基于淺層地震勘探與鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測的蘇北盆地倪湖莊-七里墩斷裂研究1

劉旭東 張世民 晏云翔 李林元 計昊旻 趙俊香

1）應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院, 北京 100085

2）中煤科工集團西安研究院有限公司, 西安 710077

3）中國地震局地質(zhì)研究所, 北京 100029

引言

我國地震災(zāi)害主要發(fā)生在內(nèi)陸地區(qū)，而地震災(zāi)害嚴重的城鎮(zhèn)地區(qū)大部分坐落于平原區(qū)或盆地區(qū)。為科學地減輕地震災(zāi)害，首先需查明平原區(qū)隱伏活動斷裂。

與出露地表的活動斷裂相比，對隱伏活動斷裂的探測一直是活動構(gòu)造研究的難點和重點之一。20 世紀90 年代起，有關(guān)學者開始利用淺層地震勘探、鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面和地層測年等技術(shù)綜合研究隱伏斷裂的第四紀活動性。向宏發(fā)等（1993）采用淺層地震CDP 疊加剖面法、淺層地質(zhì)雷達探測及鉆探、槽探等多種手段，對夏墊斷裂和南口-孫河斷裂進行了系統(tǒng)的探測研究。徐錫偉等（2000）定量研究隱伏斷裂的活動特征及古地震序列，通過對夏墊斷裂上、下盤2 個鉆孔地層剖面年代學的測定和巖性的分析與對比，定量恢復(fù)了距今26 ka 以來斷裂上、下盤的差異沉積歷史和垂直錯動過程。向宏發(fā)等（2000）采用化探定位、淺層地震勘探、鉆探地質(zhì)剖面和新地層測年等綜合研究，確定了聊城-蘭考斷裂的準確位置、第四紀各時段位錯量。至21 世紀初，逐步形成了隱伏活斷層探測系統(tǒng)方法和技術(shù)，包括地質(zhì)地貌、地球化學和地球物理方面的多種探測方法（方盛明等，2002；鄧起東，2002；劉保金等，2002；潘紀順等，2002；鄧起東等，2003），同時對隱伏活動斷層探測中遇到的問題進行了初步討論（向宏發(fā)，2003）。從21 世紀初至今，城市活動斷裂探測工作在全國各地逐步開展。以首都圈為例，開展探測的隱伏活動斷裂包括順義-良鄉(xiāng)斷裂（張世民等，2005）、南口-孫河斷裂（張世民等，2007；張磊等，2014）、東北旺-小湯山斷裂（何仲太等，2009）、夏墊斷裂（劉保金等，2011；楊曉平等，2012）、黃莊-高麗營斷裂（張曉亮等，2016）、大興斷裂等（何付兵等，2020）。通過探測工作提出了新方法和新技術(shù)，如利用層序地層學進行鉆孔第四系地層對比（張世民等，2007）、組合淺層地震勘探（柴熾章等，2006；顧勤平等，2013，2015）、鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面對折定位法（雷啟云等，2011）、基于淺層地震剖面解譯斷層上斷點等（王銀等，2015）。經(jīng)多年的工作積累，逐漸形成了組合淺層地震勘探、小孔距鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測與多種第四紀年代測試的成熟技術(shù)體系。

本研究基于江蘇省淮安市活動斷層探測與地震危險性評價項目，研究區(qū)位于蘇北盆地北部。在項目實施過程中，控制性淺層地震勘探工作成果顯示，研究區(qū)內(nèi)無錫-宿遷斷裂及洪澤-溝墩斷裂上斷點埋深為210～363 m，淮陰-響水斷裂淺層地震勘探剖面上斷點埋深90～140 m，上述3 條斷裂的上斷點均位于第四系底界（埋深80 m）以下，為前第四紀斷裂；新發(fā)現(xiàn)的倪湖莊-七里墩斷裂上斷點埋深47～78 m，進入第四系中部，是研究區(qū)內(nèi)活動時代最新的斷裂，且切斷了上述3 條區(qū)域性斷裂。倪湖莊-七里墩斷裂位于區(qū)內(nèi)淮安市中心繁華地段，斷裂的精確定位和晚第四紀活動性鑒定可為城市防震減災(zāi)規(guī)劃提供重要依據(jù)。本文在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造與第四系地層分析的基礎(chǔ)上，通過淺層地震勘探對倪湖莊-七里墩斷裂進行定位，并利用鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測與第四紀測年技術(shù)對斷層的活動性進行鑒定。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)在新構(gòu)造上位于蘇魯隆起與蘇北坳陷過渡帶（陳偉等，2020），如圖1 所示，新生代以來主要表現(xiàn)為斷塊差異升降運動。受北東向淮陰-響水斷裂、洪澤-溝墩斷裂與北西向無錫-宿遷斷裂等斷裂活動的控制，新構(gòu)造分區(qū)表現(xiàn)為北東向成帶、北西向分段的格局（圖1）。研究區(qū)主體為淮安凸起，并涉及洪澤凹陷、漣水凹陷與建湖隆起3 個新構(gòu)造單元。根據(jù)石油物探資料，淮陰-響水斷裂與洪澤-溝墩斷裂構(gòu)成了鹽阜坳陷的南、北邊界，而鹽阜坳陷又被淮安凸起分為洪澤凹陷與漣水-阜寧凹陷（圖1）?；窗彩蟹?∶25 萬基巖地質(zhì)圖中，無錫-宿遷斷裂從淮安凸起中部穿過，錯斷了淮陰-響水斷裂與洪澤-溝墩斷裂（圖2）。

