夏墊斷裂東北段地震勘探資料研究

曹朋軍, 夏方華, 李世斌, 王 茜, 夏訓(xùn)銀, 袁 航, 劉文強(qiáng)

(1. 天津市地球物理勘探中心, 天津 300170; 2. 華北地質(zhì)勘查局綜合普查大隊(duì), 河北 燕郊 065203)

0 引言

夏墊斷裂為首都東部平原區(qū)一條重要的隱伏活動(dòng)斷裂,位于大廠凹陷與大興通縣凸起兩個(gè)第四紀(jì)構(gòu)造單元的交接部位[1-2]。該斷裂走向40°～50°,傾向南東,傾角為50°～70°,長(zhǎng)120 km,1679年該斷裂上曾發(fā)生三河—平谷M8.0大地震,至今依然可見(jiàn)當(dāng)時(shí)地震形成的陡坎?？垢蓴_高分辨率地震反射勘探是探測(cè)厚覆蓋區(qū)隱伏斷裂的有效方法,近年來(lái)在不同的探測(cè)目的中取得了較好的效果[3-7],能夠得到幾十米至上千米的中淺部地質(zhì)構(gòu)造信息。由于夏墊斷裂處于人口稠密的首都東部平原區(qū),近年來(lái)在該斷裂帶上持續(xù)開(kāi)展了多次地震勘探研究。趙成彬在夏墊斷裂上開(kāi)展了淺層縱、橫波聯(lián)合探測(cè)試驗(yàn),針對(duì)該斷裂的淺部特征進(jìn)行了高分辨率探測(cè),所布設(shè)測(cè)線位于潘各莊與齊心莊之間,根據(jù)縱橫波剖面特征得出夏墊斷裂是一條高傾角、錯(cuò)斷至近地表的第四紀(jì)活動(dòng)斷裂帶,且由兩條斷裂組成[8]。劉保金開(kāi)展了單次覆蓋深反射和淺層反射勘探,揭示了三河—平谷地震區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)和斷裂的深、淺構(gòu)造特征[9]。探測(cè)結(jié)果表明,夏墊斷裂為全新世活動(dòng)斷裂,地殼深斷裂和淺部斷裂具有上下一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系,且陡傾斷層切割緩傾斷層,均南東傾,在深度約20 km處轉(zhuǎn)換為一個(gè)具有一定寬度的反射能量帶,并向下延伸至莫霍面。雍凡在馬坊鎮(zhèn)南部布設(shè)了一條EW向的高分辨率地震反射勘探測(cè)線,地震剖面反映該測(cè)區(qū)內(nèi)的夏墊斷裂是一條高傾角、錯(cuò)斷至近第四紀(jì)內(nèi)部的活動(dòng)斷層[10]。馬志霞在夏墊斷裂震中區(qū)開(kāi)展淺層人工地震勘探,所布測(cè)線位于小史各莊至南張岱,解釋夏墊斷裂為走向約N40°E、傾向SE、視傾角約為72°的正斷層,根據(jù)反射時(shí)間剖面上夏墊斷裂的特征并結(jié)合槽探和地貌測(cè)量結(jié)果,推測(cè)夏墊斷裂為全新世活動(dòng)斷層[11]。

本文在前人物探工作的基礎(chǔ)上,以可控震源激發(fā)方式,針對(duì)夏墊斷裂東北段開(kāi)展多剖面高精度地震反射勘探,查明了斷裂的空間展布形態(tài)及斷裂特征。

1 地質(zhì)構(gòu)造及深地震反射

研究區(qū)位于北京東部華北沉降帶與燕山隆起區(qū)相交會(huì)的平原區(qū),為華北裂陷盆地東北端與北西向張家口-蓬萊斷裂帶的復(fù)合、交會(huì)部位,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈,地震活動(dòng)與斷裂構(gòu)造關(guān)系比較密切[12]。區(qū)內(nèi)斷裂分布以NE向斷裂為主,部分NW向、EW向斷裂(圖1)。

