禮縣-羅家堡斷裂帶淺部地球物理探測及新認(rèn)識

謝興隆 任政委 葉振南 王高峰 李秋辰 馬雪梅

1 中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，河北省保定市七一中路1305號，071051

禮縣-羅家堡斷裂位于甘肅省東南部，該地區(qū)地處青藏高原、黃土高原和四川盆地之間，是中國南北與東南構(gòu)造分區(qū)的交會位置，新構(gòu)造變形強(qiáng)烈、地震活動頻繁。禮縣-羅家堡斷裂是1654年天水南8級地震的發(fā)震構(gòu)造[1-2]。部分學(xué)者對禮縣-羅家堡斷裂帶進(jìn)行相關(guān)研究，斷裂帶的活動性已得到證實[2-7]。但由于該地區(qū)缺乏相關(guān)斷層探測工作，斷裂帶附近又廣泛覆蓋第四系黃土，大部分?jǐn)嗔央[伏于地表之下，禮縣-羅家堡斷裂的空間展布特征及具體位置仍存在疑問。依靠地面地質(zhì)調(diào)查及遙感影像分析等工作難以確定其具體位置和組合模式，從而會制約諸如活動性、發(fā)震能力、斷裂帶滑坡危害性等方面的研究工作。

地球物理方法在斷裂探測中具有重要作用，地震反射法更是探測隱伏斷裂的首選方法。本文在對甘肅南部地區(qū)隱伏活斷層的綜合物探方法及特征進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上[8-9]，沿禮縣-羅家堡斷裂帶開展綜合物探工作，對斷裂帶的淺部構(gòu)造特點及分布形成新認(rèn)識。本文所涉及的物探成果對其他地區(qū)隱伏活斷層的勘查也具有借鑒意義。

1 構(gòu)造背景及測線布置

1.1 構(gòu)造概況

禮縣-羅家堡斷裂帶是青藏高原東緣中段的一條重要斷裂帶，長約150 km，總體走向NEE，傾向SE，為一高角度左旋走滑斷裂。斷裂帶主要由3條斜列的次級斷裂組成，西段為宕昌東-禮縣東，長約80 km，晚更新世發(fā)生活動；中段為禮縣南-羅家堡東北，長約40 km，全新世發(fā)生活動；東段為天水鎮(zhèn)西-街口子，長約35 km，全新世發(fā)生活動。斷裂帶具體概況參考文獻(xiàn)[2]。

1.2 測線概況

測線布設(shè)主要考慮斷裂走向及測區(qū)地形地貌，使測線盡量與斷層走向垂直或大角度相交。本次在禮縣-羅家堡斷裂帶共布設(shè)淺層地球物理測線15條，測線位置如圖1所示。研究區(qū)主要集中在鹽官鎮(zhèn)至禮縣之間，勘查重點為斷裂帶中段，斷裂帶西段也有少部分涉及。本文采取以地震反射為主、高密度電法為輔的綜合物探手段，2種手段的橫坐標(biāo)在同一測線中均已進(jìn)行統(tǒng)一。

圖1 地球物理測線位置及主斷裂分布Fig.1 The location of geophysical survey line and the distribution of main faults

考慮到山區(qū)復(fù)雜的工作條件，震源選用較為靈活的錘擊方式。根據(jù)經(jīng)驗，采取小道距、多疊加、高覆蓋的工作方式，后期再進(jìn)行精細(xì)的靜校正。本次大部分測線采用道間距5 m、炮間距5 m、48道滾動接收、覆蓋24次，對于精細(xì)研究隱伏活斷層分布規(guī)律的測線，道間距選擇3 m。

高密度電法的測量裝置選擇穩(wěn)定性較好的溫納α，為與地震反射進(jìn)行同線對比，電極距統(tǒng)一選擇為5 m。高密度電法布設(shè)靈活，地形校正簡單且淺部信息豐富，是本次淺層勘查重要的補(bǔ)充方法。

2 淺部地球物理特征分析

本節(jié)以L9測線為例對斷裂帶的淺部地球物理特征進(jìn)行說明。L9測線位于趙坪村北的蘋果種植區(qū)，地形平坦，干擾較小，地球物理原始數(shù)據(jù)質(zhì)量較高。

