濟(jì)陽坳陷上地殼速度結(jié)構(gòu)與地?zé)嵯嚓P(guān)性研究

姚松，杜金亮，徐源，畢棟威，申金超,王斌

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014；3.濟(jì)南市地震監(jiān)測中心，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

熱源是地?zé)嵯到y(tǒng)形成的基礎(chǔ)，前人研究表明巖漿囊余熱、上地幔傳導(dǎo)熱和巖石放射性生熱對地?zé)豳Y源的形成重要性強(qiáng)于機(jī)械摩擦熱、化學(xué)反應(yīng)熱和重力分異熱等次要熱源[1-2]。不同類型地?zé)崽锷鸁釞C(jī)制差異性較大，對于區(qū)域性地?zé)崽?，?shù)據(jù)論證表明放射性元素衰變產(chǎn)生的熱在整個地殼中的量不夠大，不足以在局部形成異常熱源，斷層摩擦無法為深部地?zé)崽峁嵩碵3]，沉積型盆地地?zé)崽镏嗅嵩磦鲗?dǎo)機(jī)理是勘探和可持續(xù)開發(fā)地?zé)豳Y源的基礎(chǔ)條件。研究區(qū)濟(jì)陽坳陷及周邊地區(qū)位于華北板塊東部，屬東部沿海沉積盆地型地?zé)崽?，其東北部為渤海灣，東臨沂沭斷裂帶，南以魯西隆起單斜斷陷盆地為界，西靠滄縣隆起。中生代以來，該地區(qū)構(gòu)造活動強(qiáng)烈，主要受控于歐亞-印度洋板塊碰撞、太平洋板塊俯沖及郯廬斷裂剪切等作用[4]，其內(nèi)部形成多個坳陷和隆起次級構(gòu)造。斷裂構(gòu)造是中國東部沿海地?zé)豳Y源分布的主要控制性因素[5]，地殼構(gòu)造發(fā)育受應(yīng)力影響[6]，并衍生出NE向壓扭性斷裂導(dǎo)熱，NW張性構(gòu)造導(dǎo)水等理論[7-8]，對于指導(dǎo)地?zé)豳Y源的勘查與開發(fā)應(yīng)用具有重要作用。

華北地塊及地塊基地上發(fā)展起來的中生代前陸盆地中地幔熱流占地表熱流的60%以上，深部熱源控制著華北熱構(gòu)造區(qū)的巖石圈熱結(jié)構(gòu)[9]。借助于鉆探設(shè)備的升級，目前研究區(qū)埋深2km以淺水熱型地?zé)豳Y源開發(fā)利用程度較高，地?zé)嵫芯拷陙戆l(fā)展迅速，但深部熱源傳導(dǎo)規(guī)律研究方法欠缺，熱源傳導(dǎo)機(jī)制缺乏理論支撐。前人研究表面風(fēng)干巖石試樣的熱導(dǎo)率與聲波之間有較好的相關(guān)關(guān)系[10]，本次研究通過搜集濟(jì)陽坳陷及其周邊地區(qū)天然地震震相數(shù)據(jù)，利用雙差地震層析成像技術(shù)獲取濟(jì)陽坳陷地區(qū)上地殼三維精細(xì)速度結(jié)構(gòu)。通過分析研究區(qū)上地殼三維速度結(jié)構(gòu)特征，了解濟(jì)陽坳陷地區(qū)地殼介質(zhì)性質(zhì)。通過對坳陷及其周邊不同地?zé)崽锏販貓鰯?shù)據(jù)的相關(guān)性分析，闡述研究區(qū)不同次級構(gòu)造單元的地殼性質(zhì)與熱源傳導(dǎo)規(guī)律的相關(guān)性，探索可能存在高溫巖體的區(qū)域。