(1)南口-孫河斷裂;(2)小湯山-東北旺斷裂;(3)黃莊-高麗營(yíng)斷裂;(4)順義-良鄉(xiāng)斷裂;(5)通縣-南苑斷裂;(6)夏墊斷裂;(7)香河斷裂;(8)寶坻斷裂;(9)段甲嶺-邦均斷裂圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖(據(jù)文獻(xiàn)[9])Fig.1 A brief map of the geological structure of the study area

趙金仁等[13]通過(guò)寬角反射、折射和深反射結(jié)合揭示夏墊斷裂為一條深淺共存特征明顯的斷裂構(gòu)造帶,上陡下緩呈鏟形狀態(tài),基底結(jié)構(gòu)變化大。劉保金等[14]在北京地區(qū)地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)的深反射剖面探測(cè)完成一條長(zhǎng)度100 km,NW向剖面(圖1)。深地震反射剖面解釋成果揭示夏墊斷裂特征清晰,剖面樁號(hào)約40 km左右,存在兩條傾向SE的斷裂F5、F6(圖2)。其中,F5傾角較陡,錯(cuò)斷較深,向下可至上下地殼分界面附近,深約16～18 km,剖面淺部大約500 m(深約420～450 m)切割斷裂F6,并向上延伸至近地表。斷裂F6傾角相對(duì)較緩,錯(cuò)斷凹陷內(nèi)所有地層,大約深7～8 km左右終止于香河斷裂之上。夏墊斷裂上升盤(pán)一側(cè)大興通縣凸起上,反射波近水平分布,且地層反射波能量較弱、橫向延續(xù)較短,這表明第四系覆蓋較薄,下伏為基巖地層;在下降盤(pán)大廠凹陷盆地內(nèi),剖面反射波能量較強(qiáng)、橫向連續(xù)性較好,沉積厚,且地層向斷裂一側(cè)傾斜。

圖2 夏墊斷裂深反射時(shí)間剖面解釋(據(jù)文獻(xiàn)[14])Fig.2 Interpretation of deep reflection timeprofile of Xiadian fault

區(qū)域地質(zhì)、深反射地震成果及鉆孔資料表明[13-16],第四系地層覆蓋厚度受夏墊斷裂正斷傾滑運(yùn)動(dòng)的影響,斷裂東西兩側(cè)差異大,大廠第四紀(jì)凹陷持續(xù)沉降,堆積了厚約600～700 m的第四紀(jì)松散沉積物,大興凸起內(nèi)第四系松散沉積物厚僅300～400 m。第四系等厚線分布表明,第四紀(jì)以來(lái)大廠凹陷為一西北深、東南淺的掀斜斷陷盆地。

2 淺層地震勘探

2.1 地層發(fā)育特征

研究區(qū)地表地勢(shì)平坦,總體趨勢(shì)由NW向SE方向緩傾斜(圖1),地表多為第四系覆蓋區(qū),以沖積—湖積地層為主。地表為未膠結(jié)灰黃、黃褐色亞砂土、亞黏土、黏土、砂層,同時(shí)下伏基巖埋深較淺,地震波阻抗界面明顯,能形成能量較強(qiáng)的反射波,激發(fā)層位易于追蹤,激發(fā)條件較好。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)和三河市活動(dòng)斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)項(xiàng)目-標(biāo)準(zhǔn)鉆孔探測(cè)工作,研究區(qū)地層層序分布從上至下:測(cè)區(qū)內(nèi)的全新統(tǒng)(Qh)分布于較大河流的沖積平原的頂部和河床中,巖性為灰黑色粉砂質(zhì)黏土;上更新統(tǒng)(QP3)分布于三河及周?chē)皆喜?與下伏中更新統(tǒng)翟里組整合接觸,標(biāo)志層為底部的棕紅色黏土沉積;中更新統(tǒng)(QP2)分布于三河及周?chē)皆瓍^(qū),受區(qū)域斷裂影響厚度差異較大,與下伏上更新統(tǒng)夏墊組整合接觸,為一套河流相沉積地層;下更新統(tǒng)(QP1)分布于三河市及周?chē)鷽_洪積平原底部,與下伏元古界為平行不整合接觸關(guān)系,部分地區(qū)整合接觸覆蓋于上新統(tǒng)順義組之上。底部巖性主要為灰色-灰白色粗砂-細(xì)砂。