圖1 蘇北盆地區(qū)域構(gòu)造（據(jù)陳偉等（2020）研究修改）Fig. 1 Regional tectonic map of the Subei basin （Modified after Chen Wei et al., 2020 )

圖2 淺層地震勘探測線及鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面位置Fig. 2 Location map of shallow seismic exploration lines and drilling joint geological profiles

研究區(qū)在地貌上屬黃泛平原與淮河沖積平原，一般海拔＜15 m，地勢平坦，略向東部黃海微傾，地面坡降1/1 000～1/10 000。根據(jù)淮安市幅1∶25 萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告，區(qū)內(nèi)新近系與第四系地層發(fā)育齊全，主要為河湖相沉積，局部有沖洪積相分布，下部以巨厚湖相灰綠色序黏性土層為主，往上湖相地層厚度逐漸減小，河流相增加，沖洪積相以夾層的形式。根據(jù)地層時代與巖性組合特征，可進一步將新近系鹽城組分為上、下段，第四系地層自上而下可劃分為全新統(tǒng)淤尖組、上更新統(tǒng)灌南組、中更新統(tǒng)小腰莊組和下更新統(tǒng)五隊鎮(zhèn)組。

研究區(qū)內(nèi)，已完成的第四系標準地層分層結(jié)果如下：

（1）全新統(tǒng)淤尖組（Qhy）厚6～7 m，底界埋深約8 m。上部為深灰黃色粉土，厚約3.5 m；中部為灰褐色、淺灰黑色粉土，局部為深灰色、褐色條帶，層理發(fā)育，發(fā)育紋層，厚約1.5 m；下部為灰色粉砂、淺灰黑色和深灰褐色粉質(zhì)黏土，厚約3.5 m，為泛濫平原相沉積。研究區(qū)內(nèi)高堰、和平以南，全新統(tǒng)缺失。

（2）上更新統(tǒng)灌南組（Q3pg） 厚15～27 m，底界埋深23～28 m。上部為黃褐色、棕灰色粉質(zhì)黏土，含粉細砂，發(fā)育鐵錳質(zhì)、鈣質(zhì)結(jié)核，厚7～10 m；下部為褐黃色、灰綠色粉質(zhì)黏土與淺灰黑色紋層形成互層，灰棕色、深灰褐色、灰黑色粉質(zhì)黏土，底部錳質(zhì)結(jié)核顆粒富集，厚8～15 m。

（3）中更新統(tǒng)小腰莊組（Q2px）厚19～25 m，底界埋深47～49 m。上部為黃褐色、紅褐色、磚紅色粉質(zhì)黏土；中部為黃褐色粉砂質(zhì)黏土，含灰綠條帶，灰色、深灰色細砂夾薄層粉砂，發(fā)育鈣質(zhì)結(jié)核，局部鐵錳質(zhì)結(jié)核發(fā)育；下部為黃褐色、紅褐色、磚紅色粉質(zhì)黏土，下部為褐色中粗砂、交互紋層狀粉砂、粉砂質(zhì)黏土。

（4）下更新統(tǒng)五隊鎮(zhèn)組（Q1pw）厚30～32 m，底界埋深79～80 m。上部為灰綠色、淺褐色、雜色粉質(zhì)黏土，局部粉質(zhì)黏土與粉砂薄層形成互層；中部為紅褐色粉質(zhì)黏土、粉細砂，偶含灰綠色條帶，整段鈣質(zhì)結(jié)核發(fā)育，局部黑色鐵錳質(zhì)富集；下部為灰綠色、淺灰綠色粉砂、細砂、中粗砂，夾薄層淺黃褐色、灰黑色黏土質(zhì)砂，與灰綠色粉砂、細砂形成沉積韻律層，局部含礫，發(fā)育鈣質(zhì)結(jié)核、鐵錳質(zhì)結(jié)核，可見斜層理。下伏新近系鹽城組地層顏色變深，頂部為紫紅色、棕紅色、灰綠色黏土，與下更新統(tǒng)五隊鎮(zhèn)組區(qū)別明顯。

2 工作方法與技術(shù)手段

2.1 淺層地震勘探

隱伏斷層探測的技術(shù)思路為：基于研究區(qū)1∶25 萬基巖地質(zhì)圖等已有探測成果，橫跨主要斷層開展控制性淺層地震勘探，確定斷層幾何展布與上斷點埋深，進而選擇上斷點埋深最淺、斷層幾何結(jié)構(gòu)簡單、斷錯現(xiàn)象清楚的典型地點開展探測精度更高的詳細淺層地震勘探，將獲得的時間偏移剖面作為開展鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測的設(shè)計依據(jù)?？刂菩詼\層地震勘探數(shù)據(jù)采集主要技術(shù)參數(shù)為：CDP 點距2.0 m，炮距20 m，接收道間距4 m，接收道數(shù)360 道，覆蓋次數(shù)≥30 次。詳細淺層地震勘探主要技術(shù)參數(shù)為：CDP 點距1.0 m 或1.5 m，炮距12 m 或18 m，接收道間距2 m 或3 m，接收道數(shù)320 道，覆蓋次數(shù)≥20 次。淺層地震勘探深度需超過新近系底界。

