深地震反射剖面揭示的雄安新區(qū)及外圍地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征

岳航羽，王 凱，王小江，張保衛(wèi)1,2,，張 凱

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地球物理調(diào)查中心，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地球淺地表探測(cè)技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 廊坊 065000；3.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，河北 廊坊 065000；4.國(guó)家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心，河北 廊坊 065000；5.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100083)

深地震反射剖面是國(guó)際地學(xué)界公認(rèn)的地球深部探測(cè)的先鋒技術(shù)，是地球物理學(xué)中的重要研究方向，可獲得高分辨、高可信度的地球深部圖像，能夠有效解決地球深部動(dòng)力學(xué)[1-2]、地殼及巖石圈精細(xì)結(jié)構(gòu)[3-5]、大陸構(gòu)造演化[6-7]、板塊碰撞過(guò)程[8-10]、成礦成藏規(guī)律[11-13]以及地震災(zāi)害分析[14-15]等地球科學(xué)前沿問(wèn)題。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在20 世紀(jì)七八十年代就已運(yùn)用深地震反射剖面技術(shù)來(lái)研究地球內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，獲得了極為重要的觀測(cè)結(jié)果，為人類研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和整體構(gòu)造提供了全面支撐[16-22]。我國(guó)近些年實(shí)施的INDEPTH、SinoProbe 等專項(xiàng)計(jì)劃，成功地實(shí)驗(yàn)了一系列地殼與地幔的探測(cè)技術(shù)，加速了我國(guó)地球深部探測(cè)的進(jìn)度[23-27]。

與石油地震勘探原理基本相同，深地震反射是在反射地震基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，利用比石油地震勘探更長(zhǎng)的接收排列長(zhǎng)度、更大能量的震源激發(fā)，研究上至地表下達(dá)莫霍面、上地幔等涉及整個(gè)巖石圈尺度的精細(xì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征[28-30]。近年來(lái)，利用深地震反射剖面技術(shù)在我國(guó)青藏高原及周緣[31-35]、新疆天山南北緣[36-37]、銀川盆地[38-40]、四川盆地及周邊[41-43]、長(zhǎng)江中下游[44-45]以及東北松遼盆地[46-48]等多個(gè)重點(diǎn)區(qū)域成功獲得地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)、主要斷裂展布和深淺構(gòu)造關(guān)系。此外，深地震反射剖面技術(shù)也被應(yīng)用于華北地區(qū)，許多專家學(xué)者對(duì)此開展過(guò)相關(guān)研究工作，如北京及三河?平谷地區(qū)[49-52]、天津地區(qū)[53]、唐山地區(qū)[54]、邢臺(tái)地區(qū)[55-56]等，有效刻畫不同研究區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)特征、斷裂空間展布及活動(dòng)性等，為分析和揭示深部孕震環(huán)境及構(gòu)造模式提供了地震學(xué)證據(jù)。同處華北地區(qū)的河北雄安新區(qū)，作為千年大計(jì)、國(guó)家大事[22]，自2017 年4 月設(shè)立以來(lái)，專家學(xué)者通過(guò)深地震反射剖面在該地區(qū)探討建立了地?zé)岬刭|(zhì)模型、優(yōu)選了深部高溫地?zé)峋徊⑸钊胙芯苛巳A北克拉通活化等科學(xué)問(wèn)題[57-59]。

為進(jìn)一步研究河北雄安新區(qū)及外圍的地層結(jié)構(gòu)、基底形態(tài)、斷裂展布以及莫霍面起伏等，筆者通過(guò)2018 年采集的一條深地震反射剖面，開展精細(xì)地質(zhì)解譯研究，以期為構(gòu)建世界一流的“透明雄安”基礎(chǔ)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況與剖面位置

