朱國(guó)軍 酆少英 袁洪克 侯黎華 秦晶晶 韓 健 武 泉 左 瑩

(中國(guó)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(nèi)地震活動(dòng)頻繁,破壞性地震頻發(fā),給人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了巨大損失。大量震例和科學(xué)研究表明,活動(dòng)斷層沿線是地震災(zāi)害最集中、人員傷亡最嚴(yán)重的部位(徐錫偉,2006; 劉保金等,2009)。為確保社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展,開展城市活動(dòng)斷層探測(cè)研究,查明隱伏斷裂分布特征及其活動(dòng)性,及時(shí)采取活動(dòng)斷層避讓和建筑物加固等措施,對(duì)預(yù)防和減輕城市地震災(zāi)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(shù)具有探測(cè)深度大、成像精度高等優(yōu)勢(shì),是地下構(gòu)造成像和隱伏斷裂探測(cè)的有效技術(shù)方法之一(何正勤等,2001; 劉保金等,2002),目前已被廣泛應(yīng)用于城市活斷層探測(cè)和地震安全性評(píng)價(jià)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(gòu)造復(fù)雜,既有華北盆地的剪切拉張構(gòu)造,又有秦嶺褶皺帶的擠壓逆沖-走滑斷裂(朱國(guó)軍等,2020)。中國(guó)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(jié)合部完成的深地震反射剖面揭示了該地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)和斷裂的深淺構(gòu)造關(guān)系(酆少英等,2020):剖面揭示上地殼斷裂控制著盆山構(gòu)造和地層沉積,將剖面經(jīng)過區(qū)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(gè)構(gòu)造單元; 位于駐馬店-淮濱凹陷下方、錯(cuò)斷下地殼和莫霍面的地殼深斷裂FM為深部物質(zhì)上涌和能量交換創(chuàng)造了條件,調(diào)節(jié)著地殼內(nèi)部的物質(zhì)構(gòu)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(qū)的主要斷裂,深地震反射剖面顯示這2條斷裂向上錯(cuò)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(cè)以研究深部構(gòu)造關(guān)系為主要目的,獲得的深地震反射剖面對(duì)新近系以來的構(gòu)造細(xì)節(jié)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(gè)NW向的低重力異常條帶(徐志萍等,2022); 土壤Hg元素含量高點(diǎn)分布于駐馬店-息縣斷裂及其東側(cè),揭示沿?cái)嗔褞в猩畈繜崮軐?duì)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(nèi)古近系的沉積,并使其上覆新近紀(jì)和第四紀(jì)地層發(fā)生扭曲變形,可能為中更新世活動(dòng)斷裂(王志鑠等,2017)。

圖1 研究區(qū)前新生界基巖地質(zhì)圖和地震測(cè)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(xué)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(jì)和第四紀(jì)地層發(fā)生扭曲變形的中更新世活動(dòng)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(jié)構(gòu)圖像和斷裂特征。因此,針對(duì)駐馬店-淮濱凹陷開展探測(cè)研究,進(jìn)一步了解其近地表構(gòu)造特征和斷裂活動(dòng)性,對(duì)駐馬店市的防震減災(zāi)工作具有重要的指導(dǎo)意義。

1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)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(zhì)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(shì)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(yáng)縣東南,向SE經(jīng)遂平縣、駐馬店市區(qū)、正陽(yáng)縣東,止于息縣,全長(zhǎng)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(jīng)遂平縣、宿鴨湖水庫(kù),止于新蔡縣西南,全長(zhǎng)約140km。宿鴨湖斷裂同時(shí)還控制著一系列現(xiàn)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(kù)的長(zhǎng)軸方向; 南段控制了汝河近80km的走向。

2 淺層地震測(cè)線的位置和探測(cè)方法

高分辨率淺層地震反射波成像技術(shù)是目前探測(cè)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(shù)”采集技術(shù)和高精度數(shù)據(jù)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(gòu)造形態(tài)的高分辨率地震剖面,有助于判斷斷層的位置與形態(tài)(何正勤等,2001; 劉保金等,2002)。為研究駐馬店-淮濱凹陷近地表構(gòu)造特征,參考已有的地質(zhì)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(shè)了1條近EW向的高分辨率淺層地震測(cè)線L1。受道路走向限制,分為L(zhǎng)1W和L1E 2段施工,位置見圖1。L1W測(cè)線布設(shè)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(yáng)豐鎮(zhèn)東,東端止于西關(guān)大道,全長(zhǎng)約11.14km; L1E測(cè)線布設(shè)于希望大道,東端起于常莊鎮(zhèn),西端止于西關(guān)大道,全長(zhǎng)約11.08km。

