北京南部地壳精细结构深地震反射探测研究

赵成彬，刘保金，姬计法，酆少英，石金虎

中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002

1 引 言

地震是由活动断裂的运动形成的，活动断裂不仅有可能再主动发生地震，而且对周围地震的被动响应也较强烈，对沿断裂附近的地面运动具有明显的放大作用［1］．大量的研究表明，地震的发生虽然与地壳深部的构造活动有关，但沿地壳浅部的隐伏活动断裂往往形成地震的重灾带［2－6］，一旦遭遇地震，会造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失，因此在城市建设规划中，探测和确定活动断层不仅对防震减灾工作具有重要意义，而且对地震预测预报研究也具有重大作用，特别是对于预报从经验性走向物理性的发展也是很重要的基础性工作［7］．但是，由于城市规模较大，一般都位于平原或盆地内，断裂都处于隐伏状态，使用一般的地质调查手段难以发现，因此，采用物探方法开展隐伏活动断裂的探测和评价对减轻城市地震灾害具有重要的意义．

北京位于华北平原地区，是全国政治、经济和文化的中心，人口密集，重要设施和生命线工程众多，一旦遭受地震破坏，将会造成严重的人员伤亡和巨大的经济损失．已有资料表明，北京市城区及其附近地区存在多条不同方向和规模大小不等的隐伏活动断裂，在北京市及其周围历史上也曾发生过多次强烈地震，如1679年的三河—平谷8级地震，1730年颐和园6．5级地震等，而1976年的唐山地震也给北京造成了一定的影响，北京市的地震活动性研究也表明，该区仍具有发生中强地震的构造背景．由于北京地区的地震构造以隐伏活动断裂及其控制的隐伏断陷盆地为主，这些隐伏构造具有较强的构造活动性，它们不但控制该区的破坏性强震的发生，同时还引起了其他的地质灾害现象［8］，因此一直为人们所关注．但由于这些隐伏活动断裂位于人类聚集地，大都隐伏于第四系松散层之下，无地表露头可见，因此研究程度较低，对隐伏断裂的平面展布、产状、运动学性质等都缺乏可靠的资料，尤其是对北京地区的深部发震断裂研究程度更低．虽然在北京及其周边地区开展过一些人工地震和天然地震研究工作［9－13］，获得了该区的地壳和上地幔的速度结构和地壳基本结构特征，对了解北京地区的地壳深部构造环境、深浅构造格局提供了非常重要的资料，但是由于这些资料反映的空间尺度较大，分辨率有限，精度较低，难以有效地反映北京地区的地壳细结构、深部发震断裂构造特征及其活动性、深浅构造组合关系等，因此为了获得北京地区的地壳细结构、深部发震断裂的位置、性质及其活动性、深浅构造组合关系等，以便开展浅部活动断层和深部孕震环境的地质与地球物理综合研究，以确定未来破坏性地震的发生地点和震级上限，有效地减轻地震灾害的损失，在北京平原的南部地区完成了一条长度为90km 的深地震反射剖面，取得了沿剖面的地壳精细结构图像，揭示了该区的深部构造背景和断裂的深浅构造特征，为理解该区的深部动力学过程、分析研究深浅断裂构造关系以及为北京市活断层的地震危险性评价工作提供了可靠的基础资料．

