顺断层延伸, 可以看到花岗岩基岩陡坎(图 6), 但延伸长度不大, 仅在剖面附近出现。

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图3   物流中心断裂剖面(镜向南西)

Fig. 3   Fault profile of the logistics center (view to SW)

探槽西南约 60 m 处, 在通往码头养殖场路的左侧揭露一天然断层剖面(图 7), 剖面中心地理坐标为 35°53′21.01″N, 120°04′40.59″E。剖面上部为耕植土, 下部为断层破碎带, 上部耕植土层未受到下部断层的影响。剖面地层特征如下: 层①为耕植土, 厚约 1 m, 植物根系发育; 层②为燕山期粗粒花岗岩, 肉红色, 富含钾长石, 风化严重; 层③为断层泥(图 8), 最大厚度约为 20 cm, 灰绿色, 具有很强的黏性; 层④为断层破碎带, 宽约 28 m, 风化破碎严重; 层⑤为安山玢岩, 基岩相对完整, 与破碎带的分界较为明显(图9)。

综上所述, 断裂剖面显示沧口断裂带宽 28~36 m, 断裂未错动剖面上覆的晚更新世地层。根据断层上覆最老地层和断层泥样品年代测试结果分析, 断层最新活动时代为中更新世中期, 断面上擦痕揭示断裂为右旋逆冲运动。

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图 4   物流中心探槽剖面

Fig. 4   Trench exposure profile at the logistics center

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图5   新建村西南沧口断裂剖面

Fig. 5   Cangkou fault profile in the southwest of Xinjian village

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图6   新建村西南剖面处的基岩陡坎(镜向南西)

Fig. 6   Bedrock steep ridge near the profile in the south-west of Xinjian village (view to SW)

3.2 断裂钻孔剖面特征

3.2.1 瑞海花园处钻孔剖面

在地球物理探测的基础上, 在瑞海花园小区后布设一组 7 个钻孔的排钻, 钻孔之间的间距为 3 m。钻孔揭示的地层为耕植土、粉质黏土、全风化花岗岩、强风化花岗岩和中等风化花岗岩 5 个层位(图10), 各层详细描述如下。

1) 耕土层: 灰褐色, 松散, 底板埋深1.4~1.8 m。

2) 粉砂质黏土层: 黄褐色至黑褐色, 可塑性强, 底板埋深2.5~4.1 m。

3) 全风化花岗岩层: 黄褐色至灰黄色, 中粒结构, 块状构造, 矿物成分以正长石和角闪石为主, 矿物蚀变严重, 长石大部分已风化, 岩芯手搓后呈砂土状, 裂隙很发育, 裂隙面有明显铁锰氧化物渲染。底板埋深13.5~23.5 m。

4) 强风化花岗岩层: 黄褐色至灰褐色, 中粒结构, 块状构造, 以正长石和角闪石为主要矿物成分, 矿物蚀变强烈, 岩体极易破碎, 结构面有明显锰质氧化物渲染, 岩芯多呈砾砂至角砾状, 岩块可用手搓碎。该层具有自上而下风化程度减弱的特点, 底板埋深17.5~27.5 m (PZK4孔没有穿透, 除外)。

5) 中等风化花岗岩层: 灰褐至青灰色, 中粒结构, 块状构造, 矿物成分以正长石和角闪石为主要矿物成分, 矿物蚀变较轻。岩体裂隙面上有明显的锰质氧化物浸染, 岩芯多呈碎块状至短柱状, 可用锤击碎。此层未揭穿。

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图7   养殖场路边沧口断裂剖面

Fig. 7   Cangkou fault profile near the road to farm

这 7 个钻孔揭示的耕植土层和黏性土层较均一, 层底标高分别为 13.60~14.0 m 和 11.30~12.90 m。全风化层层底标高为 1.90~-8.10 m, 尤其是 PZK4 和PZK5 孔的全风化深度较大, 层底标高为-7.10~ -8.10 m, 两侧的 PZK1, PZK2, PZK6 和PZK7 孔层底标高为 1.90~-2.10 m。PZK4 和PZK5孔强风化层底标高为-11.10~-12.10 m (PZK4 孔未打穿该层), 两侧的 PZK1, PZK2, PZK3, PZK6 和 PZK7 孔层底标高则为-2.10~-5.10 m。中等风化层 PZK5 孔深度达到 35.5 m (层底标高为-20.10 m)时仍然为破 碎状, 未能取出完整的柱状岩芯, 而两侧的钻孔(如 PZK1 孔)在钻孔深度达到 17.5 m (标高为-2.10 m)时即可取出短柱状样品。

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图8   养殖场路边剖面中的断层泥(镜向北东)

Fig. 8   Fault mud in the roadside profile to farm (view to NE)

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图 9   养殖场路边剖面断层破碎带与安山玢岩分界线(镜向北东)