1 地質(zhì)概況

濟(jì)陽坳陷是疊置在華北克拉通基底之上的中、新生代斷陷盆地(圖1)，本次研究深度為上地殼0～20km范圍內(nèi)。主要發(fā)育地層由老至新為:太古宇泰山巖群，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)，埋深變化較大、厚度不一，局部潛山凸起區(qū)埋藏較淺；海進(jìn)海退形成的下古生界寒武-奧陶紀(jì)碳酸鹽巖，鉆孔數(shù)據(jù)顯示在研究區(qū)斷裂下盤分布范圍較廣，面積較小，厚度變化大，多形成水熱型潛山凸起地?zé)崽?；海陸交互相和陸棚相、河流碎屑巖相為特征的上古生界石炭系和二疊系，由陸上湖沼含煤碎屑巖及河流相紅色碎屑巖組成的中生界侏羅系和白堊系，與新生界古近系在凹陷區(qū)分布廣泛，其裂隙發(fā)育處是水熱型地?zé)豳Y源主要熱儲層之一；新近系與第四系廣泛分布，厚度一般超過1000m，厚層、熱導(dǎo)率低的沉積蓋層，是賦存地?zé)豳Y源的沉積盆地所需的必要條件[11]，特別是沉積巖熱導(dǎo)率普遍較低，是區(qū)域地?zé)崽锏牧己蒙w層。

1—凹陷區(qū)；2—隆起區(qū)；3—斷裂構(gòu)造圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造略圖

濟(jì)陽坳陷位于華北板塊東部,大地構(gòu)造上屬華北坳陷區(qū)的次級構(gòu)造單元。濟(jì)陽坳陷是一個在華北古生界基底上發(fā)育的中、新生代斷陷盆地,歷經(jīng)印支運動、燕山運動及喜馬拉雅運動的多期次構(gòu)造運動,發(fā)育了復(fù)雜的斷層系統(tǒng)[12]。主要由東營凹陷、惠民凹陷、沾化-車鎮(zhèn)凹陷等次級凹陷和埕-寧凸起4個Ⅳ級構(gòu)造單元構(gòu)成。坳陷內(nèi)斷裂構(gòu)造經(jīng)多級構(gòu)造運動疊加，整體上西部以NE向正斷層控制單元格局，向東單元邊界漸變?yōu)榻麰W向正斷層，NW向構(gòu)造主要分布于與魯西隆起界限附近，對坳陷區(qū)東部產(chǎn)生影響。另外在控制性構(gòu)造之間存在少量平移斷層、逆沖斷層和褶皺構(gòu)造。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 方法

雙差地震層析成像方法[13-14]是將雙差地震定位和傳統(tǒng)走時層析成像技術(shù)結(jié)合起來，利用地震波的絕對到時數(shù)據(jù)和高精度相對到時數(shù)據(jù)，約束震源位置，減小了地震對到臺站的路徑異常效應(yīng)產(chǎn)生的影響和反演結(jié)果對速度模型的依賴性，可獲得精確度較高的地震重定位和三維速度結(jié)構(gòu)結(jié)果[15]近年來廣泛用于地殼速度結(jié)構(gòu)研究[16]。參考宋向輝等[17]對濟(jì)陽坳陷的人工地震測深剖面研究成果，建立初始P波速度模型(表1)。采用阻尼最小二乘法(LSQR)求解計算。

表1 研究區(qū)初始P波速度結(jié)構(gòu)表

在反演計算前，進(jìn)行可靠性測試選取參數(shù)，平面上以0.2°,0.3°和0.4°為間隔進(jìn)行了測試。并將三維網(wǎng)格節(jié)點賦予正負(fù)相間的幅值為5%的擾動。結(jié)果各網(wǎng)格間距的檢測板測試結(jié)果在0km和25km深度上恢復(fù)效果較差，5～20km深度處的回復(fù)效果較好。其中0.4°的網(wǎng)格間距恢復(fù)效果最好。本次研究確定平面間隔0.4°垂直間隔5km。為保證反演結(jié)果的穩(wěn)定性，通過分析數(shù)據(jù)方差和模型方差的折中曲線，對阻尼因子和光滑權(quán)重進(jìn)行權(quán)衡分析[18]。確定反演計算的光滑權(quán)重為30，阻尼因子為150(圖2)。

圖2 光滑權(quán)重(a)和阻尼因子(b)的折中曲線

2.2 數(shù)據(jù)

本次研究利用研究區(qū)及周邊111個固定地震臺站監(jiān)測的ML0.5級以上的天然地震的P波震相數(shù)據(jù)，選取時間為2010年1—7月。以下屬條件為依據(jù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選：(1)每個地震至少被5個地震臺站記錄到P波信息；(2)P波的震中距小于140km；(3)走時曲線中，震相離散度小。最終，篩取了1523個地震16131個P波數(shù)據(jù)。其中研究區(qū)外圍射線分布較密集，濟(jì)陽坳陷主體區(qū)的射線較稀疏，這主要受地震活動區(qū)域影響，選取時間段發(fā)震主要在研究區(qū)西北、北側(cè)海域及東部區(qū)域；而濟(jì)陽坳陷主體區(qū)及南側(cè)魯西隆起區(qū)域的地震活動頻率低且分布分散。