控制性淺層地震勘探首先從淮陰-響水斷裂、洪澤-溝墩斷裂和無錫-宿遷斷裂開始。以淮安市1∶25 萬基巖地質(zhì)圖為基礎(chǔ)，3 條斷裂的格局較清楚，因此控制性淺層地震勘探采用等間距布設(shè)、一次性施工的方式。橫跨每條斷裂布設(shè)1 條長12 km 左右的測線與若干條4～5 km 的短測線。長測線用于探測斷裂帶整體特征及其兩盤的地層變形，短測線用于探測主斷層位置。施工速度快，可24 小時連續(xù)施工，但無法隨時把握每條測線的探測結(jié)果，無法指導后續(xù)的工作。探測結(jié)果揭示，淮陰-響水斷裂與洪澤-溝墩斷裂主斷裂位置與1∶25 萬基巖地質(zhì)圖對應(yīng)斷裂位置較接近（圖2），但無錫-宿遷斷裂由2 條近平行的分支斷裂組成。淮陰-響水斷裂、洪澤-溝墩斷裂和無錫-宿遷斷裂視傾角為38°～70°，上斷點埋深＞90 m，位于新近系地層中。

在探測淮陰-響水斷裂中段的過程中，在測線L1-2 剖面中發(fā)現(xiàn)了1 條視傾角73°的陡傾角斷裂，斷裂傾向與淮陰-響水斷裂相反，上斷點埋深56 m。其為未知斷裂，幾何展布尚不清楚，為探明其平面展布，后續(xù)的淺層地震勘探從已知點向兩端逐次開展，邊采集、邊處理、邊解釋，根據(jù)上一條測線的探測結(jié)果，布設(shè)下一條測線，共布設(shè)13 條測線，最終確定該斷裂為近南北向、傾向西的高角度正斷裂，可能兼具走滑錯動性質(zhì)，本研究將其命名為倪湖莊-七里墩斷裂（圖2）。倪湖莊-七里墩斷裂斷錯第四系底界8～19 m，可解譯上斷點埋深47～78 m，進入第四系中部。該斷裂錯斷了淮陰-響水斷裂和無錫-宿遷斷裂，也有可能錯斷了洪澤-溝墩斷裂。作為研究區(qū)內(nèi)活動時代最新的斷裂，倪湖莊-七里墩斷裂是開展斷裂活動性鑒定的工作重點。

2.2 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測

考慮到倪湖莊-七里墩斷裂與其他斷裂的復(fù)雜交切關(guān)系，其活動性有可能存在分段特征。因此，橫跨該斷裂的鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測需有代表性。為此，分別在該斷裂北段（淮陰-響水斷裂與無錫-宿遷斷裂之間）、中段（無錫-宿遷斷裂南側(cè)）和南段（洪澤-溝墩斷裂北側(cè)）各布設(shè)1 排鉆孔，旨在確定斷層最新活動時代。在斷裂不同段落選擇上斷點埋深淺的地震時間剖面布設(shè)鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面?，F(xiàn)場根據(jù)樁號定位上斷點垂直地面投影點，并根據(jù)上斷點距離地表深度和解譯斷層的傾角，確定兩端的孔位。采用對折法，即兩側(cè)向中心遞推的鉆探方式，逐步限定斷層位置、斷錯位移及上斷點埋深。野外實施過程中根據(jù)實時的鉆孔地層對比調(diào)整后續(xù)鉆孔布設(shè)位置和進尺，并結(jié)合已有研究成果，對鉆孔地層進行詳細分層、編錄與拍照。對不同深度地層逐層有針對性地采集不同類型的年代樣品，包括碳十四、光釋光、宇成核素埋藏年齡、電子自旋共振等。鑒于研究區(qū)第四系底界埋深為80 m 左右，且與下伏新近系巖性差異明顯、便于區(qū)別，淺層地震勘探揭示第四系底界在斷層兩側(cè)落差8～19 m，因此鉆孔進尺確定為鉆穿第四系，旨在精確限定第四系底界斷距。碳十四樣品在美國貝塔實驗室進行測試，光釋光樣品在應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院光釋光實驗室進行測試。

3 探測結(jié)果

3.1 淺層地震勘探

在倪湖莊-七里墩斷裂北段，控制性淺層地震勘探L1-2 測線與詳細淺層地震勘探JX02 測線揭示斷裂傾向北西，傾角71°～73°，在第四系中的落差最大約為16 m（圖3、圖4）。該斷層向上切穿至第四系底界面，上斷點埋深53～56 m，推斷最新活動時代為中更新世。

L1-2 測線全長4.2 km，道間距4 m。該測線的地震時間剖面信噪比較高，基巖面之上淺層反射波組連續(xù)性好，斷層錯斷特征明顯（圖3）。 2 個主要反射界面（第四系底界TQ與新近系底界TN）特征明顯，發(fā)育穩(wěn)定，能夠清楚地顯示基巖面特征。在該時間剖面上解釋了1 個斷點，為正斷層性質(zhì)，斷層面淺部陡、深部緩，視傾向北西，視傾角73°，斷層向淺部錯斷至TQ之上，向深部切入老地層中。上斷點位于測線CDP 號1 127處，可分辨的上斷點埋深為56 m，TQ層位斷層兩側(cè)落差約為13 m，TN層位斷層兩側(cè)落差約為60 m。

