開封斷裂第四紀(jì)活動特征1

孫 杰 張予川 徐婉君 李 濤 張 揚

1）河南省地震局, 鄭州450016

2）開封市地震局, 河南開封 475000

引言

黃河流域是中華文明的發(fā)祥地，是我國人口活動和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要區(qū)域。同時，黃河流域也是我國遭受地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的地區(qū)之一。地震災(zāi)害不僅給人民生命財產(chǎn)安全造成巨大損失，同時嚴(yán)重威脅著黃河下游懸河段河堤安全。1937 年8 月1 日菏澤發(fā)生7.0 級地震，菏澤、濮陽等境內(nèi)的黃河大堤普遍出現(xiàn)裂縫，同時伴有涌水冒砂現(xiàn)象。東明縣菜園集鎮(zhèn)黃莊黃河大堤被地裂縫切斷，兩盤落差達(dá)1.2 m，菏澤劉莊黃河大堤堤頂裂縫長約100 m，寬30 cm（王學(xué)潮等，2001）。所幸地震發(fā)生時并未與洪峰遭遇，否則后果不堪設(shè)想。

隱伏斷裂的準(zhǔn)確定位和活動性研究是活動構(gòu)造研究中一個重要方向。由于黃河下游人口密度高，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，地表被厚層第四系所覆蓋，且原生地貌已被人類活動進(jìn)行頻繁改造，給斷裂研究工作帶來巨大困難。查明隱伏斷裂的位置及活動性對于科學(xué)規(guī)劃城市建設(shè)及保障基礎(chǔ)設(shè)施、重大生命線工程安全具有重要意義。隨著全國城市活斷層探測項目的陸續(xù)開展，利用淺層地震勘探結(jié)合鉆孔聯(lián)合探測方法研究隱伏斷裂的活動特征已取得較多研究結(jié)果，并成為研究隱伏斷裂幾何展布和斷裂活動性的重要手段（鄧起東等，2003；柴熾章等，2006；劉保金等，2008；雷啟云等，2014；Liang 等，2018；Yu 等，2019；李峰等，2021）。

本文通過在開封開展淺層地震探測和聯(lián)合地質(zhì)鉆探工作，對開封斷裂（鄭州-開封斷裂帶分支斷裂）的空間展布、淺層構(gòu)造變形及斷裂活動性進(jìn)行深入分析與探討，得到一些新的認(rèn)識和發(fā)現(xiàn)。研究成果為鄭州-開封斷裂帶研究提供了有益補充，對開封市城鄉(xiāng)規(guī)劃、黃河下游地震區(qū)劃劃分和地震危險性評價具有一定的科學(xué)意義。

1 區(qū)域構(gòu)造背景

鄭州-開封斷裂帶是黃河下游一條重要的隱伏斷裂帶，該斷裂為開封凹陷的南邊界控制斷裂，是一條區(qū)域性深大斷裂，由多期活動構(gòu)造疊加而成，控制著區(qū)域沉積作用和斷塊的發(fā)育演化（閆震鵬，2009；王志鑠等，2018；宋佳佳等，2021）。該斷裂帶西起鄭州，向東經(jīng)中牟縣、杏花營鎮(zhèn)、開封縣，向北東延伸，與新鄉(xiāng)-商丘斷裂相交（圖1）。斷裂走向近EW 向，傾向N，傾角由淺部向深部逐漸變緩，為鏟式正斷層。該斷裂由多條近東西向次級斷裂構(gòu)成，由西向東依次可劃分為上街?jǐn)嗔?、須水?dāng)嗔选⒅心矓嗔?、中牟北斷裂和開封斷裂。目前針對該斷裂帶鄭州段已開展過較為詳細(xì)的活動斷裂探測與研究，而對其東段研究較少。閆震鵬（2009）認(rèn)為該斷裂持續(xù)控制著區(qū)域沉積作用；王晶等（2021）利用沖積河流對地表形變的敏感性，提取了黃河鄭州-濟(jì)南段地表形變特征，認(rèn)為該斷裂現(xiàn)今仍具有活動性；王志鑠等（2018）認(rèn)為該斷裂平面上具有波狀起伏特點，地震剖面呈上陡下緩、具有明顯轉(zhuǎn)折點的“L”型斷層，第四紀(jì)已停止活動。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖Fig. 1 Regional tectonic map

