西秦嶺北緣斷裂漳縣盆地段淺層人工地震及鉆孔聯(lián)合探測

劉芳曉 王愛國 王金爍

1）中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安市高新區(qū)錦業(yè)一路82號 710077

2）中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

0 引言

西秦嶺北緣斷裂東起寶雞，西經(jīng)天水、武山、漳縣，直達(dá)太子山以西的青海省同仁縣附近，長約440km，為青藏高原東北緣一條規(guī)模宏大、晚第四紀(jì)活動強(qiáng)烈的區(qū)域性左旋走滑斷層，歷史地震多發(fā)。斷層沿線控制了渭河、武山、漳縣、臨夏、循化以及化隆等一系列新生代構(gòu)造盆地（王志才等，2006），其中漳縣盆地位于西秦嶺北緣斷裂帶的中段。由于這些盆地往往為城鎮(zhèn)及人口密集區(qū)，研究活動斷裂展布與盆地演化關(guān)系、精確探測盆地內(nèi)隱伏活動斷層的空間展布和發(fā)育特征，對于減輕盆地內(nèi)地震地質(zhì)災(zāi)害造成的損失具有重要意義，同時也可為盆地內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物的規(guī)劃設(shè)計提供重要依據(jù)。

前人對于西秦嶺北緣斷裂漳縣盆地隱伏段的認(rèn)識局限于盆地內(nèi)部構(gòu)造地貌演化（葛偉鵬，2013）以及盆地周緣基巖裸露區(qū)該斷層及其次級斷裂的地質(zhì)特征的研究（李西候，1993；騰瑞增等，1994；王志才等，2006；郭進(jìn)京等，2013）。而針對該斷裂于盆地隱伏區(qū)的構(gòu)造展布特征和活動特點(diǎn)，尚未見國內(nèi)外學(xué)者有深入研究。

目前，盆地隱伏斷層的研究方法主要有遙感地質(zhì)解譯、野外地質(zhì)地貌調(diào)查、地球物理、地球化學(xué)以及鉆探工程和探槽揭露等。其中地球物理方法中的淺層人工地震反射方法因可以相對可靠地提供斷層位置、幾何形態(tài)、斷層帶寬度、斷層活動和地層變形時代等有關(guān)參數(shù)而得到廣泛應(yīng)用（劉保金等，2008）。而鉆孔聯(lián)合剖面法以其能夠準(zhǔn)確識別隱伏斷層上斷點(diǎn)的空間位置，進(jìn)而判斷其最新活動性的優(yōu)勢，自20世紀(jì)90年代以來廣泛用于隱伏活斷層探測（向宏發(fā)等，1990、1991、1993、2000；徐錫偉等，2000、2002；鄧起東等，2003；朱金芳等，2005；楊曉平等，2007）。基于以上原因，中華人民共和國地震行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《活動斷層探測》（DB／T 15-2009）（中國地震局，2009）中明確將淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面法列為探測隱伏活斷層的主要手段之一，并對相關(guān)要求做了明確規(guī)定。

本文便是在前期遙感地質(zhì)解譯和野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)之上，以淺層人工地震探測以及鉆孔聯(lián)合剖面方法為主要手段，精細(xì)解析西秦嶺北緣斷裂漳縣盆地隱伏段的空間展布和最新活動特征。

1 漳縣盆地

漳縣盆地為一山間小盆地，其走向呈近EW向條帶狀，位于西秦嶺北緣斷裂帶的中段。滕瑞增等（1994）認(rèn)為西秦嶺北緣斷裂帶中段第四紀(jì)以來以走滑運(yùn)動為主；郭進(jìn)京等（2013）通過對西秦嶺北緣斷裂帶的重要分支斷層漳縣-車廠斷層的精細(xì)研究，識別其三期活動期次，認(rèn)為第四紀(jì)以來該斷層以走滑運(yùn)動為主；王志才等（2006）認(rèn)為漳縣盆地經(jīng)歷了三期構(gòu)造演化，分別是中新世早中期的拉張成盆期、中新世晚期的擠壓變形期以及晚更新世以來的走滑運(yùn)動期。因此，盆地及其周緣斷層構(gòu)造比較復(fù)雜，結(jié)合前人的認(rèn)識可以發(fā)現(xiàn)，西秦嶺北緣斷裂漳縣盆地隱伏段呈陡傾角走滑運(yùn)動特點(diǎn)，這與后期鉆孔揭露該斷層的發(fā)育特征一致。