研究區(qū)位于冀中坳陷的中部，是渤海灣盆地的一部分，其主體處于河北省雄安新區(qū)及保定市和廊坊市境內(nèi)，整體構(gòu)造呈NE 走向，自NW 向SE 橫跨3 個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，分別為太行山隆起、冀中坳陷以及滄縣隆起。研究區(qū)周圍順時(shí)針?lè)謩e與廊固凹陷、霸縣凹陷、饒陽(yáng)凹陷、保定凹陷和徐水凹陷等相接。地層年代由老至新分別是太古代、古元古代、中元古代、古近紀(jì)、新近紀(jì)和第四紀(jì)[60]。

位于華北克拉通東部陸塊上的雄安新區(qū)及外圍，其結(jié)晶基底形成年代為太古代?古元古代，隨后進(jìn)入穩(wěn)定的蓋層演化階段，在中元古代經(jīng)歷陸內(nèi)裂谷作用并沉積較厚地層。研究區(qū)整體升降構(gòu)造活動(dòng)發(fā)生在新元古代?古生代時(shí)期[61]。整個(gè)渤海灣盆地近EW 向的構(gòu)造格局是印支運(yùn)動(dòng)時(shí)期近SN 向擠壓造成的，盆地內(nèi)發(fā)育的一系列NNE 向逆沖構(gòu)造是受燕山運(yùn)動(dòng)早期擠壓事件影響并且冀中坳陷西部遭受大量剝蝕。華北克拉通構(gòu)造機(jī)制由近SN 向的收縮變?yōu)镹WW-SEE的伸展是發(fā)生在晚中生代，這一時(shí)期蒙古?鄂霍次克洋關(guān)閉，古太平洋板塊俯沖，華北克拉通東部巖石圈發(fā)生大規(guī)模減薄，隨后該區(qū)域發(fā)生了強(qiáng)烈的伸展活動(dòng)持續(xù)至古近紀(jì)末期。渤海灣盆地的裂后熱沉降階段發(fā)生在新近紀(jì)?第四紀(jì)時(shí)期[62]。

研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，展布方向主要為NNE 和NE 向，其中容城凸起、牛駝鎮(zhèn)凸起以及高陽(yáng)低凸起等構(gòu)造單元的邊界分別為容城斷裂、牛東斷裂和高陽(yáng)斷裂。在雄安新區(qū)中部分布一條NW 向轉(zhuǎn)換斷裂，即徐水?牛南斷裂，與容城、牛東斷裂基本正交，是容城凸起、牛駝鎮(zhèn)凸起與保定凹陷的分界線。雄安新區(qū)及外圍深地震反射剖面長(zhǎng)度140 km，由SE 向NW 主要跨過(guò)大城凸起、文安斜坡、霸縣凹陷、牛駝鎮(zhèn)凸起、白洋淀洼陷、容城凸起、容西凸起、徐水凹陷和太行山隆起等九個(gè)構(gòu)造單元，如圖1 所示。

圖1 橫跨雄安新區(qū)的深地震反射剖面位置Fig.1 Location of the deep seismic reflection profile spanning across the Xiong’an New Area

2 深地震反射數(shù)據(jù)采集與處理

深地震反射數(shù)據(jù)采集和資料處理的質(zhì)量直接決定后續(xù)深部地質(zhì)解譯的可靠性，是揭示雄安新區(qū)及外圍全地殼尺度精細(xì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征的重要保障。

2.1 數(shù)據(jù)采集

為了更好地探測(cè)雄安新區(qū)及外圍深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定了最佳采集參數(shù)(表1)，主要包括：20 m 道間距，1 440 道接收，120 m 炮間距，120 次覆蓋，2 ms 采樣，30 s 記錄，中間放炮、兩邊接收，即采用了高密度、高覆蓋次數(shù)、寬頻帶、長(zhǎng)排列(“兩高一寬一長(zhǎng)”)的方式采集深地震反射數(shù)據(jù)。同時(shí)，采用單井爆破的方式在第四紀(jì)覆蓋的平原區(qū)激發(fā)，井深范圍32～40 m，炸藥質(zhì)量16～20 kg；采用雙井組合的方式在山地硬巖區(qū)激發(fā)，單井井深范圍20～24 m，炸藥質(zhì)量20～24 kg。圖2 所示為研究區(qū)內(nèi)典型的深地震反射原始單炮記錄，由圖2 可知，在不同深度處均可見較為清晰的反射波組，如雙程旅行時(shí)3.0 s 附近的上地殼反射波組、7.0 s 附近的下地殼反射波組以及11.0 s 附近的殼幔過(guò)渡帶反射波組等。

