西秦岭北缘断裂漳县盆地段浅层人工地震及钻孔联合探测

刘芳晓 王爱国 王金烁

1）中煤科工集团西安研究院有限公司，西安市高新区锦业一路82号 710077

2）中国地震局兰州地震研究所，兰州 730000

0 引言

西秦岭北缘断裂东起宝鸡，西经天水、武山、漳县，直达太子山以西的青海省同仁县附近，长约440km，为青藏高原东北缘一条规模宏大、晚第四纪活动强烈的区域性左旋走滑断层，历史地震多发。断层沿线控制了渭河、武山、漳县、临夏、循化以及化隆等一系列新生代构造盆地（王志才等，2006），其中漳县盆地位于西秦岭北缘断裂带的中段。由于这些盆地往往为城镇及人口密集区，研究活动断裂展布与盆地演化关系、精确探测盆地内隐伏活动断层的空间展布和发育特征，对于减轻盆地内地震地质灾害造成的损失具有重要意义，同时也可为盆地内基础设施和建筑物的规划设计提供重要依据。

前人对于西秦岭北缘断裂漳县盆地隐伏段的认识局限于盆地内部构造地貌演化（葛伟鹏，2013）以及盆地周缘基岩裸露区该断层及其次级断裂的地质特征的研究（李西候，1993；腾瑞增等，1994；王志才等，2006；郭进京等，2013）。而针对该断裂于盆地隐伏区的构造展布特征和活动特点，尚未见国内外学者有深入研究。

目前，盆地隐伏断层的研究方法主要有遥感地质解译、野外地质地貌调查、地球物理、地球化学以及钻探工程和探槽揭露等。其中地球物理方法中的浅层人工地震反射方法因可以相对可靠地提供断层位置、几何形态、断层带宽度、断层活动和地层变形时代等有关参数而得到广泛应用（刘保金等，2008）。而钻孔联合剖面法以其能够准确识别隐伏断层上断点的空间位置，进而判断其最新活动性的优势，自20世纪90年代以来广泛用于隐伏活断层探测（向宏发等，1990、1991、1993、2000；徐锡伟等，2000、2002；邓起东等，2003；朱金芳等，2005；杨晓平等，2007）。基于以上原因，中华人民共和国地震行业标准《活动断层探测》（DB／T 15-2009）（中国地震局，2009）中明确将浅层地震勘探和钻孔联合剖面法列为探测隐伏活断层的主要手段之一，并对相关要求做了明确规定。

本文便是在前期遥感地质解译和野外地质调查的基础之上，以浅层人工地震探测以及钻孔联合剖面方法为主要手段，精细解析西秦岭北缘断裂漳县盆地隐伏段的空间展布和最新活动特征。

1 漳县盆地

漳县盆地为一山间小盆地，其走向呈近EW向条带状，位于西秦岭北缘断裂带的中段。滕瑞增等（1994）认为西秦岭北缘断裂带中段第四纪以来以走滑运动为主；郭进京等（2013）通过对西秦岭北缘断裂带的重要分支断层漳县-车厂断层的精细研究，识别其三期活动期次，认为第四纪以来该断层以走滑运动为主；王志才等（2006）认为漳县盆地经历了三期构造演化，分别是中新世早中期的拉张成盆期、中新世晚期的挤压变形期以及晚更新世以来的走滑运动期。因此，盆地及其周缘断层构造比较复杂，结合前人的认识可以发现，西秦岭北缘断裂漳县盆地隐伏段呈陡倾角走滑运动特点，这与后期钻孔揭露该断层的发育特征一致。

盆地内部发育的漳河剥蚀堆积作用比较明显，其形成的河流河漫滩和阶地与两侧山体沟壑冲洪积扇组成盆地内部的基本地貌单元。盆地第四系覆盖层以全新统冲洪积物为主，更新统沉积剥蚀殆尽甚至缺失，岩性以卵石层、砂砾层和粘土层为主，其厚度不超过15m。第四系下伏地层为新近系的泥岩或砾岩，该地层受后期盆地构造演化的影响，形成与盆地斜交的宽缓褶皱。