盆地內(nèi)部發(fā)育的漳河剝蝕堆積作用比較明顯，其形成的河流河漫灘和階地與兩側(cè)山體溝壑沖洪積扇組成盆地內(nèi)部的基本地貌單元。盆地第四系覆蓋層以全新統(tǒng)沖洪積物為主，更新統(tǒng)沉積剝蝕殆盡甚至缺失，巖性以卵石層、砂礫層和粘土層為主，其厚度不超過15m。第四系下伏地層為新近系的泥巖或礫巖，該地層受后期盆地構(gòu)造演化的影響，形成與盆地斜交的寬緩褶皺。

根據(jù)前期遙感地質(zhì)解譯、野外地質(zhì)調(diào)查和淺層人工地震初步勘探結(jié)果，西秦嶺北緣斷裂帶的新活動貫穿了漳縣盆地（圖1），雖然盆地東西兩側(cè)斷層位置明確，但盆地內(nèi)由于第四系沉積物的覆蓋和人類活動的改造，其最新活動的地形地貌特點(diǎn)不甚明顯，無法辨別其最新活動軌跡，因此，需要借助淺層人工反射地震探測和鉆孔聯(lián)合剖面的手段來對盆地區(qū)隱伏斷層段進(jìn)行精細(xì)探測研究。

2 淺層人工地震探測

淺層人工地震法是探測隱伏斷裂構(gòu)造的一種有效方法。該方法不但有利于采用多次覆蓋技術(shù)壓制干擾，提高資料的信噪比和分辨率，而且地震時間剖面上的地震響應(yīng)可直觀形象地反映地下地質(zhì)構(gòu)造，有利于判斷斷層的存在與形態(tài)以及斷層上斷點(diǎn)的深度及其在地面投影的位置。

本次漳縣盆地隱伏斷裂精細(xì)探測共布設(shè)3條淺層人工地震測線（圖2）。由于漳縣盆地第四系覆蓋層厚度不大（河床處10m左右），且內(nèi)部缺乏物性參數(shù)差異較大的巖性界面，而新近系內(nèi)部泥巖和砂礫巖物性差異較大，存在較好的反射界面，因此，本次淺層人工地震探測數(shù)據(jù)采用小道距接收，以保證接收到近地表地震信息，用有限大排列觀測系統(tǒng)，以保證接收到中淺層地震波的目的層反射信息。通過現(xiàn)場實(shí)驗工作，確定了相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集參數(shù)：觀測系統(tǒng)道距3m，炮距18m，接收排列300道，非對稱中點(diǎn)激發(fā)；震源采用單臺KZ-28型可控震源激發(fā)，震源噸位28t，震動次數(shù)6次，掃描頻率15～120Hz，掃描長度12s，驅(qū)動電平75%。

圖1 研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造位置及其地質(zhì)簡圖

通過精細(xì)化的數(shù)據(jù)處理得到相應(yīng)測線的地震時間剖面（圖3），由圖3可見漳縣斷層在3條時間剖面的特征基本一致，均呈陡立斷層特點(diǎn)，最陡處視傾角約80°，可解釋的上斷點(diǎn)埋深約20m以淺，錯斷3個層位，垂直斷距具有自深部向淺部逐漸變小的趨勢，同時在斷層帶附近反射波相對比較凌亂，相位有所增加，解釋層位的產(chǎn)狀偶有突變。

圖2 漳縣盆地地形地貌

圖3 淺層人工反射地震時間剖面

3 鉆孔聯(lián)合剖面探測

3.1 剖面布設(shè)