開封凹陷位于河南中北部，是中生代形成的規(guī)模宏大的沉積凹陷之一（王定一等，1994）。以盤谷寺-新鄉(xiāng)斷裂和新鄉(xiāng)-商丘斷裂為界，其北側(cè)與太行山隆起、湯陰凹陷、內(nèi)黃隆起、東明凹陷和魯西隆起相鄰；以鄭州-開封斷裂為界，南部與太康隆起和豫西隆起相鄰。該凹陷是經(jīng)歷了早白堊、古近系兩期剪切拉伸作用形成的斷陷型凹陷，主要構(gòu)造走向為EW 向。受邊界活動性斷裂影響，該凹陷長期處于沉降階段，新近系厚達(dá)3 000 m，第四系厚約400 m。

2 淺層地震勘探

開封斷裂為開封凹陷南部斜坡帶前緣斷裂，為確定開封斷裂的具體位置，本文首先收集了開封地區(qū)11條石油及煤田地震剖面，初步確定開封斷裂空間展布，在此基礎(chǔ)上，橫跨開封斷裂布設(shè)4 條淺層地震勘探測線（圖2），其中ZK1 與ZK4 探測其西支斷裂，ZK2 與ZK3 探測其東支斷裂。

圖2 地震勘探測線位置圖Fig. 2 Location map of seismic exploration line

觀測系統(tǒng)采用240～320 道接收，道間距為4～5 m，炮點距為16～20 m，覆蓋次數(shù)為30～40 次，中間激發(fā)；地震儀器使用428XL 數(shù)字地震儀，采樣間隔為0.5 ms，記錄長度為3 s，前放增益為12 dB，記錄格式為SEG-D，全通帶接收，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 觀測系統(tǒng)參數(shù)表Table 1 Parameter table of the observation system

開封斷裂ZK1 與ZK4 測線偏移時間剖面如圖3 所示。該測線沿開封市一大街由南向北布設(shè)，南起一大街南端盡頭，北至一大街與宋城路交叉口；ZK4 測線沿迎賓路由南向北布設(shè)，南起蘆花崗村村北，北至迎賓路包公湖。該剖面揭示的反射震相比較豐富，反射能量也較強，整個剖面地層特征較為明顯。在雙程走時1 500 ms 以上共解譯了4 組特征明顯的地層反射，在圖中分別標(biāo)識為T01、T02、TQ、T1。在ZK1 測線4 075 m（FP1）處和4 820 m（FP2）處、ZK4 測線3 962 m（FP3）處可見明顯斷點，T01 以下的反射波存在明顯的波形紊亂和同相軸扭曲、錯段現(xiàn)象，斷裂傾向北，視傾角約70°～80°。根據(jù)斷裂空間展布關(guān)系分析，以上斷點均屬于開封斷裂。根據(jù)時間深度轉(zhuǎn)換關(guān)系，測線ZK1 上斷點埋深約為95 m 和98 m，垂直斷距約為3～5 m；測線ZK4 上斷點埋深約為139 m，垂直斷距約為5～8 m。

圖3 ZK1 和ZK4 地震反射時間剖面及其解譯成果Fig. 3 Seismic reflection time profile and geological interpretation for survey line ZK1 and ZK4

開封斷裂ZK2 測線偏移時間剖面如圖4 所示。該測線延經(jīng)二路由南向北布設(shè)，南起經(jīng)二路與S327 交叉口，北至阮樓村。在雙程走時1 500 ms 以上共解譯了4 組特征明顯的地層反射，在圖中分別標(biāo)識為T01、T02、TQ、T1。在ZK2 測線3 190 m（FP4）、6 875 m（FP5）和9 228 m（FP6）處可見明顯的斷點。根據(jù)斷裂位置和空間形態(tài)，F(xiàn)P4斷點屬于中牟斷裂，F(xiàn)P5斷點屬于開封斷裂，F(xiàn)P6斷點屬于開封斷裂反向分支斷裂。其中FP5上斷點埋深約74 m，垂直斷距為2～4 m；FP6斷裂錯斷T02 界面及以下地層，上斷點埋深約216 m，垂直斷距約為20 m。為查明開封斷裂在ZK2 線FP5上斷點的上延情況，在此處布設(shè)1 條2 m 道間距的詳查測線，F(xiàn)P5上斷點可識別埋深為50 m，此處垂直斷距約為2～3 m。

圖4 ZK2 測線地震反射時間剖面及其解譯成果Fig. 4 Seismic reflection time profile and geologic interpretation for survey line ZK2

