盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂第四紀(jì)活動(dòng)性分段特征1

郁軍建 張 揚(yáng) 孫 印 張 哲

1）河南省地震局, 鄭州450016

2）中國(guó)地震局地質(zhì)研究所, 北京100029

3）中國(guó)地震局地球物理勘探中心, 鄭州450002

引言

盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂位于一條重要的巖石圈構(gòu)造帶（鄧起東等，1980；張培震，1999）、布格重力異常梯度帶和航磁正負(fù)異常分界帶上（劉堯興等，2001），其西起太行山南麓克井盆地以西的山區(qū)，向東經(jīng)交地、盤谷寺、河口、仙神口、柏山，進(jìn)入平原地區(qū)后呈隱伏狀態(tài)，過(guò)朱村，再向東延伸，直至新鄉(xiāng)市郎公廟，全長(zhǎng)約200 km。劉堯興等（2001）根據(jù)野外地質(zhì)及地球物理資料，大致以柏山、高村為界，將該斷裂分為西、中、東3 段。物探資料顯示，盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂以大高村為樞紐點(diǎn)，西段、中段斷層南傾，控制濟(jì)源盆地北邊界；東段斷層北傾，為武陟隆起和修武凹陷的分界斷裂（鄧小娟等，2018）。物探資料揭示的剖面上，斷裂呈負(fù)花狀構(gòu)造特征，具有走滑兼具正斷性質(zhì)。向東延伸的新鄉(xiāng)-商丘斷裂亦是北華北和南華北地塊重要的邊界斷裂（張培震，1999；張?jiān)罉虻龋?003a），明顯分割了其兩側(cè)不同優(yōu)勢(shì)方位的構(gòu)造線發(fā)育，斷裂以北區(qū)域構(gòu)造線呈NE-NNE 向，以右旋走滑運(yùn)動(dòng)為主，斷裂以南區(qū)域構(gòu)造線整體呈NW-NWW 向，以左旋走滑運(yùn)動(dòng)為主（張?jiān)罉虻龋?003a；張揚(yáng)等，2021）。在盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂附近，曾發(fā)生1587 年修武東5.5 級(jí)地震和修武東6.0 級(jí)地震、1979 年修武4.0 級(jí)地震、1989 年修武3.5 級(jí)地震和2009 年修武3.6 級(jí)地震，這些地震可能與盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂及其北側(cè)的鳳凰嶺斷裂的活動(dòng)有關(guān)。為研究盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂的第四紀(jì)活動(dòng)性，河南省地震局依托河南省構(gòu)造探查項(xiàng)目在盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂中、東段開展了大量淺層人工地震勘探，在綜合對(duì)比分析臨近鉆孔地層年代劃分和石油物探剖面資料基礎(chǔ)上，本文對(duì)盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂的空間分布、最新活動(dòng)時(shí)代、分段性特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為該地區(qū)地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ)資料和重要依據(jù)。

1 區(qū)域地震地質(zhì)特征

研究區(qū)位于太行山南麓與華北平原過(guò)渡地帶的豫中差異沉降區(qū)，大地構(gòu)造上屬于華北地臺(tái)，其結(jié)晶基底為太古宙-古元古代變質(zhì)巖系，之上堆積中、新元古代、古生代沉積蓋層，新生代發(fā)生裂陷作用，發(fā)育伸展構(gòu)造，局部地區(qū)沉積厚度達(dá)數(shù)千米2河南省地質(zhì)礦產(chǎn)局編. 1985. 河南省區(qū)域地質(zhì)志.（圖1）。研究區(qū)西北部為太行山隆起區(qū)，以盤谷寺-新鄉(xiāng)-商丘斷裂為界，東北部為湯陰地塹和內(nèi)黃凸起，南部為濟(jì)源-開封凹陷。區(qū)內(nèi)主要控制凹凸格局、盆地沉積與剝蝕的斷層為盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂、鳳凰嶺斷裂、武陟斷裂等（圖2），在盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂與武陟斷裂之間發(fā)育次級(jí)的武陟凸起，北部鳳凰嶺斷裂間發(fā)育次級(jí)的修武凹陷。新構(gòu)造時(shí)期，研究區(qū)整體屬于沉降狀態(tài)，古近系和新近系沉積厚度大于600 m，第四紀(jì)沉積厚度0～200 m，離太行山南麓越遠(yuǎn)，沉積厚度越大。

