利用地震反射剖面探測研究安丘-莒縣斷裂板泉段的淺部構造特征

秦晶晶 劉保金 王志才 酆少英 鄧小娟 花鑫升 李 倩

1)中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002

2)山東省地震局，濟南 250014

0 引言

圖 1 研究區(qū)的地質構造和地震測線的位置Fig. 1 Sketch map of geological structure and the location of seismic survey lines.F1昌邑-大店斷裂； F2白芬子-浮來山斷裂； F3沂水-湯頭斷裂； F4鄌郚-葛溝斷裂； F5安丘-莒縣斷裂(F5-1安丘-莒縣斷裂東支； F5-2安丘-莒縣斷裂西支)； F6銅冶店-孫祖斷裂； F7新泰-蒙陰斷裂； F8蒙山山前斷裂； F9汶泗斷裂；F10相邸-高閣莊斷裂； F11莒南斷裂

1 地質構造概況

安丘-莒縣斷裂活動具有多期性、復雜性以及分段性的特點，在不同區(qū)段上表現出不同特征的構造樣式，其形成演化歷史復雜，發(fā)育多期次張、壓、扭、滑等各種構造形變跡象，不能局限于用一次斷裂活動來解釋如此復雜的構造現象(萬天豐，1995； 侯建華等，2015)。多數研究者認為，該地震斷層并非一條完整的斷裂，而是由多條數千米長的次級斷裂右階斜列組成，第四紀以來受到右旋走滑運動造成的不同地段的差異升降作用，形成了沿斷裂斷續(xù)分布的一系列拉分斷陷盆地，如莒縣盆地、臨沂盆地、板泉盆地及郯城盆地等(滿洪敏，2005)。各次級斷裂間的錯列距離不大，一般為數百米至約1km，但在左山與騰馬-中華山之間的錯列距離達到最大，約5km，呈反“S”形態(tài)，發(fā)育著一個第四紀晚期以來的斷陷拉分盆地(板泉盆地)。該盆地南北長23km，東西寬5～8km，盆地內松散沉積物一般厚20～30m，最厚達140m(李家靈等，1994b； 晁洪太等，1997)。

2 地震剖面的位置及工作方法

為獲得目標區(qū)內安丘-莒縣斷裂的準確位置、上斷點埋深及活動性等特征，我們在山東省臨沂市東側的板泉鎮(zhèn)附近完成了SSRP-1和SSRP-22條淺層地震反射測線(圖 1)。其中，SSRP-1測線沿著S342省道由東向西布設，東端起于板泉后東村附近，途經板泉西莊村、大王劉莊村、王家戈、后洪瑞村等，西端止于湯大線附近，測線長10.2km； SSRP-2測線沿著龍窩小學南門鄉(xiāng)路由西向東布設，西端起于龍窩村南鄉(xiāng)路西盡頭，途經龍窩村、新殷莊社區(qū)、陳家屯，東端止于武陽街村附近，測線長3.3km。

淺層人工地震探測采用縱波反射波共中心點(CMP)多次覆蓋技術實現，該方法可有效提高地震勘探資料的信噪比，在近地表結構分層和隱伏構造(如褶皺、斷裂等)成像等方面具有一定的優(yōu)勢，是目前開展活動斷裂探測的主要方法。本次反射地震數據采集采用道間距2m、炮間距10m、300道接收、30次覆蓋、單邊激發(fā)的觀測系統。地震波激發(fā)使用M18/612型可控震源，采用連續(xù)變頻掃描方式，掃描長度12s，掃描頻帶20～160Hz，為有效壓制地震記錄中的干擾、提高野外原始記錄的信噪比，在每個震源激發(fā)點處進行了12～16次垂直疊加。地震數據采集使用了具有強抗干擾能力的法國Sercel公司生產的428XL數字地震儀及60Hz固定頻率的檢波器，為了提高檢波器的靈敏度，在每個接收點上采用組合方式為3只/串的檢波器接收地震波，采樣間隔為0.5ms，記錄長度為2s。

