用淺層地震勘探資料研究薊運河斷裂的第四紀活動特征

張文朋, 張春麗, 高武平, 閆成國, 王志勝(天津市地震局, 天津 300201)

0 引言

研究區(qū)位于華北斷塊盆地與燕山斷塊隆起交匯的天津平原區(qū)東部(圖1),在地質(zhì)構(gòu)造上位于華北平原斷裂帶和張家口—渤海斷裂帶的復合、交匯部位,構(gòu)造運動強烈。薊運河斷裂是研究區(qū)內(nèi)的重要斷裂,新構(gòu)造時期以來,其在區(qū)域伸展構(gòu)造環(huán)境的影響下呈正斷運動。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure map of the study area

薊運河斷裂位于天津?qū)氎嬷翆幒右粠?是燕山褶皺帶和滄縣隆起的邊界斷裂,也是張家口—渤海斷裂帶的重要組成部分。該斷裂西起寶坻東,向南東延伸至寧河東南,傾向SW,長約60 km(圖1)。據(jù)石油地震勘探資料[注]石油工業(yè)部646廠十六大隊.津唐地區(qū)地震及反射第二層構(gòu)造圖,1970.,薊運河斷裂向下斷至古生界,是中生界的沉積邊界,新近系明化鎮(zhèn)組底界斷裂跡線連續(xù)、清楚,斷距280 m,并向上進入第四系。1970—1983年在薊運河斷裂的南北兩端發(fā)生了多次5～6級中強地震,1976年唐山7.8級地震的6.9級強余震就發(fā)生在該斷裂附近,近年來也不斷有小震發(fā)生。斷裂附近頻繁的地震活動使其一直被認為是一條全新世活動斷裂,但是缺少針對其活動性的探測研究。

薊運河斷裂最早由石油工業(yè)部646廠十六大隊發(fā)現(xiàn),在《津唐地區(qū)地震及反射第二層構(gòu)造圖》中有薊運河斷裂的大致位置①。1980年,馬瑾在《唐山地震與地震危險區(qū)》[1]中提及張家口寧河斷裂,其南段即為薊運河斷裂,文中指出張家口寧河斷裂從寧河延至懷柔附近木林一帶,在地形、地貌、重力、航磁上均有表現(xiàn)。1981年,天津地質(zhì)地礦局在其編制的《高導體說明書》中利用李四光地質(zhì)力學的觀念分析,第一次提出了薊運河斷裂的說法[注]天津地質(zhì)地礦局.高導體說明書,1981.。1992年,天津市地質(zhì)礦產(chǎn)局在其公開出版的《天津市區(qū)域地質(zhì)志》[2]中認為薊運河斷裂的實際位置不完全沿薊運河分布,故將其稱為寧河—寶坻斷裂,指出該斷裂走向NW,傾向SW,長約80 km,斷開的最高層位是新近系明化鎮(zhèn)組,斷距40～400 m,斷點埋深為300～600 m。2007年,天津市地熱勘查開發(fā)設(shè)計院綜合前人資料,在《煤和煤層氣資源現(xiàn)狀調(diào)查基巖地質(zhì)圖》中對薊運河斷裂進行了初步探測[注]天津地熱勘查開發(fā)設(shè)計院.天津市煤和煤層氣資源現(xiàn)狀調(diào)查基巖地質(zhì)圖,2007.。2015年,天津市國土局、天津市地調(diào)院等單位綜合利用新開展的大地電磁剖面、切片、重力及航磁資料,對薊運河斷裂進行了重新定位[注]天津市國土局.天津市基巖地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查研究及地殼穩(wěn)定性評價,2015.。

各類資料中薊運河斷裂的空間展布不盡相同,但總體上其展布位置相差不大,形成了一條薊運河斷裂可能展布的區(qū)帶。在這一區(qū)帶上多個地質(zhì)部門曾針對不同目的進行過地球物理探測,通過對探測資料的分析可以大致推測薊運河斷裂的空間展布和活動特征。薊運河斷裂為華北濱海平原區(qū)的完全深隱伏斷裂,其上為厚層第四系所覆蓋。但僅根據(jù)航磁、重力解譯、大地電磁探測和中深層地震探測資料確定其空間展布,不確定性大、精度低。此外,相關(guān)的探測資料集中于寧河一帶,其他地區(qū)的探測資料過少,且目前的探測成果關(guān)注點為中深層信息,難以反映淺層的地質(zhì)構(gòu)造信息,無法可靠地判定斷裂的上斷點位置及其活動性。

