松原市扶余北断裂的发现及活动性鉴定

2016-09-03万永魁沈军刘峡尉洋于晓辉王雷邵博

中国地震 2016年3期

关键词：同相轴松原市浅层

万永魁沈军刘峡尉洋于晓辉王雷邵博

1）防灾科技学院，河北省三河燕郊开发区学院街 065201

2）中国地震局第一监测中心，天津市河东区耐火路7号 300180

3）中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

0 引言

松原市地处松辽盆地南部，是松辽盆地内地震最为活跃的地区，公元1119年在该区发生的级地震是整个松辽盆地有记载以来震级最大的浅源地震（唐雅芝，1986、1990）。2006、2013年该区域又相继发生了一系列MS≥5.0的中强地震，造成20余万人受灾，房屋损毁5.7万余间，直接经济损失超过20亿元（吴微微等，2014；武成智等，2014）。以往研究表明，松原市范围内存在NE和NW两组不同方向的断裂，NE向或NNE向与NW向断裂的交切区域的隆起与凹陷交汇部位是该区中强地震活动的主要场所（周本刚等，1992；鄢家全等，1996；李传友等，1999a、1999b；杨清福等，2010；李恩泽等，2012），但由于区域内第四纪地层发育，断裂多呈隐伏状态，故相关研究均未给出明确的发震断层。为确立区域断裂构造，厘定发震断层，松原市活断层探测与地震危险性评价项目以N45°04′～45°18′、E124°39′～124°55′作为本次活动断层探测的目标区，利用目标区及其附近大量的石油勘探资料对整个目标区进行了综合分析，终于在松原市主城区北侧，距主城区仅10km处发现了1条走向近EW的断裂，并将其命名为扶余北断裂，自1970年有地震记录以来沿该断裂存在地震集中分布的现象（图1）。因此，判定扶余北断裂的空间展布、断层性质以及查清其深部构造背景、深浅构造关系和晚第四纪活动特征等，对松原市地震危险性评价及未来城市发展与规划有着至关重要的作用。本文在对大量石油勘探资料解释分析的基础上，利用浅层人工地震勘探、钻探、释光测年等多重组合方式对扶余北断裂开展了定位、定性和定年的综合研究，旨在为松原市地震危险性评价提供可靠的定量化参数及活动性信息。

图1 覆盖扶余北断裂的DEM影像及该区地震分布

1 探测思路及方法

松原地区蕴藏丰富的石油资源，因而石油部门已对该区开展了全面、系统勘查，并取得了大量的勘探资料。松原市活动断层探测以此作为楔入点，采用“由已知到未知，由深到浅”的探测思路对扶余北断裂开展综合探测。“由已知到未知”是指根据已有的3D及大量2D石油勘探资料，发现并确认断裂在深部的空间展布及断层性质，进而逐层向上追踪，将探测引向未知的浅部；“由深到浅”的含义是从石油勘探→浅层人工地震勘探→钻探的逐层上叠探测，不断向上追索，直至查清扶余北断裂上断点的具体位置、埋藏深度；最后依据上断点处的地层信息及所取释光样品测年结果，综合判断扶余北断裂的最新活动时代。

2 探测过程

2.1 断裂深部构造特征

扶余北断裂深部构造特征的确认，利用了该区下白垩统青山口组界面、姚家组界面、嫩江组界面3D地震勘探构造平面图及由西向东横穿扶余北断裂的12条2D地震勘探剖面。3D地震勘探青山口组界面（图2）显示扶余北断裂位于松原市主城区北侧，距主城区约10km。该断裂是扶余隆起的北部边界，走向近EW，全长26km，西起孙家围子，向东延伸至大洼镇附近。断裂两侧青山口组界面埋深变化显著，且存在较多裂缝，表明扶余北断裂曾有过强烈的地震活动。2D地震勘探剖面（图2）显示扶余北断裂整体倾向南，视倾角较陡，约60°～80°。断层性质表现为早白垩纪以正断层作用为主，并控制了北部断陷的沉积，沉积厚度明显大于南部隆起，显示出多组连续性较好的强反射层；新构造运动以来表现为逆冲作用，北部断陷转变为坳陷，断层上部泥页岩呈典型的膝折构造，反映出扶余北断裂经历了由拉张至挤压的演化过程。2D地震勘探剖面随测线由西向东偏移，扶余北断裂在剖面上的变形幅度渐渐消减，由此确认的断裂空间展布与3D地震勘探构造平面图中断裂展布的解释成果一致。

图2 松原地区下白垩统青山口组界面3D地震勘探构造平面图及由西向东横穿扶余北断裂的2D地震勘探剖面（（a）～（l））

2.2 断裂活动性鉴定

2.2.1 浅层人工地震勘探

石油勘探资料主要关注深部储油构造，缺乏浅部地层信息，为获取断裂浅部形态特征，查明其变形幅度及深浅构造间的关系，横跨扶余北断裂布设了伯都-罗斯屯和复兴村2条浅层人工地震测线（图1）。

