安丘—莒縣斷裂莒縣盆地段淺層地震探測及意義

王薇,林松,,程邈,金聰,周紅偉

(1.中國地震局地震研究所，湖北 武漢 430071;2. 地震預(yù)警湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430071;3.湖北省地震局，湖北 武漢 430071;4.武漢地震工程研究院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

郯廬斷裂帶位于中國東部，穿越魯、蘇、皖等三省，是一條巨型斷裂帶，也是華北構(gòu)造分區(qū)界線[1]，中生代曾經(jīng)歷過巨大的左行平移和大陸裂谷發(fā)育階段[2]，第四系以右旋走滑兼逆沖活動為主要特征,對現(xiàn)代地震活動具有明顯的控制作用[3]，自新生代以來，斷裂特征表現(xiàn)為右旋走滑兼逆沖活動[4]。按照構(gòu)造活動以及地震活動特征，郯廬斷裂大致可分為4段：黑龍江鶴崗—鐵嶺段、下遼河—萊州灣段、魯蘇沂沐段和大別山—廣濟段[5]。魯蘇沂沐段中位于山東及蘇北的段落通常稱為沂沭斷裂帶[3]，主要由昌邑—大店斷裂、白芬子—浮來山斷裂、沂水—湯頭斷裂、鄌郚—葛溝斷裂、安丘—莒縣斷裂等5條近于平行的斷裂所組成。晚更新世晚期以來，安丘—莒縣斷裂比較活躍，研究證明，1668 年郯城8.5級地震和公元前70年安丘7.0級地震與該斷裂息息相關(guān)[6]。因此，正確認識該斷裂淺部構(gòu)造及活動特征具有重要意義。眾多學(xué)者[7-8]對安丘—莒縣斷裂的構(gòu)造特征及活動性進行研究。曹筠等[9]通過野外地質(zhì)調(diào)查、淺層地震勘探以及鉆孔聯(lián)合剖面和古地震探槽，查明安丘—莒縣斷裂南段(郯城—淮河)晚第四紀活動特征；張鵬等[10]對安丘—莒縣斷裂江蘇段全新世活動特征進行探討；王志才等[3]根據(jù)斷裂活動性成果，認為在莒縣至昌邑之間安丘—莒縣斷裂仍是占主導(dǎo)地位的活動斷裂，與公元前70年安丘7級地震的發(fā)生具有密切關(guān)系。安丘—莒縣斷裂的研究成果多分布在北部、南部，但在莒縣盆地內(nèi)，斷裂展布情況以及幾何特征都處于隱伏狀態(tài)，前人并無相關(guān)研究。

近年來，淺層地震反射被證明是地球物理勘探中對隱伏斷裂探測最有效的方法之一[11]，由于其勘探深度范圍大，分辨率和精度高，無論是地震安全性評價以及活動斷層探測，都已成為最主要的地球物理探測手段[12]。近年來該方法在多方面的應(yīng)用中引起不少學(xué)者重視。林松等利用該方法查明丹江斷裂特征[13-14]，馬修剛等[15]對反射波成像應(yīng)用于裂縫型碳酸鹽巖儲層勘探開發(fā)，徐建國等[16]利用淺層地震反射查明沂沭斷裂帶北段東支斷裂的淺部構(gòu)造特征，許漢剛等[17]通過淺地震反射找到郯廬斷裂帶宿遷段斷裂展布特征新證據(jù)。因此，在隱伏斷裂調(diào)查中，淺層地震反射探測及其有效?；谶@一地質(zhì)背景，通過淺層地震反射探測方法查明安丘—莒縣斷裂在莒縣盆地內(nèi)的展布特征，可以為完整研究該斷裂提供參考依據(jù)，具有較好的科學(xué)意義。