2 研究区地质构造概况

研究区位于华北沉降带与燕山隆起区交汇的北京平原区南部，北倚燕山、西邻太行山．新构造时期以来，在区域伸展构造环境的影响和作用下，区内北东和北西向的隐伏断裂同华北平原区一样也相应产生了引张正断活动，即在两组或两组以上断裂的联合控制作用下，发育了一些同生构造—沉积盆地［14］．这些盆地在形态上一般为不对称的或类似箕状的堑式断陷盆地，且盆地沉积中心倾向主控断裂一侧．新生代以来，研究区及邻区表现为较显著的断陷活动，活动断裂较多，规模较大，活动性较强．其中，黄庄—高丽营断裂就是一条主要的活动断裂，第三纪时期，由于它和通县—南苑断层的强烈活动，使北京地区形成了二隆一凹的地貌特征（即京西隆起、北京凹陷、大兴隆起），它们是北京凹陷的东西边界．第四纪时期，北京地区强烈沉降，二隆一凹的地貌特征和堆积环境彻底解体，第四系从西山山前逐渐增厚，北京凹陷已不复存在．在北京平原内第四纪地层的沉积厚度一般为300～500m，在顺义盆地、大厂盆地内，第四系沉积厚度达600～800m．1679年的三河一平谷8．0级地震就发生在大厂第四纪隐伏盆地内［15］．

北京地区的断裂构造主要有NE、NW、近EW和近SN 向4 组（图1），其中以北东向断裂较为发育，它们构成了本区的断裂构造骨架．根据多年来北京地区活动断裂研究成果，北京地区及附近全新世活动断裂主要有顺义一前门一良乡断裂，黄庄—高丽营断裂，南口—孙河断裂，新夏垫断裂等［16－17］．

图1 研究区地质构造和地震测线位置图①南口山前断裂；②紫荆关山前断裂；③黄庄—高丽营断裂④顺义—前门—良乡断裂；⑤通县—南苑断裂；⑥夏垫断裂；⑦徐水断裂；⑧牛驼镇断裂；⑨涞水断裂；⑩宝坻断裂；⑪ 唐山—大城断裂；⑫ 永定河断裂；⑬南口—孙河断裂．Fig．1 Geological structure and the location of the seismic profile within the studied area①Frontal fault of Nankou mountain；②Frontal fault of Zijingguan mountain；③Huangzhuang－Gaoliying fault；④Shunyi－Qianmen－Liangxiang fault；⑤Tongxian－Nanyuan fault；⑥Xiadian fault；⑦Xushui fault；⑧Niutuozhen fault；⑨Laishui fault；⑩Baodi fault；⑪ Tangshan－Dacheng fault；⑫Yongdinghe fault；⑬Nankou－Sunhe fault．

3 数据采集和资料处理

深地震反射剖面位于北京市的南部，剖面方向NW－SE向，剖面的起点（西北端）位于北京市房山区新镇南观村，终点（东南端）位于河北省廊坊市安次区码头镇史庄村，长度为90km（图1）．剖面沿途经过北京市的房山区、大兴区和河北省的廊坊市，自西北向东南穿过的断裂主要有：黄庄—高丽营断裂、顺义—前门—良乡断裂、通县一南苑断裂、夏垫断裂、宝坻断裂和牛驼镇断裂等．

地震波的激发采用钻孔爆破震源激发地震波，钻孔深度25～30m，单炮药量25～30kg，由于地壳深部和上地幔顶部反射能量较弱，为保证获得清晰的Moho面反射，每间隔500m 左右增加了一个井深30～40m、药量80～100kg的大炮．地震波的接收使用日本JGI公司生产的G．DAPS－4R 遥测数字地震仪，采样间隔2ms，记录长度16s，每个地震道使用了每串10个10 Hz的地震检波器串进行组合接收．为了兼顾地壳浅部（300～500 m）及中、深层的反射，采用排列中间激发、双边不对称零偏移距接收的观测系统，观测系统参数为道间距20 m、600道接收、炮间距100m、覆盖次数60次．

资料处理采用FOCUS和GRISYS地震反射数据处理系统，数据处理方法主要有振幅能量均衡、折射静校正、时变带通滤波、二维倾角滤波、反褶积、正常时差校正（NMO）、倾角时差校正（DMO）、剩余静校正、共中心点（CMP）叠加、叠后偏移和叠后剖面去噪等．尤其是采用了倾角时差校正（DMO）技术，解决了大倾角地层因倾角时差的存在叠加时反射波同相轴得不到同相叠加而影响反射波叠加效果的问题，使剖面上大倾角反射波的能量和同相轴的连续性得到了明显的增强，剖面信噪比也得到了一定程度的提高［18－19］．