開封斷裂ZK3 測線偏移時間剖面如圖5 所示。該測線南起楊砦村東，北至大牛砦村北。在ZK3 測線3 180 m 處可見明顯的斷點（FP7）。該斷層為傾向北的正斷層，在錯斷T01 界面后繼續(xù)向上延展，上斷點埋深約為45～50 m，該深度上的垂直斷距約為1～3 m。

圖5 ZK3 測線地震反射時間剖面及其解譯成果Fig. 5 Seismic reflection time profile and geologic interpretation for survey line ZK3

通過淺層地震勘探工作，查明開封斷裂淺部分為東、西2 支，其中ZK2 與ZK3 測線上斷裂在錯斷T01界面后繼續(xù)向上延展，ZK1 與ZK4 測線上斷裂錯斷至T01界面底部，根據(jù)ZK2 測線附近開封市標(biāo)準(zhǔn)鉆孔探測，當(dāng)?shù)氐谒南瞪?62.5 m，中更新統(tǒng)深167.5 m，上更新統(tǒng)深50.9 m，全新統(tǒng)深19.8 m。開封斷裂東支活動性較強，可能為晚更新世活動斷層；西支活動性較弱，應(yīng)為中更新世斷裂（表2）。

表2 勘察斷點參數(shù)表Table 2 Parameter table of the upper offset point of fault

3 跨斷層的鉆孔聯(lián)合探測

為確定開封斷裂東支最新活動年代，本文在ZK2 測線上布設(shè)了1 條鉆孔聯(lián)合剖面LH2，該剖面位于開封市東部，走向北西，與地震勘探ZK2 測線重合，跨越開封隱伏斷裂。該鉆孔聯(lián)合剖面全長100 m，共由12 個鉆孔組成，最大孔間距20.0 m，最小孔間距5.0 m，單孔最大深度100.1 m（Z4），最小深度38 m（Z12），剖面總鉆進(jìn)深度為940 m（圖6）。

圖6 LH2 鉆孔聯(lián)合探測地質(zhì)剖面Fig. 6 Composite geological profile of LH2

根據(jù)鉆孔巖心地質(zhì)編錄、巖性特征、沉積旋回特征等分析，LH2 鉆孔聯(lián)合剖面地層由上向下主要分為6 層，具體如下：

（1）第①層，底界埋深18.5～19.0 m。該層主要由黃棕色黏土、淺棕色粉砂質(zhì)黏土組成，與下伏地層界線明顯，在16 m 處有1 套連續(xù)厚10～50 cm 的灰黑色泥碳層。

（2）第②層，底界埋深34.56～36.20 m。該層由黃棕色細(xì)砂、中砂、灰棕色粗砂組成，由頂至底沉積物粒徑逐漸增大，巖性表現(xiàn)為“細(xì)砂-中砂-粗砂”的特征，與上伏地層可視為一個沉積旋回。

（3）第③層，底界埋深51.19～52.99 m。該層由黃棕色黏土、灰棕色粉砂、細(xì)砂組成，巖性上表現(xiàn)為

“黏土-粉砂-細(xì)砂”的特征，為河流沖積相沉積。該層在41 m 處有1 套連續(xù)厚約20～100 cm 的灰黑色泥碳層。鉆孔Z3 在該層44.79 m 處打穿斷層面，斷層上盤為灰褐色粉質(zhì)黏土，下盤為棕黃色粉土逐漸過渡至棕黃色粉砂，斷層面傾角約65°。

（4）第④層，底界埋深59.31～65.17 m，整體由南向北逐漸加深。該層由灰棕色黏土、深棕色黏土、棕黃色粉砂質(zhì)黏土組成，巖性上表現(xiàn)為“黏土-粉砂質(zhì)黏土”的特征，顏色表現(xiàn)為“灰棕色-深棕色-棕黃色”。

（5）第⑤層，底界埋深78.48～87.00 m，由南向北逐漸變深。該層主要由深棕色黏土、灰棕色泥質(zhì)粉砂、淺棕色粉砂組成，巖性上表現(xiàn)為“黏土-泥質(zhì)粉砂-粉砂”的特征，顏色由深棕色向淺棕色漸變。

（6）第⑥層，未揭穿，頂界由南向北逐漸加深，部分鉆孔頂界變淺。該層主要由棕黃色泥質(zhì)粉砂、淺棕色黏土、灰黃色粉砂質(zhì)黏土組成，巖性上表現(xiàn)為“泥質(zhì)粉砂-黏土-粉砂質(zhì)黏土”的特征，顏色由棕黃色向灰黃色漸變。

