新鄉(xiāng)—商丘斷裂延津段淺部地層結(jié)構(gòu)特征研究

侯江飛，邢 磊，張 揚，譚錫斌，魯人齊

(1.中國海洋大學(xué) 海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點實驗室，山東 青島 266100；2.河南省地震局 地震工程勘察研究院，河南 鄭州 450016；3.中國地震局地質(zhì)研究所 活動構(gòu)造與火山重點實驗室，北京 100029)

1 引 言

活動斷層是指距今12萬年以來有過活動的斷層，包括晚更新世斷層和全新世斷層[1]。大量震例研究表明，活動斷層不僅是地震發(fā)生的根源，而且當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時，活動斷層沿線的建筑物破壞和人員傷亡都是最大的[2-4]。因此，探明活動斷層的空間位置、性質(zhì)及其活動性，科學(xué)評價其地震危險性，在此基礎(chǔ)上合理避讓或者采取有效措施，是減輕地震災(zāi)害風(fēng)險和損失的有效途徑，對我國的防震減災(zāi)、城市規(guī)劃建設(shè)等工作具有重要意義。研究區(qū)周邊的斷層大多被第四紀(jì)覆蓋，斷層淺部結(jié)構(gòu)具有落差小、埋深淺的特點，傳統(tǒng)的地質(zhì)地貌工作方法不能對隱伏斷層的空間展布情況和活動性特征進行有效研究，而淺層地震勘探方法卻是探測隱伏斷層的有效手段[5]，且已經(jīng)在許多城市活斷層探測中取得了良好的應(yīng)用效果[6-9]。

新鄉(xiāng)—商丘斷裂帶是南華北盆地和北華北盆地的分界線，該斷裂分段發(fā)育，傾向多變，活動性西強東弱。斷裂帶的西部延津段和封丘段活動性最強，前人對新鄉(xiāng)—商丘斷裂帶延津段的構(gòu)造特征做了許多研究工作。趙建糧等(2010)[10]和高景宏等(2010)[11]應(yīng)用大地電磁測深法在開封凹陷地區(qū)開展地?zé)峥辈楣ぷ?，通過對電磁測深剖面KF1和KF2的電性分析，采用有效視電阻率數(shù)據(jù)對剖面進行反演處理的方法，從電性特征來查明區(qū)域斷裂構(gòu)造特征和劃分區(qū)域構(gòu)造單元界限，得出新鄉(xiāng)—商丘斷裂延津段傾向南西，傾角較陡，切割深度可能在10 km以下，是一條顯示張性正斷特征的斷裂。2016年中國地震局地球物理勘探中心開展的《新鄉(xiāng)城市活斷層探測與地震危險性評價》工作，通過分析重、磁及其延拓資料可知，新鄉(xiāng)—商丘斷裂帶至少由兩條近于平行的斷裂組成，被NE-NNE向斷裂切割成若干段，傾向北東或南西擺動，具有走滑性質(zhì)；在延津段，斷裂向南陡傾，下延最大深度約13 km，推測為早、中更新世活動斷裂。據(jù)鉆孔資料，斷裂帶及其附近不同的地段發(fā)育有不同時期的巖漿巖，封丘—蘭考一帶分布有喜山期的玄武巖、安山巖及酸性火山巖，東部芒碭山一帶則發(fā)育有燕山期花崗閃長巖、輝長巖等，說明該斷裂形成時間早，切割深度大，屬于長期活動的斷裂。

這些研究工作對了解新鄉(xiāng)—商丘斷裂延津段的構(gòu)造特征和活動性提供了重要參考資料，但研究結(jié)果主要集中在斷裂的空間展布和深部構(gòu)造特征上[12,13]，對該段斷層的淺部結(jié)構(gòu)特征和最新活動時代缺乏研究。本研究在分析該區(qū)已有地球物理探測資料的基礎(chǔ)上，跨延津段斷層布設(shè)了3條淺層人工地震測線，獲得了高品質(zhì)的淺層地震反射剖面，同時在測線上開展鉆孔ZK1探測，分析了新鄉(xiāng)—商丘斷裂延津段的淺部結(jié)構(gòu)特征、性質(zhì)及活動性，為該區(qū)的地震危險性評價提供了重要依據(jù)。

