用淺層地震剖面研究大城東斷裂的活動(dòng)性

溫超 周月玲 彭遠(yuǎn)黔 孟立朋 冉志杰 王燕

河北省地震局，石家莊市槐中路262號(hào) 050021

0 引言

大城東斷裂是發(fā)育在滄縣隆起部位的1條NE-NNE向斷裂，是古近紀(jì)里坦凹陷西緣的主控構(gòu)造，控制著東側(cè)里坦斷陷盆地的發(fā)育。1967年大城6.3級(jí)地震發(fā)生在里坦斷陷內(nèi)，與該斷裂的活動(dòng)有關(guān)。許多學(xué)者對(duì)大城東斷裂的第四紀(jì)活動(dòng)特征進(jìn)行了研究。呂悅軍等（2003）依據(jù)前人鉆孔資料和石油勘探的人工地震資料，發(fā)現(xiàn)斷裂兩側(cè)的全新統(tǒng)海相地層分布存在高度差異，認(rèn)為在全新世可能有活動(dòng)。徐新學(xué)等（2007）應(yīng)用大地電磁測(cè)深資料研究斷裂的深部特征，認(rèn)為斷裂切入到了第三系。中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所在開展衡水城市活斷層探測(cè)研究，認(rèn)為沿?cái)嗔褮v史上發(fā)生了1967年河北大城6.3級(jí)地震，小震活動(dòng)頻繁，綜合判斷結(jié)果是大城東斷裂南段為晚更新世-全新世活動(dòng)斷裂。

依據(jù)斷裂展布活動(dòng)性將斷裂劃分為南、北2段，北段又稱天津南斷裂，走向NNE，邵永新等（2010）研究，認(rèn)為其最晚活動(dòng)年代為中更新世。斷裂南段又稱大城東斷裂，總體走向NENNE，傾角50°，它主要控制了東側(cè)里坦凹陷的古近紀(jì)和新近紀(jì)-第四紀(jì)沉積。陳宇坤等（2013）認(rèn)為天津南斷裂向南延伸與大城東斷裂斜列排列，空間上有一定差異。

大城東斷裂位于松散覆蓋層較厚的平原地區(qū)，處于隱伏狀態(tài)，因缺乏大城東斷裂的空間位置和淺部特征資料，故采用淺層高分辨率地震勘探中的縱波反射探測(cè)方法，對(duì)斷裂位置、上斷點(diǎn)埋深、斷距及斷裂的最新活動(dòng)年代進(jìn)行探測(cè)研究。

1 構(gòu)造背景概況及第四紀(jì)地層

1.1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華北斷陷盆地，該單元新第三紀(jì)以來(lái)一直為下降單元，在NW-SE向水平拉張作用下，沿NNE-NEE向中生代逆斷裂和新產(chǎn)生的斷裂形成了一系列鏟式正斷層及其控制的隆起、斷陷帶，如冀中凹陷、滄縣隆起等；新近紀(jì)以來(lái)進(jìn)入了坳陷階段，轉(zhuǎn)為總體下沉，廣泛接受了厚1000m以上的新近系-第四系沉積，控制新構(gòu)造單元的邊界斷裂亦隱伏于厚厚的沉積層之下。

大城東斷裂即是滄縣隆起與冀中坳陷內(nèi)的次級(jí)凹陷大城凸起與里坦凹陷的邊界斷裂，走向NE-NNE，控制著斷裂沿線新構(gòu)造單元的發(fā)育演化。大城凸起為滄縣隆起上的正向二級(jí)構(gòu)造單元，面積約為2500km2，頂部被新近系明化鎮(zhèn)組、館陶組和第四系地層所覆蓋，其厚度一般為700～1240m，與其下覆古近系、中生界、古生界或中上元古界地層以不整合相接觸。里坦凹陷沿?cái)嗔殉蔔E走向，南西與饒陽(yáng)凹陷相連，饒陽(yáng)地區(qū)上第三系底界埋深達(dá)2500m，為冀中斷陷的沉降中心之一。里坦凹陷與大城凸起古近系底面落差1000m左右，新近系底面落差達(dá)300m左右，斷面頂端延伸進(jìn)入新近系館陶組之中（夏志剛等，2012）。