根據所獲得的野外原始記錄的特點，著重從提高資料信噪比和分辨率2方面考慮，在保證原始記錄具有高信噪比的前提下盡量提高地震記錄的垂向分辨率。數據處理流程和模塊主要包括： 初至折射靜校正、能量均衡、時變帶通濾波、自適應隨機噪聲壓制、二維傾角濾波、預測反褶積、常速度掃描、速度譜分析、正常時差校正(NMO)、地表一致性剩余靜校正、傾角時差校正(DMO)、共中心點疊加、疊后剖面去噪、疊后時間偏移和時-深轉換等。本次淺層地震剖面中的地層構造變化較大，文中采用傾角時差校正(DMO)技術和有限差分偏移方法對其進行了數據處理： DMO技術可改善復雜構造因存在傾角時差而影響疊加剖面質量的問題； 有限差分偏移技術可使繞射波得到收斂，將反射波或繞射波歸位到其真正的地下位置，從而展現地下界面和地質構造的真實形態(tài)。此外，為了計算剖面上不同界面反射波的埋深，文中利用數據處理時求取的反射波疊加速度，通過速度平滑、不同界面反射波的雙程垂直到時并參考該區(qū)的地質鉆孔資料，根據DIX公式計算得到剖面沿線的平均速度分布，以此作為時-深轉換的速度依據，從而獲得淺層反射測線的疊后深度剖面(圖2b，3b)。采用上述數據處理流程和方法獲得了高質量的淺層地震反射剖面和深度剖面圖像，為分析研究該區(qū)的近地表結構和斷裂活動性特征提供了可靠依據。

圖 2 SSRP-1淺層地震測線反射波疊加時間剖面(a)及其深度解釋剖面(b)Fig. 2 Stacked time section(a)and depth interpretation(b)of the shallow seismic survey line SSRP-1.

3 地震反射剖面揭示的近地表構造特征

圖 2 給出了SSRP-1測線的反射波疊加時間剖面和深度解釋剖面，布設該測線主要是為了獲得郯廬斷裂帶東地塹的地下構造特征。圖 3 給出了SSRP-2測線(跨斷裂F5-1)的反射波疊加時間剖面和深度解釋剖面，布設此測線主要是為了探測安丘-莒縣斷裂的結構特征。由圖 2 和圖 3 可以看出，2條測線的反射波疊加時間剖面均具有較高的信噪比，剖面反射震相豐富，反射波能量較強，在600ms以淺可識別出多組強反射同相軸。下文將根據剖面反射波組特征，對郯廬斷裂帶東地塹的近地表結構及安丘-莒縣斷裂的構造特征進行概述。

圖 3 SSRP-2淺層地震測線反射波疊加時間剖面(a)及其深度解釋剖面(b)Fig. 3 Stacked time section(a)and depth interpretation(b)of shallow seismic survey line SSRP-2.

3.1 郯廬斷裂帶東地塹的近地表結構特征

3.2 安丘-莒縣斷裂的構造特征

SSRP-1、SSRP-2測線的淺層反射波疊加時間剖面顯示(圖 2，3)，在2條測線上均能清楚地看到安丘-莒縣斷裂，斷裂的錯斷特征明顯。以安丘-莒縣斷裂(斷裂FP5、FP7)為界，斷裂兩側呈現出截然不同的地層結構，在斷裂西側可識別出多組反射能量較強、連續(xù)性較好的地層反射，且發(fā)育較厚的、成層性較好的沉積層，地層界面反射向E傾斜； 而斷裂東側為一隆起區(qū)，地層界面向上抬升，在剖面淺部僅可識別出1或2套物性差異較明顯的地層反射界面，以深的基巖地層已無法識別。

圖 2 和圖 3 揭示的安丘-莒縣斷裂的主斷裂(斷裂FP5、FP7)均表現為向W傾的正斷層，在主斷裂的下降盤存在著1條反傾向的次級斷裂，依次標記為FP5.1和FP7.1，與主斷裂呈“Y”形組合發(fā)育，在地層深處與主斷裂合并為1條斷裂。從圖2b 和圖3b 深度剖面可得，2條主斷裂可分辨的上斷點埋深依次為22m和17m。在SSRP-2淺層反射地震剖面的東側，剖面還揭示了1條向W傾的正斷層(斷裂FP8)，該斷裂應屬于郯廬斷裂帶的東支——昌邑-大店斷裂，其可分辨的上斷點埋深為33m。