图2为该剖面的层深度和平均速度剖面图．平均速度剖面图（b）是由原始记录经过速度分析得到的，在速度分析时参考了该测线附近文安—蔚县—察右中旗深地震测深剖面［20］东段（0～100km）的速度结构（a）．由图2a可以看出，该剖面0～100km 范围浅部10km 以上和深部30km 以下速度变化较大，中部存在2个较弱的低速层．（b）的平均速度反映了该剖面从西北向东南平均速度呈逐渐降低的趋势．

图2 研究区速度剖面图（a）文安—蔚县—察右中旗测深剖面东段层速度（km·s－1）剖面；（b）深反射测线平均速度剖面．Fig．2 The velocity profile in research region（a）The layer velocity（km·s－1）profile along Wen′an－Yuxian－Chayouzhongqi deep seismic profile；（b）The average velocity profile along deep reflection profile．

4 地壳结构特征

本次深地震反射探测获得了北京南部西北起房山、东南至廊坊90km 长的深至Moho界面、浅至第四系覆盖层的地壳精细结构图像（图3和图4），图中反射信息丰富，地壳结构特征明显，断裂构造清晰，显示了地壳纵向的分层性和横向的分带（块）性．

图4 深地震反射时间剖面解释图Fig．4 The interpretation section of the deep seismic reflection profile in the south Beijing region

4．1 上地壳结构特征

该区地壳以双程反射时间6．0～7．0s（深度约为18～19km）的TC反射震相为界分为上、下地壳．在上地壳内反射震相丰富，地层反射特征明显，清晰地表现出了新生代、中生代和古生代沉积地层以及元古代及结晶基底的反射特征．由图3的时间剖面可以看出，根据上地壳内地层的反射特征和断裂构造的组合形式在横向上可以分为2段，第一段为剖面的西北段（0～40km），该段自上至下反射能量较弱，反射震相较少，仅存在一些向西北或东南倾斜的反射震相（如TB和TG），表现出典型的古老地层的沉积特征．第二段为剖面的东南段（40～80km），该段反射能量较强，反射震相较多，受构造作用强烈，地层和断裂构造特征明显．第二段剖面根据反射剖面形态又可以分为上、下两部分，上部分为反射时间1．5s以上部分，主要存在2组反射震相：第四系底界反射TQ和新近系底界反射TN，反射能量较强，反射同相轴连续性较好，受断裂构造影响较小，地层沉积特征明显，都呈西北高、东南低的单斜形态，表现出典型的新生代地层的沉积特征．下部分为反射时间1．5s以下部分，表现为典型的断陷盆地特征，在区域地质构造上该段为固安盆地．下部分剖面反射能量较强，地层受构造运动作用变形特征明显，褶皱和断裂比较发育，该断陷沉积盆地最深处约为10～11km．在盆地的上部TQ和TN反射波都比较清楚，且它们都向东南方向倾斜．在盆地内反射波TN—TG之间，从剖面上还可以看到多组界面起伏变化形态清楚的地层反射波，这些地层界面反射在剖面上凹隆相间，界面产状复杂多变，显示出被多条断裂切割的迹象．

图3 深地震反射叠加时间剖面图Fig．3 The deep seismic reflection stacked time profile in the south Beijing region

在上地壳内还存在2个能量较强、在整个剖面都能追踪的反射震相TG和RB．TG应为来自结晶基底顶面的反射，其形态呈两端高中间低的下凹形态．在剖面的西北段（桩号0～45km）太行山隆起埋深约为3～3．5km，往东南逐渐加深，到固安盆地内（桩号45km 左右）基底埋深约为10～11km，再向东南基底面又逐渐变浅，到测线桩号75km 左右，基底埋深约为5km，然后又向东南倾伏．该区的断裂构造展布基本都受结晶基底的控制，在基底以上断裂构造比较发育，断层较多，在基底以下断裂构造较少，在上地壳内仅存在一条（F4）断裂切穿了结晶基底．RB为来自上地壳下部的反射波，整体能量较强，连续性较好，呈西北低、东南高的形态，该反射在桩号45km 左右被断裂F4分为2段．