為壓制過往車輛及沿途居民點(diǎn)等對(duì)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生的干擾,提高地震資料信噪比,使用記錄頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大的Sercel-SN388遙測(cè)數(shù)字地震儀和固有頻率為60Hz的高頻檢波器,利用激發(fā)能量大、重復(fù)性能好、抗干擾能力強(qiáng)的M18-612型可控震源激發(fā)地震波。為了獲得高分辨率地震數(shù)據(jù),經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),采用連續(xù)變頻線性掃描、掃描頻帶為20～160Hz、掃描長(zhǎng)度為12s、垂直疊加12次的地震波激發(fā)參數(shù); 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(fā)的觀測(cè)系統(tǒng); 為確保記錄全部有效反射信號(hào),設(shè)置采樣間隔為1ms、記錄長(zhǎng)度為2s。表1

表1 淺層地震數(shù)據(jù)采集和觀測(cè)系統(tǒng)參數(shù)一覽表

圖3 為L(zhǎng)1W測(cè)線(圖3a,b)和L1E測(cè)線(圖3c)的3個(gè)共炮點(diǎn)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(shù)目明顯增多,經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得的高分辨率淺層地震時(shí)間剖面(圖4a)揭示測(cè)線經(jīng)過地區(qū)自新近紀(jì)以來的沉積地層向E逐漸增厚。

圖3 淺層反射地震共炮點(diǎn)的地震記錄

圖4 L1測(cè)線高分辨率淺層地震剖面(a、b)及其地質(zhì)解釋(c)

反射地震數(shù)據(jù)處理采用共中心點(diǎn)疊加的方法,設(shè)計(jì)處理方法時(shí)以提高地震資料信噪比為重點(diǎn),處理流程主要包括觀測(cè)系統(tǒng)定義、廢道剔除、靜校正、疊前濾波、預(yù)測(cè)反褶積、速度分析和動(dòng)校正、剩余靜校正、共中心點(diǎn)疊加、疊后去噪等。為了計(jì)算時(shí)間剖面對(duì)應(yīng)的埋深,本文通過Dix公式和反射波雙程走時(shí),參考測(cè)線附近鉆孔資料,將數(shù)據(jù)處理獲得的疊加速度轉(zhuǎn)換為平均速度,以此作為時(shí)深轉(zhuǎn)換的依據(jù),從而得到了高分辨率的淺層地震時(shí)間剖面和深度剖面,為研究駐馬店-淮濱凹陷近地表精細(xì)結(jié)構(gòu)和斷裂特征提供了基礎(chǔ)。

3 淺層地震剖面揭示的駐馬店-淮濱凹陷近地表構(gòu)造特征

圖4 為L(zhǎng)1測(cè)線的高分辨率淺層地震時(shí)間剖面及其地質(zhì)解釋。從圖上可以看出,淺層地震測(cè)線經(jīng)過區(qū)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(gòu)造變化。為便于分析,在時(shí)間剖面上追蹤解釋了10個(gè)特征較清晰、連續(xù)性較好的反射波組,并參考測(cè)線附近鉆孔資料揭示的地層深度,用TQ2、TQ、TN和TE分別標(biāo)示中更新統(tǒng)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(jù)剖面反射波組特征,對(duì)駐馬店-淮濱凹陷的近地表構(gòu)造和斷裂特征進(jìn)行概述。