2.2 測(cè)線布置

由八百戶(hù)向東北方向途經(jīng)雙臼、夏墊北、齊心莊、劉辛莊、北京馬坊鎮(zhèn)一線,布設(shè)淺層地震勘探剖面7條(圖2)。L10測(cè)線長(zhǎng)2.9 km,位于大廠謝疃村南,沿蔣譚線近東西向布設(shè)。L11測(cè)線長(zhǎng)2.3 km,位于小石各莊南鄉(xiāng)間路自西向東至大廠檢驗(yàn)工業(yè)園。L12測(cè)線長(zhǎng)2.5 km,位于雙臼村南自西向東至牛萬(wàn)屯村。L13測(cè)線長(zhǎng)2.2 km,位于東柳河屯南自西向東至齊家屯。L14測(cè)線長(zhǎng)3.8 km,位于齊心莊附近,南起G102沿齊大路由南和向北至京秦高橋下。L15測(cè)線長(zhǎng)4.7 km,位于小蔣村鄉(xiāng)間道路自西向東至劉辛莊東北。L16測(cè)線長(zhǎng)3.5 km,位于褚家莊村北自西向東至曹莊子西北。

圖3 地震勘探測(cè)線及夏墊斷裂展布圖Fig.3 Seismic survey lines and distribution of Xiadian fault

2.3 數(shù)據(jù)采集及處理

地震數(shù)據(jù)采集選用法國(guó)Sercel公司408 UL遙測(cè)地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),震源采用美國(guó)莫茲公司產(chǎn)的M18-612型可控震源,檢波器采用3個(gè)/串60 Hz的高頻檢波器串采用點(diǎn)組合的方式接收地震波。解決了在城市及強(qiáng)干擾背景下開(kāi)展淺層高分辨率地震勘查工作的抗干擾及能量不足的問(wèn)題。

并據(jù)已往工作經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),確定野外勘探采集參數(shù)為:可控震源單邊下傾激發(fā),12 m偏移距,2 m道距,240道接收,12 m炮距,覆蓋次數(shù)24次,0.5 ms采樣,掃描頻率15～180 Hz ,記錄長(zhǎng)度2 s。

數(shù)據(jù)處理采用綠山、FOCUS等軟件交互式處理,主要處理模塊包括:預(yù)處理、層析靜校正、干擾波壓制、振幅補(bǔ)償、反褶積、速度分析與動(dòng)校正、剩余靜校正、疊后衰減隨機(jī)噪聲和疊后偏移、時(shí)深轉(zhuǎn)換等。

3 地震剖面特征分析

3.1 南西段大廠工業(yè)園區(qū)反射剖面特征及解釋

南西段大廠工業(yè)園區(qū)附近布設(shè)的4條測(cè)線,反射時(shí)間剖面800 ms(深度約700 m)以淺,劃分6組特征明顯的反射波組(圖4),分別標(biāo)示為T(mén)01、T02、T03、T04、T05、T06,均為第四系及內(nèi)部反射。由剖面可以看出夏墊主斷裂錯(cuò)斷干脆、明顯,斷裂處反射波組扭曲波動(dòng)大,解釋斷點(diǎn)5個(gè)FP1、FP2、FP3、FP4、FP5(圖4)。結(jié)合夏2孔和夏4孔(圖2)資料[17],把T06反射波解釋為第四系底界,T03、T04、T05為中更新統(tǒng),T02為上更新統(tǒng),T01為全新世。剖面時(shí)深轉(zhuǎn)換后,L13剖面T06在下降盤(pán)埋深約670 m,上升盤(pán)埋深約460 m,垂直落差約310 m,與徐錫偉所解釋的夏墊斷裂兩側(cè)第四紀(jì)垂直位移319 m較吻合[2]。剖面揭示第四系底界埋深向南西逐漸變淺,L10剖面上顯示T06埋深400～500 m。