根據(jù)前人在該地區(qū)開展的關(guān)于地層學(xué)和古環(huán)境研究2河南省平原第四紀(jì)地質(zhì)圖及地質(zhì)圖說明書（1/50 萬）. 鄭州：河南省地質(zhì)局.開封市活動斷層探測與地震危險性評價. 鄭州：河南省地震局.，結(jié)合本鉆孔地層年代測試結(jié)果及已有年代學(xué)地層地質(zhì)資料，對本鉆孔聯(lián)合剖面探查區(qū)的地層進(jìn)行劃分，具體如下：地層①為全新統(tǒng)，地層②、地層③為上更新統(tǒng)，地層④至地層⑥為中更新統(tǒng)。

由圖6 和表3 可知，地層⑥～③均被斷層所錯斷，斷距自下而上依次減小，地層①未被錯斷，地層②底界已被錯斷。地層②、地層③、地層④、地層⑤底界在Z9 和Z5 之間存在錯斷，35～37 m 處位移量約為0.75 m，50～52 m 處位移量約為1.7 m，62～66 m 處位移量約為3.1 m，80～88 m 處位移量約為7.1 m。LH2 聯(lián)合鉆孔剖面斷層走向東西，傾向北西，可識別的上斷點埋深為27～35 m，位置處于鉆孔Z9 與Z3 之間，該斷層為晚更新世斷層。

表3 鉆孔聯(lián)合剖面主要地層層斷距Table 3 Respective displacement of the mark layer in composite geological profile

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

本文根據(jù)淺層地震勘探確定了開封斷裂的空間形態(tài)，開封斷裂走向由杏花營鎮(zhèn)、開封縣的近EW 向，向東在開封縣轉(zhuǎn)為NEE 向與新鄉(xiāng)-商丘斷裂相交，中牟斷裂走向在開封范村鄉(xiāng)由近EW 向逐漸轉(zhuǎn)為NEE 向。鄭州-開封斷裂并未向東延伸至杞縣、寧陵北（王志鑠等，2018），前人認(rèn)為鄭州-開封斷裂杞縣至寧陵縣段應(yīng)為民權(quán)凹陷南界控制斷裂。

開封斷裂活動性由西向東逐漸增強，根據(jù)淺層地震勘探和鉆孔聯(lián)合剖面結(jié)果發(fā)現(xiàn)，開封斷裂東支上斷點埋深為27～35 m，錯斷晚更新世地層；西支活動性相對較弱，根據(jù)淺層地震勘探，其上斷點埋深約100 m，西支為中更新世斷裂。鄭州-開封斷裂帶內(nèi)其它斷裂同樣存在東段較西段活動性強烈的特征。根據(jù)鄭州市活動斷層探測結(jié)果，中牟斷裂和中牟北斷裂鄭州市區(qū)均為前第四紀(jì)斷裂；而在開封市區(qū)，根據(jù)ZK2 淺層地震測線顯示，中牟斷裂已錯斷至中更新世地層。

根據(jù)淺層地震勘探，鄭州-開封斷裂帶中主要斷層均表現(xiàn)為明顯的上陡下緩鏟狀正斷層特征；而新鄉(xiāng)-商丘斷裂在淺層地震剖面則表現(xiàn)為一系列花狀與負(fù)花狀構(gòu)造（侯江飛等，2021）。這表明2 條斷裂在開封凹陷形成、發(fā)育及演化的過程中起著不同作用。

4.2 結(jié)論

本文跨開封斷裂布設(shè)4 條淺層地震勘探測線，結(jié)合淺層地震勘探成果布設(shè)了1 條跨斷層聯(lián)合鉆孔剖面，獲得了開封斷裂的淺部構(gòu)造特征和最新活動時代，初步得到以下認(rèn)識：

（1）淺層地震勘探結(jié)果顯示，開封斷裂分為東、西2 支，西支走向EW，東支由近EW 逐漸向東轉(zhuǎn)為NEE。上斷點埋深由西向東逐漸變淺，反映出該斷裂活動性由西向東逐步增強。

（2）跨斷層鉆孔聯(lián)合剖面揭露出開封斷裂東支斷裂可識別的上斷點埋深為27～35 m，結(jié)合本區(qū)第四系地層發(fā)育情況及鉆孔地層年齡結(jié)果，認(rèn)為開封斷裂東支斷裂為晚更新統(tǒng)活動斷裂。

致謝 本文淺層地震勘探數(shù)據(jù)采集由河南省航空物探遙感中心完成，野外探測期間開封市應(yīng)急管理局給予了大力支持與配合，同時審稿專家對稿件提出了寶貴意見，在此一并表示感謝。