根据前期遥感地质解译、野外地质调查和浅层人工地震初步勘探结果，西秦岭北缘断裂带的新活动贯穿了漳县盆地（图1），虽然盆地东西两侧断层位置明确，但盆地内由于第四系沉积物的覆盖和人类活动的改造，其最新活动的地形地貌特点不甚明显，无法辨别其最新活动轨迹，因此，需要借助浅层人工反射地震探测和钻孔联合剖面的手段来对盆地区隐伏断层段进行精细探测研究。

2 浅层人工地震探测

浅层人工地震法是探测隐伏断裂构造的一种有效方法。该方法不但有利于采用多次覆盖技术压制干扰，提高资料的信噪比和分辨率，而且地震时间剖面上的地震响应可直观形象地反映地下地质构造，有利于判断断层的存在与形态以及断层上断点的深度及其在地面投影的位置。

本次漳县盆地隐伏断裂精细探测共布设3条浅层人工地震测线（图2）。由于漳县盆地第四系覆盖层厚度不大（河床处10m左右），且内部缺乏物性参数差异较大的岩性界面，而新近系内部泥岩和砂砾岩物性差异较大，存在较好的反射界面，因此，本次浅层人工地震探测数据采用小道距接收，以保证接收到近地表地震信息，用有限大排列观测系统，以保证接收到中浅层地震波的目的层反射信息。通过现场实验工作，确定了相应的数据采集参数：观测系统道距3m，炮距18m，接收排列300道，非对称中点激发；震源采用单台KZ-28型可控震源激发，震源吨位28t，震动次数6次，扫描频率15～120Hz，扫描长度12s，驱动电平75%。

图1 研究区区域构造位置及其地质简图

通过精细化的数据处理得到相应测线的地震时间剖面（图3），由图3可见漳县断层在3条时间剖面的特征基本一致，均呈陡立断层特点，最陡处视倾角约80°，可解释的上断点埋深约20m以浅，错断3个层位，垂直断距具有自深部向浅部逐渐变小的趋势，同时在断层带附近反射波相对比较凌乱，相位有所增加，解释层位的产状偶有突变。

图2 漳县盆地地形地貌

图3 浅层人工反射地震时间剖面

3 钻孔联合剖面探测

3.1 剖面布设

为了验证浅层人工反射地震探测结果，进而准确识别漳县断层盆地隐伏区的上断点位置、埋深以及其活动性，与3条测线重合布设了3条跨断层的钻孔联合剖面。考虑到浅层地震勘探的误差、地层构造变形产状存在变化以及钻探区冲洪积物相变复杂的特点，钻孔联合剖面以浅层地震解释的断层倾向和上延至地表的位置为基准点，两侧布孔，最小孔间距≤10m。为确保钻探剖面揭穿第四纪地层，同时参考利用第四系覆盖层下伏基岩层的错断特点，两端钻孔设计孔深50～70m，中间其它钻孔孔深视标志层深度而定。

3.2 施工方法

本次钻孔联合剖面探测用“对折法”实施。雷启云等（2008）基于城市隐伏活断层钻孔联合剖面探测的多次实践，总结出一种优化的断层定位方法——对折法。其主要步骤是首先实施两端的钻孔，确定断层所在区段，然后在其间二分之一处布设下一钻孔，依次类推，逐渐限定出断层的准确位置。

3.3 钻孔联合地质剖面结果

DZ1测线钻孔剖面长度204m，布设钻孔10个，地貌单元为漳河河床及河漫滩，钻孔间距3～40m，其中ZK2-4和ZK2-10两个钻孔位于漳河北侧高河漫滩，地势较高。各钻孔揭露的全新统为一巨厚层河流相卵石层，该卵石层的底部基本水平，靠近断层附近略有变形，卵石层厚度10～15m，其底部可作为断层位置精确定位、上断点埋深识别以及断层活动性鉴定的典型标志层。卵石层下伏地层为新近系强风化的砾岩或者泥岩，通过岩芯柱发现，该地层产状较陡，倾角超过45°，同时由于钻孔深度较浅，因此基岩层的标志层不明显。断层上断点位于ZK2-9和ZK2-1之间，其中ZK2-9揭露断层破碎带厚度近5m，其位置向地震时间剖面解释的断层浅层延伸方向北移15m，上断点埋深约8m，而且断层上断点错断全新统卵石层，垂直断距约3m。