表1 雄安新區(qū)及外圍深地震反射數(shù)據(jù)采集參數(shù)Table 1 Acquired deep seismic reflection data of the Xiong’an New Area and its periphery

圖2 添加500 ms AGC 顯示的雄安新區(qū)及外圍深地震反射原始單炮記錄Fig.2 Original single-shot records of deep seismic reflection with automatic gain control (500 ms) applied for the Xiong’an New Area and its periphery

2.2 資料處理

通過(guò)梳理雄安新區(qū)及外圍深地震反射資料的特點(diǎn)及難點(diǎn)，歸納總結(jié)了該區(qū)域5 個(gè)方面的數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，具體為：山區(qū)與山前過(guò)渡帶的靜校正問(wèn)題；低信噪比數(shù)據(jù)成像問(wèn)題；淺深兼顧和深層弱信號(hào)增強(qiáng)問(wèn)題；頻率差異、線性干擾及高能面波壓制問(wèn)題；偏移速度場(chǎng)的建立問(wèn)題。

針對(duì)上述深地震反射數(shù)據(jù)處理問(wèn)題，建立了一套針對(duì)雄安新區(qū)及外圍的數(shù)據(jù)處理流程(表2)。將從定義觀測(cè)系統(tǒng)、靜校正、疊前噪聲衰減、真振幅恢復(fù)、反卷積、高精度速度分析、剩余靜校正、深層弱信號(hào)增強(qiáng)、偏移成像等幾個(gè)方面著手，逐步在深地震反射數(shù)據(jù)中剔除干擾噪聲、增強(qiáng)有效信號(hào)能量、提高信噪比及分辨率，準(zhǔn)確還原地下介質(zhì)的真實(shí)面貌。

表2 雄安新區(qū)及外圍深地震反射數(shù)據(jù)處理流程Table 2 Processing of deep seismic reflection data of the Xiong’an New Area and its periphery

具體方法技術(shù)運(yùn)用上，(1) 采用2 種靜校正方法(高程靜校正+層析靜校正)相結(jié)合的方式消除地形起伏和低降速帶影響；(2)利用多域多步疊前噪聲衰減方法組合去除干擾噪聲，具體包括自適應(yīng)面波壓制、分頻噪聲衰減、T-X 域?yàn)V波、F-K 域噪聲衰減、單頻噪聲壓制和隨機(jī)噪聲衰減等方法；(3)從縱向(球面擴(kuò)散補(bǔ)償)和橫向(地表一致性振幅補(bǔ)償)兩個(gè)方面逐步恢復(fù)深地震反射數(shù)據(jù)的真振幅能量；(4)利用多種反卷積(地表一致性反卷積+預(yù)測(cè)反卷積)組合的方式達(dá)到處理深地震反射子波一致性和提高分辨率的目的；(5)通過(guò)多輪高精度速度分析(常速掃描+交互分析)并加密控制點(diǎn)，準(zhǔn)確建立速度模型；(6)迭代計(jì)算剩余靜校正量，消除深地震反射數(shù)據(jù)中殘存的中波長(zhǎng)和短波長(zhǎng)靜校正量；(7)經(jīng)過(guò)深層弱信號(hào)增強(qiáng)處理，進(jìn)一步顯現(xiàn)深部地質(zhì)特征；(8)利用有限差分偏移方法，收斂深地震反射中的繞射波和斷面波，使其歸位到真實(shí)的位置上。通過(guò)運(yùn)用以上技術(shù)手段，得到清晰的深地震反射剖面，可準(zhǔn)確揭示該區(qū)域的巖石圈結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。