3.1 新生代地層的變化特征

從L1測(cè)線的高分辨率淺層地震時(shí)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(xiàn)為橫向整體連續(xù)、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(xiàn)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(xiàn)為上、中、下3組明顯不同的反射特征,反映了不同構(gòu)造時(shí)期的沉積差異:新近系底界面TN以上的新近紀(jì)和第四紀(jì)地層反射波的橫向連續(xù)性較好,整體表現(xiàn)為西高東低的傾斜層狀,地層厚度由測(cè)線西端約230m向E逐漸增加至約650m,反映了新近紀(jì)以來南華北地區(qū)整體沉降,沉積了較穩(wěn)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(qū)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(jì)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(jì)時(shí)期華北地塊南緣隨南華北地區(qū)進(jìn)入斷陷盆地的發(fā)展階段,受沉降-隆升剝蝕等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和斷裂活動(dòng)控制而沉積古近紀(jì)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(xù)性差,推測(cè)為早古生代沉積巖和太古代致密變質(zhì)巖體的波阻抗值高,但波阻抗差較小,故無明顯連續(xù)反射。

3.2 凹陷內(nèi)的斷裂構(gòu)造特征

高分辨率淺層地震時(shí)間剖面揭示的駐馬店-淮濱凹陷近地表構(gòu)造特征清晰,在對(duì)反射波時(shí)間剖面進(jìn)行波組分析對(duì)比、追蹤解釋的基礎(chǔ)上,根據(jù)同相軸扭曲、錯(cuò)斷等現(xiàn)象解釋了7條正斷層,斷層參數(shù)見表2。

表2 淺層地震剖面解釋斷層參數(shù)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(cuò)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(shí)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(xiàn)為4條視傾向E的正斷層,對(duì)古近紀(jì)沉積有明顯的控制作用:位于L1W測(cè)線樁號(hào)1082m處的斷層Fp1表現(xiàn)為上陡下緩的鏟式正斷層,可分辨上斷點(diǎn)埋深約為260m,錯(cuò)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(cè)存在明顯的同相軸錯(cuò)斷和產(chǎn)狀變化等現(xiàn)象,可分辨上斷點(diǎn)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(cè)的古近紀(jì)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(nèi)沉積了巨厚的古近系; 在L1W測(cè)線樁號(hào)8830m附近的古近系存在明顯的同相軸扭曲變形特征,推測(cè)此處存在1條視傾向E的正斷層Fp4,可分辨上斷點(diǎn)埋深約為408m,受該斷層活動(dòng)影響L1W測(cè)線8200～9900m段古近系及以上地層呈微隆形態(tài)。淺層地震剖面揭示的駐馬店-息縣斷裂4條斷層發(fā)育在古近紀(jì)地層中,向上均未波及到新近系底界面TN及以上地層,推測(cè)其為古近紀(jì)末期活動(dòng)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(xiàn)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(jié)合淺層地震剖面特征和解釋斷層位置分析認(rèn)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(jí)斷層。由圖1所示的新生界基巖地質(zhì)圖可知,該斷裂兩側(cè)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(xiàn)代河湖的走向。深地震反射剖面(圖2)揭示該斷裂向上錯(cuò)斷新近系底界面TN并延伸至新近系內(nèi),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(xiàn)為3條視傾向W的正斷層:位于L1E測(cè)線樁號(hào)2848m處的斷層Fp6兩側(cè)新近紀(jì)地層存在明顯的同相軸扭曲變形等特征,可分辨上斷點(diǎn)埋深約為374m,分別錯(cuò)斷新近系底界面TN和古近系底界面TE約7m和48m; 位于L1E測(cè)線樁號(hào)1517m處的斷層Fp7東側(cè)新近系同相軸數(shù)目明顯減少,可分辨上斷點(diǎn)埋深約為382m,分別錯(cuò)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(cuò)斷了新近系底界面TN并向上延伸至新近系內(nèi)部地層T4界面以上,受2條斷層活動(dòng)影響,L1E測(cè)線1500～3000m段新近系底界面TN及以上地層呈微隆形態(tài); 在L1E測(cè)線樁號(hào)6000m附近古近系反射波同相軸的產(chǎn)狀發(fā)生明顯變化,推測(cè)此處存在1條視傾向W的正斷層Fp5,可分辨上斷點(diǎn)埋深約為610m,受該斷層活動(dòng)、漸新世末期風(fēng)化剝蝕等影響,L1E測(cè)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(cuò)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(nèi)斷層兩側(cè)的地層錯(cuò)斷和扭曲特征明顯減弱,說明新近紀(jì)以來宿鴨湖斷裂的活動(dòng)性減弱,推測(cè)其為新近紀(jì)中晚期活動(dòng)斷裂。