2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

新鄉(xiāng)—商丘斷裂帶西起新鄉(xiāng)市東，向南東方向延伸，經(jīng)延津、封丘、蘭考、民權(quán)、商丘、夏邑延入安徽省境內(nèi)，河南省內(nèi)長約250 km，總體走向為北西西向，隱伏于第四系之下[14]。新鄉(xiāng)—商丘斷裂帶是南華北盆地和北華北盆地的分界線，斷裂以北構(gòu)造線主要為NE-NNE向，以南為NW-NWW向(圖1)。斷裂傾角大，分段發(fā)育，傾向不一，在延津段傾向南西、封丘段傾向北東、蘭考—民權(quán)段傾向南西、商丘段傾向北東，淺部花狀構(gòu)造發(fā)育，具有走滑性質(zhì)。

圖1 區(qū)域構(gòu)造單元分布圖Fig.1 Distribution of regional tectonic units

新鄉(xiāng)—商丘斷裂延津段整體呈NW走向，大致西起延津縣石婆固鎮(zhèn)，東至封丘縣城，東西兩端分別被湯東斷裂、長垣斷裂所截(圖2)，是內(nèi)黃隆起和開封凹陷的分界線。

歷史地震資料表明，沿斷裂帶公元344年新鄉(xiāng)市衛(wèi)輝縣(M6級)和1737年新鄉(xiāng)市封丘縣(M5.5級)均有地震發(fā)生(圖2)，這些地震的震中基本上落在北西向斷裂與北北東向斷裂的交匯部位[15]。

圖2 區(qū)域地質(zhì)圖Fig.2 Regional geological map

3 地震數(shù)據(jù)采集與處理

3.1 地震數(shù)據(jù)采集

為了準(zhǔn)確判斷目標(biāo)斷裂的空間位置、淺部結(jié)構(gòu)特征和可分辨的上斷點埋深，地震縱波激發(fā)震源采用大型可控震源M18-612HD，采用震動6次、驅(qū)動電平70%～80%、掃描頻率20～120 Hz、掃描長度14 s、采樣間隔0.5 ms的施工參數(shù)，來兼顧淺、中層的地震反射。數(shù)據(jù)接收采用Sercel428XL數(shù)字地震儀，可實時監(jiān)測地震剖面質(zhì)量的好壞，檢波器的自然頻率為60 Hz，采用2串2并的組合方式。先后完成了3條淺層地震勘探剖面XS1、XS2和XSB11，其中XSB11是XS1的后補測線，這兩條測線均位于延津縣石婆固鎮(zhèn)附近，測線XS2位于延津縣陳固鄉(xiāng)附近(圖2)。根據(jù)現(xiàn)場試驗確定的觀測系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 新鄉(xiāng)-商丘斷裂施工測線觀測系統(tǒng)

3.2 地震數(shù)據(jù)處理

本次數(shù)據(jù)采集的地震資料中存在的主要噪音有面波、異常振幅、線性干擾、50 Hz工業(yè)電干擾以及隨機噪音。為了壓制噪音，提高資料的信噪比和分辨率，獲得高品質(zhì)的地震剖面，筆者利用CGG進行了地震資料處理工作。根據(jù)本次地震勘探資料特征，采用了折射靜校正、疊前去噪、球面擴散和地表一致性補償、反褶積、動校正、剩余靜校正、疊后去噪和偏移處理等模塊，建立了如圖3所示的地震資料處理流程。

圖3 地震資料處理流程Fig.3 Seismic data processing flow

4 地震反射剖面解釋

4.1 淺層地震時間剖面的地層標(biāo)定

分析發(fā)現(xiàn)，本次采集得到的3條地震剖面均捕捉到了新鄉(xiāng)—商丘斷裂的存在，測線展布基本控制了該段斷層的空間位置，地震剖面顯示了斷層的淺部結(jié)構(gòu)特征。地震時間剖面揭示的反射波組豐富，反射能量強，地層特征明顯，在雙程走時2000 ms以上共解釋了4組能量較強、界面形態(tài)清楚的地層反射(T1、T2、T3和TQ)。為了在地震時間剖面準(zhǔn)確標(biāo)定出QP3地層底界，在測線XSB11的樁號1288處進行了鉆孔ZK1探測(圖2)，并在孔深1～111 m的范圍內(nèi)開展了鉆孔波速測量工作，得到了鉆孔深度與雙程走時的關(guān)系曲線(圖4)。