1.2 測(cè)區(qū)第四紀(jì)地層

第四紀(jì)地層層序劃分是判斷淺層地震勘探結(jié)果，進(jìn)而得到斷層活動(dòng)時(shí)代的重要依據(jù)，將地層層序劃分結(jié)果與地震勘探時(shí)深轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而確定斷層的上斷點(diǎn)和最新活動(dòng)時(shí)代。

研究區(qū)域位于隆起區(qū)，下第三系及中生界地層普遍缺失，上第三系地層不整合于古生界前地層上。第四系地層具有以下特點(diǎn)：

（1）第四系地層由灰黃色-棕黃色-棕色-棕紅色4個(gè)色段構(gòu)成，為以沖積、沖洪積及湖積作用為主形成的地層。

（2）在全新統(tǒng)（Qh）及上更新統(tǒng)上段地層中廣泛夾有淤泥層及含淤泥質(zhì)的土，構(gòu)成2個(gè)淤泥層。全新統(tǒng)底界埋深25～40m，上更新統(tǒng)底界埋深150～175m。

地震勘探DC01測(cè)線位于文安與青縣之間，從文安至青縣第四系地層埋深由淺變深。據(jù)測(cè)區(qū)第四系地層資料以及文安文8號(hào)和9號(hào)孔、青縣青農(nóng)28號(hào)孔得到測(cè)線場(chǎng)地全新統(tǒng)（Qh）底板埋深27.0～30.3m，上更新統(tǒng)分上、中、下 3段，其底板埋深分別為 49.6～54.5m、89.6～112.1m、138.3～145.4m；中更新統(tǒng)分上、下 2段，其底板埋深分別為 207.1～230.2m、306.4～330.3m；下更新統(tǒng)分上、下 2段，其底板埋深分別為 358.7～390.8m、436.4～472.7m。

地震勘探HJ01測(cè)線位于河間，據(jù)測(cè)區(qū)第四系地層資料、以及測(cè)線附近河升5號(hào)孔資料認(rèn)為，測(cè)線場(chǎng)地全新統(tǒng)（Qh）底板埋深25.6m；上更新統(tǒng)分上、中、下3段，其底板埋深分別為 58.7m、108.2m、146.1m；中更新統(tǒng)）分上、下 2段，其底板埋深分別為 229.5m、307.0m；下更新統(tǒng)分上、下2段，其底板埋深分別為372.0m、432.5m。

2 測(cè)線位置和數(shù)據(jù)采集方法

2.1 測(cè)線位置

為查明大城東斷裂的活動(dòng)特征，在大城、河間布設(shè)了2條淺層地震勘探剖面，其中DC01測(cè)線位于大城縣安慶屯村南，全長(zhǎng) 1182m，剖面起點(diǎn)位于 116°38′46.26″E、38°38′57.48″N；終點(diǎn)位于116°39′34.97″E、38°38′58.34″N；HJ01測(cè)線位于河間市后張寺?tīng)I(yíng)村西，全長(zhǎng) 1182m，剖面起點(diǎn)于 116°15′0.77″E、38°25′52.81″N；終點(diǎn)位于 116°15′49.67″E、38°25′52.77″N，這 2條剖面均跨過(guò)了大城東斷裂（圖1）。

圖1 斷裂構(gòu)造及測(cè)線位置

2.2 數(shù)據(jù)采集和處理方法

用美國(guó)GEOMETRICS公司生產(chǎn)的STRTAVISORNZXP96高分辨率數(shù)字地震儀采集數(shù)據(jù)，用70kg沖擊震源單點(diǎn)激發(fā)地震波，每個(gè)點(diǎn)激發(fā)18～20次，沖擊夯源沖擊置于地面的金屬墊板，以便提高振動(dòng)能的耦合轉(zhuǎn)換效率；每道采用6個(gè)60Hz組合檢波器串單點(diǎn)接收，以提高檢波器的靈敏度。