1 安丘—莒縣斷裂概況

安丘—莒縣斷裂(圖1)在朱里以北隱伏于第四系之下，在朱里以南至安丘間(安丘—朱里段)斷續(xù)出露于地表，在莒縣盆地段呈隱伏狀態(tài)，地理位置位于貢丹山—沂水隆起東北緣，屬于沂沭斷裂帶的北段。地勢西高東底，東部為丘陵盆地，海拔100～300 m，莒縣盆地分布于丘陵之中，于周邊山體海拔相差約150 m，地貌特征上表現(xiàn)為斷陷盆地與斷隆山地。安丘—莒縣斷裂在莒縣盆地段北起峰嶺，向南隱伏延伸進入盆地，長約30 km，總體上呈NNE展布，傾向SE，以該斷裂為界，西側(cè)第四系厚約5～10 m，東側(cè)第四系達18～30 m。在莒縣東側(cè)緊靠昌邑—大店斷裂一側(cè)發(fā)育有小型晚第四紀斷凹，長13 km，東西寬5 km，呈菱形狀態(tài)。斷凹以NNE向的昌邑—大店斷裂及史家莊子—姚家村斷裂為東西界限，南北邊界為NNW向莒縣—中樓斷裂及店子集—姚家村斷裂；第四系厚70～80 m，表明該構(gòu)造單元第四紀以來斷裂活動較強烈。根據(jù)鄭傳貝等[18]研究成果，發(fā)現(xiàn)莒縣盆地東邊白堊系逆沖在上更新統(tǒng)之上，由此說明莒縣盆地邊界為逆沖擠壓邊界(圖2)，據(jù)盆地底界自西向東由10 m逐漸降至30 m，向東傾斜，造成盆地在橫剖面上的不對稱性分析，說明白芬子—浮來山斷裂和昌邑—大店斷裂活動強度有明顯的差異，其斷裂活動時期在更新世晚期。盆地底界西高東底，高差約20 m；其活動時期為更新世晚期[18-19]。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.1 Regional geological structure diagram of the study area

F1—白芬子-浮來山斷裂；F2—安丘-莒縣斷裂；F3—昌邑-大店斷裂F1—Baifenzi-Fulaishan fault；F2—Anqiu-Juxian fault；F3—Changyi-Dadian fault圖2 莒縣斷陷地質(zhì)剖面(據(jù)文獻[18])Fig.2 Geological section of Juxian fault depression(according to reference [18])

2 淺層地震方法及參數(shù)

莒縣盆地地形起伏較小，極大方便了地球物理探測方法的開展，無論是電法、電磁法、人工地震都能順利開展。然而，盆地內(nèi)工業(yè)用電及居民用電頻繁，對電法以及電磁法均造成較大干擾，因此，通過試驗對比，最終選擇了淺層人工地震進行隱伏斷裂調(diào)查。莒線盆地內(nèi)上覆地層由亞黏土、亞黏土夾礫石等第四系物質(zhì)構(gòu)成，第四系地層之間以及第四系與下伏基巖存在明顯波阻抗差異。綜合前人試驗以及場地地質(zhì)與地球物理條件，選取淺層地震反射進行莒縣盆地隱伏斷裂探測十分合適。

2.1 淺層地震反射基本原理

波阻抗差異是淺層地震反射勘探的前提條件，不同的彈性分界面具有不同的波阻抗，反射波法是在靠近震源的不同位置上，觀測地震波從震源到不同彈性分界面上返回地面的地震波動，然后通過分析反射波的波形、震幅、相位、走時等參數(shù),就能推斷出地下地層的分層情況、構(gòu)造發(fā)育狀態(tài)等相關(guān)信息[20]。根據(jù)震源類型不同，一般單次激發(fā)可以得到淺至十幾米，深至幾千米以內(nèi)的反射波。在斷層存在的區(qū)域，由于斷層兩盤基巖頂面上覆地層的厚度、速度結(jié)構(gòu)不同，因此能形成特定的波阻抗界面組合[21]，從而產(chǎn)生明顯的地震反射界面。

