利用反射地震資料研究華北地塊南緣駐馬店-淮濱凹陷的淺部構造特征

朱國軍 酆少英 袁洪克 侯黎華 秦晶晶 韓 健 武 泉 左 瑩

(中國地震局地球物理勘探中心,鄭州 450002)

0 引言

近年來世界范圍內地震活動頻繁,破壞性地震頻發,給人民的生命財產造成了巨大損失。大量震例和科學研究表明,活動斷層沿線是地震災害最集中、人員傷亡最嚴重的部位(徐錫偉,2006; 劉保金等,2009)。為確保社會穩定和經濟建設可持續發展,開展城市活動斷層探測研究,查明隱伏斷裂分布特征及其活動性,及時采取活動斷層避讓和建筑物加固等措施,對預防和減輕城市地震災害具有重要意義(徐錫偉等,2002; 張建毅等,2012)。高分辨率淺層地震反射波成像技術具有探測深度大、成像精度高等優勢,是地下構造成像和隱伏斷裂探測的有效技術方法之一(何正勤等,2001; 劉保金等,2002),目前已被廣泛應用于城市活斷層探測和地震安全性評價等工作中。

河南省駐馬店市位于華北地塊南緣(圖1),屬于華北盆地與秦嶺褶皺帶的接壤地帶,構造復雜,既有華北盆地的剪切拉張構造,又有秦嶺褶皺帶的擠壓逆沖-走滑斷裂(朱國軍等,2020)。中國地震局地球物理勘探中心在華北地塊南緣和秦嶺造山帶北緣結合部完成的深地震反射剖面揭示了該地區的地殼結構和斷裂的深淺構造關系(酆少英等,2020):剖面揭示上地殼斷裂控制著盆山構造和地層沉積,將剖面經過區域劃分為秦嶺北緣逆沖推覆帶、駐馬店-淮濱凹陷和西平-平輿凸起3個構造單元; 位于駐馬店-淮濱凹陷下方、錯斷下地殼和莫霍面的地殼深斷裂FM為深部物質上涌和能量交換創造了條件,調節著地殼內部的物質構成和能量分配; 控制駐馬店-淮濱凹陷邊界的駐馬店-息縣斷裂F1和宿鴨湖斷裂F3是穿過駐馬店市城區的主要斷裂,深地震反射剖面顯示這2條斷裂向上錯斷至新近系底界面附近,向下延伸至上、下地殼分界面,并有可能與地殼深斷裂FM相連通(圖2)。然而,深地震反射探測以研究深部構造關系為主要目的,獲得的深地震反射剖面對新近系以來的構造細節分辨能力有限,斷裂的近地表特征并不清楚。已有研究表明,駐馬店-淮濱凹陷為一個NW向的低重力異常條帶(徐志萍等,2022); 土壤Hg元素含量高點分布于駐馬店-息縣斷裂及其東側,揭示沿斷裂帶有深部熱能對流(周稱稱等,2021); 中、淺層地震剖面揭示駐馬店-息縣斷裂控制著凹陷內古近系的沉積,并使其上覆新近紀和第四紀地層發生扭曲變形,可能為中更新世活動斷裂(王志鑠等,2017)。

圖1 研究區前新生界基巖地質圖和地震測線位置

圖2 深地震反射剖面揭示的駐馬店-淮濱凹陷(圖1中的黑色虛線段)

深淺反射地震、重力異常、地球化學等研究表明,駐馬店-淮濱凹陷的邊界斷裂可能是向下與地殼深斷裂FM相連通、向上使新近紀和第四紀地層發生扭曲變形的中更新世活動斷裂,但已有研究并未獲得較清晰、完整的駐馬店-淮濱凹陷的近地表結構圖像和斷裂特征。因此,針對駐馬店-淮濱凹陷開展探測研究,進一步了解其近地表構造特征和斷裂活動性,對駐馬店市的防震減災工作具有重要的指導意義。

