用高分辨率地震反射剖面揭示臨潁斷裂淺部構造特征

田一鳴 姬計法 袁洪克 酆少英 朱國軍 張 揚 張貴軍 楊新友 何銀娟 秦晶晶 安泰霖

1 中國地震局地球物理勘探中心,鄭州市文化路75號,450002 2 河南省地震局,鄭州市正光路10號,450016 3 許昌電氣職業學院,河南省許昌市魏文路與永昌大道交叉口,461000 4 許昌市防震減災中心,許昌市建安大道1516號,461000

探明活動斷層的空間位置和幾何結構,并在此基礎上合理避讓以及采取有效的工程措施,是減輕地震災害的重要手段[1-3]。大量活動斷層研究表明,高分辨率地震勘探在城市活動斷層探測中發揮著重要作用,對活動斷層的精確定位具有重要意義[4-7]。

臨潁斷裂為臨潁-鄲城斷裂西段,位于周口坳陷北部,是許昌市南部一條規模較大的區域性隱伏斷裂,其上覆蓋厚度達數百米的第四系松散沉積物,對斷裂探測以及活動性判定造成很大困難。針對臨潁斷裂,石油系統曾開展過探測工作,研究結果表明臨潁斷裂主要活動時期為古近紀,新近紀仍有活動,但公開發表的研究內容較少,且對斷裂淺部構造特征的研究非常有限[8]。為進一步研究臨潁斷裂淺部構造特征,本文依托《許昌市活動斷層探測與地震危險性評價》項目,開展跨斷裂高分辨率地震勘探工作,根據高分辨率地震反射剖面及前人探測成果對臨潁斷裂走向、傾向、空間展布及淺部構造特征進行分析,以期為許昌市地震危險性評價、城鎮規劃及國土利用等提供科學依據。

1 地質概況及石油地震反射剖面

1.1 地質概況

研究區位于嵩箕隆起、太康隆起與周口坳陷交匯處,在前寒武系基底上共發育有下古生界、上古生界、中生界、新生界等多套沉積蓋層。區內構造斷裂發育,以北西向與北東向斷裂為主(圖1)。北西向斷裂有臨潁斷裂、張橋斷裂、許昌-禹州斷裂和許昌-西華斷裂,北東向斷裂有坡胡-和尚楊斷裂和石象斷裂。其中臨潁斷裂西起禹州西北部,向東南延伸至固廂、巨陵、望田、陶城,止于艾崗。斷裂整體走向北西西,傾向北東,為一區域性隱伏斷裂,地表無出露,全長約70 km,是北部巨陵凹陷與南部臨潁凸起的分界斷裂,控制著巨陵凹陷古近系沉積,古近系垂向斷距最大可達3 000 m,新近紀之后活動性逐漸減弱[9]。

1:全新統;2:上更新統;3:中更新統;4:前新生界;5:早中更新世斷層;6:前第四紀斷層;7:走滑斷層;8:正斷層;9:淺層地震剖面;10:石油地震剖面;11:地質鉆孔;F3:臨潁斷裂;F6:許昌-禹州斷裂;F7:張橋斷裂;F9:許昌-西華斷裂;F12:坡胡-和尚楊斷裂;F13:石象斷裂

1.2 石油地震反射剖面

石油地震反射剖面顯示(圖2),新近系底部為一套高頻、強振幅、近水平的反射波,連續性好,與下伏古近系(上盤)或古生界(下盤)呈角度不整合接觸,該組反射波在1.0 s左右;古近系為一套低頻、弱振幅的反射波,連續性差,向東北上傾,其底部為一組凹凸不平的反射界面,形成原因為印支末期整體發生抬升,長期剝蝕使該區僅殘留部分上古生界,直至喜山期盆地重新沉降接受古近系沉積,兩套地層之間形成一條凹凸不平的角度不整合反射界面;古生界主要殘存石炭-二疊系,有4～5個強反射界面。該斷層錯斷層位從基底至新近系,斷層錯斷約10 m,上斷點至淺層200 ms[9]。

圖2 石油地震反射剖面

2 地震數據采集與處理

跨臨潁斷裂布設2條高分辨率地震勘探測線L1和L2,具體位置見圖1。L1測線近南北向沿G240國道布設,北端起于李莊村路口北約160 m,南端止于繁城回族鎮北橋頭,測線全長3 155 m(剖面樁號為5 000～8 155 m);L2測線南南東向沿G107國道布設,西北端起于孔莊北約900 m路口,東南端止于Y003鄉道路口南約140 m,測線全長3 510 m(剖面樁號為5 000～8 510 m)。

考慮到探測區周圍建筑物和車輛較多、人員相對密集、干擾極大,為獲得高質量的原始數據,地震數據采集使用美國Metrz公司M18B/612型可控震源進行地震波激發,該震源安全環保、組織靈活,激發能量、頻率、振幅可控,適合探測區施工環境。最終確定掃描頻率為10～120 Hz,掃描長度12 s。

地震儀器使用法國Sercel公司428XL數字地震儀,該儀器具有動態范圍大、抗干擾能力強、帶道能力強、穩定性能好等特點。經現場實驗確定采樣間隔為0.5 ms,記錄長度2 000 ms,采用中間激發、雙邊不對稱零偏移距接收的多次覆蓋觀測系統,280道接收,道間距5 m,覆蓋次數28次。為了壓制干擾和提高資料信噪比,每個接收點上采用3個60 Hz的地震檢波器串點組合進行接收(表1)。

表1 淺層地震數據采集參數

地震數據處理使用Grisys反射地震數據處理系統。本次數據處理過程以提高地震資料信噪比為目標,處理流程和方法使用靜校正、疊前一維濾波、二維傾角濾波、反褶積、譜白化、正常時差校正、共中心點疊加、剩余靜校正、疊后偏移等,通過上述流程最終獲取2個具有較高信噪比的高分辨率地震反射剖面。

