主動源深地震剖面揭示河南地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)特征

馬策軍 田曉峰 王帥軍 劉寶峰 宋向輝,2 宋佳佳

1 中國地震局地球物理勘探中心,鄭州市文化路75號,450002 2 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與資源學(xué)院,北京市學(xué)院路29號,100083

河南省地處華北與華南地震帶的過渡區(qū),公元前 1767年以來共記錄到M≥4.7破壞性地震144次[1]。河南省內(nèi)存在多個地震斷裂帶,如太行山山前斷裂帶、秦嶺斷裂帶等。省內(nèi)某些地區(qū)小震活動頻繁,如聊蘭斷裂附近的濮陽-范縣地區(qū)[2]。

前人對河南地震區(qū)深部地殼結(jié)構(gòu)開展了大量研究,取得一定的認識[3-7],但多是利用單一的二維深地震測深剖面揭示局部的地殼結(jié)構(gòu)特征,對河南省整體的地殼結(jié)構(gòu)特征與地震構(gòu)造背景缺乏系統(tǒng)性的總結(jié)。本文回顧了河南省及鄰區(qū)已經(jīng)開展的主動源探測工作,對主動源地震資料揭示的地殼速度結(jié)構(gòu)特征等進行歸納,對于揭示河南省地震構(gòu)造背景具有重要意義。

1 河南地區(qū)構(gòu)造背景及主動源深地震探測情況

1.1 河南地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景

河南省地跨華北塊體與秦嶺褶皺帶2個大地構(gòu)造單元,大致以欒川-確山-固始斷裂(F1)為界,北部為華北地塊,南部為NWW向的秦嶺-大別褶皺帶(圖1)。華北地塊的蓋層構(gòu)造主要是新生代華北盆地,以NWW-SEE走向的盤古寺-新鄉(xiāng)-商丘斷裂帶(F3)為界,北部為大渤海灣盆地(北華北盆地),呈不規(guī)則菱形狀,南部為南華北盆地,呈不規(guī)則三角形[8]。秦嶺-大別褶皺帶屬于東秦嶺造山帶,一般以商丹-桐柏-商城斷裂帶為界分為南北秦嶺(F2)。

F1:欒川-確山-固始斷裂帶;F2:商丹-桐柏-商城斷裂帶;F3:盤古寺-新鄉(xiāng)-商丘斷裂帶;F4:湯東斷裂帶圖1 河南省及鄰區(qū)地震構(gòu)造圖Fig.1 Earthquake tectonic map of Henan province and its adjacent region

1.2 主動源深地震探測概況

20世紀(jì)70年代河南省地殼結(jié)構(gòu)探測工程通過礦山爆破的方法來獲取地殼結(jié)構(gòu),以“隨州爆破”爆破點為中心,布設(shè)的隨縣-安陽剖面和隨縣-西安剖面穿過或部分穿過河南省境內(nèi),但是由于爆破點較少,無法構(gòu)成完整的相遇、追逐、多重觀測系統(tǒng),而且觀測點距較大,因此其解釋方法和結(jié)果略顯粗糙[9]。80年代開始,河南省及周邊地區(qū)開展了一系列觀測系統(tǒng)完善的深地震測深野外觀測,測線主要集中在河南省內(nèi)的地震危險區(qū)(圖2),測線施工參數(shù)見表1。

表1 河南地區(qū)主動源地震測深測線統(tǒng)計

圖2 河南地區(qū)主動源地震測深線位置Fig.2 Location of deep seismic sounding lines in Henan region

2 河南地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)特征

2.1 北華北盆地

穿過北華北盆地的測線主要有菏澤-林縣-長治、鄭州-濟南、林縣-平邑、諸城-宜川等,這些測線大多以NNW或近EW走向穿過河南省北部的湯陰地塹、濮陽凹陷等構(gòu)造單元和林縣微震區(qū)等地震危險區(qū)。