3 地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)

本次深地震反射剖面獲得了NW 起于保定市易縣，SE 至廊坊市大城縣的橫跨雄安新區(qū)中部的140 km長(zhǎng)度的地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)，如圖3a 所示，有效揭示雄安新區(qū)及外圍淺至第四紀(jì)覆蓋層，深達(dá)莫霍面的全地殼尺度信息。該深地震反射剖面中反射信息豐富，結(jié)構(gòu)特征明顯，雙程旅行時(shí)5.0～6.0 s、深度15～18 km 的反射震相將地殼劃分為上地殼和下地殼，下地殼的整體結(jié)構(gòu)相對(duì)上地殼簡(jiǎn)單，殼幔過(guò)渡帶位于10.0～11.0 s、深度30～33 km 位置處，其對(duì)應(yīng)的解譯結(jié)果如圖3b 所示。

圖3 橫跨雄安新區(qū)的深地震反射剖面和解譯成果Fig.3 Deep seismic reflection profile spanning across the Xiong’an New Area and its interpretation results

3.1 上地殼特征

深地震反射剖面成功揭示研究區(qū)內(nèi)沉積地層和結(jié)晶基底的特征。根據(jù)圖3a 中的時(shí)間剖面不難發(fā)現(xiàn)，上地殼在橫向上可細(xì)分為三部分。

第一部分為該深地震反射剖面西北0～40 km 段，該段自上而下反射同相軸較少、反射能量較弱，僅存在一些傾向SE 的反射震相，表現(xiàn)為典型的古老地層特征。

第二部分為該深地震反射剖面中部40～85 km 段，該段具有反射同相軸較多并且反射能量較強(qiáng)，地層及斷裂特征明顯。根據(jù)該段反射形態(tài)又可細(xì)分為上、下兩部分，上部分為雙程旅行時(shí)小于1.0 s，存在3 套反射震相，反射能量較強(qiáng)，分別為第四系(Q)底界面(TQ)、新近系明化鎮(zhèn)組(Nm)底界面和館陶組(Ng)底界面(TN)，整體呈現(xiàn)傾斜狀態(tài)，表現(xiàn)為“西北高、東南低”，反射同相軸橫向可追蹤性強(qiáng)、地層連續(xù)性好，沉積特征明顯，為典型的新生代沉積地層特征。下部分為雙程旅行時(shí)大于1.0 s，呈現(xiàn)典型的斷陷盆地特征，該部分深地震反射剖面能量較強(qiáng)，地層變形較明顯，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用，斷裂與褶皺較發(fā)育，存在多組界面起伏并被斷裂切割的反射波組，產(chǎn)狀復(fù)雜多變，隆凹格局相間，盆地最深處約10 km，地層由淺至深依次包括古近系東營(yíng)組(Ed)，沙河街組一段(Es1)、二段(Es2)、三段(Es3)、四段(Es4)和孔店組(Ek)。

第三部分為該深地震反射剖面東南85～140 km 段，該段也具有較多的反射同相軸和較強(qiáng)的反射能量，地層及斷裂特征也十分明顯。延續(xù)剖面中部40～85 km段的反射形態(tài)，本段亦可劃分為上、下兩部分。上部分為雙程旅行時(shí)小于1.5 s，第四系底界面、新近系明化鎮(zhèn)組底界面和館陶組底界面，3 套反射同相軸連續(xù)性好，橫向可追蹤性強(qiáng)，自NW 向SE 貫穿該段。第四系底界面由NW 向SE 整體起伏變化不大，新近紀(jì)底界面除了局部有部分起伏外，整體表現(xiàn)為“中間低，兩邊稍高”的特征。其下部分剖面同相軸連續(xù)性好，反射能量強(qiáng)，橫向可追蹤性強(qiáng)，地層沉積特征較明顯。同時(shí)，受多期次擠壓?伸展構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以及剝蝕影響，發(fā)育多條斷裂和一處不整合界面。不整合界面以上地層反射特征多以SE 傾向?yàn)橹?，呈現(xiàn)“西北高、東南低”的形態(tài)，地層多以新生代為主；不整合界面以下的地層反射特征多以向NW 方向傾向?yàn)橹?，地層呈現(xiàn)“西北低、東南高”，地層主要為中生代、古生代及太古代的地層。