淺層地震勘探方法是一種有效探測覆蓋區(qū)隱伏活動斷裂的地球物理探測手段。多個城市活斷層探測實踐中的淺層地震勘探結(jié)果和鉆探結(jié)果可以相互驗證,表明淺層地震勘探方法對第四系覆蓋區(qū)的活動斷裂定位和斷裂活動性判定能起到關(guān)鍵性的作用[3-7]。因此,為了確定薊運河斷裂的確切位置及其上斷點埋深與活動性,本文在前期研究資料的基礎(chǔ)上,通過高分辨率淺層反射地震勘探對該斷裂淺部地層進行詳細勘測。

1 淺層地震勘探

1.1 勘探設(shè)備與采集參數(shù)

淺層地震探測時使用的儀器為法國Sercel 428XL遙測數(shù)字地震儀器,縱波接收檢波器串采用的是EST-20DX系列的60 Hz檢波器,頻帶范圍符合勘探深度的要求。根據(jù)研究區(qū)不同的地質(zhì)條件、交通條件和道路通過性指標,地震激發(fā)震源采用北奧石油物探特種車輛制造有限公司生產(chǎn)的KZ28型大噸位可控震源和T15000型可控震源。在道路通過性等條件允許的情況下盡可能地采用KZ28型可控震源,當?shù)卣饻y線受所處道路狹窄、限高等條件限制時采用T15000型可控震源。

根據(jù)以往工作經(jīng)驗,通過試驗和綜合分析,淺層反射地震測量開通接收道數(shù)300道,采用單邊或中間激發(fā)觀測系統(tǒng)。在控制性地震勘探和詳勘時采集參數(shù)為:道間距3 m,炮間距9 m,覆蓋次數(shù)不小于50次;在精細淺層地震勘探時采集參數(shù)為:道間距1 m,炮間距5 m,覆蓋次數(shù)不小于30次,偏移距0～9 m,每道采用6個60 Hz檢波器單點組合接收(3串2并)。震源激發(fā)參數(shù)為:掃描頻率10～100 Hz或10～120 Hz,輸出力70%,掃描長度12 s,垂直疊加次數(shù)1～2次。采用Sercel 428地震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),儀器接收參數(shù)為:采樣間隔0.5 ms,記錄長度2 s,記錄格式SEG-D,前放增益12 dB。

1.2 測線布設(shè)及工作方法

在綜合前人資料獲得薊運河斷裂大致展布的基礎(chǔ)上,本次工作橫跨斷裂布設(shè)了9條(其中2條為加密測線)淺層人工地震測線(圖2)。測線布設(shè)中堅持由已知到未知、先粗后細的原則,先布設(shè)控制性探測測線(JYH1～JYH3),測線長度5～8 km;邊施工邊解譯,根據(jù)解譯成果及以往資料,經(jīng)過詳細踏勘,先后布設(shè)另外6條詳勘測線(JYH4～JYH9),測線長度根據(jù)場地條件1.5～4.5 km不等;最后在探測效果較好的2條測線(JYH1和JYH3)的斷裂位置進行了加密的精細探測。各測線具體采集參數(shù)列于表1。

圖2 推測薊運河斷裂空間展布及測線布設(shè)圖Fig.2 Spatial distribution and survey line layout of the Jiyunhe fault

編號測線名稱長度/km激發(fā)震源炮間距/m道間距/m覆蓋次數(shù)激發(fā)方式JYH1林中路8.1KZ28AS9350單邊JYH2大辛莊5.5KZ28AS9350單邊JYH3裴莊5.8KZ28AS9350單邊JYH4九園路4.4T150009350中間JYH5前魯沽4.4T150009350中間JYH6鴉豐線4.7T150009350中間JYH7南燕窩2.7KZ28AS9350中間JYH8岳莊1.5T150009350中間JYH9苗莊3.0KZ28AS9350中間JYH1-2林中路(加密)1.5T150005130中間JYH3-2裴莊(加密)2.8T150005130中間

1.3 數(shù)據(jù)處理

淺層地震勘探數(shù)據(jù)處理采用以色列帕拉代姆(Paradigm)地球物理公司開發(fā)的Focus 5.4地震資料處理系統(tǒng)。Focus 5.4具有較高的運行效率和強大的處理過程監(jiān)控功能,其包含多個模塊,能最大限度地保護有效信號并去除噪音。