該區(qū)域的二維速度結(jié)構(gòu)模型[10]顯示(圖3),深淺部構(gòu)造存在明顯的鏡像對稱關(guān)系,隆起區(qū)的莫霍面下凹,安陽與清豐之間莫霍面下凹最深可達37 km,凹陷區(qū)莫霍面隆起,深度33 km左右。聊蘭斷裂深部莫霍面上隆明顯,上地殼呈塊斷下陷,表明聊蘭斷裂可能已經(jīng)切割到下地殼,是巖石圈運動的產(chǎn)物[11-12]。湯陰地塹與濮陽凹陷的中下地殼內(nèi)存在不同尺度的低速體,反映了上地幔熱物質(zhì)的侵入,且莫霍界面不再是一個尖銳的間斷面,而是一個復(fù)雜的過渡帶[13],表明該地區(qū)莫霍面受到軟流圈上涌的影響,底侵或熱侵蝕作用是該地區(qū)巖石圈被破壞的主導(dǎo)因素[14]。

圖3 北華北地區(qū)典型剖面(菏澤-長治)的二維地殼速度結(jié)構(gòu)[10]Fig.3 2-D crustal velocity structure of typical profile(Heze-Changzhi) in north area of north China[10]

2.2 南華北盆地

穿過南華北盆地的測線有隨縣-安陽、襄城-菏澤-章丘、鄭州-濟南、鄭州-臨汾-靖邊、鄭州-靈璧等,這些測線走向較為零亂,主要穿過開封坳陷等構(gòu)造單元和平頂山等地震危險區(qū)。

該區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)分為上中下3層(圖4),主要特征為:1)鄭州、開封等地區(qū)沉積層較厚,莫霍面顯著隆升,埋深30 km左右,與淺部的開封坳陷呈鏡像對稱;2)坳陷區(qū)中下地殼存在顯著的低速層,最低速度僅為6.4 km/s,地殼平均速度較低;3)坳陷區(qū)莫霍面之上為一強梯度層,速度為7.0～7.4 km/s左右,上地幔頂部速度為7.95～8.05 km/s,較隆起區(qū)的速度(8.00～8.10 km/s)低,速度梯度也相對較弱;4)太康、尉氏等下方上地幔頂部速度偏高,速度梯度急劇增大,該特征可能與上地幔高密度物質(zhì)的上涌有關(guān)。

圖4 南華北地區(qū)典型剖面(鄭州-濟南)的二維地殼速度結(jié)構(gòu)[10]Fig.4 2-D crustal velocity structure of typical profile(Zhengzhou-Ji’nan) in south area of north China[10]

南華北盆地與北華北盆地具有相似的地殼結(jié)構(gòu)分層特征,都分為上中下3層,深淺構(gòu)造呈鏡像對稱,中下地殼都發(fā)育殼內(nèi)低速體。區(qū)別在于北華北地區(qū)上地幔頂部為一近似均勻的速度層,而南華北地區(qū)的上地幔頂部速度偏高,可能存在地幔物質(zhì)上涌底侵而形成的高速薄層。

2.3 秦嶺-大別造山帶

穿過秦嶺-大別造山帶的地震測深測線較少,包括隨縣-安陽、隨縣-西安、伊川-十堰(QB1)以及固始-團風(fēng)等。

伊川-十堰(QB-1)剖面揭示的東秦嶺造山帶地殼結(jié)構(gòu)[15](圖5)與穿過大別山的固始-團風(fēng)以及莊墓-張公渡深地震測深剖面顯示的地殼結(jié)構(gòu)較為一致[16-17]。在秦嶺-大別造山帶下方,地殼速度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為顯著的高速穹隆構(gòu)造,其翼部中上地殼發(fā)育速度為5.8～6.1 km/s左右的殼內(nèi)低速體,橫向速度變化極其劇烈。地殼厚度從北部南華北盆地的34 km左右至秦嶺-大別造山帶下方突然加大,莫霍面存在明顯的錯斷,可能是揚子板塊向北俯沖留下的痕跡[17]。莫霍界面連續(xù)性較差,存在波狀起伏以及突然的錯斷。整個秦嶺-大別造山帶地殼厚度并未明顯增大,不存在所謂的山根[18]。

圖5 秦嶺-大別造山帶典型剖面(伊川-十堰(QB-1))的二維地殼速度結(jié)構(gòu)[15]Fig.5 2-D crustal velocity structure of typical profile(Yichuan-Shiyan (QB-1)) of Qinling-Dabie orogenic belt[15]