圖3 L1-2 測線地震時間剖面解釋Fig. 3 Interpretation diagram of seismic time section, L1-2

JX02 測線全長2.0 km，南距L1-2 線約260 m，道間距2 m（圖4）。地震時間剖面解釋的2 個主要反射界面（第四系底界TQ與新近系底界TN）特征清楚，發(fā)育穩(wěn)定，能夠清楚地顯示基巖面特征。在該剖面上解釋了1 個斷點，為正斷層性質(zhì)，斷層面陡，視傾向北西，視傾角71°，斷層向淺部錯斷至TQ之上，向深部切入老地層中。上斷點位于測線CDP 號1 132 處，可分辨的上斷點埋深為53 m，推斷上斷點切穿至中更新統(tǒng)中，TQ層位斷層兩側(cè)落差約為16 m，TN層位斷層兩側(cè)落差約為53 m。

圖4 JX02 測線地震時間剖面解釋Fig. 4 Interpretation diagram of seismic time section, JX02

倪湖莊-七里墩斷裂中段控制性淺層地震勘探ZX03 測線位于淮安市淮陰區(qū)南陳集鎮(zhèn)東部的308 縣道上，呈近東西向布置，施工長度為4.032 km，道間距3 m（圖5）。該測線的地震時間剖面信噪比較高，波組豐富，反射波連續(xù)性好，斷層特征明顯。2 個主要反射界面（第四系底界TQ與新近系底界TN）特征清楚，發(fā)育穩(wěn)定，能夠清楚地顯示基巖面特征。在該時間剖面上解釋2 個斷點，其中西側(cè)斷點為正斷層性質(zhì)，斷層面由淺向深部發(fā)生S 形扭曲，總體視傾向西，視傾角81°，斷層向淺部錯斷至第四系底界面以上，向深部切入老地層中，上斷點位于測線CDP 號3 173 處，可分辨的上斷點埋深為48 m，TQ層位上斷層兩側(cè)落差約為15 m，TN層位上斷層兩側(cè)落差約為36 m（圖5）。剖面中解釋的東側(cè)斷層可能為無錫-宿遷斷裂分支，為正斷層性質(zhì)，斷層將新近系底界面錯斷，使新近系底界面反射波發(fā)生扭曲，視傾向東，斷層向上切穿至新近系中，向深部切入老地層中，為前第四紀斷裂。

圖5 ZX03 測線地震時間剖面解釋Fig. 5 Interpretation diagram of seismic time section, ZX03

JM06 測線是在ZX03 測線工作成果的基礎(chǔ)上進行詳細的淺層地震勘探，測線全長1.024 km，道間距2 m（圖6），主要用于精細控制ZX03 測線上解譯斷層的上斷點位置與特征，為后期地質(zhì)鉆探提供依據(jù)。該測線解譯出的2 個主要反射界面（第四系底界TQ與新近系底界TN）特征清晰，發(fā)育穩(wěn)定，能夠清楚地顯示基巖面特征。在該時間剖面上的F4 斷點可靠，為正斷層性質(zhì)，斷層面由淺向深部發(fā)生S 形扭曲，總體視傾向西，視傾角79°，斷層向淺部錯斷至第四系底界面以上，向深部切入老地層中。上斷點位于測線CDP 號6 337處，可分辨的上斷點埋深為47 m，TQ層位上斷層兩側(cè)落差約為13 m，TN層位上斷層兩側(cè)落差約為36 m（圖6）。

圖6 JM06 測線地震時間剖面解釋Fig. 6 Interpretation diagram of seismic time section, JM06

綜上所述，在倪湖莊-七里墩斷裂北段和中段，分步進行了控制性淺層地震勘探和詳細地震勘探。結(jié)合區(qū)域第四系地層資料及研究區(qū)第四系標準鉆孔結(jié)果，初步判斷上斷點位于中更新統(tǒng)。

3.2 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測

3.2.1 漕運西路WSA 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測

以淺層地震勘探測線L1-2 為依據(jù)，在清江浦區(qū)月星國際家居南漕運西路南側(cè)布置WSA 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測測線（綠線為鉆孔位置，紅線為解譯斷層，黃線為淺層地震測線，衛(wèi)星影像來自Google Earth）（圖7）。根據(jù)施工條件，鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面較淺層地震測線沿斷裂走向向南偏移了9 m。在探測過程中，首先在兩端施工01、02 鉆孔，然后施工中間的03 鉆孔。野外施工中發(fā)現(xiàn)，02、03 鉆孔地層可對比，無明顯斷錯，01鉆孔內(nèi)巖芯發(fā)現(xiàn)斷層，因此，在01 鉆孔兩側(cè)加密施工了04～08 鉆孔，將斷層限定在01～05 鉆孔（圖8）。鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面寬度為71 m，單孔進尺為100～120 m。

圖7 WSA 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面位置Fig. 7 Location map of drilling joint geological profile，WSA