Fig. 9   Boundary between fault broken section and andesitic porphyrite near the road to farm (view to NE)

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图10   瑞海花园钻孔联合剖面

Fig. 10   Combined borehole profile in Ruihai garden

PZK4 和 PZK5 孔全风化及强风化层的厚度以及埋深相对两侧的 PZK1, PZK2, PZK3, PZK6 和PZK7孔均较大(图 10), 像一个楔子。PZK5孔的中等风化花岗岩较为破碎, 取出的强风化层块状岩芯的裂隙中也显示存在薄层的青灰色断层泥(图 11), PZK1, PZK2, PZK3, PZK6和PZK7孔的全风化和强风化层厚度较小, 埋深较浅, 中等风化层可以取出短柱状岩芯。

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图11   PZK5孔强风化块状岩芯中的断层泥

Fig. 11   Fault mud in strongly weathered block drill core in hole PZK5

钻孔及附近受人为影响比较大, 地形比较平坦, 未见明显的地形起伏, 但通过钻孔剖面可以看出下伏基岩面北侧高, 南侧低, 存在 3 m 左右的基岩面起伏, 在推测断层位置处未见明显的基岩面起伏。推测是由于受到断层影响, 断裂带内岩石破碎, 水分更易沿着破碎面侵入, 造成断裂带内岩石风化强烈, 风化程度较大, 在短距离(9 m)内风化程度差异较大, 并由于断层的活动, 在影响带内形成青灰色的断层泥。经过综合分析, 推测断层影响带的中心在 PZK4 孔与 PZK5 孔之间, 断层影响带的宽度不超过 9 m, 倾角较大, 上覆的全新世耕土及晚更新世黏性土未受到断层的影响, 断裂晚更新世以来未见明显活动。

3.2.2 万达综合城处剖面特征

根据地球物理探测出现异常的位置, 在万达综合城场地布设一组7个断层鉴别钻孔, PZK1~PZK6孔的孔间距为 3 m, 由于 PZK6 北侧地下有管道及国防光缆, 因此 PZK7 钻孔的位置偏北了一些。断层鉴别钻孔揭示的地层分为素填土、黏土、全风化碎屑层、断层泥、断层角砾岩、强风安山层、强风化花岗岩、中等风化安山岩、中等风化花岗岩和煌斑岩共10个层位(图12)。各层详细描述如下。

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图12   万达城钻孔联合剖面

Fig. 12   The combined borehole profile in Wanda city

1) 素填土: 褐黄色至灰黄色, 稍湿至饱和, 松散, 主要由粉土、黏性土、砂粒组成, 有少量建筑垃圾及生活垃圾。底板埋深1.1~2.0 m。

2) 黏土层: 灰色至灰黑色, 饱和, 可塑性强, 具中等压缩性, 无摇振反应, 韧性较好, 局部有少量淤泥质砂。底板埋深1.8~3.1 m。

3) 全风化碎屑层: 黄褐色至灰绿色, 矿物成分以花岗岩风化碎屑为主, 矿物蚀变严重, 长石大部分已风化, 干钻易钻进, 岩芯手搓后呈砂土状。底板埋深4.2~5.0 m。

4) 强风化安山岩: 黄褐色至灰褐色, 块状构造, 以斜长石和角闪石为主要矿物成分, 矿物蚀变强烈, 岩体极易破碎, 结构面有明显锰质氧化物渲染, 岩芯多呈砾砂至角砾状, 岩块可用手搓碎。

5) 断层角砾岩: 黄褐色至灰褐色, 块状构造, 以斜长石和角闪石为主要矿物成分, 矿物蚀变强烈, 岩体极易破碎, 结构面有明显锰质氧化物渲染, 岩芯多呈砾砂至角砾状, 岩块可用手搓碎。

6) 断层泥: 灰绿色, 与基岩接触面光滑, 上面有擦痕, 在PZK3和PZK4孔可见断层泥与强风化层的接触面。

7) 中等风化安山岩: 灰褐至青灰色, 隐晶质结构, 以长石和角闪石为主要矿物成分, 矿物蚀变较轻, 岩体裂隙面上有明显的锰质氧化物浸染, 岩芯多呈短柱状至长柱状, 可用锤击碎。此层未揭穿。

8) 强风化花岗岩层: 黄褐色至红褐色, 风化强烈, 裂隙发育, 原岩结构与构造基本上已破坏, 岩体呈散体至碎裂状, 岩芯手搓后呈砂砾、角砾状, 局部手捻有黏性, 矿物成分以正长石和角闪石为主, 顶部干钻较易钻进。

9) 中等风化花岗岩: 肉红色至红褐色, 节理发育, 块状构造, 岩体破碎至较破碎, 岩芯多呈短柱状, 锤击较易碎, 矿物成分以正长石和角闪石为主, 仅在PZK7孔可见。