鉆孔ZK1孔深131.48 m，未打穿QP2的地層底界。根據(jù)鉆孔巖性界面變化(圖5)，深度53.21 m以上以松散的中細(xì)砂、粉砂為主，主要為黃河沖積層。在深度48.29 m處，開始出現(xiàn)第一套較厚的棕紅色黏土層，在深度53.21 m處是第二套棕紅色黏土層(厚0.83 m)的底界，在深度53.21 m以下，地層的巖性、顏色均發(fā)生明顯變化，結(jié)合周邊區(qū)域地質(zhì)資料，劃分上更新統(tǒng)QP3底界深約53.21 m。根據(jù)鉆孔ZK1的孔深與走時關(guān)系曲線可知，在孔深53.21 m處的雙程走時約為108.44 ms，與地震時間剖面上T1波組的雙程走時基本一致，因此把T1波組解釋為上更新統(tǒng)底界，該地層也是判斷斷層是否為活動斷層的標(biāo)志層。周邊典型鉆孔延17位于測線西側(cè)約5 km處(圖2)，孔深307.33 m，是一個水文地質(zhì)鉆孔。在延17勘探孔深范圍內(nèi)，主要由一套由黏土、粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂和砂層組成的多層結(jié)構(gòu)沉積物。根據(jù)鉆孔延17資料[16]顯示：QP2的地層底界深約145 m，平均速度約為1 098.52 m/s，雙程走時約為263.99 ms，對應(yīng)地震時間剖面的T3波組；Q地層底界深約290 m，平均速度約為1 487.14 m/s，雙程走時約為390.01 ms，對應(yīng)地震時間剖面的TQ波組。因此，根據(jù)地震時間剖面反射波組特征和周邊鉆孔資料，把TQ解釋為第四紀(jì)地層底界，T1解釋為QP3地層底界，T3解釋為QP2地層底界，T2為QP2的內(nèi)部地層。

圖5 鉆孔ZK1地層柱狀圖Fig.5 Stratigraphic histogram of borehole ZK1

4.2 淺層地震反射剖面特征

地震測線XS1跨斷層走向布設(shè)，全長約8 875 m，道間距10 m。由于施工測線受地下管線的干擾較大，造成剖面200 ms以上的反射波組同向軸連續(xù)性不好，資料較差，無法得知斷層的上斷點埋深，無法標(biāo)定T1同相波組(圖6)。在時間剖面200 ms以下可見能量較強、連續(xù)性較好的多組反射波組，斷層特征十分明顯，共解釋了6個斷層，推測FP1為主斷層，傾向南西。整體剖面呈“Y”形狀負(fù)花狀構(gòu)造[17,18]，是由多條斷裂組成的走滑斷裂帶。

圖6 XS1測線偏移時間剖面Fig.6 XS1 line migration time profile

地震測線XSB11時間剖面的資料品質(zhì)較高，淺部結(jié)構(gòu)特征清晰和可分辨上斷點埋深最淺，選取典型測線XSB11來分析延津段斷裂的淺部結(jié)構(gòu)特征。XSB11測線由南往北布設(shè)，測線全長2 875 m，道間距5 m。從時間剖面中反射波組的橫向連續(xù)性來看，100 ms及以下表現(xiàn)出明顯的同相軸扭曲、錯斷現(xiàn)象，反映了斷層的存在。據(jù)此在剖面上共解釋了8個斷層，分別以FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6、FP7和FP8標(biāo)注(圖7、表2)。

圖7 XSB11測線偏移時間剖面Fig.7 XSB11 line migration time profile

表2 延津段XSB11測線推測上斷點特征

新鄉(xiāng)—商丘斷裂延津段在地震反射波剖面(圖7)上淺部結(jié)構(gòu)特征清晰，是由多條斷層組成走滑斷裂帶，整體呈“Y”形狀負(fù)花狀構(gòu)造，斷裂帶寬度約1 500 m。斷層FP1和FP2構(gòu)成花狀構(gòu)造的最外側(cè)兩個花瓣，傾向相對，均錯斷了反射波組T2、T3和TQ，斷距從上到下逐漸增大，斷層兩側(cè)上盤下降，下盤上升，具有同沉積斷層性質(zhì)。

從時間剖面橫向上看，斷層FP4、FP5、FP6、FP7處在花狀構(gòu)造的內(nèi)部。受斷層控制，地層產(chǎn)狀發(fā)生強烈而復(fù)雜的變化，表現(xiàn)為階梯狀斜下降，整體呈一套凹面朝上的多條分支正斷層構(gòu)成的地塹式構(gòu)造，表明受到張扭性應(yīng)力場控制。對比和追蹤上下反射波，發(fā)現(xiàn)這幾條斷層為同一組斷裂，在走時1 000～1 200 ms處匯聚到斷層FP1上。新近系地層界面的反射波組在南北兩側(cè)反射震相特征差異明顯。在斷層FP2下盤走時500 ms以下可見，反射震相比較豐富，可識別出多組新近紀(jì)地層反射界面，同相軸連續(xù)性好，反射能量較強，地層分層較好，說明新近紀(jì)時期開封凹陷在該區(qū)域的沉積環(huán)境較為穩(wěn)定。在斷層FP1下盤走時500 ms以下可見，反射震相較少，反射波組的連續(xù)性差，比較零散，可能是新近紀(jì)時期內(nèi)黃隆起區(qū)強烈的構(gòu)造運動，造成地層的抬升與剝蝕。