根據(jù)鉆孔地層巖性變化及其層序特征，進行鉆孔間地層對比，可劃分為12 個地層單元，分層及巖性特征如下（圖8）：

圖8 WSA 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面Fig. 8 Drilling joint geological profile, WSA

（1）1 層為淺灰黑色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，上部為人工耕植土；

（2）2 層為灰黃色粉土，無明顯結(jié)構(gòu)，含水量高，為黃河泛濫沉積；

（3）3 層為灰黑色粉砂、細砂，夾薄層灰棕色粉質(zhì)黏土，頂部發(fā)育含碳量高的灰黑色泥炭層；

（4）4 層為灰黑色細砂，深灰色粉砂質(zhì)黏土與淺灰黑色粉細砂組成紋層互層，水平層理發(fā)育，屬于“千層餅”狀海侵事件形成的海相沉積，頂部發(fā)育含碳量高的灰黑色泥炭層；

（5）5 層為灰黃色含礫粗砂，礫石磨圓成次圓狀，該層底部與下部粉質(zhì)黏土呈侵蝕接觸關(guān)系；

（6）6 層為棕黃色、淺灰綠色粉質(zhì)黏土，夾薄層鈣質(zhì)結(jié)核富集的黏土質(zhì)細砂；

（7）7 層為淺棕紅色、灰綠色雜色粉砂質(zhì)黏土，夾黏土質(zhì)砂；

（8）8 層為灰綠色、淺灰綠色粉質(zhì)黏土，夾鈣質(zhì)結(jié)核富集層；

（9）9 層為棕黃色、淺棕褐色、灰綠色雜色粉質(zhì)黏土，底部夾棕褐色細砂、中砂；

（10）10 層為淺灰綠色、棕褐色雜色粉質(zhì)黏土，夾鈣質(zhì)結(jié)核富集層；

（11）11 層為灰綠色、淺灰綠色粉質(zhì)黏土，發(fā)育錳質(zhì)結(jié)核；

（12）12 層為紫紅色、棕紅色、灰綠色黏土，切面光滑。

根據(jù)鉆孔地層巖性記錄及對比分析，識別出4 個標志層：①4 層深灰色粉砂質(zhì)黏土與淺灰黑色粉細砂組成紋層互層，為海侵事件形成的海相沉積層；②4 層全新統(tǒng)灰黑色細砂與5 層上更新統(tǒng)含礫粗砂之間的界面；③下、中更新統(tǒng)灰綠色、棕褐色粉質(zhì)黏土中的砂質(zhì)含量高層、鈣質(zhì)結(jié)核富集層或鈣板層；④新近系紫紅色黏土層頂界。

地層時代的確定主要基于與第四系標準鉆孔地層的對比結(jié)果及鉆孔地層測年數(shù)據(jù)。在WSA 剖面測試碳十四樣品10 件，光釋光樣品11 件，測年結(jié)果如表1 所示。

表1 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面年代樣品測試結(jié)果Table 1 Dating results of chronological samples in the drilling joint geological profiles

WSA 聯(lián)合鉆孔地質(zhì)剖面位于研究區(qū)北部，晚第四紀以來受淮河古河道及海侵事件的影響，與區(qū)內(nèi)第四紀標準地層相比，沉積環(huán)境有所差異，剖面內(nèi)全新世地層的厚度明顯大于標準地層。綜合WSA 剖面地層分析及年代樣品測年結(jié)果，1～3 層為1 套河流相夾湖沼相沉積地層。4 層為海侵事件形成的海相沉積地層，其在01、05、07 鉆孔中底部樣品年代測試結(jié)果約10 000 年，為全新世地層。4 層底界埋深為34～35 m，水平連續(xù)未斷錯。5 層為1 套中粗砂河流相沉積，厚6～7 m，底界埋深約41 m，未被斷錯，其底部光釋光年代樣品測試結(jié)果為74 000 年。6、7 層為灰綠色、深灰色、灰褐色及雜色湖沼相粉質(zhì)黏土沉積，頂部光釋光樣品年代測試結(jié)果約120 000 年，該結(jié)果低估了實際年齡，即6 層年齡老于120 000 年，判定為中更新世晚期地層（圖8）。

根據(jù)WSA 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面中地層對比及地層年代學分析結(jié)果，認為在該剖面中，8 個鉆孔晚更新統(tǒng)底界為40～41 m，水平連續(xù)無落差，晚更新世以來地層未斷錯。在01、04 鉆孔的6 層與10 層中部鉆遇斷面（圖9）。7 層 底界累計垂直位移約13 m，說明最新活動時代為中更新世中晚期。斷層上斷點埋深為41～48 m，活動性質(zhì)為正斷兼具走滑。在斷裂帶兩盤，中更新統(tǒng)底界垂直落差約為18 m，下更新統(tǒng)底界垂直落差＞22 m。粗略估算中更新世期間平均垂直錯動速率為0.028 mm/a。

圖9 WSA 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面巖芯斷面Fig. 9 Pictures of fault plane found in drill cores of drilling joint geological profile, WSA