借鑒以往經(jīng)驗,本次數(shù)據(jù)處理時對地震資料進行反復試驗和精細處理,內(nèi)容主要包括:解編、編輯、靜校正、疊前去噪、速度分析、動校正、疊加、DMO疊加、疊后去噪和偏移等。另外根據(jù)現(xiàn)場實際資料,對不同測線數(shù)據(jù)采取針對性的處理手段和處理模塊,如采用小波變換去除面波和隨機干擾,采用傾角濾波、T-P變換壓制線性干擾,采用高能量壓噪去除強能量噪聲干擾,采用帶陷濾波去除工業(yè)電干擾等。最終得到的處理結(jié)果完整、精細,完全滿足研究需要。

2 典型人工地震反射剖面解釋

2.1 地震剖面地層層位標定

天津大部分地區(qū)被第四系覆蓋,地勢平坦,潛水面穩(wěn)定,表層0 ～ 20 m多為黏土層,具有激發(fā)和接收人工地震波的良好地質(zhì)條件。天津市基巖地層結(jié)構(gòu)與構(gòu)造調(diào)查項目組綜合大量地震剖面,總結(jié)了天津地區(qū)波速換算深度表(表2)及反射波波阻抗特征[注]天津市地質(zhì)調(diào)查研究院.天津市基巖地層結(jié)構(gòu)與構(gòu)造調(diào)查成果報告,2015.:在無古近系時(大城凸起)館陶組(Ng)底界為基巖面,剖面通常表現(xiàn)為2組連續(xù)可追的強反射同相軸。當下伏地層為古近系或中生界時,Ng底界與下伏地層的接觸關(guān)系主要為角度不整合;當下伏地層為C-P地層時,Ng底部以下地層基本沒有連續(xù)性較好、可追的同相軸。新近系明化鎮(zhèn)組(Nm)與上覆地層以及下伏館陶組呈區(qū)域性整合接觸,與新近系以及第四系一樣,砂礫巖與泥巖組合成的互層形成反射,但因橫向上巖性分布的不均勻性,形成斷續(xù)的反射波同相軸,難以依據(jù)反射波同相軸特征進行辨識,只能依據(jù)鉆孔對其反射層位進行標定追蹤。

表2 天津地區(qū)波速換算深度表(2.0 s以內(nèi))

薊運河斷裂附近的鉆孔及年代測試結(jié)果[注]天津市地震災(zāi)害防御中心.薊運河斷裂鉆孔勘探與地層對比研究專題成果報告,2019.表明該斷裂附近的全新統(tǒng)底界埋深19 m左右,上更新統(tǒng)底界埋深70 m左右,中更新統(tǒng)底界埋深140 m左右,下更新統(tǒng)底界埋深300～400 m。

2.2 人工地震剖面特征

結(jié)合上述經(jīng)驗及鉆探資料對本次地震探測剖面進行層位標定與解譯后發(fā)現(xiàn),除了南燕窩測線(JYH7)剖面中未解釋出斷裂外(受野外施工條件所限,測線長度不足),其余測線都有錯斷跡象。根據(jù)各剖面解釋,薊運河斷裂大致表現(xiàn)出2種不同的斷裂形態(tài):一種是“Y”字型斷裂組,錯斷特征明顯;另一種是直線型斷裂,斷裂兩側(cè)各界面埋深及地層結(jié)構(gòu)差異不明顯。

林中路測線(JYH1)解釋剖面是“Y”字型斷裂組形態(tài)的代表剖面(圖3)。該剖面橫跨薊運河斷裂北部。根據(jù)地震反射波組特征,該剖面解釋出2組斷裂,分別為F1-1和F1-2。2組斷裂都向下切穿古近系底界,性質(zhì)都為正斷。斷裂上盤古近系底界起伏波動大,古近系錯斷明顯。斷裂都呈“Y”字型特征,向上分散成多條斷裂,最淺切入上更新統(tǒng)。

圖3 JYH1測線解釋剖面圖Fig.3 The interpretation profile of line JYH1

對JYH1測線顯示的斷裂異常區(qū)進行了加密探測(測線JYH1-2),其剖面更加清晰地反映了斷裂淺部地層切割情況[圖4(a)]。剖面顯示F1-1視傾向S,視傾角約為70°,錯斷最淺層位埋深約62 m;F1-2視傾向S,視傾角約為63°,錯斷最淺層位埋深約為80 m。F1-1主斷裂上斷點附近的聯(lián)合鉆探結(jié)果[圖4(b)]同樣顯示了明顯的錯斷,上更新統(tǒng)底部青綠色黏土標志層錯斷13.12 m,各地層錯斷情況與人工地震剖面的對應(yīng)較為一致。