圖4 L10-L13測(cè)線反射時(shí)間剖面成果圖Fig.4 Seismic reflection time profile of L10-L13

剖面可揭示夏墊主斷裂FP1上斷點(diǎn)位于樁號(hào)2 240 m附近,埋深約25 m,斷距10 m左右。FP2上斷點(diǎn)位于樁號(hào)1 600 m附近,埋深約27 m,斷距9 m左右。FP4上斷點(diǎn)位于樁號(hào)1 426 m附近,埋深約41 m,斷距12 m左右。FP5上斷點(diǎn)位于樁號(hào)1 122 m附近,埋深約30 m,斷距10 m左右。各反射剖面解譯斷裂特征詳細(xì)見(jiàn)表1。

3.2 中心段齊心莊至劉辛莊反射剖面特征及解釋

中心段齊心莊至劉辛莊布設(shè)的L14和L15測(cè)線。反射時(shí)間剖面800 ms(深度約710 m)以淺,同樣劃分出相同的6組特征明顯的反射波組(圖5)。剖面上下盤(pán)的波組特征差異明顯,上盤(pán)反射波組明顯多于下盤(pán),反射波組出現(xiàn)在20～800 ms,且波組層位豐富,層間關(guān)系清晰;下盤(pán)反射波組明顯變少、變淺,有效反射波組出現(xiàn)在400 ms以淺。各剖面斷裂處反射波組扭曲波動(dòng)大,被錯(cuò)斷干脆、落差大,解釋出斷點(diǎn)5個(gè)FP6、FP7、FP8、FP9、FP10(圖5)。其中,L14測(cè)線反射時(shí)間剖面成果圖中揭示斷點(diǎn)FP6傾向南,較陡立,正斷層性質(zhì),上斷點(diǎn)位于樁號(hào)4 192 m附近,并貫穿全部有效波組向上延伸至近地表。結(jié)合以往研究[18]及剖面特征分析,解譯上斷點(diǎn)錯(cuò)斷至近地表,為全新世活動(dòng)斷裂。T06在下降盤(pán)的埋深約655 m,上升盤(pán)的埋深約332 m,垂直落差約323 m,與徐錫偉所解釋的夏墊斷裂兩側(cè)第四紀(jì)垂直位移319 m較吻合[2]。反射剖面解譯各斷裂特征詳細(xì)見(jiàn)表1。

表1 地震反射剖面斷裂特征一覽表Table 1 A list of fault characteristics in seismic reflection section

圖5 L14-L15測(cè)線反射時(shí)間剖面成果圖Fig.5 Seismic reflection time profile of L14-L15

3.3 北東段反射剖面特征及解釋

位于北東段布設(shè)的L16測(cè)線,反射時(shí)間剖面(圖6),可以看出剖面上有效反射波組少,300 ms以淺,劃分4組特征明顯的反射波組,分別標(biāo)示為T(mén)02、T04、T05、T06。剖面約120 ms、220 ms處T04、T05兩組強(qiáng)反射層位,深部能量相對(duì)弱、反射波雜亂。反射時(shí)間剖面上,波組錯(cuò)斷清晰,解釋出2個(gè)斷點(diǎn)FP11、FP12。結(jié)合ZK8孔和ZK9孔(圖2)資料[17],時(shí)深轉(zhuǎn)換后T06在下降盤(pán)的埋深約210 m,上升盤(pán)的埋深約172 m,垂直落差約38 m,與何付兵所解釋的夏墊斷裂兩側(cè)第四紀(jì)垂直落差約34.8 m較吻合[19]。剖面可揭示的斷點(diǎn)FP11位于樁號(hào)1 518 m附近,埋深約95 m,斷距20 m左右。FP12位于樁號(hào)2 156 m附近,錯(cuò)斷至近地表。