圖2(a)為地震反射剖面，剖面中主要發(fā)育的反射波同相軸推測為新近系泥巖頂層反射所致，TQ為第四系與新近系分界面。反射波組在測線260 m、330 m、420 m附近均出現(xiàn)明顯錯斷和不連續(xù)等異?，F(xiàn)象，表現(xiàn)為明顯的正斷層特征。主斷裂F1垂向錯斷最為明顯，斷裂上盤160 m內(nèi)發(fā)育有傾向相對、走向一致的2條次級斷裂，分別命名為F1-1、F1-2。圖2(b)為高密度電法剖面，第四系卵礫石土表現(xiàn)為相對高阻，新近系泥巖表現(xiàn)為相對低阻，2種物質(zhì)電阻率差異明顯，分層效果較好。在低阻的新近系泥巖內(nèi)部存在明顯的高阻條帶異常，其中測線380～480 m處高阻條帶異常與主斷裂F1相對應(yīng)，高阻條帶傾向與斷裂傾向一致；測線160～280 m處高阻條帶異常與次級斷裂F1-1、F1-2相對應(yīng)，由于2條次級斷裂傾向一致，發(fā)育距離較近，兩者的電性異常連成整體。

圖2 L9測線地震反射剖面與電阻率反演剖面Fig.2 Seismic reflection profile and resistivity inversion section of line L9

禮縣-羅家堡斷裂活動性較強(qiáng)，斷裂持續(xù)活動使得基巖內(nèi)部產(chǎn)生裂隙，電阻率變大，表現(xiàn)為相對高阻。地震剖面揭示出斷裂的正斷性質(zhì)，而本區(qū)斷裂除垂向活動外，主要以左旋走滑為主，從而使斷裂造成的基巖破碎寬度更大，相應(yīng)的高阻異常條帶寬度也較大。高密度電法在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的多解性問題較為突出，一般不作為斷裂勘查的首選方法。但本次勘查區(qū)廣泛發(fā)育新近系紅色泥巖，且厚度較大，斷裂破碎帶與基巖存在明顯的電性差異，表現(xiàn)為“低阻背景、高阻條帶”的典型斷裂異常標(biāo)志，因此使用高密度電法在本區(qū)進(jìn)行斷裂勘查存在一定的物性基礎(chǔ)，可提高本區(qū)斷裂勘查的效率。甘肅南部隱伏活斷層電性異常響應(yīng)特征可參考文獻(xiàn)[9]。

研究區(qū)廣泛發(fā)育第四系蓋層，且第四系蓋層與新近系泥巖存在顯著的地震波速、電阻率等物性差異，這可為在研究區(qū)內(nèi)開展淺層地震和高密度電法提供物性基礎(chǔ)。2種方法在本次斷裂勘查中的異常特征明確，適合本區(qū)斷裂帶的淺部地球物理勘查，表1為隱伏活斷層地球物理特征。

表1 隱伏活斷層地球物理特征

3 斷裂帶淺部空間組合模式

為研究禮縣-羅家堡斷裂帶的空間分布及組合特點，在鹽官鎮(zhèn)吳宋溝附近布設(shè)3條北西-南東向測線，分別為L1、L1a及L2。當(dāng)測線地形起伏較大時，地震剖面中會標(biāo)注地表面位置。

L1測線自G316起沿吳宋溝向北經(jīng)王家莊，測線長度約2.3 km，地震剖面成果如圖3所示。從圖中可以看出，剖面中可識別多條斷裂，包括規(guī)模較大的4條斷裂(F1～F4)，其中斷裂F1整體破碎長度約350 m，規(guī)模最大，且其位置及性質(zhì)與區(qū)域認(rèn)識較為一致，故將F1作為本段禮縣-羅家堡斷裂的主斷裂。斷裂F1～F4附近又發(fā)育多條次級斷裂，為便于表達(dá)，將F1～F4及其次級斷裂編為4個斷裂發(fā)育組，F(xiàn)1～F4分別為對應(yīng)斷裂組的主斷裂。

圖3 L1測線地震反射剖面Fig.3 Seismic reflection profile of line L1

由于L1測線處于交通主干道，干擾較多，而主斷裂F1的破碎帶又較寬，為更好地明確斷裂F1的發(fā)育狀況及組合模式，布設(shè)地震詳查測線L1a。詳查測線道間距縮小至3 m，地震CDP間距為1.5 m，剖面成果如圖4所示。主斷裂F1的破碎帶由主斷裂及次級斷裂共同組成，在F1上盤發(fā)育的次級斷裂斷距明顯，基巖破碎程度較高，下盤基巖的破碎程度較低。主斷裂F1上盤120 m內(nèi)發(fā)育有傾向相對、走向一致的2條次級斷裂，該特征與圖2表現(xiàn)形式一致，這也是后續(xù)追蹤斷裂F1的主要參考依據(jù)。