為了驗證淺層人工反射地震探測結(jié)果，進(jìn)而準(zhǔn)確識別漳縣斷層盆地隱伏區(qū)的上斷點(diǎn)位置、埋深以及其活動性，與3條測線重合布設(shè)了3條跨斷層的鉆孔聯(lián)合剖面?？紤]到淺層地震勘探的誤差、地層構(gòu)造變形產(chǎn)狀存在變化以及鉆探區(qū)沖洪積物相變復(fù)雜的特點(diǎn)，鉆孔聯(lián)合剖面以淺層地震解釋的斷層傾向和上延至地表的位置為基準(zhǔn)點(diǎn)，兩側(cè)布孔，最小孔間距≤10m。為確保鉆探剖面揭穿第四紀(jì)地層，同時參考利用第四系覆蓋層下伏基巖層的錯斷特點(diǎn)，兩端鉆孔設(shè)計孔深50～70m，中間其它鉆孔孔深視標(biāo)志層深度而定。

3.2 施工方法

本次鉆孔聯(lián)合剖面探測用“對折法”實(shí)施。雷啟云等（2008）基于城市隱伏活斷層鉆孔聯(lián)合剖面探測的多次實(shí)踐，總結(jié)出一種優(yōu)化的斷層定位方法——對折法。其主要步驟是首先實(shí)施兩端的鉆孔，確定斷層所在區(qū)段，然后在其間二分之一處布設(shè)下一鉆孔，依次類推，逐漸限定出斷層的準(zhǔn)確位置。

3.3 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面結(jié)果

DZ1測線鉆孔剖面長度204m，布設(shè)鉆孔10個，地貌單元為漳河河床及河漫灘，鉆孔間距3～40m，其中ZK2-4和ZK2-10兩個鉆孔位于漳河北側(cè)高河漫灘，地勢較高。各鉆孔揭露的全新統(tǒng)為一巨厚層河流相卵石層，該卵石層的底部基本水平，靠近斷層附近略有變形，卵石層厚度10～15m，其底部可作為斷層位置精確定位、上斷點(diǎn)埋深識別以及斷層活動性鑒定的典型標(biāo)志層。卵石層下伏地層為新近系強(qiáng)風(fēng)化的礫巖或者泥巖，通過巖芯柱發(fā)現(xiàn)，該地層產(chǎn)狀較陡，傾角超過45°，同時由于鉆孔深度較淺，因此基巖層的標(biāo)志層不明顯。斷層上斷點(diǎn)位于ZK2-9和ZK2-1之間，其中ZK2-9揭露斷層破碎帶厚度近5m，其位置向地震時間剖面解釋的斷層淺層延伸方向北移15m，上斷點(diǎn)埋深約8m，而且斷層上斷點(diǎn)錯斷全新統(tǒng)卵石層，垂直斷距約3m。

DZ2測線鉆孔剖面長度180m，布設(shè)鉆孔8個，地貌單元為漳河北側(cè)一級階地，地勢北高南低，鉆孔間距7.5～48.0m。各鉆孔揭露全新統(tǒng)為頂部的薄層雜填土、中部的厚層黃土和粉土以及底部的巨厚層卵石層，基巖層為一巨厚層泥巖，該泥巖各鉆孔均未見底。其中土黃色粉土層、松散細(xì)砂層、卵石層以及基巖層的灰綠色泥巖層為識別斷層的標(biāo)志層。斷層上斷點(diǎn)位于ZK3-3和ZK3-6之間，各標(biāo)志層在斷層兩側(cè)均發(fā)生錯斷，且各層斷距具有自深部向淺部逐漸變小的趨勢，其中灰綠色泥巖層底界垂直斷距約2.5m，卵石層底界的垂直斷距約2m，松散細(xì)砂層的底界垂直斷距約70cm，土黃色粉土層底界的斷距約50cm，指示該斷層全新世以來繼承性多期次活動的特點(diǎn)，其平面位置向地震時間剖面解釋的斷層淺層延伸方向北移6m，上斷點(diǎn)埋深約5m。