此外，上地殼內(nèi)還存在著結(jié)晶基底反射特征(TG)，其形態(tài)呈現(xiàn)“兩端高、中間低”的下凹態(tài)勢(shì)。在該深地震反射剖面的西北0～40 km 段中，從太行山隆起基底埋深約3 km 處往SE 方向逐漸加深至徐水凹陷內(nèi)基底埋深約12 km，再向SE 方向延展到霸縣凹陷內(nèi)又開始傾伏。同時(shí)，觀察發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造展布基本都受結(jié)晶基底控制，即在結(jié)晶基底以上的斷裂構(gòu)造較發(fā)育、斷層較多，結(jié)晶基底以下的斷裂構(gòu)造較少。在上地殼內(nèi)僅有太行山山前斷裂和牛東斷裂切穿了結(jié)晶基底。

3.2 下地殼特征

在深地震反射剖面西北0～30 km 段，主要是弱反射特征，表現(xiàn)為近似的“空白”區(qū)域，因處于太行山隆起區(qū)，火成巖較發(fā)育，地下介質(zhì)成層性較差，所以深地震反射波難以成像。在深地震反射剖面中部30～45 km段，有多組呈類似弧形的同相軸，推測(cè)可能為太行山地區(qū)較為發(fā)育的變質(zhì)核雜巖，其形成應(yīng)與深部熱隆有關(guān)，才使得在深地震反射剖面上呈“穹窿狀”形態(tài)，其蓋層形成拆離構(gòu)造。此外，由于該巖體還位于太行山山前斷裂的下方，推測(cè)其形成還可能與該斷裂有關(guān)。

在深地震反射剖面中部45～70 km 段，整體為弱反射特征，部分區(qū)域存在不明顯的反射同相軸。上下地殼的分界面為康拉德界面(TC)，也有專家學(xué)者認(rèn)為該處上下地殼分界面為一套殼內(nèi)滑脫層[59]，是華北地區(qū)的易震層。在深地震反射剖面中部70～90 km 段，縱向上雙程旅行時(shí)5.0～11.0 s 存在多組類似弧形的反射延續(xù)至殼幔過(guò)渡帶的頂部，整體呈現(xiàn)“穹窿狀”。除此之外，該處莫霍面還表現(xiàn)為向上隆起的特征，推測(cè)其與上地幔熱物質(zhì)上涌有關(guān)。而在深地震反射剖面東部90～140 km 段，出現(xiàn)一系列呈交錯(cuò)發(fā)育的“疊瓦狀”同相軸，同時(shí)伴有多條傾向東南的反射條帶，推測(cè)可能為深部巖漿底侵和堆晶共同作用造成的殼幔過(guò)渡帶增厚及高速、低速層交互。

3.3 殼幔過(guò)渡特征

殼幔過(guò)渡帶整體較平緩，橫向上起伏變化不大，在深地震反射剖面縱向上的持續(xù)時(shí)間約0.5 s，對(duì)應(yīng)厚度約1.5 km。殼幔過(guò)渡帶的底界面對(duì)應(yīng)莫霍面(TM)，平均位于雙程旅行時(shí)11.5 s 附近，對(duì)應(yīng)深度約34 km，莫霍面的隆升和下凹整體較平緩、起伏趨勢(shì)不大，呈小波浪形狀，莫霍面的起伏特征顯示了該區(qū)域整體構(gòu)造的穩(wěn)定狀態(tài)。