結(jié)合淺層地震剖面特征和解釋斷層位置分析認(rèn)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(jí)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(zhì)圖可知,該斷裂兩側(cè)新生界下伏地層分別為中生界白堊系和太古界變質(zhì)巖,受該斷裂對(duì)近地表的影響,斷層Fp5和Fp6附近沙河的流向發(fā)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(guān)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(xù)分布、自南向北逆沖的推覆構(gòu)造帶,是現(xiàn)今秦嶺造山帶與華北地塊間的地質(zhì)分界線(張國(guó)偉等,1997)。秦嶺造山帶的演化主要發(fā)生在古生代—三疊紀(jì)時(shí)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(gòu)造擠壓應(yīng)力的影響,華北與楊子板塊持續(xù)碰撞,持續(xù)的內(nèi)陸造山運(yùn)動(dòng)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(gòu)造帶(酆少英等,2020)。同時(shí),由于受郯廬斷裂帶大規(guī)模走滑活動(dòng)的影響,南華北地區(qū)產(chǎn)生了NW向和NE向深大斷裂的走滑活動(dòng)(朱國(guó)軍等,2018)。古近紀(jì),內(nèi)陸造山運(yùn)動(dòng)趨于停止,而郯廬斷裂帶強(qiáng)烈的走滑活動(dòng)仍在持續(xù),在區(qū)域性伸展應(yīng)力作用下,整個(gè)南華北地區(qū)和渤海灣盆地進(jìn)入斷陷盆地發(fā)展階段,發(fā)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(jì)末期,受印度板塊向歐亞板塊之下俯沖遠(yuǎn)程效應(yīng)的影響,南華北地區(qū)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(jì)以來,南華北地區(qū)普遍整體下沉,廣泛分布新近系和第四系(孫自明,1998)。

通過對(duì)橫跨駐馬店-淮濱凹陷的深、淺反射地震時(shí)間剖面的分析認(rèn)為,古近紀(jì)在區(qū)域性伸展應(yīng)力作用下,秦嶺造山帶北緣逆沖推覆活動(dòng)基本停止,位于斷層下盤的秦嶺北部發(fā)生抬升(孟慶任,2017),位于上盤的華北地塊南緣隨南華北地區(qū)進(jìn)入斷陷盆地發(fā)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(nèi)古近紀(jì)地層的發(fā)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(shí)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(jì)活動(dòng)斷裂,但宿鴨湖斷裂對(duì)第四紀(jì)地層的局部變化和現(xiàn)代河湖的走向具有明顯影響,建議在駐馬店市防震減災(zāi)工作中予以重點(diǎn)關(guān)注。

5 結(jié)論

本文在已有的地質(zhì)資料和深地震反射剖面的基礎(chǔ)上,采用高分辨率淺層地震反射波成像技術(shù)跨駐馬店-淮濱凹陷完成了1條淺層地震測(cè)線,獲得了駐馬店-淮濱凹陷的近地表精細(xì)結(jié)構(gòu)圖像。在此基礎(chǔ)上,對(duì)駐馬店-淮濱凹陷近地表構(gòu)造特征、斷裂活動(dòng)性等進(jìn)行了分析和討論,得到以下主要結(jié)論:

(1)高分辨率淺層地震剖面證實(shí)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(xiàn)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(jì)的區(qū)域性伸展應(yīng)力作用下。新近紀(jì)以來,凹陷西邊界的駐馬店-息縣斷裂停止活動(dòng),凹陷東邊界的宿鴨湖斷裂活動(dòng)性明顯減弱,推測(cè)2條斷裂的最新活動(dòng)時(shí)代分別為古近紀(jì)末期和新近紀(jì)中晚期。宿鴨湖斷裂第四紀(jì)無明顯活動(dòng)特征,但其對(duì)近地表地層的局部變化和現(xiàn)代河湖的走向均具有明顯影響,建議在駐馬店市防震減災(zāi)工作中予以重點(diǎn)關(guān)注。

致謝本研究中的地震數(shù)據(jù)由中國(guó)地震局地球物理勘探中心20余名專業(yè)技術(shù)人員共同采集完成,探測(cè)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(xié)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!