3 結(jié)果與討論

3.1 重定位結(jié)果

本次研究，獲得了濟(jì)陽坳陷及周邊地區(qū)1503個ML0.5級以上地震的重定位結(jié)果。定位前的地震RMS值范圍為0.001～2.152s，平均值為0.279s。經(jīng)重定位后，地震RMS值范圍為0～0.247s，平均值為0.095s。地震定位的精度明顯提高。對重定位后位置誤差分析，東西向誤差范圍在47.0～4594.5m，均值為479.6m，南北向誤差范圍在44.6～4580.4m，均值為535.2m，垂向誤差范圍在61.0～7517.6m，均值為957.3m。水平向的重定位精度明顯高于垂向的重定位精度。

重定位前，震源深度集中在0～68km范圍內(nèi)，主要集中在4～20km范圍內(nèi)。經(jīng)過重定位，可以看出地震集中分布區(qū)域的地震活動更為集中(圖3、圖4),震源深度分布在0.188～50.782km，主要集中在0～20km范圍內(nèi)。

圖3 地震平面分布圖(黃點表示重定位前的地震；紅點表示重定位后的地震；黑色三角形表示地震臺站重定位前后震源深度分布圖)

圖4 重定位前(a)后(b)震源深度分布圖

3.2 反演結(jié)果

通過雙差地震層析成像，獲得了濟(jì)陽坳陷及周邊地區(qū)的上地殼三維速度結(jié)構(gòu)。濟(jì)陽坳陷區(qū)與魯西隆起區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為表層低、下方高的特征。

(1)研究區(qū)同埋深內(nèi)波速差異性明顯，齊廣斷裂以北坳陷區(qū)5km范圍內(nèi)廣泛存在大規(guī)模低速層，零星存在小規(guī)模高速異常區(qū)(圖5、圖6)。

圖5 不同深度P波速度水平剖面圖

圖6 P波速度垂直剖面圖

(2)低速層下方在聊城市東部[19]、孤島凸起、埕寧隆起區(qū)表現(xiàn)出明顯的高速異常。

(3)埋深5km以下地殼的非均一性較強(qiáng)，在研究區(qū)東北義和莊凸起以東、陳莊凸起以北存在較大規(guī)模大厚度低速層，深度約10km。

(4)埋深5km以上，研究區(qū)范圍內(nèi)速度結(jié)構(gòu)整體以東西向條帶狀展布，10km以下以南北向為主兼有高速點狀異常區(qū)。

3.3 討論

(1)濟(jì)陽坳陷區(qū)內(nèi)大規(guī)模低速區(qū)與沉積環(huán)境有關(guān)，根據(jù)已有鉆孔數(shù)據(jù)(1)山東省地礦工程勘察院,山東省地?zé)豳Y源調(diào)查報告(綜合)，2013年。，厚度超過1000m的新生代松散沉積物有關(guān)[20]，這與區(qū)域大部存在厚度超過1000m的新生代松散沉積物有關(guān)[20]，巖石的礦物組成、排列規(guī)律等差異造成熱導(dǎo)率差異極大，是造成聊考-齊廣斷裂西北與東南兩側(cè)5km以上增溫率差異的主要因素。

(2)在厚度較大沉積松散層下方，5km以上聊城市東部、濟(jì)陽商河等地表現(xiàn)出明顯高速異常(圖5)，與區(qū)域重力場吻合，是典型的潛山凸起區(qū)域[21]；10km以下除上述兩地，在東營全區(qū)普遍速度較高(圖6)；區(qū)域的高速異常與地?zé)崽镌鰷芈矢邊^(qū)范圍基本一致(圖7，表2)，也反映出魯西北地?zé)巅晗輩^(qū)地?zé)崽餆嵩粗饕獮橄碌貧は蛏蟼鲗?dǎo)，也反映出魯西北地?zé)巅晗輩^(qū)地?zé)崽锍蔁釞C(jī)制為熱源由下地殼向上傳導(dǎo)，主受控于熱導(dǎo)率的變化。