圖1 區(qū)域構(gòu)造單元?jiǎng)澐趾?jiǎn)圖Fig. 1 Schematic diagram of the division of regional tectonic units

圖2 研究區(qū)實(shí)際材料圖Fig. 2 The actual material map of the study area

2 盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂典型剖面特征

2.1 西段

盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂西段位于柏山以西，斷層面傾向南，傾角60°～70°（圖3）；斷裂在盆山邊界斷續(xù)出露，北盤為太古界、古生界上升盤，南盤為濟(jì)源新生代斷陷盆地下降盤，兩盤落差由西向東逐漸減小，最大落差可達(dá)1 500 m（劉堯興等，2001）。盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂西段斷層地貌特征明顯，自西向東依次發(fā)育深切侵蝕溝、斷層三角面和侵蝕殘丘等，出露的斷面上發(fā)育近水平的擦痕和反階步，營(yíng)北地至蟒河口多數(shù)南北流向河道在經(jīng)過(guò)斷裂處一致出現(xiàn)左旋拐彎，以及洪積扇中心線的左右不對(duì)稱發(fā)育等現(xiàn)象，均指示斷裂的水平左旋錯(cuò)動(dòng)特征（荊智國(guó)等，2000；劉堯興等，2001；張?jiān)罉虻龋?003b）。

圖3 西段深地震層析剖面解譯圖3中國(guó)地震局地球物理勘探中心鄭州基礎(chǔ)工程勘察研究院. 2015. 焦作市活動(dòng)斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)技術(shù)報(bào)告.Fig. 3 Interpretation map of deep seismic tomography profile in the western segment

在活動(dòng)時(shí)代方面，八一水庫(kù)溢洪道剖面上斷層下盤為下古生界泥灰?guī)r，斷層破碎帶內(nèi)為強(qiáng)擠壓變形的泥質(zhì)頁(yè)巖和石英砂巖，斷層上盤被錯(cuò)斷，地層下部為上新世紅土夾礫石層，上部為中更新世黃土，斷層未見(jiàn)錯(cuò)動(dòng)上覆的晚更新世沖洪積礫石層（圖4），指示其最新活動(dòng)時(shí)代最早為中更新世（劉堯興等，2001）。

圖4 八一水庫(kù)溢洪道地質(zhì)剖面（劉堯興等，2001）Fig. 4 The geological profile of the spillway of Bayi reservoir（Liu et al, 2001）

2.2 中段

本文收集了焦作市活動(dòng)斷層探測(cè)有關(guān)盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂中段（柏山-高村段）的4 條物探剖面（圖5）和1 個(gè)地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)鉆孔，并選取中段PL2 物探剖面（圖6）進(jìn)行分析。

圖5 盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂中段地震剖面立體展示Fig. 5 Stereoscopic display of seismic profile in the middle section of Pangusi-Xinxiang fault

圖6 盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂中段典型地震剖面（PL2）Fig. 6 Typical seismic profile of the middle section of the Pangusi-Xinxiang fault（PL2）

PL2 時(shí)間剖面揭示的反射震相比較豐富，反射能量較強(qiáng)，整個(gè)剖面地層特征較為明顯。在雙程走時(shí)1 000 ms 以上共解譯了8 組特征明顯的反射層，分別標(biāo)識(shí)為T01、T02、Q、TQ、T1、N、T2、TN，其中TQ和TN分別解譯為第四紀(jì)和新近紀(jì)地層的底界。從PL2 時(shí)間剖面中各地層反射的橫向連續(xù)性看，F(xiàn)P2-1地層南傾，其可分辨上斷點(diǎn)在錯(cuò)斷T02界面后繼續(xù)向上延展，T01以下反射波表現(xiàn)出明顯的同相軸扭曲、牽引拖曳、錯(cuò)斷現(xiàn)象，具有明顯的正斷性質(zhì)。剖面上可分辨的上斷點(diǎn)深度為65～70 m（本文時(shí)深關(guān)系轉(zhuǎn)換均采用ZK3 垂直地震剖面測(cè)井解譯結(jié)果），在該深度的垂直斷距為3～5 m。

2.3 東段

為厘定盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂東段最新活動(dòng)時(shí)代，在石油地震探測(cè)剖面基礎(chǔ)上，河南省構(gòu)造探查項(xiàng)目、焦作市活動(dòng)斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)項(xiàng)目、新鄉(xiāng)市活動(dòng)斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)項(xiàng)目在東段部設(shè)多條物探剖面（圖7）。本文收集并系統(tǒng)分析其中10 條淺層地震勘探剖面和2 個(gè)地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)孔資料，并選取中段3 條典型物探剖面進(jìn)行分析。