2.2 采集參數(shù)與測線信息

選用Geode分布式地震儀進行數(shù)據(jù)采集(圖3)，采用120 kg夯錘作為人工震源激發(fā)地震波。為保證信號的可靠性，在數(shù)據(jù)采集之前，進行了72道排列擴展實驗，最終選定接收道數(shù)為48道，8～12次覆蓋，2 m道間距的觀測系統(tǒng)，采樣間隔為0.25 ms，記錄長度為350 ms，數(shù)據(jù)采集時，根據(jù)能量大小調(diào)整疊加次數(shù)。根據(jù)踏勘結(jié)果，在莒縣盆地內(nèi)布設(shè)了多條測線進行淺層地震反射勘探工作，文中選取其中存在異常的3條測線(表1)進行分析、論述，測線位置見圖1所示。

圖3 淺層地震反射波法外業(yè)工作示意Fig.3 Schematic diagram of working method of shallow seismic reflection wave field method

表1 研究區(qū)域測線信息Table 1 Research on the data of measuring line in the area

2.3 數(shù)據(jù)處理

城市地球物理勘探中，干擾波成分較多，主要為面波和線性干擾波，以及一些隨機噪聲、高低頻干擾和民用電干擾，針對不同的原始地震記錄特征，合理選擇地震數(shù)據(jù)處理方法和處理流程顯得極其重要。在莒縣盆地淺層地震反射勘探中，反射波具有能量弱、記錄信噪比低、噪聲類型復(fù)雜多變等特點，要獲取高保真、高信噪比、高分辨率剖面顯得尤為困難。在數(shù)據(jù)處理過程中，對不同的干擾波進行篩選、分析，整合原始單炮記錄數(shù)據(jù)后，將組合去噪技術(shù)和頻率域濾波相結(jié)合，濾掉不合適的高頻成分，同時采用自適應(yīng)去噪技術(shù)以及FK域濾波除去能量較強的面波。此外，將地表一致性反褶積和多道預(yù)測反褶積相結(jié)合，既提高了地震資料的縱向分辨率，也保證了地震子波的穩(wěn)定性和剖面特征的一致性[22]。基于上述理論，結(jié)合原始數(shù)據(jù)特征，形成適合本區(qū)域的數(shù)據(jù)處理流程(圖4)。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 The reflection data processing

3 淺層地震剖面揭露斷層特征初步探討

通過原始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與解釋，獲取了盆地內(nèi)典型的地球物理剖面，本文選取了3條測線進行剖面特征探討(圖5～圖7)。資料解釋過程中重點考察反射波相位特征、同相軸深度及有無錯斷、交叉與合并。斷層判斷主要基于地震波組的5個特征[23]：①反射波(同相軸)發(fā)生錯斷；②反射波同相軸數(shù)目突然增加、減少或消失；③反射波同相軸形狀突變，反射零亂并出現(xiàn)空白反射；④反射波同相軸發(fā)生分叉、合并、扭曲和強相位與強振幅轉(zhuǎn)換；⑤出現(xiàn)斷面波、繞射波等異常波。

圖5為莒縣盆地測線Ⅰ淺層地震反射深度解釋剖面，剖面顯示：25、50以及100 m深度處各存在一條明顯的反射波組，形成T1、T2、T3這3個強烈的波阻抗界面；距離起點400、1 350 m處，T1、T2界面同相軸均發(fā)生錯斷，550 m處，同相軸出現(xiàn)增加，出現(xiàn)T3界面。結(jié)合整個剖面，橫向距離在樁號400～1 350 m范圍內(nèi)出現(xiàn)擠壓逆沖，剖面揭露由NNW至SEE方向的主要斷層有2條：①樁號450 m附近存在一逆斷層F1，傾向SE，上斷點距離地表埋深約30 m，斷距約5 m；②樁號1 350 m處存在另一NW傾向的逆斷層F2，上斷點埋深約20 m，垂直斷距約3 m。