由NW 向SE，莫霍面在深地震反射剖面西北部太行山隆起下方顯現(xiàn)為稍微下凹；在太行山山前斷裂下方呈現(xiàn)微微隆升；在深地震反射剖面中部又顯示出稍微下凹；在深地震反射剖面東南部牛駝鎮(zhèn)凸起下方表現(xiàn)為微微隆升。莫霍面最深處位于太行山隆起下方，深約38 km；最淺處位于牛駝鎮(zhèn)凸起下方，深約33 km。

4 斷裂構(gòu)造特征

該深地震反射剖面自NW 至SE 表現(xiàn)為“四凸一隆夾三凹一斜坡”的構(gòu)造格局，主要斷裂依次包括太行山山前斷裂、容西斷裂、容城斷裂、容東斷裂、牛北斷裂以及牛東斷裂等，如圖4 所示。斷裂展布特征詳見表3，斷裂形態(tài)各異，錯(cuò)斷深度不同，未發(fā)育深大斷裂。

表3 雄安新區(qū)及外圍主要斷裂及其特征Table 3 Major faults in the Xiong’an New Area and its periphery and their characteristics

圖4 主要斷裂深地震反射剖面解譯結(jié)果Fig.4 Interpretation results of major faults deep seismic reflection profile

5 結(jié)論

a.在冀中坳陷內(nèi)完成了一條橫跨雄安新區(qū)及外圍的全長(zhǎng)140 km 的深地震反射剖面，NW 起于保定市易縣，SE 終止于廊坊市大城縣，有效獲得研究區(qū)淺至地表覆蓋層、深達(dá)莫霍面的清晰地殼結(jié)構(gòu)與構(gòu)造圖像。

b.華北地區(qū)地殼具有雙層地殼結(jié)構(gòu)特征，普遍存在的康拉德界面將研究區(qū)地殼結(jié)構(gòu)劃分為上地殼和下地殼?？道陆缑嫔疃?5～18 km，它的存在有效劃分出脆性的上地殼和相對(duì)塑性的下地殼。殼幔過(guò)渡帶所處深度30～33 km，其底界面莫霍面在全區(qū)平均深度約34 km。

c.上地殼的“復(fù)雜性”與下地殼的相對(duì)“透明性”，形成鮮明對(duì)比，上地殼整體表現(xiàn)為脆性，下地殼整體顯示為韌性。在上地殼內(nèi)部，以結(jié)晶基底為界，又可細(xì)分為兩部分?；滓陨系牡貙映蓪有院谩⒔Y(jié)構(gòu)特征較復(fù)雜，基底以下僅存在一些不太連續(xù)并且能量較弱的反射特征，說(shuō)明上地殼整體上是由脆性向脆?韌性過(guò)渡。在下地殼內(nèi)部，除了深地震反射剖面東南部存在較強(qiáng)的“疊瓦狀”反射特征外，其他地方相對(duì)“透明”，揭示出下地殼的巖體變質(zhì)程度較高。此外，該地區(qū)斷裂構(gòu)造較發(fā)育，斷裂形態(tài)各異，錯(cuò)斷深度不同，但均位于上地殼內(nèi)，不存在深大斷裂。

d.在深地震反射剖面的西北部除了少數(shù)幾處反射層之外，相對(duì)“透明”的性質(zhì)較為明顯，上地殼與下地殼分界面、莫霍面基本都呈水平或近水平形態(tài)，斷裂相對(duì)較少，說(shuō)明這部分地殼的變形相對(duì)較弱，結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。相反，在剖面的東南部不僅上地殼內(nèi)反射同相軸較多、斷裂較發(fā)育，而且下地殼“疊瓦狀”反射明顯，上、下地殼的分界面反射也呈現(xiàn)彎曲和傾斜形態(tài)，揭示這部分地殼的結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。這種差異充分說(shuō)明該區(qū)域西北部和東南部受到不同的構(gòu)造應(yīng)力作用，反映該區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)的橫向非均質(zhì)性和局部活躍的特征。