穿過秦嶺褶皺帶的深反射剖面葉縣-鄧州-南漳(圖6)揭示了該區(qū)域深部地殼幾何結(jié)構(gòu)、斷裂特征及不同構(gòu)造的接觸關(guān)系?？梢钥闯?東秦嶺上地殼可分為北秦嶺和南秦嶺2個巨型的推覆體,莫霍面呈現(xiàn)隔檔式褶皺,在褶皺的尖點處錯斷,反映了下地殼沿莫霍面的強烈滑動。南秦嶺褶皺帶中地殼存在一個明顯的反射界面,可能作為滑脫層控制南秦嶺的推覆和揚子地塊向南秦嶺的陸內(nèi)地殼俯沖,形成楔入構(gòu)造[19]。華北地塊以板塊俯沖的形式向北秦嶺褶皺帶下方俯沖,俯沖反射特征明顯[20],陸內(nèi)俯沖進一步導(dǎo)致秦嶺北緣中上地殼發(fā)育自南向北的逆沖推覆構(gòu)造帶[21]。

圖6 東秦嶺葉縣-鄧州-南漳深反射地震線條圖[20]Fig.6 Deep reflection seismic lines map of Yexian-Dengzhou-Nanzhang in east Qinling[20]

綜上所述,河南地區(qū)深地震測深測線揭示的地殼結(jié)構(gòu)特征可總結(jié)如下:

1)河南地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)基本上分為上中下3層,地殼厚度在30～42 km范圍內(nèi)變化,平均厚度33 km,但不同構(gòu)造單元內(nèi)地殼結(jié)構(gòu)特征存在差異。北華北盆地的3層地殼結(jié)構(gòu)中,中地殼普遍發(fā)育低速層,出現(xiàn)速度逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。秦嶺-大別褶皺帶由于構(gòu)造復(fù)雜,地殼結(jié)構(gòu)分層性較差,塊狀結(jié)構(gòu)明顯,表現(xiàn)為上地殼的巨型推覆構(gòu)造和下地殼的軟弱層。北秦嶺與南秦嶺中下地殼反射強烈,呈相向傾斜的反射楔形體特征。華北盆地隆起區(qū)塊體地殼一般呈均勻成層,速度隨深度逐層增加,保留了穩(wěn)定的塊體結(jié)構(gòu)特征;盆地坳陷區(qū)塊體通常具有低速的中下地殼和高低速相間的薄互層殼幔過渡帶,反映了地幔熱物質(zhì)的上涌以及對地殼結(jié)構(gòu)的改造。北華北盆地深部上地幔速度較為均勻,而南華北盆地上地幔頂部速度偏高,速度梯度急劇增大,可能與地幔物質(zhì)的上涌有關(guān)。秦嶺-大別褶皺帶的速度結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,橫向上速度變化極為劇烈,成層性較差,整個地殼表現(xiàn)為顯著的高速穹隆,其翼部中上地殼發(fā)育殼內(nèi)低速體。

2)華北盆地深部莫霍界面形態(tài)與地形高程呈鏡像對稱關(guān)系,在隆起區(qū)(內(nèi)黃隆起、太康隆起等)表現(xiàn)為莫霍面的下凹,地殼厚度增大;在坳陷區(qū)(湯陰地塹、開封坳陷等)則表現(xiàn)為莫霍面的上隆,地殼厚度減小。莫霍面波狀起伏,但地殼厚度的變化主要發(fā)生在中下地殼,上地殼厚度較為均勻。秦嶺-大別褶皺帶深部莫霍面波浪起伏特征更明顯,呈隔擋式褶皺的形態(tài),在其頂部的拐點處,莫霍面被斷開,整體呈不連續(xù)分布,反映了下地殼沿著莫霍面強烈的滑脫作用。華北板塊與秦嶺微板塊的分界處,莫霍界面表現(xiàn)為華北板塊向南俯沖,揭示了兩者之間的接觸關(guān)系。此外,需要指出的是,雖然河南省跨越華北盆地與太行山、秦嶺-大別山等構(gòu)造單元,地形高差上千米,但是造山帶的深部地殼并未出現(xiàn)明顯的下凹,地殼深部不存在山根。

3 河南地區(qū)地震分布特征及地震構(gòu)造背景研究

河南省大致有豫北地震活動帶、祁呂賀山字型弧頂前緣地震活動帶、嵩山東麓地震活動帶和豫南地震活動帶等4個地震活動帶,其中,NNE向展布的豫北地震活動帶發(fā)震頻度與強度比較突出。從河南省不同地震帶的地殼結(jié)構(gòu)特征可以看出,不同地區(qū)的地震分布特征與地殼速度結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。