DZ2测线钻孔剖面长度180m，布设钻孔8个，地貌单元为漳河北侧一级阶地，地势北高南低，钻孔间距7.5～48.0m。各钻孔揭露全新统为顶部的薄层杂填土、中部的厚层黄土和粉土以及底部的巨厚层卵石层，基岩层为一巨厚层泥岩，该泥岩各钻孔均未见底。其中土黄色粉土层、松散细砂层、卵石层以及基岩层的灰绿色泥岩层为识别断层的标志层。断层上断点位于ZK3-3和ZK3-6之间，各标志层在断层两侧均发生错断，且各层断距具有自深部向浅部逐渐变小的趋势，其中灰绿色泥岩层底界垂直断距约2.5m，卵石层底界的垂直断距约2m，松散细砂层的底界垂直断距约70cm，土黄色粉土层底界的断距约50cm，指示该断层全新世以来继承性多期次活动的特点，其平面位置向地震时间剖面解释的断层浅层延伸方向北移6m，上断点埋深约5m。

DZ3测线钻孔剖面长度136m，布设钻孔10个，地貌单元为漳河南侧一级阶地，地势南高北低，钻孔间距5～40m。各钻孔揭露的全新统卵石层底部基本水平，与下伏地层呈典型的角度不整合接触，厚度11～17m；卵石层底部基岩层发育厚层风化壳，该风化壳整体特征表现为岩性为砾岩、砾砂岩或泥岩，颜色呈褐黄色，胶结程度较差，可见绿泥石蚀变，该层可作为断层位置精确定位、上断点埋深识别以及断层活动性鉴定的典型标志层。钻孔揭露的新近系基岩层，产状特征表现为一向斜构造，与浅层地震勘探的解释结果一致，两翼地层倾角约10°，其中浅灰色泥岩-黄褐色砾岩的沉积组合以及钻孔底部巨厚层灰黄色泥岩的顶部可作为断层判别的重要标志层。断层上断点位于ZK1-8和ZK1-10之间，其位置向地震时间剖面解释的断层浅层延伸方向北移20m，上断点埋深约10m，而且断层上断点错断全新统卵石层，垂直断距约1.2m。

钻孔联合剖面揭露的断层上断点均错断全新世地层，指示该断层全新世以来活动性较强。

图4 各测线钻孔联合地质剖面

4 结论与讨论

盆地内隐伏断层的研究虽然不如露头区断层的研究直观，但是通过盆地内部覆盖层研究隐伏断层的最新活动性却具有其独特的意义。西秦岭北缘断裂控制的新生代构造盆地多为山间小盆地，经历了多次构造演化，复杂的地质构造和多阶段多时相不同地理环境的沉积响应对研究西秦岭北缘断裂的活动轨迹和最新活动期次带来挑战，其中漳县盆地尤为典型。本文以前期地质工作为基础，通过浅层人工地震和钻孔联合剖面探测2种方法，循序渐进，查明了西秦岭北缘断裂漳县盆地隐伏段的空间发育特征和最新活动期次。

（1）以浅层人工地震探测成果为参考，布设3条钻孔联合剖面，其揭露结果可以发现本次浅层人工地震解释的解释结果可靠，但是上断点地表投影位置和埋深的解释均存在差异，其中DZ1测线真实上断点地表投影位置较地震解释结果向北移15m，DZ2测线北移20m，DZ3测线北移6m，上断点埋深为5～10m（地震解释结果约为20m），可以发现地震时间剖面可解释的上断点向浅层延伸至钻孔揭露的埋深处地表投影位置与其真实位置基本吻合。

（2）西秦岭北缘断裂带漳县盆地隐伏段产状较陡（视倾角约80°），第四纪以来活动特点以走滑运动为主，因此断层面两侧地层的垂直错断位移有所差异；盆地内部第四系覆盖层岩性比较单一（以全新统冲洪积卵石层为主），厚度较薄（15m左右），西秦岭北缘断裂带漳县盆地隐伏段的上断点均错断全新统，且地层垂直断距具有自深部向浅部逐渐变小的趋势，指示该断层全新世以来继承性多期次活动的特点。

（3）本文选择合理的浅层人工地震施工参数，并以此结果为参考，开展钻孔联合剖面探测查明漳县盆地隐伏断层上断点位置和埋深，并解析其最新活动性，对于山间盆地复杂构造背景下隐伏断层探测的理论研究和方法探索具有一定借鉴意义。