3.2.2 南陳集鎮(zhèn)東HAB20 剖面探測

在淺層地震勘探ZX03 測線及JM06 測線的基礎(chǔ)上布設(shè)了HAB20 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面（綠線為鉆孔位置，紅線為解譯斷層，黃線為淺層地震測線，衛(wèi)星影像來自Google Earth）（圖10）。首先施工兩端鉆孔01、02，確保橫跨整個斷裂帶，然后采用對折法依次施工鉆孔03～06。鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面總寬度為69 m，單孔進尺為65～70 m。

圖10 HAB20 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面位置Fig. 10 Location map of drilling joint geological profile，HAB20

根據(jù)鉆孔地層巖性及其層序特征，將可進行橫向?qū)Ρ鹊膸r性地層大致劃分為14 個地層單元，分層及其巖性特征如下（圖11）：

（1）1 層為表層耕植土壤，含植物根系；

（2）2 層為灰棕色粉土、粉質(zhì)黏土；

（3）3 層為灰黑色、淺灰黑色、深灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土，水平層理發(fā)育，頂部見螺殼碎片；

（4）4 層為灰褐色、黃褐色粉質(zhì)黏土，總體發(fā)育小粒徑鐵錳質(zhì)結(jié)核；

（5）5 層為紅棕色、灰棕色粉質(zhì)黏土，夾粉砂薄層，局部鈣質(zhì)結(jié)核富集；

（6）6 層為灰褐色、灰棕色粉砂質(zhì)黏土，上部1.5～2.0 m 鈣質(zhì)結(jié)核層；

（7）7 層為黃褐色、灰褐色粉質(zhì)黏土，局部發(fā)育鐵錳質(zhì)結(jié)核層；

（8）8 層為紅棕色、灰棕色粉質(zhì)黏土；

（9）9 層為灰黃褐色黏質(zhì)粉細砂，夾粉質(zhì)黏土，含灰綠色斑紋，發(fā)育水平層理；

（10）10 層為灰綠色、淺灰綠色粉細砂、粉質(zhì)黏土互層，發(fā)育水平層理；

（11）11 層為灰綠色中砂、粗砂；

（12）12 層為灰綠色、黃褐色、紅褐色雜色粉質(zhì)黏土，鈣質(zhì)結(jié)核富集；

（13）13 層為黃褐色、紅褐色粉質(zhì)黏土，發(fā)育鐵錳質(zhì)與鈣質(zhì)結(jié)核；

（14）14 層為灰綠色、灰白色粉質(zhì)黏土。

根據(jù)巖芯分層及巖性對比分析結(jié)果，識別了5 個標志層：①全新統(tǒng)底部淺灰黑色粉砂，與上更新統(tǒng)淺灰黃色粉質(zhì)黏土之間的清晰界面；②上更新統(tǒng)底灰黃色粉質(zhì)黏土與中更新統(tǒng)頂部淺棕紅色粉質(zhì)黏土、粉砂之間的清晰界面；③中更新統(tǒng)中部棕黃色粉質(zhì)黏土與下部砂質(zhì)含量較高的淺棕褐色粉質(zhì)黏土之間的分界；④中更新統(tǒng)底淺棕褐色粉質(zhì)黏土與下更新統(tǒng)頂部灰白色、淺灰綠色粉質(zhì)黏土之間的分界；⑤下更新統(tǒng)上部灰綠色中砂與下部淺黃褐色、棕褐色粉質(zhì)黏土之間的分界。

HAB20 聯(lián)合鉆孔地質(zhì)剖面位于研究區(qū)中南部，鄰近高堰南全新統(tǒng)缺失區(qū)，晚更新世以來的沉積厚度稍薄于區(qū)內(nèi)標準地層。在剖面內(nèi)測試碳十四樣品3 件，光釋光樣品7 件，用于約束地層時代（表1）。綜合地層對比分析及年代樣品測年結(jié)果，2、3 層為陸相湖沼相沉積，3 層頂部年代距今約2 000 年，為全新世晚期沉積。4～6 層為河流相沉積，夾薄層湖濱相沉積，光釋光年代測試結(jié)果為距今70 000～100 000 年，為晚更新世早期沉積地層。剖面中缺失晚更新世晚期至全新世早期地層。5 層底界埋深16～17 m，地層水平連續(xù)未斷錯。6 層底與7 層頂呈侵蝕接觸關(guān)系，7 層頂表現(xiàn)為緩坡狀古地形面，結(jié)合考慮7 層底界在剖面中埋深基本為24.5～25.5 m，5 層底與6 層頂之間的緩坡屬于沉積界面。7～9 層為1 套湖相沉積夾薄層河流相沉積，時代為中更新世。

對比上述5 個標志層及地層界線，8～14 層在、03～06 鉆孔之間存在階梯式的垂直落差，其中9 層底（早、中更新世地層界限）、12 層底（第四系地層底界）在4 個鉆孔中累計垂直落差為12、17 m，劃分了3 條斷層，11、12 層在02、05 鉆孔之間的累計垂直落差為7 m，劃分了1 條斷層（圖11）。位于04、05 鉆孔之間的3 條斷層向上斷至中更新統(tǒng)中部的8 層頂部，上斷點埋深約為25 m，另在02、05 鉆孔之間的1 條斷層可能斷至下更新統(tǒng)上部。中更新統(tǒng)上部至全新統(tǒng)地層連續(xù)可對比，未斷錯。斷層帶兩盤下更新統(tǒng)底界（10 層頂）垂直斷距為24 m，中更新統(tǒng)底界（9 層底）垂直斷距約12 m，中更新世中部（8 層底）垂直斷距為7.0 m。粗略估算早更新世期間平均垂直錯動速率為0.007 mm/a，中更新世期間平均垂直錯動速率為0.018 mm/a。