1 研究區地質構造概況

駐馬店-淮濱凹陷位于華北地塊南緣,是秦嶺北緣逆沖推覆帶和西平-平輿凸起之間的NW向斷陷盆地。駐馬店-淮濱凹陷以西的低山丘陵為秦嶺造山帶的桐柏山和伏牛山余脈,組成山體的主要地層為中、新元古界的變質巖和寒武系沉積巖及燕山晚期侵入巖(黃光壽等,2011); 凹陷及其東部為南華北平原,地勢平坦。駐馬店-息縣斷裂是秦嶺北緣逆沖推覆帶和駐馬店-淮濱凹陷的邊界斷裂,是一條走向NW、傾向NE的正斷層,斷裂的北西端起于舞陽縣東南,向SE經遂平縣、駐馬店市區、正陽縣東,止于息縣,全長約125km; 宿鴨湖斷裂是駐馬店-淮濱凹陷和西平-平輿凸起的邊界斷裂,是一條走向NW、傾向SW的正斷層,斷裂的北西端起于西平縣西南,向SE經遂平縣、宿鴨湖水庫,止于新蔡縣西南,全長約140km。宿鴨湖斷裂同時還控制著一系列現代河湖的走向:北段控制了洪河呂店—楊莊段的走向; 中部控制了宿鴨湖水庫的長軸方向; 南段控制了汝河近80km的走向。

2 淺層地震測線的位置和探測方法

高分辨率淺層地震反射波成像技術是目前探測隱伏斷層的主要方法之一。該方法采用“小道距、小炮間距、高覆蓋次數”采集技術和高精度數據處理手段,既可以很好地壓制干擾波、提高地震資料信噪比,又可以獲得直觀反映地下構造形態的高分辨率地震剖面,有助于判斷斷層的位置與形態(何正勤等,2001; 劉保金等,2002)。為研究駐馬店-淮濱凹陷近地表構造特征,參考已有的地質資料和深地震反射剖面,在駐馬店市遂平縣橫跨駐馬店-淮濱凹陷布設了1條近EW向的高分辨率淺層地震測線L1。受道路走向限制,分為L1W和L1E 2段施工,位置見圖1。L1W測線布設于嵖岈山去往遂平縣城的遂碴路,西端起于距嵖岈山約12km的陽豐鎮東,東端止于西關大道,全長約11.14km; L1E測線布設于希望大道,東端起于常莊鎮,西端止于西關大道,全長約11.08km。

為壓制過往車輛及沿途居民點等對數據采集產生的干擾,提高地震資料信噪比,使用記錄頻帶寬、動態范圍大的Sercel-SN388遙測數字地震儀和固有頻率為60Hz的高頻檢波器,利用激發能量大、重復性能好、抗干擾能力強的M18-612型可控震源激發地震波。為了獲得高分辨率地震數據,經現場試驗,采用連續變頻線性掃描、掃描頻帶為20～160Hz、掃描長度為12s、垂直疊加12次的地震波激發參數; 采用3m道間距、15m炮間距、18/30m偏移距、180道接收、18次覆蓋、單邊激發的觀測系統; 為確保記錄全部有效反射信號,設置采樣間隔為1ms、記錄長度為2s。表1

表1 淺層地震數據采集和觀測系統參數一覽表

圖3 為L1W測線(圖3a,b)和L1E測線(圖3c)的3個共炮點的地震記錄,可以看出地層反射信息非常豐富、反射波組特征較為清晰。由西向東,地震記錄揭示的反射波組從約400ms增加到約700ms,同相軸數目明顯增多,經數據處理獲得的高分辨率淺層地震時間剖面(圖4a)揭示測線經過地區自新近紀以來的沉積地層向E逐漸增厚。

圖3 淺層反射地震共炮點的地震記錄

圖4 L1測線高分辨率淺層地震剖面(a、b)及其地質解釋(c)

反射地震數據處理采用共中心點疊加的方法,設計處理方法時以提高地震資料信噪比為重點,處理流程主要包括觀測系統定義、廢道剔除、靜校正、疊前濾波、預測反褶積、速度分析和動校正、剩余靜校正、共中心點疊加、疊后去噪等。為了計算時間剖面對應的埋深,本文通過Dix公式和反射波雙程走時,參考測線附近鉆孔資料,將數據處理獲得的疊加速度轉換為平均速度,以此作為時深轉換的依據,從而得到了高分辨率的淺層地震時間剖面和深度剖面,為研究駐馬店-淮濱凹陷近地表精細結構和斷裂特征提供了基礎。