4．2 下地壳结构特征

下地壳位于两反射带TC和TM之间，与结构复杂的上地壳相比，下地壳结构相对简单，在剖面的西北段（桩号0～20km）和东南段（桩号70～90km），下地壳总体表现为弱反射的性质；在剖面的中段（桩号20～70km）下地壳存在一些能量较强的纵向反射条带，尤其是桩号47～65km 范围内的反射条带较为明显，条带内反射同相轴基本都呈两端向中间倾伏的趋势，包括TC和TM两反射带内的反射同相轴，这些现象表明在该处可能存在深大断裂，较宽的断裂破碎带或沿断裂上涌的上地幔物质形成了这些典型的强反射特征．这些强反射条带构成了该区下地壳独特的反射特征．

4．3 壳幔过渡带特征

壳幔过渡带起伏变化较大，其顶面反射位于9．5～11．0s左右，对应深度约为30～31．5km．壳幔过渡带在剖面纵向上的持续时间大约为1．0～1．5s，对应壳幔过渡带厚度为3．0～4．5km．过渡带底界对应于Moho 面的位置，其深度约为34～35km．以剖面桩号56km 为界，壳幔过渡带反射具有东南和西北两侧明显不同的反射特征，在桩号56km西北，壳幔过渡带反射向SE方向倾斜，而且持续时间较长，约1．5s；在桩号56km 东南，壳幔过渡带反射呈弧形，而且持续时间较短，约1．0～1．2s，表明在桩号56km 左右存在一条切穿莫霍面的深大断裂，在深大断裂的两侧莫霍界面的形态、厚度和性质明显不同，并且两侧壳幔过渡带厚度在横向上也存在明显的变化，这种厚度的变化说明地壳—上地幔过渡层内存在着某些地幔物质及地壳物质的混合层．Meissner认为在某些地区的莫霍面可能存在多块的侵入岩块，或者存在部分熔融状态．从岩石组成成分不均匀性的观点来看，很可能地壳的底部由不同性质的岩体及一些尺度可能很小的结构组成．这样，壳－幔之间相互作用的性质（例如地幔熔融带的挤入）可能由沿着界面变化的局部的流变、密度和化学成分所控制［21－22］．

除Moho界面的反射TM是一个反射带之外，上、下地壳分界面的反射TC也是一个具有一定持续时间的反射带．TC反射带延续时间0．5～1．0s，厚度1．2～2．5km．这表明上、下地壳分界面和Moho界面都不是一个简单的地层分界面，而是一个具有一定厚度的过渡带．TC反射带的形态与TM反射带相似，西北段反射向SE 方向倾斜，且持续时间较长；东南段反射向NW 方向倾斜并兼有弧形的成分，这种现象表明在桩号56km 左右的切穿莫霍面的深大断裂向上也切穿了上、下地壳的分界面．

5 断裂构造特征

该剖面西北和东南两段断裂构造特征差别较大，西北段断裂较少，断裂向下延伸较浅；东南段断裂较多，向下延伸较深，并在上地壳形成一个断陷盆地形态．

5．1 黄庄—高丽营断裂

黄庄—高丽营断裂F1位于测线桩号7．7km左右，断裂视倾向南东，倾角较缓，呈铲形向下延伸，可分辨的上断点埋深为500m 左右．在该断裂的西北侧仅存在一些杂乱的弱反射，而在东南侧则存在多组水平、倾斜及弯曲的反射震相，尤其是向西北倾斜的反射震相TB延伸至F1断裂处终止，这些现象表明了F1断裂的存在．在F1断裂的下方为向东南方向倾斜的结晶基底，F1断裂向下延伸约4km 深度终止于结晶基底TG之上．