伯都-罗斯屯浅层人工地震勘探剖面（图3（a））位于1个宽缓背斜处，该剖面存在7组强反射同相轴，其中，T0、TQ、TB1、TB2、TB4、TB6强反射同相轴分别为晚更新世地层底面反射、第四系底面反射、下白垩统嫩江组4段底（嫩江组3段顶）面反射、嫩江组3段底（嫩江组2段顶）面反射、嫩江组1段底（姚家组顶）面反射、青山口组底（泉头组顶）面反射。剖面中强反射同相轴TB6的下方出现了明显的波形紊乱、畸变和同轴错断现象，据此在剖面中部，双程走时约1.00s处解释出1个断点FP1，断层为逆断层，倾向南，倾角近直立。TQ～TB6强反射同相轴虽较为连续，但均出现了不同程度的弯曲变形，且随深度增加弯曲变形的幅度也明显增强，考虑到浅层人工地震勘探的精度，推测断层向上仍有延伸。推测断层下盘（北侧）地层沉积厚度明显大于上盘（南侧），说明伴随背斜的形成，推测断层下盘（北侧）持续坳陷，沉积不断进行，而上盘（南侧）逐渐隆起，沉积地层较薄。除此之外，背斜的形成同时控制了T0、TQ之间的地层沉积，强反射同相轴 T0、TQ之间，推测断层下盘的沉积厚度也明显大于上盘，揭示出新构造运动以来扶余北断裂受持续的挤压应力作用。

复兴村浅层人工地震勘探剖面（图3（b））同样存在 7组强反射同相轴，T0、TQ、TB1、TB2、TB4、TB6强反射同相轴对应的地层界面与伯都-罗斯屯编号对应的地层界面相同，TB3强反射同相轴为下白垩统嫩江组2段底（嫩江组1段顶）面反射。剖面中TQ及以下强反射同相轴均出现了较为明显的扭曲、错断现象，据此在剖面中部测线1700m附近，双程走时约1.00s处解释出1个断点FP2，该断层为逆断层，向上延伸产生分支，派生以小型断层FP2-1、FP2-2及FP2-3，使断层整体呈正花状构造，断层视倾角较陡，约60°～80°，之后被强反射同相轴T0覆盖。剖面右侧TQ～TB6强反射同相轴随深度增加坳陷幅度明显增强，再次揭示出新构造运动以来扶余北断裂受持续的挤压应力作用。

2.2.2 钻探

综合石油及浅层人工地震探测结果，为精确定位断层位置，标定位错量及上断点埋深，查清断裂最新活动时代，探测过程采用了控制性钻孔与联合钻孔组合的方法以鉴定扶余北断裂的活动性。控制性钻孔共2个，横跨伯都-罗斯屯剖面推测断层，联合钻孔共12个，其中，3个布设于复兴村剖面派生断层FP2-1处，另外9个布设于派生断层FP2-3处（图1）。

伯都-罗斯屯控制性钻孔与浅层人工地震勘探叠加剖面（图4）显示，钻孔Z1与Z2的第四系深度分别为42.9、59.5m，与剖面中TQ强反射同相轴（第四系底界）相对应，该反射同相轴存在明显的弯曲变形。钻孔Z2在39.0～59.5m处为厚20.5m的早更新世灰白色中粗砂，而钻孔Z1仅在38.6～42.9m处沉积了厚4.3m的早更新世灰白色中粗砂且含较多砾石，揭示了在强烈挤压应力作用下推测断层下盘不断坳陷，沉积不断进行，而推测断层上盘逐渐隆起的事实。剖面中T0（晚更新世地层底界）和T1（中更新世地层底界）强反射同相轴均存在明显扰动，据此推测，强烈的挤压应力延续至晚更新世，断层向上延伸至晚更新世地层。

图3 伯都-罗斯屯浅层人工地震勘探及解释剖面（a）及复兴村浅层人工地震勘探及解释剖面（b）

图5为布设于复兴村FP2-3处的联合钻孔剖面。联合钻孔布设首先采用大范围控制法，布设了较大间距的钻孔Z1～Z4，探测结果显示，Z1、Z4之间存在较大落差，随后采用逐步逼近法，分别布设了Z5～Z9对断层逐步逼近。剖面中层①为全新世粉质粘土层，由于剖面地处第二松花江大坝附近，不能排除这个深度上存在地层的人为扰动，因此该地层无法作为标志层；层②为晚更新世灰色粉细砂层，其底界在Z8中提升了接近5m，在Z7、Z9之间存在0.6m陡坎；层③中晚更新世灰色粉质粘土层及层④中更新世灰色细砂局部夹粉质粘土层，在Z7、Z8之间均存在明显扰动，其底界在Z7、Z9之间分别形成1.4、1.2m的陡坎；层⑤为早中更新世中粗砂层，该地层底界在Z7、Z9之间有一高2.5m的陡坎；层⑥为上新世泥岩。结合浅层人工地震勘探剖面，TQ（第四系底界）强反射同相轴为层⑤早中更新世中粗砂层底界面反射，该反射同相轴存在明显的扭曲、错断现象，据此判断断层至少错断至层⑤中粗砂层中部。考虑到地层③和地层④均存在明显的扰动，地层②、地层③和地层④的底界在Z7、Z9之间分别形成0.6、1.4和1.2m的陡坎，因而认为断层向上延伸至层②底界。另外布设于 FP2-1处的3个钻孔探测结果与上述结果类似，地层②、地层③和地层④均存在明显扰动，推测断层也延伸至层②底界。

浅层人工地震勘探揭示，扶余北断裂新构造运动以来受到的持续挤压应力作用致使断层下盘不断坳陷，上盘逐渐隆起，最终造成断层两侧地层存在显著差异，强烈的挤压应力延续至晚更新世，致使中晚更新世地层存在明显扰动。钻探结果证实了在强烈的挤压应力作用下中晚更新世地层存在扰动的事实，并且在推测断层处形成陡坎，据此判断，扶余北断裂向上延伸至晚更新世地层。而在层②底界和层③顶界跨推测断层上断点所取释光样品测年结果显示，距今分别为（23.9±0.6）ka和（28.9±0.6）ka，属晚更新世。综合以上分析认为，扶余北断裂最新活动时代距今（23.9±0.6）ka～（28.9±0.6）ka，为晚更新世活动断裂。