圖6為莒縣盆地測線Ⅱ淺層地震反射深度解釋剖面，剖面顯示：35、50以及100 m深度處各存在一條明顯的反射波組，形成T1、T2、T3這3個強烈的波阻抗界面；距離起點330 m處， T3界面同相軸發(fā)生錯斷；樁號1 050～1 550 m區(qū)間段出現(xiàn)擠壓逆沖，逆沖斷層錯斷T2、T3兩個反射波組。結(jié)合整個剖面可知，剖面揭露由NNW至SEE方向的主要斷層有3條：①樁號330 m附近存在一逆斷層F3，傾向SE，上斷點距離地表埋深約85 m，斷距約15 m；②樁號1 050 m處存在SE傾向的逆斷層F4，上斷點埋深約50 m，垂直斷距約4 m；③樁號1 550 m處存在NW傾向的逆斷層F5，上斷點埋深約50 m，垂直斷距約3 m。

圖5 測線Ⅰ淺層地震深度解釋剖面Fig.5 Interpretation of shallow seismic depth profile of line Ⅰ

圖6 測線Ⅱ淺層地震深度解釋剖面Fig.6 Interpretation of shallow seismic depth profile of line Ⅱ

圖7 測線Ⅲ淺層地震深度解釋剖面Fig.7 Interpretation of shallow seismic depth profile of line Ⅲ

圖7為莒縣盆地測線Ⅲ淺層地震反射深度解釋剖面，剖面長度1 450 m，剖面處于居民密集區(qū)，噪聲干擾較大，面波極其發(fā)育，通過數(shù)字濾波等處理手段，仍然可以發(fā)現(xiàn)25、50 m深度處各存在一條明顯的反射波組，形成T1、T2兩個強烈的波阻抗界面；距離起點500 m處， T1、T2這兩個反射波組錯斷，斷距約8 m，上斷點埋深26 m，推斷為逆斷層F6，傾向SE。

4 結(jié)論

通過淺層地震反射勘探數(shù)據(jù)采集與處理解釋，盆地內(nèi)3條淺地震剖面共揭露6處錯斷特征明顯的隱伏斷層，4處斷層性質(zhì)為擠壓逆沖，2處斷層為正斷層。T1反射波組界面深度為25～30 m，參考T2反射波組界面深度為50～60 m，T3反射波組界面深度為80～100 m，與鄭傳貝等[18]研究結(jié)果非常吻合，T1反射波組界面上部為亞黏土，下部為中細砂，T2反射波組界面為中細砂與亞黏土夾礫石的分界面， T3反射波組界面為基巖界面。綜合分析討論認為，安丘—莒縣斷裂在莒縣盆地內(nèi)的斷裂性質(zhì)以擠壓逆沖斷層為主，局部分支斷裂具有正斷層特征；主斷面傾向為SE—NW，分支斷裂向SE傾。斷層展布特征與張鵬等[10]對郯廬斷裂帶安丘—莒縣斷裂江蘇段晚第四紀活動特征的研究結(jié)論基本一致。

郯廬斷裂帶安丘—莒縣斷裂在莒縣盆地段處于隱伏狀態(tài)，缺乏露頭，僅僅依靠普通外業(yè)地質(zhì)調(diào)查無法獲取斷裂展布特征及空間幾何形態(tài)，論文通過淺層地震反射波法進行有效探測，對隱伏于莒縣盆地內(nèi)的安丘—莒縣斷裂進行了初步探討，并發(fā)現(xiàn)了該斷裂在盆地內(nèi)的地球物理新證據(jù)，彌補了盆地內(nèi)淺層地震探測的空白，給其他科研工作者提供了一定的參考依據(jù)。本次雖然進行了地球物理探測工作，獲取了斷裂展布特征，但依然缺乏其他資料，后期若能進行鉆孔取樣，通過斷層上斷點沉積物OSL測年數(shù)據(jù)對該斷裂活動性進行分析，將會對研究區(qū)提供更加豐富的地質(zhì)與地球物理資料。