為選取數(shù)據(jù)采集工作參數(shù)，首先進(jìn)行了擴(kuò)展排列實(shí)驗(yàn)。圖2為擴(kuò)展排列地震實(shí)驗(yàn)記錄（96道），實(shí)驗(yàn)道間距4m，偏移距0m，采用全通頻帶記錄。由圖2可知，反射波的頻率和視速度較高，面波的頻率和視速度較低。在近炮點(diǎn)記錄道上，淺層反射信息豐富，但記錄的信噪比較低，受面波干擾嚴(yán)重。在遠(yuǎn)炮點(diǎn)記錄道上，地震記錄的信噪比較高，有效反射波不受干擾，故為獲得淺層反射波，采用小偏移距。

圖2 擴(kuò)展排列實(shí)驗(yàn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和綜合分析，最終選用的工作參數(shù)為：道間距4m，炮間距16m，偏移距16m，疊加次數(shù)19次，72道接收，記錄長(zhǎng)度0.8s，采樣間隔0.25ms，15Hz低切濾波器和250Hz高切濾波器。為使淺層反射波的覆蓋次數(shù)較高，又能使較深部的反射波避開震源干擾波的干擾，有助于提高該反射波的信噪比，采用排列單邊激發(fā)的工作方式。

用水平多次疊加方法作數(shù)據(jù)處理，主要方法有真振幅恢復(fù)、地表一致性振幅補(bǔ)償、數(shù)字濾波、初至靜校正、反褶積、速度分析、動(dòng)校正、剩余靜校正、疊加、偏移、時(shí)深轉(zhuǎn)換等。

3 地震反射剖面特征

3.1 DC01測(cè)線

DC01測(cè)線位于大城縣安慶屯村南，近EW向。圖3展示了該淺層地震剖面的一部分，據(jù)剖面給出的波組特征解釋了3組反射波T01、T1、T2，依據(jù)地震勘探時(shí)深轉(zhuǎn)換獲得的反射界面深度與測(cè)區(qū)地層資料，以及與測(cè)線附近文8號(hào)和9號(hào)孔、青農(nóng)28號(hào)鉆孔資料對(duì)比確認(rèn)，T01為上更新統(tǒng)中段底界面產(chǎn)生的反射波，T1為上更新統(tǒng)底界面產(chǎn)生的反射波，T2為中更新統(tǒng)底界面產(chǎn)生的反射波。T01反射波組特征明顯、連續(xù)性好，在整個(gè)剖面上可連續(xù)追蹤對(duì)比。

在圖3所示的淺層地震剖面上，測(cè)線樁號(hào)400m、540m（CDP201、CDP271）處反射波同相軸出現(xiàn)明顯的消失、錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象，表明在這2處存在斷裂，且2條斷裂相距較近，為同一組斷裂，斷裂在 450m深處匯聚在一起，形成反“y”字型，斷點(diǎn)坐標(biāo)為 116°39′2.76″E、38°38′58.73″N。根據(jù)反射波同相軸錯(cuò)動(dòng)特征可知，斷裂為正斷層，傾向東，斷裂傾角較陡。

圖3 DC01測(cè)線淺層地震剖面

對(duì)比時(shí)深轉(zhuǎn)換剖面發(fā)現(xiàn)，斷裂最淺埋深105m，錯(cuò)斷了T1、T2反射同相軸，即斷裂錯(cuò)斷了上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)底界，未錯(cuò)斷T01反射波界面（上更新統(tǒng)中段），斷裂最新活動(dòng)時(shí)代為晚更新世早期。

3.3 HJ01測(cè)線

HJ01測(cè)線位于河間市后張寺?tīng)I(yíng)村東，行別營(yíng)鄉(xiāng)西北，近EW向。圖4展示了淺層地震剖面的一部分，據(jù)剖面的波組特征解釋了3組反射波 T01、T1、T2，依據(jù)地震勘探時(shí)深轉(zhuǎn)換獲得的反射界面深度結(jié)果與測(cè)區(qū)地層資料，以及與測(cè)線附近河升5號(hào)鉆孔資料對(duì)比后確認(rèn)，T01為上更新統(tǒng)中段底界的反射界面，T1為上更新統(tǒng)底界的反射界面，T2為中更新統(tǒng)底界的反射界面。T01反射波組特征明顯，連續(xù)性好，在整個(gè)剖面上可連續(xù)追蹤對(duì)比。