3 淺層地震剖面揭示的駐馬店-淮濱凹陷近地表構造特征

圖4 為L1測線的高分辨率淺層地震時間剖面及其地質解釋。從圖上可以看出,淺層地震測線經過區域的各地層界面反射波豐富,清晰地反映了駐馬店-淮濱凹陷近地表的構造變化。為便于分析,在時間剖面上追蹤解釋了10個特征較清晰、連續性較好的反射波組,并參考測線附近鉆孔資料揭示的地層深度,用TQ2、TQ、TN和TE分別標示中更新統底界面、第四系底界面、新近系底界面和古近系底界面的反射。下文將根據剖面反射波組特征,對駐馬店-淮濱凹陷的近地表構造和斷裂特征進行概述。

3.1 新生代地層的變化特征

從L1測線的高分辨率淺層地震時間剖面上可以看到多組特征明顯的地層界面反射,這些地層反射在剖面上表現為橫向整體連續、縱向密集成層,具有典型的沉積地層反射特征。與深地震反射剖面特征相似,在淺層地震剖面上駐馬店-淮濱凹陷亦表現為明顯受斷層控制的斷陷盆地。

以新近系底界面TN和古近系底界面TE為界,淺層地震剖面表現為上、中、下3組明顯不同的反射特征,反映了不同構造時期的沉積差異:新近系底界面TN以上的新近紀和第四紀地層反射波的橫向連續性較好,整體表現為西高東低的傾斜層狀,地層厚度由測線西端約230m向E逐漸增加至約650m,反映了新近紀以來南華北地區整體沉降,沉積了較穩定的新近系和第四系(孫自明,1998; 劉華平等,2014); 新近系底界面TN與下伏古近系明顯呈角度不整合接觸,反映了漸新世末期南華北地區整體隆升遭受剝蝕形成的新近系與古近系之間沉積間斷(徐漢林等,2003); 古近紀地層的反射波同相軸橫向起伏較大,古近系底界面TE埋深由凹陷東、西兩端的約600m和約300m增加至凹陷中心的1450m以上,反映了古近紀時期華北地塊南緣隨南華北地區進入斷陷盆地的發展階段,受沉降-隆升剝蝕等構造運動和斷裂活動控制而沉積古近紀地層(黃澤光等,2007; 孟慶任,2017); 在剖面東、西兩端古近系底界面TE之下的反射波能量弱、同相軸連續性差,推測為早古生代沉積巖和太古代致密變質巖體的波阻抗值高,但波阻抗差較小,故無明顯連續反射。

3.2 凹陷內的斷裂構造特征

高分辨率淺層地震時間剖面揭示的駐馬店-淮濱凹陷近地表構造特征清晰,在對反射波時間剖面進行波組分析對比、追蹤解釋的基礎上,根據同相軸扭曲、錯斷等現象解釋了7條正斷層,斷層參數見表2。

表2 淺層地震剖面解釋斷層參數表

駐馬店-息縣斷裂是秦嶺北緣逆沖推覆帶和駐馬店-淮濱凹陷的邊界斷裂,深地震反射剖面(圖2)揭示該斷裂向上錯斷至剖面可分辨的最淺處(新近系底界面TN附近),向下延伸至雙程旅行時約4.8s的空白反射處(酆少英等,2020)。在高分辨率淺層地震剖面上該斷裂表現為4條視傾向E的正斷層,對古近紀沉積有明顯的控制作用:位于L1W測線樁號1082m處的斷層Fp1表現為上陡下緩的鏟式正斷層,可分辨上斷點埋深約為260m,錯斷古近系底界面TE約6m; 在斷層Fp1的下降盤解釋了2條視傾向E的斷層Fp2和Fp3,斷層兩側存在明顯的同相軸錯斷和產狀變化等現象,可分辨上斷點埋深分別約為368m、410m,古近系底界面TE的垂直斷距分別約為64m、246m,以斷層Fp3為界,東側的古近紀地層明顯增厚,深1450m的05-27鉆孔未鉆穿古近系說明駐馬店-淮濱凹陷內沉積了巨厚的古近系; 在L1W測線樁號8830m附近的古近系存在明顯的同相軸扭曲變形特征,推測此處存在1條視傾向E的正斷層Fp4,可分辨上斷點埋深約為408m,受該斷層活動影響L1W測線8200～9900m段古近系及以上地層呈微隆形態。淺層地震剖面揭示的駐馬店-息縣斷裂4條斷層發育在古近紀地層中,向上均未波及到新近系底界面TN及以上地層,推測其為古近紀末期活動斷裂。