5．2 顺义—前门—良乡断裂

顺义—前门—良乡断裂F2位于测线桩号17．5km，断裂视倾向南东，倾角较陡，为西北盘上升、东南盘下降的正断层．从剖面上可以看到，该断裂TQ和TG之间的反射同相轴都出现明显的错断和横向不连续现象，断裂两侧的反射同相轴形态也明显不同，东南侧同相轴呈向西北倾斜，西北侧同相轴上面基本呈水平形态，下面呈向东南倾斜的形态．从位置来看，断裂F2应该是顺义—前门—良乡断裂的反映．该断裂在剖面浅部错断了第四系覆盖层底界的反射TQ，向下终止在大约4．8～5km 深度的结晶基底TG上．

5．3 通县—南苑断裂

通县—南苑断裂F3位于测线桩号26．5km，在剖面上判定该断裂存在的主要依据是TB1、TB2反射震相的消失和TB3反射波同相轴的明显错断．该断裂视倾向北西，倾角较陡，断裂东南侧为大兴凸起，在大兴凸起TQ之下至2s以上的基岩地层内部几乎看不到明显的反射，而在断裂的西北侧，可以看到多组明显的地层反射，表明该断裂的西北侧为一个沉积岩凹陷区．断裂F3错断了浅部的TQ、TB1、TB2和TB3反射同相轴，向下延伸至深度5．8km 左右终止在结晶基底TG之上．从断裂F3所处的位置和断裂两侧的反射波特征来看，它应该是通县—南苑断裂向南的延伸．

5．4 夏垫断裂

在测线桩号40．8km 和42．1km 左右存在2条断裂（F4和F5），这2 条断裂明显错断了剖面上TN以下的反射震相，把整条剖面分成了西北和东南特征截然不同的2部分．西北段反射能量较弱，反射震相较少，仅存在一些向西北或东南倾斜的反射震相（如TB和TG），断裂也不发育．东南段反射能量较强，反射震相较多，断裂构造发育，地层和断裂构造特征明显．沿该断裂往下TB3反射震相明显终止于该断裂西北侧，难以向断裂的东南侧继续追踪．F4断裂向下还错断了基底反射波TG和深约10～11km的反射带RB，大约在深度16～18km 左右终止在上、下地壳分界面反射TC上，并有可能与其下的切穿莫霍面的深大断裂FM相联．F5断裂向下终止于结晶基底反射TG之上．沿这2条断裂往上TQ及TQ和TN之间的反射震相错断不明显，但也存在反射同相轴扭曲或轻微错动的现象，表明该断裂可能继续向上延伸至TQ以上，应为第四纪活动断裂．该断裂为大兴凸起的东边界断裂，从位置来看，它应是夏垫断裂向南的延伸．

5．5 地壳深断裂

在剖面桩号56km 的下方，来自上、下地壳分界面和Moho界面的反射明显比其两侧的反射能量要弱，同相轴的形态也明显存在扭曲、错断等畸变现象．以桩号56km 为界，在桩号56km 西北，西段TC和TM表现为一系列产状近水平的叠层结构；在靠近56km 附近，TC和TM都表现为向东南倾伏的单斜形态．在桩号56km 东南，TC反射震相为一组向西北倾斜的反射同相轴，而TM反射震相为一组上拱的弧形反射同相轴．剖面所揭示的这些现象表明，在桩号56km 左右应存在一条切穿上、下地壳分界面和莫霍面的深大断裂FM，该断裂在北京南部的文安—蔚县—察右中旗深地震测深剖面和北京北部的2 条深地震反射剖面上也都有明显的显示［17，20，23］，在下地壳存在一条切穿上、下地壳分界面和莫霍面的深大断裂，该断裂为上地幔物质的上涌提供了通道．该断裂倾角较陡，近于直立，宽度约为2～3km．该断裂上部的F4～F12等断裂的形成与发展有可能与该深大断裂有关，尤其是夏垫断裂F4有可能与该深大断裂相通．