DZ3測線鉆孔剖面長度136m，布設(shè)鉆孔10個，地貌單元為漳河南側(cè)一級階地，地勢南高北低，鉆孔間距5～40m。各鉆孔揭露的全新統(tǒng)卵石層底部基本水平，與下伏地層呈典型的角度不整合接觸，厚度11～17m；卵石層底部基巖層發(fā)育厚層風(fēng)化殼，該風(fēng)化殼整體特征表現(xiàn)為巖性為礫巖、礫砂巖或泥巖，顏色呈褐黃色，膠結(jié)程度較差，可見綠泥石蝕變，該層可作為斷層位置精確定位、上斷點(diǎn)埋深識別以及斷層活動性鑒定的典型標(biāo)志層。鉆孔揭露的新近系基巖層，產(chǎn)狀特征表現(xiàn)為一向斜構(gòu)造，與淺層地震勘探的解釋結(jié)果一致，兩翼地層傾角約10°，其中淺灰色泥巖-黃褐色礫巖的沉積組合以及鉆孔底部巨厚層灰黃色泥巖的頂部可作為斷層判別的重要標(biāo)志層。斷層上斷點(diǎn)位于ZK1-8和ZK1-10之間，其位置向地震時間剖面解釋的斷層淺層延伸方向北移20m，上斷點(diǎn)埋深約10m，而且斷層上斷點(diǎn)錯斷全新統(tǒng)卵石層，垂直斷距約1.2m。

鉆孔聯(lián)合剖面揭露的斷層上斷點(diǎn)均錯斷全新世地層，指示該斷層全新世以來活動性較強(qiáng)。

圖4 各測線鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面

4 結(jié)論與討論

盆地內(nèi)隱伏斷層的研究雖然不如露頭區(qū)斷層的研究直觀，但是通過盆地內(nèi)部覆蓋層研究隱伏斷層的最新活動性卻具有其獨(dú)特的意義。西秦嶺北緣斷裂控制的新生代構(gòu)造盆地多為山間小盆地，經(jīng)歷了多次構(gòu)造演化，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和多階段多時相不同地理環(huán)境的沉積響應(yīng)對研究西秦嶺北緣斷裂的活動軌跡和最新活動期次帶來挑戰(zhàn)，其中漳縣盆地尤為典型。本文以前期地質(zhì)工作為基礎(chǔ)，通過淺層人工地震和鉆孔聯(lián)合剖面探測2種方法，循序漸進(jìn)，查明了西秦嶺北緣斷裂漳縣盆地隱伏段的空間發(fā)育特征和最新活動期次。

（1）以淺層人工地震探測成果為參考，布設(shè)3條鉆孔聯(lián)合剖面，其揭露結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)本次淺層人工地震解釋的解釋結(jié)果可靠，但是上斷點(diǎn)地表投影位置和埋深的解釋均存在差異，其中DZ1測線真實(shí)上斷點(diǎn)地表投影位置較地震解釋結(jié)果向北移15m，DZ2測線北移20m，DZ3測線北移6m，上斷點(diǎn)埋深為5～10m（地震解釋結(jié)果約為20m），可以發(fā)現(xiàn)地震時間剖面可解釋的上斷點(diǎn)向淺層延伸至鉆孔揭露的埋深處地表投影位置與其真實(shí)位置基本吻合。

（2）西秦嶺北緣斷裂帶漳縣盆地隱伏段產(chǎn)狀較陡（視傾角約80°），第四紀(jì)以來活動特點(diǎn)以走滑運(yùn)動為主，因此斷層面兩側(cè)地層的垂直錯斷位移有所差異；盆地內(nèi)部第四系覆蓋層巖性比較單一（以全新統(tǒng)沖洪積卵石層為主），厚度較薄（15m左右），西秦嶺北緣斷裂帶漳縣盆地隱伏段的上斷點(diǎn)均錯斷全新統(tǒng)，且地層垂直斷距具有自深部向淺部逐漸變小的趨勢，指示該斷層全新世以來繼承性多期次活動的特點(diǎn)。

（3）本文選擇合理的淺層人工地震施工參數(shù)，并以此結(jié)果為參考，開展鉆孔聯(lián)合剖面探測查明漳縣盆地隱伏斷層上斷點(diǎn)位置和埋深，并解析其最新活動性，對于山間盆地復(fù)雜構(gòu)造背景下隱伏斷層探測的理論研究和方法探索具有一定借鑒意義。