圖4 JYH1-2測線解釋剖面圖及局部放大圖Fig.4 The interpretation profile of line JYH1-2 and local enlarged image

苗莊測線(JYH9)解釋剖面是直線型斷裂形態(tài)的代表剖面(圖5)。根據(jù)地震反射波組特征,該剖面可以解釋3組斷裂,編號為F9-1、F9-2、F9-3。斷裂性質(zhì)都為正斷,都切過第四系底界,但沒有上斷至上更新統(tǒng)。其中F9-1錯斷古近系底界,錯斷跡象不明顯,斷裂視傾向W,視傾角約為65°,錯斷最淺層位埋深約100 m。F9-2與F9-1傾向相反,其他特征類似,切割較深,錯斷跡象不明顯,視傾角約為77°,最淺埋深約130 m。F9-3位于測線邊緣,深部切割情況不明,視傾向E,視傾角約為50°,錯斷最淺層位埋深約80 m。

圖5 JYH9測線解釋剖面圖Fig.5 The interpretation profile of line JYH9

對比圖3和圖5,可見薊運河斷裂總體上具有一致性,均表現(xiàn)為斷陷特征,同時也存在明顯差異:(1)林中路測線(JYH1)剖面揭示薊運河斷裂斷距明顯偏大,苗莊測線(JYH9)剖面揭示斷裂斷距不明顯;(2)林中路測線剖面顯示薊運河斷裂有多個上斷點,這些上斷點都分別歸并至2條呈鏟式正斷性質(zhì)、傾向西的斷層上;而苗莊測線剖面顯示薊運河斷裂僅有3個上斷點,在探測深度上未發(fā)現(xiàn)此3個斷點相互歸并,推測其各自控制一條斷層,且各斷層的傾向并不一致;(3)林中路測線剖面揭示地層受構(gòu)造作用形成的構(gòu)造變形更為清晰,古近系底呈波動起伏狀。

3 薊運河斷裂特征分析

本次人工地震測線較均勻地布設(shè)在薊運河斷裂沿線,取得的各測線疊加時間剖面較全面地反映了斷裂帶的發(fā)育特征及空間展布(圖6)。這些疊加時間剖面共解釋出14個斷裂(斷點),各斷裂(斷點)特征有一定差異(表3)。通過對比可以看出:

(1) 在地震剖面上解釋的各斷點切割都較深,深部可識別的反射波組同相軸在斷裂發(fā)育處均不連續(xù),表明薊運河斷裂切割深度超過探測深度(2 km左右)。

(2) 薊運河斷裂北部5條測線(JYH4、JYH1、JYH5 、JYH6及JYH2)剖面特征相近,南部3條測線(JYH8、JYH9及JYH3)剖面特征相近。因此從空間展布看,薊運河斷裂大致分為2段:北西段和南東段(圖6)。斷裂北西段由F4-1、F1-2、F5-2、F6-1、F1-1、F5-1及F2-1等7個淺層地震解釋斷裂(斷點)確定。這些解釋斷裂在剖面上均呈“Y”字形(F5-1由于處于測線邊緣,斷裂整體形態(tài)未揭露,推測也應(yīng)呈 “Y”字形)。斷裂上盤的古近系底界都呈起伏形態(tài)(起伏幅度自西向東有遞減趨勢)。其中,F4-1、F1-2、F5-2及 F6-1的古近系底界斷距相對較大,其控制的斷裂為主斷裂;F1-1、F5-1及F2-1的古近系底界斷距相對較小(20～30 m),其控制的斷裂為一分支斷裂。斷裂南東段由F8-1、F8-2、F9-1、F9-2、F9-3、F3-1及F3-2等7個淺層地震解釋斷裂(斷點)確定。這些斷裂在剖面上基本呈平直狀,解釋剖面顯示古近系底界平穩(wěn),斷距相對較小(20～40 m)。這些斷裂傾向并不統(tǒng)一,F8-2、F9-1及F3-2三個斷裂(斷點)都傾向西,推測同屬一條斷裂。F8-2、F9-2、F9-3及F3-1由于傾向不同,在空間上不能和其他斷點相連成一條斷裂,推測其各自控制一分支小斷裂。