圖7 盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂東段淺層地震剖面立體展示Fig. 7 Stereoscopic display of seismic profile in the eastern segment of Pangusi-Xinxiang faultult

PL7、PL11 時(shí)間剖面揭示的反射震相比較豐富，整個(gè)剖面地層特征較為明顯（圖8、圖9）。在雙程走時(shí)1 000 ms 以上共解譯了4 組特征明顯的地層反射，分別標(biāo)識(shí)為T01、TQ、T1、TN，其中T01為中、晚更新世的界線，TQ和TN分別解譯為第四紀(jì)和新近紀(jì)的底界。表1 為盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂地震側(cè)線參數(shù)，由表中統(tǒng)計(jì)的地震時(shí)間剖面PL8 和典型時(shí)間剖面PL12 中各地層反射的橫向連續(xù)性看，盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂東段北傾，其可分辨上斷點(diǎn)在錯(cuò)斷T01界面后繼續(xù)向上延展，剖面上可分辨的上斷點(diǎn)深度為64～80 m，在該深度的垂直斷距約為2～20 m。

表1 收集地震測(cè)線斷層參數(shù)Table 1 Collected seismic line fault parameters

圖8 盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂東段典型地震剖面（PL7）Fig. 8 Typical seismic profile of the eastern segment of the Pangusi-Xinxiang fault（PL7）

圖9 盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂東段典型地震剖面（PL11）Fig. 9 Typical seismic profile of the eastern segment of the Pangusi-Xinxiang fault（PL11）

盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂東段東部的PL14 時(shí)間剖面同樣揭示了上盤下部地層加厚，上部地層減薄，時(shí)間剖面上可分辨的上斷點(diǎn)深度為190～200 m（圖10）。

圖10 盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂東段典型地震剖面（PL14）Fig. 10 Typical seismic profile of the eastern segment of the Pangusi-Xinxiang fault（PL14）

3 地層年代對(duì)比分析及斷裂第四紀(jì)活動(dòng)性特征

3.1 第四紀(jì)地層特征與時(shí)深關(guān)系

3 個(gè)地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)孔ZK1（深度162 m）、ZK2（深度200.57 m）、ZK3（深度195 m）第四紀(jì)地層特征如表2 所示。

表2 3 個(gè)地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)孔地層劃分深度與厚度數(shù)據(jù)表Table 2 Data sheet of ground layer division depth and thickness of three geological standard holes

3.2 盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂第四紀(jì)活動(dòng)性

根據(jù)斷層出露的剖面特征，盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂西段最新活動(dòng)時(shí)代為中更新世，活動(dòng)性質(zhì)正斷，具有左旋走滑特征。荊智國(guó)等（2000）對(duì)仙神河古河道、階地的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，向盆地方向遷移的次級(jí)斷裂在全新世仍有活動(dòng)，表明盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂西段在中更新世以后逐步向濟(jì)源盆地遷移發(fā)育。中段最新活動(dòng)時(shí)代為晚更新世早期，為南傾正斷層，兼具左旋走滑特征。東段最新活動(dòng)時(shí)代為晚更新世早期，從地震測(cè)線分布圖（圖2、圖5、圖7）和斷層參數(shù)表可以看出，東段的活動(dòng)性從中間到兩端逐漸降低；其活動(dòng)特征稍復(fù)雜，自新近紀(jì)以來(lái)經(jīng)歷了正斷-走滑的運(yùn)動(dòng)過(guò)程演變，廣泛發(fā)育的背形上拱正花狀構(gòu)造，指示其壓扭走滑性質(zhì)；盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂東段均北傾，傾角向東逐漸變陡，尾端近于直立。

4 斷裂特征

4.1 盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂運(yùn)動(dòng)特征

鑒于中、東段斷層傾向變化、斷裂活動(dòng)期次復(fù)雜，筆者認(rèn)為有必要細(xì)致剖析中東段的樞紐運(yùn)動(dòng)特征，進(jìn)而幫助認(rèn)識(shí)該斷裂的地震危險(xiǎn)性。