表 1 斷點參數一覽表Table1 Table of breakpoint parameters

3.3 斷裂活動性及其與地震活動的關系

2條淺層地震剖面所揭示的安丘-莒縣斷裂在剖面淺部由2條高傾角斷層面組成，在剖面深部合并為1條斷裂，且該斷裂規(guī)模較大、切割深度較深，以安丘-莒縣斷裂為界，兩側地層表現出明顯不同的構造特征，安丘-莒縣斷裂控制了新生代地層的沉積。根據地震反射剖面揭示的斷裂上斷點埋深可得，安丘-莒縣斷裂可分辨的上斷點位于17～22m的深度范圍內?？紤]到受地震勘探分辨率的限制，由地震剖面確定的斷層上斷點埋深通常大于斷層實際的上斷點埋深。何宏林等(2004)、山東省地震工程研究院①等綜合野外地質調查、高密度電法和鉆孔聯合剖面等手段對安丘-莒縣斷裂F5開展了相關研究，認為在莒縣盆地以南的孟堰段和板泉鎮(zhèn)樓里村等探測區(qū)段內安丘-莒縣斷裂的最新活動時代為全新世時期。

分析圖 2 和圖 3 所示的淺層地震反射剖面發(fā)現： 安丘-莒縣斷裂是一條規(guī)模較大、切割深度較深的活動斷裂，其活動方式復雜，除主干斷裂外還發(fā)育有反向的次級斷裂。安丘-莒縣斷裂的構造活動對第四紀以來的地層沉積具有重要的控制作用，也間接地表明了其第四紀以來強烈的新活動性。鑒于安丘-莒縣斷裂的形成機制，一些研究者持有不同觀點： 晁洪太等(1995)和滿洪敏(2005)認為F5斷裂為第四紀新生的斷裂； 高維明等(1988)和劉備等(2015)認為F5斷裂為依附在昌邑-大店斷裂(F1)和白芬子-浮來山斷裂(F2)老斷裂上的同向或反向正斷層的復活； 也有研究認為F5斷裂的北段為昌邑-大店斷裂(F1)的主斷面或分支斷裂，F5斷裂的南段則為與白芬子-浮來山斷裂(F2)平行的分支斷裂(國家地震局地質研究所，1987)。圖 2 揭示的安丘-莒縣斷裂FP5的空間展布位置(圖 1 中標注的五角星位置)與東地塹東邊界先存斷裂昌邑-大店斷裂(F1)位置較為接近，且斷裂的產狀與F1斷裂相吻合，均為向W傾的正斷性質。根據兩者在空間上的位置關系以及產狀的吻合度分析認為，斷裂F5并不是第四紀期間的新生斷層，可能是早期依附在昌邑-大店斷裂(F1)附近的次級斷裂，長期的走滑、拉張和擠壓過程導致該次級斷裂復活并向上擴展，在深度可能合并到昌邑-大店(F1)主斷裂上。

4 結論

本研究采用淺層地震反射波探測方法，獲得了郯廬斷裂帶東地塹的近地表構造形態(tài)和安丘-莒縣斷裂的性質、位置和空間展布等特征。同時，結合研究區(qū)鉆孔聯合剖面資料和已有研究成果，對安丘-莒縣斷裂的活動性及其與地震活動的關系進行了分析討論，這為進一步分析研究郯廬斷裂帶板泉段的斷裂活動特征提供了地震學證據。

在地震反射剖面700ms以淺可識別出多組強反射同相軸，為中生代—第四紀沉積地層界面。剖面Tg反射波為中生代內部一個重要的物性差異分界面，與上覆地層呈不整合接觸。郯廬斷裂帶東地塹的西邊界——白芬子-浮來山斷裂(F2)活動性較弱，錯斷了基巖地層的頂界面，未波及到剖面上部的第四紀地層，推斷其為前第四紀斷裂； 東邊界昌邑-大店斷裂(F1)錯斷了基巖頂界面，并向上延伸至第四紀地層內部，據斷裂可分辨的上斷點埋深推測，其活動時代為晚更新世時期。安丘-莒縣斷裂是研究區(qū)內活動時代最新的一條斷裂，由2條相向而傾的斷層構成，在地層深處合并為1條斷裂，為全新世活動斷裂。

致謝本項目的淺層地震數據采集由中國地震局地球物理勘探中心20余名技術人員共同完成； 野外探測工作得到了山東省地震局領導和專家們的大力支持與協助； 審稿專家對本文提出了寶貴的修改意見和建議。在此一并表示感謝！