圖4 L1a測線地震反射剖面Fig.4 Seismic reflection profile of line L1a

L2測線位于吳宋溝與南丹溝之間的山頂，高密度電法與地震反射在測線360～1 050 m段完全重合。圖5(a)為地震反射剖面，經(jīng)過統(tǒng)一對比分析，將剖面中斷裂分別編為F5、F6，斷裂發(fā)育規(guī)律與L1測線類似，斷裂組中的主斷裂附近均發(fā)育多條次級斷裂，次級斷裂的走向及性質(zhì)與主斷裂一致。剖面中600～900 m、1 150～1 350 m處波組特征雜亂，為破碎帶主要發(fā)育區(qū)。圖5(b)為高密度電法剖面，與地震測線揭示的F5斷裂組具有良好的對應(yīng)關(guān)系，測線200 m處基巖內(nèi)的高阻異常為斷裂F4活動所致，與L1測線有良好的對應(yīng)關(guān)系。山頂?shù)谒南迭S土的底界面較為清晰，厚度普遍在20 m以上，厚度變化趨勢與地震剖面一致。

圖5 L2線地震反射剖面與電阻率反演剖面Fig.5 Seismic reflection profile and resistivity inversion section of line L2

本文在吳宋溝附近共勘查確定6個斷裂組，F(xiàn)5、F6斷裂組在淺部的發(fā)育規(guī)模與F1～F4斷裂組相當(dāng)，并未有減小趨勢，斷裂F6向北依然存在若干斷裂組合，推測吳宋溝附近的斷裂破碎帶寬度在5 km以上。

斷裂組中的主斷裂上盤多發(fā)育有傾向相對、走向一致的正斷層，表現(xiàn)為明顯的Y字型斷層組合特點。整體上看，斷裂帶在淺部表現(xiàn)為明顯的共軛形式，從而形成一系列地塹與地壘，局部還表現(xiàn)出階梯狀斷層發(fā)育特征。通過物探查明的斷層組合樣式均表明，禮縣-羅家堡斷裂帶是在拉張或張扭應(yīng)力作用下形成的，與GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)研究結(jié)論一致[3]。

斷裂帶中斷層均為北東-南西向，與主斷裂F1傾向相同的均為南東向，傾向相對的均為北西向，剖面中視傾角基本為60°～80°，后續(xù)地球物理剖面不再逐個對斷層的性質(zhì)進(jìn)行描述。

4 斷裂追蹤

禮縣-羅家堡斷裂帶發(fā)育多組斷裂組合，所有斷裂走向基本一致，本次追蹤重點為主斷裂F1。在斷裂追蹤時，對于地貌復(fù)雜、地形起伏較大的區(qū)域，地震反射施工困難，則僅布設(shè)高密度測線。本區(qū)斷裂的淺部地球物理異常響應(yīng)特征已較為明確，輔以鄰近測線地震反射剖面資料，僅用高密度電法也可取得較為準(zhǔn)確的解釋。

4.1 主斷裂F1

圖6(a)、(b)、(c)分別為L7、L10、L12測線的地震反射剖面，主斷裂F1的Y字型斷層組合特點在3條剖面中表現(xiàn)清晰。L10測線與主斷裂夾角較小，剖面中主斷裂與次級斷裂的視距離較大。通過對比發(fā)現(xiàn)，主斷裂F1的垂向錯斷距離逐漸減小，位于上盤的2條次級斷裂之間的距離也逐漸變小，L12測線上盤僅見1條較為明顯的次級斷裂。通過斷裂追蹤情況可知，主斷裂F1與次級斷裂的發(fā)育規(guī)模均逐漸減小，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景推測，主斷裂F1將在禮縣縣城西南逐漸消失。

圖6 地震反射剖面對比Fig.6 Comparison of seismic reflection profiles

4.2 其他斷裂

L11測線位于趙家莊村西側(cè)，東距大堡子山(秦西垂陵園) 1 km，起點離永坪河與西漢水交匯處約400 m，測線沿永坪河河堤布設(shè)，整體較為平坦，干擾較小，圖7為其地球物理剖面。由圖可知，第四系蓋層與新近系泥巖形成的同相軸連續(xù)性較好，無明顯垂向錯斷。測線450 m附近存在同相軸變?nèi)醯奶卣鳎Y(jié)合高密度電法成果推測為泥巖內(nèi)部裂縫造成。

圖7 L11測線地震反射剖面與電阻率反演剖面Fig.7 Seismic reflection profile and resistivity inversion section of line L11

根據(jù)東部多條測線勘查結(jié)果可知，F(xiàn)4、F5斷裂組應(yīng)經(jīng)過L11測線，而永坪綜合物探結(jié)果表明，禮縣-羅家堡斷裂在該處不發(fā)育，即禮縣-羅家堡斷裂帶從鹽官至禮縣方向規(guī)模逐漸減小，主斷裂F1下盤斷裂組在永坪河附近逐漸消失。