3.1 濮陽地區(qū)

濮陽是河南省近年來地震較為集中的地區(qū),位于豫北地震活動帶內(nèi),區(qū)內(nèi)分布著聊蘭斷裂、黃河斷裂、長垣斷裂等活動構(gòu)造,附近曾發(fā)生1830年河北磁縣7.5級和1937年山東菏澤7.0級等7級以上強震。1997年以來,該區(qū)連續(xù)發(fā)生多次4級以上中等地震,經(jīng)歷了2次小震活動的增強過程,目前小震活動仍比較活躍。

從該區(qū)域速度結(jié)構(gòu)可以看出,內(nèi)黃隆起結(jié)晶上地殼表現(xiàn)為明顯的高速異常,而該區(qū)域的地震主要集中在4.0～15.0 km深度的內(nèi)黃隆起高速異常體內(nèi),地震分布與高速異常體的分布范圍一致,可見該區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)不均勻性是控制地震分布的主要因素。

3.2 許昌-太康地區(qū)

許昌-太康地區(qū)位于嵩山東麓地震活動帶內(nèi)。1820-08-03許昌東北曾發(fā)生6級地震,2010年和2011年在許昌-太康斷裂和曹縣斷裂交會處分別發(fā)生ML4.6和ML4.1地震。

許昌附近的地殼速度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為15.0 km以淺的上地殼存在殼內(nèi)高速異常體,而2次太康地震投影的震源位置正處于高速體的邊界附近,物性差別為太康地震的應(yīng)變積累提供了基本的地震構(gòu)造背景,而許昌-太康斷裂又為累積應(yīng)變的釋放提供了條件,促進了太康地震的發(fā)生[22]。

3.3 南陽地區(qū)

南陽地區(qū)位于豫南地震活動帶,地震活動具有震源淺、烈度高、破壞性大的特點,是河南省地震活動較為強烈的地區(qū)之一,具有發(fā)生中強地震的構(gòu)造背景。2017-05-19曾發(fā)生南陽市唐河縣3.0級地震,震源深度8 km。

該地區(qū)上地殼速度結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為雙層結(jié)構(gòu),基底至8 km深度的上層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為正梯度速度結(jié)構(gòu);8～13 km左右的上地殼界面表現(xiàn)為速度的倒轉(zhuǎn),呈負梯度速度結(jié)構(gòu)。該地區(qū)的地震主要集中于上地殼內(nèi)上下結(jié)構(gòu)的分界處,速度差異的變化為該地區(qū)地震應(yīng)力的集中提供了條件。

4 結(jié) 語

1) 河南地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)基本上分為上中下3層,地殼厚度在30～42 km范圍內(nèi)變化,平均厚度33 km。華北盆地隆起區(qū)地殼一般呈均勻成層,速度隨深度逐層增加;盆地坳陷區(qū)地殼通常具有低速的中下地殼和高低速相間的薄互層殼幔過渡帶。秦嶺-大別褶皺帶地殼塊狀結(jié)構(gòu)明顯,整個地殼表現(xiàn)為顯著的高速穹隆,其翼部中上地殼發(fā)育殼內(nèi)低速體。

2) 華北盆地深部莫霍界面形態(tài)與地形高程呈鏡像對稱關(guān)系,地殼厚度的變化主要發(fā)生在中下地殼,上地殼厚度較為均勻。秦嶺-大別褶皺帶深部莫霍面波浪起伏特征明顯,呈隔擋式褶皺的形態(tài),造山帶的深部地殼不存在山根,反映了下地殼沿著莫霍面強烈的滑脫作用。華北板塊與秦嶺微板塊的分界處,莫霍界面表現(xiàn)為華北板塊向南的俯沖,揭示了兩者之間的接觸關(guān)系。

3)河南省不同地區(qū)地震分布特征與地殼速度結(jié)構(gòu)關(guān)系密切。濮陽地區(qū)地震分布與殼內(nèi)高速異常體的分布范圍一致,表現(xiàn)為地震分布受高速異常體控制的特征;許昌地區(qū)地震位于上地殼高速異常體的邊界附近,地震分布受地殼介質(zhì)與區(qū)域斷裂的共同控制;南陽地區(qū)地震集中分布于上地殼內(nèi)上下結(jié)構(gòu)的分界處,受地殼分層結(jié)構(gòu)控制明顯。