1—凹陷區(qū)；2—隆起區(qū)；3—地?zé)峋幪柤暗販卦鰷芈?(℃/100m)；4—增溫率普通異常區(qū)；5—增溫率高異常區(qū)；6—剖面線圖7 速度結(jié)構(gòu)與地溫異常對比圖

(3)在研究區(qū)10km以上，東營地區(qū)附近青城凸起、廣饒凸起及壽光凸起等，以及同濟(jì)陽坳陷交界的魯西隆起北部地區(qū)下方地殼并沒有表現(xiàn)為明顯的高速異常，這與區(qū)域增溫率較高相反，與同為凸起區(qū)的聊城東部、埕寧隆起及南部等地高速異常不同，區(qū)域不存在深部物質(zhì)上涌，凸起構(gòu)造可能與上地殼的構(gòu)造抬升有關(guān)。但該類型地層熱導(dǎo)率遠(yuǎn)大于沉積松散層，使東營市尤其是陳莊凸起以北地區(qū)成為大型地?zé)岙惓^(qū)域。

(4)研究區(qū)10km以下表現(xiàn)出明顯的南北條帶狀高度異常(圖5)，以聊考斷裂及濟(jì)南以北一帶最為明顯，以聊城南北及濟(jì)南—商河一帶最為明顯，推斷為南北向克拉通破壞過程中，深部幔物質(zhì)上涌深部含鐵鎂幔物質(zhì)上涌[22]，導(dǎo)致速度結(jié)構(gòu)高速異常，熱導(dǎo)率高于周邊地區(qū)，導(dǎo)致該區(qū)域增溫率高于周邊(圖7，表2)；5km以上表現(xiàn)出東西條帶狀高速異常，以齊廣斷裂一線明顯(圖6)，推斷受燕山晚期以后南北向主伸展方向驅(qū)動力影響[4]，多組東西向共軛正斷層組成的地塹構(gòu)造就是較好的證明[23-24]，該構(gòu)造對于以沉積松散層為儲層的砂巖泥巖地層易形成東西向地?zé)釂卧吔?，例如地塹內(nèi)部利津縣北宋鎮(zhèn)地?zé)嶙粤魈讲山Y(jié)合孔與構(gòu)造南、北部地?zé)峋徊罹鄻O大。

表2 典型地?zé)峋當(dāng)?shù)據(jù)一覽表

4 結(jié)論

通過雙差地震層析成像，獲得了濟(jì)陽坳陷及周邊地區(qū)的上地殼地震重定位結(jié)果及三維速度結(jié)構(gòu)(圖6、圖7)。通過對反演結(jié)果的分析，得到如下結(jié)論：

(1)發(fā)現(xiàn)濟(jì)陽坳陷地區(qū)地表存在大規(guī)模的低速層。這與濟(jì)陽坳陷較厚的松散沉積物有關(guān)。松散層與基底巖石熱導(dǎo)率差異是區(qū)域增溫率較高的基礎(chǔ)。

(2)區(qū)域的高速異常與地?zé)崽镌鰷芈矢邊^(qū)范圍基本一致，魯西北地?zé)巅晗輩^(qū)地?zé)崽餆嵩粗饕獮橄碌貧は蛏蟼鲗?dǎo)，熱流垂向傳導(dǎo)主受控于熱導(dǎo)率的變化。速度特征表現(xiàn)為，聊城市東部、濟(jì)陽商河等潛山凸起區(qū)5km范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯高速異常；10km以下東營全區(qū)普遍速度較高。

(3)東營地區(qū)10km以下速度普遍較高，下部熱流貢獻(xiàn)穩(wěn)定，在一定深度的潛山凸起區(qū)域，易形成高溫巖體。

(4)研究區(qū)克拉通破壞減薄過程中，深部幔物質(zhì)沿薄弱處上涌，向上熱流傳導(dǎo)值增大；燕山晚期以來魯中南部隆起對北部濟(jì)陽坳陷地殼的拖拽拉伸是濟(jì)陽坳陷地?zé)崽镒钪苯拥臉?gòu)造影響因素，形成的多組地塹構(gòu)造是水熱型沉積盆地地?zé)崽镞吔绲闹匾刂埔蛩亍?/p>