禮縣-羅家堡斷裂可分為3段，為探尋斷裂帶西段在禮縣的發(fā)育狀況，本文在禮縣縣城北布設(shè)2條測線。L13測線沿燕河路鋪設(shè)，地形較為平坦，地球物理剖面如圖8所示。由圖可知，地震反射剖面中350 m、760 m處分別出現(xiàn)明顯的同相軸錯斷，為與中段斷裂進(jìn)行區(qū)分，將其分別命名為F1′、F2′。F1′、F2′均表現(xiàn)為正斷層特征，視傾角約為70°。該測線高密度電法剖面顯示，測線300～360 m處出現(xiàn)高阻條帶異常，經(jīng)過比對確認(rèn)為斷裂F1′引起，異常寬度約為160 m。

圖8 L13線地震反射剖面與電阻率反演剖面Fig.8 Seismic reflection profile and resistivity inversion section of line L13

經(jīng)過斷裂追蹤，禮縣-羅家堡斷裂帶空間分布如圖1所示，斷裂帶中段位置以斷裂F1為準(zhǔn)，斷裂帶西段位置以斷裂F1′為準(zhǔn)。

5 結(jié) 語

本文通過對鹽官至禮縣的綜合地球物理勘查，總結(jié)該區(qū)域斷裂的淺部地球物理響應(yīng)特征，查明斷裂帶的淺部空間組合模式，并給出斷裂展布的精確位置。

禮縣-羅家堡斷裂表現(xiàn)為左旋走滑兼正斷性質(zhì)，且活動性較強(qiáng)；研究區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)明確，下伏基巖為低阻的新近系泥巖。該背景下的斷裂在波阻抗及電性上存在明確的異常響應(yīng)特征，本文采取以地震反射為主、高密度電法為輔的綜合物探手段取得較為精準(zhǔn)的探測結(jié)果。研究區(qū)內(nèi)高密度電法表現(xiàn)出“低阻背景、高阻條帶”的典型斷裂異常標(biāo)志，使得利用高密度電法在復(fù)雜地形追蹤斷裂成為可能，可提高研究區(qū)斷裂勘查的效率。

為便于描述斷裂帶的組合模式，采用斷裂組概念，斷裂組由主斷裂與次級斷裂組成，主斷裂上盤多發(fā)育有傾向相對、走向一致的正斷層；斷裂破碎帶由多個斷裂組構(gòu)成，斷裂組間距為300～500 m，破碎帶寬度為80～400 m，斷裂組中主斷裂走向基本一致，傾向相同或相對。整個斷裂帶表現(xiàn)為明顯的共軛形式，從而形成一系列地塹與地壘，局部還表現(xiàn)出階梯狀斷層發(fā)育特征。主斷裂F1的Y字型斷層組合特點是后續(xù)斷層追蹤的重要參考依據(jù)。

本次綜合物探成果符合以往對禮縣-羅家堡斷裂帶的認(rèn)識，但在空間位置上更為精準(zhǔn)。禮縣-羅家堡斷裂呈北東-南西向分布，走向約為70°，主斷裂F1傾向南東，斷裂傾角較陡。禮縣-羅家堡斷裂在鹽官-禮縣段的走向大致與西漢水主流方向一致，主斷裂F1在鹽官至永興鄉(xiāng)主要位于西漢水北側(cè)，在永興鄉(xiāng)附近穿過西漢水向南側(cè)發(fā)育，經(jīng)過禮縣城南并逐漸消失；禮縣-羅家堡斷裂帶西段已在禮縣城北發(fā)育并逐漸向南西向擴(kuò)展。永坪河附近為斷裂帶西段與中段的轉(zhuǎn)接區(qū)域，該處斷裂帶西段還未開始發(fā)育，而斷裂帶中段的次級斷裂也逐漸消亡，整體上為斷裂不發(fā)育區(qū)。

大量經(jīng)驗表明，采用不同尺度的地震勘探方法可獲得不同深部范圍的地下結(jié)構(gòu)和構(gòu)造圖像。本次地震勘探采用錘擊方式，雖然可以較為精準(zhǔn)地確定斷裂位置，但勘查深度較淺，整個斷裂帶的深部空間組合模式及對淺部斷裂的控制形式仍存在較多疑惑。未來有必要開展禮縣-羅家堡斷裂的中深層地震勘探研究，以揭示斷裂帶深部結(jié)構(gòu)與發(fā)育特征。