（1）盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂中段煤田鉆探表明，主干斷裂南北兩側(cè)落差超過(guò)600 m，在朱村一帶基巖斷距達(dá)1 000 m以上（劉堯興等，2001），該段斷裂在中生代表現(xiàn)為逆沖性質(zhì)，新生代為拉張性質(zhì)，斷層位移自西（王褚）向東（高村）樞紐點(diǎn)附近逐漸減小。

（2）盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂東段在物探時(shí)間剖面上普遍發(fā)育明顯的背形上拱花狀構(gòu)造，發(fā)育的次級(jí)斷裂下陡上緩，屬正花壓扭性質(zhì)，斷裂的正逆演化過(guò)程如下：

新近紀(jì)，斷裂表現(xiàn)為正斷拉張性質(zhì)，拉張速率逐漸下降，主要表現(xiàn)為：①典型剖面新近紀(jì)地層有明顯加厚的現(xiàn)象，但向上加厚程度逐漸降低；②斷層下盤同相軸扭曲、牽引、錯(cuò)斷的現(xiàn)象明顯。

早更新世初期-晚更新世，斷裂表現(xiàn)為逆沖性質(zhì)，主要表現(xiàn)為：①物探時(shí)間剖面的斷裂上盤，新近紀(jì)地層發(fā)育顯著背斜；②斷層上盤新近紀(jì)地層、第四紀(jì)底部界線同步向上錯(cuò)斷；③物探時(shí)間剖面早中更新世地層一致減薄。推測(cè)正花壓扭構(gòu)造的發(fā)育時(shí)期，即走滑運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈期在此階段。

圖11 ZK3 垂直地震測(cè)深（VSP）測(cè)井解譯Fig. 11 ZK3 VSP logging interpretation

4.2 區(qū)域構(gòu)造動(dòng)力學(xué)特征

中新世-上新世，華北斷陷盆地發(fā)生區(qū)域熱沉降，山西地塹和華北斷陷盆地快速形成和發(fā)展，研究區(qū)經(jīng)歷了從NE-SW 到NW-SE 方向的張引力應(yīng)力轉(zhuǎn)換（張?jiān)罉虻龋?003a）。新生代以后，隨著青藏高原劇烈隆升導(dǎo)致華南板塊SEE 方向側(cè)向擠出，南華北斷層表現(xiàn)為左旋走滑的緩沖調(diào)節(jié)性質(zhì)。盤谷寺-新鄉(xiāng)-商丘斷裂作為南、北華北的分界線，筆者推測(cè)其不連續(xù)發(fā)育，在走滑斷裂的不同部位形成了 “拉分區(qū)”和“擠壓隆起區(qū)”（鄧起東等，2014）。武陟隆起所處的核部可能是盤谷寺-新鄉(xiāng)中段向SE 延伸的武陟斷裂和盤谷寺-新鄉(xiāng)東段的擠壓階區(qū)所在，不存在所謂的斷層傾向反轉(zhuǎn)（鄧小娟等，2018）。

盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂中段的斷層位移自西（王褚）向東（高村）樞紐點(diǎn)附近逐漸減小，東段PL5～PL14 物探剖面顯示的斷層位移自東向西逐漸減小，反映出盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂中東段在高村樞紐點(diǎn)出現(xiàn)的斷層位移虧損和衰減，在該擠壓階區(qū)附近易形成與之相應(yīng)的擠壓型地震。

5 結(jié)論

（1）盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂的活動(dòng)具有明顯的分段性。東段最新活動(dòng)時(shí)代為晚更新世早期，在該段內(nèi)，斷裂的垂直斷距從中間向兩端逐漸減?。恢卸巫钚禄顒?dòng)時(shí)代為晚更新世早期；西段最新活動(dòng)時(shí)代為中更新世，斷裂向盆地內(nèi)部遷移發(fā)育。

（2）盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂東段經(jīng)歷了正斷-逆斷-正斷的演變。新近紀(jì)為正斷，且正斷拉張速率逐漸減小；早更新世初至晚更新世，為逆走滑性質(zhì)；晚更新世以來(lái)，以左旋走滑為主，推測(cè)仍具有一定的拉張正斷活動(dòng)。

（3）高村所處的武陟隆起區(qū)域推測(cè)為盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂中、東段的擠壓階區(qū)，斷層位移在此處有虧損和衰減。

致謝 本研究使用了中國(guó)地震局地球物理勘探中心焦作、新鄉(xiāng)城市活動(dòng)斷層探測(cè)資料，在此表示感謝。