圖11 HAB20 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面Fig. 11 Drilling joint geological profile, HAB20

4 討論

4.1 淺層地震勘探測線布設(shè)

在開展淮陰-響水斷裂、洪澤-溝墩斷裂和無錫-宿遷斷裂等區(qū)域性斷裂控制性淺層地震勘探工作中，采用了統(tǒng)一設(shè)計淺層地震測線、一次完成施工的方式。測線布設(shè)主要依據(jù)是江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院2009 年完成的淮安市幅1∶25 萬基巖地質(zhì)圖，對比了研究區(qū)附近石油物探資料，斷裂位置差別較小。從探測結(jié)果來看（圖2），斷層實際位置與地質(zhì)圖偏離了500～1 000 m，斷層走向基本一致。因此，4 km 長的控制性測線基本能夠控制主斷層位置。但2 組以上斷裂交匯處，斷裂幾何結(jié)構(gòu)變的較復(fù)雜，淺層地震勘探測線宜加長或加密。如本次針對無錫-宿遷斷裂的L2-1、L2-2 測線，基本以基巖地質(zhì)圖中斷層為中心點布設(shè)，其中L2-1 測線長12.2 km，L2-2 測線長7.3 km，前者探測到了無錫-宿遷斷裂2 條規(guī)模大致相當?shù)姆种嗔袴2-1、F2-2，后者僅探測到了其西支斷裂F2-1。

針對新發(fā)現(xiàn)的倪湖莊-七里墩斷裂，從已知點向外逐次探測，完成上一條測線的設(shè)計、施工與解譯工作后，根據(jù)所有已知點的展布情況，布設(shè)下一條測線。從最終探測結(jié)果來看（圖2），倪湖莊-七里墩斷裂在與其他斷裂相交的地段，走向變化大，測線間距不宜過大。如斷裂北端為南南東走向，向南與淮陰-響水斷裂交匯處轉(zhuǎn)為近南北走向，繼續(xù)向南與無錫-宿遷斷裂交匯處轉(zhuǎn)為南南西走向。在洪澤-溝墩斷裂和無錫-宿遷斷裂之間，該斷裂不受其他構(gòu)造的干擾，估計走向較穩(wěn)定，因此加大了測線ZX03、JM05 與ZX05 的間距，揭示斷裂南段表現(xiàn)為近南北走向的線性特征。

4.2 淺層地震勘探與鉆孔聯(lián)合剖面探測結(jié)果比較

對比鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面與相應(yīng)的淺層地震時間剖面可發(fā)現(xiàn)，HAB20 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面斷層位置與地震剖面解譯位置基本吻合，均位于鉆孔04、05 之間（圖10、圖11）。相比之下，WSA 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面與地震剖面解譯位置中斷層位置有明顯的差異，前者位于鉆孔01～05 之間，后者位于鉆孔03、04 之間，斷裂帶西支、東支分別向上盤方向偏離了5、15 m（圖7、圖8）。

對2 處淺層地震時間剖面進行比較，可發(fā)現(xiàn)100 ms 以上反射信號豐富程度差別較大。地震勘探測線ZX03 與JM06 均有多個反射波組，能量強，連續(xù)性好，跨斷層位錯變形明顯，因此斷層位置較易確定（圖5、圖6）。而斷裂北段無論是4 m 道間距的L1-2 測線（圖3）還是2 m 道間距的JX02 測線（圖4），100 ms以上反射波組不發(fā)育，能量弱，連續(xù)性差，斷層位置不確定性大。對于同套震源、接收系統(tǒng)與處理流程，反射信號差的原因主要是場地條件不同。斷裂北段位于黃泛區(qū)與淮河古河道地帶，黃泛沉積厚16 m，全新統(tǒng)底界埋深達35 m（圖8）。沉積物主要為粉土、砂與粉砂質(zhì)黏土，結(jié)構(gòu)松散，成層性差，對地震波能量吸收強。相比之下，斷裂南段全新統(tǒng)僅有8 m 厚（圖11），場地土層結(jié)構(gòu)硬實，成層性好，對地震波能量吸收弱，適于開展淺層地震勘探。

因此，基于地震時間剖面布設(shè)鉆孔位置時，需找到斷層兩盤最淺的連續(xù)未變形波組，據(jù)此確定鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面兩端的孔位。沿ZX06 測線，HAB20 剖面中01、02 鉆孔橫跨了連續(xù)反射波組的變形帶（圖10），這是合理的，并得到了驗證（圖11）。沿L1-2 測線，斷層上盤最淺的連續(xù)反射波組大致位于150 ms（圖7），其與斷層相交的位置在CDP 1 100 附近，大致為WSA-08 鉆孔位置；而斷層下盤最淺的連續(xù)反射波組大致位于100 ms，其與斷層相交的位置在CDP 1 125 附近，大致為WSA-03 鉆孔位置。因此，在布設(shè)兩端的孔位時，為跨過整個斷裂帶，又不至于過寬，并考慮到斷層傾向及上段點延伸方向，斷層下盤孔位宜在02、03 鉆孔之間，斷層上盤孔位宜在07 鉆孔附近。