斷層Fp1—Fp4在古近系底界面TE的垂直斷距由西向東逐漸增大(表2),表現為一組層層下掉的斷階帶,共同控制著駐馬店-淮濱凹陷的西邊界。結合淺層地震剖面特征和解釋斷層位置分析認為,斷層Fp1為駐馬店-息縣斷裂主斷層在剖面上的反映,斷層Fp2、Fp3、Fp4為駐馬店-息縣斷裂的次級斷層。由圖1所示的新生界基巖地質圖可知,該斷裂兩側新生界下伏地層分別為早古生界寒武系和中生界白堊系。

宿鴨湖斷裂是駐馬店-淮濱凹陷和西平-平輿凸起的邊界斷裂,控制著現代河湖的走向。深地震反射剖面(圖2)揭示該斷裂向上錯斷新近系底界面TN并延伸至新近系內,向下延伸并消失于上、下地殼分界面處(酆少英等,2020)。在高分辨率淺層地震剖面上該斷裂表現為3條視傾向W的正斷層:位于L1E測線樁號2848m處的斷層Fp6兩側新近紀地層存在明顯的同相軸扭曲變形等特征,可分辨上斷點埋深約為374m,分別錯斷新近系底界面TN和古近系底界面TE約7m和48m; 位于L1E測線樁號1517m處的斷層Fp7東側新近系同相軸數目明顯減少,可分辨上斷點埋深約為382m,分別錯斷新近系底界面TN和古近系底界面TE約12m和30m; 斷層Fp6和Fp7明顯錯斷了新近系底界面TN并向上延伸至新近系內部地層T4界面以上,受2條斷層活動影響,L1E測線1500～3000m段新近系底界面TN及以上地層呈微隆形態; 在L1E測線樁號6000m附近古近系反射波同相軸的產狀發生明顯變化,推測此處存在1條視傾向W的正斷層Fp5,可分辨上斷點埋深約為610m,受該斷層活動、漸新世末期風化剝蝕等影響,L1E測線6000～7800m段的新近系和第四系呈近水平狀。淺層地震剖面揭示的宿鴨湖斷裂Fp6和Fp7斷層明顯錯斷了新近系底界面TN并向上延伸至新近系中上部,新近系內斷層兩側的地層錯斷和扭曲特征明顯減弱,說明新近紀以來宿鴨湖斷裂的活動性減弱,推測其為新近紀中晚期活動斷裂。

結合淺層地震剖面特征和解釋斷層位置分析認為,斷層Fp6為宿鴨湖斷裂主斷層在剖面上的反映,斷層Fp5和Fp7為宿鴨湖斷裂的次級斷層,共同控制著駐馬店-淮濱凹陷的東邊界。由圖1所示的新生界基巖地質圖可知,該斷裂兩側新生界下伏地層分別為中生界白堊系和太古界變質巖,受該斷裂對近地表的影響,斷層Fp5和Fp6附近沙河的流向發生明顯變化,呈“幾”字形拐彎。