根據(jù)斷層所處空間位置和淺層結(jié)構(gòu)特征，推斷FP1、FP2、FP3、FP4、FP5、FP6、FP7、FP8屬于新鄉(xiāng)—商丘斷裂延津段，其中斷層FP2埋深最淺，約為45 m，錯斷了上更新統(tǒng)QP3的底界，推測其最新活動時代為晚更新世早期。

地震測線XS2位于延津縣陳固鄉(xiāng)附近，由南往北跨斷層走向布設(shè)，全長8 170 m，道間距10 m，用來控制新鄉(xiāng)—商丘斷裂延津段東部的淺層結(jié)構(gòu)特征。從地震反射時間剖面(圖8)上可見，斷層的淺部結(jié)構(gòu)特征清晰，波組特征明顯，在樁號3 700～5 500處，雙程走時100 ms以下，可見到同相軸發(fā)生明顯的錯斷，反映了斷層的存在，共解釋了3個斷層，分別以FP1、FP2和FP3標(biāo)注。3個斷層均錯斷了T3和TQ地層反射波組，斷距從上往下逐漸增大，其中斷層FP2的上斷點埋深較淺，約為88 m并向上錯斷了T2反射波組，推測其活動時代為中更新世，活動時代比延津段西部要早。整體剖面3條斷層仍然呈“Y”形負(fù)花狀構(gòu)造，斷裂帶寬度為1 800 m，推測FP1為主斷層，傾向南西，與斷層FP2和FP3傾向相對，在雙程走時1 600 ms和1 700 ms處匯聚到斷層FP1上。

圖8 XS2測線偏移時間剖面Fig8. XS2 line migration time profile

5 結(jié) 論

本研究通過采用不同的觀測系統(tǒng)參數(shù)，跨新鄉(xiāng)-商丘斷裂延津段開展了3條淺層地震勘探，得到了3條高品質(zhì)的地震測線剖面，結(jié)合沿測線XSB11開展的鉆孔波速測量工作，獲得了新鄉(xiāng)—商丘斷裂延津段的淺部構(gòu)造特征和最新活動時代。通過分析淺層地震資料和區(qū)域地質(zhì)資料發(fā)現(xiàn)，新鄉(xiāng)-商丘斷裂延津段走向NW、傾向SW，是內(nèi)黃隆起和開封凹陷的分界線。從地震時間剖面上可見，新鄉(xiāng)-商丘斷裂延津段的淺部是由多條傾向相對的斷層組成，形成“Y”形負(fù)花狀構(gòu)造，其中地震測線XSB11上的FP2的上斷點埋深最淺，約為45 m。根據(jù)該斷層處的鉆孔ZK1資料顯示，新鄉(xiāng)—商丘斷裂延津段的最淺上斷點進入了上更新統(tǒng)底部，推測其最新活動時代為晚更新世早期，是一條隱伏的活動斷層。

淺層人工地震勘探是揭示隱伏活動斷層淺部結(jié)構(gòu)特征和上斷點埋深的有效手段。在上斷點埋深最淺的地方，開展野外鉆孔探測和分析區(qū)域地質(zhì)資料，可以準(zhǔn)確的進行周邊第四紀(jì)地層劃分，根據(jù)鉆孔揭示的巖性變化和開展鉆孔波速測量工作，有助于在地震時間剖面上識別反射波組特征，從而進行準(zhǔn)確的地層標(biāo)定，體現(xiàn)了淺層地震勘探和鉆孔探測相結(jié)合的方法在平原地區(qū)探測隱伏活動斷層的優(yōu)勢。

由于本研究沿測線XSB11只做了一條鉆孔ZK1探測，地層劃分具有偶然性和不確定性，因此接下來要在斷層的兩側(cè)開展更多的鉆孔探測和巖芯采樣，獲得測年數(shù)據(jù)，從而得出準(zhǔn)確的地層年代，繪制更多的鉆孔地層柱狀圖和跨斷層鉆孔剖面圖，來進一步研究新鄉(xiāng)-商丘斷裂延津段的生長速率和最新活動時代。