(3) 根據(jù)在林中路測線(JYH1)及裴莊測線(JYH3)上的鉆孔及年代測試結(jié)果,上更新統(tǒng)埋深大致為72 m。斷裂北西段的斷點除F2-1未揭示最淺埋深外,都錯斷了上更新統(tǒng)底界,其上斷點埋深大多在60～70 m間,表明斷裂北西段最新活動時代為晚更新世。斷裂南東段的各斷點未錯斷上更新統(tǒng)底界,上斷點埋深多在75～130 m間,表明斷裂南東段晚更新世以來不活動,其最新活動時代為早-中更新世。

圖6 人工地震剖面斷點及薊運河斷裂展布圖Fig.6 Breakpoints of the artificial seismic profile and distribution of the Jiyunhe fault

序號斷點編號測線編號視傾向視傾角/(°)古近系底界斷距/m第四系底界斷距/m上斷點埋深/m上斷點斷距/m大致形態(tài)1F1-1JYH1S703013 6222F1-2JYH1S6310013 683 3F2-1JYH2W70205<100-4F3-1JYH3W554012755 5F3-2JYH3W503012625 6F4-1JYH4S659087057F5-1JYH5S7530106048F5-2JYH5S6080 96539F6-1JYH6S74402060410F8-1JYH8E7020895511F8-2JYH8W7010690812F9-1JYH9W65308100413F9-2JYH9E77206130414F9-3JYH9E50-10806

4 結(jié)論與討論

本次工作首次較系統(tǒng)地取得了薊運河斷裂一系列疊加時間剖面,獲得該斷裂的空間展布及分段特征,對斷裂最新活動時代進行了修正,并得到以下結(jié)論:

(1) 薊運河斷裂不是一條南北貫通的斷裂,而是大致分為兩段:北西段和南東段。斷裂北西段存有次級分支斷裂,其中主斷裂(斷點F4-1、F1-2、F5-2及F6-1的連線)自口東鎮(zhèn)向東經(jīng)王卜莊、大米莊、石臼窩鎮(zhèn)南,至潮洛窩村后逐漸尖滅,走向NWW-SEE,傾向SSW,長度36 km。北西段分支斷裂(斷點F1-1、F5-1及F2-1的連線)自康家莊北向南東經(jīng)觀風堆、張窩頭,至江娃口南逐漸尖滅,走向NW-SE,傾向SW,長約20 km。斷裂南東段總體呈NW-SE向帶狀分布,存有多個次級分支斷裂,主斷裂(斷點F8-2、F9-1及F3-2的連線)自北岳莊村北向南東經(jīng)東瓦房港村、苗莊鎮(zhèn)東、裴莊村,至黃粟沽村附近止于唐山斷裂帶,走向NW-SE,傾向SW,長約25 km。在北岳莊村西、苗莊東及閻莊都有分支小斷裂,其中北岳莊村西和苗莊鎮(zhèn)東的斷裂傾向東,閻莊附近的斷裂傾向西。由于這些斷裂都是僅由單個斷點確定,具體走向及展布情況尚不明確。

(2) 薊運河斷裂不是一條全新世活動斷裂,其兩段的活動時代也不相同:北西段為晚更新世早期斷裂,南東段為早-中更新世斷裂。

(3) 薊運河斷裂北西段主要呈現(xiàn)斷陷特征,切割深、斷距大,是燕山褶皺帶和滄縣隆起的邊界斷裂;斷裂南東段錯斷不明顯,推測以走滑運動為主。

(4) 薊運河斷裂北西段的剖面形態(tài)(“Y”字形、花狀構(gòu)造)與寶坻斷裂類似,由此推斷其可能是寶坻斷裂向東延伸的部分。

需要說明的是,根據(jù)人工地震探測結(jié)果,每條測線都解釋出不止一個斷點,尤其是在斷裂北西段的剖面可解釋出多個斷點,呈花狀構(gòu)造,這表明薊運河斷裂結(jié)構(gòu)復雜,是一條由多個分支斷裂組成的斷裂帶。論文得到的薊運河斷裂展布結(jié)果是通過地震勘探把傾向相同、形態(tài)相近的上斷點地表投影依次連接得來的,這是薊運河斷裂帶中某條斷裂展布的一種可能表示方式。另外,薊運河斷裂帶南東段地震剖面上的斷層跡象不明顯,這是否由于斷裂以走滑運動為主,需要采取更有針對性的探測手段進行深入研究。