4 駐馬店-淮濱凹陷與秦嶺北緣逆沖推覆帶的關系

秦嶺北緣逆沖推覆帶是秦嶺北緣一系列EW向分段組合、呈帶連續分布、自南向北逆沖的推覆構造帶,是現今秦嶺造山帶與華北地塊間的地質分界線(張國偉等,1997)。秦嶺造山帶的演化主要發生在古生代—三疊紀時期的大洋板塊俯沖和陸-陸板塊碰撞過程中(孟慶任,2017)。中生代受近SN向構造擠壓應力的影響,華北與楊子板塊持續碰撞,持續的內陸造山運動使華北地塊南緣卷入秦嶺,從而形成了由南向北的逆沖推覆構造帶(酆少英等,2020)。同時,由于受郯廬斷裂帶大規模走滑活動的影響,南華北地區產生了NW向和NE向深大斷裂的走滑活動(朱國軍等,2018)。古近紀,內陸造山運動趨于停止,而郯廬斷裂帶強烈的走滑活動仍在持續,在區域性伸展應力作用下,整個南華北地區和渤海灣盆地進入斷陷盆地發展階段,發育了大量控制古近系箕狀斷陷盆地邊界的正斷層(徐漢林等,2003; 孫曉猛等,2004; 黃澤光等,2007)。古近紀末期,受印度板塊向歐亞板塊之下俯沖遠程效應的影響,南華北地區整體抬升并遭受剝蝕夷平,形成了新近系與古近系之間的沉積間斷及角度不整合接觸(孫曉猛等,2004)。新近紀以來,南華北地區普遍整體下沉,廣泛分布新近系和第四系(孫自明,1998)。

通過對橫跨駐馬店-淮濱凹陷的深、淺反射地震時間剖面的分析認為,古近紀在區域性伸展應力作用下,秦嶺造山帶北緣逆沖推覆活動基本停止,位于斷層下盤的秦嶺北部發生抬升(孟慶任,2017),位于上盤的華北地塊南緣隨南華北地區進入斷陷盆地發展階段,形成了1組走向NW、相向而傾的正斷裂——駐馬店-息縣斷裂和宿鴨湖斷裂,共同控制著駐馬店-淮濱凹陷的邊界和凹陷內古近紀地層的發育,并制約了古生界—中生界殘余地層的分布。高分辨率淺層地震時間剖面揭示的駐馬店-息縣斷裂和宿鴨湖斷裂均為前第四紀活動斷裂,但宿鴨湖斷裂對第四紀地層的局部變化和現代河湖的走向具有明顯影響,建議在駐馬店市防震減災工作中予以重點關注。

5 結論

本文在已有的地質資料和深地震反射剖面的基礎上,采用高分辨率淺層地震反射波成像技術跨駐馬店-淮濱凹陷完成了1條淺層地震測線,獲得了駐馬店-淮濱凹陷的近地表精細結構圖像。在此基礎上,對駐馬店-淮濱凹陷近地表構造特征、斷裂活動性等進行了分析和討論,得到以下主要結論:

(1)高分辨率淺層地震剖面證實了駐馬店-息縣斷裂和宿鴨湖斷裂的存在。駐馬店-息縣斷裂由4條視傾向E的正斷層組成,表現為1組層層下掉的斷階帶,控制著駐馬店-淮濱凹陷的西邊界; 宿鴨湖斷裂由3條視傾向W的正斷層組成,控制著駐馬店-淮濱凹陷的東邊界。

(2)深、淺反射地震剖面揭示駐馬店-息縣斷裂和宿鴨湖斷裂形成于古近紀的區域性伸展應力作用下。新近紀以來,凹陷西邊界的駐馬店-息縣斷裂停止活動,凹陷東邊界的宿鴨湖斷裂活動性明顯減弱,推測2條斷裂的最新活動時代分別為古近紀末期和新近紀中晚期。宿鴨湖斷裂第四紀無明顯活動特征,但其對近地表地層的局部變化和現代河湖的走向均具有明顯影響,建議在駐馬店市防震減災工作中予以重點關注。

致謝本研究中的地震數據由中國地震局地球物理勘探中心20余名專業技術人員共同采集完成,探測工作得到河南省地震局和駐馬店市地震局的大力支持與協助; 審稿專家在論文修改過程中提出了寶貴的意見和建議。在此一并表示感謝!