5．6 其它断裂

除上述断裂之外，在剖面的东南段（40～90km）还存在8条断裂（F6—F13）．在这8条断裂中，F6—F12这7条断裂为一组，并与位于测线桩号42．1km、倾向南东的F5断裂一起形成了一个断陷盆地，在断陷盆地内反射同相轴受断裂构造的影响，呈现出严重的扭曲、错断等畸变现象．这些断裂都是正断层，它们向上错断到TN地层界面，向下终止于结晶基底TG之上．其中F7断裂应为宝坻断裂的反映，F12断裂应为牛坨镇断裂的反映．F13断裂位于测线桩号76．6km，视倾向南东，向上错断到TQ地层界面，为另一凹陷的西北边界断裂．

6 结论与讨论

本次探测研究获得了北京南部浅至100 m、深至Moho面清晰的地壳结构与构造图像，剖面特征反映了本区地壳具有清晰的双层结构特征，而作为上下地壳分界的反射叠层TC在华北地区的地壳结构中是一个具有普遍意义的反射界面［24－25］，有着特定的地质含义，它将脆性的上地壳与相对塑性的下地壳区分开来，并在上、下地壳之间起传递和解耦的作用．该区上地壳厚约18～19km，Moho界面深度约为34～35km．上、下地壳分界面和Moho界面都是一个具有一定厚度的反射叠层，其中上、下地壳过渡带厚度约为1．2～2．5km，壳幔过渡带厚度约为3．0～4．5km．剖面中上地壳的复杂性和下地壳的“透明”性形成了鲜明的对比，在上地壳内，结晶基底以上的沉积地层反射能量较强，地层特征明显，结构复杂．基底以下的地层相对简单，除强反射层RB之外仅存在一些能量较弱、连续性较差的反射，表现出了上地壳由脆性向脆－韧性过渡的典型的结晶基底特征．在下地壳内，除断裂FM两侧存在一些较强的反射之外其它地方几乎是“透明”的，表明下地壳应是变质程度较高的结晶变质岩系．FM两侧的强反射带可能是由于断裂形成的破碎带或岩浆沿断裂侵入从而形成的岩性差异产生的较强反射．

该剖面经过地区断裂构造比较发育，共存在14条断裂，这些断裂形态各异、错断深度不等，其中13条位于上地壳内，仅一条深大断裂FM切穿了上、下地壳分界面和Moho界面，表现出了上地壳的脆性和下地壳的韧性的破裂性质．由于这些断裂的作用在该区上地壳内形成了明显的地垒和地堑结构，而F4—F12等断裂的形成与发展以及由F4—F12断裂控制的固安盆地的形成与演化明显受其下面深大断裂FM的影响与制约．在上地壳的13条断裂中，尤以断裂F4规模最大、切割深度最深．它向上明显错断了新近系底界的反射TN，并影响到第四系底界反射TQ，向下切穿了结晶基底和下面的反射界面RB，一直延伸到深约16～18km 左右的上下地壳分界面附近，并有与下面切穿莫霍面的深大断裂FM相汇的趋势．以夏垫断裂F4和深断裂FM为界该区地壳在横向上被分为西北和东南两部分，各自具有明显不同的结构特征．在西北部除上地壳内几个强反射层之外地壳反射总体表现为相对“透明”的反射性质，上、下地壳分界面反射TC和Moho面反射TM基本呈水平形态，起伏变化不大，断裂也较少，表明这部分地壳的变形程度相对较弱，结构相对稳定．在东南部不仅上地壳内反射层位和断裂较多，结构复杂，上、下地壳分界面反射TC和Moho面反射TM也呈倾斜和弯曲形态，表明这部分地壳的变形程度相对较强，结构相对复杂．这些不仅反映了该区西北部和东南部受构造应力的作用明显不同，也反映了该区地壳构造的局部活跃性和强烈的横向非均匀性，因此对该深大断裂FM及其上面盆地内的断裂活动应密切关注．

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