另外，淺層地震勘探測線L1-2 可分辨斷層上斷點埋深為56 m，對應(yīng)鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面WSA 揭示上斷點埋深為41～48 m；淺層地震勘探測線ZX03 與JM06 可分辨斷層上斷點埋深為47～48 m，對應(yīng)鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面HAB20 揭示上斷點埋深為25～30 m。據(jù)此得到斷層上斷點的實際埋深淺于解譯埋深15～20 m。因此依據(jù)淺層地震時間剖面進行鉆探設(shè)計時，需考慮到解譯上斷點與實際上斷點的埋深差異，合理布設(shè)孔位與進尺，確保兩端鉆孔能夠跨過斷層變形帶。

4.3 不同鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面之間的地層相變

WSA 與HAB20 鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面水平距離約10.6 km，揭示晚第四紀地層沉積厚度與巖相存在明顯差異。

WSA 剖面全新統(tǒng)厚度達35 m，上更新統(tǒng)底界埋深41～42 m（圖8）；而HAB20 剖面全新統(tǒng)厚度僅約9 m，上更新統(tǒng)底界埋深18～19 m（圖11）。2 個地點雖均位于淮河中下游沖積平原，但其晚第四紀沉積厚度相差2 倍。WSA 剖面位于淮河古河道地帶，地表海拔高度為12.4 m，晚第四紀沉積受淮河與黃河影響，為典型的河流相粗粒沉積，其中上更新統(tǒng)為灰黃色含礫粗砂、中砂，全新統(tǒng)為灰黑色含礫粗砂、中砂，灰黑色細砂，灰黃色粉細砂，上覆灰黃色黃泛粉土。HAB20 剖面位于淮河南岸泛濫平原地區(qū)，地表海拔高度為19.2 m，晚第四紀沉積主要為湖沼相沉積和濱湖相細粒沉積，其中上更新統(tǒng)為黃褐色、紅棕色粉質(zhì)黏土，全新統(tǒng)沉積為灰黑色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。HAB20 剖面地表高出WSA 剖面約6.8 m，但無法通過高程差異解釋2個地點的晚第四紀沉積厚度差異，海平面變化對淮河下游地表過程的影響可能是主要原因。受末次冰期鼎盛期低海平面影響，淮河河床下切；冰后期海平面回升，河床發(fā)生加積，沿WSA 剖面所在的古河道地帶發(fā)育了厚層全新統(tǒng)沉積。因此，在鄰海的沖積平原區(qū)開展第四系劃分與鉆孔地層對比時，需開展沉積相與古地理分析，關(guān)注局部地貌與海平面的影響。

5 結(jié)論

在區(qū)域地質(zhì)資料分析的基礎(chǔ)上，通過淺層地震勘探技術(shù)，查明了淮安市區(qū)附近隱伏斷裂的基本格局，并結(jié)合鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測與第四紀年代學測試確定了新發(fā)現(xiàn)的倪湖莊-七里墩斷裂的最新活動時代及活動特征，得出以下結(jié)論：

（1）倪湖莊-七里墩斷裂為近南北走向、傾向西的高角度正斷層，斷層傾角72°～82°，探測斷裂長度為43 km。淺層地震勘探揭示斷面具有近直立或呈S 形的上下反傾特點，指示斷層具有走滑性質(zhì)。該斷裂錯斷了北東走向淮陰-響水斷裂與北西走向無錫-宿遷斷裂，最新活動時代為中更新世中晚期，垂直斷錯下更新統(tǒng)底界約24 m，垂直斷錯中更新統(tǒng)底界12～18 m，據(jù)此估算斷裂平均垂直錯動速率在早更新世期間為0.007 mm/a，在中更新世期間為0.019～0.028 mm/a。

（2）對于有一定工作基礎(chǔ)、幾何結(jié)構(gòu)簡單的已知區(qū)域性隱伏斷裂，控制性淺層地震勘探可參照1∶25萬或更大比例尺的基巖地質(zhì)圖或石油物探成果圖，采用統(tǒng)一設(shè)計淺層地震測線、一次完成施工的方式。但針對新發(fā)現(xiàn)隱伏斷裂，宜采用從已知點向外逐次探測的方式，完成上一條測線的設(shè)計、施工與解譯后，根據(jù)所有已知點的展布情況，布設(shè)下一條測線。在斷裂交匯地段，斷層走向變化大，幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，淺層地震測線間距不宜過大。

（3）基于地震時間剖面布設(shè)鉆孔位置時，需依據(jù)斷層兩盤最淺的連續(xù)未變形波組，確定鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面兩端的孔位，同時考慮到解譯上斷點與實際上斷點的埋深差異，結(jié)合斷層傾向及上段點延伸方向，合理布設(shè)孔位與進尺，確保兩端鉆孔既能夠跨過斷層變形帶，又不至于過寬，避免增加不必要的工作量。

（4）河流下游開展鉆孔聯(lián)合地質(zhì)剖面探測與地層對比時，需充分考慮局部地貌條件差異與第四紀海平面對陸域地表過程的影響。