圖4 HJ01測(cè)線淺層地震剖面

在圖4所示的淺層地震剖面上，測(cè)線樁號(hào)600m、700m（CDP301、CDP351）反射波同相軸出現(xiàn)明顯的分叉、扭曲或畸變現(xiàn)象，表明在這2處存在斷裂，這2條斷裂相距較近，為同一組斷裂，斷裂在 380m左右深處匯聚形成反“y”字型，斷點(diǎn)坐標(biāo)為 116°15′25.71″E、38°25′52.87″N。據(jù)反射波同相軸錯(cuò)動(dòng)特征可知，斷裂為正斷層，傾向東，斷裂傾角較陡。

對(duì)比時(shí)深轉(zhuǎn)換剖面發(fā)現(xiàn)，斷裂上斷點(diǎn)最淺埋深104m，錯(cuò)斷了T1、T2反射同相軸，即斷裂錯(cuò)斷了上更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)（Q3p、Q2p）底界，未錯(cuò)斷T01反射波界面（上更新統(tǒng)中段），斷裂最新活動(dòng)時(shí)代為晚更新世早期。

3.4 綜合對(duì)比解釋

據(jù)地震剖面上的波組特征和已掌握的地質(zhì)資料可知，DC01、HJ01測(cè)線探測(cè)到的斷層為本次探測(cè)的大城東斷裂。綜合分析圖3、4所示的地震剖面可以看出，大城東斷裂是1條高傾角、正斷層性質(zhì)的斷裂，該斷裂帶由2條斷裂組成，形如反“y”字型，視傾向SE。在相距42km的2條剖面探測(cè)到斷裂上斷點(diǎn)最淺埋深分別為105、104m，大城東斷裂已經(jīng)向上錯(cuò)斷了上更新統(tǒng)地層的早期，未錯(cuò)斷上更新統(tǒng)地層的中期，最新活動(dòng)時(shí)代為晚更新世早期

4 結(jié)論與討論

應(yīng)用淺層地震探測(cè)方法成功地探測(cè)到了大城東斷裂的位置、性質(zhì)、活動(dòng)性以及斷裂淺部的結(jié)構(gòu)形態(tài)，為該斷裂的進(jìn)一步研究提供了依據(jù)。在大城東斷裂的東側(cè)發(fā)現(xiàn)了1條斷裂，該發(fā)現(xiàn)，表明大城東斷裂不是1條單獨(dú)斷裂，而是由2條斷裂組成的斷裂帶，其形態(tài)為反“y”字型。這2條斷裂在活動(dòng)規(guī)模和活動(dòng)時(shí)間上都不相同，其中新發(fā)現(xiàn)的東側(cè)斷裂，相對(duì)于西側(cè)斷裂不僅活動(dòng)規(guī)模較小，而且最新活動(dòng)時(shí)間也較早。大城東斷裂上斷點(diǎn)最淺埋深104～105m，錯(cuò)斷了上更新統(tǒng)地層的早期，最新活動(dòng)時(shí)代為晚更新世早期本次地震勘探結(jié)果表明，大城東斷裂應(yīng)為晚更新世活動(dòng)斷裂，而不是全新世活動(dòng)斷裂。

據(jù)天津市地震局工程地震研究中心在天津靜文公路的地震剖面顯示，天津南斷裂是1條獨(dú)立的斷裂，而本次地震勘探結(jié)果顯示，大城東斷裂是由2條斷裂組成的反向“y”字型斷裂帶，與天津南斷裂的斷裂結(jié)構(gòu)特征不一致，2條斷裂在空間上有一定差異。筆者認(rèn)為大城東斷裂與天津南斷裂不屬同一條斷裂，即天津南斷裂不應(yīng)該屬于大城東斷裂的北段。

測(cè)線的布設(shè)對(duì)勘探結(jié)果至關(guān)重要，因此在針對(duì)某條斷裂開展野外勘探工作之前，在充分收集斷裂資料的基礎(chǔ)上，仔細(xì)分析有關(guān)成果，特別是斷裂展布資料之間的差異至關(guān)重要。