3 高分辨率地震反射剖面

3.1 高分辨率地震反射剖面L1

圖3為L1測線地震反射波疊加時間剖面和深度解釋剖面,L1剖面反射能量較強、波組清晰、連續性較好。測線附近水文地質勘查鉆孔XU40揭示,晚更新世地層底界面埋深25 m,中更新世地層底界面埋深92 m,終孔深度308.4 m,未鉆穿早更新世地層底界面。根據反射波組特征并結合鉆孔資料,在剖面上解釋出TQ3、TQ2、T1、T2、T3和TN共6個反射波組,其中TQ3解釋為晚更新世地層底界面反射,TQ2為中更新世地層底界面反射,T1為第四系內部地層界面反射,T2、T3為新近系內部地層界面反射,TN為新近系底界面反射。

圖3 L1測線地震反射波疊加時間剖面和深度解釋剖面

雙程走時150 ms以上各界面反射波組呈近水平層狀展布;雙程走時150 ms以下,測線在樁號6 554 m以南,反射界面基本呈水平展布,橫向起伏不大,測線在樁號6 554 m以北,反射界面自北向南呈下傾狀。測線樁號6 554 m處反射波同相軸有明顯的錯斷跡象和產狀變化,認為此處為臨潁斷裂的反映,用FP1表示。斷點FP1為正斷層,視傾向北,向上錯斷第四系內部反射波組T1,向下錯斷剖面所有地層界面反射波。該斷點下降盤發育一個視傾向南的分支斷點FP1-1,可分辨上斷點位于測線樁號6 288 m,向上錯斷第四系內部地層界面T1,向下歸于FP1,兩斷點在剖面上整體呈反“Y”字形態,具體參數見表2。

表2 臨潁斷裂斷點參數

3.2 高分辨率地震反射剖面L2

圖4為L2測線地震反射波疊加時間剖面和深度解釋剖面,L2剖面地層界面反射信息十分豐富,震相特征明顯。雙程走時200 ms以上各界面反射波組呈近水平層狀展布;雙程走時200 ms以下剖面形態分為兩段,北西段在樁號5 000～7 300 m處剖面反射波組呈南南東深、北北西淺的傾斜狀,南南東段在樁號7 300～8 510 m處剖面反射波組呈近水平層狀展布。根據反射波組特征在剖面上解釋出TQ3、TQ2、T1、T2、T3以及TN共6個反射波組。

圖4 L2測線地震反射波疊加時間剖面和深度解釋剖面

從各反射波組的橫向連續性來看,測線樁號7 315 m處雙程走時200 ms以下存在反射波同相軸錯斷現象,斷點兩側反射波同相軸有明顯的錯斷跡象和產狀變化,判斷此處為斷層的反映,用FP2表示。斷點FP2為正斷層,視傾向北北西,向上錯斷反射波組T1,向下錯斷剖面中所有地層界面反射波。該斷點下降盤存在一個視傾向南南東的分支斷點FP2-1,可分辨上斷點位于測線樁號6 025 m,該斷點兩側反射波同相軸明顯錯斷,向上錯斷第四系內部地層界面T1,向下在雙程走時1 300 ms左右歸于FP2,與主斷層形成反“Y”字形態,具體參數見表2。

L1測線剖面解釋的斷點FP1和L2測線剖面解釋的斷點FP2均為正斷層,斷點兩側同相軸形態相似,應為同一斷層在兩剖面上的反映。結合石油地震反射剖面,參考推測的斷層位置及走向,認為斷點FP1和FP2是臨潁斷裂主斷層在兩剖面上的反映,為臨潁凸起和巨陵凹陷的邊界斷層。

4 結 語

本文采用反射波法地震勘探技術獲得清晰的臨潁斷裂淺部構造圖像,高分辨率地震反射剖面揭示斷點FP1和FP2在剖面樁號6 554 m和7 315 m處,斷裂兩側地層出現嚴重扭曲,新近系內部地層變形明顯。臨潁斷裂淺部錯斷埋深約138～145 m的第四系內部地層,但并未錯斷中更新世地層底界面,斷層上發育一條次級反向斷層。結合研究區地質資料,認為臨潁斷裂為一走向北西、傾向北東的第四紀活動斷裂,最新活動時代為早更新世,控制著巨陵凹陷地層沉積。受反射地震勘探分辨率限制,斷層實際錯斷層位可能比地震反射剖面結果更淺。以斷點參數為參考,進一步開展鉆探工作,結合鉆孔剖面樣品測年結果,可以更為準確地確定臨潁斷裂最新活動時代。

對比石油地震剖面與淺層地震反射剖面L2可以看出,兩者揭示的臨潁斷裂特征相似、位置相近,但相較于石油地震勘探對剖面淺部尤其是第四系內部斷裂構造特征反映較模糊,本次研究采用“小道距、小炮距、高覆蓋次數”的高分辨精細探測方法,可以彌補石油勘探剖面近地表資料缺失的不足,提高地層縱向分辨能力,從而獲得較為準確的斷裂上斷點位置和埋深等斷層參數。淺層地震剖面與石油地震反射剖面基本吻合,也證實了本次淺層地震勘探結果的可靠性。本次探測結果不僅可為許昌市及鄰區地震危險性評價、城鎮規劃及國土利用提供資料,還可為研究區活動構造研究提供地震學依據。

致謝：本研究野外數據采集由中國地震局地球物理勘探中心完成,野外工作得到許昌市防震減災中心的大力配合,斷裂資料參考河南省地震局地震工程勘察研究院所完成的課題,在此一并表示感謝!