10) 中等风化煌斑岩: 暗绿色, 煌斑结构, 块状构造, 节理裂隙发育, 节理面见有铁、锰质渲染, 主要矿物成分为角闪石、长石和黑云母。

PZK1~PZK6 孔揭示的素填土层、黏土层和全风化碎屑层深度基本上一致(图 12), 比较均一(PZK7 孔位于路上, 受人为影响较大, 因此不对第四纪覆盖层进行对比)。强风化层整体上比较破碎, 但PZK1, PZK2, PZK5和PZK6孔的强风化层可以取出短柱状岩芯。相对于两侧的钻孔, PZK3 和PZK4 孔的强风化层厚度较大, PZK4 孔 7.6~8.0 m 处和 14.2~14.7 m 处(图 13(a))以及 PZK3 孔 13.2 ~ 13.5 m 处(图 13(b))可以采到断层泥与强风化层的接触面样品, 掰开样品可以看到断层泥与强风化层接触面明显, 有擦痕, 可以断定 PZK3 和 PZK4 孔 打在断裂带上, 断裂带位于 PZK2 至 PZK5 孔以及 PZK6 与 PZK7 孔之间。沧口断裂在此段构成花岗岩与安山岩的分布界线, 根据跨断层钻探结果, 可以看出沧口断裂断层泥比较发育, 断裂带附近基岩破碎严重, 断裂带宽约 6 m。因此, 跨断层建筑应考虑不均匀沉降造成的建筑地基破坏。

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图13   断层泥与基岩接触

Fig. 13   Contact between fault mud and rock

4 讨论与结论

沧口断裂是胶东半岛南部的一条重要断裂, 对其中段和北段晚第四纪活动的新认识对胶东半岛的地震危险性评价和地质灾害评价提出了更高的要求。沧口断裂在黄岛段晚第四纪以来活动性较弱, 未沿袭其中段和北段晚第四纪以来的活动特征, 这可能是由于沧口断裂在胶州湾内被北西向断裂错断所致。沧口断裂在黄岛段基本上沿着山前分布, 控制着第四系沉积和海湾地带, 但由于其晚第四纪活动性较弱, 未出现明显的断层地貌, 野外能观测到自然露头的地质剖面极少, 因此采集的年代样品不多。这是在低山丘陵区断裂活动性研究中普遍遇到的问题。

沧口断裂是一条区域性断裂, 构成青岛地区低山丘陵与第四系沉积区的地貌界线。在黄岛区, 除表现为燕山期花岗岩与第四系的分界外, 还显示出对白垩纪安山岩的控制, 构成燕山期花岗岩与白垩纪安山岩的界线。万达综合城处钻孔揭示花岗岩与安山岩接触带出现灰绿色断层泥, 新建村探槽及码头处剖面同样揭示沧口断裂在黄岛区构成燕山期花岗岩与白垩纪安山岩的地层分界。

青岛市被列为地震重点监视防御城市。地质构造环境和断层活动性表明, 青岛市及临近地区存在发生 6.5 级左右中强地震的潜在震源。有关学者也呼吁, 应加强区内断裂的年代学和现代活动性研 究^[2,9-10]。通过对沧口断裂黄岛段的研究, 我们认为, 虽然此段不是活动断裂, 但考虑到中国东部地区中更新世断层有发生 5.0~5.9 级, 甚至 6 级地震的可能性^[12], 加上黄岛区未来经济定位和城市发展规划, 宜考虑断层避让带。徐锡伟等^[13]的研究表明, 全新世活断层避让带距离可取 30 m, 有些规范中对高设防烈度区采取更大的避让距离^[14]。此期的研究对沧口断裂晚更新世活动的北段和中段采取14 m 和 34 m 的避让宽度^①（① 北京中震创业工程科技研究院. 青岛市地震活断层地表强变形带评价报告, 2007）。基于安全性的考虑, 我们认为对于沧口断裂黄岛段宜采用 14 m 作为断层避让带宽度, 避让带可以在断层两侧对称分布。

本文通过野外地质、地貌调查和探槽剖面的研究, 对沧口断裂黄岛段第四纪运动特征得到以下初步结论。

1) 沧口断裂黄岛段整体上呈北东走向, 倾向北西, 长约15 km, 断裂带宽度在5~35 m之间。断层主要发育在燕山花岗岩体中, 对白垩纪地层有一定的控制作用。受沧口断裂的影响, 形成北东向的第四系沉积和海湾地带。

2) 经过多期运动, 中更新世以来, 沧口断裂黄岛段以右旋走滑运动为主, 兼有逆冲运动。断裂带中断层泥发育, 断裂带附近基岩破碎严重。

3) 沧口断裂黄岛段宜采用 14 m 作为断层避让带宽度, 避让带可以断层两侧对称分布。

致谢 本研究得到青岛工程地震研究所林彤高级工程师、杨健所长、桑向国高级工程师、刘锐工程师和薛海滨工程师的帮助, 在此表示感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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