圖6 L16測(cè)線反射時(shí)間剖面成果圖Fig.6 Seismic reflection time profile of L16

3.4 綜合分析

研究區(qū)布設(shè)的7條淺層地震勘探測(cè)線,反射時(shí)間剖面均解釋出夏墊斷裂的可靠斷點(diǎn)。根據(jù)反射時(shí)間剖面波組特征和斷裂的特征,在研究區(qū)內(nèi)可將其分為3段:南西段大廠工業(yè)園區(qū)段、中心段齊心莊劉心莊段、北東段曹莊子。根據(jù)反射時(shí)間剖面波組特征,結(jié)合鉆孔及以往成果[17-19],各剖面解譯斷裂特征詳細(xì)見(jiàn)表1。

斷層FP1、FP2、FP4、FP5、FP10、FP12視傾向東,視傾角約65°～73°,斷層FP6視傾向南,視傾角約65°左右,綜合分析夏墊斷裂為北東走向,剖面顯示各上斷點(diǎn)均錯(cuò)斷至近地表,據(jù)此進(jìn)行斷層組合。夏墊主斷裂為走向北東,傾向南東,傾角約69°的正斷層,為全新世活動(dòng)斷裂。

另由齊心莊向北東方向各反射時(shí)間剖面,揭示出夏墊斷裂西北側(cè)出現(xiàn)分支斷裂。斷層FP7視傾向北,視傾角約70°左右,斷層FP8、FP11視傾向西,視傾角分別為62°、69°左右,各剖面解釋斷層均錯(cuò)斷至近地表。夏墊分支斷裂為走向NE,傾向NW,傾角約66°左右的全新世活動(dòng)的正斷層。

4 結(jié)論

本文基于前人野外地質(zhì)、物探、鉆探和地震勘探資料的研究成果,在研究區(qū)內(nèi)采用可控震源淺層地震勘探方法,獲得了7條700 m深度范圍內(nèi)的地震剖面,揭示出夏墊斷裂東北段的形態(tài)特征(圖2):淺層地震剖面揭示特征與深地震反射具有上下一致的對(duì)應(yīng)關(guān)系,均表現(xiàn)為上陡下緩的鏟形正斷層。夏墊斷裂為大廠凹陷與大興通縣凸起的分界斷裂,是1679年三河—平谷8級(jí)地震的地震斷層,為新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)物,是該區(qū)地震發(fā)生的重要因素,也是影響本地區(qū)地殼穩(wěn)定的構(gòu)造背景[2,9,13-15]。夏墊斷裂區(qū)內(nèi)南起大廠縣小八百戶(hù)向東北方向延伸穿過(guò)謝疃、雙臼村、經(jīng)過(guò)夏墊鎮(zhèn)西北側(cè)后,進(jìn)入三河市并由齊心莊鎮(zhèn)榮家堡村西側(cè)穿過(guò)、向東北穿過(guò)中壇村、褚家窯村南部后,進(jìn)入北京市馬坊鎮(zhèn)工業(yè)區(qū)馬坊路與S204省道交匯處附近穿過(guò)。斷裂走向北東40°左右,傾向南東、傾角69°左右的正斷層,沿?cái)嗔炎呦?由西南向東北)地層逐漸變淺,上斷點(diǎn)埋深逐漸變淺至近地表,并于齊心莊附近夏墊斷裂出現(xiàn)分杈,位于夏墊斷裂的北段,西側(cè)出現(xiàn)一條走向NE、傾向NW的正斷層。

地震反射時(shí)間剖面,反射波組能量強(qiáng),斷裂錯(cuò)斷清晰,上斷點(diǎn)大部分反映至近地表,依據(jù)地震反射剖面上夏墊斷裂的特征并結(jié)合槽探和鉆孔[17-19],推測(cè)夏墊斷裂東北段為全新世活動(dòng)斷層。